CN114217093B - 一种适用于mems模态局部化传感器的环状耦合系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适用于MEMS模态局部化传感器的环状耦合系统，属于MEMS传感器领域。系统主要结构包括：环状耦合梁203，耦合刚度调节电极205、206。所述环状耦合梁是圆环、正方环、矩环或者其他封闭结构；所述环状耦合梁203通过连接两个谐振梁201、202实现机械耦合。相较于传统的机械耦合梁，本发明可以使耦合梁对侧向刻蚀的敏感程度大幅度降低，在加工精度水平不变的情况下可以进一步提高传感器的稳定性和一致性；同时设计了针对所述环状耦合梁的耦合刚度调节电极，通过调节耦合刚度调节电极的电势产生与环状耦合梁的电势差，从而产生静电力，改变环状耦合梁内部的应力分布，以实现机械耦合刚度的调节。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于MEMS模态局部化传感器的环状耦合系统，属于MEMS传感器领域。
背景技术
MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)传感器一般指内部结构在微米甚至纳米量级，包含感应、控制和执行元件的传感器系统。按照敏感机理的不同，MEMS传感器可基于光学、电学、热学、磁学、声学、力学等各种物理量进行种类划分。其中基于检测物体振动状态变化的谐振式传感器(下文或称谐振器)因为具有相对较高的灵敏度、数字输出、大动态范围和高抗干扰能力等特点，已成为MEMS传感器的重要发展趋势之一。传统谐振式传感器的主要结构包括：谐振梁、敏感结构、驱动结构和检测结构。其检测原理为：敏感结构在感应到外界物理量的变化后，产生作用在谐振梁上的惯性力，使谐振梁刚度发生变化，从而改变谐振梁的谐振频率。通过检测谐振频率变化即可测得响应的外界物理信息。
基于模态局部化现象的谐振式传感器是一种新型谐振式传感器，其通过检测两个谐振梁谐振状态下的幅值比来敏感外界参数变化。与传统的谐振式传感器相比，模态局部化传感器可以将灵敏度提高2个数量级以上。在模态局部化传感器中，耦合结构的设计非常重要，其耦合的刚度会直接影响传感器测量信号的带宽和输出灵敏度。在耦合结构的作用下，两个谐振梁以静电耦合或机械耦合的方式串联耦合。静电耦合具有耦合刚度可调节的特点，但其结构本身易受到馈通电容的影响，从而使耦合刚度产生漂移。为了提高耦合刚度的稳定性，在设计中通常采用机械耦合的方式。机械耦合刚度主要取决于耦合梁的位置和几何特性。在以往的模态局部化传感器设计中，耦合梁均为直梁，即使用一根或多根均质等截面直型梁沿谐振梁的法向连接若干个谐振梁，其与谐振梁的连接点一般位于谐振梁固接处靠近锚点的位置。在各项异性刻蚀加工工艺中，所述耦合梁的侧壁会不可避免地产生50～500nm的侧向刻蚀，从而使耦合梁的宽度变窄，耦合刚度减小，进而导致传感器的设计指标偏离预期水平。同时，采用直梁耦合的模态局部化传感器不易实现耦合刚度调节。为了降低上述工艺加工误差造成的影响，同时实现机械耦合刚度的调节，本发明提出了一种新型的环状耦合系统。所述耦合系统主要包括一种环状耦合梁和两个耦合刚度调节电极。与直梁耦合梁相比，所述环状耦合梁在同样的侧向刻蚀深度下耦合刚度的变化幅度更小，在工艺加工水平不变的情况下，采用本发明提出的环状耦合梁可以降低耦合梁对加工误差的敏感程度，进一步提升传感器性能的稳定性和一致性。同时，在环状耦合梁外侧布置的两个耦合刚度调节电极可以实现机械耦合刚度的调节功能，拓宽了模态局部化传感器的量程。
发明内容
本发明的目的是：提供一种适用于MEMS模态局部化传感器的环状耦合系统，降低耦合梁对工艺加工误差的敏感程度，同时实现机械耦合刚度的调节。为了实现上述发明目的，本发明提出了一种适用于MEMS模态局部化传感器的环状耦合系统，其主要结构包括：环状耦合梁203，耦合刚度调节电极205、206。
所述环状耦合梁具有中心对称的特性。所述环状耦合梁的具体结构可以是圆环、正方环、矩环或者其他任意在工程实践中可以被定义为环状的封闭结构；所述环状耦合梁的环宽w可以为等宽，也可以为不等宽，其具体宽度的设定不应影响对其“环状”特征的判定，但在工程实践中，所述环状耦合梁的环宽w应满足：500nm＜w＜10*d，其中d为谐振梁201、202的宽度；使得其同时满足加工工艺的限制并保证一定的耦合效果。
所述环状耦合梁203通过连接两个谐振梁201、202实现机械耦合。在一般的模态局部化传感器设计中，谐振梁201、202经由中央固定锚点204固定连接并呈中心对称分布。所述环状耦合梁203的中心对称点与谐振梁201、202呈中心对称分布的中心对称点重合，并与谐振梁201、谐振梁202直接相交为一整体结构；将谐振梁201与固定锚点204、环状耦合梁203内径的相交点分别定义为A0，A1，将谐振梁202与固定锚点204、环状耦合梁203内径的相交点分别定义为B0，B1。将所述点A0，A1之间的距离定义为R1，将所述点B0，B1之间的距离定义为R2。所述距离R1、R2应满足关系R1＝R2＜10*d，以满足一定的耦合效果。
所述耦合刚度调节电极205、206与环状耦合梁203共同构成耦合调节电容207、208。通过改变耦合刚度调节电极205、206的电势形成与环状耦合梁203的电势差，从而产生静电力改变环状耦合梁203内的应力分布，从而实现其耦合刚度的调节。所述耦合调节电容207、208的有效极板长度和电容间距与耦合梁203的宽度密切相关，其具体参数的设定应以产生一定的刚度调节效果为标准。在具体的工程实践中，耦合调节电极205、206与环状耦合梁203之间的电势差一般不超过150V。
本发明的有益效果是：
本发明采用了环状耦合梁设计，相较于传统的机械耦合梁，可以使耦合梁对侧向刻蚀的敏感程度大幅度降低，在加工精度水平不变的情况下可以进一步提高传感器的稳定性和一致性；同时设计了针对所述环状耦合梁的耦合刚度调节电极，通过调节耦合刚度调节电极的电势产生与环状耦合梁的电势差，从而产生静电力，改变环状耦合梁内部的应力分布，以实现机械耦合刚度的调节。
附图说明
图1是谐振系统弹簧-质量块模型示意图。
图中，101为等效质量块一，102为等效质量块二，103为等效阻尼一，104为等效阻尼二，105为等效耦合梁，106为等效刚度一，107为等效刚度二，108为等效谐振器一，109为等效谐振器二。
图2是本发明所设计的耦合梁的示意图。
图中，201为谐振器一的谐振梁，202为谐振器二的谐振梁，203为环状耦合梁，204为中央固定锚点，205为下侧耦合刚度调节电极，206为上侧耦合刚度调节电极，207为下侧耦合刚度调节电极205与环状耦合梁203共同构成的耦合调节电容，208为上侧耦合刚度调节电极206与环状耦合梁203共同构成的耦合调节电容。
图3(a)是本发明所设计的环状耦合梁适用于模态局部化传感器时的工作模态仿真结果，图3(b)是作为对比的直梁耦合梁适用于模态局部化传感器时的工作模态仿真结果。
图4(a)是本发明所设计的环状耦合梁在不施加耦合刚度调节电压时，传感器的前两阶工作模态仿真结果，图4(b)是本发明所设计的环状耦合梁在施加耦合刚度调节电压时，传感器的前两阶工作仿真结果。
图5是本发明所设计的环状耦合梁在施加耦合刚度调节电压时，电压值与传感器前两阶工作模态频差关系的仿真结果。
图6是本发明所设计的环状耦合梁在MEMS模态局部化加速度计上的具体实施例。
图中，201为谐振器一的谐振梁，202为谐振器二的谐振梁，203为环状耦合梁，204为中央固定锚点，205为下侧耦合刚度调节电极，206为上侧耦合刚度调节电极，601为质量块一，602为质量块二，603为谐振梁一的谐振刚度调节电极一，604为谐振梁一的谐振刚度调节电极二，605为谐振梁一的谐振刚度调节电极三，606为谐振梁一的谐振刚度调节电极四，607为谐振梁二的谐振刚度调节电极一，608为谐振梁二的谐振刚度调节电极二，609为谐振梁二的谐振刚度调节电极三，610为谐振梁二的谐振刚度调节电极四，611为谐振梁一的差分检测电极一，612为谐振梁一的差分检测电极二，613为谐振梁二的差分检测电极一，614为谐振梁二的差分检测电极二，615为谐振梁一的驱动电极、616为谐振梁二的驱动电极。
图7是本发明所设计的环状耦合梁的部分具体可行结构示意图。所述环状耦合梁包括但不限于图中所示的几种环状耦合结构。
具体实施方式
在详细介绍本发明之前，先介绍本发明涉及的模态局部化原理，和将该原理应用于MEMS传感器的理论基础。图1为谐振系统简化弹簧-质量模型示意图，该谐振系统由等效谐振器一108、等效谐振器二109、等效耦合梁及固定锚点组成。在图1中，用弹簧模型作为机械耦合梁的刚度模型105，表示等效耦合梁的刚度kc，其质量忽略不计；用弹簧模型作为谐振器一的刚度模型106、谐振器二的刚度模型107，分别表示等效谐振器一108、等效谐振器二109的刚度k1和k2；用质量块101、102来分别等效表示等效谐振器一108、等效谐振器二109的质量m1和m2。该双自由度谐振系统具有两个振动模态，同向运动为同向模态，反向运动为反向模态。下文中x1和x2分别表示谐振器一的等效模型108和谐振器二的等效模型109的位移，u1和u2分别表示同向模态和反向模态的振幅比。根据牛顿第二定律得到该耦合系统的振动方程：
该式具有一个特解为：
将其代入得到关于振幅的线性方程组：
对于N自由度的耦合系统，应该具有N个振动模态，N个谐振频率。解上述方程可以得到二自由度模态局部化传感器的两个自然频率，假设初始条件下的两个谐振器的结构参数完全相同，则可以得到谐振器的两个谐振频率为：
此时谐振器的输出振幅比为：
图2是本发明所设计的耦合梁的示意图。图中，201为谐振器一的谐振梁，202为谐振器二的谐振梁，203为环状耦合梁，204为中央固定锚点，205为下侧耦合刚度调节电极，206为上侧耦合刚度调节电极，207为下侧耦合刚度调节电极205与环状耦合梁203共同构成的耦合调节电容，208为上侧耦合刚度调节电极206与环状耦合梁203共同构成的耦合调节电容。通过调节耦合刚度调节电极205、206的电势，产生其与环状耦合梁203间的电势差，从而产生静电力改变环状耦合梁的内部应力分布，从而改变其耦合刚度。
在模态局部化传感器的设计中，耦合梁的设计至关重要。由公式(4)、(5)可知，耦合梁的耦合刚度可以通过谐振器的前两阶谐振频率来表示：
其中Δω为谐振器前两阶工作模态的频差。由于几乎不随耦合刚度的变化而改变，故可以认为耦合刚度与工作模态频差呈正相关的关系，耦合刚度的变化量可以使用工作模态频差来表征。根据剑桥大学A Seshia等人2019年发表在JMEMS的文章A HighResolution Differential Mode-Localized MEMS Accelerometer，模态局部化传感器的工作带宽与工作模态的频差呈正相关，即耦合刚度的大小会影响传感器测量的带宽水平。
在传感器的各向异性刻蚀工艺中，处于高频电场作用下的刻蚀气体通过辉光放电产生分子游离基(包括原子、分子或原子团等)，并对被刻蚀材料进行离子轰击和化学反应生成挥发性气体，最终获得微机械结构。刻蚀和钝化的交替进行会在硅结构的侧壁产生深50～500nm，宽1μm的凹槽，在该效应的影响下，耦合梁的宽度减小，耦合刚度降低，从而使模态局部化传感器的设计参数偏离预期水平。
针对上述问题，本发明提出了的环状耦合梁可以替代原有的直梁耦合梁，降低侧向刻蚀导致的耦合刚度减小所造成的影响。图3(a)示出本发明所设计的环状耦合梁适用于模态局部化传感器时的工作模态仿真振型，图3(b)示出作为对比的直梁耦合梁适用于模态局部化传感器时的工作模态仿真振型。在谐振器前两阶工作模态频差完全相同的情况下。通过有限元仿真模拟模态局部化传感器在工艺加工过程中，机械耦合梁受到侧向刻蚀产生工艺误差后的频差变化量，得到表格如下：
表1环状耦合梁与直梁耦合梁对侧向刻蚀敏感程度的对比
表1中基于有限元仿真计算的对比结果表明，相较于采用直梁耦合梁的模态局部化传感器，本发明提出的采用环状耦合梁的模态局部化传感器在相同的侧向刻蚀水平下，频差变化的误差量更小，根据公式(8)可知其耦合刚度的变化误差量更小，故采用环状耦合梁可以减弱工艺加工时侧向刻蚀对模态局部化传感器设计的不利影响。
在模态局部化传感器中，耦合刚度作为结构设计的核心指标，直接影响了传感器的灵敏度、带宽等性能。相较于静电耦合梁，机械耦合梁具有设计简单、耦合刚度稳定的优点，但其耦合刚度往往取决于其结构设计，不易实现灵活的刚度调节。为了实现机械耦合刚度的调节，提升传感器的适用性，本发明提出的环状耦合梁及耦合刚度调节电极结合了机械耦合和静电耦合的特性，实现了机械耦合刚度的灵活调节。所述耦合刚度可以用模态局部化传感器前两阶工作模态的频差来表征，图4(a)示出在特定结构设计下模态局部化传感器的前两阶工作模态谐振频率为：35830Hz、35841Hz，频差为11Hz。图4(b)示出在与图4(a)所用相同结构并施加耦合刚度调节电压后，前两阶工作模态谐振频率变为为：36508Hz、36624Hz，频差增加到116Hz。图5示出了所施加的耦合刚度调节电压与传感器前两阶工作模态频差的关系。采用本发明设计的环状耦合梁可以有效地调节模态局部化传感器的耦合刚度，从而拓宽其使用量程。
图6示出的实施例提供一个使用了环状耦合梁的二自由度MEMS模态局部化加速度传感器结构。环状耦合梁203通过连接呈中心对称的两组完全相同的谐振梁201、202实现机械耦合。两个谐振梁外侧连接敏感外界加速度的质量块601、602。谐振梁一201与谐振梁二202通过中心固定锚点204支撑；所述环状耦合梁203的中心对称点与谐振梁一201和谐振梁二202的呈中心对称的中心对称点重合。所述质量块601、602在加速度的作用下对谐振梁一201和谐振梁二202产生轴向应力，从而改变谐振器的谐振状态。所述谐振梁一201的上侧设置有谐振刚度调节电极603、604，下侧设置有谐振刚度调节电极605、606；所述谐振梁二202的上侧设置有谐振刚度调节电极607、608，下侧设置有谐振刚度调节电极609、610。所述谐振刚度调节电极用于调整模态局部化传感器的初始工作点，从而避免其工作在非线性度较差的工作区域中。所述环状耦合梁的外侧设置有耦合刚度调节电极205、206，通过改变耦合刚度调节电极205、206的电压产生静电力作用于环状耦合梁203上，从而改变其耦合刚度。
当有外界扰动输入时，质量块601、602产生对谐振梁201、202的轴向扰动。使得谐振梁一201的刚度变化为Δk1，而谐振梁二202的刚度变化为-Δk2。由于谐振梁一201和谐振梁二202的结构完全相同，根据胡克定律，Δk1＝Δk2＝Δk，两个谐振梁的刚度差为2Δk，则两个原本完全对称的谐振梁出现了等效刚度不匹配，诱发了模态局部化效应，从而获得更高信噪比的信号，并经由差分检测电极611、612、613、614进行差分检测。将两个谐振梁的检测信号分别进行差分，经过电路处理即可得到两个谐振梁的振动幅值信息，将两路幅值信号输入除法器即可得到最终输出的幅值比信号。这种差分检测的方式，不仅可以消去馈通电容信号干扰，使振幅和频率的检测更加准确，还可以使输出信号强度增大一倍，从而大幅提升传感器输出信号的信噪比。在初始状态下，谐振梁一201的振动幅值与谐振梁二202的振动幅值相等，幅值比输出为1；在受到扰动后，由于模态局部化现象的产生，谐振梁的幅值比输出大幅度改变，从而实现加速度的检测。
通过改变耦合刚度调节电极205、206的电压产生其与环状耦合梁203间的电势差，从而产生静电力，改变环状耦合梁203内的应力分布，进而改变其耦合的刚度。
所述实施例的具体设计参数如下表：
表2所述使用环状耦合系统的模态局部化传感器实施例设计参数
在本发明的描述中，需要说明的是，本发明所提出的环状耦合梁不仅适用于二自由度模态局部化传感器，在本发明的基础上设计的三自由度、四自由度或更高自由度的模态局部化传感器均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“环状”应作广义理解，例如，可以是圆环、正方环、矩环或者其他任意在工程实践中可以被定义为环状的封闭结构；所述环状耦合梁的环宽w可以为等宽，也可以为不等宽，其具体宽度的设定不应影响对其“环状”特征的判定。对于本领域的普通技术人员而言，可以在具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。所述环状耦合结构包括但不限于图7示出的若干种环状耦合结构。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种适用于MEMS模态局部化传感器的环状耦合系统，其特征在于，主要包括：环状耦合梁(203)，耦合刚度调节电极(205、206)；
所述环状耦合梁具有中心对称的特性；所述环状耦合梁(203)通过连接两个谐振梁(201、202)实现机械耦合；谐振梁(201、202)经由中央固定锚点204)固定连接并呈中心对称分布；所述环状耦合梁(203)的中心对称点与谐振梁(201、202)呈中心对称分布的中心对称点重合，并与谐振梁(201)、谐振梁(202)直接相交为一整体结构；将谐振梁(201)与固定锚点(204)、环状耦合梁(203)内径的相交点分别定义为A0，A1，将谐振梁(202)与固定锚点(204)、环状耦合梁(203)内径的相交点分别定义为B0，B1；将所述点A0，A1之间的距离定义为R1，将所述点B0，B1之间的距离定义为R2；所述距离R1、R2满足关系R1＝R2＜10*d；
所述耦合刚度调节电极(205、206)与环状耦合梁(203)共同构成耦合调节电容(207、208)；通过改变耦合刚度调节电极(205、206)的电势形成与环状耦合梁(203)的电势差，从而产生静电力改变环状耦合梁(203)内的应力分布，从而实现其耦合刚度的调节。
2.一种如权利要求1所述的适用于MEMS模态局部化传感器的环状耦合系统，其特征在于，所述环状耦合梁(203)的具体结构是圆环、矩环或者其他环状封闭结构。
3.一种如权利要求1所述的适用于MEMS模态局部化传感器的环状耦合系统，其特征在于，所述耦合刚度调节电极(205、206)与环状耦合梁(203)之间的电势差不超过150V。
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