專利名稱：一種扭擺式硅mems角加速度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種扭擺式硅MEMS角加速度傳感器，可以應(yīng)用于慣性穩(wěn)定控制系統(tǒng)，角振動(dòng)測試系統(tǒng)，并可以應(yīng)用于工作時(shí)間短、成本低、動(dòng)態(tài)范圍大的戰(zhàn)術(shù)武器的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在很多運(yùn)動(dòng)物體的控制、監(jiān)測和導(dǎo)航中，不僅需要角位移、角速度信息，更需要角加速度信息。20世紀(jì)40年代德國曾采用了角加速度傳感器用于V-2導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)，隨著控制技術(shù)的發(fā)展，能直接輸出運(yùn)動(dòng)物體相對于慣性空間角加速度信息的YC類角加速度傳感器應(yīng)用越來越廣泛，如今坦克、艦船、火炮、導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭、衛(wèi)星以及航天飛機(jī)等運(yùn)動(dòng)物體的控制系統(tǒng)中，均使用了角加速度傳感器。YC類角加速度傳感器也廣泛應(yīng)用于測試方面，例如飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性能測試、交通工具的啟動(dòng)及剎車性能的測試和精密機(jī)械設(shè)備工作的平穩(wěn)性測試等。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，精度的進(jìn)一步提高，角加速度傳感器也可以應(yīng)用于工作時(shí)間短、成本低、動(dòng)態(tài)范圍大的戰(zhàn)術(shù)武器的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。美國、俄羅斯等發(fā)達(dá)國家十分重視角加速度傳感器的研究工作，先后研發(fā)了多種機(jī)械式及光學(xué)角加速度傳感器。
機(jī)械式角加速度傳感器發(fā)展較早，種類較多，其中機(jī)械陀螺式角加速度傳感器是由在單自由度陀螺儀附近加一個(gè)直流小型測速發(fā)電機(jī)組成，該傳感器精度較高。法國巴涅機(jī)械制造廠生產(chǎn)的慣性角加速度傳感器采用被支撐的具有較大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的慣性輪作為敏感元件，采用了電感式變換器。美國及北京航空航天大學(xué)均研制成功的彈性環(huán)式角加速度傳感器采用由八塊全等的長方形鋼板組成的等邊八方形環(huán)體作為敏感元件，采用應(yīng)變片作為變換器。機(jī)械式角加速度傳感器還包括抗振動(dòng)型角加速度傳感器、渦流感應(yīng)角加速度傳感器、角加速度壓電陀螺、液環(huán)式角加速度傳感器等多種類型。隨著光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，采用馬赫-曾特爾干涉儀或邁克爾遜干涉儀原理研制了光纖角加速度傳感器，在激光陀螺的基礎(chǔ)上，利用干涉條紋移動(dòng)的速度正比于傳感器所感受的角加速度信號原理，設(shè)計(jì)了激光角加速度傳感器，光纖和激光角加速度傳感器由于工作過程中沒有可動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，提高了其穩(wěn)定性、可靠性和精度?，F(xiàn)有的所有機(jī)械式和光學(xué)角加速度傳感器都是采用傳統(tǒng)的加工工藝制造，體積和質(zhì)量比較大，由于需要手工制備和裝配，所以成本都較高。
從20世紀(jì)80年代末開始，隨著微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS)技術(shù)的發(fā)展，各種傳感器實(shí)現(xiàn)了微小型化，以MEMS技術(shù)為基礎(chǔ)的MEMS角加速度傳感器由于采用MEMS加工工藝，實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)，以硅作為傳感器的基本材料，所以MEMS角加速度傳感器成本低、體積小、功耗低，克服了現(xiàn)有角加速度傳感器質(zhì)量大，成本高等不足，已成為其未來發(fā)展主要方向。1992年日本Keio大學(xué)研究了一種懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓阻式硅MEMS角加速度傳感器，采用帶有壓阻式變換器的四個(gè)懸臂梁結(jié)構(gòu)，通過檢測電阻值的變化解算外部角加速度，2003年日本Yamagata大學(xué)提出一種環(huán)形結(jié)構(gòu)角加速度傳感器，采用壓電檢測方式解算外部角加速度。以上兩種角加速度傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易加工，并都沒有采用力平衡回路，動(dòng)態(tài)范圍低，檢測誤差大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種成本低、體積小、功耗低的扭擺式硅MEMS角加速度傳感器。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案為扭擺式硅MEMS角加速度傳感器由敏感元件、電容式變換器、反饋靜電力矩器、信號處理電路以及殼體組成，殼體包括真空封裝外殼和基座，敏感元件包括兩個(gè)固連在基座上的錨點(diǎn)、一個(gè)活動(dòng)極板、兩個(gè)兩端分別固連在錨點(diǎn)和活動(dòng)極板上的撓性支撐梁和兩個(gè)對稱分布在活動(dòng)極板上表面的質(zhì)量塊，撓性支撐梁位于活動(dòng)極板的中心線上，在活動(dòng)極板下面的基座上，埋置兩對對稱分布的固定極板，一對為電容式變換器的敏感電極，一對為反饋靜電力矩器的施力電極，通過導(dǎo)線分別與電容式變換電路和反饋靜電力矩器連接，敏感元件敏感角加速度產(chǎn)生繞著撓性梁軸向的角位移，以此檢測角加速度。
本發(fā)明的原理如圖2所示，當(dāng)殼體有角加速度輸入時(shí)，敏感元件敏感殼體角加速度產(chǎn)生慣性扭轉(zhuǎn)力矩，從而引起活動(dòng)極板繞敏感軸向產(chǎn)生角位移，電容式變換器通過電容檢測方式檢測該角位移量，并將其轉(zhuǎn)換為與角加速度成正比的電信號，該電信號經(jīng)過處理電路的濾波、功放等處理后輸出，當(dāng)有電信號輸出時(shí)，反饋靜電力矩器檢測該輸出信號，產(chǎn)生一個(gè)和慣性扭轉(zhuǎn)力矩相反的靜電力矩，使活動(dòng)極板角位移回復(fù)到零位狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)回路，通過檢測輸出信號計(jì)算殼體角加速度。
本發(fā)明具體控制原理如圖3所示，當(dāng)殼體有角加速度輸入時(shí)，繞撓性梁軸向具有較大扭轉(zhuǎn)慣量J的質(zhì)量塊敏感殼體角加速度 產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)慣性力矩MI，具有較小抗扭剛度kt的撓性支撐梁在該扭轉(zhuǎn)慣性力矩的作用下發(fā)生扭轉(zhuǎn)彈性變形，從而使活動(dòng)極板產(chǎn)生繞撓性支撐梁軸向角位移ΔθΔθ=MIJS2+DS+kt=J·Ω·JS2+DS+kt---(1)]]>式中，D代表系統(tǒng)的阻尼系數(shù)，當(dāng)活動(dòng)極板發(fā)生角位移時(shí)，埋置在基座兩側(cè)上的兩個(gè)敏感電容極板的電容值發(fā)生變化，電容分別為C1=ϵ∫dAz0+Δz=ϵ∫dAz0+x·Δθ---(2)]]>C2=ϵ∫dAz0-Δz=ϵ∫dAz0-x·Δθ---(3)]]>式中，C1和C2分別代表兩個(gè)電容極板的電容量；ε代表介電常數(shù)；dA表表所取極板微元面積；z0代表活動(dòng)極板與敏感電容極板間初始距離；Δz代表活動(dòng)極板和敏感電容極板間隙變化量，可以用公式Δz＝xΔθ求取；x代表敏感電容極板到撓性支撐梁間距離，兩電容量經(jīng)過變換電路的差分得
ΔC=C2-C1=ϵ(∫dAz0-x·Δθ-∫dAz0-x·Δ0)=ks·Δθ---(4)]]>式中，ks代表變換器比例系數(shù)。根據(jù)靜電場理論，兩平行電容極板靜電吸引力公式為F=12ϵA(uz)2---(5)]]>式中，A代表電容極板面積；z代表極板間距，施加在扭擺式硅MEMS角加速度傳感器施力電容極板上的電壓u由兩部分組成一是偏置電壓U0，它為定值，另一是控制電壓uout。當(dāng)有角加速度輸入時(shí)，兩電極板上的電壓發(fā)生變化，有u1＝U0+uout和u1＝U0-uout，兩個(gè)施力電容極板靜電吸引力矩大小分別為M1和M2，產(chǎn)生的靜電合力矩為MeMe＝M1-M2＝∫xedF1-∫xedF2＝kFuout(6)式中，dFi代表施力電容極板吸引力微分；xe代表施力電容極板到撓性支撐梁間的距離，kF代表反饋回路傳遞系數(shù)，硅MEMS角加速度傳感器輸入輸出關(guān)系可表示為uout=J·kskVJS2+DS+kt1+ks+kV+kFJS2+DS+kt·Ω·---(7)]]>當(dāng)kV足夠大時(shí)，該角加速度硅MEMS傳感器靈敏度可表示為S=uoutΩ·=JΩ··kskVkt+ϵU0Ae(2se+be)z02kskV≈JkF---(8)]]>本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于扭擺式硅MEMS角加速度傳感器結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，扭轉(zhuǎn)慣量大，靈敏度比較高，電容式變換器提高了檢測精度，力平衡反饋回路提高了傳感器的穩(wěn)定性及動(dòng)態(tài)范圍，該傳感器并具有體積小，成本低，抗沖擊和可靠性能高等優(yōu)點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明扭擺式硅MEMS角加速度傳感器整體結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明扭擺式硅MEMS角加速度傳感器系統(tǒng)原理框圖；圖3為本發(fā)明扭擺式硅MEMS角加速度傳感器系統(tǒng)控制框圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明由敏感元件8、電容式變換器9、反饋靜電力矩器10、信號處理電路11以及殼體12組成，其中殼體12包括真空封裝外殼和基座1，敏感元件8包括兩個(gè)錨點(diǎn)2、兩個(gè)撓性支撐梁4、一個(gè)活動(dòng)極板3和兩個(gè)質(zhì)量塊5。如圖4所示，電容式變換器9包括兩個(gè)敏感電極6和變換電路，如圖5所示，反饋靜電力矩器10包括兩個(gè)靜電施力電極7和反饋電路，如圖6所示，信號檢測與處理電路11包括放大、濾波、校正、功放電路。
敏感元件8中的活動(dòng)極板3是一個(gè)沿?fù)闲灾瘟?兩側(cè)對稱的長方形硅板，為了減小系統(tǒng)阻尼，在硅板上光刻有若干個(gè)方孔。質(zhì)量塊5是對稱分布在活動(dòng)極板3兩側(cè)上方，具有較大扭轉(zhuǎn)慣量的長方體金屬塊，或硅質(zhì)量塊，大扭轉(zhuǎn)慣量可以提高傳感器的分辨率。錨點(diǎn)2為固連在基座上的兩個(gè)剛性支撐點(diǎn)，撓性支撐梁4是長薄片梁，具有很小的抗扭剛度和較大抗彎剛度，可以提高傳感器的靈敏度，減小干擾誤差。撓性支撐梁4一端與活動(dòng)極板3固連，另一端與錨點(diǎn)2固連，并且撓性支撐梁4位于活動(dòng)極板3的中心線上，從而構(gòu)成了扭擺式硅MEMS角加速度傳感器的敏感元件8。在活動(dòng)極板3下面的基座1上，埋置兩對對稱分布的固定極板，一對為電容式變換器9的敏感電極6，一對為反饋靜電力矩器10的施力電極7，通過導(dǎo)線分別與電容式變換電路9和反饋靜電力矩器10連接，構(gòu)成扭擺式硅MEMS角加速度傳感器的電容式變換器9和反饋靜電力矩器10，電容式變換器9的敏感電極6和反饋靜電力矩器10的施力電極7為長方形金屬極板。敏感元件8敏感角加速度產(chǎn)生繞著撓性支撐梁4軸向的角位移，電容式變換器9將角位移轉(zhuǎn)換為電信號，該電信號經(jīng)過信號處理電路11的濾波、功放等處理后輸出，當(dāng)有電信號輸出時(shí)，反饋靜電力矩器10檢測該輸出信號，產(chǎn)生一個(gè)和慣性扭轉(zhuǎn)力矩相反的靜電力矩，使活動(dòng)極板3角位移回復(fù)到零位狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)回路，通過檢測輸出信號計(jì)算殼體角加速度。
本發(fā)明角加速度傳感器克服了現(xiàn)有角加速度傳感器的不足，具有穩(wěn)定性高，動(dòng)態(tài)范圍大體積小，成本低，精度高等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于慣性穩(wěn)定控制系統(tǒng)，角振動(dòng)測試系統(tǒng)，以及工作時(shí)間短的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。
本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的
權(quán)利要求
1.扭擺式硅MEMS角加速度傳感器，其特征在于由敏感元件(8)、電容式變換器(9)、反饋靜電力矩器(10)、信號處理電路(11)以及殼體(12)組成，殼體(12)包括真空封裝外殼和基座(1)，敏感元件(8)包括兩個(gè)固連在基座(1)上的錨點(diǎn)(2)、一個(gè)活動(dòng)極板(3)、兩個(gè)兩端分別固連在錨點(diǎn)(2)和活動(dòng)極板(3)上的撓性支撐梁(4)和兩個(gè)對稱分布在活動(dòng)極板(3)上表面的質(zhì)量塊(5)，撓性支撐梁(4)位于活動(dòng)極板(3)的中心線上，在活動(dòng)極板(3)下面的基座上，埋置兩對對稱分布的固定極板，一對為電容式變換器(9)的敏感電極(6)，一對為反饋靜電力矩器(10)的施力電極(7)，通過導(dǎo)線分別與電容式變換電路(9)和反饋靜電力矩器(10)連接，敏感元件(8)敏感角加速度產(chǎn)生繞著撓性支撐梁(4)軸向角位移，以此檢測角加速度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的扭擺式硅MEMS角加速度傳感器，其特征在于所述的活動(dòng)極板(3)是一個(gè)沿?fù)闲灾瘟?4)兩側(cè)對稱的長方形硅板，為了減小系統(tǒng)阻尼，在硅板上光刻有若干個(gè)方孔。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的扭擺式硅MEMS角加速度傳感器，其特征在于所述撓性支撐梁(4)是兩個(gè)長薄片硅梁，具有很小的抗扭剛度，但有較大抗彎剛度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的扭擺式硅MEMS角加速度傳感器，其特征在于所述的質(zhì)量塊(5)是兩個(gè)對稱分布在活動(dòng)極板(3)上方，具有較大扭轉(zhuǎn)慣量的長方體金屬塊，或硅質(zhì)量塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的扭擺式硅MEMS角加速度傳感器，其特征在于所述電容式變換器(9)的敏感電極(6)和反饋靜電力矩器(10)的施力電極(7)為長方形金屬極板。
全文摘要
扭擺式硅MEMS角加速度傳感器由敏感元件、電容式變換器、反饋靜電力矩器、信號處理電路以及殼體組成，殼體包括真空封裝和基座，敏感元件包括兩個(gè)固連在基座上的錨點(diǎn)、一個(gè)活動(dòng)極板、兩個(gè)兩端分別固連在錨點(diǎn)和活動(dòng)極板上的撓性支撐梁和兩個(gè)對稱分布在活動(dòng)極板上表面的質(zhì)量塊，撓性支撐梁位于活動(dòng)極板的中心線上，在活動(dòng)極板下面的基座上，埋置兩對對稱分布的固定極板，一對為電容式變換器的敏感電極，一對為反饋靜電力矩器的施力電極，通過導(dǎo)線分別與電容式變換電路和反饋靜電力矩器連接，敏感元件敏感角加速度產(chǎn)生繞著撓性梁軸向的角位移，以此檢測角加速度。本發(fā)明體積小，成本低，可應(yīng)用于慣性穩(wěn)定控制系統(tǒng)，角振動(dòng)測試系統(tǒng)以及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。
文檔編號G01C21/10GK1844933SQ20061001190
公開日2006年10月11日 申請日期2006年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月16日
發(fā)明者房建成, 李建利, 張海鵬, 張延順, 俞文伯 申請人:北京航空航天大學(xué)