一种MEMS加速度计健康状态监测装置及监测方法与流程

本发明涉及测量技术领域，特别是涉及一种MEMS加速度计健康状态监测装置及监测方法。

背景技术：

惯性导航定位技术由于具有完全自主、不依赖于卫星信号等优点，在导航、制导与控制等领域占有重要的地位。基于微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)的加速度计能提供惯性定位所必需的加速度信息，且具有体积小、重量轻、成本低、易于集成等优点，是微惯性导航定位系统的核心单元。但是目前MEMS加速度计(即基于微机电系统的加速度计)的工作精度正在逐渐接近宏观尺度高精度惯性传感器的水平，但是长期稳定性仍然差了2个数量级以上。

当MEMS加速度计已经进行安装之后，由于其长期稳定性较差，加速度计的健康状态无法实时监测，更无法对加速度计的精度进行标定。

目前，有两种方法可以提供MEMS加速度计的实时健康状态监测：

一是在MEMS加速度计内嵌入真实/虚拟的惯性力激励源，使得敏感结构产生响应以进行标定。第二类方法是在MEMS加速度计外集成微纳驱动结构，提供物理激励，实现自标定。但目前这两种方法都只能实现加速度计在测量较低加速度时的健康状态监测，无法实现加速度计在测量较高加速度时的健康状态监测。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种MEMS加速度计健康状态监测装置及监测方法，可以实现高G值加速度计健康状态监测。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种MEMS加速度计健康状态监测装置，包括：微振动平台、外围平台、四个水平支撑梁、四个垂直支撑梁；所述微振动平台为方形，所述外围平台位于所述微振动平台的外围；四个所述水平支撑梁和四个所述垂直支撑梁位于所述微振动平台和所述外围平台之间；每个所述水平支撑梁的一端连接到对应的所述垂直支撑梁的一端，并与所述垂直支撑梁形成直角结构；四个所述直角结构沿顺时针方向依次均匀分布在所述微振动平台的四周；每个所述直角结构的水平支撑梁和垂直支撑梁分别与所述微振动平台的两个边缘平行；每个所述直角结构的所述水平支撑梁一端与所述外围平台连接，所述垂直支撑梁一端连接到对应的所述微振动平台边缘的中部；所述微振动平台选用的材质为硅。

可选的，所述外围平台上设置有四个水平偏置输入电极、四个垂直偏置输入电极、四个接地电极和四个输入输出电极；每个所述水平支撑梁内均设置有水平压电驱动电极，每个所述水平偏置输入电极通过水平信号连接线连接到对应所述水平支撑梁内的所述水平压电驱动电极；每个所述垂直支撑梁内均设置有垂直压电驱动电极，每个所述垂直偏置输入电极通过垂直信号连接线连接到对应的所述垂直支撑梁内的所述垂直压电驱动电极；所述微振动平台的每个角的位置均设置有一个信号接入电极，每个所述输入输出电极通过加速度计信号连接线与对应的所述信号接入电极连接；四个所述接地电极接地。

可选的，所述外围平台由6个结构层构成，从上至下依次为偏置线绝缘层、压电层、压电层地电极、硅结构层、氧化硅结构层、振动台衬底；所述水平支撑梁和所述垂直支撑梁均由4个结构层构成，从上至下依次为偏置线绝缘层、压电层、压电层地电极、硅结构层；所述微振动平台包括硅结构层；在构成所述外围平台、所述水平支撑梁、所述垂直支撑梁和所述微振动平台的结构层中，相同的结构层互相连通且位于同一水平面上。

可选的，四个所述水平偏置输入电极、四个所述垂直偏置输入电极、四个所述接地电极、四个所述输入输出电极、所述水平信号连接线、所述垂直信号连接线和所述加速度计信号连接线位于所述偏置线绝缘层上方；每个所述接地电极均从所述压电层和所述偏置线绝缘层中穿过并与所述压电层地电极连接；所述水平压电驱动电极和所述垂直压电驱动电极均位于所述偏置绝缘层和所述压电层之间，每个所述水平信号连接线和所述垂直信号连接线均从所述偏置线绝缘层中穿过并分别与所述水平驱动电极和所述垂直驱动电极连接；四个所述信号接入电极均安装于构成所述微振动平台的所述硅结构层上。

可选的，测量时，所述MEMS加速度计固定放置于所述微振动平台上，并将所述MEMS加速度计接入四个所述信号接入电极；四个所述水平偏置输入电极和四个所述垂直偏置输入电极均输入设定频率的偏置信号从而驱动所述微振动台产生振动。

本发明还公开了一种MEMS加速度计健康状态监测方法，应用于一种MEMS加速度计健康状态监测装置；所述监测装置包括：微振动平台、外围平台、四个水平支撑梁、四个垂直支撑梁；所述微振动平台为方形，所述外围平台位于所述微振动平台的外围；四个所述水平支撑梁和四个所述垂直支撑梁位于所述微振动平台和所述外围平台之间；每个所述水平支撑梁的一端连接到对应的所述垂直支撑梁的一端，并与所述垂直支撑梁形成直角结构；四个所述直角结构沿顺时针方向依次均匀分布在所述微振动平台的四周；每个所述直角结构的水平支撑梁和垂直支撑梁分别与所述微振动平台的两个边缘平行；每个所述直角结构的所述水平支撑梁一端与所述外围平台连接，所述垂直支撑梁一端连接到对应的所述微振动平台边缘的中部；所述微振动平台选用的材质为硅；所述外围平台上设置有四个水平偏置输入电极、四个垂直偏置输入电极、四个接地电极和四个输入输出电极；每个所述水平支撑梁内均设置有水平压电驱动电极，每个所述水平偏置输入电极通过水平信号连接线连接到对应所述水平支撑梁内的所述水平压电驱动电极；每个所述垂直支撑梁内均设置有垂直压电驱动电极，每个所述垂直偏置输入电极通过垂直信号连接线连接到对应的所述垂直支撑梁内的所述垂直压电驱动电极；所述微振动平台的每个角的位置均设置有一个信号接入电极，每个所述输入输出电极通过加速度计信号连接线与对应的所述信号接入电极连接；四个所述接地电极接地；所述方法包括：

获取所述MEMS加速度计的量程；

根据所述MEMS加速度计的量程确定需要监测的加速度点；任意相邻的两个所述加速度点的加速度值相减得到的加速度差值相同；

计算各个所述加速度点所对应的所述偏置信号的频率；

按照加速度逐渐增大的方向，调整所述偏置信号的频率，使所述微振动平台产生对应所述频率的加速度点，得到实际加速度；

获取所述MEMS加速度计测量的所述微振动平台的加速度，得到测量加速度；

根据所述实际加速度、所述测量加速度和所述MEMS加速度的频率响应，计算所述MEMS加速度计的测量误差；

将所述测量误差与设定阈值进行比较，得到比较结果；

根据所述比较结果确定所述MEMS加速度计的健康状态。

可选的，所述根据所述比较结果确定所述加速度计的健康状态，具体包括：

若所述比较结果表示所述测量误差大于所述设定阈值，表示所述MEMS加速度计的健康状态良好，调整所述偏置信号的频率进行下一个加速度点的健康状态测量；

若所述比较结果表示所述测量误差小于或等于所述设定阈值，表示所述MEMS加速度计的健康较差，反馈当前的健康状态。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明的MEMS加速度计健康状态监测装置中，垂直支撑梁一端仅连接到微振动平台边缘的中部，减小了垂直支撑梁结构的长度，从而使水平支撑梁和垂直支撑梁的等效弹性系数增加；微振动平台只由硅材质构成，并且在微振动平台上只放置了四个信号接入电极，使微振动平台的等效质量大幅下降，微振动平台的谐振频率与等效弹性系数呈正相关关系，与等效质量呈负相关关系，因此本发明的上述技术方案可以极大提高微振动平台的谐振频率，进而提高微振动平台提供的加速度，从而实现MEMS加速度计在加速度较高时的健康状态监测。本发明还提供一种MEMS加速度计健康状态监测方法，能够实现加速度计在加速度较高时的健康状态监测，并且将MEMS加速度计固有的频率响应计入加速度计误差测量过程中，能够精确提取MEMS加速度计的测量误差。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明MEMS加速度计健康状态监测装置实施例的装置结构俯视图；

图2为本发明MEMS加速度计健康状态监测装置实施例的各个部分的剖面结构图；

图3为本发明MEMS加速度计健康状态监测装置实施例的安装所述MEMS加速度计之后各个部分的剖面结构图；

图4为本发明MEMS加速度计健康状态监测方法实施例的方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明MEMS加速度计健康状态监测装置实施例的装置结构俯视图。

参见图1，该MEMS加速度计健康状态监测装置，包括：微振动平台1、外围平台2、四个水平支撑梁3、四个垂直支撑梁4；所述微振动平台1为方形，所述外围平台2位于所述微振动平台1的外围；四个所述水平支撑梁3和四个所述垂直支撑梁4位于所述微振动平台1和所述外围平台2之间；每个所述水平支撑梁3的一端连接到对应的所述垂直支撑梁4的一端，并与所述垂直支撑梁4形成直角结构；四个所述直角结构沿顺时针方向依次均匀分布在所述微振动平台1的四周；每个所述直角结构的水平支撑梁3和垂直支撑梁4分别与所述微振动平台1的两个边缘平行；每个所述直角结构的所述水平支撑梁3一端与所述外围平台2连接，所述垂直支撑梁4一端连接到对应的所述微振动平台1边缘的中部；所述微振动平台1选用的材质为硅。

所述外围平台2上设置有四个水平偏置输入电极5、四个垂直偏置输入电极6、四个接地电极7和四个输入输出电极8。

图2为本发明MEMS加速度计健康状态监测装置实施例的各个部分的剖面结构图。

参见图1和图2，每个所述水平支撑梁3内均设置有水平压电驱动电极9，每个所述水平偏置输入电极5通过水平信号连接线连接10到对应所述水平支撑梁3内的所述水平压电驱动电极9；每个所述垂直支撑梁4内均设置有垂直压电驱动电极11，每个所述垂直偏置输入电极6通过垂直信号连接线12连接到对应的所述垂直支撑梁4内的所述垂直压电驱动电极11；所述微振动平台1的每个角的位置均设置有一个信号接入电极13，每个所述输入输出电极8通过加速度计信号连接线14与对应的所述信号接入电极13连接；四个所述接地电极7接地。

所述外围平台2由6个结构层构成，从上至下依次为偏置线绝缘层15、压电层16、压电层地电极17、硅结构层18、氧化硅结构层19、振动台衬底20；所述水平支撑梁3和所述垂直支撑梁4均由4个结构层构成，从上至下依次为偏置线绝缘层15、压电层16、压电层地电极17、硅结构层18；所述微振动平台1包括硅结构层18；在构成所述外围平台2、所述水平支撑梁3、所述垂直支撑梁4和所述微振动平台1的结构层中，相同的结构层互相连通且位于同一水平面上。

四个所述水平偏置输入电极5、四个所述垂直偏置输入电极6、四个所述接地电极7、四个所述输入输出电极8、所述水平信号连接线10、所述垂直信号连接线12和所述加速度计信号连接线14位于所述偏置线绝缘层15上方；每个所述接地电极7均从所述压电层16和所述偏置线绝缘层15中穿过并与所述压电层地电极17连接；所述水平压电驱动电极9和所述垂直压电驱动电极11均位于所述偏置绝缘层15和所述压电层16之间，每个所述水平信号连接线10和所述垂直信号连接线12均从所述偏置线绝缘层15中穿过并分别与所述水平驱动电极9和所述垂直驱动电极11连接；四个所述信号接入电极13均安装于构成所述微振动平台1的所述硅结构层18上。

所述偏置线绝缘层15用于将所述压电层地电极17和各个信号连接线隔离；所述压电层16和所述压电层地电极17选用锆钛酸铅压电陶瓷(PZT，piezoelectric ceramic transducer)材料，所述压电层16的上表面与所述水平压电驱动电极9和所述垂直压电驱动电极11相连，下表面与所述压电层地电极17相连，从而使所述压电层16形成压差。通过调整水平偏置输入电极5和垂直偏置输入电极6的偏置电压信号，从而能够调整所述水平压电驱动电极9和所述垂直压电驱动电极11施加在所述压电层16上的压差，从而使所述压电层16产生上下或左右弯曲；所述压电层16的变形会引起水平支撑梁3或垂直支撑梁4的端部的振动，从而驱动所述微振动平台1产生振动。所述压电层地电极17用于提供地电位。所述氧化硅结构层19用于保证该监测装置在制备过程中不被刻蚀。所述振动台衬底20为该监测装置的支撑部分，可用于后续集成。

所述微振动平台1的边长为3mm，所述水平偏置输入电极5、所述垂直偏置输入电极6、所述接地电极7和所述输入输出电极8的的规格均为75μm*75μm；所述水平信号连接线10、所述垂直信号连接线12和所述加速度计信号连接线14的线宽均为10μm，厚度均为0.5μm；所述水平支撑梁3的长度为3.8mm，宽度为0.2mm，所述垂直支撑梁4的长度为1.8mm，宽度为0.2mm；所述水平压电驱动电极9的规格为3.8mm*0.2mm*0.5μm，所述垂直压电驱动电极11的规格为1.8mm*0.2mm*0.5μm；所述偏置线绝缘层15为两层，厚度为1μm；所述压电层的厚度可根据MEMS加速度计21的质量计算；所述压电层地电极17的厚度为0.5μm；所述硅结构层18的厚度范围为20～25μm；所述氧化硅结构层19的厚度范围为0.5μm～1μm；所述振动台衬底20的厚度为400μm，宽度为200μm。

图3为本发明MEMS加速度计健康状态监测装置实施例的安装所述MEMS加速度计之后各个部分的剖面结构图。

参见图3，测量时，所述MEMS加速度计21焊接或粘连在所述微振动平台1上，并将所述MEMS加速度计21接入四个所述信号接入电极13；四个所述水平偏置输入电极5和四个所述垂直偏置输入电极6均输入设定频率的偏置信号从而驱动所述微振动台1产生振动。本发明的该实施例中选用的MEMS加速度计21的质量为5～10mg。

本发明采用回旋梁结构，包括水平支撑梁3和垂直支撑梁4，并且垂直支撑梁4仅仅连接到微振动平台1的边缘中部，相对于现有技术中的蟹爪梁结构，梁体要环绕微振动平台四分之三，大大减小了梁体的长度，从而能够能够使梁体的等效弹性系数k增大。

本发明改进了微振动平台1的材质，采用硅材质，即微振动平台1仅由硅结构层18构成，大大减轻了微振动平台1的质量m。

微振动平台1的谐振频率为由此可知，m降低，k增大，必然使f增大，即本发明提高了微振动平台1的谐振频率。提高谐振频率后，微振动平台的振动频率的可调范围也相应增加，即微振动平台的振动频率也相应提高。而微振动平台1所能提供的最大加速度与振动频率f₀的平方成正比，即最大加速度a_max＝4π²f₀²A，其中A为微振动平台1的振幅，由此可知，本发明的装置能够通过调节振动频率提供更高加速度，从而能够实现高G值加速度计的健康状态监测。

图4为本发明MEMS加速度计健康状态监测方法实施例的方法流程图。

参见图4，该MEMS加速度计健康状态监测方法，应用于上述的MEMS加速度计健康状态监测装置；所述方法包括：

步骤101：获取所述MEMS加速度计21的量程；

步骤102：根据所述MEMS加速度计21的量程确定需要监测的加速度点；任意相邻的两个所述加速度点的加速度值相减得到的加速度差值相同；

步骤103：计算各个所述加速度点所对应的所述偏置信号的频率；

步骤104：按照加速度逐渐增大的方向，调整所述偏置信号的频率，使所述微振动平台1产生对应所述频率的加速度点，得到实际加速度；

步骤105：获取所述MEMS加速度计21测量的所述微振动平台1的加速度，得到测量加速度；

步骤106：根据所述实际加速度、所述测量加速度和所述MEMS加速度21的频率响应，计算所述MEMS加速度计21的测量误差；

步骤107：将所述测量误差与设定阈值进行比较，得到比较结果；

步骤108：根据所述比较结果确定所述MEMS加速度计21的健康状态。

可选的，所述根据所述比较结果确定所述加速度计的健康状态，具体包括：

若所述比较结果表示所述测量误差大于所述设定阈值，表示所述MEMS加速度计21的健康状态良好，调整所述偏置信号的频率进行下一个加速度点的健康状态测量；

若所述比较结果表示所述测量误差小于或等于所述设定阈值，表示所述MEMS加速度计21的健康较差，反馈当前的健康状态。

在监测之前，首先需要将所述MEMS加速度计21连接到四个所述信号接入电极13上，通过所述信号接入电极13处的焊点将所述MEMS加速度计21与所述微振动平台1连接在一起。由于所述信号接入电极13通过所述加速度计信号连接线14连接到所述输入输出电极8上，因此可以通过所述输入输出电极8对所述MEMS加速度计21进行偏置和获取所述MEMS加速度计21测量得到的加速度值。所述输入输出电极8与外围电路连接，通过外围电路对测量得到的加速度值进行记录。其次，所述水平支撑梁3的水平偏置输入电极5和所述垂直支撑梁4的垂直偏置输入电极6接入电压同幅反向的正弦波偏置信号，然后分别通过水平信号连接线10和垂直信号连接线12，分别连接到水平支撑梁3的水平压电驱动电极9和垂直支撑梁4的垂直压电驱动电极11，从而驱动水平支撑梁3和垂直支撑梁4分别产生竖直方向上两个相反方向的振动，从而带动微振动平台在竖直方向上的振动。通过调整输入所述水平偏置输入电极5和所述垂直偏置输入电极6的所述偏置信号的频率f_偏，可以获得所述微振动平台1提供的加速度的变化，f_偏与f₀相等。保持微振动平台1的振幅为20μm，可以获取偏置信号的频率f_偏与微振动平台1所提供的加速度a的关系对照表。表1为偏置信号的频率f_偏与微振动平台1所提供的加速度a的关系对照表，表1如下：

下面以量程为15g的MEMS加速度计为例进行说明。根据该量程，可以确定15个加速度点，各个加速度点的加速度差值为1g，这15个加速度点分别为1g、2g、3g、4g、5g、6g、7g、8g、9g、10g、11g、12g、13g、14g、15g。从第1个加速度点a₁开始，即所述微振动平台1先提供1g的实际加速度a₁，此时计算出偏置信号的频率f_偏为111Hz。接下来向所述水平偏置输入电极5和所述垂直偏置输入电极6输入频率为111Hz的偏置信号，驱动所述微振动平台1提供1g的加速度。经过2s的稳定时间后，记录所述MEMS加速度计21测量的加速度值a₁＇。该加速度值a₁＇不仅能够反映所述MEMS加速度计21的健康状态，还能反映加速度在所述微振动平台1提供的振动下的频率响应。为了降低所述MEMS加速度计21在所述微振动平台1的振动下的频率响应，在进行误差测量时将所述MEMS加速度计21出厂时测试的频率响应a_y考虑进去，从而分析出所述MEMS加速度计在第1个加速度点a₁的测量误差a_1w为

a_1w＝(a₁-a₁＇)-(a₁-a_y)

然后将所述测量误差a_1w与设定阈值比较，得到比较结果；若所述比较结果表示所述测量误差大于a_1w所述设定阈值，表示所述MEMS加速度计21的健康状态良好，调整所述偏置信号的频率进行下一个加速度点的健康状态测量；

若所述比较结果表示所述测量误差a_1w小于或等于所述设定阈值，表示所述MEMS加速度计21的健康较差，反馈当前的健康状态。

根据各个加速度点的检测结果，建立所述MEMS加速度计21的误差模型：

a_out＝a₀+k₁a_in+k₂a_in^{^2}+k₃a_in^{^3}

其中a_in为所述MEMS加速度计的健康状态较差情况下所述微振动平台提供的实际加速度；a_out所述加速度计的健康状态较差情况下所述加速度计输出的测量加速度；a₀、k₁、k₂和k₃均为所述误差模型的拟合参数。

通过对每个加速度点进行多次测量并进行多点测量获得a_in与a_out的多组对应关系，采用最小二乘法拟合得到误差模型的拟合参数，并利用加速度计补偿输出算法，建立实际加速度和测量加速度之间的关系，从而实现对加速度计的输出进行补偿。

本发明公开的上述监测装置和监测方法，可以实现高G值MEMS加速度计的健康状态监测，并且对高G值MEMS加速度计的结构和工作过程无干扰，能够实现无损监测。本发明的方案具有通用性，能够实现不同结构与类型的高G值MEMS加速度计的健康状态监测。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。