CN110780089B - 可调灵敏度的弱耦合谐振式微加速度计 - Google Patents

可调灵敏度的弱耦合谐振式微加速度计 Download PDF

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Abstract

一种可调灵敏度的弱耦合谐振式微加速度计，包括：第一质量块结构、第二质量块结构和谐振结构，谐振结构分别与第一质量块结构和第二质量块结构相连；所述的谐振结构包括：电压相同的第一敏感谐振器、第二敏感谐振器和耦合谐振器，以及灵敏度调节谐振器。第一质量块结构包括：第一质量块、第一固定锚点和第一弹性梁；第二质量块结构包括：第二质量块、第二固定锚点和第二弹性梁。本发明通过三自由度的弱耦合结构设计和测量振幅比的模态局部化原理大大提高了加速度计的极限灵敏度，并在基础上额外附加了一个谐振器，通过调节该谐振器和另外两个谐振器间的静电耦合负刚度来调节加速度计的灵敏度，将量程扩大了50倍以上，使得本发明能适用于加速度变化范围很大的工作场景。

Description

可调灵敏度的弱耦合谐振式微加速度计
技术领域
本发明涉及的是一种微机电系统(MEMS)领域的技术，具体是一种可调灵敏度的弱耦合谐振式微加速度计。
背景技术
近年来，国外期刊和国内专利中均报道了一种新型的MEMS谐振式加速度计，它基于曾于1977年获得诺贝尔物理学奖的模态局部化机理，通过测量两个弱耦合的谐振器的振幅比作为输出。采用该敏感机理的谐振式加速度计，其灵敏度相较于传统的频率输出的谐振式加速度计提高了两个数量级以上。但基于模态局部化机理的弱耦合谐振式加速度计离真正应用还存在着许多问题，其中最突出的一条在于其量程范围有限。在测量较大的加速度时，两个谐振器的振幅差距很大，计算振幅比时会出现大数除小数的情况，导致加速度计输出的误差急剧增大。而在惯性导航系统中，加速度变化的范围往往很大，这导致了该敏感机理的加速度计无法同时兼顾高灵敏度和大的量程范围，大大限制了其投向实际应用。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种弱耦合谐振式微加速度计，首先通过三自由度的弱耦合结构设计和测量振幅比的模态局部化原理大大提高了加速度计的极限灵敏度；其次在三自由度弱耦合谐振器的基础上额外附加了一个谐振器，通过调节该谐振器和另外两个谐振器间的静电耦合负刚度来调节加速度计的灵敏度，从而将加速度计的量程扩大了50倍以上，使得本发明能适用于加速度变化范围很大的工作场景。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括：第一质量块结构、第二质量块结构和谐振结构，其中：谐振结构分别与第一质量块结构和第二质量块结构相连。
所述的第一质量块结构包括：第一质量块、第一固定锚点和第一弹性梁，其中：第一质量块通过第一弹性梁与第一固定锚点相连。
所述的第二质量块结构包括：第二质量块、第二固定锚点和第二弹性梁，其中：第二质量块通过第二弹性梁与第二固定锚点相连。
所述的谐振结构包括：电压相同的第一敏感谐振器、第二敏感谐振器和耦合谐振器，以及灵敏度调节谐振器，其中：第一敏感谐振器和第二敏感谐振器各自通过第一耦合梁和第二耦合梁与耦合谐振器相连，第一敏感谐振器和第二敏感谐振器对称设置于耦合谐振器两侧，灵敏度调节谐振器设置于第一和第二敏感谐振器之间并设置于耦合谐振器下。
所述的第一敏感谐振器与第一质量块结构之间为通过电势差静电耦合形成的第一负刚度弹簧。
所述的第二敏感谐振器与第二质量块结构之间为通过电势差静电耦合形成的第二负刚度弹簧。
所述的第一敏感谐振器与灵敏度调节谐振器之间为通过电势差静电耦合形成的第三负刚度弹簧。
所述的第二敏感谐振器与灵敏度调节谐振器之间为通过电势差静电耦合形成的第四负刚度弹簧。
技术效果
与现有技术相比，本发明通过三自由度的弱耦合结构设计和测量振幅比的模态局部化原理大大提高了加速度计的极限灵敏度；其次，本发明在三自由度弱耦合谐振器的基础上额外附加了一个谐振器，通过调节该谐振器和另外两个谐振器间的静电耦合负刚度来调节灵敏度，使加速度计的量程扩大了50倍以上，使得本发明能适用于加速度变化范围很大的工作场景。
附图说明
图1为本发明弱耦合谐振系统的简化模型示意图；
图2为本发明总体结构示意图；
图3为本发明弱耦合谐振器的结构示意图；
图4为本发明灵敏度调节电压为123V时的频率响应曲线图；
其中：图4a为无加速度输入时传感器的输入输出特性曲线图；图4b为0.3g加速度输入时传感器的输入输出特性曲线图；
图5为本发明灵敏度调节电压为25V时的灵敏度曲线图；
其中：图5a为±1g加速度输入范围内的振幅比灵敏度线性坐标曲线；图5b为±1g加速度输入范围内的振幅比灵敏度指数坐标曲线；
图6为本发明灵敏度和灵敏度调节电压的关系曲线图；
其中：图6a为0到1g加速度输入范围内不同灵敏度调节电压下振幅比曲线；图6b为1g加速度输入下振幅比相对于灵敏度调节电压的变化曲线；
图中：第一质量块结构1、第二质量块结构2、谐振结构3、第一质量块4、第一固定锚点5、第一弹性梁6、第二质量块7、第二固定锚点8、第二弹性梁9、第一敏感谐振器10、第二敏感谐振器11、耦合谐振器12、灵敏度调节谐振器13、第一耦合梁14、第二耦合梁15、第一负刚度弹簧16、第二负刚度弹簧17、第三负刚度弹簧18、第四负刚度弹簧19、三自由度弱耦合谐振器等效模型20、灵敏度调节谐振器等效模型21、第一敏感谐振器的等效质量22、耦合谐振器的等效质量23、第二敏感谐振器的等效质量24、灵敏度调节谐振器的等效质量25、第一敏感谐振器的等效刚度26、耦合谐振器的等效刚度27、第二敏感谐振器的等效刚度28、灵敏度调节谐振器的等效刚度29、第一耦合梁的等效刚度30、第二耦合梁的等效刚度31、第三负刚度弹簧的等效刚度32、第四负刚度弹簧的等效刚度33、施加耦合电压锚点34、施加灵敏度调节电压锚点35、第一静电激励电极对36、第二静电激励电极对37、第一差分位移测量电极对38、第二差分位移测量电极对39。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及的一种弱耦合谐振式微加速度计，其中包含：第一质量块结构1、第二质量块结构2、谐振结构3，其中：
所述的第一质量块结构1包括：第一质量块4、第一固定锚点5和第一弹性梁6，其中：第一质量块4通过第一弹性梁6与第一固定锚点5相连。
所述的第二质量块结构2包括：第二质量块7、第二固定锚点8和第二弹性梁9，其中：第二质量块7通过第二弹性梁9与第二固定锚点8相连。
所述的谐振结构3包括：电压相同的第一敏感谐振器10、第二敏感谐振器11和耦合谐振器12，以及灵敏度调节谐振器13，其中：第一敏感谐振器10通过第一耦合梁14与耦合谐振器12相连，第二敏感谐振器11通过第二耦合梁15与耦合谐振器12相连，第一敏感谐振器10和第二敏感谐振器11对称设置于耦合谐振器12两侧，灵敏度调节谐振器13设置于第一和第二敏感谐振器之间并设置于耦合谐振器12下。
所述的第一敏感谐振器10与第一质量块4之间为通过电势差静电耦合形成的第一负刚度弹簧16。
所述的第二敏感谐振器11与第二质量块7之间为通过电势差静电耦合形成的第二负刚度弹簧17。
所述的第一敏感谐振器10与灵敏度调节谐振器13之间为通过电势差静电耦合形成的第三负刚度弹簧18。
所述的第二敏感谐振器11与灵敏度调节谐振器13之间为通过电势差静电耦合形成的第四负刚度弹簧19。
如图1所示，第一敏感谐振器的等效刚度26和第二敏感谐振器的等效刚度28大小相同，设为K；第一敏感谐振器10和耦合谐振器12之间的耦合刚度30与第二敏感谐振器11和耦合谐振器12之间的耦合刚度31大小相同，设为Kc，耦合谐振器的等效刚度27要比K大，设为K2；设第一敏感谐振器10受激振动的幅值为X1，第二敏感谐振器11受激振动的幅值为X2，当无加速度激励时，X1和X2大小接近；而当存在加速度激励时，在同一个模态中振动的能量向单个谐振器传递，从而X1和X2的比值产生大幅变化，大于1还是小于1取决于一阶模态还是二阶模态。当存在偏置的刚度扰动时，设第一敏感谐振器10的刚度变为K+ΔK，则第二敏感谐振器11的刚度变为K-ΔK，则此时灵敏度为：
Figure BDA0002268682720000041
可知：耦合刚度Kc越小，加速度计的灵敏度越大，当Kc<<K时，可以获得极大的灵敏度，因此在设计结构时，可以通过降低耦合刚度Kc的值来提升极限灵敏度。
如图1所示，灵敏度调节谐振器等效模型21主体结构为灵敏度调节谐振器13，灵敏度调节谐振器的等效质量25与第一敏感谐振器的等效质量22和第二敏感谐振器的等效质量24接近，灵敏度调节谐振器的等效刚度29略大于第一敏感谐振器的等效刚度26和第二敏感谐振器的等效刚度28。当第三负刚度弹簧的等效刚度32和第四负刚度弹簧的等效刚度33为0时，三自由度弱耦合谐振器等效模型20和灵敏度调节谐振器等效模型21无任何直接作用，此时加速度计的灵敏度最高，但有效量程范围也最小；当第三负刚度弹簧的等效刚度32和第四负刚度弹簧的等效刚度33不为0时，三自由度弱耦合谐振器等效模型20和灵敏度调节谐振器等效模型21产生耦合作用，灵敏度调节谐振器13的谐振频率只是略大于第一敏感谐振器10和第二敏感谐振器11，因此在第一敏感谐振器10和第二敏感谐振器11的谐振频率附近，其振动能量的很大一部分通过第三负刚度弹簧的等效刚度32和第四负刚度弹簧的等效刚度33分流到灵敏度调节谐振器13上，使得加速度计的灵敏度迅速下降，与此同时其有效量程范围也迅速增大。
如图2所示，当在敏感方向上存在加速度时，第一质量块4和第二质量块7向同一个方向偏移，产生的位移会改变第一负刚度弹簧16和第二负刚度弹簧17，变化量
Figure BDA0002268682720000042
其中：V为质量块和谐振器之间的电势差，ε0为真空介电常数，A为电容极板间的重叠面积，Δg为质量块与谐振器之间的间隙大小。设图2中加速度朝右，则第一质量块4和第二质量块7均向右移动，即第一质量块4和第一敏感谐振器10之间的间隙减小，第二质量块7和第二敏感谐振器11之间的间隙增大。因此，第一负刚度弹簧16的刚度减小Δkelec，而第二负刚度弹簧17的刚度增大Δkelec，导致第一敏感谐振器10和第二敏感谐振器11的刚度差达到了2Δkelec，使得两个完全对称的谐振器出现了等效刚度不匹配的现象，从而诱发了模态局部化效应，改变了两个谐振器的振幅比。
如图3所示，第一敏感谐振器10和第二敏感谐振器11呈对称放置；第一敏感谐振器10、耦合谐振器12和第二敏感谐振器11通过施加耦合电压锚点34施加相同的电压，本实施例中为25V，通过施加灵敏度调节电压锚点35调节灵敏度调节谐振器12上的电压来改变第三负刚度弹簧18和第四负刚度弹簧19的大小，从而调节加速度计的灵敏度，上述两个负刚度弹簧大小均可近似为：
Figure BDA0002268682720000051
其中：ΔV为第一敏感谐振器10、第二敏感谐振器11和灵敏度调节谐振器13之间的电势差，ε0为真空介电常数，A0为电容极板间的重叠面积，g为第一敏感谐振器10、第二敏感谐振器11和灵敏度调节谐振器13之间的间隙大小。第一敏感谐振器10通过第一静电激励电极对36驱动产生振动，再通过第一差分位移测量电极对38对其振动幅值进行差分测量，消除了驱动电极和检测电极间的电势差引起的馈通电容信号干扰；第二敏感谐振器11通过第二静电激励电极对37驱动产生振动，再通过第二差分位移测量电极对39对其振动幅值进行差分测量。
如图4(a)所示，当无加速度输入时，第一敏感谐振器10和第二敏感谐振器11在前二阶模态下的振幅几乎相同，振幅比约等于1；图4(b)所示，当有0.3g加速度输入时，第一敏感谐振器10的一阶模态振幅相对于第二敏感谐振器11明显下降，第一敏感谐振器10的二阶模态振幅相对于第二敏感谐振器11明显上升，两个谐振器的振幅比发生显著变化，即为模态局部化现象。
如图5(a)所示，在1g加速度下，第一敏感谐振器10和第二敏感谐振器11的一阶模态振幅比达到了220.4，并且一阶模态振幅比和0到1g范围内的加速度呈现出良好的线性相关性，而二阶模态振幅比和-1到0g范围内的加速度也呈现出了良好的线性相关性；图5(b)所示，为对数坐标，在-1到0g加速度范围内的一阶模态振幅比和0到1g加速度范围内的振幅比基本互为倒数，因此，当通过测量一阶模态振幅比得到加速度，当加速度反向时，只需要将振幅比的倒数作为结果输出即可，测量二阶模态的振幅比。
如图6(a)所示，当测量的振幅比在10以内能保持较好的测量精度，测量的加速度范围在0到1g，可通过调节灵敏度调节电压至123V使得振幅比在1g作用下刚好等于10，此时加速度计处于最佳量程范围，其灵敏度称之为最优灵敏度；如果灵敏度调节电压继续增大，此时加速度计的灵敏度降低，测量效果不如最优灵敏度；如果灵敏度调节电压减小，此时的加速度计灵敏度增加，但当加速度接近1g时，振幅比远远大于10，此时求得的振幅比会出现大数除小数的情况，导致数值不稳定和失真现象，测量效果同样不如最优灵敏度。图6(b)所示，当灵敏度调节电压和施加在第一敏感谐振器10、第二敏感谐振器11和耦合谐振器12上的耦合电压(25V)相等时，此时加速度计的灵敏度最大，振幅比为220.4。在25V附近，存在一个平台区间，此区间内灵敏度调节电压对振幅比的影响不大。当灵敏度调节电压继续增大时，振幅比迅速下降；当调节电压增大到150V时，振幅比下降至3.767，此时加速度计的灵敏度仅为最大值的1.7％，即加速度计的有效量程范围扩大了58.5倍。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (5)

1.一种可调灵敏度的弱耦合谐振式微加速度计，其特征在于，包括：第一质量块结构、第二质量块结构和谐振结构，其中：谐振结构分别与第一质量块结构和第二质量块结构相连；
所述的谐振结构包括：电压相同的第一敏感谐振器、第二敏感谐振器和耦合谐振器，以及灵敏度调节谐振器，其中：第一敏感谐振器和第二敏感谐振器各自通过第一耦合梁和第二耦合梁与耦合谐振器相连，第一敏感谐振器和第二敏感谐振器对称设置于耦合谐振器两侧，灵敏度调节谐振器设置于第一和第二敏感谐振器之间并设置于耦合谐振器下；
所述的第一敏感谐振器与第一质量块结构之间为通过电势差静电耦合形成的第一负刚度弹簧；所述的第一敏感谐振器与灵敏度调节谐振器之间为通过电势差静电耦合形成的第三负刚度弹簧；
所述的第二敏感谐振器与第二质量块结构之间为通过电势差静电耦合形成的第二负刚度弹簧；所述的第二敏感谐振器与灵敏度调节谐振器之间为通过电势差静电耦合形成的第四负刚度弹簧。
2.根据权利要求1所述的弱耦合谐振式微加速度计，其特征是，所述的第一质量块结构包括：第一质量块、第一固定锚点和第一弹性梁，其中：第一质量块通过第一弹性梁与第一固定锚点相连。
3.根据权利要求1所述的弱耦合谐振式微加速度计，其特征是，所述的第二质量块结构包括：第二质量块、第二固定锚点和第二弹性梁，其中：第二质量块通过第二弹性梁与第二固定锚点相连。
4.根据权利要求1～3中任一所述的弱耦合谐振式微加速度计，其特征是，当无加速度激励时，第一敏感谐振器受激振动的幅值X1和第二敏感谐振器受激振动的幅值X2大小接近；
当存在加速度激励时，在同一个模态中振动的能量向单个谐振器传递，发生模态局部化效应，第一敏感谐振器受激振动的幅值X1和第二敏感谐振器受激振动的幅值X2的比值产生大幅变化；
当存在偏置的刚度扰动时，设第一敏感谐振器的刚度变为K+ΔK，则第二敏感谐振器的刚度变为K-ΔK，则此时灵敏度为：
Figure FDA0003114464250000011
其中：K为第一敏感谐振器的等效刚度和第二敏感谐振器的等效刚度，Kc为第一敏感谐振器和耦合谐振器之间的耦合刚度与第二敏感谐振器和耦合谐振器之间的耦合刚度，K2为耦合谐振器的等效刚度。
5.根据权利要求1～3中任一所述的弱耦合谐振式微加速度计，其特征是，第三负刚度弹簧和第四负刚度弹簧均为：
Figure FDA0003114464250000021
其中：ΔV为第一敏感谐振器、第二敏感谐振器和灵敏度调节谐振器之间的电势差，ε0为真空介电常数，A0为电容极板间的重叠面积，g为第一敏感谐振器、第二敏感谐振器和灵敏度调节谐振器13之间的间隙大小；
通过调节灵敏度调节谐振器上的电压，从而改变电势差ΔV来改变第三负刚度弹簧和第四负刚度弹簧的大小，以调节加速度计的灵敏度，扩大加速度计的有效量程范围。
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