两级杠杆放大的谐振式仿生毛发流速、加速度微传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于两级杠杆放大原理的谐振式仿生毛发流速、加速度微传感器，包括上层毛发结构，中层硅微传感器结构和下层玻璃衬底。本发明专利技术上层毛发采用微加工工艺直接加工或者采用微组装工艺粘合在中层硅微传感器结构上；中层硅微传感器结构通过锚点键合在下层玻璃衬底上；下层玻璃衬底设有键合点、电极和信号引线。中层硅微传感器结构包含两级杠杆力放大机构，当有X轴方向外界流速或加速度输入时，外界流速作用于毛发所产生的拖曳力或加速度产生的惯性力经过放大，分别反相作用在两个双端固定音叉谐振器上，从而实现信号差分检测，且输出信号为频率数字信号，有利于电路的数字化。本发明专利技术结构对称布置，测量精度高，抗干扰能力强，性能可靠。

Resonance type bionic hair velocity and acceleration micro sensor amplified by two lever lever

The invention discloses a resonant bionic hair flow velocity and acceleration microsensor based on the two level lever amplification principle, comprising an upper layer hair structure, a middle silicon micro sensor structure and a lower glass substrate. The invention adopts the upper hair micro machining process directly or by using the micro assembly technology of adhesion in the middle of silicon micro sensor structure; middle silicon micro sensor structure on the lower glass substrate by anchor bond; lower glass substrate is bonded, and a signal lead electrode. The middle silicon micro sensor structure contains two lever force amplifying mechanism, when the X axis direction of external flow velocity or acceleration, inertial force of external velocity acting on the hair produced by the drag force or acceleration produced by inverting amplifier, respectively in the two DETF resonators, so as to realize the differential detection. And the output signal into the frequency digital signal, the digital circuit is conducive to. The invention has a symmetrical arrangement, high measurement precision, strong anti-interference ability and reliable performance.

【技术实现步骤摘要】
两级杠杆放大的谐振式仿生毛发流速、加速度微传感器
本专利技术涉及微机电系统和微惯性器件测量领域，特别是涉及两级杠杆放大的谐振式仿生毛发流速、加速度微传感器。
技术介绍
仿生毛发微传感器是一种新型的MEMS传感器。毛发式传感器通过模仿自然界生物毛发的结构，通过仿生学原理，能实现对流速，加速度，温度等多种物理量的检测，是一种具有极大发展潜力的仿生传感器。毛发传感器具有较大的表面积与体积比，能与外界环境有效作用；毛发结构和材料易于修改，能提供多种机械性能；另外，毛发传感器也具有体积小，灵敏度高，动态范围大，抗干扰能力强等优点。近年来,国内外有多家机构对仿生毛发微传感器进行了研究。例如密歇根大学安娜堡分校的Najafi教授的研究团队2012年研制了一种基于液压放大的仿生毛发传感器。该传感器创新地采用了一种微型液压结构，通过竖立在上层薄膜上的毛发结构来敏感外部流速。传感器采用电容敏感结构，通过检测由于毛发受力导致薄膜形变引起的电容的容值变化来实现对外部输入的敏感。但是，目前大部分机构研发的毛发传感器是流速传感器，只能实现对流速的测量，功能单一,并且现有的流速传感器测量精度不高，实用性较差。
技术实现思路
为了解决上述存在的问题，本专利技术提供一种基于两级杠杆放大原理的谐振式仿生毛发流速、加速度微传感器。通过检测传感器内部谐振器的谐振频率变化实现对流速和加速度的敏感。传感器结构对称布置，采用信号差分检测，频率数字信号输出，具有灵敏度高、动态范围大、抗共模干扰能力强的优点，为达此目的，本专利技术提供两级杠杆放大的谐振式仿生毛发流速、加速度微传感器，包括上层毛发结构，中层硅微传感器结构以及下层玻璃衬底和信号引线，所述上层毛发结构底部固定在中层硅微传感器结构上，所述中层硅微传感器结构键合在下层玻璃衬底上，所述中层硅微传感器结构具体由底座质量块，旋转中心，四组摆动抑制结构，两个杠杆机构，两个双端固定音叉谐振器子结构组成，毛发位于底座质量块上端平面处，旋转中心位于底座质量块下端底部，四组摆动抑制结构分别布置在底座质量块右上，左上，左下，右下四个顶点处，所述底座质量块内部放置左右对称的两个杠杆机构及两个双端固定音叉谐振器子结构，所述底座质量块下端设置一根底座输出端短直梁，所述底座质量块通过底座输出端短直梁与两个杠杆机构相连，两个杠杆机构分别与两个双端固定音叉谐振器子结构相连，所述中层硅微传感器结构包含两级杠杆力放大机构，所述上层毛发，底座质量块，旋转中心和底座输出端短直梁构成第一级杠杆力放大机构，两个杠杆机构为第二级杠杆力放大机构，两个双端固定音叉谐振器子结构在受到两级杠杆力放大机构放大的力之后，其谐振器固有频率发生改变。进一步的，所述上层毛发结构通过加工工艺直接加工或采用组装工艺粘合在硅微传感器结构上。进一步的，所述旋转中心由八根L型弹性梁和中心锚点组成。所述L型弹性梁的一端与底座质量块相连，另一端与中心锚点相连，所述四组摆动抑制结构布置在底座质量块右上，左上，左下，右下四个顶点处，四组摆动抑制结构分别为第一摆动抑制结构、第二摆动抑制结构、第三摆动抑制结构和第四摆动抑制结构，所述摆动抑制结构由两根U型摆动抑制弹性梁和一个固定锚点组成，U型摆动抑制弹性梁的一端与底座质量块相连，另一端与固定锚点相连。进一步的，所述中层硅微传感器结构底座质量块内部放置左右对称的两个杠杆机构，两个杠杆机构分别为第一杠杆机构和第二杠杆机构，所述杠杆机构包括杠杆主体横梁，输入端直梁，支点锚点和两个短直梁分别为短直梁一和短直梁二，所述杠杆主体横梁通过输入端直梁和底座输出端短直梁连接；通过短直梁一与固定在玻璃衬底上的支点锚点相连，通过短直梁二与输出端双端固定音叉谐振器的一端直梁相连接。进一步的，所述中层硅微传感器结构底座质量块内部放置左右对称的两个双端固定音叉谐振器子结构，且两个双端固定音叉谐振器子结构分别与两个杠杆机构相连，两个双端固定音叉谐振器子结构分别为第一双端固定音叉谐振器子结构和第二双端固定音叉谐振器子结构，所述双端固定音叉谐振器子结构由两根平行的音叉谐振梁，两根连接音叉谐振梁的直梁，梳齿架一，梳齿架二，活动梳齿，短直梁，固定梳齿和固定锚点构成，两个梳齿架分别设于两根音叉梁的外侧，所述活动梳齿设于两个梳齿架上，并且在梳齿架两侧对称间隔分布，所述固定梳齿包括3个驱动固定梳齿和3个驱动反馈固定梳齿，3个驱动固定梳齿分别通过对应固定锚点键合在玻璃衬底上，且在梳齿架一外侧、梳齿架二内侧与活动梳齿对插，形成驱动机构，3个驱动反馈固定梳齿分别通过对应固定锚点键合在玻璃衬底上，且在梳齿架一内侧、梳齿架二外侧与活动梳齿对插，组成驱动反馈机构，所述短直梁连接直梁和对应固定锚点。进一步的，所述玻璃衬底包括电极，硅-玻璃键合点和信号引线，所述电极包括公共地电极，载波输入电极，驱动输入电极，驱动反馈输出电极，所述硅-玻璃键合点通过信号引线与对应电极相连接。进一步的，所述双端固定音叉谐振器的驱动和驱动反馈结构分别采用梳齿式电容驱动和梳齿式电容检测方式。进一步的，当毛发受到X轴加速度或者外界流体作用时，毛发带动底座质量块绕着旋转中心和Y轴轴线偏转一定角度。第一级杠杆力放大机构的输出端的转动力矩作用在第二级杠杆力放大机构的输入端，第二级杠杆力放大机构的输出端接双端固定音叉谐振器的直梁。毛发受到X轴方向的外界加速度作用所产生的惯性力或者受到外界流速作用所产生的拖曳力经过两级杠杆力放大机构的放大后，作用在双端固定音叉谐振器轴向方向。双端固定音叉谐振器受到轴向外力作用时，其固有频率发生变化。当其受到的外力越大时，固有频率相应变化越大。进一步的，当毛发受到X轴加速度或者外界流体作用时，双端固定音叉谐振器固有谐振频率发生改变。通过在驱动梳齿所连接的固定电极上施加带有直流偏置的交流驱动电压，双端固定音叉谐振器的两根谐振梁将沿Y轴做简谐振动。通过驱动反馈梳齿的固定电极测量谐振梁当前的振动频率和幅值信号，并反馈给控制系统，实现传感器的闭环控制，实现谐振梁固有频率的测量，并由此实现对外界加速度和流速的敏感。进一步的，通过将已进行密封封装处理的传感器和未进行密封封装处理的传感器集成为传感器阵列。已进行密封封装处理的传感器只受到加速度的影响，未进行密封封装处理的传感器同时受到加速度和外界流速的影响，由此可以实现对流速和加速度的区分检测。本专利技术有益效果如下：(1)该谐振式仿生毛发流速、加速度微传感器输出信号为频率数字信号，有利于外部控制电路数字化，具有灵敏度高、动态范围大、抗干扰能力强的优点。(2)通过采用第一级杠杆力放大机构和第二级杠杆力放大机构实现对外界加速度产生的惯性力和流体作用力的放大作用，提高了传感器信号检测灵敏度。(3)旋转中心L型弹性梁将传感器底座质量块固定于中心锚点上，并悬于底座上方。在旋转运动的切线方向上，弹性梁的刚度较低，底座质量块得以顺利地实现旋转从而实现第一级杠杆力放大。(4)在传感器底座质量块的四周顶点处布置四组摆动抑制弹性梁。摆动抑制弹性梁采用U型摆动抑制弹性梁，其在X轴方向刚度较小，对传感器结构的旋转动作影响轻微，但在Z轴方向刚度很大，可以有效抑制传感器在Z轴方向上的摆动运动。(5)采用两个完全相同的双端固定音叉谐振器实现差分检测。外界输入信号作用时，一侧谐振器的固有谐本文档来自技高网...

【技术保护点】
两级杠杆放大的谐振式仿生毛发流速、加速度微传感器，包括上层毛发结构，中层硅微传感器结构以及下层玻璃衬底和信号引线，其特征在于：所述上层毛发结构底部固定在中层硅微传感器结构上，所述中层硅微传感器结构键合在下层玻璃衬底上，所述中层硅微传感器结构具体由底座质量块，旋转中心，四组摆动抑制结构，两个杠杆机构，两个双端固定音叉谐振器子结构组成，毛发位于底座质量块上端平面处，旋转中心位于底座质量块下端底部，四组摆动抑制结构分别布置在底座质量块右上，左上，左下，右下四个顶点处，所述底座质量块内部放置左右对称的两个杠杆机构及两个双端固定音叉谐振器子结构，所述底座质量块下端设置一根底座输出端短直梁，所述底座质量块通过底座输出端短直梁与两个杠杆机构相连，两个杠杆机构分别与两个双端固定音叉谐振器子结构相连，所述中层硅微传感器结构包含两级杠杆力放大机构，所述上层毛发，底座质量块，旋转中心和底座输出端短直梁构成第一级杠杆力放大机构，两个杠杆机构为第二级杠杆力放大机构，两个双端固定音叉谐振器子结构在受到两级杠杆力放大机构放大的力之后，其谐振器固有频率发生改变。

【技术特征摘要】
1.两级杠杆放大的谐振式仿生毛发流速、加速度微传感器，包括上层毛发结构，中层硅微传感器结构以及下层玻璃衬底和信号引线，其特征在于：所述上层毛发结构底部固定在中层硅微传感器结构上，所述中层硅微传感器结构键合在下层玻璃衬底上，所述中层硅微传感器结构具体由底座质量块，旋转中心，四组摆动抑制结构，两个杠杆机构，两个双端固定音叉谐振器子结构组成，毛发位于底座质量块上端平面处，旋转中心位于底座质量块下端底部，四组摆动抑制结构分别布置在底座质量块右上，左上，左下，右下四个顶点处，所述底座质量块内部放置左右对称的两个杠杆机构及两个双端固定音叉谐振器子结构，所述底座质量块下端设置一根底座输出端短直梁，所述底座质量块通过底座输出端短直梁与两个杠杆机构相连，两个杠杆机构分别与两个双端固定音叉谐振器子结构相连，所述中层硅微传感器结构包含两级杠杆力放大机构，所述上层毛发，底座质量块，旋转中心和底座输出端短直梁构成第一级杠杆力放大机构，两个杠杆机构为第二级杠杆力放大机构，两个双端固定音叉谐振器子结构在受到两级杠杆力放大机构放大的力之后，其谐振器固有频率发生改变。2.根据权利要求1所述的两级杠杆放大的谐振式仿生毛发流速、加速度微传感器，其特征在于：所述上层毛发结构通过加工工艺直接加工或采用组装工艺粘合在硅微传感器结构上。3.根据权利要求1所述的两级杠杆放大的谐振式仿生毛发流速、加速度微传感器，其特征在于：所述旋转中心由八根L型弹性梁和中心锚点组成,所述L型弹性梁的一端与底座质量块相连，另一端与中心锚点相连，所述四组摆动抑制结构布置在底座质量块右上，左上，左下，右下四个顶点处，四组摆动抑制结构分别为第一摆动抑制结构、第二摆动抑制结构、第三摆动抑制结构和第四摆动抑制结构，所述摆动抑制结构由两根U型摆动抑制弹性梁和一个固定锚点组成，U型摆动抑制弹性梁的一端与底座质量块相连，另一端与固定锚点相连。4.根据权利要求1所述的两级杠杆放大的谐振式仿生毛发流速、加速度微传感器，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨波，陆城富，王斌龙，郭鑫，胡迪，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32