[发明专利]一种谐振式微机械加速度计及其控制方法

说明书

本发明公开了一种谐振式微机械加速度计及其控制方法，属于加速度测量技术领域。质量块在受到水平敏感方向上的加速度时，发生位移变化并通过位移检测电容和CV电路转化成电压变化，该电压变化可以表征外界加速度变化；另一方面，质量块在水平方向的位移同样引起三角形调谐电容交叠面积变化，从而改变三角形调谐电容在垂直方向的静电负刚度大小，因此质量块在垂直方向上的谐振频率发生偏移，通过频率偏移变化可以从另外一个角度表征外界加速度变化，还可以通过调节三角形调谐电容的控制电压变化来补偿频率偏移，该控制电压变化也可以用来反映加速度大小，实现闭环。本发明具有两种互补检测方式，可应用于多种场合的加速度信号检测。

技术领域

本发明属于加速度测量技术领域，更具体地，涉及一种谐振式微机械加速度计及其控制方法。

背景技术

谐振式微机械加速度计通过感知谐振频率变化量来获取外界加速度大小，可以直接输出准数字量，与数字控制电路兼容性较强，测量精度高，已经广泛应用于航空航天和军事领域。谐振式微机械加速度计一般包括质量块和谐振器，两者通常分开，质量块在外界加速度作用下发生位移，通过应力或静电负刚度方式改变谐振器的谐振频率，通过对谐振器的频率偏移进行跟踪，可以测量加速度变化。谐振式微机械加速度计一般还需要杠杆结构，将质量块在加速度作用下产生的惯性力放大后传递至谐振器上，通过检测谐振频率变化得到加速度值。现有的谐振式加速度计由于检测原理的限制，在线性度和灵敏度两个重要指标上无法兼顾，而且在提高灵敏度的同时会恶化量程范围内的线性度，并带来振动非线性问题，从而加大谐振控制的难度。

发明内容

针对现有的谐振式微机械加速度计上的缺点和不足，本发明提供了一种谐振式微机械加速度计及其控制方法，利用静电负刚度方式改变谐振频率偏移的方法测量加速度，并同时保留质量块位移检测加速度的检测方法并将质量块和谐振器合二为一，因此结构更为简单。

本发明的质量块的加速度敏感方向和谐振方向正交，通过三角形调谐电容的静电负刚度作用，两个正交运动耦合在一起；由于敏感方向和谐振方向运动在频率上分离开来，可以采用低通滤波和解调信号处理的方法，将敏感方向位移变化和谐振方向频率偏移两种互补且包含加速度信息的提取出来。两种互补检测方法可单独或联合使用，以适应不同应用场合，从而满足对量程、灵敏度和线性度的需求；通过加权数据融合技术，加速度检测精度和量程有望进一步提升。此外，本发明的微机械加速度计制造工艺简单，制造成本可以得到有效的控制。

本发明采用的技术方案如下：

一种谐振式微机械加速度计，包括质量块、硅栅结构、位移检测模块、调谐模块和驱动模块；

所述的质量块通过高深宽比的弹性梁与锚区相连，弹性梁在水平敏感轴方向上的刚度小于垂直方向上的刚度，质量块和弹性梁组成一个谐振器；硅栅结构布置在质量块的中间位置上；所述的位移检测模块、调谐模块和驱动模块布置在与硅栅结构相对应的基板上，所述的调谐模块通过变面积型三角形调谐电容等效降低加速度计在垂直方向上的刚度；

所述的谐振式微机械加速度计包含两种加速度检测方式：

在水平敏感轴方向上，所述的位移检测模块通过开环位移检测方式对外界加速度变化进行检测，得到包含加速度信息的位移幅值变化信号；

在垂直方向上，所述的驱动模块通过谐振驱动方式控制谐振器处于谐振状态，获取驱动模块跟踪频率的频率偏移信号，通过频率偏移信息对加速度信息进行同步检测。

本发明的另一目的在于提供一种上述的谐振式微机械加速度计的控制方法，包括以下步骤：

1)在三角形调谐电容的电极上施加固定的直流电压V_dc，并利用扫频驱动的方式获取质量块及弹性梁的初始谐振频率，包括水平敏感轴方向上的初始谐振频率ω_y和垂直方向上的初始谐振频率ω_z0；

2)质量块在受到水平敏感方向上的加速度时会发生位移变化，从而产生电容变化信号；