CN112666367B - 一种基于磁流体反馈的mems电化学角加速度传感器及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于磁流体反馈的MEMS电化学角加速度传感器，包括：外壳(100)，呈圆柱环形状，该圆柱环内部设有电解液(203)；敏感核心(200)，包括至少两对相同的阳极(201)和阴极(202)，至少部分设于电解液(203)中，用于检测转动信号并使之转化为电流输出信号；反馈核心，包括至少一对反馈电极(301)和至少一对磁铁(302)，反馈电极(301)至少部分设于电解液(203)中，磁铁(302)位于外壳(100)的上表面和下表面；用于根据输出信号产生反馈力，形成负反馈系统。本发明MEMS电化学角加速度传感器既能保证大幅度地拓展电化学检波器的频带范围，又能保证传感器输出的稳定性以及减小线性失真度。
Description
技术领域
本发明MEMS传感器技术领域，具体涉及一种基于磁流体反馈的MEMS电化学角加速度传感器及方法。
背景技术
地震时刚体在某一点完整运动特性包括东西、南北和铅锤3个方向的平动和转动，尤其是近场地震，转动分量更加明显。电化学角加速度传感器可以用来检测由于地震、火山等自然运动引起的振动信号的转动分量，将被测的转动量(角位移、角速度、角加速度等)转换为电信号进行输出。与其他类型的角加速度传感器相比，MEMS电化学角加速度传感器具有低频性能好、动态范围大、制作成本低等优点并逐渐被应用在地震活动监测等领域，但是MEMS电化学角加速度传感器的原始频带范围窄(DC-0.3Hz)，不能满足实际的工作需要(大于10Hz)，因此需要借助其他方法拓展传感器的工作带宽。
目前对电化学角加速度传感器性能优化拓展工作带宽的方法有很多，根据MEMS电化学角加速度传感器的传递函数，可通过减小惯性质量块和增大系统阻尼的方法提高电化学角加速度传感器的转折频率，从而实现频带的拓展，增加其工作带宽。减小惯性质量块质量和增大系统阻尼可通过减小流道结构尺寸实现，然而在实际应用中，对于惯性质量块的减小将降低灵敏度，同时也增加传感器封装的难度。
利用信号处理电路也可以达到拓展频带的目的，根据传感器的频率响应特性，采用电路补偿的方法，可进行频带的拓展。然而，采用这种方法补偿后的传感器频带范围内不平整，稳定性差，易使输出信号发生偏移。
上述方法虽然在一定程度上可以拓展MEMS电化学角加速度传感器的工作带宽，但是都存在一定的局限性，而且MEMS电化学角加速度传感器采用的是液体惯性块，许多技术不能直接采用。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对上述问题，本发明提供了一种基于磁流体反馈的MEMS电化学角加速度传感器及方法，用于至少部分解决传统传感器的原始频带范围窄、灵敏度低、稳定性差等技术问题。
(二)技术方案
本发明一方面提供了一种基于磁流体反馈的MEMS电化学角加速度传感器，包括：外壳100，呈圆柱环形状，该圆柱环内部设有电解液203；敏感核心200，包括至少两对相同的阳极201和阴极202，至少部分设于电解液203中，用于检测转动信号并使之转化为电流输出信号；反馈核心，包括至少一对反馈电极301和至少一对磁铁302，反馈电极301至少部分设于电解液203中，磁铁302位于外壳100的上表面和下表面；用于根据输出信号产生反馈力，形成负反馈系统。
进一步地，还包括：外部检测电路，与敏感核心200连接，用于检测电流输出信号；反馈电路，与反馈核心连接，用于根据电流输出信号产生反馈电流，反馈电流施加在反馈电极301上流经电解液产生反馈力。
进一步地，反馈核心和敏感核心200与外壳100的中心轴对称分布。
进一步地，敏感核心200包括两对相同的阳极201和阴极202，其按照阳极-阴极-阴极-阳极的顺序排布。
进一步地，反馈核心包括一对反馈电极301和一对磁铁302，一对磁铁302中的两个磁铁的磁极方向相同。
进一步地，电解液203为可发生可逆氧化还原的电解质系统，包括：碘-碘化钾、溴-溴化物、铁氰化物-亚铁氰化物。
进一步地，外壳100包括流道盖101和流道底板102，流道底板102的材料包括玻璃片、硅片。
进一步地，磁铁302为永磁铁，其材质包括钕铁硼。
本发明另一方面提供了一种采用前述基于磁流体反馈的MEMS电化学角加速度传感器检测振动信号的转动分量的方法，包括：S1，当外界由于振动产生角加速度时，敏感核心200将转动信号转换为输出电流；S2，外部检测电路将输出电流转化为第一输出信号；S3，输出信号经过反馈电路，得到反馈电流，反馈电流施加到反馈电极301上流经电解液产生反馈力，反馈力与外界振动力相叠加，产生第二输出信号；S4，根据第二输出信号和反馈电流信号得到外界振动信号的转动分量。
本发明还有一方面提供了一种根据前述基于磁流体反馈的MEMS电化学角加速度传感器的制备方法，包括：S1，在玻璃片或硅片上通过MEMS工艺沉积金属铂制作敏感电极和反馈电极，玻璃片或硅片作为流道底板；S2，将有机玻璃制作的流道盖和流道底板通过环形组件进行组装；S3，在流道盖上方和流道底板下方固定磁铁。
(三)有益效果
本发明实施例提供的基于磁流体反馈的MEMS电化学角加速度传感器及方法，采用了磁流体反馈机制，从系统的输出端引出信号加入到输入端，形成负反馈系统，负反馈具有稳定闭环增益的作用，对于频率上升(或下降)所引起的开环增益的变化同样具有稳定作用，即能减小频率变化对闭环增益的影响，从而展宽闭环增益的频带，提高系统的稳定性。
附图说明
图1示意性示出了根据本发明实施例基于磁流体反馈的MEMS电化学角加速度传感器的结构示意图；
图2示意性示出了根据本发明实施例基于磁流体反馈的MEMS电化学角加速度传感器的剖视图；
图3示意性示出了根据本发明实施例MEMS电化学角加速度传感器信号传输框图；
图4示意性示出了根据本发明实施例基于磁流体反馈的MEMS电化学角加速度传感器检测振动信号的转动分量的方法流程图；
图5示意性示出了根据本发明实施例基于磁流体反馈的MEMS电化学角加速度传感器的制备方法流程图。
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，对本发明进一步详细说明。
本公开的实施例提供了一种基于磁流体反馈的MEMS电化学角加速度传感器，请参见图1，包括：外壳100，呈圆柱环形状，该圆柱环内部设有电解液203；敏感核心200，包括至少两对相同的阳极201和阴极202，至少部分设于电解液203中，用于检测转动信号并使之转化为电流输出信号；反馈核心，包括至少一对反馈电极301和至少一对磁铁302，反馈电极301至少部分设于电解液203中，磁铁302位于外壳100的上表面和下表面；用于根据输出信号产生反馈力，形成负反馈系统。
图1为MEMS电化学角加速度传感器结构原理图，包括外壳、敏感核心和反馈核心。其中，敏感核心200包括电解液203和敏感电极，用于感受外部角加速度信号并利用电化学原理转换成电流输出；反馈核心包括反馈电极301和磁铁302，形成的电场和磁场相互垂直，电磁力作为负反馈力推动电解液流动。图2是MEMS电化学角加速度传感器剖视图，敏感核心200设于液体腔中，液体腔中充满电解液203。本发明采用环形结构，能较好的实现只对转动信号敏感而对平动信号不敏感。本发明既能保证大幅度的拓展电化学角加速度传感器的频带范围，又能保证传感器输出的稳定性以及减小非线性失真度。
在上述实施例的基础上，还包括：外部检测电路，与敏感核心200连接，用于检测电流输出信号；反馈电路，与反馈核心连接，用于根据电流输出信号产生反馈电流，反馈电流施加在反馈电极301上流经电解液产生反馈力。
图3是本发明实例提供的电化学角加速度传感器的电路信号传输框图，如图3所示，其还包括外部检测电路和反馈电路。电化学角加速度传感器通过外壳100和电解液203检测到振动信号，敏感电极经过电化学原理将转动信号转换为输出电流，再经检测电路得到输出信号，输出信号经过反馈电路，得到反馈电流，反馈电流施加在反馈电极301上流经电解液产生反馈力，反馈力与振动力相叠加，成为最终传感器所受的合力。
在上述实施例的基础上，反馈核心和敏感核心200与外壳100的中心轴对称分布。
反馈核心与敏感电极对称分布，是因为对称分布可使反馈核心到敏感电极两个方向的距离相等，以实现不同方向推动力大小相等，且减小反馈电极间电流对敏感电极的影响。
在上述实施例的基础上，敏感核心200包括两对相同的阳极201和阴极202，其按照阳极-阴极-阴极-阳极的顺序排布。
敏感核心200是传感器的关键组件，由两对相同的电极对组成，按照阳极-阴极-阴极-阳极的顺序排布在充满电解质溶液(由KI溶液和I2溶液构成)的环形流道内，其中电解质溶液作为对外部角加速度敏感的惯性元件。边缘的两个电极被施加较高的电势作为阳极，中间的两个电极被施加上较低的电势作为阴极，使阴阳极间的电压为0.3V，此时阳极和阴极之间分别发生氧化还原反应：产生电流。当外界没有角加速度时，活性离子(I3 -)在阴极周围形成稳定的浓度梯度分布，因此，两个阴极的输出电流相同(I1＝I2)，经电流电压转换电路后的差分输出电压U0为零；当外界由于地震振动引起角加速度时，液体惯性质量(电解质溶液)将产生相对运动，导致电极附近活性离子浓度发生改变，一个阴极周围的活性离子浓度增加而另一个阴极周围的活性离子浓度降低，这将导致一个阴极的输出电流增加而另一个阴极的输出电流减小，因此，经电流电压转换电路差分后产生输出电压U0。
在上述实施例的基础上，反馈核心包括一对反馈电极301和一对磁铁302，一对磁铁302中的两个磁铁的磁极方向相同。
两个磁铁的磁极方向相同时，产生与环形流道垂直的磁场，反馈电极301产生的电场方向与磁场相互垂直，导电的流体便会受到电磁力，从而流动。反馈信号施加在反馈电极上形成电场。改变电场/磁场的方向，电磁力的方向也发生改变，即电解液流动方向发生改变。
在上述实施例的基础上，电解液203为可发生可逆氧化还原的电解质系统，包括：碘-碘化钾、溴-溴化物、铁氰化物-亚铁氰化物。
电解液203可以是由碘化钾与碘单质混合溶液或其它可发生可逆氧化还原反应的混合溶液构成，敏感电极的阳极和阴极之间的电压为0.3V，阳极201和阴极202之间发生氧化还原反应产生电流，分别为
之后，电化学反应产生的电流经电流电压转换电路差分输出，最终转换成差分电压。
在上述实施例的基础上，外壳100包括流道盖101和流道底板102，流道底板102的材料包括玻璃片、硅片。
外壳100包括流道盖101和流道底板102，用来形成中空的液体腔，环形的设计可保证传感器只对转动敏感，对平动不敏感。流道底板102可为玻璃片、硅片材质，其上通过MEMS工艺沉积制作敏感电极和反馈电极。
在上述实施例的基础上，磁铁302为永磁铁，其材质包括钕铁硼。
钕铁硼永磁铁有磁能积大的优点，可以吸附本身重量640倍的重量，是现今磁性仅次于绝对零度狄磁铁的永久磁铁，也是最常使用的稀土磁铁。
本公开的另一实施例提供了一种采用前述基于磁流体反馈的MEMS电化学角加速度传感器检测振动信号的转动分量的方法，请参见图4，包括：S1，当外界由于振动产生角加速度时，敏感核心200将转动信号转换为输出电流；S2，外部检测电路将输出电流转化为第一输出信号；S3，输出信号经过反馈电路，得到反馈电流，反馈电流施加到反馈电极301上流经电解液产生反馈力，反馈力与外界振动力相叠加，产生第二输出信号；S4，根据第二输出信号和反馈电流信号得到外界振动信号的转动分量。
敏感核心用于感受外部角加速度信号并利用电化学原理转换成电流输出；再经检测电路得到输出信号，输出信号经过反馈电路，反馈核心形成相互垂直电场和磁场，电磁力作为负反馈力推动电解液流动，反馈力与振动力相叠加，成为最终传感器所受的合力，得到最终的输出信号，根据最终的输出信号和反馈电路的信号可以得到振动信号的具体信息，最后根据振动信号的信息计算转动分量。
本公开的还有一实施例提供了一种根据前述基于磁流体反馈的MEMS电化学角加速度传感器的制备方法，请参见图5，包括：S1，在玻璃片或硅片上通过MEMS工艺沉积金属铂制作敏感电极和反馈电极，玻璃片或硅片作为流道底板；S2，将有机玻璃制作的流道盖和流道底板通过环形组件进行组装；S3，在流道盖上方和流道底板下方固定磁铁。
这里采用金属铂作为电极材料，具有良好的导电性，是一种惰性金属材料，不与电解液中的碘分子发生化学反应。流道盖101和流道底板102用来形成中空的液体腔，环形的设计可保证传感器只对转动敏感，对平动不敏感。固定磁铁后，反馈电极与反馈电路连接，敏感电极与外部检测电路连接，得到完整的MEMS电化学角加速度传感器。
本发明通过磁流体反馈机制，较大的输入信号会产生较大的负反馈力，从而使系统的净输入信号变小，进而增大了检波器可测量信号的上限，扩大了检波器的工作范围。另一方面，若输入信号保持不变，加入负反馈之后，则闭环增益会减小，系统的净输入及输出也会随之减小，使器件更容易工作在工作范围内。并且引入负反馈能够使闭环传输特性曲线变平缓，线性范围明显展宽，提高了检波器系统的线性度，有效地减小了幅度与相位的非线性失真。
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，所应理解的是，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)
1.一种基于磁流体反馈的MEMS电化学角加速度传感器，其特征在于，包括：
外壳(100)，呈圆柱环形状，该圆柱环内部设有电解液(203)；
敏感核心(200)，包括至少两对相同的阳极(201)和阴极(202)，所述阳极(201)和所述阴极(202)至少部分设于所述电解液(203)中，用于检测转动信号并使之转化为电流输出信号；
反馈核心，包括至少一对反馈电极(301)和至少一对磁铁(302)，所述反馈电极(301)至少部分设于所述电解液(203)中，所述磁铁(302)位于所述外壳(100)的上表面和下表面；所述反馈核心用于根据所述电流输出信号产生反馈力，形成负反馈系统；
还包括：
反馈电路，与所述反馈核心连接，用于根据所述电流输出信号产生反馈电流，所述反馈电流施加在所述反馈电极(301)上流经电解液产生反馈力。
2.根据权利要求1所述的基于磁流体反馈的MEMS电化学角加速度传感器，其特征在于，还包括：
外部检测电路，与所述敏感核心(200)连接，用于检测所述电流输出信号。
3.根据权利要求1所述的基于磁流体反馈的MEMS电化学角加速度传感器，其特征在于，所述反馈核心和敏感核心(200)对称分布于所述外壳(100)中心轴的两侧。
4.根据权利要求2所述的基于磁流体反馈的MEMS电化学角加速度传感器，其特征在于，所述敏感核心(200)包括两对相同的阳极(201)和阴极(202)，其按照阳极-阴极-阴极-阳极的顺序排布。
5.根据权利要求4所述的基于磁流体反馈的MEMS电化学角加速度传感器，其特征在于，所述反馈核心包括一对反馈电极(301)和一对磁铁(302)，所述一对磁铁(302)中的两个磁铁的磁极方向相同。
6.根据权利要求1所述的基于磁流体反馈的MEMS电化学角加速度传感器，其特征在于，所述电解液(203)为可发生可逆氧化还原的电解质系统，包括：碘-碘化钾、溴-溴化物或铁氰化物-亚铁氰化物。
7.根据权利要求1所述的基于磁流体反馈的MEMS电化学角加速度传感器，其特征在于，所述外壳(100)包括流道盖(101)和流道底板(102)，所述流道底板(102)的材料包括玻璃片、硅片。
8.根据权利要求1所述的基于磁流体反馈的MEMS电化学角加速度传感器，其特征在于，所述磁铁(302)为永磁铁，其材质包括钕铁硼。
9.一种采用根据权利要求1～8任一所述的基于磁流体反馈的MEMS电化学角加速度传感器检测振动信号的转动分量的方法，包括：
S1，当外界由于振动产生角加速度时，所述敏感核心(200)将转动信号转换为输出电流；
S2，外部检测电路将所述输出电流转化为第一输出信号；
S3，所述第一输出信号经过所述反馈电路，得到反馈电流，所述反馈电流施加到所述反馈电极(301)上流经电解液产生反馈力，所述反馈力与外界振动力相叠加，产生第二输出信号；
S4，根据所述第二输出信号和所述反馈电流得到外界振动信号的转动分量。
10.一种根据权利要求1～8任一所述的基于磁流体反馈的MEMS电化学角加速度传感器的制备方法，包括：
S1，在玻璃片或硅片上通过MEMS工艺沉积金属铂制作敏感电极和反馈电极，所述玻璃片或硅片作为流道底板；
S2，将有机玻璃制作的流道盖和所述流道底板通过环形组件进行组装；
S3，在所述流道盖上方和所述流道底板下方固定磁铁。
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