[发明专利]弱耦合式MEMS加速度传感器

说明书

本发明公开了一种弱耦合式MEMS加速度传感器，包括N个锚点，用于提供锚固连接点；敏感质量块；M个支撑结构，与M个锚点连接，用于支撑敏感质量块；第一谐振器，包括第一谐振梁、第一驱动电极和第一检测电极，第一谐振梁一端通过杠杆结构与敏感质量块连接，第一驱动电极用于给第一谐振梁激振，第一检测电极用于检测第一谐振梁的振幅；第二谐振器，包括第二谐振梁、第二驱动电极和第二检测电极，第二谐振梁的一端与一个锚点连接，第二谐振梁的另一端通过耦合结构与第一谐振梁的另一端连接，第二驱动电极用于给第二谐振梁激振，第二检测电极用于检测第二谐振梁的振幅；第一谐振器的质量小于第二谐振器的质量，第一谐振器与第二谐振器的本征频率相等。

技术领域

本公开涉及加速度测量技术领域，尤其涉及一种弱耦合式MEMS加速度传感器。

背景技术

微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，简称MEMS)加速度传感器具有重量轻、体积小、功耗低、可靠性高、灵敏度高、易于集成等优势，广泛运用于能源探勘、汽车电子、各种消费电子等领域。常见的MEMS加速度传感器按敏感原理的不同可以分为:压阻式、压电式、隧道效应式、电容式以及谐振式等。

弱耦合式MEMS加速度传感器测量原理是基于谐振器之间的模态局域化效应，通过检测谐振结构振动幅度的比值(简称幅值比)变化获得加速度。相比以其他类型的加速度传感器，弱耦合式MEMS加速度传感器具有灵敏度高，并且输出信号为比值，具有很高的抗干扰能力和稳定性。

弱耦合式MEMS加速度传感器的工作机制为加速度—惯性力—刚度—谐振频率/幅值比，现有技术中典型结构如图1所示，包括敏感质量块结构及其支撑结构，杠杆结构、谐振器和耦合结构。其工作原理：外界加速度作用于敏感质量块结构上，产生惯性力，该惯性力被杠杆结构进一步放大，而后作用于耦合谐振器上，改变系统等效刚度，从而改变耦合谐振器不同模态的谐振频率与振动幅度。

弱耦合式MEMS加速度传感器的灵敏度主要与谐振器之间耦合结构的强弱有关，谐振器之间耦合强度越弱，加速度传感器的灵敏度就越高。谐振器之间耦合方式主要分为静电耦合和机械耦合，静电耦合是指谐振器之间通过静电力相互作用，耦合强弱主要与加载电压以及平行板结构间隙有关，但是低噪声高稳定性的偏置电压很难实现，平行板结构间隙尺寸会受到加工工艺的限制；机械耦合是指谐振器之间通过机械结构之间应力相互作用，耦合强弱主要与具体的机械耦合结构有关，实现稳定的弱耦合需要复杂度较高的机械结构。也即，通过调整谐振器之间耦合强度来提高弱耦合式MEMS加速度传感器的灵敏度比较困难，需要从其他方向入手对其改进，提高弱耦合式MEMS加速度传感器的灵敏度。

发明内容

鉴于现有技术中对弱耦合式MEMS加速度传感器灵敏度越来越高的需求，传统的方法是通过减少谐振器之间的耦合强度来提高弱耦合式MEMS加速度传感器的灵敏度，由于电学耦合中低噪声高稳定性的偏置电压获取的难度加大、机械耦合中耦合结构的复杂程度较高并且受到加工工艺限制，上述传统的技术手段已经无法在实际应用中达到加速度传感器高灵敏度指标，因此，本发明从谐振器的结构尺寸出发，提出了一种新的提升弱耦合式MEMS加速度传感器灵敏度的方法。

为了实现上述目的，本公开提供了如下的技术方案。

一种弱耦合式MEMS加速度传感器，包括N个锚点、敏感质量块、支撑结构、第一谐振器和第二谐振器。

其中，所述N个锚点分布在加速度传感器的不同位置，用于提供锚固连接点，其中，N为大于2的整数。

M个支撑结构，与M个所述锚点连接，用于支撑所述敏感质量块，以减少所述敏感质量块在自身重力作用下的变形量，其中，M为大于1且小于N的整数。

所述第一谐振器包括第一谐振梁、第一驱动电极和第一检测电极，所述第一谐振梁的一端通过杠杆结构与所述敏感质量块连接，另一端与耦合结构连接，所述第一驱动电极用于给所述第一谐振梁激振，所述第一检测电极用于检测所述第一谐振梁的振幅。