弱耦合式MEMS加速度传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种弱耦合式MEMS加速度传感器，包括N个锚点，用于提供锚固连接点；敏感质量块；M个支撑结构，与M个锚点连接，用于支撑敏感质量块；第一谐振器，包括第一谐振梁、第一驱动电极和第一检测电极，第一谐振梁一端通过杠杆结构与敏感质量块连接，第一驱动电极用于给第一谐振梁激振，第一检测电极用于检测第一谐振梁的振幅；第二谐振器，包括第二谐振梁、第二驱动电极和第二检测电极，第二谐振梁的一端与一个锚点连接，第二谐振梁的另一端通过耦合结构与第一谐振梁的另一端连接，第二驱动电极用于给第二谐振梁激振，第二检测电极用于检测第二谐振梁的振幅；第一谐振器的质量小于第二谐振器的质量，第一谐振器与第二谐振器的本征频率相等。

【技术实现步骤摘要】
弱耦合式MEMS加速度传感器
本公开涉及加速度测量
，尤其涉及一种弱耦合式MEMS加速度传感器。
技术介绍
微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystem，简称MEMS)加速度传感器具有重量轻、体积小、功耗低、可靠性高、灵敏度高、易于集成等优势，广泛运用于能源探勘、汽车电子、各种消费电子等领域。常见的MEMS加速度传感器按敏感原理的不同可以分为:压阻式、压电式、隧道效应式、电容式以及谐振式等。弱耦合式MEMS加速度传感器测量原理是基于谐振器之间的模态局域化效应，通过检测谐振结构振动幅度的比值(简称幅值比)变化获得加速度。相比以其他类型的加速度传感器，弱耦合式MEMS加速度传感器具有灵敏度高，并且输出信号为比值，具有很高的抗干扰能力和稳定性。弱耦合式MEMS加速度传感器的工作机制为加速度—惯性力—刚度—谐振频率/幅值比，现有技术中典型结构如图1所示，包括敏感质量块结构及其支撑结构，杠杆结构、谐振器和耦合结构。其工作原理：外界加速度作用于敏感质量块结构上，产生惯性力，该惯性力被杠杆结构进一步放大，而后作用于耦合谐振器上，改变系统等效刚度，从而改变耦合谐振器不同模态的谐振频率与振动幅度。弱耦合式MEMS加速度传感器的灵敏度主要与谐振器之间耦合结构的强弱有关，谐振器之间耦合强度越弱，加速度传感器的灵敏度就越高。谐振器之间耦合方式主要分为静电耦合和机械耦合，静电耦合是指谐振器之间通过静电力相互作用，耦合强弱主要与加载电压以及平行板结构间隙有关，但是低噪声高稳定性的偏置电压很难实现，平行板结构间隙尺寸会受到加工工艺的限制；机械耦合是指谐振器之间通过机械结构之间应力相互作用，耦合强弱主要与具体的机械耦合结构有关，实现稳定的弱耦合需要复杂度较高的机械结构。也即，通过调整谐振器之间耦合强度来提高弱耦合式MEMS加速度传感器的灵敏度比较困难，需要从其他方向入手对其改进，提高弱耦合式MEMS加速度传感器的灵敏度。
技术实现思路
鉴于现有技术中对弱耦合式MEMS加速度传感器灵敏度越来越高的需求，传统的方法是通过减少谐振器之间的耦合强度来提高弱耦合式MEMS加速度传感器的灵敏度，由于电学耦合中低噪声高稳定性的偏置电压获取的难度加大、机械耦合中耦合结构的复杂程度较高并且受到加工工艺限制，上述传统的技术手段已经无法在实际应用中达到加速度传感器高灵敏度指标，因此，本专利技术从谐振器的结构尺寸出发，提出了一种新的提升弱耦合式MEMS加速度传感器灵敏度的方法。为了实现上述目的，本公开提供了如下的技术方案。一种弱耦合式MEMS加速度传感器，包括N个锚点、敏感质量块、支撑结构、第一谐振器和第二谐振器。其中，所述N个锚点分布在加速度传感器的不同位置，用于提供锚固连接点，其中，N为大于2的整数。M个支撑结构，与M个所述锚点连接，用于支撑所述敏感质量块，以减少所述敏感质量块在自身重力作用下的变形量，其中，M为大于1且小于N的整数。所述第一谐振器包括第一谐振梁、第一驱动电极和第一检测电极，所述第一谐振梁的一端通过杠杆结构与所述敏感质量块连接，另一端与耦合结构连接，所述第一驱动电极用于给所述第一谐振梁激振，所述第一检测电极用于检测所述第一谐振梁的振幅。所述第二谐振器包括第二谐振梁、第二驱动电极和第二检测电极，所述第二谐振梁的一端与一个所述锚点连接，所述第二谐振梁的另一端通过所述耦合结构与所述第一谐振梁的另一端连接，所述第二驱动电极用于给所述第二谐振梁激振，第二检测电极用于检测所述第二谐振梁的振幅。所述第一谐振器的质量小于所述第二谐振器的质量，所述第一谐振器与所述第二谐振器的本征频率相等。根据本公开提供的一些实施例，所述第一谐振梁和所述第二谐振梁的材质和厚度相同，所述第一谐振梁的宽度为w1，长度为l1，所述第二谐振梁的宽度为w2，长度为l2，当所述第一谐振器和所述第二谐振器的工作模态均为一阶时，满足且w1＜w2，l1＜l2。根据本公开提供的一些实施例，所述第一谐振梁与所述第二谐振梁的材质、厚度和宽度均相同，所述第一谐振梁的长度为l1，所述第二谐振梁的长度为l2，满足l1＜l2，所述第二谐振梁包括n个第二驱动电极和n个第二检测电极，所述第一谐振器的工作模态为一阶，所述第二谐振器的工作模态为n(n≥2且为整数)阶。根据本公开提供的一些实施例，所述第一驱动电极、所述第一检测电极与所述第一谐振梁形成梳齿电容器或者平行板电容器，所述第二驱动电极、所述第二检测电极与所述第二谐振梁形成梳齿电容器或者平行板电容器。根据本公开提供的一些实施例，所述支撑结构数量为两个或多个，对称分布在所述敏感质量块的两侧、分布在所述敏感质量块外围外围或内嵌在所述敏感质量块中，也可以内嵌在敏感质量块中。根据本公开提供的一些实施例，所述支撑结构是单梁结构或折叠梁结构。根据本公开提供的一些实施例，所述杠杆结构包括杠杆力臂、输入梁结构、输出梁结构和支点梁结构，所述输入梁结构的一端与所述敏感质量块相连，另一端与所述杠杆力臂的一端相连；所述输出梁结构一端与所述第一谐振梁相连，另一端与所述杠杆力臂的另一端相连；所述支点梁结构的一端与所述杠杆力臂相连，另一端通过一所述锚点进行固定，所述杠杆结构是单级杠杆或多级杠杆。根据本公开提供的一些实施例，所述杠杆结构数量为两个，对称分布在所述一谐振梁轴线的两侧。根据本公开提供的一些实施例，所述耦合结构为静电耦合结构或机械耦合结构。根据本公开提供的一些实施例，还包括接口电路，所述接口电路与所述第一检测电极以及n个所述第二检测电极连接，用于检测所述第一谐振梁和所述第二谐振梁的振幅。从上述技术方案可以看出，本公开的一些实施例通过设置两个谐振梁本征频率相同，但是质量不同的第一谐振器和第二谐振器，其中，第二谐振器的谐振梁的质量大于第一谐振器的谐振梁的质量，使得设置在第一谐振器和第二谐振器之间的耦合结构的两端应力传递不对等，具体的表现为从第二谐振器传递到第一谐振器上的应力较小，进而产生单向更弱的耦合，最终实现增大弱耦合式MEMS加速度传感器灵敏度的目的。附图说明图1示意性示出了本公开实施例的弱耦合式MEMS加速度传感器的结构示意图；图2示意性示出了本公开实施例的弱耦合式MEMS加速度传感器局部结构示意图；图3示意性示出了本公开实施例的弱耦合式MEMS加速度传感器的加速度传感器频率曲线仿真图(Matlab)；图4示意性示出了本公开一实施例的弱耦合式MEMS加速度传感器的加速度传感器幅值比曲线仿真图(Matlab)；图5示意性示出了本公开实施例的弱耦合式MEMS加速度传感器的谐振器谐振梁结构以及模态图(COMSOL)；图6示意性示出了本公开另一实施例的弱耦合式MEMS加速度传感器的加速度传感器幅值比曲线仿真图(COMSOL)；图7示意性示出了本公开另一实施例的弱耦合式MEMS加速度传感器的加速度传感器幅值比曲线仿真图(COMSOL)；其中，1表示本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种弱耦合式MEMS加速度传感器，其特征在于，包括：/nN个锚点，分布在加速度传感器的不同位置，用于提供锚固连接点，其中，N为大于2的整数；/n敏感质量块；/nM个支撑结构，与M个所述锚点连接，用于支撑所述敏感质量块，以减少所述敏感质量块在自身重力作用下的变形量，其中，M为大于1且小于N的整数；/n第一谐振器，包括第一谐振梁、第一驱动电极和第一检测电极，所述第一谐振梁的一端通过杠杆结构与所述敏感质量块连接，另一端与耦合结构连接，所述第一驱动电极用于给所述第一谐振梁激振，所述第一检测电极用于检测所述第一谐振梁的振幅；/n第二谐振器，包括第二谐振梁、第二驱动电极和第二检测电极，所述第二谐振梁的一端与一个所述锚点连接，所述第二谐振梁的另一端通过所述耦合结构与所述第一谐振梁的另一端连接，所述第二驱动电极用于给所述第二谐振梁激振，第二检测电极用于检测所述第二谐振梁的振幅；/n所述第一谐振器的质量小于所述第二谐振器的质量，所述第一谐振器与所述第二谐振器的本征频率相等。/n

【技术特征摘要】
1.一种弱耦合式MEMS加速度传感器，其特征在于，包括：
N个锚点，分布在加速度传感器的不同位置，用于提供锚固连接点，其中，N为大于2的整数；
敏感质量块；
M个支撑结构，与M个所述锚点连接，用于支撑所述敏感质量块，以减少所述敏感质量块在自身重力作用下的变形量，其中，M为大于1且小于N的整数；
第一谐振器，包括第一谐振梁、第一驱动电极和第一检测电极，所述第一谐振梁的一端通过杠杆结构与所述敏感质量块连接，另一端与耦合结构连接，所述第一驱动电极用于给所述第一谐振梁激振，所述第一检测电极用于检测所述第一谐振梁的振幅；
第二谐振器，包括第二谐振梁、第二驱动电极和第二检测电极，所述第二谐振梁的一端与一个所述锚点连接，所述第二谐振梁的另一端通过所述耦合结构与所述第一谐振梁的另一端连接，所述第二驱动电极用于给所述第二谐振梁激振，第二检测电极用于检测所述第二谐振梁的振幅；
所述第一谐振器的质量小于所述第二谐振器的质量，所述第一谐振器与所述第二谐振器的本征频率相等。


2.根据权利要求1所述的弱耦合式MEMS加速度传感器，其特征在于，所述第一谐振梁和所述第二谐振梁的材质和厚度相同，所述第一谐振梁的宽度为w1，长度为l1，所述第二谐振梁的宽度为w2，长度为l2，当所述第一谐振器和所述第二谐振器的工作模态均为一阶时，满足且w1＜w2，l1＜l2。


3.根据权利要求1所述的弱耦合式MEMS加速度传感器，其特征在于，所述第一谐振梁与所述第二谐振梁的材质、厚度和宽度均相同，所述第一谐振梁的长度为l1，所述第二谐振梁的长度为l2，满足l1＜l2，所述第二谐振梁包括n个第二驱动电极和n个第二检测电极，所述第一谐振器的工作模态为一阶，所述第二谐振器的工作模态为n阶，所述第一谐振器在一阶模态上谐振频率等于所述第二谐振器在n阶上谐振频率，其中n≥...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹旭东，汪政，熊兴崟，王坤锋，李志天，杨伍昊，
申请(专利权)人：中国科学院空天信息创新研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11