一种基于模态局部化效应的三自由度弱耦合谐振式加速度计制造技术

本发明专利技术公开了一种基于模态局部化原理的微型谐振式加速度计，属于微机电系统(MEMS)领域。加速度计包括两个完全相同的可动质量块和三个通过机械耦合梁连接在一起的谐振器。本发明专利技术使用了三自由度的弱耦合谐振器，进一步增大了谐振器的灵敏度，从而增大了加速度计的灵敏度；每一个谐振器的内外两侧都设计有电容器极板，可实现对于单谐振器的振幅实现差分检测，不仅可以增强信号的强度还消除由驱动电极与检测电极之间存在的电势差引起的馈通电容信号干扰，可以大幅提升测量信号的稳定性与准确度；增加了刚度调节电极，实现了对工作点的灵活选取和线性工作范围的调整。

A three degree of freedom weakly coupled resonant accelerometer based on modal localization effect

The invention discloses a miniature resonant accelerometer based on the principle of modal localization, which belongs to the field of microelectromechanical system (MEMS). The accelerometer consists of two identical movable mass blocks and three resonators connected together by a mechanical coupling beam. The invention uses a weak coupling with three degrees of freedom of the resonator, the resonator to further increase the sensitivity, thereby increasing the sensitivity of the accelerometer; each resonator on both sides are designed with capacitor plates, can realize the amplitude of the single resonator to achieve differential detection, not only can enhance the signal strength of the potential to eliminate the cause of existence between the driving electrode and the detecting electrode feedthrough capacitance signal interference, can greatly improve the reliability of signal measurement and accuracy; increase the stiffness adjustment electrode to achieve a flexible selection of the working point and linear range adjustment.

【技术实现步骤摘要】
一种基于模态局部化效应的三自由度弱耦合谐振式加速度计所属领域：本专利技术涉及了一种加速度传感器，特别是涉及一种基于模态局部化效应的微型谐振式加速度计，属于传感器

技术介绍
：加速度计是一种用来测量载体加速度的仪表，是惯性导航系统的基本核心元器件，其在航空航天、汽车工业、消费电子、工程机械等领域有着重要的应用价值。MEMS加速度计凭借其体积小、重量轻、成本低和易于批量生产等众多优点，现已成为加速度计的主要发展方向。大多数MEMS加速度计的工作原理是基于牛顿第二定律，利用可动质量块产生惯性力，通过静电、压阻、压电或谐振等传感机理，将惯性力转换为电压、电流或频率变化等参量输出，从而实现对加速度的测量。常见的MEMS谐振式加速度计的工作原理是由敏感质量块在惯性力的作用下产生位移，对与之直接或间接接触的谐振器产生轴向压力或静电力，从而改变谐振器谐振梁的有效刚度，使得谐振器的谐振频率发生变化，通过检测谐振频率的变化测得加速度。近年来，一种新型的基于模态局部化效应的传感机理在MEMS谐振式传感器领域开始出现。其与传统谐振式传感器的主要区别是，这类传感器不以谐振频率作为输出，而是采用两个耦合谐振器的振幅比作为传感器的输出。该敏感机理在质量传感器、静电计等传感器上得到了应用，可以将谐振式传感器的灵敏度显著提升2-3个数量级。2016年4月常洪龙等发表在JournalofMicroelectromechanicalSystems上名为“Anaccelerationsensingmethodbasedonthemodelocalizationofweaklycoupledresonators”的论文，展示了世界上第一个基于模态局部化原理的加速度计。该加速度计采用振幅比输出，其灵敏度相较于频率输出灵敏度提高了约302倍。但是该加速度计在结构设计方面还存在很多有待提高的方面。例如，对于单谐振器未采用差分检测方式，导致测试时的输出信号会受到谐振器驱动电极与检测电极之间存在的馈通电容信号干扰，大大降低了有效信号幅值；该加速度计的弱耦合谐振器由双端固定音叉结构组成，并同时从谐振器的外侧两端进行驱动，这样的设计使该谐振器结构拥有四个工作模态，这给工作模态的选择和闭环电路的设计带来了极大的困难；由于加工误差给两个弱耦合谐振器造成的结构不匹配，使得加速度计的初始工作点无法确定，并且工作点与线性测量范围难以灵活调节。更重要的是，该加速度计的核心敏感结构是一个二自由度弱耦合谐振器，其模态局部化程度有限，限制了加速度计精度的进一步提高。
技术实现思路
：本专利技术的目的是：提供一种基于三自由度弱耦合谐振器的模态局部化加速度计，进一步增强灵敏度、实现馈通信号的自消除、实现谐振器有效刚度的调节和工作点的灵活选取等。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提出了一种新的基于模态局部化效应的三自由度弱耦合谐振式加速度计。在该加速度计中，两个完全相同的敏感质量块，即质量块一301和质量块二302左右对称放置；两根支撑质量块一的弹性支撑梁307将所述质量块一301支撑于其两侧的第一固定锚点303上，两根支撑质量块二的弹性支撑梁306将所述质量块二302支撑于其两侧的第二固定锚304上，使得所述质量块一301和质量块二302只在该加速度计的敏感方向、即左右方向运动；所述质量块301和质量块302的中间是该加速度计的核心结构——三自由度弱耦合谐振器，其包含的主要部件谐振器一308、谐振器二309和谐振器三310，谐振器一308与谐振器三310关于谐振器二309的中心左右对称，谐振器一308、谐振器二309和谐振器三310由机械耦合梁307连接从而实现弱耦合，与第一质量块301相连接的质量块一的静电力施加电容极板408和与谐振器一308相连接的电容器外极板形成了对谐振器一308施加静电负刚度的第一载荷施加电容311，与第二质量块302相连接的电容器极板409和与谐振器三310相连接的电容器外极板形成了对谐振器三310施加静电负刚度的第二载荷施加电容312。本专利技术的有益效果：该加速度计包括了两个完全相同的可动质量块和一个通过机械耦合梁连接在一起的三自由度弱耦合谐振器。相较于先前的结构，本专利技术使用了三自由度弱耦合谐振器的设计，进一步减小了外侧两个作为输出谐振器的耦合，加强了模态局部化的程度，从而进一步增大了谐振器的灵敏度；采用了单谐振梁的设计，使得该谐振器的工作模态从四个减少为两个，大大减小了模态干扰；每一个谐振器的内外两侧都设计有电容器极板，可实现从两侧同时对同一个谐振器的振幅进行检测，从而对于单谐振器的振幅实现差分检测，这种检测方法不仅可以增强信号的强度，更重要的是可以消除由驱动电极与检测电极之间存在的电势差引起的馈通电容信号干扰，可以大幅提升测量信号的稳定性与准确度；增加了刚度调节电极，通过静电负刚度效应来调节谐振器的有效刚度，从而实现了对工作点的灵活选取和线性工作范围的调整。附图说明：图1是三自由度谐振系统简化模型示意图。图2是加速度计频率响应曲线与灵敏度曲线：图2-(a)为无加速度输入时的传感器输入输出特性曲线；图2-(b)为有1g加速度输入时的传感器输入输出特性曲线；图2-(c)为在±1g加速度输入范围内的谐振频率与振幅比灵敏度曲线。图3是本专利技术所设计加速度计总体结构示意图。图4是图3中所示加速度计的核心部分弱耦合谐振器结构图。图中，101为谐振器一等效，102谐振器二等效，103为谐振器三等效，104为谐振器一的刚度模型，105为谐振器二的刚度模型，106为谐振器二的刚度模型，107为谐振器一的质量模型，108为谐振器二的质量模型，109为谐振器三的质量模型，110为连接谐振器一101和谐振器二102的机械耦合梁的刚度模型，111为连接谐振器二102和谐振器三103的机械耦合梁的刚度模型；301为质量块一，302质量块二，303为质量块一301的固定锚点，304为质量块二302的固定锚点，305为支撑质量块一301的弹性支撑梁，306为支撑质量块二302的弹性支撑梁，307为机械耦合梁，308为谐振器一，309为谐振器二，310为谐振器三；311为第一载荷施加电容，312为第二载荷施加电容；401为固定的直流驱动电极，402为谐振器一的外侧检测电极，403为谐振器二的外侧检测电极，404为谐振器一的内侧检测电极，405为谐振器二的内侧检测电极，406为谐振器一的交流驱动电极，407为谐振器二的交流驱动电极，408为质量块一的静电力施加电容极板，409为质量块三的静电力施加电容极板，410为谐振器一的静电刚度调节电极，411分别为谐振器三的静电刚度调节电极。具体实施方式：在详细介绍本专利技术之前，先介绍本专利技术涉及的基于弱耦合谐振系统的模态局部化原理，和将该传感机理应用于加速度检测领域的理论基础。图1是一个三自由度谐振系统简化弹簧-质量模型示意图，该三自由度谐振系统由谐振器一等效101、谐振器二等效102和谐振器三等效103还有和耦合梁及固定锚点组成。本专利技术所设计的三自由度弱耦合谐振器中，谐振器一等效101和谐振器三等效103是完全对称的，在图1中，用弹簧作为机械耦合梁的刚度模型110和111来等效表示耦合梁的刚度kc，其质量忽略不计；用弹簧作为谐振器一的刚度模型1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于模态局部化效应的三自由度弱耦合谐振式加速度计，其特征在于，两个完全相同的敏感质量块，即质量块一301和质量块二302左右对称放置；两根支撑质量块一的弹性支撑梁307将所述质量块一301支撑于其两侧的第一固定锚点303上，两根支撑质量块二的弹性支撑梁306将所述质量块二302支撑于其两侧的第二固定锚304上，使得所述质量块一301和质量块二302只在该加速度计的敏感方向、即左右方向运动；所述质量块301和质量块302的中间是该加速度计的核心结构——三自由度弱耦合谐振器，其包含的主要部件谐振器一308、谐振器二309和谐振器三310，谐振器一308与谐振器三310关于谐振器二309的中心左右对称，谐振器一308、谐振器二309和谐振器三310由机械耦合梁307连接从而实现弱耦合，与第一质量块301相连接的质量块一的静电力施加电容极板408和与谐振器一308相连接的电容器外极板形成了对谐振器一308施加静电负刚度的第一载荷施加电容311，与第二质量块302相连接的电容器极板409和与谐振器三310相连接的电容器外极板形成了对谐振器三310施加静电负刚度的第二载荷施加电容312。

【技术特征摘要】
1.一种基于模态局部化效应的三自由度弱耦合谐振式加速度计，其特征在于，两个完全相同的敏感质量块，即质量块一301和质量块二302左右对称放置；两根支撑质量块一的弹性支撑梁307将所述质量块一301支撑于其两侧的第一固定锚点303上，两根支撑质量块二的弹性支撑梁306将所述质量块二302支撑于其两侧的第二固定锚304上，使得所述质量块一301和质量块二302只在该加速度计的敏感方向、即左右方向运动；所述质量块301和质量块302的中间是该加速度计的核心结构——三自由度弱耦合谐振器，其包含的主要部...

【专利技术属性】
技术研发人员：常洪龙，康昊，杨晶，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61