[發(fā)明專利]一種基于內(nèi)共振鎖頻的MEMS諧振式傳感器

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202111483360.8
• 申請(qǐng)日: 2021-12-07
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN114184215A
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-03-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 肖尊浩;施展;宦榮華;浦東;王雪峰;韋學(xué)勇
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號(hào): G01D5/24
• 分類號(hào): G01D5/24;H03H9/24;H03H9/125
• 代理公司: 杭州廣奧專利代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 33334
• 代理人: 吳昊

本發(fā)明涉及一種基于內(nèi)共振鎖頻的MEMS諧振式傳感器，包括低頻諧振器模塊、高頻諧振器模塊、耦合梁模塊、低頻激勵(lì)模塊和高頻激勵(lì)模塊，所述低頻諧振器模塊通過(guò)低頻諧振梁與低頻激勵(lì)模塊連接，所述的低頻激勵(lì)模塊能產(chǎn)生激勵(lì)并通過(guò)功率放大器檢測(cè)低頻諧振梁的運(yùn)動(dòng)；所述高頻諧振器模塊通過(guò)高頻諧振梁與高頻激勵(lì)模塊連接，所述的高頻激勵(lì)模塊能產(chǎn)生激勵(lì)并通過(guò)功率放大器檢測(cè)高頻諧振梁的運(yùn)動(dòng)；所述耦合梁模塊連接低頻諧振器模塊和高頻諧振器模塊。本發(fā)明通過(guò)利用低頻諧振梁與高頻諧振梁頻率耦合失鎖跳變這一現(xiàn)象，使諧振器能夠在非線性區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，提升了諧振器的靈敏度，擴(kuò)充了測(cè)量范圍。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及MEMS(Micro Electromechanical Systems，微型機(jī)械電子系統(tǒng))技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于內(nèi)共振鎖頻的MEMS諧振式傳感器。

背景技術(shù)

MEMS因其體積小、功耗低和精度高的特性被廣泛應(yīng)用于高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，是一項(xiàng)關(guān)系到國(guó)家科技發(fā)展和國(guó)防安全的關(guān)鍵技術(shù)。其常見(jiàn)的產(chǎn)品包括MEMS加速度計(jì)、MEMS光學(xué)傳感器、MEMS壓力傳感器、MEMS濕度傳感器、MEMS氣體傳感器等。其中諧振式傳感器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用場(chǎng)景多受到廣泛應(yīng)用。

諧振式傳感器利用諧振結(jié)構(gòu)中梁受外界參數(shù)影響引起自身頻率的變化，通常以線性狀態(tài)工作在固有頻率附近，這一方面會(huì)存在檢測(cè)帶寬小的問(wèn)題，另一方面，由于尺度效應(yīng)和激勵(lì)方式，微納結(jié)構(gòu)極易工作在非線性狀態(tài)下，導(dǎo)致傳統(tǒng)諧振式傳感器的測(cè)量范圍和測(cè)量精度受限。因此，如何利用非線性提升諧振式傳感器的性能，成為亟待解決的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于內(nèi)共振鎖頻的MEMS諧振式傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)工作區(qū)間大、精度高的頻率檢測(cè)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：一種基于內(nèi)共振鎖頻的MEMS諧振式傳感器，其特征在于包括低頻諧振器模塊、高頻諧振器模塊、耦合梁模塊、低頻激勵(lì)模塊和高頻激勵(lì)模塊，所述低頻諧振器模塊通過(guò)低頻諧振梁與低頻激勵(lì)模塊連接，所述的低頻激勵(lì)模塊能產(chǎn)生激勵(lì)并通過(guò)功率放大器檢測(cè)低頻諧振梁的運(yùn)動(dòng)；所述高頻諧振器模塊通過(guò)高頻諧振梁與高頻激勵(lì)模塊連接，所述的高頻激勵(lì)模塊能產(chǎn)生激勵(lì)并通過(guò)功率放大器檢測(cè)高頻諧振梁的運(yùn)動(dòng)；所述耦合梁模塊連接低頻諧振器模塊和高頻諧振器模塊。

進(jìn)一步的，所述的耦合梁模塊通過(guò)耦合梁機(jī)械連接低頻諧振梁和高頻諧振梁。在低頻諧振器和高頻諧振器之間傳遞能量，使二者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)得以耦合。

進(jìn)一步的，所述的低頻激勵(lì)模塊包括低頻諧振器第一激勵(lì)模塊和低頻諧振器第二激勵(lì)模塊，所述的低頻諧振器第一激勵(lì)模塊輸入直流電與交流電的混合信號(hào)，為低頻諧振器模塊的第一受激電容板提供激振力，所述的低頻諧振器第二激勵(lì)模塊外接鎖相放大器，檢測(cè)第一受激電容板的電信號(hào)，得到低頻諧振梁的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

所述的高頻激勵(lì)模塊包括高頻諧振器第一激勵(lì)模塊和高頻諧振器第二激勵(lì)模塊，所述的高頻諧振器第一激勵(lì)模塊輸入直流電與交流電的混合信號(hào)，為高頻諧振器模塊的第二受激電容板提供激振力，所述的高頻諧振器第二激勵(lì)模塊外接鎖相放大器，檢測(cè)第二受激電容板的電信號(hào)，得到高頻諧振梁的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

進(jìn)一步的，所述的低頻諧振器模塊還包括設(shè)置在低頻諧振梁的兩側(cè)的第一固支錨點(diǎn)和第二固支錨點(diǎn)；第一固支錨點(diǎn)和第二固支錨點(diǎn)與硅基底連接，第一固支錨點(diǎn)上均勻?yàn)R射有第一金屬電極層，第二固支錨點(diǎn)上均勻?yàn)R射有第二金屬電極層；第一受激電容板設(shè)置在低頻諧振梁與低頻諧振器第一激勵(lì)模塊和低頻諧振器第二激勵(lì)模塊之間；

所述的高頻諧振器模塊還包括設(shè)置在高頻諧振梁的兩側(cè)的第三固支錨點(diǎn)和第四固支錨點(diǎn)；第三固支錨點(diǎn)和第四固支錨點(diǎn)與硅基底連接，第三固支錨點(diǎn)上均勻?yàn)R射有第三金屬電極層，第四固支錨點(diǎn)上均勻?yàn)R射有第四金屬電極層；第二受激電容板設(shè)置在高頻諧振梁與高頻諧振器第一激勵(lì)模塊和高頻諧振器第二激勵(lì)模塊之間。