CN112751541B - 微音叉谐振器刚度自动匹配结构和方法 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例提供了一种微音叉谐振器刚度自动匹配结构和方法，涉及微机电传感器领域，所述方法包括：微音叉谐振器子谐振器上都添加独立的加力结构和匹配结构，通过加力结构产生对应的共模驱动力，通过前置读出电路输出振动信号，通过振动信号，自动获取开关控制信号和匹配电压，并将匹配电压施加于匹配结构上，进行负反馈控制，完成自动刚度匹配。采取本申请的技术方案，可以实现振动刚度的高效率、高精度匹配，且摆脱了对振动台的依赖，降低调试成本，并且，本申请可摆脱现有匹配方法中对振动台的依赖，且不受振动台激励信号频率范围限制、振动台安装限制，当微音叉谐振器在应用场景中安装固定后仍然可以实现原位在线匹配，无需使用振动台。
Description
技术领域
本申请实施例涉及微机电传感器领域，具体而言，涉及微音叉谐振器刚度自动匹配结构和方法。
背景技术
微音叉谐振器是用微电子工艺加工的特征尺寸在微米量级的谐振式器件，是多类微传感器的核心基础结构组件，如微机电陀螺、微谐振温度传感器、微质量传感器等，其体积小、成本低、适于批量加工，有着广泛的应用前景。
微音叉谐振器通常将两个子谐振器的检测结构进行差分互连以敏感有用的差分输入信号，抑制外界的共模干扰信号，降低微音叉谐振器对共模振动信号的敏感性。但是，由于工艺误差的存在，使得两个子谐振器的结构参数不一致，使得两个子谐振器在某一振动方向上刚度不匹配，当实际应用环境中存在振动共模干扰信号时，两个子谐振器的运动位移出现不一致，不能完全抵消外界的振动干扰，造成微音叉谐振器输出误差。针对此问题Pierre Janioud，Alexandra Koumela，Christophe Poulain，Patrice Rey等人的《Tuningthe Anti-Phase Mode Sensitivity to Vibrations of a MEMS Gyroscope》提出了利用静电负刚度效应对所设计的微音叉谐振器进行了刚度匹配，减小了对外界振动的敏感性。但该方法采用人工粗略调试，难以达到高效率、高精度的匹配，同时该方法调试时间花费较长，成本高，需利用振动台进行调节，这对于在应用中安装好的器件无法进行离线匹配度验证测试。
发明内容
本申请实施例提供一种微音叉谐振器刚度自动匹配结构，以解决现有微音叉谐振器刚度匹配的方法低效率、低精度、花费较长，成本高且无法对安装好的器件进行离线匹配度验证测试的问题。
本申请实施例第一方面提供了一种微音叉谐振器刚度自动匹配结构，所述结构包括：
所述微音叉谐振器的至少两个子谐振器，每个子谐振器上设置有加力结构和匹配结构；
偏置电压电路，所述偏置电压电路的输出端与所述子谐振器的振动质量块连接；
电压发生电路，所述电压发生电路的输出端与所述加力结构连接，以使所述加力结构产生共模驱动力并作用于所述子谐振器；
前置读出电路，所述前置读出电路的输入端与所述子谐振器输出端连接，用于接收所述子谐振器输出的振动位移信号并输出振动信号；
数字处理电路，所述数字处理电路与所述前置读取电路输出端连接，用于对所述振动信号处理，得到开关控制信号和匹配电压信号；
开关电路，所述开关电路与数字处理电路输出端连接，用于将所述匹配电压信号施加于所述开关控制信号所指示的匹配结构中，以使该匹配结构调节与其连接的所述子谐振器的振动质量块的刚度，直至所述子谐振器的振动质量块之间的刚度匹配。
可选的，所述电压发生电路，包括：
正弦波发生器，所述正弦波发生器的输出端与第一数模转换器输入端连接；
第一数模转换器，所述第一数模转换器的输出端与所述加力结构连接，以使所述加力结构产生共模驱动力并作用于所述子谐振器。
可选的，两条前置读出子电路，所述前置读出子电路与子谐振器的检测电极输出端连接；
差分放大器，所述差分放大器与所述两条前置读出子电路的两个输出端连接，输出差模振动信号
可选的，所述数字处理电路，包括：
模数转换器，所述模数转换器与所述前置读取电路输出端连接，将所述振动信号数字化处理得到数字量化信号；
全波整流器，所述全波整流器与所述模数转换器输出端连接，对所述数字量化信号进行全波整流；
低通滤波器，所述低通滤波器与所述全波整流器输出端连接，得到幅值信号；
比例积分微分PID控制器，所述PID控制器与所述低通滤波器的输出端连接，对所述幅值信号进行处理得到所述匹配信号；
第二数模转换器，所述第二数模转换器与所述数字控制电路的匹配信号输出端连接，输出匹配电压信号；
开关控制电路，所述开关控制电路与所述低通滤波器的输出端连接，输出所述开关控制信号。
可选的，所述PID控制器对所述幅值信号进行处得到所述匹配信号，包括：
Ks1+Kse1＝Ks2或Ks2+Kse2＝Ks1 (1)
Kse1,2＝-η(Vp-Vs)2 (2)
其中，Ks1为一子谐振器在某一振动方向上的刚度，Kse1为一子谐振器的所述匹配结构的调节刚度，Ks2为另一子谐振器在某一振动方向上的刚度，Kse2分别为另一谐振器的所述匹配结构的调节刚度，Vs为所述匹配结构的调节电压，Vp为所述两个子谐振器的偏置电压，η为静电负刚度转换系数；
通过(1)式和(2)式得到
其中，Δk为两子谐振器的刚度差。
可选的，所述开关电路，包括：
所述开关电路，包括：
电子单刀双掷开关，所述电子单刀双掷开关的公共端与所述数字控制电路的匹配电压信号输出端连接，所述电子单刀双掷开关的控制端与所述数字控制电路的开关控制信号输出端连接，所述电子单刀双掷开关将所述匹配电压信号施加于所述开关控制信号所指示的匹配结构中，以使该匹配结构调节与其连接的所述子谐振器的振动质量块的刚度，直至所述子谐振器的振动质量块之间的刚度匹配。
可选的，
所述子谐振器的振动拾取结构包括以下任一：
差分式电容式结构、压电式结构。
可选的，
所述匹配结构为压膜电容的静电负刚度调节结构。
可选的，所述前置读出电路的输入端与所述子谐振器输出端连接，包括：
所述前置读出电路的输入端与所述子谐振器的所述振动拾取结构的检测电极连接；
所述检测电极输出所述振动质量块的振动位移信号，振动位移信号包括以下任一：电容变化量、电荷变化量、电阻变化量。
本申请实施例第二方面提供了一种微音叉谐振器刚度自动匹配方法，应用于以上任一项所述的刚度自动匹配结构，所述方法包括：
通过所述偏置电压电路向所述子谐振器施加电压；
通过所述电压发生电路向所述加力结构施加电压，以使所述加力结构产生共模驱动力并作用于所述子谐振器；
通过前置读出电路接收所述子谐振器输出的振动位移信号并输出振动信号
通过所述数字处理电路对所述振动信号进行处理得到开关控制信号和匹配电压信号；
通过开关电路将所述匹配电压信号施加于所述开关控制信号所指示的匹配结构中，以使该匹配结构调节与其连接的所述子谐振器的振动质量块的刚度，直至所述子谐振器的振动质量块之间的刚度匹配。
本申请实施例提供了一种微音叉谐振器刚度自动匹配结构和方法，微音叉谐振器件的两个子谐振器上都添加独立的加力结构和匹配结构，通过在加力结构上施加驱动电压以产生对应的共模驱动力，通过前置读出电路接收子谐振器输出的振动位移信号并输出振动信号，通过振动信号，自动获取开关控制信号和匹配电压，并将匹配电压施加于匹配结构上，进行负反馈控制，完成自动刚度匹配。采取本申请的技术方案，可以实现振动刚度的高效率、高精度匹配，且摆脱了对振动台的依赖，降低调试成本。
并且，本申请可摆脱现有匹配方法中对振动台的依赖，且不受振动台激励信号频率范围限制、振动台安装限制，当微音叉谐振器在应用场景中安装固定后仍然可以实现原位在线匹配，无需使用振动台。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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是本申请一实施例提出的一种微音叉谐振器刚度自动匹配结构的示意图；
图2是本申请一实施例提出的微音叉谐振器刚度自动匹配结构的微音叉谐振器的示意图；
图3是本申请一实施例提出的一种微音叉谐振器刚度自动匹配结构的示意图；
图4是本申请一实施例提出的一种微音叉谐振器刚度自动匹配方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
参考图1，图1是本申请一实施例提出微音叉谐振器刚度自动匹配结构的示意图。如图1所示，该微音叉谐振器刚度自动匹配结构包括：
所述微音叉谐振器100的至少两个子谐振器，每个子谐振器设置有加力结构和匹配结构；
参考图2，图2是本申请一实施例提出的微音叉谐振器刚度自动匹配结构的微音叉谐振器100部分示意图。微音叉谐振器100包括两个子谐振器101和102，每个子谐振器包括振动质量，驱动结构和检测结构等，例如子谐振器101由振动质量块1、振动弹簧梁5、锚点3、振动拾取结构12。振动质量块1通过振动弹簧梁5连接至锚点3；子谐振器102由振动质量块2、振动弹簧梁7、锚点4、以及振动拾取结构13所组成，振动质量块2通过振动弹簧梁7连接至锚点4。子谐振器101和子谐振器102之间通过耦合弹簧梁6连接，构成音叉式结构。
本申请实施例在每个子谐振器上加设一个加力结构和匹配结构，子谐振器101设置加力结构18和匹配结构16，子谐振器102加设加力结构19和匹配结构17。
当两个子谐振器受到大小相等，方向相反的驱动时力，将同时作相向运动以平衡单个谐振器对衬底带来的力矩，其位移变化可以通过振动拾取结构进行检测，通过振动拾取结构输出的振动位移信号能够获得微音叉谐振器的运动信息。
偏置电压电路107，所述偏置电压电路的输出端与所述子谐振器的振动质量块连接。
在两个子谐振器101和102的振动质量块1和振动质量块2上同时施加一直流偏置电压107，其电压幅值可设置为Vp
电压发生电路106，所述电压发生电路106的输出端与所述加力结构连接，以使所述加力结构产生共模驱动力并作用于所述子谐振器；
电压发生电路106能够产生特定幅值和频率的驱动电压施加在加力结构19和18上，将产生同向的虚拟振动力20和21驱动振动质量块1和2同时振动，由于子谐振器1和2为对称结构，所产生的驱动力20和21大小相等，方向相同。
前置读出电路103，所述前置读出电路的输入端与所述子谐振器输出端连接，用于接收所述子谐振器输出的振动位移信号并输出振动信号。
前置读出电路103连接两个子谐振器的输出端，对于接收的两个信号，前置读出电路进行处理，输出得到微音叉谐振器因为虚拟振动力而产生的振动信号。
数字处理电路104，所述数字处理电路104与所述前置读取电路103输出端连接，对所述振动信号处理得到开关控制信号和匹配电压信号。
数字处理电路104接收前置读出电路103输出的振动信号，数字处理电路一方面根据差模振动电压信号计算出用来调整子谐振器的振动刚度需要的匹配电压信号，另一方面数字控制电路还需要根据差模振动电压信号进行判断，根据判断结果输出开关控制信号。
开关电路105，所述开关电路与数字处理电路输出端连接，用于将所述匹配电压信号施加于所述开关控制信号所指示的匹配结构中，以使该匹配结构调节与其连接的所述子谐振器的振动质量块的刚度，直至所述子谐振器的振动质量块之间的刚度匹配。
开关电路105连接数字控制电路104的输出端，开关控制信号控制开关电路的通断，使得匹配电压能够与不同的静电负刚度调节结构连接，被连接静电负刚度调节结构得到电压后能够改变该子谐振器的振动刚度。
通过微音叉谐振器件的两个子谐振器上都添加独立的加力结构和静电负刚度调节结构，然后在加力结构上施加驱动电压产生共模驱动力对子谐振器进行振动，通过前置读出电路差分接收子谐振器因振动输出的振动位移信号并输出振动信号，通过振动信号，自动获取开关控制信号和匹配电压，并将匹配电压施加于静电负刚度调节结构上，进行负反馈控制，完成自动刚度匹配。
本申请实施例提供了一种微音叉谐振器刚度自动匹配结构和方法，微音叉谐振器件的两个子谐振器上都添加独立的加力结构和匹配结构，通过在加力结构上施加驱动电压以产生对应的共模驱动力，通过前置读出电路接收子谐振器输出的振动位移信号并输出振动信号，通过振动信号，自动获取开关控制信号和匹配电压，并将匹配电压施加于匹配结构上，进行负反馈控制，完成自动刚度匹配。采取本申请的技术方案，可以实现振动刚度的高效率、高精度匹配，且摆脱了对振动台的依赖，降低调试成本。
并且，本申请可摆脱现有匹配方法中对振动台的依赖，且不受振动台激励信号频率范围限制、振动台安装限制，当微音叉谐振器在应用场景中安装固定后仍然可以实现原位在线匹配，无需使用振动台。
在本申请的一个可选实施例中，参考图3，图3是本申请一实施例提出一种微音叉谐振器刚度自动匹配结构的示意图。如图3所示，所述电压发生电路，包括：
正弦波发生器，所述正弦波发生器的输出端与第一数模转换器输入端连接；
第一数模转换器，所述第一数模转换器的输出端与所述加力结构连接，以使所述加力结构产生共模驱动力并作用于所述子谐振器。
正弦波发生器212能够产生幅值和频率固定的信号，将正弦波发生器的输出端连接D/A数模转换器215得到幅值和频率固定的驱动电压信号220，再将驱动电压信号分别连至两个子谐振器的驱动加力结构电极22和23以产生虚拟振动力。
可选的，所述前置读出电路，包括：
两条前置读出子电路，所述前置读出子电路与子谐振器的检测电极输出端连接；
差分放大器，差分放大器，所述差分放大器与所述两条前置读出子电路的两个输出端连接，输出差模振动信号
前置读出电路采用差分结构，该电路的输入端是两个子谐振器信号的差值，并采用差分放大器对这两个输入信号之差的放大得到差模振动电压信号，差分放大器是一种电子放大器，能够将两个输入端的差以固定增益放大。差分的结构能够使干扰信号的有效输入为零，这就达到了抗共模干扰的目的。
可选的，所述数字处理电路，包括：
模数转换器，所述模数转换器与所述前置读取电路输出端连接，将所述振动信号数字化处理得到数字量化信号；
全波整流器，所述全波整流器与所述模数转换器输出端连接，对所述数字量化信号进行全波整流；
低通滤波器，所述低通滤波器与所述全波整流器输出端连接，得到幅值信号；
比例积分微分PID控制器，所述PID控制器与所述低通滤波器的输出端连接，对所述幅值信号进行处理结得到所述匹配信号；
第二数模转换器，所述第二数模转换器与所述数字控制电路的匹配信号输出端连接，输出匹配电压信号；
开关控制电路，所述开关控制电路与所述低通滤波器的输出端连接，输出所述开关控制信号。
将振动信号转换为数字信号形式，并对其进行整流滤波，将低通滤波器输出的幅值信号分为两路信号，一路信号送入开关控制电路对幅值进行判别后得到开关控制信号，一路信号送入比例积分微分PID控制器使用比例积分微分控制算法进行处理得到匹配信号，对于PID控制器得到的匹配信号，其是数字信号的形式，这个数字信号并不能直接被静电负刚度匹配结构使用，需要再利用第二数模转换器将其进行模拟转换得到匹配电压信号。
所述开关电路，包括：
电子单刀双掷开关，所述电子单刀双掷开关的公共端与所述数字控制电路的匹配电压信号输出端连接，所述电子单刀双掷开关的控制端与所述数字控制电路的开关控制信号输出端连接，所述电子单刀双掷开关将所述匹配电压信号施加于所述开关控制信号所指示的匹配结构中，以使该匹配结构调节与其连接的所述子谐振器的振动质量块的刚度，直至所述子谐振器的振动质量块之间的刚度匹配。
开关电路的电子单刀双掷开关的公共端接收第二数模转换器输出的匹配电压信号，电子单刀双掷开关的控制端接收开关控制电路输出的开关控制信号。根据不同的开关控制信号，电子单刀双掷开关能够控制匹配电压信号与不同的静电负刚度调节结构的连接的通断。
在本申请的一个可选实施例中，所述PID控制器对所述幅值信号进行处理结得到所述匹配信号，包括：
Ks1+Kse1＝Ks2或Ks2+Kse2＝Ks1 (1)
Kse1,2＝-η(Vp-Vs)2 (2)
其中，Ks1为一子谐振器在某一振动方向上的刚度，Kse1为一子谐振器的所述匹配结构的调节刚度，Ks2为另一子谐振器在某一振动方向上的刚度，Kse2分别为另一谐振器的所述匹配结构的调节刚度，Vs为所述匹配结构的调节电压，Vp为所述两个子谐振器的偏置电压，η为静电负刚度转换系数；
通过(1)式和(2)式得到
其中，Δk为两子谐振器的刚度差。
本申请以刚度较小的子谐振器为匹配基准，匹配结构只能够实现负刚度，因此只能将某一子谐振器的刚度变小，但是预先不能够判断哪个子谐振器刚度更小，因此如(1)式所示可能有两种匹配方程。
从(1)式可以看出子谐振器之间的刚度差值是相同的，因此Kse1的值和Kse2的值是大小相等的相反数，Kse1和Kse2的绝对值Kse1,2可以用(2)式计算得到。
通过(1)式和(2)式可以得出，两子谐振器的刚度差Δk的对应的调节电压的计算式，即(3)式。PID控制器通过(3)式计算当前输入的幅值信号对应应该输出的匹配信号。
在本申请的一个可选实施例中，所述子谐振器的振动拾取结构包括以下任一：
差分式电容式结构、压电式结构。
对于子谐振器的振动拾取结构可以采用差分式电容式结构、压电式结构等不同结构。
可选的，所述前置读出电路的输入端与所述子谐振器输出端连接，包括：
所述前置读出电路的输入端与所述子谐振器的所述振动拾取结构的检测电极连接；
所述检测电极输出所述振动质量块的振动位移信号，所述振动位移信号包括以下任一：电容变化量、电荷变化量、电阻变化量。
当振动拾取结构采用不同的检测结构时，其检测电极输出的振动位移信号也可以是不同的，例如电容变化量、电荷变化量、电阻变化量等。
在本申请的一个可选实施例中所述匹配结构为压膜电容的静电负刚度调节结构。
基于同一发明构思，本申请一实施例提供微音叉谐振器刚度自动匹配方法。参考图4，图4是本申请一实施例提供的微音叉谐振器刚度自动匹配方法的流程图。如图4所示，该方法应用于以上任一项所述的刚度自动匹配结构，所述方法包括：
步骤S400、通过所述偏置电压电路向所述子谐振器施加偏置电压；
步骤S401、通过所述电压发生电路向所述加力结构施加驱动电压，以使所述加力结构产生共模驱动力并作用于所述子谐振器；
步骤S402、通过前置读出电路接收所述子谐振器输出的振动位移信号并输出振动信号
步骤S403、通过所述数字处理电路对所述振动信号进行处理得到开关控制信号和匹配电压信号；
步骤S404、通过开关电路将所述匹配电压信号施加于所述开关控制信号所指示的匹配结构中，以使该匹配结构调节与其连接的所述子谐振器的振动质量块的刚度，直至所述子谐振器的振动质量块之间的刚度匹配。
在所述子谐振器的振动质量块上施加偏置电压；
对所述加力结构施加驱动电压，以使所述加力结构产生，共模驱动力共模驱动力驱动两个子谐振器振动；
接收子谐振器输出的振动位移信号得到振动信号，读取两个子谐振器运动位移信号，转换得到两个子谐振器的振动信号；
将所述振动信号数字化处理得到数字量化信号，将所述数字量化信号进行全波整流和低通滤波后得到幅值信号；
将所述幅值信号分为两路信号，一路信号进行幅值判别后得到开关控制信号，一路信号使用比例积分微分控制算法进行处理得到匹配信号，将所述匹配信号进行模拟转换得到匹配电压信号；
通过控制信号控制所述匹配电压信号与静电负刚度调节结构的连接，直到所述两个子谐振器的主刚度的相同。
对于幅值信号，一路送入PID控制器计算出对应该幅值的第一匹配信号，并将第一匹配信号转换为匹配电压信号，幅值信号的另一路进行幅值判断，此时的幅值信号为第一幅值信号。
本申请预先将开关与任一一个静电负刚度调节结构的连接，此时的第一幅值信号实际为刚度调整之后的幅值。
当判别所述第一幅值信号为零时，说明两子谐振器刚度相同，不需要进行改变，通过第一开关控制信号保持第一匹配电压与静电负刚度调节结构的连接，匹配过程完毕。
当判别所述第一幅值信号为不为零时，说明调节第一匹配电压连接的静电负刚度调节结构错误，将开关调节向另一子自谐振器的静电负刚度调节结构，因此通过第一开关控制信号控制开关换向闭合，清除第一匹配电压。
开关换向闭合后，采用相同的过程得到第二振动信号，第二振动信号数字化处理后进行全波整流和低通滤波后得到第二幅值信号；
将所述第二幅值信号同样分为两路信号，一路信号进行幅值判别后得到第二开关控制信号，一路信号使用比例积分微分控制算法进行处理后，将处理结果进行模拟转换得到第二匹配电压信号；
此时第二幅值信号为零，第二匹配电压为使两子谐振器刚度一致的匹配电压，输出的第二开关控制信号保持当前闭合状态，固定匹配电压。匹配过程完毕。
对于装置实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
本领域内的技术人员应明白，本申请实施例的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本申请实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请实施例是参照根据本申请实施例的方法、终端设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理终端设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理终端设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理终端设备上，使得在计算机或其他可编程终端设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程终端设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本申请实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请实施例范围的所有变更和修改。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
以上对本申请所提供的微音叉谐振器刚度自动匹配结构和方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
Claims (10)
1.一种微音叉谐振器刚度自动匹配结构，其特征在于，包括：
所述微音叉谐振器的至少两个子谐振器，每个子谐振器上设置有加力结构和匹配结构；
偏置电压电路，所述偏置电压电路的输出端与所述子谐振器的振动质量块连接；
电压发生电路，所述电压发生电路的输出端与所述加力结构连接，以使所述加力结构产生共模驱动力并作用于所述子谐振器；
前置读出电路，所述前置读出电路的输入端与所述子谐振器输出端连接，用于接收所述子谐振器输出的振动位移信号并输出振动信号；
数字处理电路，所述数字处理电路与所述前置读出电路输出端连接，用于对所述振动信号处理，得到开关控制信号和匹配电压信号；
开关电路，所述开关电路与数字处理电路输出端连接，用于将所述匹配电压信号施加于所述开关控制信号所指示的匹配结构中，以使该匹配结构调节与其连接的所述子谐振器的振动质量块的刚度，直至所述子谐振器的振动质量块之间的刚度匹配。
2.根据权利要求1所述的微音叉谐振器刚度自动匹配结构，其特征在于，所述电压发生电路，包括：
正弦波发生器，所述正弦波发生器的输出端与第一数模转换器输入端连接；
第一数模转换器，所述第一数模转换器的输出端与所述加力结构连接，以使所述加力结构产生共模驱动力并作用于所述子谐振器。
3.根据权利要求1所述的微音叉谐振器刚度自动匹配结构，其特征在于，所述前置读出电路，包括：
两条前置读出子电路，所述前置读出子电路与子谐振器的检测电极输出端连接；
差分放大器，所述差分放大器与所述两条前置读出子电路的两个输出端连接，输出差模振动信号。
4.根据权利要求1所述的微音叉谐振器刚度自动匹配结构，其特征在于，所述数字处理电路，包括：
模数转换器，所述模数转换器与所述前置读出电路输出端连接，将所述振动信号数字化处理得到数字量化信号；
全波整流器，所述全波整流器与所述模数转换器输出端连接，对所述数字量化信号进行全波整流；
低通滤波器，所述低通滤波器与所述全波整流器输出端连接，得到幅值信号；
比例积分微分PID控制器，所述PID控制器与所述低通滤波器的输出端连接，对所述幅值信号进行处理得到匹配信号；
第二数模转换器，所述第二数模转换器与所述数字处理电路的匹配信号输出端连接，输出匹配电压信号；
开关控制电路，所述开关控制电路与所述低通滤波器的输出端连接，输出所述开关控制信号。
5.根据权利要求4所述的微音叉谐振器刚度自动匹配结构，其特征在于，所述PID控制器对所述幅值信号进行处理得到所述匹配信号，包括：
其中，为一子谐振器在某一振动方向上的刚度，/>为一子谐振器的所述匹配结构的调节刚度，/>为另一子谐振器在某一振动方向上的刚度，/>分别为另一谐振器的所述匹配结构的调节刚度，/>为/>和/>的绝对值，/>为所述匹配结构的调节电压，为所述两个子谐振器的偏置电压，/>为静电负刚度转换系数；
通过（1）式和（2）式得到，匹配信号为
其中，为两子谐振器的刚度差。
6.根据权利要求1所述的微音叉谐振器刚度自动匹配结构，其特征在于，所述开关电路，包括：
电子单刀双掷开关，所述电子单刀双掷开关的公共端与所述数字处理电路的匹配电压信号输出端连接，所述电子单刀双掷开关的控制端与所述数字处理电路的开关控制信号输出端连接，所述电子单刀双掷开关将所述匹配电压信号施加于所述开关控制信号所指示的匹配结构中，以使该匹配结构调节与其连接的所述子谐振器的振动质量块的刚度，直至所述子谐振器的振动质量块之间的刚度匹配。
7.根据权利要求1所述的微音叉谐振器刚度自动匹配结构，其特征在于，
所述子谐振器的振动拾取结构包括以下任一：
差分式电容式结构、压电式结构。
8.根据权利要求1所述的微音叉谐振器刚度自动匹配结构，其特征在于，
所述匹配结构为压膜电容的静电负刚度调节结构。
9.根据权利要求1所述的微音叉谐振器刚度自动匹配结构，其特征在于，所述前置读出电路的输入端与所述子谐振器输出端连接，包括：
所述前置读出电路的输入端与所述子谐振器的振动拾取结构的检测电极连接；
所述检测电极输出所述振动质量块的振动位移信号，振动位移信号包括以下任一：电容变化量、电荷变化量、电阻变化量。
10.一种微音叉谐振器刚度自动匹配方法，其特征在于，应用于权利要求1-9任一项所述的刚度自动匹配结构，所述方法包括：
通过所述偏置电压电路向所述子谐振器施加偏置电压；
通过所述电压发生电路向所述加力结构施加驱动电压，以使所述加力结构产生共模驱动力并作用于所述子谐振器；
通过前置读出电路接收所述子谐振器输出的振动位移信号并输出振动信号；
通过所述数字处理电路对所述振动信号进行处理得到开关控制信号和匹配电压信号；
通过开关电路将所述匹配电压信号施加于所述开关控制信号所指示的匹配结构中，以使该匹配结构调节与其连接的所述子谐振器的振动质量块的刚度，直至所述子谐振器的振动质量块之间的刚度匹配。
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| CN102136830A (zh) * | 2010-10-21 | 2011-07-27 | 北京大学 | 一种用于微机械谐振式器件的升频驱动控制方法 |
| CN106629571A (zh) * | 2016-09-20 | 2017-05-10 | 西北工业大学 | 一种基于模态局部化效应的弱耦合mems谐振式加速度计 |
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