[发明专利]压电振动激励自诊断MEMS加速度计表芯及加速度计

说明书

本发明公开一种压电振动激励自诊断MEMS加速度计表芯及加速度计。所述加速度计表芯包括：上极板、中间极板、下极板和振动台，所述中间极板位于所述上极板和所述下极板正中间，所述中间极板通过一根悬梁连接到固定位置，所述上极板与所述中间极板构成第一电容，所述下极板与所述中间极板构成第二电容，所述第一电容与所述第二电容构成一对差分电容；所述振动台包括反馈层和振动层，所述反馈层位于所述下极板下侧，所述振动层位于所述反馈层下侧；所述反馈层表面引出反馈输出正电极和反馈输出负电极，所述振动层表面引出驱动正电极和驱动负电极。采用本发明的表芯和加速度计能够实现对振动层振动幅度的检测。

技术领域

本发明涉及多层压电陶瓷制备工艺技术领域，特别是涉及一种压电振动激励自诊断MEMS加速度计表芯。

背景技术

MEMS(Micro Electro-Mechanical System)加速度计是微小型惯性导航系统中重要的传感器之一。具有体积小、成本低、重量轻以及功耗低等特点，在现代军事装备短程制导、组合导航、姿态控制、民用汽车及消费类电子市场等方面得到了广泛应用。

MEMS加速度计由于受环境温度、气压、机械耦合、残余应力释放、表芯机械/热应力等因素的影响，导致其长期稳定性较差，且安装完成后，无法对加速度计的健康状态进行实时诊断。故MEMS加速度计自检测技术是提高MEMS加速度计长期稳定性的关键技术之一。

目前，MEMS加速度计的自诊断检测技术主要分为两类：一是在MEMS加速度计内建自检测电路，外部输入激励信号通过自检测电路使敏感结构产生响应进而完成诊断检测；二是在MEMS加速度计内嵌微结构振动源，受外界激励信号产生振动，实现自诊断检测。

苏州物联网研究发展中心于2016年3月21日向国家知识产权局，申请了一件申请号为CN105823907A，名称为“平行板电容型MEMS加速度计内建自测试电路及自测试方法”的发明专利，该发明属于第一类自诊断检测技术，其提供了一种平行板电容型MEMS加速度计内建自测试电路，以及一种自测试方法，对平行板电容加速度计提供电激励，将电容传感模块输出的信号进行放大，模数转换和数字处理，根据不同条件下的自测试供电电压以及电容传感模块的输出响应分析其灵敏度，从而实现对平行板电容型加速度计的灵敏度进行内建自测试。该发明优化了了外部环境和寄生电容对输出信号的影响，提高测试的标准化程度、降低对复杂测试仪器的依赖度，有效降低测试与产品成本。

此外，2017年ADI推出了两款专用的工业状态检测用的加速度计ADXL1001及ADXL1002，这两款加速度计具有完整的静电自检测和超量程指标，但其静电自检测技术需要加速度计脱离工作状态，通过在自检测管脚施加激励检测电压，将输出曲线与出厂设置曲线比对，完成自检测。

上述现有技术虽然解决了对复杂测试仪器的依赖度的问题，但还存在以下问题：首先，其激励信号作用于梳齿或平行板电容结构，无法检测MEMS加速度计敏感结构的健康状态；其次，其只能对MEMS加速度计的灵敏度进行自测试，无法得到MEMS加速度计敏感结构的特征参数(品质因子及谐振频率)；最后，无法获得MEMS加速度计封装气密性健康状态检测。

中国工程物理研究电子工程研究所于2016年12月29日项国家知识产权局，申请了一件申请号为CN106771366A，名称为“一种MEMS加速度计健康状态检测装置及监测方法”的发明专利，该发明属于第二类自诊断检测技术，其装置包括：微振动平台、外围平台、四个水平支撑梁、四个垂直支撑梁；微振动平台为方形，外围平台位于微振动平台的外围；四个水平支撑梁和四个垂直支撑梁位于微振动平台和外围平台之间；每个水平支撑梁的一端连接到对应的垂直支撑梁的一端，并与垂直支撑梁形成直角结构；四个直角结构沿顺时针方向依次均匀分布在微振动平台的四周；每个直角结构的水平支撑梁和垂直支撑梁分别于微振动平台的两个边缘平行；每个直角结构的水平支撑梁一段与外围平台连接，垂直支撑梁一端连接到对应的微振动平台边缘的中部。该发明的装置及方法可以实现MEMS加速度计在测量较高加速度时的健康状态监测。