CN111487435A - 基于弱耦合谐振器组三种工作方式的空气流速测量装置 - Google Patents

基于弱耦合谐振器组三种工作方式的空气流速测量装置 Download PDF

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CN111487435A CN202010408510.8A CN202010408510A CN111487435A CN 111487435 A CN111487435 A CN 111487435A CN 202010408510 A CN202010408510 A CN 202010408510A CN 111487435 A CN111487435 A CN 111487435A
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Abstract

本发明公开了一种用于空气流场敏感的基于弱耦合谐振器组三种工作方式的空气流速测量装置的三层结构设计方案。第一层结构是基于ABS材料的中空管状立柱，第二层结构是基于硅材料的微机械传感器，第三层结构是基于二氧化硅材料的基底。所述第一层中空管状立柱布置在第二层微机械传感器的几何中心处，第二层微机械传感器通过锚点与第三层基底键合。本发明的空气流速测量采用基于弱耦合谐振器组的振幅比检测方案，可以将传感器的相对机械灵敏度提升一到三个量级；弱耦和谐振器系组具备三种工作方式，可以在不同的驱动方式下进行外界空气流速信号的检测。

Description

基于弱耦合谐振器组三种工作方式的空气流速测量装置
技术领域
本发明涉及微机电系统和空气流速测量领域，特别是涉及一种基于弱耦合谐振器组三种工作方式的空气流速测量装置。
背景技术
空气流速测量技术对于微型飞行器和微型机器人的姿态控制具有非常重要的意义，微型飞行器和微型机器人等系统，体积和质量微小，对局部环境中突然产生的阵风等流场突变抵抗能力较差，极易导致运动失控，因此需要精准的外界空气流速传感测量功能来辅助和优化运动控制；同时微流速传感器还可以通过识别周围流场变化进行环境识别，如识别环境中障碍物、运动体等，来进行无视力条件下导航、运动引导和避障。
弱耦合谐振器是近年来逐渐受到关注的一种谐振部件。与传统的基于频率检测的谐振器输出原理不同，弱耦合谐振器采用对弱耦合系统振幅比变化的检测来实现对外部输入信号的敏感，从理论上来说，能够实现信号检测相对灵敏度的一到三个量级的提升。
近年来，国内外的研究机构逐渐展开了关于弱耦合谐振器的应用研究。剑桥大学的Ashwin A.Seshia在这领域做了较多的相关工作，基于弱耦合谐振器成功研制了质量传感器、磁场传感器、电场传感器等。但是在空气流速测量领域，针对于弱耦合谐振器，尚未进行器件级的开发研制。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种基于弱耦合谐振器组三种工作方式的空气流速测量装置。通过测量空气流速测量装置内部弱耦合谐振器的振幅比之和或者振幅比之差来实现对外界空气流速的测量。
本装置呈左、右对称布置，具备三种工作方式，具有分辨率高、温度特性好、抗共模干扰能力强等优点。
该装置为三层结构，第一层结构是基于ABS材料的中空管状立柱，第二层结构是基于硅材料的微机械传感器，第三层结构是基于二氧化硅材料的基底；
所述中空管状立柱布置在第二层微机械传感器的几何中心处，第二层微机械传感器通过锚点与所述基底键合，第三层基底上布置有信号电极；
所述第二层微机械传感器由立柱托盘，第一、二弱耦合谐振器组，第一、二微力放大杠杆结构，第一、二、三、四平面外稳定结构组成；其中第一、二弱耦合谐振器组分别对称布置在立柱托盘左、右位置，第一弱耦合谐振器组位于立柱托盘的左侧，第二弱耦合谐振器组位于立柱托盘的右侧；第一、二微力放大杠杆结构分别对称布置在立柱托盘上、下位置，其中第一微力放大杠杆结构位于立柱托盘的上侧，第二微力放大杠杆结构位于立柱托盘的下侧；
第一、二、三、四平面外稳定结构分别对称布置在立柱托盘的左上、左下、右上、右下位置；
其中第一微力放大杠杆结构上设有第一、二输出直梁；第二微力放大杠杆结构上设有第三、四、输出直梁；所述第一弱耦合谐振器与第一、二输出直梁相连接，所述第二弱耦合谐振器与第三、四输出直梁相连接；第一微力放大杠杆结构上的第一输入折梁和第二微力放大杠杆结构上的第二输入折梁均与所述立柱托盘相连接；第一、二、三、四平面外稳定结构上对应的第一、二、三、四稳定折梁均与立柱托盘相连接。
本发明进一步改进在于：其中所述第一、二弱耦合谐振器组的结构完全相同；其中第一弱耦合谐振器组由第一、二耦合三折梁和第一、二音叉谐振器组成；
第一、二耦合三折梁分别与第一、二音叉谐振器的第一、二耦合音叉谐振梁相连接；
第一、二音叉谐振器结构完全相同，其中所述第一音叉谐振器由音叉谐振器锚点，两根第一耦合音叉谐振梁，第一、二、三、四驱动梳齿组，第一、二检测梳齿组组成；
两根第一耦合音叉谐振梁中部与驱动梳齿组和检测梳齿组的活动梳齿相连接，第一、二、三、四驱动梳齿组分别布置在第一耦合音叉谐振梁的活动梳齿内侧，与活动梳齿对插形成驱动电容极板组；第一、二检测梳齿组分别布置在第一耦合音叉谐振梁的活动梳齿外侧，与活动梳齿对插形成检测电容极板组。
本发明进一步改进在于：所述第一、二微力放大杠杆结构结构完全相同；所述第一微力放大杠杆结构由的第一输入折梁，第一、二支撑锚点，第一、二杠杆，第一、二输出直梁组成；
第一输入折梁与分别与第一、二杠杆输入端相连接；第一、二支撑锚点分别与第一、二杠杆相连接形成支点，第一支撑锚点与第一杠杆相连，第二支撑锚点与第二杠杆相连。
本发明进一步改进在于：其中所述第一、二、三、四平面外稳定结构结构完全相同；所述第一平面外稳定结构由第一固定锚点和第一稳定折梁组成；其中所述第一固定锚点与第一稳定折梁的一端相连接。
本发明进一步改进在于：信号电极包括第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十、十一、十二、十三、十四、十五、十六驱动梳齿组键合电极；第一、二、三、四、五、六、七、八检测梳齿组键合电极；第一、二、三、四、五、六、七、八驱动信号引出电极；第一、二、三、四、五、六、七、八检测信号引出电极，第一、二公共电极，第一、二公共电极引出电极。
进一步，中空管状立柱受到外界空气流速所带来的拖曳力影响时，会在第一、二微力放大杠杆结构的第一、二输入折梁的输入端产生作用力，经过第一、二微力放大杠杆结构的放大作用后作用在第一、二弱耦合谐振器组之上，导致第一、二弱耦合谐振器组振幅比的改变。通过对第一、二弱耦合谐振器组的振幅比之和或者振幅比之差的测量，即可反推出外界空气流场中空气流速的大小。
其中弱耦合谐振器组具有同相运动和反相运动两个工作模态，其中同相运动工作模态下两个谐振器的运动方向一致，反相运动工作模态下两个谐振器的运动方向相反。在弱耦合谐振器组驱动电容极板组上施加频率为同相运动模态频率的等幅同相交流电压时，会使弱耦合谐振器组工作在同相运动模态；在弱耦合谐振器组驱动电容极板组上施加频率为反相运动模态频率的等幅反相交流电压时，会使弱耦合谐振器组工作在反相运动模态。
进一步的，基于弱耦合谐振器组三种工作方式的空气流速测量装置具有三种工作方式，第一种工作方式为两组弱耦合谐振器组都工作在同相模态，传感器的输出方式为两组弱耦合谐振器组的振幅比之差；第二种工作方式为两组弱耦合谐振器组都工作在反相模态，传感器的输出方式为两组弱耦合谐振器组的振幅比之差；第三种工作方式为一组弱耦合谐振器组工作在同相模态，一组弱耦合谐振器组工作在反相模态，传感器的输出方式为两组弱耦合谐振器组的振幅比之和。
有益效果：本发明相对于现有技术而言具有以下优点：
1、采用对称结构布置，有效抑制共模干扰；
2、采用真空立柱与外界空气接触，有效增大空气流动导致的拖曳力，从而提升传感器灵敏度；
3、采用振幅比信号作为输出信号，相对于传统的频率信号检测，可以将传感器的相对机械灵敏度提升一到三个量级；
4、谐振器系统具备三种工作方式，可以在不同的驱动方式下进行外界空气流速信号的检测。输出信号对于非理想误差以及外界共模干扰如温度干扰、空气压强干扰等具备较强的鲁棒性。
附图说明
图1为本发明的整体机械结构示意图；
图2为本发明的硅微机械传感器示意图；
图3a为本发明的第一弱耦合谐振器组示意图；
图3b为本发明的第一弱耦合谐振器组示意图；
图4a为本发明的第一微力放大杠杆结构示意图；
图4b为本发明的第二微力放大杠杆结构示意图；
图5为本发明的平面外稳定结构结构示意图；
图6为本发明的二氧化硅基底及信号引出线示意图；
具体实施方案
下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，本发明提供的基于弱耦合谐振器组三种工作方式的空气流速测量装置为三层结构，第一层结构是基于ABS材料的中空管状立柱1，第二层结构是基于硅材料的微机械传感器，第三层结构是基于二氧化硅材料的基底7。所述第一层中空管状立柱1布置在第二层微机械传感器的几何中心处，第二层微机械传感器通过锚点与第三层基底7键合。
如图2所示，所述第二层微机械传感器由立柱托盘2，第一、二弱耦合谐振器组3-1、3-2，第一、二微力放大杠杆结构4-1、4-2，第一、二、三、四平面外稳定结构5-1、5-2、5-3、5-4组成；其中第一、二弱耦合谐振器组3-1、3-2分别对称布置在立柱托盘2左、右位置，第一弱耦合谐振器组3-1位于立柱托盘2的左侧，第二弱耦合谐振器组3-2位于立柱托盘2的右侧；第一、二微力放大杠杆结构4-1、4-2分别对称布置在立柱托盘2上、下位置，其中第一微力放大杠杆结构4-1位于立柱托盘2的上侧，第二微力放大杠杆结构4-2位于立柱托盘2的下侧；第一、二、三、四平面外稳定结构5-1、5-2、5-3、5-4分别对称布置在立柱托盘2的左上、左下、右上、右下位置；第一微力放大杠杆结构4-1上设有第一、二输出直梁4-1-6、4-1-7；第二微力放大杠杆结构4-2上设有第三、四、输出直梁4-2-6、4-2-7；所述第一弱耦合谐振器3-1与第一、二输出直梁4-1-6、4-2-7相连接，所述第二弱耦合谐振器3-2与第三、四输出直梁4-1-7、4-2-6相连接；第一微力放大杠杆结构4-1上的第一输入折梁4-1-1和第二微力放大杠杆结构4-2上的第二输入折梁4-2-1均与所述立柱托盘2相连接；第一、二、三、四平面外稳定结构5-1、5-2、5-3、5-4上对应的第一、二、三、四稳定折梁5-1-2、5-2-2、5-3-2、5-4-2均与立柱托盘2相连接。
如图3a和3b所示：所述第一、二弱耦合谐振器组3-1、3-2结构完全相同。如图3a所示，具体以第一弱耦合谐振器组3-1为例，其中第一弱耦合谐振器组3-1由第一、二耦合三折梁3-1-1、3-1-2和第一、二音叉谐振器3-1-3、3-1-4组成；第一、二耦合三折梁3-1-1、3-1-2分别与第一、二音叉谐振器3-1-3、3-1-4的第一、二耦合音叉谐振梁3-1-3-2、3-1-4-2相连接；第一、二音叉谐振器3-1-3、3-1-4结构完全相同，其中所述第一音叉谐振器3-1-3由音叉谐振器锚点3-1-3-1，两根第一耦合音叉谐振梁3-1-3-2，第一、二、三、四驱动梳齿组3-1-3-3、3-1-3-4、3-1-3-5、3-1-3-6，第一、二检测梳齿组3-1-3-7、3-1-3-8组成；两根第一耦合音叉谐振梁3-1-3-2中部与驱动梳齿组和检测梳齿组的活动梳齿相连接，第一、二、三、四驱动梳齿组3-1-3-3、3-1-3-4、3-1-3-5、3-1-3-6分别布置在第一耦合音叉谐振梁3-1-3-2的活动梳齿内侧，与活动梳齿对插形成驱动电容极板组；第一、二检测梳齿组3-1-3-7、3-1-3-8分别布置在第一耦合音叉谐振梁3-1-3-2的活动梳齿外侧，与活动梳齿对插形成检测电容极板组。
如图4a和4b所示：所述第一、二微力放大杠杆结构4-1、4-2结构完全相同。如图4a所示，具体以第一微力放大杠杆结构4-1为例，所述第一微力放大杠杆结构4-1由的第一输入折梁4-1-1，第一、二支撑锚点4-1-2、4-1-3，第一、二杠杆4-1-4、4-1-5，第一、二输出直梁4-1-6、4-1-7组成；第一输入折梁4-1-1与分别与第一、二杠杆4-1-4、4-1-5输入端相连接；第一、二支撑锚点4-1-2、4-1-3分别与第一、二杠杆4-1-4、4-1-5相连接形成支点，第一支撑锚点4-1-2与第一杠杆4-1-4相连，第二支撑锚点4-1-3与第二杠杆4-1-5相连。
所述第一、二、三、四平面外稳定结构5-1、5-2、5-3、5-4结构完全相同。如图5所示，具体以第一平面外稳定结构5-1为例，所述第一平面外稳定结构5-1由第一固定锚点5-1-1和第一稳定折梁5-1-2组成；其中所述第一固定锚点5-1-1与第一稳定折梁5-1-2的一端相连接。
本发明中二氧化硅基底及信号引出线布置如图6所示。信号电极包括第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十、十一、十二、十三、十四、十五、十六驱动梳齿组键合电极6-5-1、6-5-2、6-5-3、6-5-4、6-6-1、6-6-2、6-6-3、6-6-4、6-7-1、6-7-2、6-7-3、6-7-4、6-8-1、6-8-2、6-8-3、6-8-4；第一、二、三、四、五、六、七、八检测梳齿组键合电极6-5-5、6-5-6、6-6-5、6-6-6、6-7-5、6-7-6、6-8-5、6-8-6；第一、二、三、四、五、六、七、八驱动信号引出电极6-1-1、6-1-2、6-2-1、6-2-2、6-3-1、6-3-2、6-4-1、6-4-2；第一、二、三、四、五、六、七、八检测信号引出电极6-1-3、6-1-4、6-2-3、6-2-4、6-3-3、6-3-4、6-4-3、6-4-4，第一、二公共电极6-9-1、6-9-2，第一、二公共电极引出电极6-10-1、6-10-2。
本发明的基于弱耦合谐振器组三种工作方式的空气流速测量装置置于外界空气流场之中时，中空立柱会受到外界空气流速所带来的拖曳力影响，会在微力放大杠杆结构的输入折梁的输入端产生作用力，经过杠杆的放大作用后作用在弱耦合谐振器组的音叉谐振梁之上，从而导致音叉谐振梁刚度的变化，最终导致弱耦合谐振器组振幅比的改变。弱耦合谐振器组具有同相运动和反相运动两个工作模态，其中同相运动工作模态下两个耦合音叉谐振器的运动方向一致，反相运动工作模态下两个耦合音叉谐振器的运动方向相反。在弱耦合谐振器组驱动梳齿组上施加频率为同相运动模态频率的同频同相交流电压时，会使弱耦合谐振器组工作在同相运动模态；在弱耦合谐振器组驱动梳齿组上施加频率为反相运动模态频率的同频反相交流电压时，会使弱耦合谐振器组工作在反相运动模态。
根据动力学分析可以，弱耦合谐振器组工作在同相模态和反相模态时，两个耦合音叉谐振器的振幅比为：
Figure BDA0002492315630000101
Figure BDA0002492315630000102
上式中，ηin和ηanti分别为弱耦合谐振器组工作在同相模态和反相模态时耦合音叉谐振器的振幅比，Δk为音叉谐振梁的轴向刚度变化，kc为耦合三折梁刚度。基于弱耦合谐振器组三种工作方式的空气流速测量装置具有三种工作方式，第一种工作方式为两组弱耦合谐振器组都工作在同相模态，传感器的输出方式为两组弱耦合谐振器组的振幅比之差；第二种工作方式为两组弱耦合谐振器组都工作在反相模态，传感器的输出方式为两组弱耦合谐振器组的振幅比之差；第三种工作方式为一组弱耦合谐振器组工作在同相模态，一组弱耦合谐振器组工作在反相模态，传感器的输出方式为两组弱耦合谐振器组的振幅比之和。通过对两组弱耦合谐振器组的振幅比之和或者振幅比之差的测量，即可反推出外界空气流场中空气流速的大小。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (5)

1.一种基于弱耦合谐振器组三种工作方式的空气流速测量装置，其特征在于：该装置为三层结构，第一层结构是基于ABS材料的中空管状立柱（1），第二层结构是基于硅材料的微机械传感器，第三层结构是基于二氧化硅材料的基底（7）；
所述中空管状立柱（1）布置在第二层微机械传感器的几何中心处，第二层微机械传感器通过锚点与所述基底（7）键合，第三层基底（7）上布置有信号电极；
所述第二层微机械传感器由立柱托盘（2），第一、二弱耦合谐振器组（3-1、3-2），第一、二微力放大杠杆结构（4-1、4-2），第一、二、三、四平面外稳定结构（5-1、5-2、5-3、5-4）组成；
其中第一、二弱耦合谐振器组（3-1、3-2）分别对称布置在立柱托盘（2）左、右位置，第一弱耦合谐振器组（3-1）位于立柱托盘（2）的左侧，第二弱耦合谐振器组（3-2）位于立柱托盘（2）的右侧；
第一、二微力放大杠杆结构（4-1、4-2）分别对称布置在立柱托盘（2）上、下位置，其中第一微力放大杠杆结构（4-1）位于立柱托盘（2）的上侧，第二微力放大杠杆结构（4-2）位于立柱托盘（2）的下侧；
第一、二、三、四平面外稳定结构（5-1、5-2、5-3、5-4）分别对称布置在立柱托盘（2）的左上、左下、右上、右下位置；
第一微力放大杠杆结构（4-1）上设有第一、二输出直梁（4-1-6、4-1-7）；
第二微力放大杠杆结构（4-2）上设有第三、四、输出直梁（4-2-6、4-2-7）；
所述第一弱耦合谐振器（3-1）与第一、二输出直梁（4-1-6、4-2-7）相连接，所述第二弱耦合谐振器（3-2）与第三、四输出直梁（4-1-7、4-2-6）相连接；
第一微力放大杠杆结构（4-1）上的第一输入折梁（4-1-1）和第二微力放大杠杆结构（4-2）上的第二输入折梁（4-2-1）均与所述立柱托盘（2）相连接；
第一、二、三、四平面外稳定结构（5-1、5-2、5-3、5-4）上对应的第一、二、三、四稳定折梁（5-1-2、5-2-2、5-3-2、5-4-2）均与立柱托盘（2）相连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于弱耦合谐振器组三种工作方式的空气流速测量装置，其特征在于：其中所述第一、二弱耦合谐振器组（3-1、3-2）的结构完全相同；其中第一弱耦合谐振器组（3-1）由第一、二耦合三折梁（3-1-1、3-1-2）和第一、二音叉谐振器（3-1-3、3-1-4）组成；
第一、二耦合三折梁（3-1-1、3-1-2）分别与第一、二音叉谐振器（3-1-3、3-1-4）的第一、二耦合音叉谐振梁（3-1-3-2、3-1-4-2）相连接；
第一、二音叉谐振器（3-1-3、3-1-4）结构完全相同，其中所述第一音叉谐振器（3-1-3）由音叉谐振器锚点（3-1-3-1），两根第一耦合音叉谐振梁（3-1-3-2），第一、二、三、四驱动梳齿组（3-1-3-3、3-1-3-4、3-1-3-5、3-1-3-6），第一、二检测梳齿组（3-1-3-7、3-1-3-8）组成；
两根第一耦合音叉谐振梁（3-1-3-2）中部与驱动梳齿组和检测梳齿组的活动梳齿相连接，第一、二、三、四驱动梳齿组（3-1-3-3、3-1-3-4、3-1-3-5、3-1-3-6）分别布置在第一耦合音叉谐振梁（3-1-3-2）的活动梳齿内侧，与活动梳齿对插形成驱动电容极板组；第一、二检测梳齿组（3-1-3-7、3-1-3-8）分别布置在第一耦合音叉谐振梁（3-1-3-2）的活动梳齿外侧，与活动梳齿对插形成检测电容极板组。
3.根据权利要求1所述的一种基于弱耦合谐振器组三种工作方式的空气流速测量装置，其特征在于：所述第一、二微力放大杠杆结构（4-1、4-2）结构完全相同；所述第一微力放大杠杆结构（4-1）由的第一输入折梁（4-1-1），第一、二支撑锚点（4-1-2、4-1-3），第一、二杠杆（4-1-4、4-1-5），第一、二输出直梁（4-1-6、4-1-7）组成；
第一输入折梁（4-1-1）与分别与第一、二杠杆（4-1-4、4-1-5）输入端相连接；第一、二支撑锚点（4-1-2、4-1-3）分别与第一、二杠杆（4-1-4、4-1-5）相连接形成支点，第一支撑锚点（4-1-2）与第一杠杆（4-1-4）相连，第二支撑锚点（4-1-3）与第二杠杆（4-1-5）相连。
4.根据权利要求1所述的一种基于弱耦合谐振器组三种工作方式的空气流速测量装置，其特征在于：其中所述第一、二、三、四平面外稳定结构（5-1、5-2、5-3、5-4）结构完全相同；所述第一平面外稳定结构（5-1）由第一固定锚点（5-1-1）和第一稳定折梁（5-1-2）组成；其中所述第一固定锚点（5-1-1）与第一稳定折梁（5-1-2）的一端相连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于弱耦合谐振器组三种工作方式的空气流速测量装置，其特征在于：所述信号电极包括第一、二、三、四、五、六、七、八、九、十、十一、十二、十三、十四、十五、十六驱动梳齿组键合电极（6-5-1、6-5-2、6-5-3、6-5-4、6-6-1、6-6-2、6-6-3、6-6-4、6-7-1、6-7-2、6-7-3、6-7-4、6-8-1、6-8-2、6-8-3、6-8-4）；
第一、二、三、四、五、六、七、八检测梳齿组键合电极（6-5-5、6-5-6、6-6-5、6-6-6、6-7-5、6-7-6、6-8-5、6-8-6）；
第一、二、三、四、五、六、七、八驱动信号引出电极（6-1-1、6-1-2、6-2-1、6-2-2、6-3-1、6-3-2、6-4-1、6-4-2）；
第一、二、三、四、五、六、七、八检测信号引出电极（6-1-3、6-1-4、6-2-3、6-2-4、6-3-3、6-3-4、6-4-3、6-4-4），第一、二公共电极（6-9-1、6-9-2），第一、二公共电极引出电极（6-10-1、6-10-2）。
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