CN112230017B - 弱耦合式mems加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弱耦合式MEMS加速度传感器，包括N个锚点，用于提供锚固连接点；敏感质量块；M个支撑结构，与M个锚点连接，用于支撑敏感质量块；第一谐振器，包括第一谐振梁、第一驱动电极和第一检测电极，第一谐振梁一端通过杠杆结构与敏感质量块连接，第一驱动电极用于给第一谐振梁激振，第一检测电极用于检测第一谐振梁的振幅；第二谐振器，包括第二谐振梁、第二驱动电极和第二检测电极，第二谐振梁的一端与一个锚点连接，第二谐振梁的另一端通过耦合结构与第一谐振梁的另一端连接，第二驱动电极用于给第二谐振梁激振，第二检测电极用于检测第二谐振梁的振幅；第一谐振器的质量小于第二谐振器的质量，第一谐振器与第二谐振器的本征频率相等。

Description

弱耦合式MEMS加速度传感器

技术领域

本公开涉及加速度测量技术领域，尤其涉及一种弱耦合式MEMS加速度传感器。

背景技术

微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，简称MEMS)加速度传感器具有重量轻、体积小、功耗低、可靠性高、灵敏度高、易于集成等优势，广泛运用于能源探勘、汽车电子、各种消费电子等领域。常见的MEMS加速度传感器按敏感原理的不同可以分为:压阻式、压电式、隧道效应式、电容式以及谐振式等。

弱耦合式MEMS加速度传感器测量原理是基于谐振器之间的模态局域化效应，通过检测谐振结构振动幅度的比值(简称幅值比)变化获得加速度。相比以其他类型的加速度传感器，弱耦合式MEMS加速度传感器具有灵敏度高，并且输出信号为比值，具有很高的抗干扰能力和稳定性。

弱耦合式MEMS加速度传感器的工作机制为加速度—惯性力—刚度—谐振频率/幅值比，现有技术中典型结构如图1所示，包括敏感质量块结构及其支撑结构，杠杆结构、谐振器和耦合结构。其工作原理：外界加速度作用于敏感质量块结构上，产生惯性力，该惯性力被杠杆结构进一步放大，而后作用于耦合谐振器上，改变系统等效刚度，从而改变耦合谐振器不同模态的谐振频率与振动幅度。

弱耦合式MEMS加速度传感器的灵敏度主要与谐振器之间耦合结构的强弱有关，谐振器之间耦合强度越弱，加速度传感器的灵敏度就越高。谐振器之间耦合方式主要分为静电耦合和机械耦合，静电耦合是指谐振器之间通过静电力相互作用，耦合强弱主要与加载电压以及平行板结构间隙有关，但是低噪声高稳定性的偏置电压很难实现，平行板结构间隙尺寸会受到加工工艺的限制；机械耦合是指谐振器之间通过机械结构之间应力相互作用，耦合强弱主要与具体的机械耦合结构有关，实现稳定的弱耦合需要复杂度较高的机械结构。也即，通过调整谐振器之间耦合强度来提高弱耦合式MEMS加速度传感器的灵敏度比较困难，需要从其他方向入手对其改进，提高弱耦合式MEMS加速度传感器的灵敏度。

发明内容

鉴于现有技术中对弱耦合式MEMS加速度传感器灵敏度越来越高的需求，传统的方法是通过减少谐振器之间的耦合强度来提高弱耦合式MEMS加速度传感器的灵敏度，由于电学耦合中低噪声高稳定性的偏置电压获取的难度加大、机械耦合中耦合结构的复杂程度较高并且受到加工工艺限制，上述传统的技术手段已经无法在实际应用中达到加速度传感器高灵敏度指标，因此，本发明从谐振器的结构尺寸出发，提出了一种新的提升弱耦合式MEMS加速度传感器灵敏度的方法。

为了实现上述目的，本公开提供了如下的技术方案。

一种弱耦合式MEMS加速度传感器，包括N个锚点、敏感质量块、支撑结构、第一谐振器和第二谐振器。

其中，所述N个锚点分布在加速度传感器的不同位置，用于提供锚固连接点，其中，N为大于2的整数。

M个支撑结构，与M个所述锚点连接，用于支撑所述敏感质量块，以减少所述敏感质量块在自身重力作用下的变形量，其中，M为大于1且小于N的整数。

所述第一谐振器包括第一谐振梁、第一驱动电极和第一检测电极，所述第一谐振梁的一端通过杠杆结构与所述敏感质量块连接，另一端与耦合结构连接，所述第一驱动电极用于给所述第一谐振梁激振，所述第一检测电极用于检测所述第一谐振梁的振幅。

所述第二谐振器包括第二谐振梁、第二驱动电极和第二检测电极，所述第二谐振梁的一端与一个所述锚点连接，所述第二谐振梁的另一端通过所述耦合结构与所述第一谐振梁的另一端连接，所述第二驱动电极用于给所述第二谐振梁激振，第二检测电极用于检测所述第二谐振梁的振幅。

所述第一谐振器的质量小于所述第二谐振器的质量，所述第一谐振器与所述第二谐振器的本征频率相等。

根据本公开提供的一些实施例，所述第一谐振梁和所述第二谐振梁的材质和厚度相同，所述第一谐振梁的宽度为w₁，长度为l₁，所述第二谐振梁的宽度为w₂，长度为l₂，当所述第一谐振器和所述第二谐振器的工作模态均为一阶时，满足

且w₁＜w₂，l₁＜l₂。

根据本公开提供的一些实施例，所述第一谐振梁与所述第二谐振梁的材质、厚度和宽度均相同，所述第一谐振梁的长度为l₁，所述第二谐振梁的长度为l₂，满足l₁＜l₂，所述第二谐振梁包括n个第二驱动电极和n个第二检测电极，所述第一谐振器的工作模态为一阶，所述第二谐振器的工作模态为n(n≥2且为整数)阶。

根据本公开提供的一些实施例，所述第一驱动电极、所述第一检测电极与所述第一谐振梁形成梳齿电容器或者平行板电容器，所述第二驱动电极、所述第二检测电极与所述第二谐振梁形成梳齿电容器或者平行板电容器。

根据本公开提供的一些实施例，所述支撑结构数量为多个，对称分布在所述敏感质量块的两侧、分布在所述敏感质量块外围外围或内嵌在所述敏感质量块中，也可以内嵌在敏感质量块中。

根据本公开提供的一些实施例，所述支撑结构是单梁结构或折叠梁结构。

根据本公开提供的一些实施例，所述杠杆结构包括杠杆力臂、输入梁结构、输出梁结构和支点梁结构，所述输入梁结构的一端与所述敏感质量块相连，另一端与所述杠杆力臂的一端相连；所述输出梁结构一端与所述第一谐振梁相连，另一端与所述杠杆力臂的另一端相连；所述支点梁结构的一端与所述杠杆力臂相连，另一端通过一所述锚点进行固定，所述杠杆结构是单级杠杆或多级杠杆。

根据本公开提供的一些实施例，所述杠杆结构数量为两个，对称分布在所述一谐振梁轴线的两侧。

根据本公开提供的一些实施例，所述耦合结构为静电耦合结构或机械耦合结构。

根据本公开提供的一些实施例，还包括接口电路，所述接口电路与所述第一检测电极以及n个所述第二检测电极连接，用于检测所述第一谐振梁和所述第二谐振梁的振幅。

从上述技术方案可以看出，本公开的一些实施例通过设置两个谐振梁本征频率相同，但是质量不同的第一谐振器和第二谐振器，其中，第二谐振器的谐振梁的质量大于第一谐振器的谐振梁的质量，使得设置在第一谐振器和第二谐振器之间的耦合结构的两端应力传递不对等，具体的表现为从第二谐振器传递到第一谐振器上的应力较小，进而产生单向更弱的耦合，最终实现增大弱耦合式MEMS加速度传感器灵敏度的目的。

附图说明

图1示意性示出了本公开实施例的弱耦合式MEMS加速度传感器的结构示意图；

图2示意性示出了本公开实施例的弱耦合式MEMS加速度传感器局部结构示意图；

图3示意性示出了本公开实施例的弱耦合式MEMS加速度传感器的加速度传感器频率曲线仿真图(Matlab)；

图4示意性示出了本公开一实施例的弱耦合式MEMS加速度传感器的加速度传感器幅值比曲线仿真图(Matlab)；

图5示意性示出了本公开实施例的弱耦合式MEMS加速度传感器的谐振器谐振梁结构以及模态图(COMSOL)；

图6示意性示出了本公开另一实施例的弱耦合式MEMS加速度传感器的加速度传感器幅值比曲线仿真图(COMSOL)；

图7示意性示出了本公开另一实施例的弱耦合式MEMS加速度传感器的加速度传感器幅值比曲线仿真图(COMSOL)；

其中，

1表示锚点；2表示支撑结构；3表示敏感质量块；4表示第一谐振器，41表示第一谐振梁，42表示第一驱动电极，43表示第一检测电极；5表示第二谐振器，51表示第二谐振梁，52表示第二驱动电极，53表示第二检测电极；6表示杠杆结构；7表示耦合结构；8表示接口电路；9表示加速度方向。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”表明了特征、步骤、操作的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。例如，本征频率是一个或一组能够以纯正弦或余弦三角函数的角度参数表示的频率参数，本征频率(eigen frequency)有时也称为特征频率，固有频率，本振频率等，是表示所研究对象内在属性的一种参数，也即通常所说的共振想象时的物体的固有频率。

本公开提供一种弱耦合式MEMS加速度传感器，图1示意性示出了本公开实施例的弱耦合式MEMS加速度传感器的结构示意图；图2示意性示出了本公开实施例的弱耦合式MEMS加速度传感器局部结构示意图。

如图1、图2所示，本公开提供了一种弱耦合式MEMS加速度传感器灵敏度的技术方案，具体如下。

一种弱耦合式MEMS加速度传感器，包括N个锚点1、敏感质量块3、支撑结构2、第一谐振器4和第二谐振器5。

敏感质量块3，在外界加速度作用在敏感质量块3上之后，在惯性的作用下，敏感质量3块会沿加速度方向9向前给予前方接触连接的杠杆结构一个力。

N个锚点1分布在所述弱耦合式MEMS加速度传感器的不同位置，用于提供锚固连接点，其中，N为大于2的整数。可选的，在敏感质量块3、支撑结构2和第二谐振器5周围，以及弱耦合式MEMS加速度传感器的其他功能部件的周围均设置有锚点1，用于给功能部件提供锚固固定的连接点。

M个支撑结构2，与M个锚点连接，用于支撑敏感质量块3，以减少敏感质量块3在自身重力作用下的变形量，其中，M为大于1且小于N的整数。

根据本公开提供的一些实施例，可选的，M为大于2的偶数，例如4个、6个、8个或更多个，M个支撑结构2对称的分布在敏感质量块3的两侧，敏感质量块3同侧的多个支撑结构2均匀间隔设置，用以保证敏感质量块3在加速度的作用下不会发生转动。

根据本公开提供的一些实施例，对称分布在敏感质量块3两侧的两个支撑结构2的连线与敏感质量块3的加速度方向9垂直。

根据本公开提供的一些实施例，支撑结构2是单梁结构或折叠梁结构。

根据本公开提供的一些实施例，杠杆结构6数量为两个，对称分布在第一谐振梁41轴线的两侧。

根据本公开提供的一些实施例，可选的，敏感质量块3为矩形板，M个支撑结构2对敏感质量块3起到一个支撑的作用，防止敏感质量块3因为自重产生扭曲变形，从而影响弱耦合式MEMS加速度传感器的灵敏度。

根据本公开提供的一些实施例，第一谐振器4包括第一谐振梁41、第一驱动电极42和第一检测电极43，第一谐振梁41的一端通过杠杆结构6与敏感质量块3连接，另一端与耦合结构7连接，第一驱动电极42用于给第一谐振梁41激振，第一检测电极43用于检测第一谐振梁41的振幅和谐振频率。

根据本公开提供的一些实施例，第一谐振梁41的一端与杠杆结构6固定连接，另一端与耦合结构7连接，在受到第一驱动电极42的激振后发生谐振，同时，在杠杆结构6传递过来的力的作用下，其等效刚度、谐振频率和振幅均发生变化，通过第一检测电极43可以检测其振幅和谐振频率，并将数据输出。

根据本公开提供的一些实施例，第二谐振器5包括第二谐振梁51、第二驱动电极52和第二检测电极53，第二谐振梁51的一端与一个锚点1连接，第二谐振梁51的另一端通过耦合结构7与第一谐振梁41的另一端连接，第二驱动电极52用于给第二谐振梁51激振，第二检测电极53用于检测第二谐振梁51的振幅与谐振频率。

根据本公开提供的一些实施例，第二谐振梁51一端与锚点1固定，另一端与耦合结构7连接固定，在受到第二检测电极53的激振后发生谐振，同时，在耦合结构7传递过来的力的作用下，其等效刚度、谐振频率和振幅均发生变化，通过第二检测电极53可以检测其振幅和谐振频率，并将数据输出。

通过计算第一谐振梁41与第二谐振梁51的谐振频率/幅值比，来计算出具体的加速度数据，其具体的计算方式为现有技术，在此不再进行过多的赘述，本领域技术人员可通过现有技术中的资料对其理解，而不会产生方案不清楚的问题。

根据本公开提供的一些实施例，第一谐振器4的质量小于第二谐振器5的质量，第一谐振器4与第二谐振器5的本征频率相等。通过在耦合结构7两侧设置两个质量不同的谐振器，可以使得在耦合结构7的两端应力传递不对等，具体的体现为，从第二谐振器5通过耦合结构7传递到第一谐振器4的应力小于从第一谐振器4通过耦合结构7传递到第二谐振器5的应力，从而产生单向更弱的耦合，利用模态局域化效应，最终实现增大弱耦合式MEMS加速度传感器的灵敏度。

其中，谐振梁的本征频率的平方与谐振梁的等效刚度呈线性比例关系，与谐振梁的质量，呈现反比例关系。

根据本公开提供的一些实施例，第一谐振梁41和第二谐振梁51的本征频率相同，实现第一谐振器4的质量小于第二谐振器5的质量的技术方案，有多种方式，下面结合具体实施例进行详细阐述。

根据本公开提供的一些实施例，第一谐振器4和第二谐振器5均处于一阶工作模态，那么第一谐振器4和第二谐振器5的驱动电极和检测电极的数量与位置均相同。以第一谐振器4为基础不变，调整第二谐振器的尺寸，其中，谐振梁的一阶本征频率与谐振梁的厚度无关，与谐振梁的宽度/长度的平方线性相关，也即可以通过按照一定比例增大第二谐振梁宽度和长度，保持器宽度/长度的平方不变，实现增大第二谐振梁5的质量，具体如下。

第一谐振梁41和第二谐振梁51的材质和厚度相同，第一谐振梁41的宽度为w₁，长度为l₁，第二谐振梁51的宽度为w₂，长度为l₂，当第一谐振器4和第二谐振器5的工作模态均为一阶时，满足以下公式：

且w₁＜w₂，l₁＜l₂。

根据本公开提供的一些实施例，同时增大第二谐振梁5的长度和宽度，随着增大程度的增加，其设计、加工难度会上升，同时会造成部分空间的浪费，因此，基于谐振梁在高阶工作模态的情况下的本征频率高于其在一阶工作模态的本征频率，以及增大谐振梁的长度，会降低谐振梁的本征频率，可以通过在第二谐振梁51的两侧设置n个第二驱动电极52和n个第二检测电极53，使得第二谐振梁51处于n阶工作模态，同时，增大第二谐振梁的长度，两者结合保证其本征频率不发生变化，实现增大第二谐振器5的质量，具体方案如下。

根据本公开提供的一些实施例，第一谐振梁41与第二谐振梁51的材质、厚度和宽度均相同，第一谐振梁41的长度为l₁，第二谐振梁51的长度为l₂，满足l₁＜l₂，第二谐振梁51包括n个第二驱动电极52和n个第二检测电极53，第一谐振器4的工作模态为一阶，第二谐振器5的工作模态为n阶。具体的长度l₁、l₂与n之间的计算方式，可通过现有技术以及实验室测试可得，在此不进行过多的赘述，本领域技术人员可通过现有技术中的资料对其理解，而不会产生方案不清楚的问题。

根据本公开提供的一些实施例，图5示意性示出了本公开实施例的弱耦合式MEMS加速度传感器的谐振器谐振梁结构以及模态图(COMSOL)；图6示意性示出了本公开另一实施例的弱耦合式MEMS加速度传感器的加速度传感器幅值比曲线仿真图(COMSOL)；图7示意性示出了本公开另一实施例的弱耦合式MEMS加速度传感器的加速度传感器幅值比曲线仿真图(COMSOL)。下面结合某一些具体实施例对本公开的技术方案进行阐述，应当理解的是，这些具体实施例只是为了更好的、更清楚的对本公开技术方案的阐述，以便于本领域技术人员对本公开技术方案的理解，而不应当视为对本公开的保护范围的限定。

如图5所示，在COMSOL中建立仿真模型，进行有限元仿真，加速度传感器中谐振器谐振梁结构如图5中(a)所示，将第二谐振器5的第二谐振梁51宽度增大到第一谐振器4的第一谐振梁41宽度的1.5倍，为了保证本征谐振频率不变，需要将第二谐振梁51的长度增大到第一谐振梁41长度的1.2247倍，因此第二谐振器5的第二谐振梁51质量增大为第一谐振器4中第一谐振梁41质量的1.837倍，其振动模态如图5中(b)所示，幅值比响应曲线如图6所示，仿真结果表明灵敏度增大为原先的2.1043倍，近乎为第二谐振梁51与第一谐振梁41质量的比值，也即第二谐振器5与第一谐振器4质量的比值。

如图5所示，在COMSOL中建立仿真模型，进行有限元仿真，加速度传感器中谐振器谐振梁结构如图5中(c)所示，保持第二谐振器5的第二谐振梁51宽度和厚度与第一谐振器4中第一谐振梁41一致，仅增大第二谐振梁51的长度，为了降低第二谐振器5二阶模态的频率，需要将第二谐振梁51的长度增大到第一谐振器4中第一谐振梁41长度的1.3889倍，因此第二谐振梁51的质量增大为第一谐振器4的第一谐振梁41的1.3889倍，其振动模态如图5中(d)所示，第二谐振器5工作在二阶模态，第一谐振器4工作在一阶模态，其幅值比响应曲线如图7所示，仿真结果表明灵敏度增大为原先的1.567倍，也近乎为第二谐振梁51与第一谐振梁41质量的比值，也即第二谐振器5与第一谐振器4质量的比值。

第二谐振器5在3阶、4阶、5阶甚至更高阶工作模态，其原理、实验过程和计算过程与上述过程相同，在此不进行过多的赘述。本领域技术人员可根据上述技术方案结合现有技术推论出3阶、4阶、5阶甚至更高阶工作模态下，第二谐振器5与第一谐振器4的质量比，以及灵敏度增大的倍数。

根据本公开提供的一些实施例，上述两种技术方案，在综合考虑设计、生产的难度和成本后，可以相互结合使用。

根据本公开提供的一些实施例，杠杆结构6的动力臂和阻力臂的方向与加速度方向9垂直。

根据本公开提供的一些实施例，可选的，杠杆结构6包括杠杆力臂、输入梁结构、输出梁结构和支点梁结构，输入梁结构的一端与敏感质量块3相连，另一端与杠杆力臂的一端相连；输出梁结构一端与第一谐振梁41相连，另一端与杠杆力臂的另一端相连；支点梁结构的一端与杠杆力臂相连，另一端通过一锚点1进行固定。

通过上述结构，杠杆结构6可以将敏感质量块3在受到加速度影响而产生的力传递给第一谐振器4，以及通过耦合结构7传递给第二谐振器5，从而改变第一谐振器4和第二谐振器5的系统等效刚度、谐振频率以及振幅。

根据本公开提供的一些实施例，杠杆结构是单级杠杆或多级杠杆。其中，多级杠杆可以将敏感质量块3传递来的里进行放大，也即提高了加速度的检测精度。

根据本公开提供的一些实施例，第一驱动电极42、第一检测电极43与第一谐振梁41形成梳齿电容器或者平行板电容器，第二驱动电极52、第二检测电极53与第二谐振梁51形成梳齿电容器或者平行板电容器。其原理为，通过在驱动电极或者谐振梁结构上加载偏置电压，从而产生静电力，驱动谐振梁产生位移并进行检测。

根据本公开提供的一些实施例，耦合结构为静电耦合结构或机械耦合结构。

静电耦合是指谐振器之间通过静电力相互作用，耦合强弱主要与加载电压以及平行板结构间隙有关，但是低噪声高稳定性的偏置电压很难实现。

机械耦合是指谐振器之间通过机械结构之间应力相互作用，耦合强弱主要与具体的机械耦合结构有关，实现稳定的弱耦合需要复杂度较高的机械结构。

根据本公开提供的一些实施例，还包括接口电路，接口电路与第一检测电极以及n个第二检测电极连接，用于检测所述第一谐振梁和所述第二谐振梁的振幅。

下面结合一具体的实施例对本公开的技术方案进行阐述，应当理解的是，本具体实施例只是为了更好的、更清楚的对本公开技术方案的阐述，以便于本领域技术人员对本公开技术方案的理解，而不应当视为对本公开的保护范围的限定。

以第二谐振器在二阶工作模态下工作为例：二阶弱耦合式MEMS加速度传感器的振动方程如下。

其中，公式(1)和(2)分别为双端固支梁谐振器振动方程，m₁，m₂为第一谐振器4和第二谐振器5的质量；k₁，k₂为第一谐振器和第二谐振器的等效刚度，由材料和尺寸等决定；γ₁，γ₂为阻尼，由系统的品质因数等参数决定，在本公开中，真空封装下品质因数很高，因此阻尼项可以忽略；k_c为线性耦合刚度系数，x₁为第一谐振梁41的位移(也即瞬时振幅)，

为第一谐振器4的位移对时间求导，

第一谐振器4的位移对时间二次求导，x₂为第二谐振梁51的位移(也即瞬时振幅)，

为第二谐振器5的位移对时间求导，

为第二谐振器5的位移对时间二次求导。

调整第一谐振器4和第二谐振器5的尺寸，使得m₂＝N·m₁,k₂＝N·k₁(N>1)，其中N为第二谐振器5与第一谐振器4的质量比，那么，外界加速度作用在第一谐振器4上，会改变第一谐振器4的等效刚度。

在Matlab中进行仿真验证，选择参数m₁＝5.0328×10^-10(kg)，k₁＝9.8196×10²(N/m)，k_c＝0.1824(N/m)，k_g＝2.5605(N/m/g)(加速度到标准谐振器刚度变化比例因子)，N＝m₂/m₁＝k₂/k₁，为变化参数。

图3本公开实施例的弱耦合式MEMS加速度传感器的加速度传感器频率曲线仿真图(Matlab)，具体为在不同参数N下频率曲线仿真图，仿真结果表明频率曲线基本不变。

图4为本公开实施例的弱耦合式MEMS加速度传感器的加速度传感器幅值比曲线仿真图(Matlab)，具体为在不同参数N下幅值比曲线仿真图，仿真结果表明等比例增大第二谐振器的质量和等效刚度可以增大灵敏度，灵敏度增大倍数近乎等于第二谐振器与第一谐振器质量的比值。

从上述技术方案可以看出，本公开的一些实施例通过设置两个谐振梁本征频率相同，但是质量不同的谐振器，第一谐振器4和第二谐振器5，其中，第二谐振器5的谐振梁的质量大于第一谐振器4的谐振梁的质量，使得设置在第一谐振器4和第二谐振器5之间的耦合结构7的两端应力传递不对等，具体的表现为从第二谐振器5传递到第一谐振器4上的应力较小，进而产生单向更弱的耦合，最终实现增大弱耦合式MEMS加速度传感器灵敏度的目的。

另外，本公开在保证灵敏度情况下，其中一个谐振器的尺寸具有一定可调节性，因此在传感器设计中可以更多考虑传感器的鲁棒性，从而实现了传感器灵敏度和鲁棒性在一定程度上的解耦，从而优化传感器设计。

此外，本公开在保证灵敏度情况下，其中一个谐振器的尺寸具有一定可调节性，减弱了器件对于加工工艺的依赖，降低了器件的加工难度，大大增强了弱耦合式MEMS加速度传感器的实用性，以及降低了生产的成本。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各零部件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

还需要说明的是，在本公开的具体实施例中，除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的尺寸、范围条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

本领域技术人员可以理解，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本发明中。特别地，在不脱离本发明精神和教导的情况下，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本发明的范围。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种弱耦合式MEMS加速度传感器，其特征在于，包括：

N个锚点，分布在加速度传感器的不同位置，用于提供锚固连接点，其中，N为大于2的整数；

敏感质量块；

M个支撑结构，与M个所述锚点连接，用于支撑所述敏感质量块，以减少所述敏感质量块在自身重力作用下的变形量，其中，M为大于1且小于N的整数；

第一谐振器，包括第一谐振梁、第一驱动电极和第一检测电极，所述第一谐振梁的一端通过杠杆结构与所述敏感质量块连接，另一端与耦合结构连接，所述第一驱动电极用于给所述第一谐振梁激振，所述第一检测电极用于检测所述第一谐振梁的振幅；

第二谐振器，包括第二谐振梁、第二驱动电极和第二检测电极，所述第二谐振梁的一端与一个所述锚点连接，所述第二谐振梁的另一端通过所述耦合结构与所述第一谐振梁的另一端连接，所述第二驱动电极用于给所述第二谐振梁激振，第二检测电极用于检测所述第二谐振梁的振幅；

所述第一谐振器的质量小于所述第二谐振器的质量，所述第一谐振器与所述第二谐振器的本征频率相等。

2.根据权利要求1所述的弱耦合式MEMS加速度传感器，其特征在于，所述第一谐振梁和所述第二谐振梁的材质和厚度相同，所述第一谐振梁的宽度为w₁，长度为l₁，所述第二谐振梁的宽度为w₂，长度为l₂，当所述第一谐振器和所述第二谐振器的工作模态均为一阶时，满足

且w₁＜w₂，l₁＜l₂。

3.根据权利要求1所述的弱耦合式MEMS加速度传感器，其特征在于，所述第一谐振梁与所述第二谐振梁的材质、厚度和宽度均相同，所述第一谐振梁的长度为l₁，所述第二谐振梁的长度为l₂，满足l₁＜l₂，所述第二谐振梁包括n个第二驱动电极和n个第二检测电极，所述第一谐振器的工作模态为一阶，所述第二谐振器的工作模态为n阶，所述第一谐振器在一阶模态上谐振频率等于所述第二谐振器在n阶上谐振频率，其中n≥2且为整数。

4.根据权利要求1所述的弱耦合式MEMS加速度传感器，其特征在于，所述第一驱动电极、所述第一检测电极与所述第一谐振梁形成梳齿电容器或者平行板电容器，用于驱动第一谐振器激振并检测谐振器振幅，所述第二驱动电极、所述第二检测电极与所述第二谐振梁形成梳齿电容器或者平行板电容器，用于驱动第二谐振器激振并检测谐振器振幅。

5.根据权利要求1至4任一项所述的弱耦合式MEMS加速度传感器，其特征在于，所述支撑结构数量为多个，对称分布在所述敏感质量块的两侧、分布在所述敏感质量块外围或内嵌在所述敏感质量块中。

6.根据权利要求5所述的弱耦合式MEMS加速度传感器，其特征在于，所述支撑结构是单梁结构或折叠梁结构。

7.根据权利要求1至4任一项所述的弱耦合式MEMS加速度传感器，其特征在于，所述杠杆结构包括杠杆力臂、输入梁结构、输出梁结构和支点梁结构，所述输入梁结构的一端与所述敏感质量块相连，另一端与所述杠杆力臂的一端相连；所述输出梁结构一端与所述第一谐振梁相连，另一端与所述杠杆力臂的另一端相连；所述支点梁结构的一端与所述杠杆力臂相连，另一端通过一所述锚点进行固定，所述杠杆结构是单级杠杆或多级杠杆。

8.根据权利要求7所述的弱耦合式MEMS加速度传感器，其特征在于，所述杠杆结构数量为两个，对称分布在所述第一谐振梁轴线的两侧。

9.根据权利要求1至4任一项所述的弱耦合式MEMS加速度传感器，其特征在于，所述耦合结构为静电耦合结构或机械耦合结构。

10.根据权利要求1至4任一项所述的弱耦合式MEMS加速度传感器，其特征在于，还包括接口电路，所述接口电路与所述第一检测电极以及n个所述第二检测电极连接，用于检测所述第一谐振梁和所述第二谐振梁的振幅。

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