本發(fā)明屬于加速度計的，具體涉及一種mems加速度計及其吸合失效自恢復(fù)的方法。

背景技術(shù)：

1、mems加速度計作為慣性傳感器的核心組成部分，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于消費電子、汽車電子、工業(yè)自動化、航空航天以及國防科技等領(lǐng)域。相較于傳統(tǒng)加速度計，mems技術(shù)的引入顯著減小了傳感器的尺寸，降低了功耗和成本，同時提高了集成度。尤其是閉環(huán)電容式mems加速度計，以其高靈敏度、低溫度漂移和優(yōu)異的精度，成為眾多高性能應(yīng)用的首選。

2、閉環(huán)電容式mems加速度計的工作原理基于靜電伺服反饋系統(tǒng)，通過精確控制靜電力來平衡外部加速度引起的慣性力，使可動質(zhì)量塊維持在靜止位置。然而，這一設(shè)計在面臨極端環(huán)境應(yīng)力，如加速度過載、強烈振動或沖擊時，存在固有的局限性。具體而言，可動質(zhì)量塊與固定電極之間可能發(fā)生黏附或吸合現(xiàn)象，即黏附失效或吸合失效，嚴(yán)重時導(dǎo)致傳感器失效?，F(xiàn)有技術(shù)中，針對黏附失效，止擋結(jié)構(gòu)已被證明有效，而吸合失效的解決辦法主要依賴于斷電重啟。然而，斷電重啟不僅在某些應(yīng)用場合不可行，而且重啟后的穩(wěn)定期會暫時中斷傳感器的正常工作，影響數(shù)據(jù)的連續(xù)性和實時性。

3、鑒于上述問題，亟需一種無需斷電重啟即可有效應(yīng)對加速度過載、振動沖擊環(huán)境下吸合失效的新方法，以提升mems加速度計在實際工程應(yīng)用中的可靠性與魯棒性。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，提供一種mems加速度計及其吸合失效自恢復(fù)的方法，通過設(shè)置極板電壓，在保證器件正常工作的同時，應(yīng)對吸合失效可以實時改變極板電壓，實現(xiàn)mems加速度計吸合失效的自行恢復(fù)。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、第一方面，本發(fā)明提過了一種mems加速度計敏感結(jié)構(gòu)，包括上固定極板、下固定極板和中間可移動極板，所述上固定極板和下固定極板分別連接一個二選一電路的輸出端，所述二選一電路的第一輸入端和第二輸入端分別連接反饋電壓vf/-vf和預(yù)設(shè)電壓vref2，所述二選一電路的輸出端連接上固定極板電壓vt/下固定極板電壓vb；所述二選一電路的控制端還連接有電壓比較器，所述電壓比較器的輸出端和二選一電路的控制端連接，所述電壓比較器反向輸入端被配置為反饋電壓vf，所述電壓比較器的正向輸入端被配置為特征電壓vc；所述電壓比較器實時比較反饋電壓vf和特征電壓vc的大小，若反饋電壓vf≥特征電壓vc，則電壓比較器的輸出vd為高電平，控制輸出電壓導(dǎo)通連接預(yù)設(shè)電壓vref2；若反饋電壓vf＜特征電壓vc，則電壓比較器的輸出vd為低電平，控制輸出電壓導(dǎo)通連接反饋電壓vf。

4、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述特征電壓是根據(jù)mems加速度計發(fā)生吸合失效時反饋電壓的電壓值確定的電壓。

5、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述中間預(yù)載電壓為vref1，所述預(yù)設(shè)電壓vref2等于預(yù)載電壓vref1。

6、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述二選一電路包括第一二選一電路和第二二選一電路，所述第一二選一電路與上固定極板電連接，所述第二二選一電路與下固定極板電路。

7、第二方面，本發(fā)明提供了一種mems加速度計，包括敏感結(jié)構(gòu)和檢測電路，所述敏感結(jié)構(gòu)為所述的mems加速度計敏感結(jié)構(gòu)。

8、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述檢測電路包括c/v轉(zhuǎn)換器、pid控制器、增益調(diào)節(jié)器、力反饋傳感器、a/d采集器和處理器，所述敏感結(jié)構(gòu)一端連接c/v轉(zhuǎn)換器，另一端連接力反饋傳感器，所述c/v轉(zhuǎn)換器、pid控制器、增益調(diào)節(jié)器、力反饋傳感器順序連接，所述a/d采集器連接至增益調(diào)節(jié)器和力反饋傳感器之間，所述a/d采集器還與處理器連接。

9、第三方面，本發(fā)明提供了一種mems加速度計的吸合失效自恢復(fù)的方法，包括下述步驟：

10、設(shè)上極板直流電壓為vt、下極板直流電壓為vb、可動電極中間極板預(yù)載電壓為vref1；

11、使上極板電壓vt不再固定的唯一連接反饋電壓vf連接上極板反饋電壓，而是二選一的連接反饋電壓vf/-vf或者預(yù)設(shè)電壓vref2，其中，預(yù)設(shè)電壓vref2等于中間極板預(yù)載電壓vref1；

12、獲得mems加速度計出現(xiàn)吸合失效時反饋電壓的飽和電壓值vs，根據(jù)該電壓值設(shè)定特征電壓vc的值；

13、將mems加速度計的反饋電壓vf或-vf和加速度計出現(xiàn)吸合失效時的特征電壓vc進(jìn)行比較；

14、工作時，加速度計極板電壓vt或vb連接反饋電壓vf或-vf，根據(jù)vf和vc的比較結(jié)果來決定極板電壓vt或vb連接vf/-vf或者預(yù)設(shè)電壓vref2。

15、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，加速度計極板電壓vt/vb連接反饋電壓vf/-vf，根據(jù)vf和vs的比較結(jié)果來決定極板電壓vt或vb連接vf/-vf或者預(yù)設(shè)電壓vref2，具體為：

16、若反饋電壓vf的電壓值等于或高于特征電壓vc，說明此時發(fā)生了吸合失效，那么加速度計極板電壓vt/vb連接預(yù)設(shè)電壓vref2；

17、若反饋電壓vf的電壓值小于特征電壓vc一定值，說明此時加速度計工作正常，那么加速度計極板電壓vt/vb連接反饋電壓vf/-vf。

18、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點和有益效果：

19、本發(fā)明面向閉環(huán)電容式mems加速度計，針對其由加速度過載、機械振動、機械沖擊等環(huán)境應(yīng)力導(dǎo)致的吸合失效提出了一種mems加速度計及其吸合失效自恢復(fù)的方法，該方法實時在線的改變固定極板上的加載電壓，進(jìn)而解除導(dǎo)致加速度計吸合失效的靜電力，使得mems加速度計恢復(fù)正常，解決了現(xiàn)有方法只能通過斷電重啟的辦法來解決mems加速度計吸合失效的問題，采用本方法可實現(xiàn)mems加速度計產(chǎn)品在使用過程中高可靠應(yīng)用，避免mems加速度計出現(xiàn)吸合失效不能恢復(fù)的情況。

20、本發(fā)明提出的閉環(huán)電容式mems加速度計吸合失效自行恢復(fù)方法，可在毫秒量級時間內(nèi)完成，基本不影響mems加速度計的正常使用，因此，本發(fā)明提出的這種高可靠mems加速度計可適用于加速度過載、振動沖擊惡劣的環(huán)境中。

技術(shù)特征：

1.一種mems加速度計敏感結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括上固定極板、下固定極板和中間可移動極板，所述上固定極板和下固定極板分別連接一個二選一電路的輸出端，所述二選一電路的第一輸入端和第二輸入端分別連接反饋電壓vf/-vf和預(yù)設(shè)電壓vref2，所述二選一電路的輸出端連接上固定極板電壓vt/下固定極板電壓vb；所述二選一電路的控制端還連接有電壓比較器，所述電壓比較器的輸出端和二選一電路的控制端連接，所述電壓比較器反向輸入端被配置為反饋電壓vf，所述電壓比較器的正向輸入端被配置為特征電壓vc；所述電壓比較器實時比較反饋電壓vf和特征電壓vc的大小，若反饋電壓vf≥特征電壓vc，則電壓比較器的輸出vd為高電平，控制輸出電壓導(dǎo)通連接預(yù)設(shè)電壓vref2；若反饋電壓vf＜特征電壓vc，則電壓比較器的輸出vd為低電平，控制輸出電壓導(dǎo)通連接反饋電壓vf。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的mems加速度計敏感結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述特征電壓是根據(jù)mems加速度計發(fā)生吸合失效時反饋電壓的電壓值確定的電壓。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的mems加速度計敏感結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述中間預(yù)載電壓為vref1，所述預(yù)設(shè)電壓vref2等于預(yù)載電壓vref1。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的mems加速度計敏感結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述二選一電路包括第一二選一電路和第二二選一電路，所述第一二選一電路與上固定極板電連接，所述第二二選一電路與下固定極板電路。

5.一種mems加速度計，其特征在于，包括敏感結(jié)構(gòu)和檢測電路，所述敏感結(jié)構(gòu)為所述權(quán)利要求1-4中任一項所述的mems加速度計敏感結(jié)構(gòu)。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的mems加速度計，其特征在于，所述檢測電路包括c/v轉(zhuǎn)換器、pid控制器、增益調(diào)節(jié)器、力反饋傳感器、a/d采集器和處理器，所述敏感結(jié)構(gòu)一端連接c/v轉(zhuǎn)換器，另一端連接力反饋傳感器，所述c/v轉(zhuǎn)換器、pid控制器、增益調(diào)節(jié)器、力反饋傳感器順序連接，所述a/d采集器連接至增益調(diào)節(jié)器和力反饋傳感器之間，所述a/d采集器還與處理器連接。

7.一種權(quán)利要求4或5所述mems加速度計的吸合失效自恢復(fù)的方法，其特征在于，包括下述步驟：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述mems加速度計的吸合失效自恢復(fù)的方法，其特征在于，加速度計極板電壓vt/vb連接反饋電壓vf/-vf，根據(jù)vf和vs的比較結(jié)果來決定極板電壓vt或vb連接vf/-vf或者預(yù)設(shè)電壓vref2，具體為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種MEMS加速度計及其吸合失效在線自恢復(fù)的方法，加速度計包括敏感結(jié)構(gòu)和檢測電路，敏感結(jié)構(gòu)包括上固定極板、下固定極板和中間可移動極板，所述上固定極板和下固定極板分別連接一個二選一電路的輸出端，所述二選一電路的第一輸入端和第二輸入端分別連接反饋電壓V<subgt;f</subgt;/?V<subgt;f</subgt;和預(yù)設(shè)電壓V<subgt;ref2</subgt;，所述二選一電路的輸出端連接上固定極板電壓V<subgt;T</subgt;/下固定極板電壓V<subgt;B</subgt;，加速度計固定極板電壓V<subgt;T</subgt;/V<subgt;B</subgt;不再固定的唯一連接反饋電壓V<subgt;f</subgt;/?V<subgt;f</subgt;，而是根據(jù)反饋電壓狀態(tài)二選一的自動選擇連接反饋電壓V<subgt;f</subgt;/?V<subgt;f</subgt;或者預(yù)設(shè)電壓V<subgt;ref2</subgt;。本發(fā)明通過實時在線的改變固定極板上的加載電壓，進(jìn)而解除導(dǎo)致吸合失效的靜電力，使得MEMS加速度計恢復(fù)正常；本發(fā)明對出現(xiàn)的吸合失效可以在不斷電的情形下自行恢復(fù)正常工作。

技術(shù)研發(fā)人員：董顯山,黃鑫龍,周斌,賴燦雄,路國光,來萍
受保護的技術(shù)使用者：中國電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗研究所（（工業(yè)和信息化部電子第五研究所）（中國賽寶實驗室））
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6