[实用新型]回形质量块静电悬浮六自由度微加速度计悬浮控制系统

说明书

本实用新型涉及回形质量块静电悬浮六自由度微加速度计悬浮控制系统，包括DSP、信号发生器、前置放大器、高压放大器和控制合成电路，前置放大器、锁相放大器、DSP、高压放大器、控制合成电路依次连接；前置放大器的I‑V转换电路与微加速度计的质量块连接，用于获取质量块在偏离腔体内平衡位置的六自由度位置变化，送入DSP得出控制电压，经高压放大器后在控制合成电路内与预载电压、信号发生器输出的载波信号叠加，然后施加到相应的控制电极极板上。本实用新型能快速、准确检测质量块的六自由度位置，对质量块偏离零位能有效地进行控制，改善了加速度计的性能指标，对加速度的检测较为准确。

技术领域

本实用新型涉及微机电系统技术领域中的悬浮式惯性传感技术，具体是回形质量块静电悬浮六自由度微加速度计悬浮控制系统。

背景技术

基于MEMS技术的静电悬浮微加速度计，依靠可控的静电力将敏感质量无接触地悬浮在电极腔内，具有体积小、重量轻、成本低、功耗微、易于集成等特点，利用调整偏置电压可按工作要求大范围地调整支承系统的带宽和刚度，有望实现微量程和高分辨率，尤其适用于空间微弱加速度测量和卫星无拖曳控制。可同时实现六自由度加速度高精度测量，包括三个线加速度和三个角加速度。

结合非硅微加工工艺的特点，微加速度计为玻璃-镍-玻璃键合的“三明治”结构，如图1 所示，包括上定子电极、下定子电极和回形质量块。其中，质量块采用回字的薄片结构以提高径向过载能力和支承刚度，定子电极分为四部分：1)沿转子径向内/外侧的各8块悬浮控制电极对，用于约束转子沿径向(X和Y轴)和绕Z轴转动三个自由度运动；2)上/下电极各包含 4对轴向悬浮电极，用于约束转子沿Z轴方向和两个转动自由度的运动；3)在径向和轴向悬浮电极中配置有专门用于位移检测配置的公共电极(径向8块和轴向4块电极)，它们连接在一起。回形质量块为中心正方形镂空孔的回字形形状结构。上下定子结构包括薄膜金属电极、止挡、厚金属结构和引线；回形质量块的方孔内也设置了内侧侧向电极，以提高悬浮质量块的侧向刚度和位移检测灵敏度。径向电极和下悬浮控制电极组成下定子，为使质量块电位保持在零位，对每块检测控制电极的极板都进行等面积拆分，在悬浮时施加幅值相等、相位相反的控制电压，例如将第一悬浮控制电极对拆分成1a和1b电极。具体结构为：在下定子分布轴向悬浮控制电极1a、1b、2a、2b、3a、3b、4a、4b，在上定子分布轴向悬浮电极5a、5b、6a、6b、7a、7b、8a、8b，其中轴向悬浮控制电极1a、1b、3a、3b、5a、5b、7a、 7b控制质量块绕Y轴旋转，轴向悬浮控制电极对2a、2b、4a、4b、6a、6b、8a、8b控制质量块绕X轴旋转，在下定子悬浮控制电极对间隙分布公共电极9a、9b、9c、9d，在上定子悬浮控制电极对之间间隙分布公共电极9e、9f、9g、9h，为避免加速度计受到较大冲击时质量块和下定子电极粘连，在下定子悬浮控制电极对间隙设置四个轴向止档10a、10b、10c、10d，为避免加速度计受到较大冲击时质量块和上定子电极粘连，在上定子悬浮控制电极对之间间隙设置4个轴向止档10e、10f、10g、10h，止档高度略高于悬浮电极。径向电极11a、11b、12a、12b、15a、15b、16a、16b为分布在质量块外侧的X向检测控制电极，径向电极13a、13b、14a、 14b、17a、17b、18a、18b为分布在质量块外侧的Y向检测控制电极，19a、19b、19c、19d为分布在外侧径向电极间隙的公共电极，所有的公共电极在内部用引线连接。20a、20b、20c、 20d为分布在外侧径向控制电极对之间的止档柱，共四个，以避免加速度计受到较大冲击时质量块和外侧电极粘连。径向电极21a、21b、22a、22b、25a、25b、26a、26b为分布在质量块内侧的X向检测控制电极，径向电极23a、23b、24a、24b、27a、27b、28a、28b为分布在质量块内侧的Y向检测控制电极，29a、29b、29c、29d为分布在内侧径向控制电极对之间的止档柱，共四个，以避免加速度计受到较大冲击时质量块和内侧电极粘连。止挡为金属接地，当质量块停在止档柱，释放积累的净电荷。