[发明专利]一种电荷平衡式微加速度计表头差分电容检测方法及其装置

说明书

技术领域

本发明属于微加速度计信号检测技术领域，具体涉及一种电荷平衡式微加速度计表头差分电容检测方法和装置。

背景技术

微加速度计是用微机械电子工艺加工的特征尺寸在微米级的器件，用于测量载体的非引力加速度，其体积小、成本低、适于批量加工及易与ASIC集成，属惯性传感器，有着广泛的应用前景和迫切的市场需求，目前已成功应用于汽车、消费类电子等工业、民用以及惯性制导和战术导弹等军事领域。

电容式微加速度计表头采用典型的“弹簧-质量”结构，在惯性力作用下，受弹性梁支撑的质量块产生位移，动极板和固定极板间的电容随之变化，检测电路用于检测电容的变化来反映加速度的大小，或者由检测电路和表头组成静电力平衡惯性力的机电系统，用于产生静电力的电压反映加速度的大小。典型的微加速度计表头采用差分设计，由三个电极板，受弹性梁支撑的活动极板位于两固定电极板之间，同时三者之间形成差分电容，当加速度为零时，活动极板处于两固定电极的中间位置，电容差值为零，当存在加速度时，活动极板偏离中间位置，电容差相应变化。

静电力伺服检测方式是当前应用比较广泛的检测方法。其实现途径为：在微加速度计表头的活动极板施加直流预载电压，在上固定极板和下固定极板分别施加幅度相等和频率相同、相位相差180°的两路激励信号。活动极板既是加力电极，又是检测电容。其基本原理基于牛顿第二定律，它通过敏感相应的惯性力来间接测量加速度。当受到加速度时，检测质量位置发生变化，引起差动电容的变化。检测电容差分信号经电荷放大或电压放大、相敏解调和比例积分微分校正后，输出电压反馈到上极板，同时输出电压反相后施加至下极板，形成静电力反馈，反馈作用使活动极板保持在中间平衡位置，反馈电压与被测加速度成线性关系。

静电力伺服系统中，由于检测电路的前向环节的增益很大，增益的波动对加速度计测量精度和稳定性的影响很小，但静电力伺服的微加速度表存在以下几点缺点：

1）由于活动极板直流静电偏压和固定极板的反馈电压存在，可能发生在电介质层的充电现象。表面的电荷积累可能造成加速度计的漂移，寄生电荷的积累也可能改变改变器件的力学特性；

2）可能存在静电吸合失效。工作状态时，静电力伺服微加速度计受到外界较强振动或冲击时，活动极板偏离平衡位置。如果此过程中表头的机械刚度小于静电刚度，致使动片所受静电力大小超过弹性支承梁的弹性回复力,使动片被静电力吸住贴于固定极板上无法回复平衡位置，出现吸合失效。为避免静电吸合，设计时要求支撑质量块的弹簧刚度大于闭环系统可能产生的最大静电刚度，这就要求机械刚度很高，而机械刚度过大会引起加速度表零位输出不稳定；

3）由于具有二阶传输特性的机械部分处于闭环回路内部，可能影响回路的稳定性。

开环检测方式是当前应用比较广泛的另一种检测方法。其实现途径为：在上固定极板和下固定极板分别施加幅度相等和频率相同、相位相差180°的两路激励信号，当活动极板处于中间位置时，由于活动极板与两固定极板电容相等，激励信号耦合到活动极板强度相同，活动极板输出信号为零。当外界加速度使活动极板产生相对位置变化时，激励信号耦合到活动极板强度产生相应变化，利用电荷放大器或电压放大器检测活动极板输出，经相敏解调、放大后输出，输出信号与加速度呈近似线性。

开环检测实质上是检测差分电容的变化量，由于避免施加静电偏压和反馈电压，其不会出现因静电偏压引起的加电零位时漂和静电吸合失效。但是，开环检测的原理决定了其不可避免的缺点：

1）刻度依赖多方面因素，包括激励信号的幅度、电荷放大器或电压放大器的增益、相敏解调器的相位失真、表头或检测电路杂散电容的不稳定等。要保证刻度的稳定，就必须保证上述诸多环节均稳定。事实上，敏感结构寄生电容随温度变化不可避免，要实现激励信号幅度高稳定、放大器的等的高稳定都极其难以实现；

2）由于差分电容的变化量与活动极板的位移不是严格的正比例关系，导致输出非线性，特别是活动极板行程较大时，非线性尤其严重；

3）在差分电容检测时，固定幅度的激励信号作用在上下固定极板，当存在外界加速度时，活动极板偏离中间位置，受到两个不对等的静电力，也会导致输出非线性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种电荷平衡式微加速度计表头差分电容检测方法，本发明要解决的另一技术问题是提供一种电荷平衡式微加速度计表头差分电容检测装置。

本发明的电荷平衡式微加速度计表头差分电容检测方法，依次包括如下步骤：