[發(fā)明專利]一種改善硅微諧振式加速度計沖擊振動性能方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110550830.1
• 申請日: 2021-05-19
• 公開（公告）號: CN113252943B
• 公開（公告）日: 2022-02-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 黃麗斌;姜凱;丁徐鍇;趙立業(yè);李宏生;張美美
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號: G01P15/097
• 分類號: G01P15/097;G01P15/125
• 代理公司: 南京眾聯(lián)專利代理有限公司 32206
• 代理人: 周蔚然

本發(fā)明公開了一種改善硅微諧振式加速度計沖擊振動性能方法，包括硅微諧振式加速度計、差分檢測梳齒、前端讀取電路、阻尼控制電路、信號耦合電路和推挽驅(qū)動梳齒。所述方法通過與質(zhì)量塊連接的差分檢測梳齒和前端讀取電路感知質(zhì)量塊位移量并作用于阻尼控制電路，所產(chǎn)生的控制信號通過信號耦合電路作用于推挽驅(qū)動梳齒并對質(zhì)量塊產(chǎn)生靜電力作用。本發(fā)明利用積分負(fù)反饋實現(xiàn)阻尼控制電路在系統(tǒng)帶寬范圍內(nèi)幅值隨頻率線性增長的幅頻特性，在高頻段構(gòu)造幅值的衰減特性，可通過調(diào)節(jié)阻尼控制電路幅頻特性轉(zhuǎn)折點抑制電路噪聲；通過阻尼控制電路構(gòu)成負(fù)反饋控制等效提高系統(tǒng)阻尼，降低質(zhì)量塊諧振模態(tài)的激勵響應(yīng)，改善硅微諧振式加速度計的沖擊振動性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)和微慣性技術(shù)領(lǐng)域，涉及硅微諧振式加速度計，具體涉及一種改善硅微諧振式加速度計沖擊振動性能方法。

背景技術(shù)

硅微加速度計是一種依托于MEMS(Micro Electromechanical system)技術(shù)發(fā)展而來的微機(jī)械慣性器件，與傳統(tǒng)的慣性傳感器相比，采用微加工工藝和集成電路(IC)工藝制造的MEMS器件具有體積小、重量輕、功耗低、集成度高、易于實現(xiàn)智能化、可批量化生產(chǎn)等優(yōu)點，在民用、軍用等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

作為微機(jī)電加速度計的一種，硅微諧振式加速度計通過檢測諧振器頻率的變化來敏感加速度的大小，其輸出為準(zhǔn)數(shù)字形式的頻率信號，便于檢測和數(shù)字化集成，具有抗干擾能力強(qiáng)、分辨率高、動態(tài)范圍寬、靈敏度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，是一種具有高精度特性的硅微加速度計。

為了提高硅微諧振式加速度計的信噪比、提高諧振器的振動性能，硅微諧振式加速度計往往需要封裝于高度真空的腔室中以獲得極高的品質(zhì)因數(shù)，這使得硅微諧振式加速度計質(zhì)量塊的阻尼系數(shù)大大降低，從而使質(zhì)量塊的諧振模態(tài)更易被激發(fā)。當(dāng)具有質(zhì)量塊諧振模態(tài)特征頻率的加速度信號激勵質(zhì)量塊時，質(zhì)量塊將產(chǎn)生以該頻率成分為主的幅值較大、時間較長的慣性力響應(yīng)并作用于諧振器。當(dāng)硅微諧振式加速度計工作在具有隨機(jī)振動及短時沖擊信號的力學(xué)環(huán)境中時，由于質(zhì)量塊的高Q值特性，其諧振模態(tài)響應(yīng)將更容易被激發(fā)并且具有較大的響應(yīng)幅值和較長的衰減時間，使得硅微諧振式加速度計在沖擊振動環(huán)境中的響應(yīng)能力和恢復(fù)能力降低，影響硅微諧振式加速度計的沖擊振動性能。針對以上問題，在硅微加速度計的電容式微機(jī)械加速度計應(yīng)用中，常采用的一種解決方案是引入PD控制器構(gòu)成負(fù)反饋控制提高質(zhì)量塊的阻尼系數(shù)，但PD控制器中的微分控制項對高頻信號具有極高的靈敏度，使得控制器對高頻噪聲信號非常敏感，增大控制器的輸出噪聲水平，從而對硅微加速度計引入不必要的環(huán)路噪聲，降低系統(tǒng)的分辨率。

發(fā)明內(nèi)容

為解決上述問題，本發(fā)明公開了一種改善硅微諧振式加速度計沖擊振動性能方法，引入由積分反饋實現(xiàn)的阻尼控制環(huán)節(jié)抑制質(zhì)量塊對于諧振模態(tài)信號的響應(yīng)，降低阻尼控制電路對噪聲信號的敏感性，改善硅微諧振式加速度計的沖擊振動性能。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種改善硅微諧振式加速度計沖擊振動性能方法，包括一套控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)包括硅微諧振式加速度計、差分檢測梳齒、前端讀取電路、阻尼控制電路、信號耦合電路和推挽驅(qū)動梳齒；其中硅微諧振式加速度計包括可敏感外界加速度信息的質(zhì)量塊和與質(zhì)量塊相連的差分檢測梳齒與推挽驅(qū)動梳齒；差分檢測梳齒將質(zhì)量塊的位移變化量轉(zhuǎn)化為電容變化量；前端讀取電路與所述差分檢測梳齒連接，用于將差分檢測梳齒的微弱電容變化信號轉(zhuǎn)化為電壓變化信號；阻尼控制電路與所述前端讀取電路連接，用于實現(xiàn)硅微諧振式加速度計二階系統(tǒng)帶寬范圍內(nèi)線性增長的幅頻特性；信號耦合電路與所述積分反饋型阻尼控制電路和直流驅(qū)動信號連接，產(chǎn)生兩路交流分量幅度相同相位相反、直流分量相同的交直流耦合信號；推挽驅(qū)動梳齒的上驅(qū)動梳齒與下驅(qū)動梳齒分別與所述信號耦合電路所產(chǎn)生的兩路交直流耦合信號相連，并通過推挽驅(qū)動梳齒電容形成靜電力負(fù)反饋作用于質(zhì)量塊，形成閉環(huán)回路。