一种基于内共振锁频的MEMS谐振式传感器

一种基于内共振锁频的mems谐振式传感器
技术领域
1.本发明涉及mems(micro electromechanical systems，微型机械电子系统)技术领域，特别涉及一种基于内共振锁频的mems谐振式传感器。


背景技术：

2.mems因其体积小、功耗低和精度高的特性被广泛应用于高新技术产业，是一项关系到国家科技发展和国防安全的关键技术。其常见的产品包括mems加速度计、mems光学传感器、mems压力传感器、mems湿度传感器、mems气体传感器等。其中谐振式传感器因其结构简单，应用场景多受到广泛应用。
3.谐振式传感器利用谐振结构中梁受外界参数影响引起自身频率的变化，通常以线性状态工作在固有频率附近，这一方面会存在检测带宽小的问题，另一方面，由于尺度效应和激励方式，微纳结构极易工作在非线性状态下，导致传统谐振式传感器的测量范围和测量精度受限。因此，如何利用非线性提升谐振式传感器的性能，成为亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明提供了一种基于内共振锁频的mems谐振式传感器，能够实现工作区间大、精度高的频率检测。
5.为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：一种基于内共振锁频的mems谐振式传感器，其特征在于包括低频谐振器模块、高频谐振器模块、耦合梁模块、低频激励模块和高频激励模块，所述低频谐振器模块通过低频谐振梁与低频激励模块连接，所述的低频激励模块能产生激励并通过功率放大器检测低频谐振梁的运动；所述高频谐振器模块通过高频谐振梁与高频激励模块连接，所述的高频激励模块能产生激励并通过功率放大器检测高频谐振梁的运动；所述耦合梁模块连接低频谐振器模块和高频谐振器模块。
6.进一步的，所述的耦合梁模块通过耦合梁机械连接低频谐振梁和高频谐振梁。在低频谐振器和高频谐振器之间传递能量，使二者的运动状态得以耦合。
7.进一步的，所述的低频激励模块包括低频谐振器第一激励模块和低频谐振器第二激励模块，所述的低频谐振器第一激励模块输入直流电与交流电的混合信号，为低频谐振器模块的第一受激电容板提供激振力，所述的低频谐振器第二激励模块外接锁相放大器，检测第一受激电容板的电信号，得到低频谐振梁的运动状态。
8.所述的高频激励模块包括高频谐振器第一激励模块和高频谐振器第二激励模块，所述的高频谐振器第一激励模块输入直流电与交流电的混合信号，为高频谐振器模块的第二受激电容板提供激振力，所述的高频谐振器第二激励模块外接锁相放大器，检测第二受激电容板的电信号，得到高频谐振梁的运动状态。
9.进一步的，所述的低频谐振器模块还包括设置在低频谐振梁的两侧的第一固支锚点和第二固支锚点；第一固支锚点和第二固支锚点与硅基底连接，第一固支锚点上均匀溅射有第一金属电极层，第二固支锚点上均匀溅射有第二金属电极层；第一受激电容板设置
在低频谐振梁与低频谐振器第一激励模块和低频谐振器第二激励模块之间；
10.所述的高频谐振器模块还包括设置在高频谐振梁的两侧的第三固支锚点和第四固支锚点；第三固支锚点和第四固支锚点与硅基底连接，第三固支锚点上均匀溅射有第三金属电极层，第四固支锚点上均匀溅射有第四金属电极层；第二受激电容板设置在高频谐振梁与高频谐振器第一激励模块和高频谐振器第二激励模块之间。
11.进一步的，所述的低频谐振器第一激励模块包括低频谐振器第一激励电极，低频谐振器第一激励锚点和溅射在其上的第五金属电极层；低频谐振器第一激励电极板与低频谐振器第一激励锚点相连；低频谐振器第二激励模块包括低频谐振器第二激励电极板，低频谐振器第二激励锚点和溅射其上的第六金属电极层；低频谐振器第二激励电极板与低频谐振器第二激励锚点相连；
12.高频谐振器第一激励模块包括高频谐振器第一激励电极，高频谐振器第一激励锚点和溅射在其上的第七金属电极层；高频谐振器第一激励电极板与高频谐振器第一激励锚点相连；高频谐振器第二激励模块包括高频谐振器第二激励电极板，高频谐振器第二激励锚点和溅射其上的第八金属电极层；高频谐振器第二激励电极板与高频谐振器第二激励锚点相连。
13.进一步的，所述低频谐振梁、第一受激电极板、低频谐振器第一激励电极板和低频谐振器第二激励电极板下方均镂空，低频谐振梁悬空于硅基器件上并由第一固支锚点、第二固支锚点提供支撑；第一固支锚点、第二固支锚点、低频谐振器第一激励锚点和低频谐振器第二激励锚点均与结构基底相连，第一固支锚点、第二固支锚点、低频谐振器第一激励锚点和低频谐振器第二激励锚点均为正方形结构，边长范围是100～300μm；
14.具体的固支锚点使得低频谐振梁悬空，能够使低频谐振梁在静电力的作用下产生稳定的振动。低频谐振梁两侧的受激电极板和激励电极板形成电容，当施加交流电以后，交流电压与低频谐振梁之间产生的静电力驱动低频谐振梁产生稳定的振动。低频谐振梁下侧的感受电极板通过检测低频谐振梁的受激电极板的电信号，传递到锁相放大器以获取低频谐振梁的振动信息。
15.所述的高频谐振梁、第二受激电极板和高频谐振器第一激励电极板和高频谐振器第二激励电极板下方均镂空，高频谐振梁悬空于硅基器件上并由第三固支锚点、第四固支锚点提供支撑；第三固支锚点、第四固支锚点、第一激励锚点和第二激励锚点均与结构基底相连，第三固支锚点、第四固支锚点、第一激励锚点和第二激励锚点均为正方形结构，正方形结构的边长为100～300μm。
16.具体的，高频谐振器模块的固支锚点使得高频谐振梁悬空，能够使高频谐振梁在静电力的作用下产生稳定的振动。高频谐振梁两侧的受激电极板和激励电极板形成电容，当施加交流电以后，交流电压与高频谐振梁之间产生的静电力驱动高频谐振梁产生稳定的振动。高频谐振梁下侧的感受电极板通过检测高频谐振梁的受激电极板的电信号，传递到锁相放大器以获取高频谐振梁的振动信息。
17.进一步的，所有的金属电极层形状均为正方形，边长为80～250μm；第一受激电极板与低频谐振器第一激励电极板和低频谐振器第二激励电极板之间均存在间隙并形成电容，间隙的距离范围是1～10μm，第二受激电极板与高频谐振器第一激励电极板和高频谐振器第二激励电极板之间均存在间隙并形成电容，间隙的距离范围是1～10μm。
18.进一步的，低频谐振梁和高频谐振梁是双端固支的单梁，长度范围是10～500μm，单根梁的宽度范围是1～10μm。
19.进一步的，高频谐振梁的固有频率是低频谐振梁的3倍。
20.本发明通过利用低频谐振梁与高频谐振梁频率耦合失锁跳变这一现象，使谐振器能够在非线性区域进行测量，提升了谐振器的灵敏度，扩充了测量范围。
附图说明
21.图1是本发明谐振式传感器的结构示意图。
22.图2是本发明的实验原理图。
23.图3是激励交流电压与谐振梁振动幅值的关系图。
24.图中：1-1、第一金属电极层1-2、第一固支锚点1-3、低频谐振梁1-4、第一受激励电容板1-5、第二金属电极层1-6、第二固支锚点2-1、第三金属电极层2-2、第三固支锚点2-3、高频谐振梁2-4、第二受激励电容板2-5、第四固支锚点2-6、第四金属电极层3-1、高频谐振器第一激励电极3-、2高频谐振器第一激励锚点3-3、第五金属电极层4-1、高频谐振器第二激励电极4-2、高频谐振器第二激励锚点4-3、第六金属电极层5-1、低频谐振器第一激励电极5-2、低频谐振器第一激励锚点5-3、第七金属电极层6-1、低频谐振器第二激励电极6-2、低频谐振器第二激励锚点6-3、第八金属电极层7-1、耦合梁。
具体实施方式
25.为使本发明的效果、技术特点、方法优势更加清晰易懂，以下结合附图实例对本发明进行进一步说明。
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.如图1和图2所示，本发明提供了一种谐振器，包括两个谐振器模块、耦合梁模块和四个激励模块。
28.谐振器模块包括低频谐振器模块和高频谐振器模块；低频谐振器模块通过低频谐振梁1-3与低频谐振器第一激励模块和低频谐振器第二激励模块连接；高频谐振器模块通过高频谐振梁2-3与高频谐振器第一激励模块和高频谐振器第二激励模块连接；低频谐振梁1-3与高频谐振梁2-3通过耦合梁7-1机械连接，使低频谐振梁1-3与高频谐振梁2-3的运动状态相耦合。
29.低频谐振器模块包括第一固支锚点1-2，第二固支锚点1-6，第一受激电容板1-4；第一固支锚点1-2和第二固支锚点1-6分别位于低频谐振梁1-3的两侧，与硅基底相连，使低频谐振梁悬空，保持稳定的振动；
30.第一固支锚点1-2和第二固支锚点1-6上均匀溅射了第一金属电极层1-1和第二金属电极层1-5用于输入、输出电学信号。
31.低频谐振器第一激励模块包括低频谐振器第一激励电极5-1，低频谐振器第一激励锚点5-2和溅射在其上的第七金属电极层5-3；低频谐振器第一激励电极板5-1与低频谐
3为感受器，在高频谐振梁2-3上涂敷敏感材料，当高频谐振梁2-3的质量、刚度等性质受外界被测参数影响发生改变时，高频谐振梁2-3的频率发生改变，此时低频谐振梁1-3的频率与高频谐振梁2-3的不再成1：3整数比，“饱和”状态被打破，低频谐振梁1-3的幅值和频率大幅度跳跃，因此通过检测低频谐振梁1-3的频率或幅值即可知道高频谐振梁2-3频率的改变，即可换算出外界被测参数的值。
43.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。