[发明专利]一种基于单向电同步的超谐同步谐振式加速度计有效

专利信息
申请号: 202010003092.4 申请日: 2020-01-02
公开(公告)号: CN111175540B 公开(公告)日: 2021-05-28
发明(设计)人: 韦学勇;徐柳;王曙东;蒋庄德 申请(专利权)人: 西安交通大学
主分类号: G01P15/097 分类号: G01P15/097;G01P15/08
代理公司: 西安通大专利代理有限责任公司 61200 代理人: 高博
地址: 710049 *** 国省代码: 陕西;61
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摘要:
搜索关键词: 一种 基于 单向 同步 谐振 加速度计
【说明书】:

发明公开了一种基于单向电同步的超谐同步谐振式加速度计,MEMS谐振式加速度计的两个谐振传感模块对称设置在质量块模块的两侧,分别通过杠杆机构模块与质量块模块连接,MEMS谐振式加速度计将振动信号以电信号的形式引入至外部高频振荡器中并形成超谐同步。在同步带宽内,高频谐振器呈倍数地放大MEMS谐振式加速度计的频率偏移量。本发明解决了耦合振荡器之间的相互作用导致的标度因子下降的问题,充分发挥超谐同步效应对整机性能提升的优势。同时,当两个振荡器出现同步现象时,敏感梁振荡回路的噪声将得到大幅抑制,频率稳定性将得到大幅提升。从提升灵敏度、改善分辨率、降低噪声等多个方面同时优化谐振式加速度计的性能指标。

技术领域

本发明属于加速度测量技术领域,具体涉及一种基于单向电同步的超谐同步谐振式加速度计。

背景技术

MEMS加速度计具有体积小、重量轻、功耗低、成本低和性能可靠等诸多优势,作为惯性导航系统的核心元件,MEMS加速度计已被广泛应用于消费电子、医疗设备、航空航天和国防军工的领域,近年来已占据中低端领域并正逐步进入战略级精度的高端领域。随着我国社会和经济的不断发展,尤其是近年来物联网、人工智能和大数据等新兴产业的不断投入,未来我国对高性能MEMS加速度计的需求巨大。MEMS谐振式加速度计由于具有稳定性好、精度高、抗干扰能力强、兼容性高等优势逐渐成为研究热点并被广泛运用。

综合国内外谐振式加速度计的研究现状可知,当前的谐振式加速度计仍然存在很大的提升空间。如:广泛存在于谐振式加速度传感器中的微杠杆机构对灵敏度的提升存在进一步优化的可能性。虽然在单级杠杆机构的基础上增加一级杠杆能够获得更好的灵敏度提升效果,但过多地增加杠杆级数会引起系统柔性的上升,加之多级杠杆机构挤占了质量块的面积,反而会导致灵敏度提升有限。因此,考虑采用其他方法综合提升加速度计的性能将势在必行。

现有基于1:1同步效应的加速度检测器件用于测量低频振动的加速度信号,但是通过静电耦合的同步方式,将导致加速度计的标度因子的降低,部分抵消了同步效应带来的性能提升。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足,提供一种基于单向电同步的超谐同步谐振式加速度计,首次利用基于单向电信号的同步方式实现两个振荡器之间的超谐同步,将敏感梁的振荡频率信息以电学信号的形式施加于同步谐振器上并对其产生影响。

本发明采用以下技术方案:

一种基于单向电同步的超谐同步谐振式加速度计,包括MEMS谐振式加速度计和外部高频谐振器,MEMS谐振式加速度计的质量块模块两侧对称设置有谐振传感模块,两个谐振传感模块分别通过对应的杠杆机构模块与质量块模块连接,MEMS谐振式加速度计和外部高频谐振器分别通过振荡回路完成数据采集,MEMS谐振式加速度计用于将振动信号以电信号的形式引入至外部高频振荡器中并形成超谐同步,在同步带宽内,高频谐振器呈倍数地放大MEMS谐振式加速度计的频率偏移量输出。

具体的,谐振传感模块用于感受质量块模块传导的应力变化并将其转化为谐振频率偏移量输出,频率偏移量ΔfL具体为:

其中,fL为谐振传感结构的谐振频率,a为外界环境加速度,meff为质量块模块的有效质量,为杠杆机构的有效放大倍数,L为谐振传感结构的低频谐振器的梁长,E为杨氏模量,I为旋转惯量。

进一步的,在同步带宽内,外部高频谐振器和振荡回路组成的高频振荡器的频率输出量ΔfH为:

ΔfH=N·ΔfL

其中,N为超谐同步阶数。

具体的,高频谐振模块为梁式结构,包括谐振梁,谐振梁的两端分别连接有固支模块,谐振梁的下端悬空设置于单晶硅基底处。

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