技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本
發(fā)明屬于精密測(cè)量物理技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種
重力加速度傳感器。
背景技術(shù)
[0002] 重力加速度傳感器是一種測(cè)量重力加速度微小變化量的精密重力
測(cè)量傳感器。重力加速度傳感器有別于消費(fèi)
電子領(lǐng)域中用于運(yùn)動(dòng)傳感和工業(yè)控制領(lǐng)域中用于振動(dòng)監(jiān)測(cè)的加速度傳感器，其根本區(qū)別在于量程、
分辨率和偏值
穩(wěn)定性的幅值不同。用于運(yùn)動(dòng)傳感和振動(dòng)監(jiān)測(cè)的加速度傳感器的量程一般為1-100g，分辨率為1mg量級(jí)，且對(duì)偏值穩(wěn)定性基本沒(méi)有要求；而重力加速度傳感器的量程一般為1mg量級(jí)，分辨率為1ng量級(jí)(約為重力測(cè)量常用單2 2
位1μGal，其中1g≈9.8m/s，1Gal＝0.01m/s≈1mg)，且對(duì)偏值穩(wěn)定性有極高的要求。
[0003] 重力加速度傳感器通常作為相對(duì)重力儀的核心敏感單元，用于測(cè)量不同區(qū)域空間
位置的重力加速度或者同一位置不同時(shí)間的重力加速度，也即區(qū)域重力場(chǎng)或者時(shí)變重力場(chǎng)的測(cè)量。高分辨率地測(cè)量地球重力場(chǎng)，對(duì)于地球物理科學(xué)
基礎(chǔ)研究、重力資源勘探、以及大地測(cè)量等具有重要意義。目前廣泛使用的相對(duì)重力儀采用金屬零長(zhǎng)
彈簧、
石英熔融彈簧、以及細(xì)絲振弦型的重力加速度傳感器，雖然這些重力加速度傳感器的分辨率都可以達(dá)到10μGal以下，但是受技術(shù)本身所限，其制造成本高且制造周期長(zhǎng)。2016年英國(guó)格拉斯哥大學(xué)發(fā)布一款基于微
機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical?System，MEMS)技術(shù)的重力加速度傳感器原理樣機(jī)，并成功測(cè)量到了地球潮汐
信號(hào)，但是其采用的光強(qiáng)位移傳感器
精度不高，其分辨率僅有40μGal，比傳統(tǒng)重力加速度傳感器的分辨率稍低，并且只能實(shí)現(xiàn)Z軸重力加速度測(cè)量，無(wú)法實(shí)現(xiàn)
水平分量測(cè)量。
發(fā)明內(nèi)容
[0004] 針對(duì)
現(xiàn)有技術(shù)的
缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種微機(jī)電重力加速度傳感器，旨在解決傳統(tǒng)重力加速度傳感器制造成本高且制造周期長(zhǎng)的問(wèn)題，以及解決現(xiàn)有MEMS重力加速度傳感器分辨率較低且無(wú)法實(shí)現(xiàn)三分量重力測(cè)量的技術(shù)問(wèn)題。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種重力加速度傳感器，包括：彈簧
質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，位移傳感組件，上蓋板結(jié)構(gòu)以及下蓋板結(jié)構(gòu)；
[0006] 彈簧質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)包括：外
框架、檢驗(yàn)質(zhì)量以及彈簧結(jié)構(gòu)，檢驗(yàn)質(zhì)量通過(guò)彈簧結(jié)構(gòu)與外框架相連，所述檢驗(yàn)質(zhì)量在彈簧結(jié)構(gòu)的約束下受外界力的作用而運(yùn)動(dòng)；所述彈簧質(zhì)量塊四周的外框架與上蓋板結(jié)構(gòu)和下蓋板結(jié)構(gòu)固連封裝，用于實(shí)現(xiàn)位移傳感組件的安裝、所述位移傳感組件與外界的電氣連接，以及對(duì)彈簧質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的限位保護(hù)；所述位移傳感組件包括：驅(qū)動(dòng)周期陣列極板和拾取周期陣列極板，所述驅(qū)動(dòng)周期陣列極板和拾取周期陣列極板的位置交錯(cuò)相對(duì)，形成電容器，所述驅(qū)動(dòng)周期陣列極板和拾取周期陣列極板中的一個(gè)位于檢驗(yàn)質(zhì)量表面，另一個(gè)位于上蓋板結(jié)構(gòu)或下蓋板結(jié)構(gòu)表面；當(dāng)平行于驅(qū)動(dòng)周期陣列極板或拾取周期陣列極板方向的重力加速度分量發(fā)生變化時(shí)，所述檢驗(yàn)質(zhì)量運(yùn)動(dòng)使得所述電容器的相對(duì)極
板面積發(fā)生變化，通過(guò)檢測(cè)所述電容器電容的變化量確定該方向重力加速度分量的變化量，當(dāng)所述重力加速度傳感器在Z軸方向工作時(shí)，所述檢驗(yàn)質(zhì)量在重力作用下下垂位移為一個(gè)或多個(gè)陣列周期，所述陣列周期為所述驅(qū)動(dòng)周期陣列極板和拾取周期陣列極板周期性交錯(cuò)排布的最小單元；所述驅(qū)動(dòng)周期陣列極板比拾取周期陣列極板偏左和偏右各多出至少一個(gè)周期，或所述拾取周期陣列極板比驅(qū)動(dòng)周期陣列極板偏左和偏右各多出至少一個(gè)周期。
[0007] 其中，上述電容器也可稱為周期陣列電容器。
[0008] 可選地，所述重力加速度傳感器適用于X軸、Y軸以及Z軸方向的測(cè)量，其可測(cè)量的重力加速度最大變化量所對(duì)應(yīng)的電容器相對(duì)極板面積最大變化量為一個(gè)陣列周期。
[0009] 可選地，所述重力加速度傳感器在X軸、Y軸或Z軸方向的初始工作點(diǎn)的電容值相同。
[0010] 可選地，所述彈簧質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)所用材料可以為單晶
硅或者適宜微納加工的
半導(dǎo)體材料。
[0011] 可選地，所述驅(qū)動(dòng)周期陣列極板在一個(gè)陣列周期內(nèi)包括兩個(gè)驅(qū)動(dòng)極板，分別加以幅值相同
相位相反的驅(qū)動(dòng)
電壓；所述拾取周期陣列極板在一個(gè)陣列周期內(nèi)包括一個(gè)拾取極板；所述電容器在一個(gè)陣列周期內(nèi)形成差分雙端驅(qū)動(dòng)和單端拾取配置，在工作零點(diǎn)處拾取極板的中心和兩個(gè)驅(qū)動(dòng)極板的間距中點(diǎn)相對(duì)，此時(shí)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)極板與一個(gè)拾取極板所形成的差分電容值為零，即所述電容器的電容差值為零。
[0012] 可選地，所述陣列周期P為：
[0013] P＝(welec+wgap)*2＝g0/(N*(2*π*f0)2)
[0014] 其中，welec為一個(gè)驅(qū)動(dòng)極板寬度，wgap為相鄰驅(qū)動(dòng)極板間距，N為整數(shù)(N＝1,2,3…)，g0＝9.80665m/s2為重力加速度標(biāo)準(zhǔn)值，f0為重力加速度傳感器的本征
頻率。
[0015] 另外，陣列周期P也可以為一個(gè)拾取極板寬度和相鄰拾取極板間距之和。
[0016] 可選地，所述上蓋板結(jié)構(gòu)或下蓋板結(jié)構(gòu)的材料可以是硅或者玻璃。
[0017] 可選地，所述彈簧質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的本征諧振頻率很低，可以為1Hz-50Hz。
[0018] 可選地，所述重力加速度傳感器的分辨率很高，可以為1μGal-10μGal。
[0019] 可選地，當(dāng)所述電容器因?yàn)榧庸ふ`差或者封裝對(duì)準(zhǔn)誤差造成驅(qū)動(dòng)極板和拾取極板的工作零點(diǎn)位置出現(xiàn)偏差時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整電容傳感
電路中與所述電容器并聯(lián)的差分電容器的值來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償，使初始工作點(diǎn)的
輸出電壓為零。
[0020] 本發(fā)明所構(gòu)思的技術(shù)方案與現(xiàn)有的技術(shù)相比，具有以下有益效果：
[0021] (1)本發(fā)明提供的重力加速度傳感器其Z軸方向工作的彈簧質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)會(huì)受到重力加速度作用自然下垂，通過(guò)參數(shù)設(shè)計(jì)使得彈簧質(zhì)量塊的下垂量等于1個(gè)或多個(gè)電容陣列周期(陣列周期)，使得重力傳感器在Z軸方向可以正常工作。
[0022] (2)本發(fā)明通過(guò)對(duì)變面積周期陣列分布的電容位移傳感器的精確設(shè)計(jì)，重力傳感器在重力加速度作用下其初始下垂剛好位移至下一個(gè)工作點(diǎn)，重力傳感器的初始電容值相同，使得相同器件的整個(gè)系統(tǒng)可以自適應(yīng)三個(gè)軸的工作；避免了常規(guī)的梳齒
電極式電容位移傳感器只有一個(gè)初始工作點(diǎn)，在Z軸方向重力的作用下出現(xiàn)偏移量之后其工作的輸出值不同，需重新單獨(dú)設(shè)計(jì)的問(wèn)題。
[0023] (3)本發(fā)明用在三軸重力儀的制作中，可以很好的大批量加工一種結(jié)構(gòu)的重力加速度傳感器，其三個(gè)軸的一致性會(huì)顯著提高。
[0024] (4)本發(fā)明提供的方案并不會(huì)增加整個(gè)重力加速度傳感器的加工工藝，僅僅只在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化即可達(dá)到所需要求，易于實(shí)現(xiàn)，不會(huì)增大原本器件的制作難度。
[0025] (5)本發(fā)明能夠應(yīng)用于其他環(huán)境下的三軸重力儀中，通過(guò)調(diào)節(jié)彈簧
剛度與周期電容極板的間距實(shí)現(xiàn)相同的效果，例如火星上的重力儀系統(tǒng)，極大地增強(qiáng)了本方案的應(yīng)用范圍。
[0026] (6)本發(fā)明的周期陣列電容器因?yàn)榧庸ふ`差或者封裝對(duì)準(zhǔn)誤差造成驅(qū)動(dòng)極板和拾取極板的工作零點(diǎn)位置出現(xiàn)偏差時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整電容傳感電路中與周期陣列電容器并聯(lián)的差分電容器的值來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償，使初始工作點(diǎn)的輸出電壓為零。
附圖說(shuō)明
[0027] 圖1是本發(fā)明
實(shí)施例提供的重力加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的重力加速度傳感器結(jié)構(gòu)中的彈簧質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的重力加速度傳感器結(jié)構(gòu)中的下蓋板結(jié)構(gòu)，其中圖3a為俯視圖，圖3b為側(cè)視圖；
[0030] 圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的重力加速度傳感器結(jié)構(gòu)在X、Y軸的初始工作點(diǎn)狀態(tài)示意圖；
[0031] 圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的重力加速度傳感器結(jié)構(gòu)在Z軸的初始工作點(diǎn)狀態(tài)示意圖；
[0032] 在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來(lái)表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：1為上蓋板結(jié)構(gòu)，2為彈簧質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，3為位移傳感組件，4為下蓋板結(jié)構(gòu)，5為彈簧質(zhì)量塊外框架，6為檢驗(yàn)質(zhì)量，7為彈簧結(jié)構(gòu)，8為驅(qū)動(dòng)周期陣列極板，9為封裝點(diǎn)，10為引線焊盤，11為拾取周期陣列極板，12為X和Y軸工作模式下的工作點(diǎn)位置，13為Z軸工作模式下的工作點(diǎn)位置。
具體實(shí)施方式
[0033] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0034] 針對(duì)現(xiàn)有重力加速度傳感器的缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種利用同一結(jié)構(gòu)的重力傳感器自適應(yīng)X、Y、Z三個(gè)軸測(cè)量環(huán)境的方法，其目的在于實(shí)現(xiàn)Z軸方向上的重力傳感器克服重力加速度而產(chǎn)生一個(gè)初始下垂位移后其初始工作狀態(tài)一致，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高穩(wěn)定性的重力測(cè)量，同時(shí)使制作成本得到有效地限制。
[0035] 通過(guò)變面積周期陣列分布的電容位移傳感器結(jié)合高靈敏彈簧質(zhì)量塊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)重力傳感器在X、Y、Z軸的自適應(yīng)工作。
[0036] 根據(jù)敏感軸方向的區(qū)別，在具體使用過(guò)程中，X、Y軸方向上的重力傳感器工作點(diǎn)在加工后的原始工作位置，Z軸方向上的重力傳感器在重力加速度下彈簧質(zhì)量塊系統(tǒng)剛好下垂到下一個(gè)工作點(diǎn)，或者剛好下垂多個(gè)工作點(diǎn)間距。
[0037] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種重力傳感器，包括：彈簧質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，位移傳感組件，上蓋板結(jié)構(gòu)以及下蓋板結(jié)構(gòu)。
[0038] 彈簧質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)包括：外框架、檢驗(yàn)質(zhì)量以及彈簧結(jié)構(gòu)，檢驗(yàn)質(zhì)量通過(guò)彈簧結(jié)構(gòu)與外框架相連，檢驗(yàn)質(zhì)量在彈簧結(jié)構(gòu)的約束下受外界力的作用而運(yùn)動(dòng)；彈簧質(zhì)量塊四周的外框架與上蓋板結(jié)構(gòu)和下蓋板結(jié)構(gòu)固連封裝，用于實(shí)現(xiàn)位移傳感組件的安裝、彈簧質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)與外界的電氣連接，以及對(duì)彈簧質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的限位保護(hù)。
[0039] 位移傳感組件包括：驅(qū)動(dòng)周期陣列極板和拾取周期陣列極板，驅(qū)動(dòng)周期陣列極板和拾取周期陣列極板的位置交錯(cuò)相對(duì)，形成電容器，驅(qū)動(dòng)周期陣列極板和拾取周期陣列極板中的一個(gè)位于檢驗(yàn)質(zhì)量表面，另一個(gè)位于上蓋板結(jié)構(gòu)或下蓋板結(jié)構(gòu)表面。
[0040] 當(dāng)平行于驅(qū)動(dòng)周期陣列極板或拾取周期陣列極板方向的重力加速度分量發(fā)生變化時(shí)，檢驗(yàn)質(zhì)量運(yùn)動(dòng)使得電容器的相對(duì)極板面積發(fā)生變化，通過(guò)檢測(cè)電容器電容的變化量確定該方向重力加速度分量的變化量。利用電容器變面積方式檢測(cè)位移，實(shí)現(xiàn)高精度的位移檢測(cè)，進(jìn)一步通過(guò)檢測(cè)到的位移確定重力加速度的變化量。
[0041] 其中，驅(qū)動(dòng)周期陣列極板可以為正、負(fù)雙端驅(qū)動(dòng)極板分布，拾取周期陣列極板可以為單端拾取電容極板。正、負(fù)驅(qū)動(dòng)極板的長(zhǎng)度相同，拾取電容極板的長(zhǎng)度小于正、負(fù)驅(qū)動(dòng)極板的長(zhǎng)度之和。另外，驅(qū)動(dòng)周期陣列極板和拾取周期陣列極板的位置還可以互換。在初始工作點(diǎn)，拾取電容極板與正、負(fù)驅(qū)動(dòng)極板對(duì)稱排布，即正驅(qū)動(dòng)極板與拾取電容極板重合的面積等于負(fù)驅(qū)動(dòng)極板與拾取電容極板重合的面積。進(jìn)一步地，一個(gè)周期的正、負(fù)驅(qū)動(dòng)極板所占的長(zhǎng)度與一個(gè)周期的拾取電容極板所占長(zhǎng)度相同，即驅(qū)動(dòng)周期陣列極板的周期長(zhǎng)度與拾取周期陣列極板的周期長(zhǎng)度。
[0042] 更進(jìn)一步地，驅(qū)動(dòng)周期陣列極板和拾取周期陣列極板均是均勻分布的。
[0043] 具體地，重力傳感器需要在三個(gè)軸上均能正常工作，在X和Y軸方向工作的重力傳感器敏感軸方向與重力垂直，在Z軸方向上工作的重力傳感器敏感軸方向與重力平行，需要克服重力加速度的重力作用，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)初始下垂位移。
[0044] 更進(jìn)一步地，當(dāng)重力加速度傳感器在Z軸方向工作時(shí)，檢驗(yàn)質(zhì)量在重力作用下位移為一個(gè)或多個(gè)陣列周期，陣列周期為驅(qū)動(dòng)周期陣列極板和拾取周期陣列極板周期性交錯(cuò)排布的最小單元；驅(qū)動(dòng)周期陣列極板比拾取周期陣列極板偏左和偏右各多出至少一個(gè)周期，或驅(qū)動(dòng)周期陣列極板比拾取周期陣列極板偏左和偏右各多出至少一個(gè)周期。
[0045] 需要說(shuō)明的是，陣列周期具體可為一個(gè)正、負(fù)驅(qū)動(dòng)極板及其對(duì)應(yīng)的一個(gè)拾取電容極板所占的最小長(zhǎng)度。即陣列周期為驅(qū)動(dòng)或拾取周期陣列極板的周期長(zhǎng)度。
[0046] 具體地，通過(guò)驅(qū)動(dòng)周期陣列極板比拾取周期陣列極板偏左和偏右各多出至少一個(gè)周期，或拾取周期陣列極板比驅(qū)動(dòng)周期陣列極板偏左和偏右各多出至少一個(gè)周期。使得當(dāng)傳感器在Z軸工作時(shí)，其在重力的作用下位移一個(gè)陣列極板周期相當(dāng)于驅(qū)動(dòng)周期陣列極板向左或者向右偏移一個(gè)周期。若驅(qū)動(dòng)周期陣列極板偏移前重力傳感器保持在初始工作點(diǎn)，那么當(dāng)驅(qū)動(dòng)周期陣列極板偏移一個(gè)或多個(gè)陣列極板周期，則拾取電容極板與正、負(fù)驅(qū)動(dòng)極板又呈對(duì)稱排布，即相當(dāng)于重力傳感器又保持在了初始工作點(diǎn)。
[0047] 其中，這里的初始工作點(diǎn)也可以看做工作零點(diǎn)，即在重力傳感器的初始工作狀態(tài)，電容器的差分電容值保持為零。
[0048] 具體地，可根據(jù)Z軸方向的重力加速度及重力傳感器的相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)陣列周期：
[0049] 陣列周期P為：
[0050] P＝(welec+wgap)*2＝g0/(N*(2*π*f0)2)
[0051] 其中，welec為一個(gè)驅(qū)動(dòng)極板寬度，wgap為相鄰驅(qū)動(dòng)極板間距，N為整數(shù)(N＝1,2,3…)，g0＝9.80665m/s2為重力加速度標(biāo)準(zhǔn)值，f0為重力加速度傳感器的本征頻率。g0/(2*π*f0)2為質(zhì)量塊在重力加速度作用下的自然下垂量。
[0052] 更進(jìn)一步地，在一個(gè)具體的實(shí)施例中，重力加速度傳感器在X軸和Y軸方向工作時(shí)其正對(duì)電容極板工作在第i組陣列，若重力加速度傳感器的檢驗(yàn)質(zhì)量在Z軸方向工作時(shí)在重力作用下位移為15μm，此時(shí)，設(shè)計(jì)該重力加速度傳感器的陣列周期為15μm，或者為15/Nμm，則檢驗(yàn)質(zhì)量恰好移動(dòng)一個(gè)或多個(gè)陣列周期，工作在第i+N組陣列。
[0053] 更進(jìn)一步地，重力傳感器可以實(shí)現(xiàn)一次設(shè)計(jì)，在三個(gè)方向軸上均能獲得相同的初始電容值，無(wú)需調(diào)節(jié)即可穩(wěn)定工作，并不需要對(duì)Z軸方向的結(jié)構(gòu)進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)。
[0054] 工作中，重力傳感器受到的重力與彈簧形變產(chǎn)生的彈力達(dá)到平衡，檢驗(yàn)質(zhì)量處于某一個(gè)平衡位置；重力傳感器所處環(huán)境的重力加速度發(fā)生變化時(shí)，彈簧形變會(huì)隨之變化使彈簧產(chǎn)生的彈力與重力平衡，使檢驗(yàn)質(zhì)量發(fā)生位移達(dá)到一個(gè)新的平衡位置。位移傳感結(jié)構(gòu)將檢驗(yàn)質(zhì)量的這一位移轉(zhuǎn)化為變化的電容值，位移檢測(cè)電路通過(guò)檢測(cè)這一電容的變化得到檢驗(yàn)質(zhì)量的位移進(jìn)而檢測(cè)到重力加速度的變化。
[0055] 通過(guò)合理的設(shè)計(jì)彈簧質(zhì)量塊系統(tǒng)和變面積周期陣列分布的電容位移傳感器，由于X、Y軸重力傳感器敏感軸與重力加速度方向垂直，不會(huì)在敏感軸方向產(chǎn)生位移，其工作點(diǎn)位置即為加工后的初始位置(與第i組電容極板正對(duì))；Z軸重力傳感器敏感軸與重力加速度平行，會(huì)在敏感軸方向產(chǎn)生一個(gè)初始下垂位移，使初始下垂位移等于一個(gè)或多個(gè)陣列周期，其工作點(diǎn)位置移動(dòng)到其他工作點(diǎn)(與第i+N組電容極板正對(duì))；兩種狀態(tài)下，其重力傳感器所輸出的初始電容值保持一致，故能夠使同一器件自適應(yīng)不同環(huán)境的測(cè)量要求。
[0056] 在本發(fā)明實(shí)施例中，彈簧質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)中檢驗(yàn)質(zhì)量通過(guò)彈簧與外框相連，彈簧關(guān)于檢驗(yàn)質(zhì)量對(duì)稱設(shè)置。
[0057] 在本發(fā)明實(shí)施例中，彈簧質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)中彈簧的彈性系數(shù)因影響重力加速度傳感器的本征頻率故需要特別設(shè)計(jì)考慮，使得重力傳感器在Z軸方向工作時(shí)，質(zhì)量塊的初始下垂位移剛好等于一個(gè)或多個(gè)陣列周期，使得重力傳感器在X、Y、Z三個(gè)軸均能正常工作。
[0058] 在本發(fā)明實(shí)施例中，彈簧質(zhì)量塊的材料可以為但不僅限于
單晶硅或適宜微納加工的半導(dǎo)體材料等。
[0059] 為了更進(jìn)一步的說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例提供的重力傳感器，現(xiàn)結(jié)合附圖以及具體實(shí)例詳述如下：
[0060] 本發(fā)明實(shí)施例提供了一種重力傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示；重力傳感器包括上蓋板結(jié)構(gòu)1，彈簧質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)2，位移傳感組件3，下蓋板結(jié)構(gòu)4；上蓋板結(jié)構(gòu)1和下蓋板結(jié)構(gòu)4與彈簧質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)2通過(guò)某一方式固連在一起形成如圖1所示的“三明治”結(jié)構(gòu)。
[0061] 上述彈簧質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)2結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，所述彈簧質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)2包括：外框架5、檢驗(yàn)質(zhì)量6、彈簧結(jié)構(gòu)7，檢驗(yàn)質(zhì)量6通過(guò)彈簧結(jié)構(gòu)7與外框架5相連；所述外框架5通過(guò)某一方式與上蓋板結(jié)構(gòu)1和下蓋板結(jié)構(gòu)4的固連封裝，實(shí)現(xiàn)彈簧質(zhì)量塊系統(tǒng)的Z方向的限位保護(hù)。
[0062] 上述位移傳感器組件3結(jié)構(gòu)示意圖如圖2和圖3a、圖3b所示，所述位移傳感組件3包括彈簧質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)2的檢驗(yàn)質(zhì)量6表面的驅(qū)動(dòng)周期陣列極板8、上蓋板結(jié)構(gòu)1表面的拾取周期陣列極板11、引線焊盤10和封裝點(diǎn)9，通過(guò)封裝工藝，利用正對(duì)電容的變面積方式檢測(cè)位移，實(shí)現(xiàn)高精度的位移檢測(cè)。
[0063] 重力傳感器需要在三個(gè)軸上均能正常工作，X、Y軸重力傳感器敏感軸與重力加速度方向垂直，不會(huì)在敏感軸方向產(chǎn)生位移，其工作點(diǎn)位置即為加工后的初始位置(與第i組電容極板正對(duì))；Z軸重力傳感器敏感軸與重力加速度平行，會(huì)在敏感軸方向產(chǎn)生一個(gè)初始下垂位移，使初始下垂位移等于一個(gè)周期電容陣列的寬度，其工作點(diǎn)位置移動(dòng)到其他工作點(diǎn)(與第i+N組電容極板正對(duì))；兩種狀態(tài)下，其重力傳感器所輸出的初始電容值保持一致，故能夠使同一器件自適應(yīng)不同環(huán)境的測(cè)量要求。
[0064] 重力加速度傳感器的周期陣列電容器因?yàn)榧庸ふ`差或者封裝對(duì)準(zhǔn)誤差造成在質(zhì)量塊受重力自然下垂后驅(qū)動(dòng)極板和拾取極板的工作零點(diǎn)位置出現(xiàn)偏差時(shí)，即初始工作點(diǎn)的輸出電壓不為零時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整電容傳感電路中與周期陣列電容器并聯(lián)的差分電容器的值來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償，使初始工作點(diǎn)的輸出電壓為零。
[0065] 本發(fā)明實(shí)施例提供了X、Y和Z軸工作模式下的不同工作狀態(tài)如圖4、5所示；重力傳感器在X和Y軸工作時(shí)如圖4所示，其工作點(diǎn)位置12在重力傳感器加工后的初始中心位置，重力傳感器在Z軸工作時(shí)如圖5所示，其工作點(diǎn)位置13在重力傳感器加工后的受到一個(gè)重力加速度的初始下垂位移，即為下一個(gè)中心工作點(diǎn)位置。
[0066] 本發(fā)明通過(guò)設(shè)計(jì)陣列周期參數(shù)可在1g重力下
感知全量程范圍為1mg的重力加速度變化量；本發(fā)明通過(guò)超低頻(本征頻率1Hz-50Hz)重力敏感單元和高靈敏度電容位移傳感器使得重力加速度測(cè)量精度為1μGal-10μGal；本發(fā)明提供的重力加速度傳感器通過(guò)設(shè)置差分變面積式周期陣列傳感器的不同周期的工作點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)同一傳感器可作為X、Y及Z任意方向的重力加速度測(cè)量。
[0067] 本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何
修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
