一种基于边带激励的谐振式传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于边带激励的谐振式传感器，包括：MEMS谐振器和反馈控制系统，谐振器包括至少两个电极，反馈控制系统用于实现反馈闭环控制并在传感过程中自适应调整边带激励信号的频率，从而维持谐振器的自激振荡。反馈控制系统包括：第一反馈控制电路和第二反馈控制电路，第一反馈控制电路用于通过检测相位差变化来实时跟踪谐振器一阶模态的频率变化，从而解调出谐振器一阶模态的振荡幅值从而产生与振荡基频频率相等的解调参考信号；第二反馈控制电路用于通过检测振荡幅值的变化来输出边带激励信号，同时提取边带激励信号的频率信息作为传感器输出。本发明专利技术可以解决现有技术中谐振式加速度传感器灵敏度低和分辨率较低的问题。的问题。的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于边带激励的谐振式传感器


[0001]本专利技术属于信息工程领域中的微机电系统及其传感、控制领域；更具体地，涉及一种针对边带激励调制自激振荡效应的谐振式MEMS传感器的反馈控制电路，以提升MEMS传感器的灵敏度。

技术介绍

[0002]MEMS传感器具有尺寸小、低成本等优势，在消费电子、汽车电子等商用领域，以及石油勘探、重力调查等高端领域均有应用。相较于采用电压输出的MEMS传感器，包括电容读出、光强读出等方式，MEMS谐振式传感器采用频率输出，其具有稳定性、分辨率高的优点，因此是高性能MEMS传感器的发展方向和趋势。为实现高稳定性和分辨率，需要提高MEMS谐振式传感器的灵敏度。
[0003]目前提高MEMS谐振式传感器的灵敏度主要有力、位移、应变放大等方式，以及采用高阶模态较高灵敏度的方式。力、位移的放大倍数的方法较为常见，例如意法半导体的专利US9354246B2等，其放大倍数受限于杠杆的尺寸。对于MEMS传感器中较小的尺寸而言，杠杆的放大倍数通常较为有限。应变放大的方式，例如Kose，et al.Journal of Micromechanics and Microengineering，26(4)，045012，2016等，则受限于器件加工的工艺。采用高阶模态提升灵敏度的方式，例如Zhao，Chun，et al.Journal of Microelectromechanical Systems，28(3)，pp.324
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326，2019，则受限于高阶模态较低的信噪比，即便提高了灵敏度，最终传感器噪声并未明显提升。这些限制因素均会降低灵敏度提升的效率，因此需要探索新的提升灵敏度的方式，进而实现高性能MEMS谐振式传感器。
[0004]近年来，针对MEMS谐振器边带激励效应的研究成为研究热点之一。通过在MEMS谐振器上施加一个边带激励调制交流电压信号，且该信号的频率等于MEMS谐振器多个本征模态频率之和时，同时该信号的幅值满足一定条件时，谐振器的品质因数、以及振动幅值会大幅提升，甚至进入自激振荡状态。然而，截止至目前，基于该效应的传感器仍未被实现。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种基于边带激励的谐振式传感器，旨在解决现有技术中由于谐振器杠杆尺寸有限、器件加工工艺困难以及高阶模态信噪比低的原因导致传感器的灵敏度低和分辨率低的问题。
[0006]本专利技术提供了一种基于边带激励的谐振式传感器，包括：MEMS谐振器和反馈控制系统，MEMS谐振器包括至少两个电极，通过其中的一个电极施加驱动信号和边带激励信号，另一个电极作为检测电极；反馈控制系统与所述MEMS谐振器连接，用于实现反馈闭环控制，并在传感过程中自适应调整边带激励信号的频率，从而维持所述MEMS谐振器的自激振荡。
[0007]更进一步地，反馈控制系统包括：第一反馈控制电路和第二反馈控制电路，第一反馈控制电路的输入端连接至MEMS谐振器的检测端，用于通过检测相位差变化来实时跟踪MEMS谐振器一阶模态的频率变化，并提取一阶模态的振荡幅值；第二反馈控制电路的输入
端连接至第一反馈控制电路的输出端，第二反馈控制电路的输出端连接至MEMS谐振器反馈控制端，用于通过检测振荡幅值的变化来输出边带激励信号。
[0008]更进一步地，第一反馈控制电路包括：依次连接的跨阻放大电路、模数转换电路和数字锁相放大电路，跨阻放大电路的输入端作为第一反馈控制电路的输入端，数字锁相放大电路的输出端作为第一反馈控制电路的输出端；跨阻放大电路用于将MEMS谐振器运动所产生的电流转化为电压信号；模数转换电路用于将跨阻放大电路输出的模拟信号转换为数字信号；数字锁相放大电路用于读出MEMS谐振器一阶模态的振荡幅值以及所述MEMS谐振器一阶模态频率信号与一个参考频率信号之间的相位差，并通过检测相位差变化来实时跟踪MEMS谐振器一阶模态的频率变化。
[0009]其中，数字锁相放大电路包括：依次连接的乘法器、数字低通滤波器、幅值相位解调器、第一加法器、第一PID控制器、第二加法器和第一数控振荡器；乘法器的输入端与所述模数转换器的输出端及第一数控振荡器的输出端相连；第一加法器的第一输入端连接幅值相位解调器的输出端Φ，第一加法器的第二输入端连接给定初始相移Φ
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；第二加法器的第一输入端连接所述第一PID控制器的输出端，第二加法器的第二输入端连接给定初始中心频率f
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；乘法器用于将模数转换电路输出的数字信号与所述第一数控振荡器输出的一对正交信号sin,cos相乘；数字低通滤波器用于滤除乘法器输出的高频信号；幅值相位解调器用于解调出MEMS谐振器一阶模态频率信号的相位信息Φ和幅值信息A；第一PID控制器通过调节幅值相位解调器输出的相位信息来控制所述第一数控振荡器的输出频率；第一数控振荡器受PID控制器调节输出一对正交频率信号sin和cos。
[0010]更进一步地，第二反馈控制电路包括：依次连接的控制模块和反馈调节模块；控制模块的输入端作为第二反馈控制电路的输入端，反馈调节模块的输出端作为第二反馈控制电路的输出端；控制模块通过检测MEMS谐振器一阶模态的振荡幅值变化来输出用于控制边带激励信号的频率的控制信号；反馈调节模块用于根据控制信号由第一输出端输出所述边带激励信号，使得传感器工作在自激振荡状态；同时提取所述边带激励信号的频率信息并由第二输出端输出。
[0011]其中，控制模块采用查找表法、PID调节法、线性拟合或多项式拟合调节法来控制边带激励信号的频率。
[0012]作为本专利技术的一个实施例，控制模块包括：第三加法器、第四加法器和第二PID控制器；所述第三加法器的第一输入端作为所述控制模块的输入端，所述第三加法器的第二输入端连接给定初始幅值偏移A
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信号，所述第二PID控制器的输入端连接至所述第三加法器的输出端，所述第四加法器的第一输入端连接至所述第二PID控制器的输出端，所述第四加法器的第二输入端用于连接给定初始中心频率f
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信号，所述第四加法器的输出端作为所述控制模块的输出端。
[0013]其中，反馈调节模块包括：依次连接的第二数控振荡器、数模转换电路、和幅值调整电路；所述第二数控振荡器的输入端作为所述反馈调节模块的输入端，第二数控振荡器的第二输出端作为反馈调节模块的第二输出端，第二数控振荡器用于输出边带激励信号作为反馈信号，同时提取边带激励信号的频率信息作为传感输出；数模转换电路的输入端连接至反馈调节模块的第一输出端，数模转换电路用于将第二数控振荡器输出的数字信号转换为模拟信号；幅值调整电路的输入端连接至数模转换电路的输出端，幅值调整电路的输
出端作为反馈调节模块的输出端，幅值调整电路用于调节边带激励信号的幅值，使其满足MEMS谐振器自激振荡的幅值要求。
[0014]在本专利技术实施例中，MEMS谐振器可以为二自由度二电极结构的谐振器，也可以为二自由度四电极结构的谐振器。
[0015]其中，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于边带激励的谐振式传感器，其特征在于，包括：MEMS谐振器(1)和反馈控制系统，所述MEMS谐振器(1)包括至少两个电极，通过其中的一个电极施加驱动信号和边带激励信号，另一个电极作为检测电极；所述反馈控制系统与所述MEMS谐振器(1)连接，用于实现反馈闭环控制，并在传感过程中自适应调整边带激励信号的频率，从而维持所述MEMS谐振器的自激振荡。2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述反馈控制系统包括：第一反馈控制电路(2)和第二反馈控制电路(3)，所述第一反馈控制电路(2)的输入端连接至所述MEMS谐振器(1)的检测端，用于通过检测相位差变化来实时跟踪所述MEMS谐振器(1)一阶模态的频率变化，并提取MEMS谐振器(1)一阶模态的振荡幅值；所述第二反馈控制电路(3)的输入端连接至所述第一反馈控制电路(2)的输出端，所述第二反馈控制电路(3)的输出端连接至所述MEMS谐振器(1)反馈控制端，用于通过检测振荡幅值的变化来输出边带激励信号。3.如权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述第一反馈控制电路(2)包括：依次连接的跨阻放大电路(21)、模数转换电路(22)和数字锁相放大电路(23)，所述跨阻放大电路(21)的输入端作为所述第一反馈控制电路(2)的输入端，所述数字锁相放大电路(23)的输出端作为所述第一反馈控制电路(2)的输出端；所述跨阻放大电路(21)用于将所述MEMS谐振器(1)运动所产生的电流转化为电压信号；所述模数转换电路(22)用于将所述跨阻放大电路(21)输出的模拟信号转换为数字信号；所述数字锁相放大电路(23)用于读出所述MEMS谐振器(1)一阶模态的振荡幅值以及所述MEMS谐振器(1)一阶模态信号与一个参考频率信号之间的相位差，并通过检测相位差变化来实时跟踪MEMS谐振器一阶模态的频率变化。4.如权利要求3所述的传感器，其特征在于，所述数字锁相放大电路(23)包括：依次连接的乘法器、数字低通滤波器、幅值相位解调器、第一加法器、第一PID控制器、第二加法器和第一数控振荡器；所述乘法器的输入端与所述模数转换器的输出端及所述第一数控振荡器的输出端相连；第一加法器的第一输入端连接所述幅值相位解调器的输出端Φ，第一加法器的第二输入端连接给定初始相移Φ
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；第二加法器的第一输入端连接所述第一PID控制器的输出端，第二加法器的第二输入端连接给定初始中心频率f
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；所述乘法器用于将模数转换电路(22)输出的数字信号与所述第一数控振荡器输出的一对正交频率信号sin,cos相乘；所述数字低通滤波器用于滤除乘法器输出的高频信号；所述幅值相位解调器用于解调出MEMS谐振器一阶模态频率信号的相位信息Φ和幅值信息A；所述第一PID控制器通过调节幅值相位解调器输出的相位信息来控制所述第一数控振荡器的输出频率；
所述第一数控振荡器受PID控制器调节输出一对正交信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐磊，赵纯，奚璟倩，高禄，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：