本发明专利技术公开了一种基于有源耦合的二自由度谐振式MEMS传感器及应用，属于信息工程领域中的微机电系统及其传感、控制领域。包括有源耦合模块、感测模块和MEMS谐振器件，MEMS谐振器件包括第一谐振器和第二谐振器；有源耦合模块将第一谐振器和第二谐振器相互有源耦合起来，使得第一谐振器的频率和第二谐振器的频率在特定区间内快速收敛，在频率快速收敛的区间内，待测量的变化导致的第一谐振器和第二谐振器的频率变化远高于无有源耦合结构的传统谐振式传感方式，通过检测第一谐振器和第二谐振器的频率变化，以及第一谐振器和第二谐振器的频率变化之差，即可测得待测量变化。本发明专利技术可以解决现有技术中谐振式加速度传感器灵敏度和分辨率较低的问题。和分辨率较低的问题。和分辨率较低的问题。
【技术实现步骤摘要】
一种基于有源耦合的二自由度谐振式MEMS传感器及应用
[0001]本专利技术属于信息工程领域中的微机电系统及其传感、控制领域，更具体地，涉及一种基于有源耦合的二自由度谐振式MEMS传感器及应用。
技术介绍
[0002]MEMS传感器具有尺寸小、低成本等优势，在消费电子、汽车电子等商用领域，以及石油勘探、重力调查等高端领域均有应用。相较于采用电压输出的MEMS传感器，包括电容读出、光强读出等方式，MEMS谐振式传感器采用频率输出，其具有稳定性、分辨率高的优点，因此是高性能MEMS传感器的发展方向和趋势。为实现高稳定性和高分辨率，需要提高MEMS谐振式传感器的灵敏度。
[0003]目前提高MEMS谐振式传感器的灵敏度主要有力、位移、应变放大等方式。力、位移的放大倍数的方法较为常见，例如专利MEMS resonant accelerometer having improved electrical characteristics(US9354246B2)，记载了其放大倍数受限于杠杆的尺寸。对于MEMS传感器中较小的尺寸而言，杠杆的放大倍数通常较为有限。应变放大的方式，例如Kose,et al.Journal of Micromechanics and Microengineering,26(4),045012,2016等，则受限于器件加工的工艺。这些限制因素均会降低灵敏度提升的效率，因此需要探索新的提升灵敏度的方式，进而实现高性能MEMS谐振式传感器。
[0004]近年来，由基于非厄米矩阵哈密顿量描述的动态系统逐渐成为凝聚态物理、声学、光学领域的研究热点，其中主要包括parity-time symmetry(奇偶-时间对称)系统，以及anti-parity-time symmetry(反奇偶-时间对称)系统。其中，紧随奇偶-时间对称系统研究井喷的步伐(R
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ter,et al.Nature physics,6(3),192-195,2010等)，关于反奇偶-时间对称系统的研究在近年来逐步涌现，并在声学(Li,et al.Science,364(6436),170-173,2019)、光学(Peng,et al.Nature Physics,12(12),1139-1145,2016)、冷原子(Jiang,et al.Physical review letters,123(19),193604,2019)等领域中被实现。然而，截止至目前，反奇偶-时间对称系统仍未在微电子机械系统中被实现。
技术实现思路
[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于有源耦合的二自由度谐振式MEMS传感器及应用，由此解决现有技术中MEMS传感器的灵敏度低导致其稳定性差、分辨率低的技术问题。
[0006]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于有源耦合的二自由度谐振式MEMS传感器，其特征在于，包括有源耦合模块、感测模块和MEMS谐振器件；
[0007]所述MEMS谐振器件包括第一谐振器和第二谐振器，所述第一谐振器和所述第二谐振器通过所述有源耦合模块连接形成闭环回路，从而实现有源耦合；
[0008]相互耦合后的所述第一谐振器和所述第二谐振器出现反奇偶-时间对称现象，使所述第一谐振器和所述第二谐振器对待测量具有灵敏度；
[0009]所述感测模块连接所述第一谐振器或所述第二谐振器，用于感应待测量并引起互相耦合的所述第一谐振器和所述第二谐振器频率变化，以得到用于计算待测量的频率信号数据。
[0010]优选地，所述有源耦合模块包括第一有源耦合电路和第二有源耦合电路；所述第一有源耦合电路的输入端连接所述第一谐振器的输出端，其输出端连接所述第二谐振器的输入端；所述第二有源耦合电路的输入端连接所述第二谐振器的输出端，其输出端连接所述第一谐振器的输入端。
[0011]优选地，所述第一有源耦合电路包括第一放大电路和第一调节电路，所述第一放大电路的输入端连接所述第一谐振器的输出端，所述第一放大电路的输出端连接所述第一调节电路的输入端；
[0012]所述第一放大电路用于将所述第一谐振器产生的动态电流转化为第一电压，并将所述第一电压施加于所述第二谐振器；所述第一调节电路用于调节所述第一放大电路产生的第一电压的幅值及其与驱动电压间的相位。
[0013]优选地，所述第一谐振器包括第一调节电极、第二调节电极、第一驱动电极和第一检测电极；
[0014]所述第一驱动电极的输入端连接驱动电源的输出端，所述第一驱动电极用于驱动所述第一谐振器振荡以产生其固有频率；
[0015]所述第一检测电极的输出端连接所述第一放大电路的输入端，所述第一检测电极用于将所述第一谐振器的振动转化为动态电流输入至所述第一放大电路；
[0016]所述第一调节电极和所述第二调节电极对称设置，均用于调节工艺误差导致的初始失偏。
[0017]优选地，所述第一放大电路为电荷放大电路或电流放大电路。
[0018]优选地，所述第二有源耦合电路包括第二放大电路和第二调节电路，所述第二放大电路的输入端连接所述第二谐振器的输出端，所述第二放大电路的输出端连接所述第二调节电路的输入端，所述第二调节电路的输出端连接所述第一谐振器的输入端；
[0019]所述第二放大电路用于将所述第二谐振器产生的动态电流转化为第二电压，并将所述第二电压施加于所述第一谐振器；所述第二调节电路用于调节所述第二放大电路产生的第二电压的幅值及其与驱动电压间的相位。
[0020]优选地，所述第二谐振器包括第三调节电极、第四调节电极、第二驱动电极和第二检测电极；
[0021]所述第二驱动电极的输入端连接驱动电源的输出端，所述第二驱动电极用于驱动所述第二谐振器振荡以产生其固有频率；
[0022]所述第二检测电极的输出端连接于所述第二放大电路的输入端，所述第二检测电极用于将所述第二谐振器的振动转化为动态电流输入至所述第二放大电路；
[0023]所述第三调节电极和所述第四调节电极对称设置，均用于调节工艺误差导致的初始失偏。
[0024]优选地，所述第二放大电路为电荷放大电路或电流放大电路。
[0025]优选地，所述检测模块包括力放大装置、悬臂梁和质量块；所述悬臂梁对称设置于所述质量块的两侧，所述质量块通过所述力放大装置连接所述第一谐振器。
[0026]按照本专利技术的另一方面，提供了一种基于上文所述的基于有源耦合的二自由度谐振式MEMS传感器在测量温度、磁场强度、压力、应力应变中的应用。
[0027]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
[0028]1、本专利技术通过采用有源耦合将两个独立的谐振器互相耦合，引入反奇偶-时间对称现象，待测量改变两个谐振器间的谐振频率差，本质上改变了二者间的能量差，进而导致系统接近对称-非对称相变界面处的特殊点，互相耦合的两个谐振器在特殊点附近快速收敛，故大幅提升了两个谐振器的谐本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于有源耦合的二自由度谐振式MEMS传感器，其特征在于，包括有源耦合模块、感测模块和MEMS谐振器件；所述MEMS谐振器件包括第一谐振器(1)和第二谐振器(4)，所述第一谐振器(1)和所述第二谐振器(4)通过所述有源耦合模块连接形成闭环回路，从而实现有源耦合；相互耦合后的所述第一谐振器(1)和所述第二谐振器(4)出现反奇偶-时间对称现象，使所述第一谐振器(1)和所述第二谐振器(4)对待测量具有灵敏度；所述感测模块连接所述第一谐振器(1)或所述第二谐振器(4)，用于感应待测量并引起互相耦合的所述第一谐振器和所述第二谐振器频率变化，以得到用于计算待测量的频率信号数据。2.根据权利要求1所述的一种基于有源耦合的二自由度谐振式MEMS传感器，其特征在于：所述有源耦合模块包括第一有源耦合电路和第二有源耦合电路；所述第一有源耦合电路的输入端连接所述第一谐振器(1)的输出端，其输出端连接所述第二谐振器(4)的输入端；所述第二有源耦合电路的输入端连接所述第二谐振器(4)的输出端，其输出端连接所述第一谐振器(1)的输入端。3.根据权利要求1或2所述的一种基于有源耦合的二自由度谐振式MEMS传感器，其特征在于：所述第一有源耦合电路包括第一放大电路(2)和第一调节电路(3)，所述第一放大电路(2)的输入端连接所述第一谐振器(1)的输出端，所述第一放大电路(2)的输出端连接所述第一调节电路(3)的输入端；所述第一放大电路(2)用于将所述第一谐振器(1)产生的动态电流转化为第一电压，并将所述第一电压施加于所述第二谐振器(4)；所述第一调节电路(3)用于调节所述第一放大电路(2)产生的第一电压的幅值及其与驱动电压间的相位。4.根据权利要求3所述的一种基于有源耦合的二自由度谐振式MEMS传感器，其特征在于：所述第一谐振器(1)包括第一调节电极(11)、第二调节电极(12)、第一驱动电极(13)和第一检测电极(14)；所述第一驱动电极(13)的输入端连接驱动电源的输出端，所述第一驱动电极(13)用于驱动所述第一谐振器(1)振荡以产生其固有频率；所述第一检测电极(14)的输出端连接所述第一放大电路(2)的输入端，所述第一检测电极(14)用于将所述第一谐振器(1)的振动转化为动态电流输入至所述第一放大电路(2)；所述第一调...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵纯，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：
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