MEMS敏感结构、倾角传感器及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种MEMS敏感结构、倾角传感器及其控制方法，MEMS敏感结构，包括：框架和敏感单元。敏感单元包括：第一检测极板、第二检测极板、第一反馈极板、第二反馈极板以及质量块和支撑梁，质量块具有检测部和反馈部，检测部和反馈部能够以质量块与支撑梁的相连处为支点朝不同方向倾斜。本发明专利技术的MEMS敏感结构、倾角传感器及其控制方法，通过跷跷板式的MEMS敏感结构，具有较高灵敏度；在质量块上施加产生检测电容的检测脉冲信号，在反馈极板和质量块上施加产生静电反馈的反馈脉冲信号，检测脉冲信号和反馈脉冲信号分时的加载在MEMS敏感结构上，检测极板和反馈极板各自独立，避免了反馈信号对检测信号的干扰，从而提高测量精度。从而提高测量精度。从而提高测量精度。

【技术实现步骤摘要】
MEMS敏感结构、倾角传感器及其控制方法


[0001]本专利技术是关于微机电
，特别是关于一种MEMS敏感结构、倾角传感器及其控制方法。

技术介绍

[0002]微机电系统(MEMS)是在微电子技术基础上发展起来的，融合了微传感器、微执行器、微机械结构、微电源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等与一体的微型器件或系统。MEMS是一项革命性的新技术，广泛应用于高新技术产业，是一项关系到国家的科技发展、经济繁荣和国防安全的关键技术。
[0003]MEMS倾角传感器是一种测量倾角大小的器件，目前倾角测量的实现大多是使用加速度计测量加速度，通过测量出的加速度值与标准重力加速度运算得到与重垂方向夹角，但这类方法往往会限制倾角测量的精度和测量范围。
[0004]加速度计的使用场景往往对带宽有要求，为了实现更高的带宽，电容式加速计的电容采样时间有限，使得加速度测量精度受限，而倾角传感器的部分使用场景对带宽要求较低，例如建筑、设备的倾角测量等，但需要更高的测量精度(例如角度分辨率≤0.0005
°
)，大多数倾角传感器产品不能满足此类需求。
[0005]加速度计产品大多使用闭环控制方法，为了提高量程，其敏感结构的灵敏度受限，也影响了其测量精度。
[0006]公开于该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种MEMS敏感结构、倾角传感器及其控制方法，其敏感结构具有高的灵敏度，配合使用本专利技术的控制方法，可以实现高精度的倾角测量。
[0008]为实现上述目的，本专利技术的实施例提供了一种MEMS敏感结构，包括：框架和敏感单元。
[0009]所述框架内形成有腔室；所述腔室内设置有敏感单元，所述敏感单元包括：
[0010]第一检测极板和第二检测极板，分别相对安装于腔室内；
[0011]第一反馈极板和第二反馈极板，分别相对安装于腔室内；以及
[0012]质量块和支撑梁，所述质量块通过支撑梁安装于腔室内，所述质量块具有分别位于第一检测极板和第二检测极板之间以及第一反馈极板和第二反馈极板之间的检测部和反馈部，所述检测部和反馈部能够以质量块与支撑梁的相连处为支点朝不同方向倾斜，所述不同方向为靠近第一检测极板或第二检测极板、远离第一反馈极板或第二反馈极板的方向，或者远离第一检测极板或第二检测极板、靠近第一反馈极板或第二反馈极板的方向。
[0013]在本专利技术的一个或多个实施例中，所述检测部远离反馈部的第一端到支撑梁的最短距离大于反馈部远离检测部的第二端到支撑梁的最短距离。
[0014]在本专利技术的一个或多个实施例中，所述检测部具有两个分别与第一检测极板和第二检测极板相对的检测面，所述反馈部具有两个分别与第一反馈极板和第二反馈极板相对的反馈面，所述检测面的面积大于反馈面的面积。
[0015]在本专利技术的一个或多个实施例中，所述支撑梁设置有两个且位于同一直线上，所述质量块的重心偏离支撑梁所在的直线。
[0016]在本专利技术的一个或多个实施例中，所述敏感单元对称设置有两个或者两两对称设置有四个，所述敏感单元的反馈部的第二端相互靠近设置，若所述敏感单元两两对称设置有四个，所述敏感单元的反馈部的第二端相互靠近设置，其中一对所述敏感单元沿第一轴向设置，另一对所述敏感单元沿第二轴向设置。
[0017]在本专利技术的一个或多个实施例中，相邻两个所述敏感单元之间的框架上设置有隔离槽，所述隔离槽用于分隔与相邻两个所述敏感单元的支撑梁相连通的导电区域。
[0018]在本专利技术的一个或多个实施例中，所述敏感单元还包括安装于框架上且与质量块电连接的电极。
[0019]本专利技术还公开了一种倾角传感器，包括所述的MEMS敏感结构，所述倾角传感器还包括：
[0020]电容测量电路，与MEMS敏感结构相连，用于对质量块施加检测脉冲信号以对质量块分别与第一检测极板和第二检测极板之间形成的电容的差值进行采样；
[0021]处理电路，与电容测量电路相连，用于接收电容的差值并对电容的差值进行处理以获得质量块的倾斜角度的测量结果；
[0022]升压电路，与处理电路和MEMS敏感结构相连，用于根据倾斜角度对第一反馈极板、第二反馈极板和质量块施加反馈脉冲信号，以在第一反馈极板和第二反馈极板与质量块之间产生静电反馈力。
[0023]在本专利技术的一个或多个实施例中，所述倾角传感器还包括与升压电路相连的反馈信号脉冲宽度控制电路，通过调节反馈脉冲信号的脉冲宽度以调节静电反馈力的大小。
[0024]在本专利技术的一个或多个实施例中，所述升压电路对第一反馈极板和第二反馈极板中的其中一个反馈极板施加的反馈脉冲信号、对第一反馈极板和第二反馈极板中的另一个反馈极板和质量块施加的反馈脉冲信号分别为正向反馈脉冲信号和反向反馈脉冲信号。
[0025]在本专利技术的一个或多个实施例中，所述处理电路通过数/模转换电路与升压电路相连。
[0026]一种倾角传感器的控制方法，用于多个对称设置的敏感单元，所述敏感单元沿第一轴向分布和/或沿第二轴向分布；所述控制方法包括：
[0027]采集沿第一轴向分布的每个敏感单元的质量块与对应的第一检测极板和第二检测极板之间形成的电容的第一差值；
[0028]若沿第一轴向分布的每个敏感单元的第一差值之间的差值不为零，判断各第一差值的微分值之间的大小变化；
[0029]若部分敏感单元的第一差值的微分值增大、另一部分敏感单元的第二差值的微分值减小，则表示在第一轴向上，朝向第一差值的微分值增大的敏感单元侧倾斜；
[0030]根据各第一差值的微分值获得第一倾斜角度；和/或
[0031]采集沿第二轴向分布的每个敏感单元的质量块与对应的第一检测极板和第二检
测极板之间形成的电容的第二差值；
[0032]若沿第二轴向分布的每个敏感单元的第二差值之间的差值不为零，判断各第二差值的微分值之间的大小变化；
[0033]若部分敏感单元的第二差值的微分值增大、另一部分敏感单元的第二差值的微分值减小，则表示在第二轴向上，朝向第二差值的微分值增大的敏感单元侧倾斜；
[0034]根据各第二差值的微分值获得第二倾斜角度。
[0035]在本专利技术的一个或多个实施例中，还包括：根据第一倾斜角度获得第一反馈脉冲信号和/或根据第二倾斜角度获得第二反馈脉冲信号；
[0036]向沿第一轴向分布的每个敏感单元施加第一反馈脉冲信号和/或向沿第二轴向分布的每个敏感单元施加第二反馈脉冲信号而产生静电反馈力，以使各第一差值和/或第二差值回到为零的初始状态，所述静电反馈力静电反馈力由反馈脉冲信号的脉冲占空比决定。
[0037]与现有技术相比，根据本专利技术的MEMS敏感结构、倾角传感器及其控制方法，通过跷跷板式的MEMS敏感结构，具有较高灵敏度；在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种MEMS敏感结构，其特征在于，包括：框架，所述框架内形成有腔室；所述腔室内设置有敏感单元，所述敏感单元包括：第一检测极板和第二检测极板，分别相对安装于腔室内；第一反馈极板和第二反馈极板，分别相对安装于腔室内；以及质量块和支撑梁，所述质量块通过支撑梁安装于腔室内，所述质量块具有分别位于第一检测极板和第二检测极板之间以及第一反馈极板和第二反馈极板之间的检测部和反馈部，所述检测部和反馈部能够以质量块与支撑梁的相连处为支点朝不同方向倾斜，所述不同方向为靠近第一检测极板或第二检测极板、远离第一反馈极板或第二反馈极板的方向，或者远离第一检测极板或第二检测极板、靠近第一反馈极板或第二反馈极板的方向。2.如权利要求1所述的MEMS敏感结构，其特征在于，所述检测部远离反馈部的第一端到支撑梁的最短距离大于反馈部远离检测部的第二端到支撑梁的最短距离。3.如权利要求1所述的MEMS敏感结构，其特征在于，所述检测部具有两个分别与第一检测极板和第二检测极板相对的检测面，所述反馈部具有两个分别与第一反馈极板和第二反馈极板相对的反馈面，所述检测面的面积大于反馈面的面积。4.如权利要求1所述的MEMS敏感结构，其特征在于，所述支撑梁设置有两个且位于同一直线上，所述质量块的重心偏离支撑梁所在的直线。5.如权利要求2所述的MEMS敏感结构，其特征在于，所述敏感单元对称设置有两个或者两两对称设置有四个，所述敏感单元的反馈部的第二端相互靠近设置，若所述敏感单元两两对称设置有四个，所述敏感单元的反馈部的第二端相互靠近设置，其中一对所述敏感单元沿第一轴向设置，另一对所述敏感单元沿第二轴向设置。6.如权利要求1所述的MEMS敏感结构，其特征在于，相邻两个所述敏感单元之间的框架上设置有隔离槽，所述隔离槽用于分隔与相邻两个所述敏感单元的支撑梁相连通的导电区域。7.如权利要求1所述的MEMS敏感结构，其特征在于，所述敏感单元还包括安装于框架上且与质量块电连接的电极。8.一种倾角传感器，其特征在于，包括如权利要求1～7任一项所述的MEMS敏感结构，所述倾角传感器还包括：电容测量电路，与MEMS敏感结构相连，用于对质量块施加检测脉冲信号以对质量块分别与第一检测极板和第二检测极板之间形成的电容的差值进行采样；处理电路，与电容测量电路相连，用于接收电容的差值并对电容...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴东岷，苑文强，李永成，曾中明，张宝顺，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：