CN107515311B - 一种基于同步谐振频率检测的mems加速度计 - Google Patents
一种基于同步谐振频率检测的mems加速度计 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于同步谐振频率检测的MEMS加速度计，包括质量块、放大梁、检测元件、同步元件和支撑梁，质量块呈四边形，质量块的两侧通过放大梁和检测元件、同步元件连接，质量块的另两侧连接有四根支撑梁，支撑梁靠自身的锚点固定于单晶硅基底，质量块自身悬空，仅由放大梁和支撑梁支撑；谐振元件和同步元件分别被置于具有自动增益控制的第一、第二振荡电路中，在相应的电路参数下，谐振元件和同步元件分别与振荡电路形成自激振荡，本发明通过加速度计标度因数的放大和检测电路本底噪声的降低，实现面内加速度的超高精度测量。
Description
技术领域
本发明涉及加速度检测领域，特别涉及一种基于同步谐振频率检测的MEMS加速度计。
背景技术
在“中国制造2025”的今天，超高精度加速度计的需求量日益加剧。硅基MEMS谐振式加速度计自其诞生以来，一直以其优秀的灵敏度、稳定性、高集成性，受到了各国研究者的青睐和重视。其一般由敏感元件、谐振元件和信号处理电路组成，传感器的敏感元件被用以感受面内加速度，并将加速度信号转化为力信号施加于谐振元件上；由于谐振元件的力频特性，力信号被转化为频率信号，进而通过信号处理电路测量该频率并反演出加速度值。
对于目前已经比较成熟的MEMS谐振式加速度计而言，其测试精度受到传感器敏感元件的拓扑结构、加工工艺、驱动与检测原理以及振荡器频率稳定性等因素的影响。在微小加速度变化时，其引起的谐振频率变化往往被淹没在检测电路的本底噪声中，致使其标度因数相对较低，从而限制了加速度计的分辨率与灵敏度。因此，近十年来各国研究者在努力提高加速度计标度因数的同时，也在不断探索新的频率检测方法来降低振荡器的本底噪声。
2013年，西安交通大学及剑桥大学的合作者分别在不同拓扑结构下发现了模态耦合和非线性幅值饱和效应对于提高硅微振荡器频率稳定性的作用，同时设计了静电力相互作用的两个微音叉梁振荡器，首次观察到了MEMS中的同步现象，并发现了同步引起的振荡器频率稳定性提高、本底噪声降低的现象。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于同步谐振频率检测的MEMS加速度计，通过加速度计标度因数的放大和检测电路本底噪声的降低，实现面内加速度的超高精度测量。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种基于同步谐振频率检测的MEMS加速度计，包括质量块1、放大梁2、检测元件3、同步元件4和支撑梁5五个模块，质量块1呈四边形，质量块1的两侧通过放大梁2和检测元件3、同步元件4连接，质量块1的另两侧连接有四根支撑梁5，支撑梁5靠自身的锚点固定于单晶硅基底，质量块1自身悬空，仅由放大梁2和支撑梁5支撑；
所述的检测元件3包括检测谐振子3-1，检测谐振子3-1两侧设有第一电容平板3-2和第二电容平板3-3，检测谐振子3-1顶部设有第一固定端3-5，第一固定端3-5上溅射有第一金属电极层3-4，在第一电容平板3-2的对侧设有第三电容平板3-8，第一电容平板3-2和第三电容平板3-8构成第一平板电容，第三电容平板3-8被固定于第二固定端3-7上，第二固定端3-7上溅射有第二金属电极层3-6；
所述的同步元件4包括同步谐振子4-1，同步谐振子4-1两侧设有第四电容平板4-2和第五电容平板4-3，同步谐振子4-1顶部设有第三固定端4-5，第三固定端4-5上溅射有第三金属电极层4-4，在第四电容平板4-2的对侧设有第六电容平板4-8，第四电容平板4-2和第六电容平板4-8构成第二平板电容，第六电容平板4-8被固定于第四固定端4-7上，第四固定端4-7上溅射有第四金属电极层4-6，第五电容平板4-3与第二电容平板3-3相对并构成第三平板电容，同步信号由此传递，同步谐振子4-1底部设有第五固定端4-9，第五固定端4-9通过细梁与同步谐振子4-1连接，使同步谐振子4-1悬空设置，第五固定端4-9与单晶硅基底相连接。
所述的放大梁2包括输入梁2-1、杠杆2-2、支点2-3和输出梁2-4，输入梁2-1为一对，相对应质量块1对称设置，杠杆2-2分别自输入梁2-1朝向中间延伸而成，每个输入梁2-1一端与质量块1连接作为力的输入端，输入梁2-1另一端和杠杆2-3的一端连接，杠杆2-3的另一端连接输出梁2-4的一端，输出梁2-4的另一端与检测谐振子3-1相连。
所述的支撑梁5包括支撑梁固定端5-1和折叠梁5-2，支撑梁固定端5-1与单晶硅基底连接，折叠梁5-2一端与支撑梁固定端5-1相接，另一端与质量块1连接，保证了质量块1的悬空。
所述的第一固定端3-5、第二固定端3-7、第三固定端4-5、第四固定端4-7和和支撑梁固定端5-1都为正方形，其边长范围为180μm-600μm，第五固定端4-9呈多边形，金属电极层都为略小于固定端的正方形，边长范围为150μm-250μm，电容平板长度范围为50μm-200μm，两个对应的电容平板的间距为0.1μm-3μm。
所述的谐振元件3和同步元件4分别被置于具有自动增益控制的第一振荡电路和第二振荡电路中，振荡电路包括依次连接的馈穿电流消除6-1、放大器6-2、带通滤波6-3、移相电路6-4、比较器6-5和幅值调节电路6-6，在相应的电路参数下，谐振元件3和同步元件4分别与振荡电路形成自激振荡，且振荡频率为谐振子的固有频率，该频率通过频率测量装置6-7读取。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明在设置检测元件的同时，还设置有同步元件，该同步元件与检测元件静电耦合。这样，通过基于同步谐振的频率检测机理，不仅可以提升传感器的标度因数，还能降低振荡器的本底噪声，提升其频率稳定性，从两个维度大幅提升加速度计的精度。基于硅微谐振器的振荡器频率稳定、噪音低、易于集成，依此设计的加速度计体积小、灵敏度高、测量范围大；基于谐振器同步振荡的频率检测方法可以实现更低的本底噪声和更高的频率稳定性，从而实现超高精度的加速度测量。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的测量电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细描述。
参照图1，一种基于同步谐振频率检测的MEMS加速度计，包括质量块1、放大梁2、检测元件3、同步元件4和支撑梁5五个模块，质量块1呈四边形，质量块1的两侧通过放大梁2和检测元件3、同步元件4连接，质量块1的另两侧连接有四根支撑梁5，支撑梁5靠自身的锚点固定于单晶硅基底，质量块1自身悬空，仅由放大梁2和支撑梁5支撑。质量块1的作用是感受面内加速度，并将加速度转换为大小相同、方向相反的应力施加于对侧的两组放大梁2上。
参照图1，所述的放大梁2包括输入梁2-1、杠杆2-2、支点2-3和输出梁2-4，输入梁2-1为一对，相对应质量块1对称设置，杠杆2-2分别自输入梁2-1朝向中间延伸而成，每个输入梁2-1一端与质量块1连接作为力的输入端，输入梁2-1另一端和杠杆2-3的一端连接，杠杆2-3的另一端连接输出梁2-4的一端，力经杠杆2-2和支点2-3的放大，施加于输出梁2-4上，输出梁2-4的另一端与检测谐振子3-1相连，支点2-3固定于单晶硅基底上，起到支撑器件与放大力的作用。
参照图1，所述的检测元件3包括检测谐振子3-1，检测谐振子3-1两侧设有第一电容平板3-2和第二电容平板3-3，检测谐振子3-1顶部设有第一固定端3-5，第一固定端3-5上溅射有第一金属电极层3-4，在第一电容平板3-2的对侧设有第三电容平板3-8，第一电容平板3-2和第三电容平板3-8构成第一平板电容，第三电容平板3-8被固定于第二固定端3-7上，第二固定端3-7上溅射有第二金属电极层3-6。
参照图1，所述的同步元件4包括同步谐振子4-1，同步谐振子4-1两侧设有第四电容平板4-2和第五电容平板4-3，同步谐振子4-1顶部设有第三固定端4-5，第三固定端4-5上溅射有第三金属电极层4-4，在第四电容平板4-2的对侧设有第六电容平板4-8，第四电容平板4-2和第六电容平板4-8构成第二平板电容，第六电容平板4-8被固定于第四固定端4-7上，第四固定端4-7上溅射有第四金属电极层4-6，第五电容平板4-3与第二电容平板3-3相对并构成第三平板电容，同步信号由此传递，同步谐振子4-1底部设有第五固定端4-9，第五固定端4-9通过细梁与同步谐振子4-1连接，使同步谐振子4-1悬空设置，第五固定端4-9与单晶硅基底相连接，起固定作用。
参照图1，所述的支撑梁5包括支撑梁固定端5-1和折叠梁5-2，支撑梁固定端5-1与单晶硅基底连接，起到固定、支撑整个器件的作用，折叠梁5-2一端与支撑梁固定端5-1相接，另一端与质量块1连接，保证了质量块1的悬空，折叠型的设计减少了面内刚度，进而降低其对传感器精度的影响。
参照图1，所述的第一固定端3-5、第二固定端3-7、第三固定端4-5、第四固定端4-7和和支撑梁固定端5-1都为正方形，其边长范围为180μm-600μm，第五固定端4-9呈多边形，金属电极层都为略小于固定端的正方形，边长范围为150μm-250μm，电容平板长度范围为50μm-200μm，两个对应的电容平板的间距为0.1μm-3μm。
参照图2，所述的谐振元件3和同步元件4分别被置于具有自动增益控制的第一振荡电路和第二振荡电路中，振荡电路包括依次连接的馈穿电流消除6-1、放大器6-2、带通滤波6-3、移相电路6-4、比较器6-5和幅值调节电路6-6，在相应的电路参数下，谐振元件3和同步元件4分别与振荡电路形成自激振荡，且振荡频率为谐振子的固有频率，该频率通过频率测量装置6-7读取。
本发明的工作原理为：
质量块1在受到面内重力加速度时，同时对两对放大梁2产生大小相同、方向相反的应力，该应力经放大梁2传递并放大施加于检测元件3上，改变了检测谐振子3-1的固有频率；由于两个检测谐振子和两个同步谐振器件被分别置于两个具有自动增益控制的同步振荡电路中，形成同步自激振荡，通过检测两个同步自激振荡电路的振荡频率及其变化，即可反演出整个器件所受的加速度值。
当同步元件4不工作时，质量块1、放大梁2、检测元件3、支撑梁5和第一振荡电路可以构成一个完整的加速度测试系统，但是由于硅微振荡器本身存在的噪声及由外界环境带来的漂移，其测试精度受到一定限制。当同步元件4工作时，其闭环电路内也将以同步谐振子4-1的固有频率产生自激振荡，由于同步元件4和检测元件3静电耦合，二者将形成同步自激振荡。当同步谐振子4-1与检测谐振子3-1的固有频率呈1:1、3:1或9:1时，同步效果最好，此时由检测谐振子3-1构成的振荡器频率稳定性将大大提高，由频率测量装置6-7读取的频率信号信噪比也将大大提升，从而提高了加速度传感器的测试精度。
Claims (5)
1.一种基于同步谐振频率检测的MEMS加速度计，包括质量块(1)、放大梁(2)、检测元件(3)、同步元件(4)和支撑梁(5)五个模块，其特征在于：质量块(1)呈四边形，质量块(1)的两侧通过放大梁(2)和检测元件(3)、同步元件(4)连接，质量块(1)的另两侧连接有四根支撑梁(5)，支撑梁(5)靠自身的锚点固定于单晶硅基底，质量块(1)自身悬空，仅由放大梁(2)和支撑梁(5)支撑；
所述的检测元件(3)包括检测谐振子(3-1)，检测谐振子(3-1)两侧设有第一电容平板(3-2)和第二电容平板(3-3)，检测谐振子(3-1)顶部设有第一固定端(3-5)，第一固定端(3-5)上溅射有第一金属电极层(3-4)，在第一电容平板(3-2)的对侧设有第三电容平板(3-8)，第一电容平板(3-2)和第三电容平板(3-8)构成第一平板电容，第三电容平板(3-8)被固定于第二固定端(3-7)上，第二固定端(3-7)上溅射有第二金属电极层(3-6)；
所述的同步元件(4)包括同步谐振子(4-1)，同步谐振子(4-1)两侧设有第四电容平板(4-2)和第五电容平板(4-3)，同步谐振子(4-1)顶部设有第三固定端(4-5)，第三固定端(4-5)上溅射有第三金属电极层(4-4)，在第四电容平板(4-2)的对侧设有第六电容平板(4-8)，第四电容平板(4-2)和第六电容平板(4-8)构成第二平板电容，第六电容平板(4-8)被固定于第四固定端(4-7)上，第四固定端(4-7)上溅射有第四金属电极层(4-6)，第五电容平板(4-3)与第二电容平板(3-3)相对并构成第三平板电容，同步信号由此传递，同步谐振子(4-1)底部设有第五固定端(4-9)，第五固定端(4-9)通过细梁与同步谐振子(4-1)连接，使同步谐振子(4-1)悬空设置，第五固定端(4-9)与单晶硅基底相连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于同步谐振频率检测的MEMS加速度计，其特征在于：所述的放大梁(2)包括输入梁(2-1)、杠杆(2-2)、支点(2-3)和输出梁(2-4)，输入梁(2-1)为一对，相对应质量块(1)对称设置，杠杆(2-2)分别自输入梁(2-1)朝向中间延伸而成，每个输入梁(2-1)一端与质量块(1)连接作为力的输入端，输入梁(2-1)另一端和杠杆(2-2)的一端连接，杠杆(2-2)的另一端连接输出梁(2-4)的一端，输出梁(2-4)的另一端与检测谐振子(3-1)相连。
3.根据权利要求1所述的一种基于同步谐振频率检测的MEMS加速度计，其特征在于：所述的支撑梁(5)包括支撑梁固定端(5-1)和折叠梁(5-2)，支撑梁固定端(5-1)与单晶硅基底连接，折叠梁(5-2)一端与支撑梁固定端(5-1)相接，另一端与质量块(1)连接，保证了质量块(1)的悬空。
4.根据权利要求1所述的一种基于同步谐振频率检测的MEMS加速度计，其特征在于：所述的第一固定端(3-5)、第二固定端(3-7)、第三固定端(4-5)、第四固定端(4-7)和支撑梁固定端(5-1)都为正方形，其边长范围为180μm-600μm，第五固定端(4-9)呈多边形，金属电极层都为略小于固定端的正方形，边长范围为150μm-250μm，电容平板长度范围为50μm-200μm，两个对应的电容平板的间距为0.1μm-3μm。
5.根据权利要求1所述的一种基于同步谐振频率检测的MEMS加速度计，其特征在于：所述的谐振元件(3)和同步元件(4)分别被置于具有自动增益控制的第一振荡电路和第二振荡电路中，振荡电路包括依次连接的馈穿电流消除(6-1)、放大器(6-2)、带通滤波(6-3)、移相电路(6-4)、比较器(6-5)和幅值调节电路(6-6)，在相应的电路参数下，谐振元件(3)和同步元件(4)分别与振荡电路形成自激振荡，且振荡频率为谐振子的固有频率，该频率通过频率测量装置(6-7)读取。
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