一種電荷平衡式微加速度計表頭差分電容檢測方法及其裝置制造方法
【專利摘要】本發明提供了一種電荷平衡式微加速度計表頭差分電容檢測方法及其裝置，電容式微加速度計表頭有兩個固定電極板和活動電極板，三個電極之間構成差分電容，在兩固定電極板分別施加相位互補、幅度具有動態調整特性的交流激勵信號，耦合至活動電極板，檢測中間電極交流電荷，經解調和比例積分控制后調整交流激勵信號幅度，使得兩固定電極板耦合至活動電極板電荷自動對消，形成電荷再平衡，比例積分控制輸出電壓正比于表頭差分電容的電容差與電容和的比值。采用該方法形成的檢測裝置，解決了開環檢測電路前向增益精度和前向增益穩定性引起的加速度計刻度穩定性差和零位穩定性差問題，避免了靜電力平衡微加速度計中因介質充電效應引起的加速度計零位輸出漂移的缺點，具有測量精度高、穩定性好、對不同表頭兼容性好等特點。
【專利說明】一種電荷平衡式微加速度計表頭差分電容檢測方法及其裝
【技術領域】
[0001]本發明屬于微加速度計信號檢測【技術領域】，具體涉及一種電荷平衡式微加速度計表頭差分電容檢測方法和裝置。
【背景技術】
[0002]微加速度計是用微機械電子工藝加工的特征尺寸在微米級的器件，用于測量載體的非引力加速度，其體積小、成本低、適于批量加工及易與ASIC集成，屬慣性傳感器，有著廣泛的應用前景和迫切的市場需求，目前已成功應用于汽車、消費類電子等工業、民用以及慣性制導和戰術導彈等軍事領域。
[0003]電容式微加速度計表頭采用典型的“彈簧-質量”結構，在慣性力作用下，受彈性梁支撐的質量塊產生位移，動極板和固定極板間的電容隨之變化，檢測電路用于檢測電容的變化來反映加速度的大小，或者由檢測電路和表頭組成靜電力平衡慣性力的機電系統，用于產生靜電力的電壓反映加速度的大小。典型的微加速度計表頭采用差分設計，由三個電極板，受彈性梁支撐的活動極板位于兩固定電極板之間，同時三者之間形成差分電容，當加速度為零時，活動極板處于兩固定電極的中間位置，電容差值為零，當存在加速度時，活動極板偏離中間位置，電容差相應變化。
[0004]靜電力伺服檢測方式是當前應用比較廣泛的檢測方法。其實現途徑為:在微加速度計表頭的活動極板施加直流預載電壓，在上固定極板和下固定極板分別施加幅度相等和頻率相同、相位相差180°的兩路激勵信號。活動極板既是加力電極，又是檢測電容。其基本原理基于牛頓第二定律，它通過敏感相應的慣性力來間接測量加速度。當受到加速度時，檢測質量位置發生變化，引起差動電容的變化。檢測電容差分信號經電荷放大或電壓放大、相敏解調和比例積分微分校正后，輸出電壓反饋到上極板，同時輸出電壓反相后施加至下極板，形成靜電力反饋，反饋作用使活動極板保持在中間平衡位置，反饋電壓與被測加速度成線性關系。
[0005]靜電力伺服系統中，由于檢測電路的前向環節的增益很大，增益的波動對加速度計測量精度和穩定性的影響很小，但靜電力伺服的微加速度表存在以下幾點缺點:
O由于活動極板直流靜電偏壓和固定極板的反饋電壓存在，可能發生在電介質層的充電現象。表面的電荷積累可能造成加速度計的漂移，寄生電荷的積累也可能改變改變器件的力學特性；
2)可能存在靜電吸合失效。工作狀態時，靜電力伺服微加速度計受到外界較強振動或沖擊時，活動極板偏離平衡位置。如果此過程中表頭的機械剛度小于靜電剛度，致使動片所受靜電力大小超過彈性支承梁的彈性回復力，使動片被靜電力吸住貼于固定極板上無法回復平衡位置，出現吸合失效。為避免靜電吸合，設計時要求支撐質量塊的彈簧剛度大于閉環系統可能產生的最大靜電剛度，這就要求機械剛度很高，而機械剛度過大會引起加速度表零位輸出不穩定；3)由于具有二階傳輸特性的機械部分處于閉環回路內部，可能影響回路的穩定性。
[0006]開環檢測方式是當前應用比較廣泛的另一種檢測方法。其實現途徑為:在上固定極板和下固定極板分別施加幅度相等和頻率相同、相位相差180°的兩路激勵信號，當活動極板處于中間位置時，由于活動極板與兩固定極板電容相等，激勵信號耦合到活動極板強度相同，活動極板輸出信號為零。當外界加速度使活動極板產生相對位置變化時，激勵信號耦合到活動極板強度產生相應變化，利用電荷放大器或電壓放大器檢測活動極板輸出，經相敏解調、放大后輸出，輸出信號與加速度呈近似線性。
[0007]開環檢測實質上是檢測差分電容的變化量，由于避免施加靜電偏壓和反饋電壓，其不會出現因靜電偏壓引起的加電零位時漂和靜電吸合失效。但是，開環檢測的原理決定了其不可避免的缺點: 1)刻度依賴多方面因素，包括激勵信號的幅度、電荷放大器或電壓放大器的增益、相敏解調器的相位失真、表頭或檢測電路雜散電容的不穩定等。要保證刻度的穩定，就必須保證上述諸多環節均穩定。事實上，敏感結構寄生電容隨溫度變化不可避免，要實現激勵信號幅度聞穩定、放大器的等的聞穩定都極其難以實現；
2)由于差分電容的變化量與活動極板的位移不是嚴格的正比例關系，導致輸出非線性，特別是活動極板行程較大時，非線性尤其嚴重；
3)在差分電容檢測時，固定幅度的激勵信號作用在上下固定極板，當存在外界加速度時，活動極板偏離中間位置，受到兩個不對等的靜電力，也會導致輸出非線性。
【發明內容】
[0008]本發明要解決的技術問題是提供一種電荷平衡式微加速度計表頭差分電容檢測方法，本發明要解決的另一技術問題是提供一種電荷平衡式微加速度計表頭差分電容檢測
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[0009]本發明的電荷平衡式微加速度計表頭差分電容檢測方法，依次包括如下步驟:
1)在電容式微加速度計表頭的兩固定極板分別施加相位互補、幅度具有動態調整特性的交流信號耦合至活動電極板；
2)檢測中間電極交流電荷，經解調輸出后得到表頭極板的電容差信息，形成相應電荷檢測輸出信號；
3)對步驟2)的電荷檢測輸出信號進行反饋控制；
4)對步驟3)的輸出反饋至調幅模塊，即反饋電壓與電壓基準求和調制，以改變施加在固定電極的交流信號幅度，當步驟3)的增益趨于無窮大時，兩固定電極板耦合至活動電極板電荷自動對消，活動極板交流電荷趨于零；
5)當外界加速度使活動極板產生相對位置變化時，檢測輸出重新調整固定電極交流幅度，形成電荷再平衡，檢測輸出正比于表頭差分電容的電容差與電容和的比值。
[0010]本發明的電荷平衡式微加速度計表頭差分電容檢測裝置，包含用于檢測微加速度計表頭活動極板的電荷檢測單元、反饋控制單元和幅度調制單元；所述的反饋控制單元將電荷檢測單元輸出進行比例積分控制，比例積分控制輸出作為加速度表的輸出，同時該輸出經增益控制單元后接入幅度調制單元，幅度調制單元中的幅度調制器A利用時鐘CLK、正電壓基準Vref和反饋電壓Vf生成調幅信號Vl并與微加速度計表頭的固定極板A相連接；幅度調制單元中的幅度調制器B利用時鐘CLK、負電壓基準-Vref和反饋電壓Vf生成調幅信號V2并與微加速度計表頭的固定極板B相連接。
[0011]所述的檢測裝置中，幅度調制器A輸出交流信號Vl和幅度調制器B輸出交流信號Vl 二者相位相差180°，幅度變化趨勢相反，幅度變化量相等，使固定極板A和固定極板B與活動極板的電信號耦合量抵消，活動極板電荷趨于零。
[0012]所述的檢測裝置中，在比例積分控制與幅度調制單元之間串接分壓電阻網絡，用以調整檢測輸出刻度因子。
[0013]所述的檢測裝置中，幅度調制單元用以下述單元替代:兩個幅度調制器輸入為同一電壓基準，反饋電壓輸入至模擬開關A，反饋電壓經反相后輸入至模擬開關B。
[0014]所述的檢測裝置中，幅度調制單元中的幅度調制器A或幅度調制器B由固定幅度激勵信號替代其中之一。
[0015]本發明采用電荷再平衡的方法實現差分電容的檢測，解決了開環檢測電路前向增益精度和穩定性引起的加速度表刻度穩定和零位穩定性差問題，解決了開環檢測電路中交流載波信號引起附加靜電力對輸出穩定性和線性度的影響，解決了靜電力平衡微加速度計中因介質充電效應引起的加速度計零位輸出漂移問題，解決了靜電力平衡微加速度計工作時受沖擊或振動可能出現的靜電吸合失效問題。保證了表頭活動極板與固定極板之間直流電位相等，交流信號引起的靜電力相互抵消。消除了電容式加速度計中檢測電路對表頭的附加影響。本發明具有測量精度高、穩定性好、對不同表頭兼容性好等特點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1為本發明的電荷平衡式微加速度計表頭差分電容檢測裝置實施例1的原理框圖；
圖2為現有技術中的電容式微加速度計靜電伺服檢測裝置原理框圖；
圖3為現有技術中的電容式微加速度計開環檢測裝置原理框圖；
圖4為現有技術中的電容式微加速度計表頭結構示意圖；
圖5為本發明采用的幅度調制模塊的原理圖；
圖6為本發明的電荷平衡式微加速度計表頭差分電容檢測裝置中幅度調制模塊實施例2的原理框圖；
圖7為本發明的電荷平衡式微加速度計表頭差分電容檢測裝置實施例2的原理框圖；圖中:1.微加速度計表頭 11.固定極板A 12.活動極板 13.固定極板B 2.電荷檢測單元 21.電荷放大器 22.相敏解調器 3.反饋控制單元 31.比例積分控制器 32.輸出增益控制器 4.幅度調制單元 41.幅度調制器A 42.幅度調制器B 71.模擬開關A 74.模擬開關B 76.電壓反向器 81.固定幅度激勵信號。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖對本發明作詳細描述。
[0018]實施例1
圖1是電荷平衡式微加速度計表頭差分電容檢測方法和裝置的原理總示意圖。電容式微加速度計表頭I有三個電極板:固定電極板All、固定極板B13和活動極板12，三個電極之間構成差分電容。圖4是現有技術中的電容式微加速度計表頭結構較詳細的示意圖，當外界加速度為零時，活動極板12處于中間位置，它與固定極板All和固定極板B13的距離均為dO，與固定極板All和固定極板B13的電容均為CO，當外界加速度為a時，活動極板12受力為ma，由于活動極板受剛度為k的彈簧支撐，因此活動極板相對固定極板產生的位移為Δ d，此時活動極板12與固定極板之間的電容發生變化，其中與固定極板Al I之間的電容由CO變成Cl，與固定極板B13之間的電容由CO變為C2。結合圖1和圖4，假定反饋電壓Vf初始為零，幅度調制器A41輸出的激勵信號Vl與幅度調制器B42輸出的激勵信號V2幅度相等，相位相差180°，由于活動極板12在外界加速度作用存在位移，它與兩固定極板的電容差不為零，因此活動極板12產生交流電荷AQ，AQ經電荷檢測單元2的電荷放大器21后輸出Vq,再經相敏解調器22后輸出低頻信號Vdem, Vdem輸入至反饋反饋控制單元3的比例積分控制器31，比例積分控制器31的主要作用是保證系統足夠的直流增益的同時，保證系統穩定，在實際的檢測裝置中，比比例積分控制器31的直流增益近似無窮大，隨頻率增加增益漸漸變小；比例積分控制器31輸出Vout —方面作為整個裝置的輸出，另一方面經輸出增益控制器32后作為幅度調制單元4的輸入電壓Vf，需要說明的是，比例積分控制器31輸出Vout經分壓電阻網絡后再輸入至幅度調制單元4的目的是提高檢測裝置輸出的刻度因子，如對輸出刻度因子無需求，分壓電阻網絡可以去除，此時，比例積分控制器31輸出Vout直接輸入至幅度調制單元4。對于幅度調制A41，其輸入信號包含電壓基準Vref、反饋電壓Vf和時鐘信號CLK，其輸出為高頻激勵方波信號Vl，Vl的幅度為電壓基準Vref和反饋電壓Vf之和，相位與時鐘信號CLK相同，Vl耦合至活動極板的交流電荷量為(Vref-Vf)*Cl ;對于幅度調制B42，其輸入信號包含電壓基準-Vref、反饋電壓Vf和時鐘信號CLK，其輸出為高頻激勵方波信號V1，V1的幅度為電壓基準-Vref和反饋電壓Vf之和，相位與時鐘信號CLK相差180°，V2耦合至活動極板12的交流電荷量為(-Vref-Vf) *C2。當檢測裝置環路放大倍數趨于無窮大時，系統處于深度負反饋，此時活動極板12產生交流電荷△ Q趨于零，形成電荷再平衡，檢測輸出正比于表頭差分電容對中電容差與電容和的比值，并近似正比于表頭的活動電極板12與固定極板之間的相對位移量。具體推導如下
【權利要求】
1.一種電荷平衡式微加速度計表頭差分電容檢測方法，其特征在于依次包括如下步驟: 1)在電容式微加速度計表頭兩固定極板分別施加相位互補、幅度具有動態調整特性的交流信號耦合至活動電極板； 2)檢測中間電極交流電荷，經解調輸出后得到表頭極板的電容差信息，形成相應電荷檢測輸出信號； 3)對步驟2)的電荷檢測輸出信號進行反饋控制； 4)對步驟3)的輸出反饋至調幅模塊，即反饋電壓與電壓基準求和調制，以改變施加在固定電極的交流信號幅度，當步驟3)的增益趨于無窮大時，兩固定電極板耦合至活動電極板電荷自動對消，活動極板交流電荷趨于零； 5)當外界加速度使活動極板產生相對位置變化時，檢測輸出重新調整固定電極交流幅度，形成電荷再平衡，檢測輸出正比于表頭差分電容對中電容差與電容和的比值。
2.一種電荷平衡式微加速度計表頭差分電容檢測裝置，其特征在于，所述的裝置包含用于檢測微加速度計表頭(I)活動極板(12)電荷的電荷檢測單元(2)、反饋控制單元(3)和幅度調制單元(4);所述的反饋控制單元(3)將電荷檢測單元(2)輸出進行比例積分控制(31)，比例積分控制(31)輸出作為加速度表的輸出，同時該輸出經增益控制單元(32)后接入幅度調制單元(4)，幅度調制器A (41)利用時鐘CLK、正電壓基準Vref和反饋電壓Vf生成調幅信號Vl并與微加速度計表頭(I)固定極板A (11)相連，幅度調制器B (42)利用時鐘CLK、負電壓基準-Vref和反饋電壓Vf生成調幅信號V2并與微加速度計表頭(I)固定極板B (13)相連；當微加速度計表頭(I)活動極板(12)受慣性力作用時，產生相對位移，幅度調制器A (41)輸出交流信號Vl和幅度調制器B (42)輸出交流信號Vl都產生變化，幅度的變化量與活動極板(12)相對位移量呈線性關系。
3.根據權利要求2所述的檢測裝置，其特征在于，所述幅度調制器A(41)輸出交流信號Vl與幅度調制器B (42)輸出交流信號Vl 二者相位相差180°，幅度變化趨勢相反，幅度變化量相等，使固定極板A (11)和固定極板B (13)與活動極板(12)的電信號耦合量抵消，活動極板(12)電荷趨于零。
4.根據權利要求2所述的檢測裝置，其特征在于，在所述的比例積分控制(31)與幅度調制單元(4)之間串接分壓電阻網絡(32)，用以調整檢測輸出刻度因子。
5.根據權利要求2所述的檢測裝置，其特征在于，所述的幅度調制單元(4)用以下述單元替代:兩個幅度調制器輸入為同一電壓基準，反饋電壓輸入至模擬開關A (71)，反饋電壓經反相后輸入至模擬開關B (74)。
6.根據權利要求2所述的檢測裝置，其特征在于，所述的幅度調制單元(4)中的幅度調制器A (41)或幅度調制器B (42)由固定幅度激勵信號(81)替代其中之一。
【文檔編號】G01P15/125GK103558417SQ201310549735
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月8日 優先權日:2013年11月8日
【發明者】杜連明, 何曉平, 施志貴, 李寅鑫 申請人:中國工程物理研究院電子工程研究所