CN111175540B - 一种基于单向电同步的超谐同步谐振式加速度计 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于单向电同步的超谐同步谐振式加速度计，MEMS谐振式加速度计的两个谐振传感模块对称设置在质量块模块的两侧，分别通过杠杆机构模块与质量块模块连接，MEMS谐振式加速度计将振动信号以电信号的形式引入至外部高频振荡器中并形成超谐同步。在同步带宽内，高频谐振器呈倍数地放大MEMS谐振式加速度计的频率偏移量。本发明解决了耦合振荡器之间的相互作用导致的标度因子下降的问题，充分发挥超谐同步效应对整机性能提升的优势。同时，当两个振荡器出现同步现象时，敏感梁振荡回路的噪声将得到大幅抑制，频率稳定性将得到大幅提升。从提升灵敏度、改善分辨率、降低噪声等多个方面同时优化谐振式加速度计的性能指标。

Description

一种基于单向电同步的超谐同步谐振式加速度计
技术领域
本发明属于加速度测量技术领域，具体涉及一种基于单向电同步的超谐同步谐振式加速度计。
背景技术
MEMS加速度计具有体积小、重量轻、功耗低、成本低和性能可靠等诸多优势，作为惯性导航系统的核心元件，MEMS加速度计已被广泛应用于消费电子、医疗设备、航空航天和国防军工的领域，近年来已占据中低端领域并正逐步进入战略级精度的高端领域。随着我国社会和经济的不断发展，尤其是近年来物联网、人工智能和大数据等新兴产业的不断投入，未来我国对高性能MEMS加速度计的需求巨大。MEMS谐振式加速度计由于具有稳定性好、精度高、抗干扰能力强、兼容性高等优势逐渐成为研究热点并被广泛运用。
综合国内外谐振式加速度计的研究现状可知，当前的谐振式加速度计仍然存在很大的提升空间。如：广泛存在于谐振式加速度传感器中的微杠杆机构对灵敏度的提升存在进一步优化的可能性。虽然在单级杠杆机构的基础上增加一级杠杆能够获得更好的灵敏度提升效果，但过多地增加杠杆级数会引起系统柔性的上升，加之多级杠杆机构挤占了质量块的面积，反而会导致灵敏度提升有限。因此，考虑采用其他方法综合提升加速度计的性能将势在必行。
现有基于1:1同步效应的加速度检测器件用于测量低频振动的加速度信号，但是通过静电耦合的同步方式，将导致加速度计的标度因子的降低，部分抵消了同步效应带来的性能提升。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于单向电同步的超谐同步谐振式加速度计，首次利用基于单向电信号的同步方式实现两个振荡器之间的超谐同步，将敏感梁的振荡频率信息以电学信号的形式施加于同步谐振器上并对其产生影响。
本发明采用以下技术方案：
一种基于单向电同步的超谐同步谐振式加速度计，包括MEMS谐振式加速度计和外部高频谐振器，MEMS谐振式加速度计的质量块模块两侧对称设置有谐振传感模块，两个谐振传感模块分别通过对应的杠杆机构模块与质量块模块连接，MEMS谐振式加速度计和外部高频谐振器分别通过振荡回路完成数据采集，MEMS谐振式加速度计用于将振动信号以电信号的形式引入至外部高频振荡器中并形成超谐同步，在同步带宽内，高频谐振器呈倍数地放大MEMS谐振式加速度计的频率偏移量输出。
具体的，谐振传感模块用于感受质量块模块传导的应力变化并将其转化为谐振频率偏移量输出，频率偏移量ΔfL具体为：
Figure BDA0002354215760000021
其中，fL为谐振传感结构的谐振频率，a为外界环境加速度，meff为质量块模块的有效质量，为杠杆机构的有效放大倍数，L为谐振传感结构的低频谐振器的梁长，E为杨氏模量，I为旋转惯量。
进一步的，在同步带宽内，外部高频谐振器和振荡回路组成的高频振荡器的频率输出量ΔfH为：
ΔfH＝N·ΔfL
其中，N为超谐同步阶数。
具体的，高频谐振模块为梁式结构，包括谐振梁，谐振梁的两端分别连接有固支模块，谐振梁的下端悬空设置于单晶硅基底处。
进一步的，固支模块包括位于单晶硅基底上的第一固定支撑端和第二固定支撑端；第一固定支撑端和第二固定支撑端上分别均匀溅射有第一金属电极层和第二金属电极层。
进一步的，单晶硅基底上设置有激励端，激励端上均匀溅射有第三金属电极层，激励端与谐振梁之间存在间隙形成电容，间隙尺寸为1～20um。
进一步的，单晶硅基底上设置有检测端，检测端上均匀溅射有第四金属电极层，检测端与谐振梁之间存在间隙并形成电容，间隙尺寸为1～20um。
具体的，高频谐振器的谐振频率fh与谐振传感模块的谐振频率fl的频率比为1：N。
进一步的，高频谐振器的梁长、梁宽及梁厚尺寸均为0～500μm。
具体的，谐振传感模块的比较器信号经分压电阻R'2输出后，单向输入至加法器，加法器将谐振传感模块输出信号与高频振荡回路的反馈信号进行叠加，以交流电压的形式输入至外部高频谐振器。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种基于单向电同步的超谐同步谐振式加速度计，形成的超谐同步相对于静电弱耦合方式而言，从根本上解决了耦合振荡器之间的相互作用导致的标度因子下降的问题；同时，由于电学信号具有较高的频率稳定性，当两个振荡器出现同步现象时，谐振传感模块中敏感梁振荡回路的噪声将得到大幅抑制，频率稳定性将得到大幅提升；因此，这将从多个方面显著改善同步加速度计的检测精度；分压模块主要由分压定值电阻和分压可调电阻组成；通过协调分配定值电阻与可调电阻之间的电阻比值，对比较器输出的方波的幅值进行可控调节；分压模块的作用是精确调节电同步信号的幅值大小，控制同步扰动信号的幅值强度。
进一步的，MEMS谐振式加速度计和高频谐振模块的固支模块对悬空的谐振元件进行必要支撑，保证谐振元件在激振力的作用下能稳定可持续的振动。
进一步的，谐振式音叉梁和盘式谐振器的结构尺寸均决定了谐振频率的大小。为实现两个模块之间的单向高阶同步，需要精确设计敏感梁的长度及高频谐振器的直径。本发明中，控制敏感梁的长度尺寸在100～300μm，盘式谐振器之间直径尺寸在10～300μm范围内可实现两个模块之间的超高阶同步现象。
进一步的，MEMS谐振式加速度计和高频谐振模块的激励模块位于谐振元件的一侧并构成可变电容。当可变电容的两侧具有电势差及交流信号的共同信号作用时由此产生的静电力将驱动谐振元件快速起振并持续振动达到稳定状态。
进一步的，MEMS谐振式加速度计和高频谐振模块的检测模块与谐振元件构成可变电容。谐振元件在激振力的作用下振动的位移信息被可变电容读取并输出动态电流信号，通过连续地信号采集及分析即可获知谐振元件的振动情况。
进一步的，检测模块与激励模块分别与谐振元件之间形成平行极板电容和弧形电容且电容的间隙大小决定了激振力和检测信号的强度。设置间隙尺寸为1～20μm可以保证谐振元件可以稳定振动，同时振动信号可以精确输出。
进一步的，频率读取模块用于读取敏感梁和高频谐振器的振动频率，通过反馈控制回路实现谐振元件的自激振荡，最终能保证其频率信息能被精确读取。
综上所述，本发明首次实现两个独立的谐振器件之间的同步现象，可实现两个或多个振荡器之间的远程同步。同时，作为一种普适的方法，这有助于大幅提升传统的MEMS谐振式加速度计的性能。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明测量电路结构原理图；
图2为MEMS谐振式加速度传感器结构图；
图3为MEMS谐振式高频谐振器结构图。
其中：1-1.谐振式敏感梁；1-2.第一固支锚点；1-3.第一金属电极层；1-4.第二连接锚点；1-5.第二电极板；1-6.第一电极板；2-1.第一激励锚点；2-2.第二金属电极层；2-3.第三电极板；3-1.第四电极板；3-2.第一检测锚点；3-3.第三金属电极层；4-1.第五电极板；4-2.第二激励锚点；4-3.第四金属电极层；5-1.第六电极板；5-2.第二检测锚点；5-3.第五金属电极层；6-1.传导梁；6-2.折叠梁；6-3.受力梁；6-4.支撑梁；6-5.第二支撑锚点；6-6.第一支撑锚点；7-1.质量块；7-2.质量块支撑梁；7-3.质量块支撑锚点；8-1.第一放大器；8-2.第一带通滤波；8-3.第一移相器；8-4.第一比较器；8-5.第一频谱分析仪；8-6.第一频率计数器；9.加法器；10.谐振梁；11-1.第一固定支撑端；11-2.第一金属电极层；12-1.第二固定支撑端；12-2.第二金属电极层；13-1.激励端；13-2.第三金属电极层；14-1.检测端；14-2.第四金属电极层；15-1.第二放大器；15-2.第二带通；15-3.第二移相器；15-4.第二比较器；15-5.第二频谱分析仪；15-6.第二频率计数器。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明提供了一种基于单向电同步的超谐同步加速度计，首次利用基于单向电信号的同步方式实现两个振荡器之间的超谐同步，将谐振传感模块(敏感梁)的振荡频率信息以电学信号的形式施加于同步谐振器上并对其产生影响。当谐振式加速度计感知外界加速度变化时，敏感梁振荡频率的变化量将单向地传输至高频同步振荡器中并被成倍数扩大。以这种方式形成的超谐同步相对于静电弱耦合方式而言，从根本上解决了耦合振荡器之间的相互作用导致的标度因子下降的问题，充分发挥超谐同步效应对整机性能提升的优势。同时，当两个振荡器出现同步现象时，敏感梁振荡回路的噪声将得到大幅抑制，频率稳定性将得到大幅提升。因此，这将从提升灵敏度、改善分辨率、降低噪声等多个方面同时优化谐振式加速度计的性能指标。
请参阅图2，本发明一种基于单向电同步的超谐同步加速度计，包括MEMS谐振式加速度计、频率读取模块、高频谐振模块、分压模块。
MEMS谐振式加速度计的结构是左右对称结构，质量块两侧均设计谐振式传感结构作为加速度敏感元件。以下仅以其中一侧为例做出说明。
谐振传感模块包括敏感梁模块、第一激励模块、第二激励模块、第一检测模块和第二检测模块，第一激励模块和第二激励模块设置在敏感梁模块的一侧，并与敏感梁模块连接，第一检测模块和第二检测模块设置在敏感梁模块的另一侧，并与敏感梁模块连接。
敏感梁模块包括谐振式敏感梁1-1、第一固支锚点1-2和第二连接锚点1-4。第一固支锚点1-2和第二连接锚点1-4位于谐振式敏感梁1-1两端并为其提供固定支撑。第一电极板1-5和第二电极板1-6位于谐振式敏感梁1-1两侧，并用短梁将其与谐振式敏感梁1-1相连。第一固支锚点1-2上均匀溅射有金属电极层1-3用于输入输出电学信号。
第一激励模块包括第一激励锚点2-1、第三电极板2-3和溅射于第一激励锚点上的第二金属电极层2-2。
第二激励模块包括第二激励锚点3-2、第四电极板3-1和溅射于第二激励极板上的第三金属电极层3-3。
第一检测模块包括第一检测锚点4-2、第五电极板4-1和溅射于第一检测锚点上的第四金属电极层4-3。
第二检测模块包括第二检测锚点5-2、第六电极板5-1和溅射于第二检测锚点上的第五金属电极层5-3。
第一固支锚点1-2、第一激励锚点2-1、第二激励锚点4-2、第一检测锚点3-2、第二检测锚点5-2的外形均为正方形，其尺寸范围为100～300μm。
第一金属电极层1-3、第二金属电极层2-2、第三金属电极层3-3、第四金属电极层4-3和第五金属电极层5-3的外形均为正方形，其尺寸为100～300μm。
第一电极板1-6与第三电极板2-3和第四电极板3-1之间存在一定的间隙形成平行板电容用于提供往复激振力。
第二电极板1-5与第五电极板4-1和第六电极板5-1之间均存在间隙，其间隙尺寸为1～10μm。
杠杆机构模块包括传导梁6-1，折叠梁6-2，受力梁6-3，支撑梁6-4、第一支撑锚点6-6和第二支撑锚点6-5。
受力梁6-3连接质量块7-1和折叠梁6-2，将质量块7-1的惯性力传导至传导梁6-1，传导梁6-1经第二连接锚点1-4与敏感梁1-1相连传递加速度的变化量。
第一支撑锚点6-6和第二支撑锚点6-5均与硅微基底相连，同时支撑梁6-4与第一支撑锚点6-6和第二支撑锚点6-5连接来支撑整个杠杆机构。
质量块模块包括质量块7-1，质量块支撑锚点7-3，质量块支撑梁7-2。质量块模块为左右对称结构，共有4根相同的质量块支撑梁和质量块支撑锚点。质量块7-1悬空于硅微基底上，下方镂空，并与质量块支撑梁7-2连接。
请参阅图3，高频谐振模块为梁式结构，包括谐振梁10，谐振梁10的两端分别连接有固支模块，谐振梁10的下端悬空设置于单晶硅基底处。
固支模块包括位于单晶硅基底上的第一固定支撑端11-1和第二固定支撑端12-1；第一固定支撑端11-1和第二固定支撑端12-1上分别均匀溅射有第一金属电极层11-2和第二金属电极层12-2。
单晶硅基底上设置有激励端13-1，激励端13-1上均匀溅射有第三金属电极层13-2，激励端13-1与谐振梁10之间存在间隙并形成电容，间隙尺寸为1～20um。
单晶硅基底上设置有检测端14-1，检测端14-1上均匀溅射有第四金属电极层14-2，检测端14-1与谐振梁10之间存在间隙并形成电容，间隙尺寸为1～20um。
频率读取模块是针对谐振式加速度计的敏感梁和高频谐振器建立的闭环反馈控制回路。反馈控制回路包含放大器、带通、移相器和比较器。通过调节控制回路的各项参数，保证高频谐振器和敏感梁能自激振荡于谐振频率附近。振荡的频率信息用信号发生器和频谱分析仪来读取。敏感梁闭环反馈的振荡信号输入至方波发生器中，形成频率相等、幅值可调的方波作为同步信号以静电扰动力的形式对高频振荡回路产生作用，最终实现超谐同步现象。
第一反馈控制回路包含第一放大器8-1、第一带通8-2、第一移相器8-3和第一比较器8-4。通过调节控制回路的各项参数，保证敏感梁能自激振荡于谐振频率附近。振荡的频率信息用第一频谱分析仪8-5和第一频率计数器8-6读取。敏感梁闭环反馈的振荡信号输入至分压模块中，形成频率相等、幅值可调的方波作为同步信号以静电扰动力的形式对高频振荡回路产生影响。
第二反馈控制回路包含依次连接的第二放大器18-1、第二带通18-2、第二移相器18/3和第二比较器18-4。通过调节控制回路的各项参数，保证高频谐振器能自激振荡于谐振频率附近。高频振荡器受到扰动力的作用后，产生超谐同步现象。最终，振荡的频率信息由第二频谱分析仪18-5和第二频率计数器18-6读取。
分压模块主要由分压定值电阻和分压可调电阻组成；通过协调分配定值电阻与可调电阻之间的电阻比值，对比较器输出的方波的幅值进行可控调节；分压模块的作用是精确调节电同步信号的幅值大小，控制同步扰动信号的幅值强度。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明一种基于单向电同步的超谐同步谐振式加速度计的工作原理为：
当加速度计承受外界加速度时，质量块在重力加速度的作用下，发生位移形变。质量块两端的杠杆机构将所受到的拉伸或压缩的应变进行一定比例的放大，使得质量块两端的敏感梁承受更大的拉伸应变或压缩应变。
敏感梁在拉伸应力和压缩应力的作用下，其谐振频率产生相应的变化。当敏感梁受到拉伸应力时，硅微谐振梁由于刚度变大的缘故，其谐振频率增加；反之当敏感梁受到压缩应力时，谐振梁由于刚度变小的原因，其谐振频率降低。这样，通过测量敏感梁的谐振频率的变化就可推算传感器所承受的加速度大小。
谐振梁的振动信号经过平板电极的静电检测后，进入了包含放大器、带通、移相器和比较器的闭环振荡回路，信号的频率信息由频率计数器和频谱分析仪来读取。由比较器产生的信号被分为两路，一路作为反馈信号输入敏感梁的激励极板以保证谐振器的自激振荡，另一路作为单向同步的扰动信号通过加法器输入至高频谐振器的激励端口，以扰动力的形式对高频振荡器产生影响，同时，控制可调电阻R1'和R2'可分别调节反馈电压和扰动电压的大小。为保证谐振器能起振并保持持续的自激振荡，需为第一振荡回路提供稳定的直流电压与交流电压。
其中，直流电压由谐振梁本体电势Vd1提供，交流电压由比较器输出的反馈信号提供。同样地，搭建由第二放大器、第二带通、第二移相器和第二比较器组成的闭环回路使得高频谐振器处于自激振荡状态，其频率信息由第二频率计数器和第二频谱分析仪读取。
敏感梁振荡器的频率信息以扰动力的形式输入至高频振荡器中，当两个振荡器的频率满足一定的关系时，两个振荡器将发生同步效应：
在同步带宽内，高频振荡器的频率将时刻跟随扰动力频率呈一定关系变化，即高频振荡器可将敏感梁振荡器的频率变化呈倍数的放大；当敏感梁振荡器受到外界加速度变化时，由于应力的变化导致振荡频率发生改变，随后高频振荡器将其频率变化呈倍数的放大，这将有助于成倍数地提升加速度计的标度因子。同时，由于同步效应可以提升振荡器的频率稳定性，这将进一步改善敏感梁的性能，最终大幅提升加速度计的灵敏度。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于单向电同步的超谐同步谐振式加速度计，其特征在于，包括MEMS谐振式加速度计和外部高频谐振器，MEMS谐振式加速度计的质量块模块两侧对称设置有谐振传感模块，两个谐振传感模块分别通过对应的杠杆机构模块与质量块模块连接，MEMS谐振式加速度计和外部高频谐振器分别通过振荡回路完成数据采集，MEMS谐振式加速度计用于将振动信号以电信号的形式引入至外部高频振荡器中并形成超谐同步，在同步带宽内，高频谐振器呈倍数地放大MEMS谐振式加速度计的频率偏移量输出；
高频谐振器为梁式结构，包括谐振梁(10)，谐振梁(10)的两端分别连接有固支模块，谐振梁(10)的下端悬空设置于单晶硅基底处，固支模块包括位于单晶硅基底上的第一固定支撑端(11-1)和第二固定支撑端(12-1)；第一固定支撑端(11-1)和第二固定支撑端(12-1)上分别均匀溅射有第一金属电极层(11-2)和第二金属电极层(12-2)，单晶硅基底上设置有激励端(13-1)，激励端(13-1)上均匀溅射有第三金属电极层(13-2)，激励端(13-1)与谐振梁(10)之间存在间隙形成电容，间隙尺寸为1～20um，单晶硅基底上设置有检测端(14-1)，检测端(14-1)上均匀溅射有第四金属电极层(14-2)，检测端(14-1)与谐振梁(10)之间存在间隙并形成电容，间隙尺寸为1～20um。
2.根据权利要求1所述的基于单向电同步的超谐同步谐振式加速度计，其特征在于，谐振传感模块用于感受质量块模块传导的应力变化并将其转化为谐振频率偏移量输出，频率偏移量ΔfL具体为：
Figure FDA0002947731350000011
其中，fL为谐振传感结构的谐振频率，a为外界环境加速度，meff为质量块模块的有效质量，为杠杆机构的有效放大倍数，L为谐振传感结构的低频谐振器的梁长，E为杨氏模量，I为旋转惯量。
3.根据权利要求2所述的基于单向电同步的超谐同步谐振式加速度计，其特征在于，在同步带宽内，外部高频谐振器和振荡回路组成的高频振荡器的频率输出量ΔfH为：
ΔfH＝N·ΔfL
其中，N为超谐同步阶数。
4.根据权利要求1所述的基于单向电同步的超谐同步谐振式加速度计，其特征在于，外部高频谐振器的谐振频率fh与谐振传感模块的谐振频率fl的频率比为1：N。
5.根据权利要求4所述的基于单向电同步的超谐同步谐振式加速度计，其特征在于，外部高频谐振器中谐振梁(10)的梁长、梁宽及梁厚尺寸均为0～500μm。
6.根据权利要求1所述的基于单向电同步的超谐同步谐振式加速度计，其特征在于，谐振传感模块的比较器信号经分压电阻R'2输出后，单向输入至加法器(9)，加法器(9)将谐振传感模块输出信号与高频振荡回路的反馈信号进行叠加，以交流电压的形式输入至外部高频谐振器。
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