本发明专利技术公开了基于静电可调拓扑声子超材料的高可靠性角速度传感器，属于微机电系统技术领域，包括硅基底以及形成在基底上的谐振元件和电极组件；谐振元件包括平面周期性排布的多个振动单元，每个振动单元均通过悬梁结构与硅基底连接，振动单元间通过平板电极结构形成变间隙平板电容，相邻振动单元上施加不同的直流电压使相邻振动单元间产生静电耦合；电极组件包括激励电极、相位检测电极以及围绕所述谐振元件的固定电极，电极组件均通过锚点固定在硅基底上。本发明专利技术利用拓扑声子超材料作为角速度传感器的谐振元件并采用边界态频率范围作为输出信号，显著提升了角速度传感器的结构鲁棒性和信号的抗干扰能力，且振动单元间的耦合强度易于调节。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及微机电系统，尤其涉及一种基于静电可调拓扑声子超材料的高可靠性角速度传感器。
技术介绍
1、随着微纳技术的不断发展，mems角速度传感器，由于其体积小、重量轻、能耗低、成本低等特点，已被广泛应用于从汽车到卫星和飞行器的各个领域。
2、基于传统微机电系统(mems)技术的角速度传感器的工作原理是当角速度传感器的振动质量块受到外界角速度影响时，会在与振动方向垂直的方向上产生科里奥利力，通过检测质量块受科里奥利力产生的位移来检测角速度大小。现有的mems角速度传感器在测量精度和可靠性等性能上极为依赖加工精度和器件的完整性。研究发现，当mems角速度传感器的敏感元件受加工工艺或极端工况干扰，使得敏感元件产生局部的破损时，将极大地影响传感器的测量精度甚至使得整个器件都会丧失功能。
3、因此亟需从根源上提升mems角速度传感器的结构鲁棒性和在极端工况下的工作能力。
技术实现思路
1、为了解决mems角速度传感器由于敏感元件局部破损导致的测量精度下降、器件失效问题，本专利技术提供了一种基于静电可调拓扑声子超材料的高可靠性角速度传感器，该角速度传感器加工工艺简单，谐振元件的局部破损不影响传感器性能，具有极强的结构鲁棒性，可用于极端工况下的角速度检测。
2、本专利技术采用的技术手段如下：
3、本专利技术公开了一种基于静电可调拓扑声子超材料的高可靠性角速度传感器，其特征在于，包括：硅基底以及形成在所述硅基底上的谐振元件和电极组件；
>4、所述谐振元件采用拓扑声子超材料，包括平面周期性排布的多个振动单元，每个振动单元均通过悬梁结构与所述硅基底连接，每个振动单元上具有多个平板电极，相邻振动单元间形成变间隙平板电容，相邻振动单元上施加不同的直流电压使相邻振动单元间产生静电耦合；次相邻振动单元上施加相同的直流电压；5、所述电极组件包括用于驱动所述谐振元件的激励电极、用于检测所述谐振元件相位的相位检测电极以及围绕所述谐振元件的多种固定电极，所述电极组件通过锚点固定在所述硅基底上；所述多种固定电极上施加与相邻振动单元上不同的直流电压，使振动单元与固定电极间产生静电耦合。
6、进一步地，所述平面周期性排布，包括：蜂窝状晶格排布。
7、进一步地，所述悬梁结构包括：直梁、折叠梁、阿基米德螺旋梁中的至少一种。
8、进一步地，所述振动单元上平板电极的数目等于相邻振动单元的数目。
9、进一步地，所述谐振元件由所述单个或多个激励电极的驱动电压驱动，所述激励电极的驱动电压由直流电和交流电共同构成。
10、进一步地，谐振元件的相邻振动单元间以及振动单元与固定电极间的静电耦合强度由所施加的直流电压的差值所控制。
11、进一步地，所述相位检测电极包括两个分离的检测电极，用以检测谐振元件的相位差。
12、进一步地，所述谐振元件包括内部振动单元和外部振动单元，内部振动单元分布在谐振元件中部，外部振动单元分布在谐振元件边缘，通过分别检测内部振动单元和外部振动单元的振动，用以检测谐振元件的振动模态。
13、较现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
14、1、本专利技术利用拓扑声子超材料作为谐振元件，提升了角速度传感器的结构鲁棒性，当本专利技术的mems器件受加工工艺影响或极端工况干扰，使得谐振元件的局部尝试破损时，本专利技术的角速度传感器性能不受影响，对加工工艺和工况条件具有极强的结构鲁棒性。
15、2、本专利技术具有耦合强度易于调节的特点，可通过调节施加在振动单元以及固定电极上的直流电压对振动单元间以及振动单元与固定电极间的静电耦合强度进行调节，使传感器的工作频率范围可调。
16、3、本专利技术的角速度传感器采用边界态频率范围作为输出信号，信号噪声小，线性度好，且不受环境阻尼系数变化的影响，信号抗干扰能力强。
17、综上所述，本专利技术提供的基于静电可调拓扑声子超材料的高可靠性角速度传感器，通过在谐振元件内设计平面周期性排布的多个静电耦合振动单元，使传感器实现了角速度作用下的拓扑边界态，并利用能带结构的变化对角速度进行检测，具有高结构鲁棒性，耦合强度易于调节，信号抗干扰能力强等优点。基于上述理由本专利技术在角速度检测领域具有广泛的应用价值。
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【技术保护点】
1.一种基于静电可调拓扑声子超材料的高可靠性角速度传感器，其特征在于，包括：硅基底(1)以及形成在所述硅基底(1)上的谐振元件(5)和电极组件；
2.根据权利要求1所述的一种基于静电可调拓扑声子超材料的高可靠性角速度传感器，其特征在于，所述平面周期性排布，包括：蜂窝状晶格排布。
3.根据权利要求1所述的一种基于静电可调拓扑声子超材料的高可靠性角速度传感器，其特征在于，所述悬梁结构(8)包括：直梁、折叠梁、阿基米德螺旋梁中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的一种基于静电可调拓扑声子超材料的高可靠性角速度传感器，其特征在于，所述振动单元上平板电极(7)的数目等于相邻振动单元的数目。
5.根据权利要求1所述的一种基于静电可调拓扑声子超材料的高可靠性角速度传感器，其特征在于，所述谐振元件(5)由所述单个或多个激励电极(2)的驱动电压驱动，所述激励电极(2)的驱动电压由直流电和交流电共同构成。
6.根据权利要求1所述的一种基于静电可调拓扑声子超材料的高可靠性角速度传感器，其特征在于，谐振元件(5)的相邻振动单元间以及振动单元与固定电极间的静电耦合强度由所施加的直流电压的差值所控制。
7.根据权利要求1所述的一种基于静电可调拓扑声子超材料的高可靠性角速度传感器，其特征在于，所述相位检测电极(3)包括两个分离的检测电极，用以检测谐振元件的相位差。
8.根据权利要求1所述的一种基于静电可调拓扑声子超材料的高可靠性角速度传感器，其特征在于，所述谐振元件(5)包括内部振动单元(61)和外部振动单元(62)，内部振动单元分布(61)在谐振元件(5)中部，外部振动单元(62)分布在谐振元件(5)边缘，通过分别检测内部振动单元(61)和外部振动单元(62)的振动，用以检测谐振元件的振动模态。
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【技术特征摘要】
1.一种基于静电可调拓扑声子超材料的高可靠性角速度传感器，其特征在于，包括：硅基底(1)以及形成在所述硅基底(1)上的谐振元件(5)和电极组件；
2.根据权利要求1所述的一种基于静电可调拓扑声子超材料的高可靠性角速度传感器，其特征在于，所述平面周期性排布，包括：蜂窝状晶格排布。
3.根据权利要求1所述的一种基于静电可调拓扑声子超材料的高可靠性角速度传感器，其特征在于，所述悬梁结构(8)包括：直梁、折叠梁、阿基米德螺旋梁中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的一种基于静电可调拓扑声子超材料的高可靠性角速度传感器，其特征在于，所述振动单元上平板电极(7)的数目等于相邻振动单元的数目。
5.根据权利要求1所述的一种基于静电可调拓扑声子超材料的高可靠性角速度传感器，其特征在于，所述谐振元件(5)由所述单个或多个激励电极(2)的驱动电压驱动...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵剑，郑显泽，刘蓬勃，东泽源，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：
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