一种三轴微机械加速度计及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种三轴微机械加速度计及其控制方法，属于加速度测量技术领域，包括XY两轴直线加速度和Z轴角加速度测量。通过单质量块和L形弹性梁，保证加速度计前三阶振动模态分别为上述三轴敏感运动。基于梳齿电容组合设计，提出闭环三轴加速度计控制方法，包括XY直线刚度修调方法、XY直线位移和Z转角检测方法、两轴力平衡和一轴力矩平衡方法。通过PID控制器计算力和力矩平衡电压，并以推挽方式施加至驱动电极上，实现闭环三轴加速度计控制。本发明专利技术采用单质量块和分布式梳齿结构设计，结构简单，加速度计控制方法简便，并融合了等效刚度修调方式，有助于提高三轴加速度计小型化、集成度和精度。集成度和精度。集成度和精度。

【技术实现步骤摘要】
一种三轴微机械加速度计及其控制方法


[0001]本专利技术属于加速度测量
，更具体地，涉及一种微机械加速度计及其控制方法。

技术介绍

[0002]静电悬浮加速度计采用静电力平衡方式，可以同时实现六轴的加速度测量。虽然静电悬浮加速度计精度高，但是静电悬浮加速度计加工困难，无法批量加工和进一步推广。采用MEMS加工技术的静电悬浮微加速度计虽然具有批量化制造优势，但是仍然存在加工工艺、控制和检测系统复杂等问题，尚处于基础研究阶段。目前较为成熟的电容式三轴微加速度计通常采用多质量块结构形式，虽然有利于三轴方向上运动解耦，但是存在精度低的问题。

技术实现思路

[0003]针对现有的三轴微机械加速度计上的缺点和不足，本专利技术提供了一种三轴微机械加速度计及其控制方法，利用单质量块和L型弹性梁实现X轴直线、Y轴直线和Z轴转动传感，通过设计梳齿电容及其组合形式部署了静电修调单元、直线位移检测单元、转角检测单元、力平衡单元和力矩平衡单元，不仅采用闭环控制方法实现三轴的加速度闭环检测，而且利用静电修调方法可将加速度计在X轴和Y轴的等效刚度调节至零，从而提高加速度计的检测精度，该加速度计及其控制方法更为简单实用。
[0004]本专利技术采用的技术方案如下：
[0005]第一方面，本专利技术提供了一种三轴微机械加速度计，包括加速度敏感元件、静电修调单元、直线位移检测单元、转角检测单元、力平衡单元、力矩平衡单元；
[0006]所述的加速度敏感元件包括单质量块和弹性梁，所述的弹性梁为L型结构，具有X轴直线运动、Y轴直线运动和Z轴旋转运动方向上的线性刚度；所述的单质量块是一个由多个分布质量结构通过刚性连接臂组合而成，与移动梳齿相连、对称分布，通过L型弹性梁与锚区相连，其中，L型弹性梁的一端连接锚区，另一端连接单质量块，优选的，锚区上的弹性梁连接点与单质量块中心的距离小于连接臂上弹性梁连接点与单质量块中心的距离；单质量块的连接臂上设有多组固定梳齿；
[0007]所述的静电修调单元包括静电修调电极及其对应的静电修调梳齿，所述的静电修调梳齿与连接臂上的第一组固定梳齿组成静电修调电容；X向静电修调电容在X向静电修调电压作用下产生X轴方向的静电负刚度，Y向静电修调电容在Y向静电修调电压作用下产生Y轴方向的静电负刚度，静电修调单元在X轴和Y轴方向上产生的静电合力为零；所述静电修调电容组合形式中，各组静电修调电容对应的静电修调电极可以施加相同或不同的静电修调电压，可根据由此产生的静电合力为零的需求进行调节；
[0008]所述的直线位移检测单元包括检测电极及其对应的检测梳齿，所述的检测梳齿与连接臂上的第三组固定梳齿组成检测电容，用于实现X轴和Y轴直线位移检测；
[0009]所述的转角检测单元与直线位移检测单元共用检测电极和检测电容，用于实现Z轴转角检测；本专利技术采用相同梳齿电容的不同组合实现直线位移检测和转角检测；
[0010]所述的力平衡单元包括力驱动电极及其对应的力驱动梳齿，所述的力驱动梳齿与连接臂上的第二组固定梳齿组成力驱动电容；
[0011]所述的力矩平衡单元包括力矩驱动电极及其对应的力矩驱动梳齿，所述的力矩驱动梳齿与连接臂上的第四组固定梳齿组成力矩驱动电容。
[0012]进一步地，所述的第一组固定梳齿、第二组固定梳齿、第三组固定梳齿、第四组固定梳齿依次从单质量块中心向外沿连接臂均匀布置，呈中心对称结构。
[0013]进一步地，所述的直线位移检测单元中，当质量块沿着X轴和Y轴运动时，电容间隙减小和增大的检测电容互为差分，即X轴正方向的检测电容和X轴负方向的检测电容互为X轴检测差分电容，Y轴正方向的检测电容和Y轴负方向的检测电容互为Y轴检测差分电容，通过在检测电极上施加载波电压，实现对由变间隙引起电容变化信号的载波调制，检测电极上的信号经过CV电路、差分处理、AD转换电路、乘法解调和低通滤波信号处理后，成为数字量位移信号。
[0014]进一步地，所述的转角检测单元中，当单质量块绕Z轴顺时针旋转时，交叠面积增加和减小的检测电容互为Z轴检测差分电容，通过在检测电极上施加载波电压，实现对由变面积引起电容变化信号的载波调制，检测电极上的信号经过CV电路、差分处理、AD转换电路、乘法解调和低通滤波信号处理后，成为数字量转角信号。
[0015]进一步地，所述的力平衡单元中，组合方式与直线位移检测单元一致，X轴正方向的力驱动电容与X轴负方向上的力驱动电容互为X轴驱动差分电容，Y轴正方向上的力驱动电容和Y轴负方向上的力驱动电容互为Y轴驱动差分电容，根据直线位移检测单元检测到的位移信号计算得到力平衡电压，经过推挽电路后施加在力驱动电极上产生静电力，使得单质量块工作在参考位置。
[0016]进一步地，所述的力矩平衡单元中，组合方式与转角检测单元一致，即在顺时针方向上交替出现，当单质量块绕Z轴顺时针旋转时，交叠面积增加和减小的力矩驱动电容为Z轴力矩驱动差分电容，根据转角检测单元检测到的转角信号计算得到力矩平衡电压，经过推挽电路后施加在力矩驱动电极上产生静电力矩，使得单质量块工作在参考角度。
[0017]本专利技术中，力平衡单元和力矩平衡单元采用独立的驱动电容，每组驱动电容对应的驱动电极独立施加电压信号。
[0018]进一步地，所述的静电修调电容、检测电容、力驱动电容和力矩驱动电容含有多对梳齿结构，每个固定梳齿与两个移动梳齿相邻，构成两对间隙不一样的电容，间隙满足d2>3d1，其中d1表示固定梳齿与其相邻的第一个移动梳齿之间的间隙，d2表示固定梳齿与其相邻的第二个移动梳齿之间的间隙。
[0019]第二方面，本专利技术提供了一种上述的三轴微机械加速度计的控制方法，通过力/力矩平衡方式将质量块位置在参考位置/角度上，同时通过在X和Y轴施加静电负刚度使其等效刚度降低至预设值，包括以下步骤：
[0020]步骤1，当质量块受到外界加速度时，通过在直线位移检测单元和转角检测单元中的检测电极上施加载波电压，实现对由变间隙引起电容变化信号和变面积引起电容变化信号的载波调制，检测电极上的信号经过CV电路、差分处理、AD转换电路、乘法解调和低通滤
波信号处理后，分别得到数字量位移信号和数字量转角信号；
[0021]步骤2，所述的数字量位移信号和数字量转角信号分别经不同PID控制器计算得出X轴力平衡电压V
FX
、Y轴力平衡电压V
FY
和Z轴力矩平衡电压V
FZ
；
[0022]通过推挽电路，在X轴驱动差分电容对应的力驱动电极上分别施加电压V
FX
+V
DC1
和V
FX
－V
DC1
，在Y轴驱动差分电容对应的力驱动电极上分别施加电压V
FY
+V
DC2
和V
FY
－V
DC2
，使得质量块工作在XY平面上参考位置上；其中，V
DC1
和V
DC2
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三轴微机械加速度计，其特征在于，包括加速度敏感元件、静电修调单元、直线位移检测单元、转角检测单元、力平衡单元、力矩平衡单元；所述的加速度敏感元件包括单质量块和弹性梁，所述的单质量块是一个由多个分布质量结构通过刚性连接臂组合而成，与移动梳齿相连、对称分布，通过L型弹性梁与锚区相连；所述的静电修调单元包括静电修调电极及其对应的静电修调梳齿，所述的静电修调梳齿与连接臂上的第一组固定梳齿组成静电修调电容；X向静电修调电容在X向静电修调电压作用下产生X轴方向的静电负刚度，Y向静电修调电容在Y向静电修调电压作用下产生Y轴方向的静电负刚度，静电修调单元在X轴和Y轴方向上产生的静电合力为零；所述的直线位移检测单元包括检测电极及其对应的检测梳齿，所述的检测梳齿与连接臂上的第三组固定梳齿组成检测电容，用于实现X轴和Y轴直线位移检测；所述的转角检测单元与直线位移检测单元共用检测电极和检测电容，但组合方式不同，用于实现Z轴转角检测；所述的力平衡单元包括力驱动电极及其对应的力驱动梳齿，所述的力驱动梳齿与连接臂上的第二组固定梳齿组成力驱动电容；所述的力矩平衡单元包括力矩驱动电极及其对应的力矩驱动梳齿，所述的力矩驱动梳齿与连接臂上的第四组固定梳齿组成力矩驱动电容。2.根据权利要求1所述的一种三轴微机械加速度计，其特征在于，所述的第一组固定梳齿、第二组固定梳齿、第三组固定梳齿、第四组固定梳齿依次从单质量块中心向外沿连接臂均匀布置，呈中心对称结构。3.根据权利要求1所述的一种三轴微机械加速度计，其特征在于，所述的直线位移检测单元中，X轴正方向的检测电容和X轴负方向的检测电容互为X轴检测差分电容，Y轴正方向的检测电容和Y轴负方向的检测电容互为Y轴检测差分电容，通过在检测电极上施加载波电压，实现对由变间隙引起电容变化信号的载波调制，检测电极上的信号经过CV电路、差分处理、AD转换电路、乘法解调和低通滤波信号处理后，成为数字量位移信号。4.根据权利要求1所述的一种三轴微机械加速度计，其特征在于，所述的转角检测单元中，当单质量块绕Z轴顺时针旋转时，交叠面积增加和减小的检测电容互为Z轴检测差分电容，通过在检测电极上施加载波电压，实现对由变面积引起电容变化信号的载波调制，检测电极上的信号经过CV电路、差分处理、AD转换电路、乘法解调和低通滤波信号处理后，成为数字量转角信号。5.根据权利要求1所述的一种三轴微机械加速度计，其特征在于，所述的力平衡单元中，X轴正方向的力驱动电容与X轴负方向上的力驱动电容互为X轴驱动差分电容，Y轴正方向上的力驱动电容和Y轴负方向上的力驱动电容互为Y轴驱动差分电容，根据直线位移检测单元检测到的位移信号计算得到力平衡电压，经过推挽电路后施加在力驱动电极上产生静电力，使得单质量块工作在参考位置。6.根据权利要求1所述的一种三轴微机械加速度计，其特征在于，所述的力矩平衡单元中，当单质量块绕Z轴顺时针旋转时，交叠面积增加和减小的力矩驱动电容为Z轴力矩驱动差分电容，根据转角检测单元检测到的转角信号计算得到力矩平衡电压，经过推挽电路后施加在力矩驱动电极上产生静电力矩，使得单质量块工作在参考角度。7.根据权利要求1所述的一种三轴微机械加速度计，其特征在于，所述的静电修调电
容、检测电容、力驱动电容和力矩驱动电容含有多对梳齿结构，每个固定梳齿与两个移动梳齿相邻，构成两对间隙不一样的电容，间隙满足d2>3d1，其中d1表示固定梳齿与其相邻的第一个移动梳齿之间的间隙，d2表示固定梳齿与其相邻的第二个移动梳齿之间的间隙。8.一种基于权利要求1
‑
7任一权利要求所述的三轴微机械加速度计的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，当质量块受到外界加速度时，通过在直线位移检测单元和转角检测单元中的检测电极上施加载波电压，实现对由变间隙引起电容变化信号和变面积引起电容变化信号的载波调制，...

【专利技术属性】
技术研发人员：马志鹏，金仲和，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：