CN112710865A - 一种基于模态局部化效应的可调加速度传感器 - Google Patents

一种基于模态局部化效应的可调加速度传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于模态局部化效应的可调加速度传感器，包括：第一固支梁两端分别通过第一固定端和第一质量块固定；第一质量块左端与第一铰接端相连；第一铰接端与第二固定端相连；第二固支梁置于第一固支梁左侧，其两端通过第二固定端和第二质量块固定；第二质量块右端与第二铰接端相连；第二铰接端与第一固定端相连；第一固支梁与第二固支梁之间通过静电耦合，耦合电源输出耦合电压加载在第二固支梁上，用于调整第一固支梁和第二固支梁之间的静电耦合强度；第一固支梁、第二固支梁分别通过第一固定激励电极、第二固定激励电极调节驱动力。本发明能够实现传感器灵敏度、探测范围和分辨率的在线调整，具有高灵敏度，鲁棒性强等优点。

Description

一种基于模态局部化效应的可调加速度传感器
技术领域
本发明涉及微机电系统技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于模态局部化效应的可调加速度传感器。
背景技术
加速度计通常用于从汽车到航空和航天的各个领域。根据不同的敏感机制，加速度传感器通常分为电容式，压阻式和谐振式。其中，谐振式加速度计由于准数字信号和高灵敏度而被广泛使用，它的灵敏机制是基于由质量块惯性力引起的谐振器轴向力的变化来检测频率偏移。
为了产生更高的频率灵敏度，通常采用谐振器几何形状优化和利用杠杆机制放大惯性力来提高灵敏度。Comi等人在“A Resonant Microaccelerometer With HighSensitivity Operating in an Oscillating Circuit”(Journal ofMicroelectromechanical Systems,2010,19(5):1140-1152.)中提出了一种新颖的谐振加速度传感器设计，通过优化谐振器的构型采用一种L型谐振器与传统的I型相比具有更高的灵敏度，但是谐振式加速度计的温度敏感特性仍然存在。丁弘等人在“Ding H,Ma Y,GuanY,et al.Duplex mode tilt measurements based on a MEMS biaxial resonantaccelerometer”(Sensors and Actuators A:Physical,2019,296:222-234)中提出了一种由两级杠杆组成的双轴倾角加速度计，并分别通过开环和闭环实验验证了该结构的高性能，发现该结构在大的倾角范围内在两个轴向都有很高的灵敏度，但是采用两级杠杆使结构更加复杂并减小了质量块的大小，不能从机理上大幅提升灵敏度而且鲁棒性低。
综上所述，基于频移输出方式的谐振式加速度计易受外界环境的干扰，且采用多级杠杆容易降低传感器稳定性，因此需要从机理上找到能够解决这些问题的方法。
发明内容
为了解决谐振式加速度计由于频移式输出灵敏度提升困难，且对外界环境敏感鲁棒性较差的技术问题，本发明提供了一种基于模态局部化效应的可调加速度传感器，该可调加速度传感器主要采用由等长的两个固支梁组成的谐振器，两固支梁间通过静电进行耦合，能够便于调节耦合强度，达到理论上的最合适的耦合强度，并且无需进行任何的结构优化，具有工艺简单，构型稳定易于加工等优点，因而可广泛应用在各个方面。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于模态局部化效应的可调加速度传感器，包括：
由第一固支梁构成的第一谐振器和由第二固支梁构成的第二谐振器；所述第一固支梁与所述第二固支梁的长度可变且等长；
所述第一固支梁，置于右侧，其两端分别通过第一固定端和第一质量块固定；所述第一质量块左端与第一铰接端相连；第一铰接端与第二固定端相连；
所述第二固支梁，置于所述第一固支梁左侧，其两端通过第二固定端和第二质量块固定；所述第二质量块右端与第二铰接端相连；第二铰接端与第一固定端相连；
其中，所述第一固支梁与所述第二固支梁之间通过静电耦合，耦合电源输出耦合电压加载在所述第二固支梁上，用于调整所述第一固支梁和所述第二固支梁之间的静电耦合强度；
所述第一固支梁通过第一固定激励电极调节驱动力；所述第二固支梁通过第二固定激励电极调节驱动力。
进一步地，所述第二固支梁的宽度等于所述第一固支梁的宽度。
进一步地，所述第一固定激励电极的长度与所述第二固定激励电极的长度相等，所述第一固定激励电极的宽度与所述第二固定激励电极的宽度相等。
进一步地，所述第一固定激励电极的长度小于所述第一固支梁的长度，所述第一固定激励电极的宽度等于所述第一固支梁的宽度；所述第二固定激励电极的长度小于所述第二固支梁的长度，所述第二固定激励电极的宽度等于所述第二固支梁的宽度。
进一步地，所述第一固定激励电极与所述第一固支梁之间的间隙等于所述第二固定激励电极与所述第二固支梁之间的间隙，小于所述第二固支梁与所述第一固支梁之间的距离。
进一步地，所述第一固定激励电极和所述第二固定激励电极是完全固定的，所述第一固定激励电极的电压源由交流电和直流电共同驱动，所述第二固定激励电极的激励电压只由直流电压构成。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.本发明具有耦合强度易于调节的特点，仅通过电压调节就可以改变固支梁之间的耦合强度；
2.本发明的结构具有两个质量块，并采用杠杆结构与谐振器相连，极大的放大了质量块的惯性力；
3.本发明通过实施实例验证了所提结构的可行性，灵敏度相较于频移输出以幅值比作为输出灵敏度提高3个数量级以上。
综上所述，本发明提供了一种基于模态局部化效应的可调加速度传感器，通过调节耦合电压改变静电耦合强度，实现传感器灵敏度、检测范围和分辨率的在线调整。第一固支梁、第二固支梁分别受到第一固定激励电极、第二固定激励电极的驱动，当在外界加速度的作用下质量块发生运动时，通过杠杆引起两个谐振器的轴向力发生变化从而幅值发生变化，通过计算两个谐振器的幅值比就能够得到加速度的大小。与传统的频移式输出方式相比，幅值比输出具有更好的抵抗外界环境干扰的能力，鲁棒性更好，灵敏度也更高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中基于模态局部化效应的可调加速度传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例中处在平衡状态幅频特性图；
图3为本发明实施例中处在不同加速度扰动下的幅频特性变化图；
图4为本发明实施例中在耦合电压为217V时两种输出方式的灵敏度对比图；
图中：1-1、第一质量块；1-2、第二质量块；2-1、第一固定端；2-2、第二固定端；3-1、第一铰接端；3-2、第二铰接端；4-1、第一固支梁；4-2、第二固支梁；5-1、第一固定激励电极；2-2、第二固定激励电极；6-1、第一激励电源；6-2、第二激励电源；6-3、耦合电源。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
发明人研究发现，将模态局部化现象引入到加速度传感器研究中，采用以特征值或幅值比等作为输出度量的新型敏感机理可以大大提高传感器的灵敏度，在不需要经过构型优化和使用杠杆的情况下仍能获得非常高的灵敏度。在具有模态局部化效应的近似对称的弱耦合系统中，当传感器受到小的扰动时(质量，刚度，外部力等)将导致系统对称性破坏从而导致特征状态和幅值比的急剧变化，基于这种现象从而设计出具有超高灵敏度的加速度传感器。
如图1所示，本发明提供了一种基于模态局部化效应的可调加速度传感器的结构示意图，包括：
由第一固支梁4-1构成的第一谐振器和由第二固支梁4-2构成的第二谐振器；所述第一固支梁4-1与所述第二固支梁4-2的长度可变且等长；
所述第一固支梁4-1，置于右侧，其两端分别通过第一固定端2-1和第一质量块1-1固定；所述第一质量块1-1左端与第一铰接端3-1相连；第一铰接端3-1与第二固定端2-2相连；
所述第二固支梁4-2，置于所述第一固支梁4-1左侧，其两端通过第二固定端2-2和第二质量块1-2固定；所述第二质量块1-2右端与第二铰接端3-2相连；第二铰接端3-2与第一固定端2-1相连；
两个质量块与两个固支梁形成杠杆结构，能够放大质量块的惯性力。
其中，所述第一固支梁4-1与所述第二固支梁4-2之间通过静电耦合，耦合电源6-3输出耦合电压加载在所述第二固支梁4-2上，用于调整所述第一固支梁4-1和所述第二固支梁4-2之间的静电耦合强度；
所述第一固支梁4-1通过第一固定激励电极5-1调节驱动力；所述第二固支梁4-2通过第二固定激励电极5-2调节驱动力。
所述第二固支梁4-2的长度等于所述第一固支梁4-1的长度，所述第二固支梁4-2的宽度等于所述第一固支梁4-1的宽度。
所述第一固定激励电极5-1的长度与所述第二固定激励电极5-2的长度相等，所述第一固定激励电极5-1的宽度与所述第二固定激励电极5-2的宽度相等。
所述第一固定激励电极5-1的长度小于所述第一固支梁4-1的长度，所述第一固定激励电极5-1的宽度等于所述第一固支梁4-1的宽度。所述第二固定激励电极5-2的长度小于所述第二固支梁4-2的长度，所述第二固定激励电极5-2的宽度等于所述第二固支梁4-2的宽度。
所述第一固定激励电极5-1与所述第一固支梁4-1之间的间隙等于所述第二固定激励电极5-2与所述第二固支梁4-2之间的间隙，小于所述第二固支梁4-2与所述第一固支梁4-1之间的距离。
所述第一固定激励电极5-1、第二固定激励电极5-2是完全固定的，所述第一固定激励电极5-1的电压源由交流电和直流电6-1共同驱动，所述第二固定激励电极5-2的激励电压只由直流电压6-2构成。
本发明提供了一种基于模态局部化效应的可调加速度传感器，通过调节耦合电压改变静电耦合强度，实现传感器灵敏度、检测范围和分辨率的在线调整。第一固支梁、第二固支梁分别受到第一固定激励电极、第二固定激励电极的驱动，当在外界加速度的作用下质量块发生运动时，通过杠杆引起两个谐振器的轴向力发生变化从而幅值发生变化，通过计算两个谐振器的幅值比就能够得到加速度的大小。与传统的频移式输出方式相比，幅值比输出具有更好的抵抗外界环境干扰的能力，鲁棒性更好，灵敏度也更高。
下面以一个具体实例对本发明提供的一种基于模态局部化效应的可调加速度传感器进行说明。
如图1所示的本发明实施例中的一种基于模态局部化效应的可调加速度传感器的结构示意图，由两个质量块分别通过铰接连接在固定端，其中一边与谐振器相连，当在外界加速度的作用下质量块会发生运动从而改变谐振器的轴向应力打破处于平衡状态的谐振器造成能量的局部化，通过测量两个谐振器的幅值比从而计算出外界加速度的大小。
与传统的机械耦合结构形式相比，本发明采用的静电进行耦合能够实时的调节耦合强度，容易实现低的耦合刚度。如图2所示为本发明实施方式中，按照本发明结构参数表1中的尺寸时，本发明的加速度传感器处于平衡状态时的幅频特性图，横坐标为频率(kHz)，纵坐标为幅值(μm)。
表1
Figure BDA0002831309530000071
通过在第二固支梁4-2上施加耦合电压Vc＝217V，在没有外界加速度扰动时，先选择驱动电压源中交流电大小为Vac＝5mV，然后不断调节驱动电压源中直流电Vdc使系统处于平衡状态，这里Vdc＝35V，如图2所示，此时两固支梁的幅值相同。
图3为本发明实施例中，在外界施加不同加速度扰动情况下两个固支梁的幅频特性变化曲线，从图3(a)可以发现第一固支梁4-1在第一模态随着加速度的增大振幅越来越小，而在第二模态振幅越来越大，而图3(b)所示的第二固支梁4-2在两个模态的幅值变化几乎是同步的，这是因为第一固支梁4-1受到交流电的激励。
图4为本发明实施例中，分别以相对幅值比和相对频率变化作为灵敏度输出下的灵敏度情况，其中图4(a)为相对幅值比灵敏度输出，图4(b)为相对频移灵敏度输出，通过在0-1g范围内仿真得到，以相对幅值比作为灵敏度输出灵敏度比频移输出高三个数量级。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种基于模态局部化效应的可调加速度传感器，其特征在于，包括：由第一固支梁构成的第一谐振器和由第二固支梁构成的第二谐振器；所述第一固支梁与所述第二固支梁的长度可变且等长；
所述第一固支梁两端分别通过第一固定端和第一质量块固定；所述第一质量块左端与第一铰接端相连；第一铰接端与第二固定端相连；
所述第二固支梁，置于所述第一固支梁左侧，其两端通过第二固定端和第二质量块固定；所述第二质量块右端与第二铰接端相连；第二铰接端与第一固定端相连；
其中，所述第一固支梁与所述第二固支梁之间通过静电耦合，耦合电源输出耦合电压加载在所述第二固支梁上，用于调整所述第一固支梁和所述第二固支梁之间的静电耦合强度；
所述第一固支梁通过第一固定激励电极调节驱动力；所述第二固支梁通过第二固定激励电极调节驱动力。
2.根据权利要求1所述的基于模态局部化效应的可调加速度传感器，其特征在于，所述第二固支梁的宽度等于所述第一固支梁的宽度。
3.根据权利要求1所述的基于模态局部化效应的可调加速度传感器，其特征在于，所述第一固定激励电极的长度与所述第二固定激励电极的长度相等，所述第一固定激励电极的宽度与所述第二固定激励电极的宽度相等。
4.根据权利要求1所述的基于模态局部化效应的可调加速度传感器，其特征在于，所述第一固定激励电极的长度小于所述第一固支梁的长度，所述第一固定激励电极的宽度等于所述第一固支梁的宽度；
所述第二固定激励电极的长度小于所述第二固支梁的长度，所述第二固定激励电极的宽度等于所述第二固支梁的宽度。
5.根据权利要求1所述的基于模态局部化效应的可调加速度传感器，其特征在于，所述第一固定激励电极与所述第一固支梁之间的间隙等于所述第二固定激励电极与所述第二固支梁之间的间隙，小于所述第二固支梁与所述第一固支梁之间的距离。
6.根据权利要求1所述的基于模态局部化效应的可调加速度传感器，其特征在于，所述第一固定激励电极和所述第二固定激励电极是完全固定的，所述第一固定激励电极的电压源由交流电和直流电共同驱动，所述第二固定激励电极的激励电压只由直流电压构成。
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