[实用新型]微机电系统测斜仪

说明书

实施例公开了微机电系统测斜仪。该微机电系统测斜仪包括基底、第一移动质量块和传感单元。传感单元包括第二移动质量块、多个弹性元件，弹性元件被插入在第二移动质量块与基底之间并且在与第一轴线平行的方向是柔顺的，以及多个弹性结构，多个弹性结构中的每个弹性结构被插入在第一移动质量块与第二移动质量块之间并且在与第一轴线和第二轴线平行的方向是柔顺的。传感单元进一步包括相对于基底固定的固定电极以及相对于第二移动质量块固定的移动电极，这形成了可变电容器。该MEMS测斜仪能够减小振动校正误差。

技术领域

本公开涉及一种具有减小振动校正误差的MEMS(微机电系统)测斜仪。

背景技术

众所周知，测斜仪是用于监测物体或结构相对于一个或多个参考轴线或平面的倾斜角度的设备。特别地，已知由平面外加速度计(即，对沿着与参考平面垂直的轴线的加速度敏感的加速计，该轴线通常与地球重力的方向一致)形成的测斜仪，该测斜仪被设计用于测量受约束表面的倾斜度。

在工业领域，具有极高精度和分辨率的测斜仪是必要的，例如，用于监测天线的指向、建筑物和其他建筑结构的结构健康状态以及海上平台的水平状态。

利用MEMS技术制造的测斜仪是在半导体材料(例如硅)的裸片上获得的。由于这些设备的尺寸小、精度高、可以将它们集成到电路中以改进其性能以及成本低，这使得这些设备能够广泛地扩散。

MEMS测斜仪的操作机制通常基于电容测量，即，基于与彼此相对布置的至少两个金属电极相关联的电容的测量。例如，已知测斜仪，每个测斜仪包括两个电极，两个电极彼此相对布置以便形成具有平行平面的电容器，如美国专利申请US2011/0023604A1中所述。

在上述解决方案中，描述了一种跷跷板架构，该架构包括移动质量块、基底、多个底部电极以及多个顶部电极。所述底部电极被固定到所述基底并且面向对应的顶部电极，顶部电极相对于移动质量块固定。移动质量块在静止时位于与基底平行的参考平面内，并且在使用中可以围绕中心销自由旋转，中心销将顶部电极分为第一组和第二组，第一组包括相对于中心销布置在第一侧的顶部电极，第二组包括相对于中心销布置在第二侧的顶部电极。在静止位置，第一组和第二组的顶部电极与相应的底部电极等距，因此对应的电容器具有相同的电容。在使用中，当设备受到相对于参考平面横向定向的加速度时，移动质量块围绕中心销转动。因此，例如，可能发生第一组的顶部电极接近相应的底部电极，并且第二组的顶部电极远离相应的底部电极，从而生成电容差，这指示设备的倾斜。更详细地说，第一电容C₁与第二电容C₂之间产生差异，第一电容C₁取决于第一组的顶部电极的位置，第二电容C₂取决于第二组的顶部电极的位置。特别地，第一电容C₁和第二电容C₂可以通过以下公式来描述：

其中ε₀是真空介电常数，A是电极的面积，g₀是顶部电极与底部电极之间的静止距离。此外，x表示在静止状态下的位移，因此当第一电容C₁和第二电容C₂相等时，x为零。相反，当测斜仪倾斜角度α时，x表示第一组顶部电极的质心在对应的底部电极方向上的位移。

为了保证电容的测量以及因此倾角的测量的准确性，MEMS倾角仪应该对不期望的外部刺激具有鲁棒性。特别地，两个主要的干扰源是机械应力，例如由于温度变化或者设备变形引起的机械应力，以及销周围的移动质量块的虚假振动，该虚假振动通常具有从几赫兹到几千赫兹的频率。

例如，在存在关于静止位置的移动质量块的虚假振动的情况下，位移x在绝对值彼此相同的正值Vp和负值Vn之间振荡。此外，第一电容C₁与第二电容C₂之间的差相对于位移x不是线性的。