[發明專利]一種三軸微機械加速度計及其控制方法

在審

• 申請號: 202211465727.8
• 申請日: 2022-11-22
• 公開（公告）號: CN115754351A
• 公開（公告）日: 2023-03-07
• 發明（設計）人: 馬志鵬;金仲和
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01P15/125
• 分類號: G01P15/125;G05D17/02
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 鄭海峰

本發明公開了一種三軸微機械加速度計及其控制方法，屬于加速度測量技術領域，包括XY兩軸直線加速度和Z軸角加速度測量。通過單質量塊和L形彈性梁，保證加速度計前三階振動模態分別為上述三軸敏感運動。基于梳齒電容組合設計，提出閉環三軸加速度計控制方法，包括XY直線剛度修調方法、XY直線位移和Z轉角檢測方法、兩軸力平衡和一軸力矩平衡方法。通過PID控制器計算力和力矩平衡電壓，并以推挽方式施加至驅動電極上，實現閉環三軸加速度計控制。本發明采用單質量塊和分布式梳齒結構設計，結構簡單，加速度計控制方法簡便，并融合了等效剛度修調方式，有助于提高三軸加速度計小型化、集成度和精度。

技術領域

本發明屬于加速度測量技術領域，更具體地，涉及一種微機械加速度計及其控制方法。

背景技術

靜電懸浮加速度計采用靜電力平衡方式，可以同時實現六軸的加速度測量。雖然靜電懸浮加速度計精度高，但是靜電懸浮加速度計加工困難，無法批量加工和進一步推廣。采用MEMS加工技術的靜電懸浮微加速度計雖然具有批量化制造優勢，但是仍然存在加工工藝、控制和檢測系統復雜等問題，尚處于基礎研究階段。目前較為成熟的電容式三軸微加速度計通常采用多質量塊結構形式，雖然有利于三軸方向上運動解耦，但是存在精度低的問題。

發明內容

針對現有的三軸微機械加速度計上的缺點和不足，本發明提供了一種三軸微機械加速度計及其控制方法，利用單質量塊和L型彈性梁實現X軸直線、Y軸直線和Z軸轉動傳感，通過設計梳齒電容及其組合形式部署了靜電修調單元、直線位移檢測單元、轉角檢測單元、力平衡單元和力矩平衡單元，不僅采用閉環控制方法實現三軸的加速度閉環檢測，而且利用靜電修調方法可將加速度計在X軸和Y軸的等效剛度調節至零，從而提高加速度計的檢測精度，該加速度計及其控制方法更為簡單實用。

本發明采用的技術方案如下：

第一方面，本發明提供了一種三軸微機械加速度計，包括加速度敏感元件、靜電修調單元、直線位移檢測單元、轉角檢測單元、力平衡單元、力矩平衡單元；

所述的加速度敏感元件包括單質量塊和彈性梁，所述的彈性梁為L型結構，具有X軸直線運動、Y軸直線運動和Z軸旋轉運動方向上的線性剛度；所述的單質量塊是一個由多個分布質量結構通過剛性連接臂組合而成，與移動梳齒相連、對稱分布，通過L型彈性梁與錨區相連，其中，L型彈性梁的一端連接錨區，另一端連接單質量塊，優選的，錨區上的彈性梁連接點與單質量塊中心的距離小于連接臂上彈性梁連接點與單質量塊中心的距離；單質量塊的連接臂上設有多組固定梳齒；

所述的靜電修調單元包括靜電修調電極及其對應的靜電修調梳齒，所述的靜電修調梳齒與連接臂上的第一組固定梳齒組成靜電修調電容；X向靜電修調電容在X向靜電修調電壓作用下產生X軸方向的靜電負剛度，Y向靜電修調電容在Y向靜電修調電壓作用下產生Y軸方向的靜電負剛度，靜電修調單元在X軸和Y軸方向上產生的靜電合力為零；所述靜電修調電容組合形式中，各組靜電修調電容對應的靜電修調電極可以施加相同或不同的靜電修調電壓，可根據由此產生的靜電合力為零的需求進行調節；

所述的直線位移檢測單元包括檢測電極及其對應的檢測梳齒，所述的檢測梳齒與連接臂上的第三組固定梳齒組成檢測電容，用于實現X軸和Y軸直線位移檢測；

所述的轉角檢測單元與直線位移檢測單元共用檢測電極和檢測電容，用于實現Z軸轉角檢測；本發明采用相同梳齒電容的不同組合實現直線位移檢測和轉角檢測；

所述的力平衡單元包括力驅動電極及其對應的力驅動梳齒，所述的力驅動梳齒與連接臂上的第二組固定梳齒組成力驅動電容；

所述的力矩平衡單元包括力矩驅動電極及其對應的力矩驅動梳齒，所述的力矩驅動梳齒與連接臂上的第四組固定梳齒組成力矩驅動電容。

進一步地，所述的第一組固定梳齒、第二組固定梳齒、第三組固定梳齒、第四組固定梳齒依次從單質量塊中心向外沿連接臂均勻布置，呈中心對稱結構。