[发明专利]一种改善硅微谐振式加速度计冲击振动性能方法

说明书

本发明公开了一种改善硅微谐振式加速度计冲击振动性能方法，包括硅微谐振式加速度计、差分检测梳齿、前端读取电路、阻尼控制电路、信号耦合电路和推挽驱动梳齿。所述方法通过与质量块连接的差分检测梳齿和前端读取电路感知质量块位移量并作用于阻尼控制电路，所产生的控制信号通过信号耦合电路作用于推挽驱动梳齿并对质量块产生静电力作用。本发明利用积分负反馈实现阻尼控制电路在系统带宽范围内幅值随频率线性增长的幅频特性，在高频段构造幅值的衰减特性，可通过调节阻尼控制电路幅频特性转折点抑制电路噪声；通过阻尼控制电路构成负反馈控制等效提高系统阻尼，降低质量块谐振模态的激励响应，改善硅微谐振式加速度计的冲击振动性能。

技术领域

本发明属于微机电系统(MEMS)和微惯性技术领域，涉及硅微谐振式加速度计，具体涉及一种改善硅微谐振式加速度计冲击振动性能方法。

背景技术

硅微加速度计是一种依托于MEMS(Micro Electromechanical system)技术发展而来的微机械惯性器件，与传统的惯性传感器相比，采用微加工工艺和集成电路(IC)工艺制造的MEMS器件具有体积小、重量轻、功耗低、集成度高、易于实现智能化、可批量化生产等优点，在民用、军用等领域得到广泛的应用。

作为微机电加速度计的一种，硅微谐振式加速度计通过检测谐振器频率的变化来敏感加速度的大小，其输出为准数字形式的频率信号，便于检测和数字化集成，具有抗干扰能力强、分辨率高、动态范围宽、灵敏度高、稳定性好等优点，是一种具有高精度特性的硅微加速度计。

为了提高硅微谐振式加速度计的信噪比、提高谐振器的振动性能，硅微谐振式加速度计往往需要封装于高度真空的腔室中以获得极高的品质因数，这使得硅微谐振式加速度计质量块的阻尼系数大大降低，从而使质量块的谐振模态更易被激发。当具有质量块谐振模态特征频率的加速度信号激励质量块时，质量块将产生以该频率成分为主的幅值较大、时间较长的惯性力响应并作用于谐振器。当硅微谐振式加速度计工作在具有随机振动及短时冲击信号的力学环境中时，由于质量块的高Q值特性，其谐振模态响应将更容易被激发并且具有较大的响应幅值和较长的衰减时间，使得硅微谐振式加速度计在冲击振动环境中的响应能力和恢复能力降低，影响硅微谐振式加速度计的冲击振动性能。针对以上问题，在硅微加速度计的电容式微机械加速度计应用中，常采用的一种解决方案是引入PD控制器构成负反馈控制提高质量块的阻尼系数，但PD控制器中的微分控制项对高频信号具有极高的灵敏度，使得控制器对高频噪声信号非常敏感，增大控制器的输出噪声水平，从而对硅微加速度计引入不必要的环路噪声，降低系统的分辨率。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种改善硅微谐振式加速度计冲击振动性能方法，引入由积分反馈实现的阻尼控制环节抑制质量块对于谐振模态信号的响应，降低阻尼控制电路对噪声信号的敏感性，改善硅微谐振式加速度计的冲击振动性能。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种改善硅微谐振式加速度计冲击振动性能方法，包括一套控制系统，该控制系统包括硅微谐振式加速度计、差分检测梳齿、前端读取电路、阻尼控制电路、信号耦合电路和推挽驱动梳齿；其中硅微谐振式加速度计包括可敏感外界加速度信息的质量块和与质量块相连的差分检测梳齿与推挽驱动梳齿；差分检测梳齿将质量块的位移变化量转化为电容变化量；前端读取电路与所述差分检测梳齿连接，用于将差分检测梳齿的微弱电容变化信号转化为电压变化信号；阻尼控制电路与所述前端读取电路连接，用于实现硅微谐振式加速度计二阶系统带宽范围内线性增长的幅频特性；信号耦合电路与所述积分反馈型阻尼控制电路和直流驱动信号连接，产生两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号；推挽驱动梳齿的上驱动梳齿与下驱动梳齿分别与所述信号耦合电路所产生的两路交直流耦合信号相连，并通过推挽驱动梳齿电容形成静电力负反馈作用于质量块，形成闭环回路。