[發(fā)明專利]弱耦合式MEMS加速度傳感器

有效

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• 申請日: 2020-10-15
• 公開（公告）號: CN112230017B
• 公開（公告）日: 2022-04-01
• 發(fā)明（設計）人: 鄒旭東;汪政;熊興崟;王坤鋒;李志天;楊伍昊
• 申請（專利權）人: 中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院
• 主分類號: G01P15/097
• 分類號: G01P15/097
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 孫蕾

本發(fā)明公開了一種弱耦合式MEMS加速度傳感器，包括N個錨點，用于提供錨固連接點；敏感質(zhì)量塊；M個支撐結構，與M個錨點連接，用于支撐敏感質(zhì)量塊；第一諧振器，包括第一諧振梁、第一驅(qū)動電極和第一檢測電極，第一諧振梁一端通過杠桿結構與敏感質(zhì)量塊連接，第一驅(qū)動電極用于給第一諧振梁激振，第一檢測電極用于檢測第一諧振梁的振幅；第二諧振器，包括第二諧振梁、第二驅(qū)動電極和第二檢測電極，第二諧振梁的一端與一個錨點連接，第二諧振梁的另一端通過耦合結構與第一諧振梁的另一端連接，第二驅(qū)動電極用于給第二諧振梁激振，第二檢測電極用于檢測第二諧振梁的振幅；第一諧振器的質(zhì)量小于第二諧振器的質(zhì)量，第一諧振器與第二諧振器的本征頻率相等。

技術領域

本公開涉及加速度測量技術領域，尤其涉及一種弱耦合式MEMS加速度傳感器。

背景技術

微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System，簡稱MEMS)加速度傳感器具有重量輕、體積小、功耗低、可靠性高、靈敏度高、易于集成等優(yōu)勢，廣泛運用于能源探勘、汽車電子、各種消費電子等領域。常見的MEMS加速度傳感器按敏感原理的不同可以分為:壓阻式、壓電式、隧道效應式、電容式以及諧振式等。

弱耦合式MEMS加速度傳感器測量原理是基于諧振器之間的模態(tài)局域化效應，通過檢測諧振結構振動幅度的比值(簡稱幅值比)變化獲得加速度。相比以其他類型的加速度傳感器，弱耦合式MEMS加速度傳感器具有靈敏度高，并且輸出信號為比值，具有很高的抗干擾能力和穩(wěn)定性。

弱耦合式MEMS加速度傳感器的工作機制為加速度—慣性力—剛度—諧振頻率/幅值比，現(xiàn)有技術中典型結構如圖1所示，包括敏感質(zhì)量塊結構及其支撐結構，杠桿結構、諧振器和耦合結構。其工作原理：外界加速度作用于敏感質(zhì)量塊結構上，產(chǎn)生慣性力，該慣性力被杠桿結構進一步放大，而后作用于耦合諧振器上，改變系統(tǒng)等效剛度，從而改變耦合諧振器不同模態(tài)的諧振頻率與振動幅度。

弱耦合式MEMS加速度傳感器的靈敏度主要與諧振器之間耦合結構的強弱有關，諧振器之間耦合強度越弱，加速度傳感器的靈敏度就越高。諧振器之間耦合方式主要分為靜電耦合和機械耦合，靜電耦合是指諧振器之間通過靜電力相互作用，耦合強弱主要與加載電壓以及平行板結構間隙有關，但是低噪聲高穩(wěn)定性的偏置電壓很難實現(xiàn)，平行板結構間隙尺寸會受到加工工藝的限制；機械耦合是指諧振器之間通過機械結構之間應力相互作用，耦合強弱主要與具體的機械耦合結構有關，實現(xiàn)穩(wěn)定的弱耦合需要復雜度較高的機械結構。也即，通過調(diào)整諧振器之間耦合強度來提高弱耦合式MEMS加速度傳感器的靈敏度比較困難，需要從其他方向入手對其改進，提高弱耦合式MEMS加速度傳感器的靈敏度。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于現(xiàn)有技術中對弱耦合式MEMS加速度傳感器靈敏度越來越高的需求，傳統(tǒng)的方法是通過減少諧振器之間的耦合強度來提高弱耦合式MEMS加速度傳感器的靈敏度，由于電學耦合中低噪聲高穩(wěn)定性的偏置電壓獲取的難度加大、機械耦合中耦合結構的復雜程度較高并且受到加工工藝限制，上述傳統(tǒng)的技術手段已經(jīng)無法在實際應用中達到加速度傳感器高靈敏度指標，因此，本發(fā)明從諧振器的結構尺寸出發(fā)，提出了一種新的提升弱耦合式MEMS加速度傳感器靈敏度的方法。

為了實現(xiàn)上述目的，本公開提供了如下的技術方案。

一種弱耦合式MEMS加速度傳感器，包括N個錨點、敏感質(zhì)量塊、支撐結構、第一諧振器和第二諧振器。

其中，所述N個錨點分布在加速度傳感器的不同位置，用于提供錨固連接點，其中，N為大于2的整數(shù)。

M個支撐結構，與M個所述錨點連接，用于支撐所述敏感質(zhì)量塊，以減少所述敏感質(zhì)量塊在自身重力作用下的變形量，其中，M為大于1且小于N的整數(shù)。

所述第一諧振器包括第一諧振梁、第一驅(qū)動電極和第一檢測電極，所述第一諧振梁的一端通過杠桿結構與所述敏感質(zhì)量塊連接，另一端與耦合結構連接，所述第一驅(qū)動電極用于給所述第一諧振梁激振，所述第一檢測電極用于檢測所述第一諧振梁的振幅。