[发明专利]一种基于模态局部化效应的弱耦合MEMS谐振式加速度计

说明书

本发明公开了一种基于模态局部化效应的弱耦合MEMS谐振式加速度计，属于微机电系统(MEMS)领域。加速度计包括两个完全相同的可动质量块和两个通过机械耦合梁连接在一起的单梁谐振系统。本发明使用了单谐振梁的设计，大大减小了模态干扰；每一个谐振梁的内外两侧都设计有电容器极板，可实现对于单谐振梁的振幅实现差分检测，不仅可以增强信号的强度还消除由驱动电极与检测电极之间存在的电势差引起的馈通电容信号干扰，可以大幅提升测量信号的稳定性与准确度；增加了刚度调节电极，实现了对工作点的灵活选取和线性工作范围的调整；将交流驱动电极安置在两谐振梁的中间，使得输出信号的频率成分更加单一，使得输出信号的检测和闭环控制电路的设计更加容易。

所属领域：

本发明涉及了一种加速度计，特别是涉及一种基于模态局部化原理的微型谐振式加速度计，属于微机电系统(MEMS)领域。

背景技术：

加速度计是一种用来测量载体加速度的仪表，是惯性导航系统的基本核心元器件，其在航空航天、汽车工业、消费电子、工程机械等领域有着重要的应用价值。MEMS加速度计凭借其体积小、重量轻、成本低和易于批量生产等众多优点，现已成为加速度计的主要发展方向。目前大多数MEMS加速度计的工作原理是基于牛顿第二定律，利用可动质量块产生惯性力，通过静电、压阻、压电或谐振等传感机理，将惯性力转换为电压、电流或频率变化等参量输出，从而实现对加速度的测量。常见的MEMS谐振式加速度计的工作原理是，由敏感质量块在惯性力的作用下产生位移，对与之直接或间接接触的谐振器产生轴向压力或静电力，从而改变谐振器谐振梁的有效刚度，使得谐振器的谐振频率发生变化，通过检测谐振频率的变化测得加速度，但是其难以实现很高的灵敏度。

近年来，一种新型的基于模态局部化效应的传感机理在MEMS谐振式传感器领域流行起来。它与传统谐振式传感器的主要区别是，这类传感器不以谐振频率作为输出，而是采用两个耦合谐振器的振幅比作为传感器的输出。该敏感机理在质量传感器、静电计等传感器上得到了应用，并且可以将谐振式传感器的灵敏度显著提升2-3个数量级。

2016年4月常洪龙等发表在Journal of Microelectromechanical Systems上名为“An acceleration sensing method based on the mode localization of weaklycoupled resonators”的论文，介绍了世界上第一个基于模态局部化原理的加速度计。该加速度计采用振幅比输出的灵敏度相较于频率输出的灵敏度提高了约302倍。但是该加速度计在结构设计、驱动检测电路设计等方面还存在很多问题，例如，对于单谐振器未采用差分检测方式，导致测试时的输出信号会受到谐振器驱动电极与检测电极之间存在的馈通电容信号的干扰，大大降低了有效信号幅值；该加速度计的弱耦合谐振器由DETF(双端固定音叉)结构组成，并同时从谐振器的外侧两端进行驱动，这样的设计使该谐振器结构拥有四个工作模态，这给工作模态的选择和闭环电路的设计带来了极大的困难；由于加工误差给两个弱耦合谐振器造成的结构不匹配，使得加速度计的初始工作点无法确定，并且工作点与线性测量范围难以灵活调节。

发明内容：

本发明的目的是：提供一种新型基于模态局部化检测原理的谐振式加速度计，实现了馈通信号的自消除，谐振器有效刚度的调节和工作点的灵活选取。