[發明專利]一種基于模態局部化效應的MEMS電流傳感器

在審

• 申請號: 202210034011.6
• 申請日: 2022-01-12
• 公開（公告）號: CN114441831A
• 公開（公告）日: 2022-05-06
• 發明（設計）人: 常洪龍;李涵;郝永存
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G01R19/00
• 分類號: G01R19/00;G01R15/08;G01R15/04
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 呂湘連

本發明公開了一種基于模態局部化效應的MEMS電流傳感器，屬于傳感器領域。該傳感器基于二自由度弱耦合諧振系統的模態局部化效應和采樣電阻法，通過檢測弱耦合諧振系統的幅值比來敏感外界電流信號。其主要結構包括：弱耦合諧振系統、采樣電阻及電極部分。所述采樣電阻在待測電流I流入后，獲得一相應電壓V，所述電壓V經電連接，在弱耦合諧振系統的等效諧振器一101相應的電容板上得到一等勢電壓V，從而使得等效諧振器一101獲得輸入剛度擾動Δk。本發明通過一個采樣電阻對電流進行敏感，并通過淀積和離子注入工藝控制采樣電阻阻值。基于模態局部化效應的MEMS電流傳感器不僅具備極高的測量精度，而且具有較大的動態范圍。相比于其他MEMS電流傳感器，本發明能夠實現大動態范圍下對微弱電流的高精度測量。

技術領域

本發明涉及了一種基于模態局部化效應的MEMS電流傳感器，屬于傳感器領域。

背景技術

電流是國際單位制中七個基本物理量之一，電流的精準測量在現代科學研究和工業生產中具有非常重要的意義。MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)傳感器一般指內部結構在微米甚至納米量級，包含感應、控制和執行元件的傳感器系統。由于MEMS傳感器具有微型化、性能優、低成本以及可批量生產的優勢，MEMS傳感器的應用日益廣泛。

現代科學研究和工業應用對微型化、高精度的電流傳感器需求迫切。現有MEMS電流傳感器主要通過磁效應實現對電流的檢測，例如：磁性金屬薄膜電流傳感器、磁扭轉式電流傳感器和光扭轉式電流傳感器等。磁性金屬薄膜電流傳感器利用磁場軟化懸臂梁的剛度，從而使懸臂梁的諧振頻率改變，靈敏度達到5√Hz/A；磁扭轉式電流傳感器利用磁扭轉微鏡來檢測電流，靈敏度達到0.024/A。這兩類MEMS電流傳感器只能檢測安培級電流，難以滿足微安或者更小的微弱電流的檢測應用要求。光扭轉式電流傳感器將光學檢測方法與扭轉微鏡相結合，實現了對微弱電流的測量，其最小分辨率達到6.5nA。然而這類傳感器需要配合復雜的光路才能使用，量程只達到50nA，應用范圍有限。

綜上所述，現有的MEMS電流傳感器無法實現大動態范圍下對微弱電流的精確測量。近年來，模態局部化機理被用于提升MEMS傳感器的靈敏度，其基本原理為：外界信號通過輸入電極對諧振系統產生干擾，使系統能量在諧振器之間重新分布，表現為諧振器幅值變化。模態局部化傳感器具備極高的測量精度和較大的動態范圍，能夠有效抑制環境噪聲對測量的影響。受此機理啟發，本發明提出一種基于模態局部化效應的MEMS電流傳感器(以下簡稱模態局部化電流傳感器)，其通過采樣電阻敏感待測電流，能夠實現大動態范圍下對微弱電流的高精度測量。

發明內容

本發明的目的是：提供一種基于模態局部化效應的MEMS電流傳感器，它基于二自由度弱耦合諧振系統的模態局部化效應和采樣電阻法，通過檢測弱耦合諧振系統的幅值比來敏感外界電流信號。其主要結構包括：弱耦合諧振系統、采樣電阻及電極部分。

所述弱耦合諧振系統的模態局部化原理如圖1所示，等效諧振器一101由等效剛度一103和等效質量塊一104組成，等效諧振器二102由等效剛度二105和等效質量塊二106組成，兩個等效諧振器間通過等效耦合梁107相連接。k₁和k₂分別表示諧振器一101、諧振器二102的等效剛度，m₁和m₂分別表示諧振器一101、諧振器二102的等效質量，k_c表示耦合剛度。耦合剛度與諧振器剛度比不超過1：100，從而實現諧振器的弱耦合。忽略阻尼的影響，根據動力學方程可得：

設的一個特解為：

其中A₁、A₂為等效諧振器一101和等效諧振器二102的振幅，w為簡諧振動的頻率，為簡諧振動的相位，將式帶入式得到關于振幅的線性方程組：