本發(fā)明涉及了一種加速度計，特別是涉及一種基于模態(tài)局部化原理的微型諧振式加速度計，屬于微機電系統(tǒng)(MEMS)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
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加速度計是一種用來測量載體加速度的儀表，是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的基本核心元器件，其在航空航天、汽車工業(yè)、消費電子、工程機械等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價值。MEMS加速度計憑借其體積小、重量輕、成本低和易于批量生產(chǎn)等眾多優(yōu)點，現(xiàn)已成為加速度計的主要發(fā)展方向。目前大多數(shù)MEMS加速度計的工作原理是基于牛頓第二定律，利用可動質(zhì)量塊產(chǎn)生慣性力，通過靜電、壓阻、壓電或諧振等傳感機理，將慣性力轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率變化等參量輸出，從而實現(xiàn)對加速度的測量。常見的MEMS諧振式加速度計的工作原理是，由敏感質(zhì)量塊在慣性力的作用下產(chǎn)生位移，對與之直接或間接接觸的諧振器產(chǎn)生軸向壓力或靜電力，從而改變諧振器諧振梁的有效剛度，使得諧振器的諧振頻率發(fā)生變化，通過檢測諧振頻率的變化測得加速度，但是其難以實現(xiàn)很高的靈敏度。

近年來，一種新型的基于模態(tài)局部化效應(yīng)的傳感機理在MEMS諧振式傳感器領(lǐng)域流行起來。它與傳統(tǒng)諧振式傳感器的主要區(qū)別是，這類傳感器不以諧振頻率作為輸出，而是采用兩個耦合諧振器的振幅比作為傳感器的輸出。該敏感機理在質(zhì)量傳感器、靜電計等傳感器上得到了應(yīng)用，并且可以將諧振式傳感器的靈敏度顯著提升2-3個數(shù)量級。

2016年4月常洪龍等發(fā)表在Journal of Microelectromechanical Systems上名為“An acceleration sensing method based on the mode localization of weakly coupled resonators”的論文，介紹了世界上第一個基于模態(tài)局部化原理的加速度計。該加速度計采用振幅比輸出的靈敏度相較于頻率輸出的靈敏度提高了約302倍。但是該加速度計在結(jié)構(gòu)設(shè)計、驅(qū)動檢測電路設(shè)計等方面還存在很多問題，例如，對于單諧振器未采用差分檢測方式，導(dǎo)致測試時的輸出信號會受到諧振器驅(qū)動電極與檢測電極之間存在的饋通電容信號的干擾，大大降低了有效信號幅值；該加速度計的弱耦合諧振器由DETF(雙端固定音叉)結(jié)構(gòu)組成，并同時從諧振器的外側(cè)兩端進行驅(qū)動，這樣的設(shè)計使該諧振器結(jié)構(gòu)擁有四個工作模態(tài)，這給工作模態(tài)的選擇和閉環(huán)電路的設(shè)計帶來了極大的困難；由于加工誤差給兩個弱耦合諧振器造成的結(jié)構(gòu)不匹配，使得加速度計的初始工作點無法確定，并且工作點與線性測量范圍難以靈活調(diào)節(jié)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的是：提供一種新型基于模態(tài)局部化檢測原理的諧振式加速度計，實現(xiàn)了饋通信號的自消除，諧振器有效剛度的調(diào)節(jié)和工作點的靈活選取。

為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提出了一種新的基于模態(tài)局部化效應(yīng)的弱耦合MEMS諧振式加速度計，該加速度計上下對稱放置著兩個完全相同的敏感質(zhì)量塊，即質(zhì)量塊一301和質(zhì)量塊二302，兩根支撐質(zhì)量塊一的彈性支撐梁307將所述質(zhì)量塊一301支撐于其兩側(cè)的第一固定錨點303上，兩根支撐質(zhì)量塊二的彈性支撐梁306將所述質(zhì)量塊二302支撐于其兩側(cè)的第二固定錨點304上，使得所述質(zhì)量塊一301和質(zhì)量塊二302只在該加速度計的敏感方向、即上下方向運動；所述質(zhì)量塊一301和質(zhì)量塊二302的中間是該加速度計的核心結(jié)構(gòu)——弱耦合諧振器，其包含的主要部件諧振器一308與諧振器二309呈上下對稱放置，并且由諧振器的機械耦合梁307在靠近諧振梁固定錨點附近連接從而實現(xiàn)弱耦合，與第一質(zhì)量塊301相連接的質(zhì)量塊一的靜電力施加電容極板407和與諧振器一308相連接的電容器外極板形成了對諧振器一308施加靜電負剛度的第一載荷施加電容310，與第二質(zhì)量塊302相連接的電容器極板408和與諧振器二309相連接的電容器外極板形成了對諧振器二309施加靜電負剛度的第二載荷施加電容311。

本發(fā)明的有益效果：該加速度計包括了兩個完全相同的可動質(zhì)量塊和兩個通過機械耦合梁連接在一起的單梁諧振系統(tǒng)。相較于先前的結(jié)構(gòu)，本發(fā)明使用了單諧振梁的設(shè)計，使得該諧振器的工作模態(tài)從四個減少為兩個，大大減小了模態(tài)干擾；每一個諧振梁的內(nèi)外兩側(cè)都設(shè)計有電容器極板，可實現(xiàn)從兩側(cè)同時對同一個諧振梁進行檢測，從而對于單諧振梁的振幅實現(xiàn)差分檢測，這種檢測方法不僅可以增強信號的強度，更重要的是可以消除由驅(qū)動電極與檢測電極之間存在的電勢差引起的饋通電容信號干擾，可以大幅提升測量信號的穩(wěn)定性與準確度；增加了剛度調(diào)節(jié)電極，通過靜電負剛度效應(yīng)來調(diào)節(jié)諧振梁的有效剛度，從而實現(xiàn)了對工作點的靈活選取和線性工作范圍的調(diào)整；將交流驅(qū)動電極安置在兩諧振梁的中間，使得諧振器只能工作在兩個模態(tài)中的反向模態(tài)，從而在對諧振器在該模態(tài)下的振幅進行檢測時可以獲得更穩(wěn)定、信噪比更強的輸出信號，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計和檢測原理還會使得輸出信號的頻率成分更加單一，使得輸出信號的檢測和閉環(huán)控制電路的設(shè)計更加容易。

附圖說明：

圖1是雙自由度諧振系統(tǒng)簡化模型示意圖。

圖2是加速度計頻率響應(yīng)曲線與靈敏度曲線：圖2-(a)為無加速度輸入時的傳感器輸入輸出特性曲線；圖2-(b)為有1g加速度輸入時的傳感器輸入輸出特性曲線；圖2-(c)為在±1g加速度輸入范圍內(nèi)的諧振頻率與振幅比靈敏度曲線。

圖3是本發(fā)明所設(shè)計加速度計總體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是圖3中所示加速度計的核心部分弱耦合諧振器結(jié)構(gòu)圖。

圖中，101為諧振器一等效，102諧振器二等效，103為諧振器一的剛度模型，104為諧振器二的剛度模型，105為諧振器一的質(zhì)量模型，106為諧振器二的質(zhì)量模型，107為機械耦合梁的剛度模型；

301為質(zhì)量塊一，302質(zhì)量塊二，303為第一固定錨點，304為第二固定錨點，305為支撐質(zhì)量塊一的彈性支撐梁，306為支撐質(zhì)量塊二的彈性支撐梁，307為機械耦合梁，308為諧振器一，309為諧振器二；310為第一載荷施加電容，311為第二載荷施加電容311；

401為固定的直流驅(qū)動電極，402為諧振器一的外側(cè)檢測電極，403為諧振器二的外側(cè)檢測電極，404為諧振器一的內(nèi)側(cè)檢測電極，405為諧振器二的內(nèi)側(cè)檢測電極，406為交流驅(qū)動電極，407為質(zhì)量塊一的靜電力施加電容極板，408為質(zhì)量塊二的靜電力施加電容極板，409為諧振器一的靜電剛度調(diào)節(jié)電極，4010分別為諧振器二的靜電剛度調(diào)節(jié)電極。

具體實施方式：

在詳細介紹本發(fā)明之前，先介紹本發(fā)明涉及的基于弱耦合諧振系統(tǒng)的模態(tài)局部化原理，和將該傳感機理應(yīng)用于加速度檢測領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)。圖1是一個雙自由度諧振系統(tǒng)簡化彈簧-質(zhì)量模型示意圖，該二自由度諧振系統(tǒng)由諧振器一等效101和諧振器二等效102還有和耦合梁及固定錨點組成。在圖1中，用彈簧作為機械耦合梁的剛度模型107來等效表示耦合梁的剛度k_c，其質(zhì)量忽略不計；用彈簧作為諧振器一的剛度模型103、諧振器二的剛度模型104來分別等效表示諧振器一等效101、諧振器二等效102的剛度k₁和k₂；用質(zhì)量塊105、106來分別等效表示諧振器一等效101、諧振器二等效102的質(zhì)量m₁和m₂。該雙自由度諧振系統(tǒng)具有兩個模態(tài)，諧振器一等效101、諧振器二等效102同向運動為同向模態(tài)，諧振器一等效101、諧振器二等效102相向運動是反向模態(tài)。下文中x₁和x₂分別是諧振器一的質(zhì)量模型105和諧振器二的質(zhì)量模型106的位移，u₁和u₂分別表示同向模態(tài)和反向模態(tài)的振幅比。根據(jù)牛頓第二定律得該二自由度耦合系統(tǒng)的振動方程：

將方程(1)寫成矩陣形式：

則此時假設(shè)諧振器一等效101的剛度增大Δk，則諧振器二等效102的剛度減小Δk，此時整個諧振系統(tǒng)的振動方程變化為：

此時兩個諧振器振幅比的表達式為：

加速度的輸入引起剛度變化的關(guān)系式為：

其中a是引起剛度變化的加速度，ε是介電常量，A是檢測平行板電容器相鄰極板間重疊部分的面積，V是質(zhì)量塊與諧振器之間的電勢差，即檢測電容兩端的電勢差，G₀是平行板電容的極板間間距，m_s是敏感質(zhì)量塊的質(zhì)量，k_s是質(zhì)量塊彈性支撐梁的剛度。

綜上所述，結(jié)合公式(4)和(5)可以求出輸入的加速度值。

另外在剛度干擾同為Δk的情況下的諧振頻率變化率和振幅比變化率分別為：

本發(fā)明中的耦合剛度遠遠小于諧振器諧振梁的剛度(k_c<<k)即兩個諧振器之間的耦合方式為弱耦合，可以根據(jù)公式(6)、(7)得到在理論上振幅比的變化率遠大于諧振頻率的變化率，因此以振幅比為輸出的靈敏度比諧振頻率靈敏度高2k/k_c倍。

圖2示出本實施例設(shè)計的加速度計頻率響應(yīng)曲線與靈敏度曲線。圖2-(a)示出，當沒有加速度輸入，即諧振器沒有擾動時加速度計中兩個諧振器的幅頻特性曲線，每一個諧振器的幅頻特性曲線有兩個峰，每一個峰代表諧振器的一個模態(tài)。從圖中可見，在沒有加速度輸入時兩個諧振器在兩個模態(tài)下的振幅幾乎相同，振幅比約等于1。在圖2-(b)示出該加速度計中兩個諧振器，在有1g加速度輸入情況下的幅頻特性曲線。將圖2-(b)與圖2-(a)對比可見，在有擾動輸入時，諧振器2的第一個模態(tài)振幅明顯增大，第二個模態(tài)的振幅明顯降低，兩個諧振器的振幅比發(fā)生明顯變化，即模態(tài)局部化現(xiàn)象產(chǎn)生。

此時對比圖2-(a)與圖2-(b)，并結(jié)合加速度計兩種輸出的靈敏度曲線(圖2-(c))可以看出，當有加速度輸入時，該加速度計的振幅比靈敏度遠大于諧振頻率靈敏度。基于振幅比的靈敏度比基于諧振頻率的靈敏度提高了超過1000倍。

圖3、圖4示出本實施例設(shè)計的基于模態(tài)局部化效應(yīng)的弱耦合諧振式加速度計結(jié)構(gòu)示意圖。該加速度計上下對稱放置著兩個完全相同的敏感質(zhì)量塊，即質(zhì)量塊一301和質(zhì)量塊二302，兩根支撐質(zhì)量塊一的彈性支撐梁307將所述質(zhì)量塊一301支撐于其兩側(cè)的第一固定錨點303上，兩根支撐質(zhì)量塊二的彈性支撐梁306將所述質(zhì)量塊二302支撐于其兩側(cè)的第二固定錨點304上，使得所述質(zhì)量塊一301和質(zhì)量塊二302只在該加速度計的敏感方向、即上下方向運動；所述質(zhì)量塊一301和質(zhì)量塊二302的中間是該加速度計的核心結(jié)構(gòu)——弱耦合諧振器，其包含的主要部件諧振器一308與諧振器二309呈上下對稱放置，并且由諧振器的機械耦合梁307在靠近諧振梁固定錨點附近連接從而實現(xiàn)弱耦合，與第一質(zhì)量塊301相連接的質(zhì)量塊一的靜電力施加電容極板407和與諧振器一308相連接的電容器外極板形成了對諧振器一308施加靜電負剛度的第一載荷施加電容310，與第二質(zhì)量塊302相連接的電容器極板408和與諧振器二309相連接的電容器外極板形成了對諧振器二309施加靜電負剛度的第二載荷施加電容311。

當有加速度輸入時，第一質(zhì)量塊301、第二質(zhì)量塊302都會在該加速度的作用下向同一方向產(chǎn)生位移。與質(zhì)量塊相連的電容器極板相對于諧振器檢測極板的平衡位置產(chǎn)生位移。該位移量(ΔG)可以表示為：

其中E是硅的楊氏模量，b是彈性支撐梁的寬度，l是支撐梁的長度，h為支撐梁的厚度。又由于質(zhì)量塊與諧振器之間存在電勢差，該電勢差會給與它臨近的諧振梁施加靜電負剛度，即起到降低諧振梁等效剛度的作用，該靜電剛度表達式為：

上式中V為質(zhì)量塊與諧振器之間的電勢差，ε0為真空介電系數(shù)，A為檢測電容極板間重疊面積。設(shè)圖2中兩個質(zhì)量塊都向下移動，即質(zhì)量塊301和諧振器一308之間的間距減小，質(zhì)量塊302和諧振器二309之間的間距增大。因此，諧振器一308的剛度減小Δk_ele，而諧振器二309的剛度增大Δk_ele。則兩個諧振器的剛度差為2Δk_ele，則兩個原本完全對稱的諧振器出現(xiàn)了等效剛度不匹配。不僅誘發(fā)了模態(tài)局部化效應(yīng)更使得該效應(yīng)得到了增強，從而獲得更高信噪比的信號。由于最終該加速度計的輸出信號為振幅比，所以要對兩個諧振器的振幅進行除法運算，可以消除環(huán)境因素對輸出信號的影響。

圖4示出本發(fā)明所設(shè)計加速度計的核心部分弱耦合諧振器結(jié)構(gòu)示意圖。諧振器一308與諧振器二309呈上下對稱放置，并且由機械耦合梁307在右側(cè)連接實現(xiàn)弱耦合，諧振器308、309的左端分別與錨點連接并固定，右端與直流驅(qū)動電極401連接并固定，在每個諧振器的上下兩側(cè)各有一個電容器極板用于振幅的檢測，在整個諧振系統(tǒng)構(gòu)成的反“C”型區(qū)域內(nèi)部的電容器極板稱為內(nèi)極板，外部的為外極板。在諧振系統(tǒng)內(nèi)部，于諧振器一308與諧振器二309的內(nèi)極板之間設(shè)置有交流驅(qū)動電極406，在諧振器一308的內(nèi)極板與諧振器一308之間設(shè)置有諧振器一308的內(nèi)極板檢測電極404；在諧振器二309的內(nèi)極板與諧振器二309之間設(shè)置有諧振器二309的內(nèi)極板檢測電極405。在諧振系統(tǒng)外部，于諧振器一308的外極板與諧振器一308之間靠近外極板內(nèi)側(cè)設(shè)置有諧振器一308的外極板檢測電極402，在靠近諧振器一308一側(cè)設(shè)置有靜電剛度調(diào)節(jié)電極；在諧振器二309的外極板與諧振器二309之間靠近外極板內(nèi)側(cè)設(shè)置有諧振器二309外極板檢測電極403，在靠近諧振器二309一側(cè)設(shè)置有靜電剛度調(diào)節(jié)電極，與質(zhì)量塊301相連接的電容器極板407和與諧振器一308相連接的電容器外極板外側(cè)形成了對諧振器一308施加靜電負剛度的載荷施加電容310，與質(zhì)量塊302相連接的電容器極板408和與諧振器二309相連接的電容器外極板外側(cè)形成了對諧振器二309施加靜電負剛度的載荷施加電容311。

當沒有加速度輸入時，該弱耦合諧振器在直流驅(qū)動電極401和交流驅(qū)動電極406所施加的驅(qū)動信號的激勵下，進行高頻諧振，模態(tài)局部化現(xiàn)象并沒有產(chǎn)生。而當有加速度輸入時，通過兩個對稱的質(zhì)量塊301、302對加速度敏感并產(chǎn)生等大同向的位移，由于弱耦合諧振系統(tǒng)位于兩個對稱的質(zhì)量塊之間，使得兩個完全對稱的載荷施加電容310和311的極板間距一個增大一個減小，于是兩個諧振器的剛度存在2Δk的剛度差。從而模態(tài)局部化現(xiàn)象產(chǎn)生，且該弱耦合諧振系統(tǒng)將在新的諧振頻率下高頻諧振。在該設(shè)計中，對一個諧振器的內(nèi)外兩個極板同時進行對振幅的檢測，由于內(nèi)外檢測電極均固定不動，所以單諧振器的內(nèi)極板檢測電容與外極板檢測電容的極板間間距變化趨勢相反。再將這兩個檢測電極的輸出信號進行減法運算，不僅實現(xiàn)了對單諧振梁的差分檢測，還可以消去饋通電容信號干擾。這種自身帶有饋通信號消除功能的諧振器結(jié)構(gòu)與檢測方法設(shè)計，不僅可以使振幅和頻率的檢測更加準確，還可以使輸出信號強度增大一倍，從而大幅提升傳感器輸出信號的信噪比。在實際測量中，本發(fā)明中以振幅比作為加速度計的輸出比以諧振頻率作為輸出的靈敏度高約1100倍。

加速度檢測具體步驟為：

第一步，當有加速度a(g)輸入時，該加速度計輸出一個直流電壓U(V)，該直流電壓U的數(shù)值是兩個弱耦合諧振器的振幅比ρ。

第二步，將該振幅比U＝u_i帶入公式(4)，由于耦合系數(shù)k_c可以通過兩個模態(tài)的頻差計算得到，所以可以求得諧振器的剛度變化量Δk。

第三步，根據(jù)將剛度變化量Δk帶入公式(5)，可求得引起該剛度變化的加速度a的值。