[發(fā)明專利]基于靜電吸附效應(yīng)的微加速度計(jì)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810253046.2
• 申請(qǐng)日: 2018-03-26
• 公開（公告）號(hào): CN108469535B
• 公開（公告）日: 2020-04-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李凱;彭志輝
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 溫州大學(xué)
• 主分類號(hào): G01P15/13
• 分類號(hào): G01P15/13
• 代理公司: 溫州金甌專利事務(wù)所(普通合伙) 33237
• 代理人: 陳暉

一種基于靜電吸附效應(yīng)的微加速度計(jì)。它包括：下基底、上基底，所述下、上基底之間設(shè)有活動(dòng)板、支撐梁及其錨點(diǎn)、支撐柱、固定驅(qū)動(dòng)電極、活動(dòng)驅(qū)動(dòng)電極、固定開關(guān)電極、活動(dòng)開關(guān)電極，所述固定驅(qū)動(dòng)電極、固定開關(guān)電極位于所述下、上基底的內(nèi)表面，所述活動(dòng)驅(qū)動(dòng)電極、活動(dòng)開關(guān)電極位于所述活動(dòng)板的下、上表面。本發(fā)明通過測量開關(guān)電極的閉合時(shí)間而實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度的測量。本發(fā)明以由剛性圓板及其支撐梁構(gòu)成的組合結(jié)構(gòu)作為活動(dòng)結(jié)構(gòu)，動(dòng)、定開關(guān)電極間具有較低接觸電阻，動(dòng)、定驅(qū)動(dòng)電極具有較大靜電吸附力，并因而防止活動(dòng)開關(guān)電極接觸固定開關(guān)電極后的反彈以及實(shí)現(xiàn)對(duì)高加速度的測量。本發(fā)明中的支撐梁為非直梁，能有效消除熱應(yīng)力對(duì)加速度測量的影響。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域，特別涉及一種基于靜電吸附效應(yīng)的微加速度計(jì)。

背景技術(shù)

加速度計(jì)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事、航空、日常生活等眾多領(lǐng)域。按工作原理，微加速度計(jì)可分為電容式、壓阻式、壓電式、振動(dòng)式、開關(guān)式等。其中，振動(dòng)式根據(jù)加速度改變靜電驅(qū)動(dòng)梁振動(dòng)頻率的原理實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度的測量，而開關(guān)式以加速度力驅(qū)動(dòng)開關(guān)并使其在加速度達(dá)到一定閾值后實(shí)現(xiàn)閉合。這兩種微加速度計(jì)分別輸出頻率信號(hào)和開關(guān)信號(hào)并因而具有抗干擾性能強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。但是，振動(dòng)式需要通過測量多個(gè)振動(dòng)周期方能實(shí)現(xiàn)加速度的測量并因而影響其響應(yīng)速度，而開關(guān)式只能測量加速度是否達(dá)到閾值。在開關(guān)式結(jié)構(gòu)中引入振動(dòng)式所用的靜電驅(qū)動(dòng)方式，并同樣利用加速度改變靜電驅(qū)動(dòng)微結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)的原理，一種通過測量靜電驅(qū)動(dòng)開關(guān)因加速度所導(dǎo)致的閉合時(shí)間變化而實(shí)現(xiàn)加速度測量的微加速度計(jì)已于近年在一些文獻(xiàn)中被提出。這類微加速度計(jì)因同樣能實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的輸出而同樣具有較強(qiáng)的抗干擾性能。經(jīng)檢索國內(nèi)外文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有這類加速度計(jì)中的活動(dòng)結(jié)構(gòu)采用懸臂梁結(jié)構(gòu)、兩端固支梁結(jié)構(gòu)、懸臂梁-質(zhì)量塊組合結(jié)構(gòu)或梳齒結(jié)構(gòu)。

對(duì)于采用懸臂梁結(jié)構(gòu)、兩端固支梁結(jié)構(gòu)或懸臂梁-質(zhì)量塊組合結(jié)構(gòu)的上述類型微加速度計(jì)而言，由于活動(dòng)電極位于梁上或連接于梁的自由端，梁的變形導(dǎo)致活動(dòng)電極發(fā)生變形或傾斜，則活動(dòng)電極與固定電極的初始閉合為點(diǎn)接觸或線接觸，且接觸反力隨著接觸變形的增大而迅速增大的特點(diǎn)使得最終接觸面積仍然很小，故接觸電阻大，接觸可靠性差。另外，若將這種類型微加速度計(jì)用于測量高加速度，動(dòng)、定電極閉合時(shí)的強(qiáng)沖擊力極易導(dǎo)致活動(dòng)電極反彈，而且由于活動(dòng)電極的變形或傾斜，活動(dòng)電極與固定電極之間的間隙不均勻，活動(dòng)電極所受到的靜電力大小有限并因而可能遠(yuǎn)小于由高加速度引起的大加速度力，從而使得這類加速度計(jì)退化為一般的開關(guān)式微加速度計(jì)。對(duì)于采用兩端固支梁結(jié)構(gòu)的上述類型微加速度計(jì)而言還存在另一缺點(diǎn)，即溫度變化所導(dǎo)致的熱應(yīng)力對(duì)梁的變形影響很大并因而嚴(yán)重影響測量精度。

對(duì)于采用梳齒結(jié)構(gòu)的上述類型微加速度計(jì)而言，因活動(dòng)電極位于梳齒上，要求所有梳齒同步閉合而不互相干涉，則對(duì)加工精度的要求非常高，且當(dāng)梳齒剛度較小時(shí)，同樣具有以上懸臂梁結(jié)構(gòu)加速度計(jì)的缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決背景技術(shù)中現(xiàn)有的基于靜電吸附效應(yīng)微加速度計(jì)所存在的電極接觸面積小、活動(dòng)電極易反彈、靜電力小等問題，本發(fā)明以剛性圓板和支撐梁構(gòu)成活動(dòng)結(jié)構(gòu)，從而提高這類微加速度計(jì)的可靠性并使其適用于高加速度測量。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種基于靜電吸附效應(yīng)的微加速度計(jì)，包括：下基底、上基底，所述下基底和所述上基底之間設(shè)有活動(dòng)板、支撐梁及其錨點(diǎn)、支撐柱，所述微加速度計(jì)還包括下固定驅(qū)動(dòng)電極和上固定驅(qū)動(dòng)電極、下活動(dòng)驅(qū)動(dòng)電極和上活動(dòng)驅(qū)動(dòng)電極，所述下、上固定驅(qū)動(dòng)電極位于所述下基底和所述上基底的內(nèi)表面上，下基底和上基底的內(nèi)表面中心設(shè)有凸臺(tái)，在所述凸臺(tái)上分別設(shè)有下固定開關(guān)電極和上固定開關(guān)電極，所述下、上活動(dòng)驅(qū)動(dòng)電極及下、上活動(dòng)開關(guān)電極位于所述活動(dòng)板的下、上表面。

所述下、上固定開關(guān)電極分別位于下、上基底的中心位置，所述下、上活動(dòng)開關(guān)電極對(duì)應(yīng)位于所述活動(dòng)板的下、上表面的中心位置。

所述下、上固定開關(guān)電極和所述下、上活動(dòng)開關(guān)電極為圓形，所述下、上固定驅(qū)動(dòng)電極和所述下、上活動(dòng)驅(qū)動(dòng)電極為不閉合的圓環(huán)形。