[發明專利]兩級杠桿放大的諧振式仿生毛發流速、加速度微傳感器

有效

• 申請號: 201710747280.6
• 申請日: 2017-08-28
• 公開（公告）號: CN107655465B
• 公開（公告）日: 2020-08-14
• 發明（設計）人: 楊波;陸城富;王斌龍;郭鑫;胡迪
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01C19/5621
• 分類號: G01C19/5621;G01P5/00;G01P15/097
• 代理公司: 南京眾聯專利代理有限公司 32206
• 代理人: 蔣昱

本發明公開了一種基于兩級杠桿放大原理的諧振式仿生毛發流速、加速度微傳感器，包括上層毛發結構，中層硅微傳感器結構和下層玻璃襯底。本發明上層毛發采用微加工工藝直接加工或者采用微組裝工藝粘合在中層硅微傳感器結構上；中層硅微傳感器結構通過錨點鍵合在下層玻璃襯底上；下層玻璃襯底設有鍵合點、電極和信號引線。中層硅微傳感器結構包含兩級杠桿力放大機構，當有X軸方向外界流速或加速度輸入時，外界流速作用于毛發所產生的拖曳力或加速度產生的慣性力經過放大，分別反相作用在兩個雙端固定音叉諧振器上，從而實現信號差分檢測，且輸出信號為頻率數字信號，有利于電路的數字化。本發明結構對稱布置，測量精度高，抗干擾能力強，性能可靠。

技術領域

本發明涉及微機電系統和微慣性器件測量領域，特別是涉及兩級杠桿放大的諧振式仿生毛發流速、加速度微傳感器。

背景技術

仿生毛發微傳感器是一種新型的MEMS傳感器。毛發式傳感器通過模仿自然界生物毛發的結構，通過仿生學原理，能實現對流速，加速度，溫度等多種物理量的檢測，是一種具有極大發展潛力的仿生傳感器。毛發傳感器具有較大的表面積與體積比，能與外界環境有效作用；毛發結構和材料易于修改，能提供多種機械性能；另外，毛發傳感器也具有體積小，靈敏度高，動態范圍大，抗干擾能力強等優點。

近年來,國內外有多家機構對仿生毛發微傳感器進行了研究。例如密歇根大學安娜堡分校的Najafi教授的研究團隊2012年研制了一種基于液壓放大的仿生毛發傳感器。該傳感器創新地采用了一種微型液壓結構，通過豎立在上層薄膜上的毛發結構來敏感外部流速。傳感器采用電容敏感結構，通過檢測由于毛發受力導致薄膜形變引起的電容的容值變化來實現對外部輸入的敏感。但是，目前大部分機構研發的毛發傳感器是流速傳感器，只能實現對流速的測量，功能單一,并且現有的流速傳感器測量精度不高，實用性較差。

發明內容

為了解決上述存在的問題，本發明提供一種基于兩級杠桿放大原理的諧振式仿生毛發流速、加速度微傳感器。通過檢測傳感器內部諧振器的諧振頻率變化實現對流速和加速度的敏感。傳感器結構對稱布置，采用信號差分檢測，頻率數字信號輸出，具有靈敏度高、動態范圍大、抗共模干擾能力強的優點，為達此目的，本發明提供兩級杠桿放大的諧振式仿生毛發流速、加速度微傳感器，包括上層毛發結構，中層硅微傳感器結構以及下層玻璃襯底和信號引線，所述上層毛發結構底部固定在中層硅微傳感器結構上，所述中層硅微傳感器結構鍵合在下層玻璃襯底上，所述中層硅微傳感器結構具體由底座質量塊，旋轉中心，四組擺動抑制結構，兩個杠桿機構，兩個雙端固定音叉諧振器子結構組成，毛發位于底座質量塊上端平面處，旋轉中心位于底座質量塊下端底部，四組擺動抑制結構分別布置在底座質量塊右上，左上，左下，右下四個頂點處，所述底座質量塊內部放置左右對稱的兩個杠桿機構及兩個雙端固定音叉諧振器子結構，所述底座質量塊下端設置一根底座輸出端短直梁，所述底座質量塊通過底座輸出端短直梁與兩個杠桿機構相連，兩個杠桿機構分別與兩個雙端固定音叉諧振器子結構相連，所述中層硅微傳感器結構包含兩級杠桿力放大機構，所述上層毛發，底座質量塊，旋轉中心和底座輸出端短直梁構成第一級杠桿力放大機構，兩個杠桿機構為第二級杠桿力放大機構，兩個雙端固定音叉諧振器子結構在受到兩級杠桿力放大機構放大的力之后，其諧振器固有頻率發生改變。

進一步的，所述上層毛發結構通過加工工藝直接加工或采用組裝工藝粘合在硅微傳感器結構上。

進一步的，所述旋轉中心由八根L型彈性梁和中心錨點組成。所述L型彈性梁的一端與底座質量塊相連，另一端與中心錨點相連，所述四組擺動抑制結構布置在底座質量塊右上，左上，左下，右下四個頂點處，四組擺動抑制結構分別為第一擺動抑制結構、第二擺動抑制結構、第三擺動抑制結構和第四擺動抑制結構，所述擺動抑制結構由兩根U型擺動抑制彈性梁和一個固定錨點組成，U型擺動抑制彈性梁的一端與底座質量塊相連，另一端與固定錨點相連。