[發明專利]一種基于參數泵的超諧同步帶寬增強方法及系統

有效

• 申請號: 202110044996.6
• 申請日: 2021-01-13
• 公開（公告）號: CN112924721B
• 公開（公告）日: 2021-12-28
• 發明（設計）人: 韋學勇;徐柳;徐宇濤;陽琪琪;王雪峰;宦榮華
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 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任公司 61200
• 代理人: 高博

本發明公開了一種基于參數泵的超諧同步帶寬增強方法及系統，慣性傳感模塊包括低頻敏感梁模塊和高頻同步梁模塊，低頻敏感梁模塊中的低頻諧振梁與高頻同步梁模塊的高頻諧振梁并列排布，并通過共用機械微梁機械連接，低頻敏感梁和高頻同步梁分別置于第一振蕩回路和第二振蕩回路中產生自激振蕩；參數泵模塊包括參數泵信號發生器，參數泵信號發生器經加法器與慣性傳感模塊連接，參數泵信號發生器在低頻諧振梁和高頻同步梁分別產生閉環振蕩后，以固定的頻率輸出參數泵動態剛度調制信號，實現對振蕩器的剛度調制。本發明超諧同步慣性傳感器的檢測范圍、標度因子、易于實現性、靈活性、測量精度、分辨率都得到顯著提升。

技術領域

本發明屬于微機械系統及非線性動力學技術領域，具體涉及一種基于參數泵的超諧同步帶寬增強方法及系統。

背景技術

高精度MEMS慣性傳感器，由于成本低、性能可靠以及微型化帶來的高集成性，已被廣泛用于軍事和工業領域，例如慣性制導、國防軍工、能源勘探、地震檢測和智能交互式機器人等。而MEMS諧振式加速度計由于其高靈敏度、寬動態范圍和準數字輸出等特性，逐漸成為微加速度計領域的研究熱點。目前國外實用化的諧振式加速度計對我國實施禁運，而我國的諧振式加速度計尚處于實驗室階段。隨著國家經濟社會的不斷發展，在航空航天、國防安全等領域對高性能諧振式加速度計的需求巨大。

目前，對于諧振式慣性傳感器的研究主要集中于提高諧振式加速度計的靈敏度、分辨率和穩定性等性能。雖然現有的基于超諧同步效應的諧振式加速度計，在同步現象發生時可以實現標度因子的若干倍提升，但是由于微納器件的設計制造誤差導致的諧振頻率不匹配和同步現象中頻率鎖定帶寬較小的原因，非常難以產生同步。同時，較小的同步鎖定區間也限制了加速度測量的范圍，較大的加速度值就會使得同步的振蕩器之間脫離同步鎖定狀態而獨立振蕩，起不到超諧同步的靈敏度放大作用。并且，由于同步振蕩器在加工完成后結構參數無法改變，同步區間的大小不能通過調節耦合強度而進行靈活控制，限制了加速度檢測范圍的進一步擴大。同步效應嚴格的頻率匹配要求和加速度檢測范圍難以擴大的問題，極大地限制了超諧同步加速度計在實際中的應用。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術中的不足，提供一種基于參數泵的超諧同步帶寬增強方法及系統，通過對耦合系統中的振蕩器施加參數泵動態剛度調制信號，介導聲子和能量的傳遞，從而加強超諧同步振蕩器之間的耦合強度，以此擴寬同步區間。基于此，使得低頻敏感梁和高頻同步梁在更大的頻率范圍內保持同步狀態，實現檢測范圍的顯著擴大。同時，由于能量交換的增強，振蕩器的頻率穩定性也得到相應的提升，有利于提高諧振式加速度計的分辨率和精度等性能。

本發明采用以下技術方案：

一種基于參數泵的超諧同步帶寬增強系統，包括慣性傳感模塊和參數泵模塊，慣性傳感模塊包括低頻敏感梁模塊和高頻同步梁模塊，低頻敏感梁模塊中的低頻諧振梁與高頻同步梁模塊的高頻諧振梁并列排布，并通過共用機械微梁機械連接，低頻敏感梁和高頻同步梁分別置于第一振蕩回路和第二振蕩回路中產生自激振蕩；參數泵模塊包括參數泵信號發生器，參數泵信號發生器經加法器與慣性傳感模塊連接，參數泵信號發生器在低頻諧振梁和高頻同步梁分別產生閉環振蕩后，以固定的頻率輸出參數泵動態剛度調制信號，實現對振蕩器的剛度調制。

具體的，低頻諧振梁懸置于鏤空的襯底上，低頻敏感梁的左右兩端分別和與襯底絕緣層固結的第一固支錨點以及懸置的第二連接錨點連接；

低頻諧振梁中間向外側伸出的第一受激電極板懸置于鏤空的襯底上，第一受激電極板的兩側分別設置第一激勵電極板和第二激勵電極板組成電容極板；

第一激勵電極板和第二激勵電極板懸置于鏤空的襯底上，第一激勵電極板和第二激勵電極板分別與低頻諧振器第一激勵錨點和第二激勵錨點連接；

第一固支錨點、第一激勵錨點、第二激勵錨點上分別濺射有第一金屬電極層、第四金屬電極層和第五金屬電極層。

進一步的，第二連接錨點與慣性傳感模塊的敏感質量塊連接。