MEMS加速度计及其吸合失效自恢复的方法与流程

本发明属于加速度计的，具体涉及一种mems加速度计及其吸合失效自恢复的方法。

背景技术：

1、mems加速度计作为惯性传感器的核心组成部分，已经广泛应用于消费电子、汽车电子、工业自动化、航空航天以及国防科技等领域。相较于传统加速度计，mems技术的引入显著减小了传感器的尺寸，降低了功耗和成本，同时提高了集成度。尤其是闭环电容式mems加速度计，以其高灵敏度、低温度漂移和优异的精度，成为众多高性能应用的首选。

2、闭环电容式mems加速度计的工作原理基于静电伺服反馈系统，通过精确控制静电力来平衡外部加速度引起的惯性力，使可动质量块维持在静止位置。然而，这一设计在面临极端环境应力，如加速度过载、强烈振动或冲击时，存在固有的局限性。具体而言，可动质量块与固定电极之间可能发生黏附或吸合现象，即黏附失效或吸合失效，严重时导致传感器失效。现有技术中，针对黏附失效，止挡结构已被证明有效，而吸合失效的解决办法主要依赖于断电重启。然而，断电重启不仅在某些应用场合不可行，而且重启后的稳定期会暂时中断传感器的正常工作，影响数据的连续性和实时性。

3、鉴于上述问题，亟需一种无需断电重启即可有效应对加速度过载、振动冲击环境下吸合失效的新方法，以提升mems加速度计在实际工程应用中的可靠性与鲁棒性。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种mems加速度计及其吸合失效自恢复的方法，通过设置极板电压，在保证器件正常工作的同时，应对吸合失效可以实时改变极板电压，实现mems加速度计吸合失效的自行恢复。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提过了一种mems加速度计敏感结构，包括上固定极板、下固定极板和中间可移动极板，所述上固定极板和下固定极板分别连接一个二选一电路的输出端，所述二选一电路的第一输入端和第二输入端分别连接反馈电压vf/-vf和预设电压vref2，所述二选一电路的输出端连接上固定极板电压vt/下固定极板电压vb；所述二选一电路的控制端还连接有电压比较器，所述电压比较器的输出端和二选一电路的控制端连接，所述电压比较器反向输入端被配置为反馈电压vf，所述电压比较器的正向输入端被配置为特征电压vc；所述电压比较器实时比较反馈电压vf和特征电压vc的大小，若反馈电压vf≥特征电压vc，则电压比较器的输出vd为高电平，控制输出电压导通连接预设电压vref2；若反馈电压vf＜特征电压vc，则电压比较器的输出vd为低电平，控制输出电压导通连接反馈电压vf。

4、作为优选的技术方案，所述特征电压是根据mems加速度计发生吸合失效时反馈电压的电压值确定的电压。

5、作为优选的技术方案，所述中间预载电压为vref1，所述预设电压vref2等于预载电压vref1。

6、作为优选的技术方案，所述二选一电路包括第一二选一电路和第二二选一电路，所述第一二选一电路与上固定极板电连接，所述第二二选一电路与下固定极板电路。

7、第二方面，本发明提供了一种mems加速度计，包括敏感结构和检测电路，所述敏感结构为所述的mems加速度计敏感结构。

8、作为优选的技术方案，所述检测电路包括c/v转换器、pid控制器、增益调节器、力反馈传感器、a/d采集器和处理器，所述敏感结构一端连接c/v转换器，另一端连接力反馈传感器，所述c/v转换器、pid控制器、增益调节器、力反馈传感器顺序连接，所述a/d采集器连接至增益调节器和力反馈传感器之间，所述a/d采集器还与处理器连接。

9、第三方面，本发明提供了一种mems加速度计的吸合失效自恢复的方法，包括下述步骤：

10、设上极板直流电压为vt、下极板直流电压为vb、可动电极中间极板预载电压为vref1；

11、使上极板电压vt不再固定的唯一连接反馈电压vf连接上极板反馈电压，而是二选一的连接反馈电压vf/-vf或者预设电压vref2，其中，预设电压vref2等于中间极板预载电压vref1；

12、获得mems加速度计出现吸合失效时反馈电压的饱和电压值vs，根据该电压值设定特征电压vc的值；

13、将mems加速度计的反馈电压vf或-vf和加速度计出现吸合失效时的特征电压vc进行比较；

14、工作时，加速度计极板电压vt或vb连接反馈电压vf或-vf，根据vf和vc的比较结果来决定极板电压vt或vb连接vf/-vf或者预设电压vref2。

15、作为优选的技术方案，加速度计极板电压vt/vb连接反馈电压vf/-vf，根据vf和vs的比较结果来决定极板电压vt或vb连接vf/-vf或者预设电压vref2，具体为：

16、若反馈电压vf的电压值等于或高于特征电压vc，说明此时发生了吸合失效，那么加速度计极板电压vt/vb连接预设电压vref2；

17、若反馈电压vf的电压值小于特征电压vc一定值，说明此时加速度计工作正常，那么加速度计极板电压vt/vb连接反馈电压vf/-vf。

18、本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

19、本发明面向闭环电容式mems加速度计，针对其由加速度过载、机械振动、机械冲击等环境应力导致的吸合失效提出了一种mems加速度计及其吸合失效自恢复的方法，该方法实时在线的改变固定极板上的加载电压，进而解除导致加速度计吸合失效的静电力，使得mems加速度计恢复正常，解决了现有方法只能通过断电重启的办法来解决mems加速度计吸合失效的问题，采用本方法可实现mems加速度计产品在使用过程中高可靠应用，避免mems加速度计出现吸合失效不能恢复的情况。

20、本发明提出的闭环电容式mems加速度计吸合失效自行恢复方法，可在毫秒量级时间内完成，基本不影响mems加速度计的正常使用，因此，本发明提出的这种高可靠mems加速度计可适用于加速度过载、振动冲击恶劣的环境中。

技术特征：

1.一种mems加速度计敏感结构，其特征在于，包括上固定极板、下固定极板和中间可移动极板，所述上固定极板和下固定极板分别连接一个二选一电路的输出端，所述二选一电路的第一输入端和第二输入端分别连接反馈电压vf/-vf和预设电压vref2，所述二选一电路的输出端连接上固定极板电压vt/下固定极板电压vb；所述二选一电路的控制端还连接有电压比较器，所述电压比较器的输出端和二选一电路的控制端连接，所述电压比较器反向输入端被配置为反馈电压vf，所述电压比较器的正向输入端被配置为特征电压vc；所述电压比较器实时比较反馈电压vf和特征电压vc的大小，若反馈电压vf≥特征电压vc，则电压比较器的输出vd为高电平，控制输出电压导通连接预设电压vref2；若反馈电压vf＜特征电压vc，则电压比较器的输出vd为低电平，控制输出电压导通连接反馈电压vf。

2.根据权利要求1所述的mems加速度计敏感结构，其特征在于，所述特征电压是根据mems加速度计发生吸合失效时反馈电压的电压值确定的电压。

3.根据权利要求1所述的mems加速度计敏感结构，其特征在于，所述中间预载电压为vref1，所述预设电压vref2等于预载电压vref1。

4.根据权利要求1所述的mems加速度计敏感结构，其特征在于，所述二选一电路包括第一二选一电路和第二二选一电路，所述第一二选一电路与上固定极板电连接，所述第二二选一电路与下固定极板电路。

5.一种mems加速度计，其特征在于，包括敏感结构和检测电路，所述敏感结构为所述权利要求1-4中任一项所述的mems加速度计敏感结构。

6.根据权利要求4所述的mems加速度计，其特征在于，所述检测电路包括c/v转换器、pid控制器、增益调节器、力反馈传感器、a/d采集器和处理器，所述敏感结构一端连接c/v转换器，另一端连接力反馈传感器，所述c/v转换器、pid控制器、增益调节器、力反馈传感器顺序连接，所述a/d采集器连接至增益调节器和力反馈传感器之间，所述a/d采集器还与处理器连接。

7.一种权利要求4或5所述mems加速度计的吸合失效自恢复的方法，其特征在于，包括下述步骤：

8.根据权利要求7所述mems加速度计的吸合失效自恢复的方法，其特征在于，加速度计极板电压vt/vb连接反馈电压vf/-vf，根据vf和vs的比较结果来决定极板电压vt或vb连接vf/-vf或者预设电压vref2，具体为：

技术总结本发明公开了一种MEMS加速度计及其吸合失效在线自恢复的方法，加速度计包括敏感结构和检测电路，敏感结构包括上固定极板、下固定极板和中间可移动极板，所述上固定极板和下固定极板分别连接一个二选一电路的输出端，所述二选一电路的第一输入端和第二输入端分别连接反馈电压V<subgt;f</subgt;/‑V<subgt;f</subgt;和预设电压V<subgt;ref2</subgt;，所述二选一电路的输出端连接上固定极板电压V<subgt;T</subgt;/下固定极板电压V<subgt;B</subgt;，加速度计固定极板电压V<subgt;T</subgt;/V<subgt;B</subgt;不再固定的唯一连接反馈电压V<subgt;f</subgt;/‑V<subgt;f</subgt;，而是根据反馈电压状态二选一的自动选择连接反馈电压V<subgt;f</subgt;/‑V<subgt;f</subgt;或者预设电压V<subgt;ref2</subgt;。本发明通过实时在线的改变固定极板上的加载电压，进而解除导致吸合失效的静电力，使得MEMS加速度计恢复正常；本发明对出现的吸合失效可以在不断电的情形下自行恢复正常工作。技术研发人员：董显山,黄鑫龙,周斌,赖灿雄,路国光,来萍受保护的技术使用者：中国电子产品可靠性与环境试验研究所（（工业和信息化部电子第五研究所）（中国赛宝实验室））技术研发日：技术公布日：2025/1/6