[发明专利]一种可调低刚度微机械加速度计

说明书

本发明公开了一种可调低刚度微机械加速度计，属于加速度测量技术领域，包括加速度敏感模块、调谐模块、位移检测模块、力反馈模块。加速度敏感模块中质量块通过屈曲弹性梁与基板锚区相连，在加工过程中受内应力作用屈曲弹性梁发生形变，质量块突破自锁结构的约束边界，实现自锁，自锁后处于超柔性工作区间。利用梳齿电容和三角形栅电容调谐设计，实现加速度计的开环刚度可调。加速度计可以在开环和闭环工作方式下工作，其中，在开环工作下，通过位移检测模块检测质量块位移引起的电容变化进而检测外界加速度的变化，并且可以进一步利用力反馈模块栅电容完成闭环控制。本发明结构简单，灵敏度高，可应用于微弱加速度信号检测。

技术领域

本发明属于加速度测量技术领域，更具体地，涉及一种可调低刚度微机械加速度计。

背景技术

低刚度微机械加速度计广泛应用于空间测量、地下资源勘探等场合，通过利用弹性梁的低刚度特性，可以实现具有高灵敏度的微机械加速度计。目前低刚度加速度计弹性梁主要有两类：一类是几何反弹簧梁，一类是正负混合梁。

几何反弹簧梁(geometric anti-spring)包括非对称的三个弹性梁，利用在两个自由度上的耦合作用，实现在敏感方向上的刚度变化，在运动过程中刚度先变小后变大。正负混合梁是有两种刚度分别为正和负的弹性梁组成，利用正负刚度的叠加效果，可以实现一个较低的等效刚度。两种弹性梁结构都适用于重力仪或微机械加速度计，但是难以保证弹性梁的工作区间始终处于弹性梁的低刚度位置，同时也存在最低加速度输入阈值、刚度不可调以及标度因数不线性的问题，难以满足在各类低刚度的微机械静态或谐振器结构中的应用。

本发明利用自锁结构和阻挡块结构将屈曲弹性梁的行程范围约束在超柔性工作区间，同时利用调谐模块对刚度进行调节，可以实现加速度信号的高灵敏度检测和线性输出。

发明内容

针对现有的低刚度加速度计上的缺点和不足，本发明提供了一种可调低刚度加速度计，能够实现高灵敏度、线性的加速度测量，同时制造工艺简单，制造成本可以得到有效的控制。

本发明采用的技术方案如下：

一种可调低刚度微机械加速度计，包括加速度敏感模块、调谐模块、位移检测模块、力反馈模块和自锁结构；

所述加速度敏感模块中的质量块通过屈曲弹性梁与基板锚区相连，所述的屈曲弹性梁在加工过程中受内应力的作用发生形变，质量块突破自锁结构的约束边界，实现自锁，此时屈曲弹性梁具有低结构刚度，甚至零刚度和负刚度；所述调谐模块通过混合调谐结构等效降低加速度计的刚度，混调结构包括梳齿电容和三角形栅电容，使系统的等效刚度可进一步被调节；

所述位移检测模块在开环工作下，通过检测质量块运动位移引起的电容变化得到外界加速度；所述力反馈模块在闭环工作下，通过控制器和栅电容执行器对质量块的惯性力进行抵消，使质量块固定在指定位置，通过闭环力反馈方式得到外界加速度。

更进一步地，所述质量块在加工过程中由于内应力的作用自动移动至自锁状态。

更进一步地，所述屈曲弹性梁具有非线性刚度，存在超柔性工作区间。

更进一步地，加速度计的基板锚区处还设有阻挡块结构，在自锁结构和阻挡块结构的约束下，可以将屈曲弹性梁形成约束在超柔性工作区间。

更进一步地，所述质量块可在自锁结构和阻挡块结构的边界内沿敏感轴方向移动，加速度计中用于检测质量块运动位移的结构为变面积型电容。

更进一步地，所述的屈曲弹性梁为弯曲梁，关于敏感轴对称分布，位于敏感轴同一侧的两个屈曲弹性梁弯曲方向一致，自锁后的梁具有超柔性工作区间。

更进一步地，所述屈曲弹性梁的结构设计满足其中，Q＝h/t，t为屈曲弹性梁的宽度，h为屈曲弹性梁的初始顶点高度。

更进一步地，加速度计的闭环力反馈方式由线性变面积型电容和推挽电路驱动实现。