專利名稱：微機(jī)械角加速度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于測(cè)量運(yùn)動(dòng)體的姿態(tài)的角加速度傳感器。
背景技術(shù)：
目前，對(duì)于測(cè)量運(yùn)動(dòng)體的姿態(tài)，采用的是傳統(tǒng)的速率陀螺儀，速率陀螺儀的工作原理是通過(guò)哥氏力來(lái)敏感角速率信號(hào)。MEMS最廣泛的應(yīng)用就是設(shè)計(jì)和制造微型傳感器。使用傳感器的機(jī)電部分產(chǎn)生敏感信息，而電子部分則對(duì)機(jī)電部份產(chǎn)生的信息進(jìn)行處理。MEMS陀螺就是用于測(cè)量角速度的MEMS傳感器。
目前，MEMS陀螺的最新技術(shù)，如《傳感技術(shù)(Journal of TransducerTechnology)1998年第17卷第1期》“硅微機(jī)械音叉陀螺檢測(cè)靈敏度與固有頻率的關(guān)系”一文，以及美國(guó)專利號(hào)為US6837108B公開(kāi)的“一種增大動(dòng)態(tài)范圍的微電子機(jī)械陀螺儀”(INCREASING THE DYNAMIC RANGE OF AMEMS GYROSCOPE)中所述，MEMS陀螺儀的結(jié)構(gòu)是帶有梳狀電極的兩塊長(zhǎng)方形單晶硅平板(質(zhì)量塊)均由撓性支臂并與單晶硅底座相連，并被支懸于底座上方，在底座上設(shè)置有電驅(qū)動(dòng)的梳狀電極和電容檢測(cè)的一對(duì)平面電極。
在MEMS陀螺儀中，通過(guò)檢測(cè)哥式力的大小來(lái)測(cè)量作用在振動(dòng)質(zhì)量塊上的角速度。當(dāng)質(zhì)量塊沿x軸(驅(qū)動(dòng)軸)振動(dòng)時(shí)，就可以檢測(cè)繞z軸輸入的角速度的大小。當(dāng)繞z軸方向有角速度輸入時(shí)，將會(huì)在y軸方向產(chǎn)生哥式加速度，在哥式加速度的作用下會(huì)迫使質(zhì)量塊在y方向按照一定的頻率振動(dòng)，該振動(dòng)的幅值與輸入角速度的大小呈一定的比例關(guān)系。因此，可以根據(jù)振動(dòng)幅值的大小確定輸入角速度的值。
MEMS陀螺在為擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍大和提高檢測(cè)靈敏度、測(cè)量精度的同時(shí)也帶來(lái)相應(yīng)的不足與缺點(diǎn)，其梳狀結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，使得抗過(guò)載能力較差，因而影響使用壽命，并且難以適應(yīng)角加速度變化很大等惡劣環(huán)境下測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明不同于以上MEMS陀螺的工作原理。利用角加速度與加速度的工作原理，設(shè)計(jì)了可以感知角加速度信號(hào)的傳感器和相關(guān)的角加速度信號(hào)調(diào)制與解調(diào)處理檢測(cè)系統(tǒng)，并具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗過(guò)載能力強(qiáng)，靈敏度和測(cè)量精度高的微機(jī)械角加速度傳感器。
本發(fā)明提供的微機(jī)械角加速度傳感器，包括一個(gè)懸浮質(zhì)量塊，兩根連接質(zhì)量塊與固定端的梁，特點(diǎn)是還包括兩塊與檢測(cè)角加速度相關(guān)的檢測(cè)極板；檢測(cè)極板與固定端固定，質(zhì)量塊與檢測(cè)極板為電容的兩個(gè)極；在連接質(zhì)量塊梁上施加一個(gè)旋轉(zhuǎn)的角加速度時(shí)，質(zhì)量塊將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致質(zhì)量塊與檢測(cè)極板之間的距離發(fā)生變化，最終導(dǎo)致檢測(cè)極板與質(zhì)量塊之間的電容值發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)試檢測(cè)極板的電容變化量就可以判定被測(cè)角加速度的大小。
微機(jī)械角加速傳感器還有差分解調(diào)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)。微機(jī)械角加速度傳感器的質(zhì)量塊與兩塊檢測(cè)極板構(gòu)成兩個(gè)電容C1、C2，電容兩邊加一高頻電壓VAC作為調(diào)制信號(hào)，將低頻變化的角加速度機(jī)械振動(dòng)信號(hào)通過(guò)幅度調(diào)制為高頻電壓信號(hào)，并將檢測(cè)到的高頻電壓信號(hào)分別通過(guò)所連接的兩個(gè)運(yùn)放電路放大后變?yōu)殡妷盒盘?hào)V1、V2，該電壓信號(hào)V1、V2通過(guò)連接的差分放大器、全波整流器、低通濾波器后，可將低頻角加速度信號(hào)從高頻載波上解調(diào)出來(lái)，再由放大器將信號(hào)再次放大并輸出所檢測(cè)的角加速度的電壓信號(hào)。機(jī)械角加速度傳感器還有自振蕩信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)。微機(jī)械角加速度傳感器的質(zhì)量塊與檢測(cè)極板組成兩個(gè)電極；其中一個(gè)電極作為檢測(cè)電極，用來(lái)測(cè)試由角加速度引起的電容變化信號(hào)，將該信號(hào)經(jīng)過(guò)所連接電容/電壓C/V轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再經(jīng)所連接全波整流器、低通濾波器的整流及濾波后，由放大器將信號(hào)再次放大并輸出所檢測(cè)的角加速度的電壓信號(hào)；另一個(gè)電極作為驅(qū)動(dòng)電極，通過(guò)作用在該電極上的電壓作為靜電驅(qū)動(dòng)力，讓質(zhì)量塊圍繞中間的軸擺動(dòng)起來(lái)，作用在該電極上的電壓包括驅(qū)動(dòng)直流電壓和驅(qū)動(dòng)交流電壓，驅(qū)動(dòng)直流電壓由固定的參加電壓VREF提供，驅(qū)動(dòng)交流電壓是由C/V轉(zhuǎn)換后連接并經(jīng)過(guò)相移器和限幅電路的相移和限幅后產(chǎn)生的。從檢測(cè)電極到驅(qū)動(dòng)電極構(gòu)成了閉環(huán)振蕩系統(tǒng)，自振蕩的頻率作為角加速信號(hào)的載波頻率。
本發(fā)明提供的微機(jī)械角加速度傳感器具有突出的優(yōu)點(diǎn)和顯著的進(jìn)步是1、微機(jī)械角加速度傳感器與傳統(tǒng)的角速率傳感器工作原理不同。傳統(tǒng)的角速率傳感器是通過(guò)哥氏力來(lái)敏感角速率信號(hào)，而微機(jī)械角加速度傳感器則是敏感角加速度信號(hào)，角加速度信號(hào)通過(guò)積分后可得到角速率信號(hào)，解決了傳統(tǒng)的角速率傳感器易受加速度干擾的難題。
2、微機(jī)械角加速度傳感器具有較強(qiáng)的抗過(guò)載能力，檢測(cè)靈敏度高和測(cè)量精度高。
3、微機(jī)械角加速度傳感器體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)范圍大，使用壽命長(zhǎng)。特別適合于角加速度變化很大等惡劣環(huán)境下的姿態(tài)測(cè)量。


圖1為微機(jī)械角加速度傳感器平板結(jié)構(gòu)的主視圖；圖2為微機(jī)械角加速度傳感器平板結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖；圖3為微機(jī)械角加速度傳感器平板結(jié)構(gòu)的俯視圖；圖4為當(dāng)給梁施加一個(gè)角加速度時(shí)，質(zhì)量塊與檢測(cè)極板間距變化的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為微機(jī)械角加速度傳感器叉齒結(jié)構(gòu)的主視圖；
圖6為微機(jī)械角加速度傳感器叉齒結(jié)構(gòu)的A-A剖視圖；圖7為微機(jī)械角加速傳感器的差分解調(diào)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)原理圖；圖8為微機(jī)械角加速度傳感器的自振蕩信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)原理圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。
圖1、圖2、圖3和圖4所示，微機(jī)械角加速度傳感器的基本結(jié)構(gòu)，包括一個(gè)懸浮質(zhì)量塊1，兩根連接懸浮質(zhì)量塊與固定端的梁2，以及兩塊與檢測(cè)角加速度相關(guān)的檢測(cè)極板3，檢測(cè)極板與固定端4固定，質(zhì)量塊與檢測(cè)極板為電容的兩個(gè)電極；在連接質(zhì)量塊的梁上施加一個(gè)旋轉(zhuǎn)的角加速度時(shí)，質(zhì)量塊將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致質(zhì)量塊與檢測(cè)極板之間的距離發(fā)生變化，最終導(dǎo)致檢測(cè)極板的電容值發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)試檢測(cè)極板的電容變化量就可以判定被測(cè)角加速度的大小。微機(jī)械角加速度傳感器的工作原理如下質(zhì)量塊相對(duì)于梁呈均勻?qū)ΨQ的，梁具有扭轉(zhuǎn)彈簧特性，當(dāng)給梁上施加一個(gè)角加速度ε，其中ϵ=dωdt·r,]]>質(zhì)量塊由于受到大小相等、方向相反的兩個(gè)力F1和F2，而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度為θ。
F1=m·ϵ=m·(dωdt)·r]]>F2=-m·ϵ=m·(dωdt)·r]]>那么，質(zhì)量塊受到合力的大小為F=F1-F2=2m·(dωdt)·r]]>由于質(zhì)量塊的偏轉(zhuǎn)，引起質(zhì)量塊與檢測(cè)極板之間的距離發(fā)生變化，使得檢測(cè)電容值發(fā)生變化。
在未發(fā)生偏轉(zhuǎn)之前，質(zhì)量塊與檢測(cè)極板之間的電容值為
C1=C2=C0=ϵr·ϵ0·Ad]]>其中，A為質(zhì)量塊的面積；d為質(zhì)量塊與檢測(cè)極板之間的距離。
當(dāng)質(zhì)量塊偏轉(zhuǎn)θ角后，質(zhì)量塊與檢測(cè)極板之間的電容值C1、C2一個(gè)增大，一個(gè)減小。
圖5和圖6所示，為微機(jī)械角加速度傳感器的叉齒結(jié)構(gòu)。微機(jī)械角加速度傳感器的質(zhì)量塊上設(shè)有若干個(gè)方孔101，對(duì)應(yīng)于質(zhì)量塊上所設(shè)的方孔，檢測(cè)極板上設(shè)有若干個(gè)叉齒201，叉齒插入質(zhì)量塊上的方孔中間，增加了檢測(cè)極板與質(zhì)量塊之間的電容值和電容變化量ΔC，提高了傳感器的靈敏度。該結(jié)構(gòu)是在平板結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)，其工作原理和平板結(jié)構(gòu)角加速度傳感器的工作原理相同。
圖7所示，為微機(jī)械角加速度傳感器的信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)。微機(jī)械角加速度傳感器的質(zhì)量塊與兩塊檢測(cè)極板構(gòu)成兩個(gè)電容C1、C2，電容兩邊加一高頻電壓VAC作為調(diào)制信號(hào)，將低頻變化的角加速度機(jī)械振動(dòng)信號(hào)通過(guò)幅度調(diào)制為高頻電壓信號(hào)，并將檢測(cè)到的高頻電壓信號(hào)分別通過(guò)所連接的兩個(gè)運(yùn)放電路放大后變?yōu)殡妷盒盘?hào)V1、V2，該電壓信號(hào)V1、V2通過(guò)連接的差分放大器、全波整流器、低通濾波器后，可將低頻角加速度信號(hào)從高頻載波上解調(diào)出來(lái)。
當(dāng)C1、C2檢測(cè)的信號(hào)通過(guò)運(yùn)放后，電壓V1、V2分別為V1=VAC·C1CF]]>V2=VAC·C2CF]]>當(dāng)V1、V2通過(guò)差分放大后，可得V=VAC·(C2CF-C1CF)=VAC·C2-C1CF=VAC·ΔCCF]]>再由放大器將信號(hào)再次放大并輸出所檢測(cè)的角加速度的電壓信號(hào)。
其中，以上所述的兩個(gè)運(yùn)放電路分別由放大集成電路、電容C和電阻R構(gòu)成，并分別由直流電源VT1、VT2供電，調(diào)整VT1、VT2電壓值，可用于調(diào)節(jié)輸出角加速度的偏置和靈敏度。
圖8所示，為微機(jī)械角加速度傳感器的自振蕩信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)。微機(jī)械角加速度傳感器的質(zhì)量塊與檢測(cè)極板組成兩個(gè)電極；其中一個(gè)電極作為檢測(cè)電極，用來(lái)測(cè)試由角加速度引起的電容變化信號(hào)，將該信號(hào)經(jīng)過(guò)所連接電容/電壓(C/V)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再經(jīng)所連接全波整流器、低通濾波器的整流及濾波后，由放大器將信號(hào)再次放大并輸出所檢測(cè)的角加速度的電壓信號(hào)；另一個(gè)電極作為驅(qū)動(dòng)電極，通過(guò)作用在該電極上的電壓作為靜電驅(qū)動(dòng)力，讓質(zhì)量塊圍繞中間的軸擺動(dòng)起來(lái)，作用在該電極上的電壓包括驅(qū)動(dòng)直流電壓和驅(qū)動(dòng)交流電壓，驅(qū)動(dòng)直流電壓由固定的參加電壓VREF提供，驅(qū)動(dòng)交流電壓是由C/V轉(zhuǎn)換后連接并經(jīng)過(guò)相移器和限幅電路的相移和限幅后產(chǎn)生的。從檢測(cè)電極到驅(qū)動(dòng)電極構(gòu)成了閉環(huán)振蕩系統(tǒng)，自振蕩的頻率作為角加速信號(hào)的載波頻率。
其中，以上所述的放大器C/V由放大集成電路、電容C和電阻R構(gòu)成，并由直流電源VT3供電，調(diào)整VT3電壓值，可用于調(diào)節(jié)輸出角加速度的偏置和靈敏度。
權(quán)利要求
1.微機(jī)械角加速度傳感器，包括一個(gè)懸浮質(zhì)量塊，兩根連接懸浮質(zhì)量塊與固定端的梁，其特征在于還包括兩塊與檢測(cè)角加速度相關(guān)的檢測(cè)極板；檢測(cè)極板與固定端固定，質(zhì)量塊與檢測(cè)極板為電容的兩個(gè)極；在連接質(zhì)量塊的梁上施加一個(gè)旋轉(zhuǎn)的角加速度時(shí)，質(zhì)量塊將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致質(zhì)量塊與檢測(cè)極板之間的距離發(fā)生變化，最終導(dǎo)致檢測(cè)極板與質(zhì)量塊的電容值發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)試檢測(cè)極板的電容變化量，來(lái)判定被測(cè)角加速度的大小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)械角加速度傳感器，其特征在于所述的一個(gè)質(zhì)量塊上設(shè)有若干個(gè)方孔，對(duì)應(yīng)于質(zhì)量塊上所設(shè)的方孔，檢測(cè)極板上設(shè)有若干個(gè)叉齒，叉齒插入質(zhì)量塊上的方孔中間，增加了檢測(cè)極板與質(zhì)量塊之間的電容值和電容變化量，提高了傳感器的靈敏度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)械角加速度傳感器，其特征在于它有差分解調(diào)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)；微機(jī)械角加速度傳感器的質(zhì)量塊與兩塊檢測(cè)極板構(gòu)成兩個(gè)電容C1、C2，電容兩邊加一高頻電壓VAC作為調(diào)制信號(hào)，將低頻變化的角加速度機(jī)械振動(dòng)信號(hào)通過(guò)幅度調(diào)制為高頻電壓信號(hào)，并將檢測(cè)到的高頻電壓信號(hào)分別通過(guò)所連接的兩個(gè)運(yùn)放電路放大后變?yōu)殡妷盒盘?hào)V1、V2，該電壓信號(hào)V1、V2通過(guò)連接的差分放大器、全波整流器、低通濾波器后，可將低頻角加速度信號(hào)從高頻載波上解調(diào)出來(lái)，再由放大器將信號(hào)再次放大并輸出所檢測(cè)的角加速度的電壓信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)械角加速度傳感器，其特征在于它有自振蕩信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)；微機(jī)械角加速度傳感器的質(zhì)量塊與檢測(cè)極板組成兩個(gè)電極；其中一個(gè)電極作為檢測(cè)電極，用來(lái)測(cè)試由角加速度引起的電容變化信號(hào)，將該信號(hào)經(jīng)過(guò)所連接電容/電壓C/V轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再經(jīng)所連接全波整流器、低通濾波器的整流及濾波后，由放大器將信號(hào)再次放大并輸出所檢測(cè)的角加速度的電壓信號(hào)；另一個(gè)電極作為驅(qū)動(dòng)電極，通過(guò)作用在驅(qū)動(dòng)電極上的電壓作為靜電驅(qū)動(dòng)力，讓質(zhì)量塊圍繞中間的軸擺動(dòng)起來(lái)，作用在驅(qū)動(dòng)電極上的電壓包括驅(qū)動(dòng)直流電壓和驅(qū)動(dòng)交流電壓，驅(qū)動(dòng)直流電壓由固定的參加電壓VREF提供，驅(qū)動(dòng)交流電壓是由C/V轉(zhuǎn)換后連接并經(jīng)過(guò)相移器和限幅電路的相移和限幅后產(chǎn)生的。從檢測(cè)電極到驅(qū)動(dòng)電極構(gòu)成了閉環(huán)振蕩系統(tǒng)，自振蕩的頻率作為角加速信號(hào)的載波頻率。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微機(jī)械角加速度傳感器，其特征在于所述的兩個(gè)運(yùn)放電路分別由放大集成電路、電容C和電阻R構(gòu)成，并分別由直流電源VT1、VT2供電，調(diào)整VT1、VT2電壓值，可用于調(diào)節(jié)輸出角加速度的偏置和靈敏度。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的微機(jī)械角加速度傳感器，其特征在于所述的放大器C/V由放大集成電路、電容C和電阻R構(gòu)成，由直流電源VT3供電，調(diào)整VT3電壓值，可用于調(diào)節(jié)輸出角加速度的偏置和靈敏度。
全文摘要
本發(fā)明涉及了微機(jī)械角加速度傳感器，主要包括一個(gè)懸浮質(zhì)量塊，兩根連接懸浮質(zhì)量塊與固定端的梁和兩塊與檢測(cè)角加速度相關(guān)的檢測(cè)極板，檢測(cè)極板與固定端固定，質(zhì)量塊與檢測(cè)極板為電容的兩個(gè)極；在連接質(zhì)量塊的梁上施加一個(gè)旋轉(zhuǎn)的角加速度時(shí)，質(zhì)量塊將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致質(zhì)量塊與檢測(cè)極板之間的距離發(fā)生變化，最終導(dǎo)致檢測(cè)極板與質(zhì)量塊之間的電容值發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)試檢測(cè)極板的電容變化量就可以判定被測(cè)角加速度的大小。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗過(guò)載能力強(qiáng)，靈敏度和測(cè)量精度高的微機(jī)械角加速度傳感器。
文檔編號(hào)G01P15/125GK1746682SQ20051001288
公開(kāi)日2006年3月15日 申請(qǐng)日期2005年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月30日
發(fā)明者李錦明, 張文棟, 劉俊, 熊繼軍, 秦麗, 馬游春, 羅源源 申請(qǐng)人:中北大學(xué)