[發明專利]可調靈敏度的弱耦合諧振式微加速度計

有效

• 申請號: 201911097156.5
• 申請日: 2019-11-11
• 公開（公告）號: CN110780089B
• 公開（公告）日: 2021-10-01
• 發明（設計）人: 彭勃;張文明;胡開明;閆寒
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G01P15/097
• 分類號: G01P15/097
• 代理公司: 上海交達專利事務所 31201
• 代理人: 王毓理;王錫麟

一種可調靈敏度的弱耦合諧振式微加速度計，包括：第一質量塊結構、第二質量塊結構和諧振結構，諧振結構分別與第一質量塊結構和第二質量塊結構相連；所述的諧振結構包括：電壓相同的第一敏感諧振器、第二敏感諧振器和耦合諧振器，以及靈敏度調節諧振器。第一質量塊結構包括：第一質量塊、第一固定錨點和第一彈性梁；第二質量塊結構包括：第二質量塊、第二固定錨點和第二彈性梁。本發明通過三自由度的弱耦合結構設計和測量振幅比的模態局部化原理大大提高了加速度計的極限靈敏度，并在基礎上額外附加了一個諧振器，通過調節該諧振器和另外兩個諧振器間的靜電耦合負剛度來調節加速度計的靈敏度，將量程擴大了50倍以上，使得本發明能適用于加速度變化范圍很大的工作場景。

技術領域

本發明涉及的是一種微機電系統(MEMS)領域的技術，具體是一種可調靈敏度的弱耦合諧振式微加速度計。

背景技術

近年來，國外期刊和國內專利中均報道了一種新型的MEMS諧振式加速度計，它基于曾于1977年獲得諾貝爾物理學獎的模態局部化機理，通過測量兩個弱耦合的諧振器的振幅比作為輸出。采用該敏感機理的諧振式加速度計，其靈敏度相較于傳統的頻率輸出的諧振式加速度計提高了兩個數量級以上。但基于模態局部化機理的弱耦合諧振式加速度計離真正應用還存在著許多問題，其中最突出的一條在于其量程范圍有限。在測量較大的加速度時，兩個諧振器的振幅差距很大，計算振幅比時會出現大數除小數的情況，導致加速度計輸出的誤差急劇增大。而在慣性導航系統中，加速度變化的范圍往往很大，這導致了該敏感機理的加速度計無法同時兼顧高靈敏度和大的量程范圍，大大限制了其投向實際應用。

發明內容

本發明針對現有技術存在的上述不足，提出一種弱耦合諧振式微加速度計，首先通過三自由度的弱耦合結構設計和測量振幅比的模態局部化原理大大提高了加速度計的極限靈敏度；其次在三自由度弱耦合諧振器的基礎上額外附加了一個諧振器，通過調節該諧振器和另外兩個諧振器間的靜電耦合負剛度來調節加速度計的靈敏度，從而將加速度計的量程擴大了50倍以上，使得本發明能適用于加速度變化范圍很大的工作場景。

本發明是通過以下技術方案實現的：

本發明包括：第一質量塊結構、第二質量塊結構和諧振結構，其中：諧振結構分別與第一質量塊結構和第二質量塊結構相連。

所述的第一質量塊結構包括：第一質量塊、第一固定錨點和第一彈性梁，其中：第一質量塊通過第一彈性梁與第一固定錨點相連。

所述的第二質量塊結構包括：第二質量塊、第二固定錨點和第二彈性梁，其中：第二質量塊通過第二彈性梁與第二固定錨點相連。

所述的諧振結構包括：電壓相同的第一敏感諧振器、第二敏感諧振器和耦合諧振器，以及靈敏度調節諧振器，其中：第一敏感諧振器和第二敏感諧振器各自通過第一耦合梁和第二耦合梁與耦合諧振器相連，第一敏感諧振器和第二敏感諧振器對稱設置于耦合諧振器兩側，靈敏度調節諧振器設置于第一和第二敏感諧振器之間并設置于耦合諧振器下。

所述的第一敏感諧振器與第一質量塊結構之間為通過電勢差靜電耦合形成的第一負剛度彈簧。

所述的第二敏感諧振器與第二質量塊結構之間為通過電勢差靜電耦合形成的第二負剛度彈簧。

所述的第一敏感諧振器與靈敏度調節諧振器之間為通過電勢差靜電耦合形成的第三負剛度彈簧。

所述的第二敏感諧振器與靈敏度調節諧振器之間為通過電勢差靜電耦合形成的第四負剛度彈簧。

技術效果

與現有技術相比，本發明通過三自由度的弱耦合結構設計和測量振幅比的模態局部化原理大大提高了加速度計的極限靈敏度；其次，本發明在三自由度弱耦合諧振器的基礎上額外附加了一個諧振器，通過調節該諧振器和另外兩個諧振器間的靜電耦合負剛度來調節靈敏度，使加速度計的量程擴大了50倍以上，使得本發明能適用于加速度變化范圍很大的工作場景。

附圖說明