CN116840510A - 一种基于模态耦合带宽自拓展的同步加速度计 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于模态耦合带宽自拓展的同步加速度计，敏感模块通过放大梁与敏感谐振梁相连，放大梁传递力于敏感谐振梁，动态改变敏感谐振梁的刚度，敏感模块将振荡信号以扰动信号的形式作用在高频同步模块中的高频谐振梁并形成同步；同步带宽拓展模块根据高频谐振梁振荡信息输出相位控制量作用在低频调控模块中的低频谐振梁以改变其振荡振幅，基于模态耦合机制，通过改变低频谐振梁的振荡幅值，动态调控高频谐振梁的共振频率，进而实现高频谐振梁同步带宽的大幅自主拓展，具备不引入热噪声、实时性优异和调控精度高的优点，从而实现MEMS同步加速度计性能的提升。
Description
技术领域
本发明属于微机械系统及非线性动力学技术领域，具体涉及一种基于模态耦合带宽自拓展的同步加速度计。
背景技术
MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，其中，MEMS加速度计具有体积小、高度集成、信噪比高、功耗低、成本低和性能可靠等诸多优势，有着十分广阔的应用前景或者潜在的利用价值。尤其是近年来物联网、人工智能和虚拟现实等新兴产业的蓬勃发展，高性能MEMS加速度计的需求将进一步扩大。MEMS谐振式加速度计由于具有稳定性好、精度高、抗干扰能力强、兼容性高等优点受到越来越多的关注并得到广泛应用。
由于具备提升加速度计灵敏度和分辨率的优势，MEMS谐振器中的同步现象已应用于MEMS加速度计的研发。然而，现有研究中的同步带宽普遍较小，限制了MEMS同步加速度计的量程。为了扩大同步加速度计的量程，当前主要利用压阻热方法来拓展同步带宽，但是还存在功耗大、实时性差、热噪声影响频率稳定性等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于模态耦合带宽自拓展的同步加速度计，用于解决频率稳定性、热调控实时性和精度差的技术问题，敏感模块承受外界加速度后输出的扰动信号与高频谐振梁发生同步，同步带宽自拓展算法跟踪高频谐振梁的振荡相位，输出相位控制量来改变低频谐振梁自激振荡的相位延迟，进而改变低频谐振梁的振荡幅值，基于模态耦合机制，使得高频谐振梁的谐振频率发生相应变化，从而实现大范围匹配同步条件和拓展同步带宽的目的。
本发明采用以下技术方案：
一种基于模态耦合带宽自拓展的同步加速度计，包括同步带宽自拓展算法模块，同步带宽自拓展算法模块分别连接低频调控模块和高频同步模块，通过比较高频同步模块中高频谐振梁振荡信号和扰动信号之间的相位差与设定相位阈值的大小，输出相位控制量，通过改变低频调控模块中低频谐振梁自激振荡回路的相位延迟，改变低频谐振梁的振荡幅值；低频谐振梁和高频谐振梁并列排布，低频谐振梁和高频谐振梁之间通过第一耦合极板和第二耦合极板实现静电耦合，通过改变低频谐振梁的振荡幅值动态调控高频谐振梁的共振频率，实现同步带宽的大幅度拓展。
具体的，低频谐振梁及其中间向外伸出的第一受激极板和第一耦合极板悬置于镂空的衬底上；低频谐振梁的左右两端分别与衬底绝缘层上设置的第一锚点和第二锚点连接；衬底上还悬置有第一激励极板，第一激励极板连接第五锚点，第一激励极板和第一受激极板组成电容极板；第一锚点、第二锚点和第五锚点上分别溅射有第一金属电极层、第二金属电极层和第五金属电极层。
进一步的，第一锚点、第二锚点和第五锚点为边长100～200μm的矩形结构；第一金属电极层、第二金属电极层和第五金属电极层为边长50～150μm的矩形结构；第一耦合极板、第一激励极板和第一受激极板的长度为100～200μm，极板之间的间隙距离为2～5μm。
具体的，高频谐振梁及其中间向外伸出的第二受激极板和第二耦合极板悬置于镂空的衬底上，高频谐振梁的左右两端分别与衬底绝缘层上设置的第三锚点和第四锚点连接；衬底上还悬置有第二激励极板，第二激励极板连接第六锚点，第二激励极板和第二受激极板组成电容极板；第三锚点、第四锚点和第六锚点上分别溅射有第三金属电极层、第四金属电极层和第六金属电极层。
进一步的，第二耦合极板、第二激励极板和第二受激极板的长度为100～200μm，极板之间的间隙距离为2～5μm；第三锚点、第四锚点和第六锚点为边长100～200μm的矩形结构；第三金属电极层、第四金属电极层和第六金属电极层为边长50～150μm的矩形结构。
进一步的，衬底上还悬置有敏感谐振梁，敏感谐振梁中间向外伸出的第三受激极板和第一检测极板悬置于镂空的衬底上，敏感谐振梁的左右两端分别和与衬底绝缘层固结的第七锚点和连接锚点连接；衬底上还悬置设置有第二检测极板和第三激励极板，第二检测极板连接有第九锚点，第三激励极板连接有第八锚点，第二检测极板和第一检测极板组成电容极板，第三激励极板和第三受激极板组成电容极板；第七锚点、第八锚点和第九锚点上分别溅射有第七金属电极层、第八金属电极层和第九金属电极层。
更进一步的，敏感模块包括跨阻放大器，敏感谐振梁运动时，存有固定电势差V的第一检测极板和第二检测极板相对位移发生了变化，动感电流经过跨阻放大器转化为电压信号，再经第三滤波器、第三移相器和第三比较器，输出的信号分为两路，一路施加在激励电极使敏感谐振梁产生自激振荡，另一路作为扰动信号Vpcos(ωpt)通过加法器施加在高频谐振梁。
更进一步的，低频谐振梁的长度为300～500μm；高频谐振梁和敏感谐振梁的长度为150～300μm；第三受激极板、第一检测极板、第二检测极板和第三激励极板的长度为100～200μm，极板之间的间隙距离为2～5μm；第七锚点、第八锚点和第九锚点为边长100～200μm的矩形结构；第七金属电极层、第八金属电极层和第九金属电极层为边长50～150μm的矩形结构。
具体的，低频调控模块包括第一差分放大器，低频谐振梁的的动感电流经第一差分放大器转化为电压信号，电压信号再经第一滤波器、第一移相器和第一比较器，配合偏置电压Vdc1激励低频谐振梁做自激振荡，高频同步模块包括第二差分放大器，高频谐振梁的动感电流经第二差分放大器转化为电压信号，电压信号经过第二滤波器、第二移相器和第二比较器，配合偏置电压Vdc2激励高频谐振梁做自激振荡；频率计数器记录由第二比较器输出的反馈信号的频率信息。
更进一步的，同步带宽自拓展算法模块包括鉴相器，鉴相器由第二差分放大器输出的电压信号得到高频谐振梁振荡的相位，同步带宽自拓展算法计算得到相位控制量通过第一移相器作用在低频谐振梁。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
一种基于模态耦合带宽自拓展的同步加速度计，通过同步带宽自拓展算法跟踪高频谐振梁的振荡相位，通过比较高频谐振梁的振荡相位和扰动信号的相位差值与设定阈值大小，计算得到相位控制量，可以实现对扰动信号的实时跟踪，大大提高了加速度计的灵敏度和准确性；同步带宽自拓展算法模块输出相位控制量以改变低频谐振梁的振荡幅值，进而利用模态耦合机制动态调控高频谐振梁的共振频率，实现同步带宽的拓展，因此扩展了加速度计的量程；高频谐振梁的刚度调控来源于耦合静电力，耦合静电力是平行电容极板的自然产物，这意味不需要进行精细的结构设计，降低了加速度计制造工艺的难度；相比于压阻热方法，模态耦合机制的响应速度快，实时性好，且不引入热噪声，保证自激振荡回路的频率稳定性，提高了加速度计的稳定性。
进一步的，低频谐振梁的左右两端分别和与衬底绝缘层固结的第一锚点和第二锚点连接，使低频谐振梁悬置于镂空的衬底上；低频谐振梁中间向外伸出的第一受激极板悬置于镂空的衬底上，第五锚点向外伸出的第一激励极板悬置于镂空的衬底上，第一受激极板和第一激励极板配合产生激振静电力，激励起低频谐振梁在弯曲方向上的振荡。
进一步的，高频谐振梁的左右两端分别和与衬底绝缘层固结的第三锚点和第四锚点连接，使高频谐振梁悬置于镂空的衬底上；高频谐振梁中间向外伸出的第二受激极板悬置于镂空的衬底上，第六锚点向外伸出的第二激励极板悬置于镂空的衬底上，第二受激极板和第二激励极板配合产生激振静电力，激励起高频谐振梁在弯曲方向上的振荡。
进一步的，敏感谐振梁左右两端分别和与衬底绝缘层固结的第七锚点和连接锚点相连，使敏感谐振梁悬置于镂空的衬底上；敏感谐振梁中间向外侧伸出的第三受激极板和第一检测极板悬置于镂空的衬底上，第八锚点向外伸出的第三激励极板悬置于镂空的衬底上，第三受激极板和第三激励极板配合产生激振静电力，激励起敏感谐振梁在弯曲方向上的振荡；第九锚点向外伸出的第二检测极板悬置于镂空的衬底上，第一检测极板和第二检测极板配构成检测电容，检测敏感谐振梁在弯曲方向上的振荡，实时采集敏感谐振梁的振荡信号；低频谐振梁中间向外伸出的第一耦合极板悬置于镂空的衬底上，高频谐振梁中间向外伸出的第二耦合极板悬置于镂空的衬底上，第一耦合极板和第二耦合极板配合产生耦合静电力，通过控制低频谐振梁、高频谐振梁中间电势大小的来调节耦合静电力的大小。
进一步的，由敏感谐振梁、跨阻放大器、第三滤波器、第三移相器和第三比较器构成第三振荡回路，当加速度计承受外界加速度时，质量块在加速度的作用下，发生位移形变；与质量块连接的放大梁将所受到的拉伸或压缩的应变进行一定比例的放大，使得敏感谐振梁承受更大的拉伸应变或压缩应变；敏感谐振梁在拉伸应力和压缩应力的作用下，其谐振频率产生相应的变化。当敏感谐振梁受到拉伸应力时，由于刚度变大的缘故，其谐振频率增加；反之当敏感谐振梁受到压缩应力时，谐振梁由于刚度变小的原因，其谐振频率降低；这样，通过测量敏感谐振梁的谐振频率的变化推算加速度计所承受的加速度大小；敏感谐振梁在交变静电力驱动下的稳定振荡位移信号转化为可变电容的动感电流信号输出，动感电流经过跨阻放大器转化为电压信号，再经过第三滤波器、第三移相器和第三比较器产生扰动信号Vpcos(ωpt)，扰动信号通过加法器，与交流电压信号Vac2cos(ω2t)和偏置电压Vdc2一同作用在第六金属电极层上，当同步发生时，高频谐振梁的自激振荡频率ω2会跟随扰动信号频率ωp的变化。
进一步的，偏置电压Vd1和偏置电压Vd2分别作用在第一金属电极层和第二金属电极层上，低频谐振梁两端存在电势差，由压阻效应产生动感电流，动感电流信号经过第一差分放大器，转化为电压信号；低频谐振梁的的动感电流经第一差分放大器转化为电压信号，再经过第一滤波器，在第一移相器与同步带宽自拓展算法模块输出的相位控制量结合，再经过第一比较器后，产生交流电压信号Vac1cos(ω1t)，配合偏置电压Vdc1作用在第五金属电极层上，进而作用在第一激励极板上使低频谐振梁发生自激振荡。当交流电压信号Vac1cos(ω1t)改变时，低频谐振梁的振荡幅值会发生变化；偏置电压Vd3和偏置电压Vd4分别作用在第三金属电极层和第四金属电极层上，高频谐振梁两端存在电势差，由压阻效应产生动感电流，动感电流信号经过第二差分放大器，第二滤波器、第二移相器和第二比较器后，产生交流电压信号Vac2cos(ω2t)，配合偏置电压Vdc2作用在作用在第六金属电极层上，进而作用在第二激励极板上使高频谐振梁发生自激振荡；第二比较器输出的交流电压信号被发送至频率计数器，频率计数器记录并统计高频谐振梁自激振荡的频率变化；低频谐振梁和高频谐振梁通过静电力耦合，改变低频谐振梁的振荡幅值可以影响高频谐振梁的等效刚度，进而改变高频谐振梁的共振频率ω2；当高频谐振梁发生自激振荡，并与扰动信号发生同步时，其同步带宽与高频谐振梁的共振频率相关，同步带宽为[ω2-B,ω2+B]，通过调控低频谐振梁的振荡幅值，使高频谐振梁的共振频率产生相应变化，实现同步带宽的可控拓展。
综上所述，本发明具备不引入热噪声、实时性优异和调控精度高等优点，配合大幅度拓展的同步带宽，使得基于同步原理的加速度计的实时性、测量精度、量程等指标得到显著提升。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明具备模态耦合机制的MEMS谐振梁结构图；
图2为本发明MEMS谐振式加速度计结构图；
图3为本发明通过模态耦合机制拓展同步带宽的工作原理图；
图4为同步拓展算法的工作流程图。
其中：1-1.第一金属电极层；1-2.第一锚点；1-3.低频谐振梁；1-4.第一受激极板；1-5.第一耦合极板；1-6.第二金属电极层；1-7.第二锚点；2-1.第三金属电极层；2-2.第三锚点；2-3.高频谐振梁；2-4.第二受激极板；2-5.第二耦合电极；2-6.第四金属电极层；2-7.第四锚点；3-1.第五金属电极层；3-2.第五锚点；3-3.第一激励极板；4-1.第六金属电极层；4-2.第六锚点；4-3.第二激励极板；5-1.第一差分放大器；5-2.第一滤波器；5-3.第一移相器；5-4.第一比较器；6-1.第二差分放大器；6-2.第二滤波器；6-3.第二移相器；6-4.第二比较器；6-5.加法器；6-6.频率计数器；7-1.鉴相器；8-1.跨阻放大器；8-2.第三滤波器；8-3.第三移相器；8-4.第三比较器；9-1第七金属电极层；9-2第七锚点；9-3敏感谐振梁；9-4第三受激极板；9-5第一检测极板；9-6连接锚点；9-7放大梁；9-8质量块；10-1第八金属电极层；10-2第八锚点；10-3第三激励极板；11-1第九金属电极层；11-2第九锚点；11-3第二检测极板。
具体实施方式
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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为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，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
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“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
本发明提供了一种基于模态耦合带宽自拓展的同步加速度计，敏感模块承受外界加速度时，会产生扰动信号通过加法器引入同步振荡回路；在高频谐振梁的共振频率处建立自激振荡回路，当与扰动信号发生同步时，自激振荡回路的振荡频率跟随扰动信号的频率；在低频谐振梁的共振频率处建立自激振荡回路，同步带宽自拓展算法模块输出的相位控制量施加到低频调控模块中的低频谐振梁，改变低频谐振梁的自激振荡回路的相位延迟，进而改变振荡振幅；低频谐振梁和高频谐振梁之间通过静电力发生耦合，改变低频谐振梁的振荡幅值，动态调控高频谐振梁的共振频率，实现同步带宽的拓展，通过改变第一耦合极板和第二耦合极板之间的电势差，调整耦合静电力的大小，增大高频谐振梁等效刚度的调控能力，进一步拓展同步带宽。同步带宽自拓展算法模块读取高频谐振梁的瞬时相位，输出相位控制量施加到低频调控模块。本发明实现了同步带宽的灵活调控，大幅提升了同步带宽，且结构简单、不引入热噪声、实时性优异、灵敏度高和调控精度高。基于此，本发明可满足谐振式同步加速度计大量程测量的应用需求，大幅提升谐振式同步加速度计的整体性能。
请参阅图1和图3，本发明一种基于模态耦合带宽自拓展的同步加速度计，包括低频调控模块、高频同步模块、同步带宽自拓展算法模块和敏感模块。
敏感模块承受外界加速度时为高频同步模块提供扰动信号，同步带宽自拓展算法模块分别连接低频调控模块和高频同步模块，通过比较高频同步模块中高频谐振梁2-3振荡信号和扰动信号之间的相位差与设定的相位阈值的大小，输出相位控制量，改变低频调控模块中低频谐振梁1-3的自激振荡回路的相位延迟，进而改变低频谐振梁1-3的振荡幅值；
低频谐振梁1-3和高频谐振梁2-3并列排布，低频谐振梁1-3的幅频响应由闭环测量电路获取，高频谐振梁2-3的频率变化由闭环电路获取，高频谐振梁2-3置于振荡回路中，产生自激振荡，当高频谐振梁2-3与扰动信号发生同步时，高频谐振梁2-3的振荡频率会跟随扰动信号频率的变化；低频谐振梁1-3和高频谐振梁2-3之间通过第一耦合极板1-5和第二耦合极板2-5实现静电耦合，通过改变低频谐振梁1-3的振荡幅值动态调控高频同步模块中的高频谐振梁2-3的共振频率，实现同步带宽的大幅度拓展。
请查阅图1和图3，低频调控模块包括第一金属电极层1-1、第一锚点1-2、低频谐振梁1-3、第一激励极板1-4、第一耦合极板1-5、第二金属电极层1-6、第二锚点1-7、第五金属电极层3-1、第五锚点3-2、第一激励极板3-3、第一差分放大器5-1、第一滤波器5-2、第一移相器5-3、第一比较器5-4。
低频谐振梁1-3悬置于镂空的衬底上，低频谐振梁1-3的左右两端分别和与衬底绝缘层固结的第一锚点1-2和第二锚点1-7连接；低频谐振梁1-3中间向外侧伸出的第一受激极板1-4悬置于镂空的衬底上，第五锚点3-2向外伸出的第一激励极板3-3悬置于镂空的衬底上，第一受激极板1-4和第一激励极板3-3组成电容极板，为低频谐振梁1-3提供静电激振力；第一锚点1-2、第二锚点1-7和第五锚点3-2上分别溅射有第一金属电极层1-1、第二金属电极层1-6和第五金属电极层3-1，用于电信号的传输。
低频调控模块采用闭环测量电路，低频谐振梁的1-3的动感电流经第一差分放大器5-1转化为电压信号，再经过第一滤波器5-2，在第一移相器5-3与同步带宽自拓展算法输出的相位控制量结合，再经过第一比较器5-4输出交流电压信号Vac1cos(ω1t)，配合偏置电压Vdc1，产生静电激振力使低频谐振梁1-3发生自激振荡，静电激振力的强度f1正比于Vac1·Vdc1；偏置电压Vd1和Vd2配合使低频谐振梁1-3两端产生电势差，当低频谐振梁1-3发生自激振荡时，由于压阻效应，低频谐振梁1-3的电阻发生变化，从而产生流经低频谐振梁1-3的动感电流；第一差分放大器5-1内置跨阻抗放大器，将动感电流信号转化成电压信号，并且提高电压信号的信噪比。
请参阅图1和图3，高频同步模块包括第三金属电极层2-1、第三锚点2-2、高频谐振梁2-3、第二受激电极2-4、第二耦合电极2-5、第四金属电极层2-6、第四锚点2-7、第六金属电极层4-1、第六锚点4-2、第二激励极板4-3、第二差分放大器6-1、第二滤波器6-2、第二移相器6-3、第二比较器6-4、加法器6-5、频率计数器6-6。
高频谐振梁2-3悬置于镂空的衬底上，高频谐振梁2-3的左右两端分别和与衬底绝缘层固结的第三锚点2-2和第四锚点2-7连接；低频谐振梁2-3中间向外侧伸出的第二受激极板2-4悬置于镂空的衬底上，第六锚点4-2向外伸出的第二激励极板4-3悬置于镂空的衬底上，第二受激极板2-4和第二激励极板4-3组成电容极板，为高频谐振梁2-3提供静电激振力；第三锚点2-2、第四锚点2-7和第六锚点4-2上分别溅射有第三金属电极层2-1、第四金属电极层2-6和第六金属电极层4-1，用于电信号的传输。
高频调控模块采用闭环测量电路，偏置电压Vd3和Vd4配合使高频谐振梁2-3两端产生电势差，当高频谐振梁2-3发生振荡时，由于压阻效应，高频谐振梁2-3的电阻发生变化，从而产生流经低频谐振梁2-3的动感电流；第二差分放大器6-1内置跨阻抗放大器，将动感电流信号转化成电压信号，并且提高电压信号的信噪比；第二差分放大器6-1输出的电压信号经过第二滤波器6-2，滤去高次谐波；第二移相器6-3调节信号的相位；第二比较器6-4再输出自激振荡频率信息ω2，同时提供交流电压信号Vac2cos(ω2t)，与偏置电压Vdc2配合使高频谐振梁产生自激振荡；敏感模块提供扰动信号Vpcos(ωpt)，通过加法器6-5，共同作用于高频谐振梁2-3，当同步发生时，自激振荡频率ω2跟随扰动频率ωp的变化；频率计数器6-6记录第二比较器6-4输出的振荡频率信息。
高频谐振梁的2-3的动感电流经第二差分放大器6-1转化为电压信号，经过同步带宽自拓展算法模块中的鉴相器7-1得到高频谐振梁2-3振荡的相位，由同步带宽自拓展算法计算得到相位控制量。
第一耦合极板1-5和第二耦合极板2-5形成电容极板，产生静电耦合力，静电耦合力的大小取决于第一耦合极板1-5和第二耦合极板2-5之间的电势差ΔV，ΔV又取决于偏置电压Vd1、Vd2、Vd3和Vd4的大小，ΔV＝|Vd1+Vd2-Vd3-Vd4|/2；通过调节偏置电压Vd1、Vd2、Vd3和Vd4的大小，可灵活的调控静电耦合力的大小；低频谐振梁1-3通过静电耦合力实现对高频谐振梁2-3的等效刚度调控。
请参阅图2，敏感谐振梁9-3悬置于镂空的衬底上，敏感谐振梁9-3左右两端分别和与衬底绝缘层固结的第七锚点9-2和连接锚点9-6相连；敏感谐振梁9-3中间向外侧伸出的第三受激极板9-4和第一检测极板9-5悬置于镂空的衬底上，并与两侧的第三激励极板10-3和第二检测极板11-3分别组成电容极板，敏感谐振梁9-3一侧的第三受激极板9-4和第三激励极板10-3为敏感谐振梁9-3提供激振力；位于敏感谐振梁9-3的另一侧的第一检测极板9-5与第二检测极板11-3构成检测电容，敏感谐振梁9-3在交变静电力驱动下的稳定振荡位移信号转化为检测电容的动感电流信号输出。第三激励极板10-3和第四激励电极板11-3分别与第八锚点10-2和第九锚点11-2相连，从而悬置于镂空的衬底上。
第二检测极板11-3和第一检测极板9-5组成电容极板，第三激励极板10-3和第三受激极板9-4组成电容极板；第七锚点9-2、第八锚点10-2和第九锚点11-2上分别溅射有第七金属电极层9-1、第八金属电极层10-1和第九金属电极层11-1。
敏感模块采用闭环测量电路，当敏感模块承受外界加速度时，质量块在重力加速度的作用下，发生位移形变。与质量块连接的放大梁将所受到的拉伸或压缩的应变进行一定比例的放大，使得敏感谐振梁承受更大的拉伸应变或压缩应变。敏感谐振梁运动时，存有固定电势差V的第一检测极板9-5和第二检测极板11-3相对位移发生了变化，使电量相应的产生了变化致使产生了动感电流，动感电流经过跨阻放大器8-1转化为电压信号，经过第三滤波器8-2滤去高次谐波；第三移相器8-3调节信号的相位；第三比较器8-4输出频率与器件响应频率一致的电压一定的方波信号。信号分为两路，一路与偏置电压Vdc3配合使敏感谐振梁产生自激振荡，另一路作为扰动信号Vpcos(ωpt)施加在高频谐振梁2-3。
具体的，低频谐振梁1-3的长度为300～500μm，宽度为5-15μm，厚度为10～30μm；高频谐振梁2-3的长度为150～300μm，宽度为5-15μm，厚度为10～30μm；敏感谐振梁9-3的长度为150～300μm，宽度为5-15μm，厚度为10～30μm。
第一受激极板1-4、第二受激极板2-4、第三受激极板9-4、第一激励极板3-3、第二激励极板4-3、第三激励极板10-3、第一耦合极板1-5、第二耦合极板2-5、第一检测极板9-5、第二检测极板11-3的长度为100～200μm，宽度为5-10μm，厚度为10～20μm。
第一锚点1-2、第二锚点1-7、第三锚点2-2、第四锚点2-7、第五锚点3-2、第六锚点4-2、第七锚点9-2、第八锚点10-2和第九锚点11-2为矩形结构，边长尺寸为100～200μm。
第一金属电极层1-1、第二金属电极层1-6、第三金属电极层2-1、第四金属电极层2-6、第五金属电极层3-1、第六金属电极层4-1、第七金属电极层9-1、第八金属电极层10-1和第九金属电极层11-1为矩形结构，边长尺寸为50～150μm。
第一受激极板1-4和第一激励极板3-3，第二受激极板2-4和第二激励极板4-3，第三受激极板9-4和第三激励极板10-3，第一耦合极板1-5和第二耦合极板2-5，第一检测极板9-5和第二检测极板11-3之间的间隙距离为2～5μm。
本发明对具有上述结构尺寸的低频谐振梁1-3、高频谐振梁2-3和敏感谐振梁9-3做开环表征实验；在相同的激励强度下，低频谐振梁1-3呈现典型的三次非线性刚度特征，而高频谐振梁2-3和敏感谐振梁9-3不易出现非线性特征。本发明利用低频谐振梁1-3的非线性特征，使低频谐振梁1-3实现大范围的幅值调控。
具体的，低频谐振梁1-3、高频谐振梁2-3和敏感谐振梁9-3的动力学模型如下：
其中，x、y和z分别为低频谐振梁1-3、高频谐振梁2-3和敏感谐振梁9-3的等效位移；m1、m2和m3分别为低频谐振梁1-3、高频谐振梁2-3和敏感谐振梁9-3的等效质量；c1、c2和c3分别为低频谐振梁1-3、高频谐振梁2-3和敏感谐振梁9-3的等效阻尼；k1、k2和k3分别为低频谐振梁1-3、高频谐振梁2-3和敏感谐振梁9-3的等效刚度；γ为为低频谐振梁1-3的非线性刚度；f1、f2和f3分别为低频谐振梁1-3、高频谐振梁2-3和敏感谐振梁9-3的外部激励强度；ω1、ω2和ω3分别为低频谐振梁1-3、高频谐振梁2-3和敏感谐振梁9-3的外部激励频率。
在敏感谐振梁9-3的共振频率处，搭建闭环振荡电路，当敏感模块承受外界加速度时，质量块9-8在重力加速度的作用下，发生位移形变。与质量块9-8连接的放大梁9-7将所受到的拉伸或压缩的应变进行一定比例的放大，使得敏感谐振梁9-3承受更大的拉伸应变或压缩应变，导致刚度变化，敏感谐振梁9-3的动力学模型如下：
其中，Δk为形变导致的敏感谐振梁9-3的刚度变化；为振荡的瞬时相位和相位延迟。
在高频谐振梁2-3的共振频率处，搭建闭环振荡电路，这时高频谐振梁2-3以共振频率做自激振荡；敏感模块输出扰动信号通过加法器6-5作用于自激振荡回路；当同步发生时，自激振荡回路的振荡频率不再是高频谐振梁2-3的共振频率，而是跟随扰动信号的频率。
具体的，引入扰动信号后，自激振荡的高频谐振梁2-3的动力学模型如下：
其中，为振荡的瞬时相位和相位延迟；fp、ωp、ψ为扰动信号的强度、频率、相位。
依据摄动法，该自激振荡回路的同步带宽为[ω2-B，ω2+B]，其中ω2为自激振荡频率(此处令自激振荡发生在共振频率处，)，B为同步半带宽。
本发明通过同步带宽自拓展算法模块输出的相位控制量施加到低频谐振梁实现对低频谐振梁1-3的振荡幅值的控制，通过静电耦合力，改变低频谐振梁1-3的振荡幅值可动态调控高频谐振梁2-3的等效刚度和共振频率，进而实现同步带宽的拓展。
由于压阻效应，流经高频谐振梁2-3的动感电流经第二差分放大器6-1转化为电压信号，进入同步带宽自拓展算法模块的鉴相器7-1读出高频谐振梁2-3振荡的相位，通过同步带宽自拓展算法，比较高频谐振梁2-3振荡信号和扰动信号之间的相位差与设定的相位阈值的大小，输出相位控制量/>
在低频谐振梁1-3的共振频率处，搭建闭环振荡电路，这时低频谐振梁1-3以共振频率做自激振荡，自激振荡的低频谐振梁1-3的动力学模型如下：
其中，为振荡的瞬时相位和相位延迟。
请参阅图4，同步带宽自拓展算法模块跟踪高频谐振梁的振荡相位，通过比较高频谐振梁的振荡相位和扰动信号的相位差值与设定阈值/>大小，计算得到相位控制量/>
同步带宽自拓展算法模块输出相位控制量施加在低频调控模块的低频谐振梁1-3上，改变低频谐振梁1-3的自激振荡回路的相位延迟/>从而改变低频谐振梁振荡振幅。
调节偏置电压Vd1、Vd2、Vd3和Vd4的大小，使第一耦合极板1-5和第二耦合极板2-5之间存在电势差，从而低频谐振梁1-3和高频谐振梁2-3产生模态耦合。
具体的，低频谐振梁1-3和高频谐振梁的动力学模型如下：
其中，α为耦合系数，取决于第一耦合极板1-5和第二耦合极板2-5之间的电势差ΔV。
根据理论推导，低频谐振梁1-3的等效位移高频谐振梁2-3的等效位移/>低频谐振梁1-3的振荡幅值a大大于高频谐振梁2-3的振荡幅值b。
因此，静电耦合力对低频谐振梁1-3的等效刚度的影响忽略不计。
具体的，低频谐振梁1-3和高频谐振梁2-3的动力学模型如下：
其中，Δk为低频谐振梁1-3的振荡幅值对高频谐振梁2-5等效刚度的调控，Δk正比于α·a2。
依据摄动法，考虑等效刚度调控，该自激振荡回路的同步带宽为[ω2-B，ω2+B]，其中
当改变低频谐振梁1-3的振荡幅值，高频谐振梁2-5的自激振荡频率可实现300～400Hz的变化。相比于未考虑等效刚度调控的情况，基于模态耦合同步带宽自拓展方法可实现近70～80倍的同步带宽拓展。
综上所述，本发明一种基于模态耦合带宽自拓展的同步加速度计，同步带宽自拓展算法模块根据高频谐振梁的振荡信息计算得到相位控制量，以改变低频谐振梁的幅值；基于模态耦合机制，通过改变低频谐振梁的振荡幅值，动态调控高频谐振梁的共振频率，进而实现高频谐振梁同步带宽的自主拓展。本发明提供的方法可以实现同步带宽的大幅自主拓展，同时具备不引入热噪声、实时性优异和调控精度高等优点，使得同步加速度计分辨率、量程等指标得到显著提升。
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 (10)
1.一种基于模态耦合带宽自拓展的同步加速度计，其特征在于，包括同步带宽自拓展算法模块，同步带宽自拓展算法模块分别连接低频调控模块和高频同步模块，通过比较高频同步模块中高频谐振梁(2-3)振荡信号和扰动信号之间的相位差与设定相位阈值的大小，输出相位控制量，通过改变低频调控模块中低频谐振梁(1-3)自激振荡回路的相位延迟，改变低频谐振梁(1-3)的振荡幅值；低频谐振梁(1-3)和高频谐振梁(2-3)并列排布，低频谐振梁(1-3)和高频谐振梁(2-3)之间通过第一耦合极板(1-5)和第二耦合极板(2-5)实现静电耦合，通过改变低频谐振梁(1-3)的振荡幅值动态调控高频谐振梁(2-3)的共振频率，实现同步带宽的大幅度拓展。
2.根据权利要求1所述的基于模态耦合带宽自拓展的同步加速度计，其特征在于，低频谐振梁(1-3)及其中间向外伸出的第一受激极板(1-4)和第一耦合极板(1-5)悬置于镂空的衬底上；低频谐振梁(1-3)的左右两端分别与衬底绝缘层上设置的第一锚点(1-2)和第二锚点(1-7)连接；衬底上还悬置有第一激励极板(3-3)，第一激励极板(3-3)连接第五锚点(3-2)，第一激励极板(3-3)和第一受激极板(1-4)组成电容极板；第一锚点(1-2)、第二锚点(1-7)和第五锚点(3-2)上分别溅射有第一金属电极层(1-1)、第二金属电极层(1-6)和第五金属电极层(3-1)。
3.根据权利要求2所述的基于模态耦合带宽自拓展的同步加速度计，其特征在于，第一锚点(1-2)、第二锚点(1-7)和第五锚点(3-2)为边长100～200μm的矩形结构；第一金属电极层(1-1)、第二金属电极层(1-6)和第五金属电极层(3-1)为边长50～150μm的矩形结构；第一耦合极板(1-5)、第一激励极板(3-3)和第一受激极板(1-4)的长度为100～200μm，极板之间的间隙距离为2～5μm。
4.根据权利要求1所述的基于模态耦合带宽自拓展的同步加速度计，其特征在于，高频谐振梁(2-3)及其中间向外伸出的第二受激极板(2-4)和第二耦合极板(2-5)悬置于镂空的衬底上，高频谐振梁(2-3)的左右两端分别与衬底绝缘层上设置的第三锚点(2-2)和第四锚点(2-7)连接；衬底上还悬置有第二激励极板(4-3)，第二激励极板(4-3)连接第六锚点(4-2)，第二激励极板(4-3)和第二受激极板(2-4)组成电容极板；第三锚点(2-2)、第四锚点(2-7)和第六锚点(4-2)上分别溅射有第三金属电极层(2-1)、第四金属电极层(2-6)和第六金属电极层(4-1)。
5.根据权利要求4所述的基于模态耦合带宽自拓展的同步加速度计，其特征在于，第二耦合极板(2-5)、第二激励极板(4-3)和第二受激极板(2-4)的长度为100～200μm，极板之间的间隙距离为2～5μm；第三锚点(2-2)、第四锚点(2-7)和第六锚点(4-2)为边长100～200μm的矩形结构；第三金属电极层(2-1)、第四金属电极层(2-6)和第六金属电极层(4-1)为边长50～150μm的矩形结构。
6.根据权利要求2或4所述的基于模态耦合带宽自拓展的同步加速度计，其特征在于，衬底上还悬置有敏感谐振梁(9-3)，敏感谐振梁(9-3)中间向外伸出的第三受激极板(9-4)和第一检测极板(9-5)悬置于镂空的衬底上，敏感谐振梁(9-3)的左右两端分别和与衬底绝缘层固结的第七锚点(9-2)和连接锚点(9-6)连接；衬底上还悬置设置有第二检测极板(11-3)和第三激励极板(10-3)，第二检测极板(11-3)连接有第九锚点(11-2)，第三激励极板(10-3)连接有第八锚点(10-2)，第二检测极板(11-3)和第一检测极板(9-5)组成电容极板，第三激励极板(10-3)和第三受激极板(9-4)组成电容极板；第七锚点(9-2)、第八锚点(10-2)和第九锚点(11-2)上分别溅射有第七金属电极层(9-1)、第八金属电极层(10-1)和第九金属电极层(11-1)。
7.根据权利要求6所述的基于模态耦合带宽自拓展的同步加速度计，其特征在于，敏感模块包括跨阻放大器(8-1)，敏感谐振梁(9-3)运动时，存有固定电势差V的第一检测极板(9-5)和第二检测极板(11-3)相对位移发生了变化，动感电流经过跨阻放大器(8-1)转化为电压信号，再经第三滤波器(8-2)、第三移相器(8-3)和第三比较器(8-4)，输出的信号分为两路，一路施加在激励电极使敏感谐振梁产生自激振荡，另一路作为扰动信号Vpcos(ωpt)通过加法器(6-5)施加在高频谐振梁(2-3)。
8.根据权利要求6所述的基于模态耦合带宽自拓展的同步加速度计，其特征在于，低频谐振梁(1-3)的长度为300～500μm；高频谐振梁(2-3)和敏感谐振梁(9-3)的长度为150～300μm；第三受激极板(9-4)、第一检测极板(9-5)、第二检测极板(11-3)和第三激励极板(10-3)的长度为100～200μm，极板之间的间隙距离为2～5μm；第七锚点(9-2)、第八锚点(10-2)和第九锚点(11-2)为边长100～200μm的矩形结构；第七金属电极层(9-1)、第八金属电极层(10-1)和第九金属电极层(11-1)为边长50～150μm的矩形结构。
9.根据权利要求1所述的基于模态耦合带宽自拓展的同步加速度计，其特征在于，低频调控模块包括第一差分放大器(5-1)，低频谐振梁的(1-3)的动感电流经第一差分放大器(5-1)转化为电压信号，电压信号再经第一滤波器(5-2)、第一移相器(5-3)和第一比较器(5-4)，配合偏置电压Vdc1激励低频谐振梁(1-3)做自激振荡；
高频同步模块包括第二差分放大器(6-1)，高频谐振梁(2-3)的动感电流经第二差分放大器(6-1)转化为电压信号，电压信号经过第二滤波器(6-2)、第二移相器(6-3)和第二比较器(6-4)，配合偏置电压Vdc2激励高频谐振梁(2-3)做自激振荡；频率计数器(6-6)记录由第二比较器(6-4)输出的反馈信号的频率信息。
10.根据权利要求9所述的基于模态耦合带宽自拓展的同步加速度计，其特征在于，同步带宽自拓展算法模块包括鉴相器(7-1)，鉴相器(7-1)由第二差分放大器(6-1)输出的电压信号得到高频谐振梁(2-3)振荡的相位，同步带宽自拓展算法计算得到相位控制量通过第一移相器(5-3)作用在低频谐振梁(1-3)。
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