[發(fā)明專利]一種基于單向電同步的超諧同步諧振式加速度計

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010003092.4
• 申請日: 2020-01-02
• 公開（公告）號: CN111175540B
• 公開（公告）日: 2021-05-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 韋學(xué)勇;徐柳;王曙東;蔣莊德
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號: G01P15/097
• 分類號: G01P15/097;G01P15/08
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 高博

本發(fā)明公開了一種基于單向電同步的超諧同步諧振式加速度計，MEMS諧振式加速度計的兩個諧振傳感模塊對稱設(shè)置在質(zhì)量塊模塊的兩側(cè)，分別通過杠桿機(jī)構(gòu)模塊與質(zhì)量塊模塊連接，MEMS諧振式加速度計將振動信號以電信號的形式引入至外部高頻振蕩器中并形成超諧同步。在同步帶寬內(nèi)，高頻諧振器呈倍數(shù)地放大MEMS諧振式加速度計的頻率偏移量。本發(fā)明解決了耦合振蕩器之間的相互作用導(dǎo)致的標(biāo)度因子下降的問題，充分發(fā)揮超諧同步效應(yīng)對整機(jī)性能提升的優(yōu)勢。同時，當(dāng)兩個振蕩器出現(xiàn)同步現(xiàn)象時，敏感梁振蕩回路的噪聲將得到大幅抑制，頻率穩(wěn)定性將得到大幅提升。從提升靈敏度、改善分辨率、降低噪聲等多個方面同時優(yōu)化諧振式加速度計的性能指標(biāo)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于加速度測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于單向電同步的超諧同步諧振式加速度計。

背景技術(shù)

MEMS加速度計具有體積小、重量輕、功耗低、成本低和性能可靠等諸多優(yōu)勢，作為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心元件，MEMS加速度計已被廣泛應(yīng)用于消費電子、醫(yī)療設(shè)備、航空航天和國防軍工的領(lǐng)域，近年來已占據(jù)中低端領(lǐng)域并正逐步進(jìn)入戰(zhàn)略級精度的高端領(lǐng)域。隨著我國社會和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，尤其是近年來物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和大數(shù)據(jù)等新興產(chǎn)業(yè)的不斷投入，未來我國對高性能MEMS加速度計的需求巨大。MEMS諧振式加速度計由于具有穩(wěn)定性好、精度高、抗干擾能力強(qiáng)、兼容性高等優(yōu)勢逐漸成為研究熱點并被廣泛運(yùn)用。

綜合國內(nèi)外諧振式加速度計的研究現(xiàn)狀可知，當(dāng)前的諧振式加速度計仍然存在很大的提升空間。如：廣泛存在于諧振式加速度傳感器中的微杠桿機(jī)構(gòu)對靈敏度的提升存在進(jìn)一步優(yōu)化的可能性。雖然在單級杠桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加一級杠桿能夠獲得更好的靈敏度提升效果，但過多地增加杠桿級數(shù)會引起系統(tǒng)柔性的上升，加之多級杠桿機(jī)構(gòu)擠占了質(zhì)量塊的面積，反而會導(dǎo)致靈敏度提升有限。因此，考慮采用其他方法綜合提升加速度計的性能將勢在必行。

現(xiàn)有基于1:1同步效應(yīng)的加速度檢測器件用于測量低頻振動的加速度信號，但是通過靜電耦合的同步方式，將導(dǎo)致加速度計的標(biāo)度因子的降低，部分抵消了同步效應(yīng)帶來的性能提升。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種基于單向電同步的超諧同步諧振式加速度計，首次利用基于單向電信號的同步方式實現(xiàn)兩個振蕩器之間的超諧同步，將敏感梁的振蕩頻率信息以電學(xué)信號的形式施加于同步諧振器上并對其產(chǎn)生影響。

本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種基于單向電同步的超諧同步諧振式加速度計，包括MEMS諧振式加速度計和外部高頻諧振器，MEMS諧振式加速度計的質(zhì)量塊模塊兩側(cè)對稱設(shè)置有諧振傳感模塊，兩個諧振傳感模塊分別通過對應(yīng)的杠桿機(jī)構(gòu)模塊與質(zhì)量塊模塊連接，MEMS諧振式加速度計和外部高頻諧振器分別通過振蕩回路完成數(shù)據(jù)采集，MEMS諧振式加速度計用于將振動信號以電信號的形式引入至外部高頻振蕩器中并形成超諧同步，在同步帶寬內(nèi)，高頻諧振器呈倍數(shù)地放大MEMS諧振式加速度計的頻率偏移量輸出。

具體的，諧振傳感模塊用于感受質(zhì)量塊模塊傳導(dǎo)的應(yīng)力變化并將其轉(zhuǎn)化為諧振頻率偏移量輸出，頻率偏移量Δf_L具體為：

其中，f_L為諧振傳感結(jié)構(gòu)的諧振頻率，a為外界環(huán)境加速度，m_eff為質(zhì)量塊模塊的有效質(zhì)量，為杠桿機(jī)構(gòu)的有效放大倍數(shù)，L為諧振傳感結(jié)構(gòu)的低頻諧振器的梁長，E為楊氏模量，I為旋轉(zhuǎn)慣量。

進(jìn)一步的，在同步帶寬內(nèi)，外部高頻諧振器和振蕩回路組成的高頻振蕩器的頻率輸出量Δf_H為：

Δf_H＝N·Δf_L

其中，N為超諧同步階數(shù)。

具體的，高頻諧振模塊為梁式結(jié)構(gòu)，包括諧振梁，諧振梁的兩端分別連接有固支模塊，諧振梁的下端懸空設(shè)置于單晶硅基底處。