[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

摘要

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。

主权项

1.一种基于模态局部化效应的弱耦合MEMS谐振式加速度计，其特征在于，两个完全相同的敏感质量块，质量块一( 301) 和质量块二( 302) 上下对称放置；两根支撑质量块一的弹性支撑梁( 305 ) 将所述质量块一( 301) 支撑于其两侧的第一固定锚点( 303) 上，两根支撑质量块二的弹性支撑梁( 306) 将所述质量块二( 302) 支撑于其两侧的第二固定锚点( 304) 上，使得所述质量块一( 301) 和质量块二( 302) 只在该加速度计的敏感方向、上下方向运动；所述质量块一( 301) 和质量块二( 302) 的中间是该加速度计的核心结构——弱耦合谐振器，其包含的主要部件谐振器一( 308) 与谐振器二( 309) 呈上下对称放置，并且由谐振器的机械耦合梁( 307) 在靠近谐振梁固定锚点附近连接从而实现弱耦合，与第一质量块( 301) 相连接的质量块一的静电力施加电容极板( 407) 和与谐振器一( 308) 相连接的电容器外极板形成了对谐振器一( 308) 施加静电负刚度的第一载荷施加电容( 310) ，与第二质量块( 302) 相连接的电容器极板( 408) 和与谐振器二( 309) 相连接的电容器外极板形成了对谐振器二( 309) 施加静电负刚度的第二载荷施加电容( 311) ；谐振器一( 308) 与谐振器二( 309) 呈上下对称放置，并且由机械耦合梁( 307) 在右侧连接实现弱耦合，谐振器一( 308) 、谐振器二( 309) 的左端分别与锚点连接并固定，右端与直流驱动电极( 401) 连接并固定，在每个谐振器的上下两侧各有一个电容器极板用于振幅的检测，在整个谐振系统构成的反“C”型区域内部的电容器极板称为内极板，外部的为外极板；在谐振系统内部，于谐振器一( 308) 与谐振器二( 309) 的内极板之间设置有交流驱动电极( 406) ，在谐振器一( 308) 的内极板与谐振器一( 308) 之间设置有谐振器一( 308) 的内极板检测电极( 404) ；在谐振器二( 309) 的内极板与谐振器二( 309) 之间设置有谐振器二( 309) 的内极板检测电极( 405) ，在谐振系统外部，于谐振器一( 308) 的外极板与谐振器一( 308) 之间靠近外极板内侧设置有谐振器一( 308) 的外极板检测电极( 402) ；在谐振器二( 309) 的外极板与谐振器二( 309) 之间靠近外极板内侧设置有谐振器二( 309) 外极板检测电极(403)；在谐振器一(308)的弹性梁的上侧有刚度调节电极( 409) ，在谐振器二(309)的弹性梁的下侧有刚度调节电极(4010)。