一种适用于MEMS模态局部化传感器的环状耦合系统技术方案

本发明专利技术涉及一种适用于MEMS模态局部化传感器的环状耦合系统，属于MEMS传感器领域。系统主要结构包括：环状耦合梁203，耦合刚度调节电极205、206。所述环状耦合梁是圆环、正方环、矩环或者其他封闭结构；所述环状耦合梁203通过连接两个谐振梁201、202实现机械耦合。相较于传统的机械耦合梁，本发明专利技术可以使耦合梁对侧向刻蚀的敏感程度大幅度降低，在加工精度水平不变的情况下可以进一步提高传感器的稳定性和一致性；同时设计了针对所述环状耦合梁的耦合刚度调节电极，通过调节耦合刚度调节电极的电势产生与环状耦合梁的电势差，从而产生静电力，改变环状耦合梁内部的应力分布，以实现机械耦合刚度的调节。械耦合刚度的调节。械耦合刚度的调节。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于MEMS模态局部化传感器的环状耦合系统


[0001]本专利技术涉及一种适用于MEMS模态局部化传感器的环状耦合系统，属于MEMS传感器领域。

技术介绍

[0002]MEMS(Micro
‑
Electro
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Mechanical System)传感器一般指内部结构在微米甚至纳米量级，包含感应、控制和执行元件的传感器系统。按照敏感机理的不同，MEMS传感器可基于光学、电学、热学、磁学、声学、力学等各种物理量进行种类划分。其中基于检测物体振动状态变化的谐振式传感器(下文或称谐振器)因为具有相对较高的灵敏度、数字输出、大动态范围和高抗干扰能力等特点，已成为MEMS传感器的重要发展趋势之一。传统谐振式传感器的主要结构包括：谐振梁、敏感结构、驱动结构和检测结构。其检测原理为：敏感结构在感应到外界物理量的变化后，产生作用在谐振梁上的惯性力，使谐振梁刚度发生变化，从而改变谐振梁的谐振频率。通过检测谐振频率变化即可测得响应的外界物理信息。
[0003]基于模态局部化现象的谐振式传感器是一种新型谐振式传感器，其通过检测两个谐振梁谐振状态下的幅值比来敏感外界参数变化。与传统的谐振式传感器相比，模态局部化传感器可以将灵敏度提高2个数量级以上。在模态局部化传感器中，耦合结构的设计非常重要，其耦合的刚度会直接影响传感器测量信号的带宽和输出灵敏度。在耦合结构的作用下，两个谐振梁以静电耦合或机械耦合的方式串联耦合。静电耦合具有耦合刚度可调节的特点，但其结构本身易受到馈通电容的影响，从而使耦合刚度产生漂移。为了提高耦合刚度的稳定性，在设计中通常采用机械耦合的方式。机械耦合刚度主要取决于耦合梁的位置和几何特性。在以往的模态局部化传感器设计中，耦合梁均为直梁，即使用一根或多根均质等截面直型梁沿谐振梁的法向连接若干个谐振梁，其与谐振梁的连接点一般位于谐振梁固接处靠近锚点的位置。在各项异性刻蚀加工工艺中，所述耦合梁的侧壁会不可避免地产生50～500nm的侧向刻蚀，从而使耦合梁的宽度变窄，耦合刚度减小，进而导致传感器的设计指标偏离预期水平。同时，采用直梁耦合的模态局部化传感器不易实现耦合刚度调节。为了降低上述工艺加工误差造成的影响，同时实现机械耦合刚度的调节，本专利技术提出了一种新型的环状耦合系统。所述耦合系统主要包括一种环状耦合梁和两个耦合刚度调节电极。与直梁耦合梁相比，所述环状耦合梁在同样的侧向刻蚀深度下耦合刚度的变化幅度更小，在工艺加工水平不变的情况下，采用本专利技术提出的环状耦合梁可以降低耦合梁对加工误差的敏感程度，进一步提升传感器性能的稳定性和一致性。同时，在环状耦合梁外侧布置的两个耦合刚度调节电极可以实现机械耦合刚度的调节功能，拓宽了模态局部化传感器的量程。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是：提供一种适用于MEMS模态局部化传感器的环状耦合系统，降低耦合梁对工艺加工误差的敏感程度，同时实现机械耦合刚度的调节。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提出了一种适用于MEMS模态局部化传感器的环状耦合系统，其主要结构包括：环
状耦合梁203，耦合刚度调节电极205、206。
[0005]所述环状耦合梁具有中心对称的特性。所述环状耦合梁的具体结构可以是圆环、正方环、矩环或者其他任意在工程实践中可以被定义为环状的封闭结构；所述环状耦合梁的环宽w可以为等宽，也可以为不等宽，其具体宽度的设定不应影响对其“环状”特征的判定，但在工程实践中，所述环状耦合梁的环宽w应满足：500nm＜w＜10*d，其中d为谐振梁201、202的宽度；使得其同时满足加工工艺的限制并保证一定的耦合效果。
[0006]所述环状耦合梁203通过连接两个谐振梁201、202实现机械耦合。在一般的模态局部化传感器设计中，谐振梁201、202经由中央固定锚点204固定连接并呈中心对称分布。所述环状耦合梁203的中心对称点与谐振梁201、202呈中心对称分布的中心对称点重合，并与谐振梁201、谐振梁202直接相交为一整体结构；将谐振梁201与固定锚点204、环状耦合梁203内径的相交点分别定义为A0，A1，将谐振梁202与固定锚点204、环状耦合梁203内径的相交点分别定义为B0，B1。将所述点A0，A1之间的距离定义为R1，将所述点B0，B1之间的距离定义为R2。所述距离R1、R2应满足关系R1＝R2＜10*d，以满足一定的耦合效果。
[0007]所述耦合刚度调节电极205、206与环状耦合梁203共同构成耦合调节电容207、208。通过改变耦合刚度调节电极205、206的电势形成与环状耦合梁203的电势差，从而产生静电力改变环状耦合梁203内的应力分布，从而实现其耦合刚度的调节。所述耦合调节电容207、208的有效极板长度和电容间距与耦合梁203的宽度密切相关，其具体参数的设定应以产生一定的刚度调节效果为标准。在具体的工程实践中，耦合调节电极205、206与环状耦合梁203之间的电势差一般不超过150V。
[0008]本专利技术的有益效果是：
[0009]本专利技术采用了环状耦合梁设计，相较于传统的机械耦合梁，可以使耦合梁对侧向刻蚀的敏感程度大幅度降低，在加工精度水平不变的情况下可以进一步提高传感器的稳定性和一致性；同时设计了针对所述环状耦合梁的耦合刚度调节电极，通过调节耦合刚度调节电极的电势产生与环状耦合梁的电势差，从而产生静电力，改变环状耦合梁内部的应力分布，以实现机械耦合刚度的调节。
附图说明
[0010]图1是谐振系统弹簧
‑
质量块模型示意图。
[0011]图中，101为等效质量块一，102为等效质量块二，103为等效阻尼一，104为等效阻尼二，105为等效耦合梁，106为等效刚度一，107为等效刚度二，108为等效谐振器一，109为等效谐振器二。
[0012]图2是本专利技术所设计的耦合梁的示意图。
[0013]图中，201为谐振器一的谐振梁，202为谐振器二的谐振梁，203为环状耦合梁，204为中央固定锚点，205为下侧耦合刚度调节电极，206为上侧耦合刚度调节电极，207为下侧耦合刚度调节电极205与环状耦合梁203共同构成的耦合调节电容，208为上侧耦合刚度调节电极206与环状耦合梁203共同构成的耦合调节电容。
[0014]图3(a)是本专利技术所设计的环状耦合梁适用于模态局部化传感器时的工作模态仿真结果，图3(b)是作为对比的直梁耦合梁适用于模态局部化传感器时的工作模态仿真结果。
[0015]图4(a)是本专利技术所设计的环状耦合梁在不施加耦合刚度调节电压时，传感器的前两阶工作模态仿真结果，图4(b)是本专利技术所设计的环状耦合梁在施加耦合刚度调节电压时，传感器的前两阶工作仿真结果。
[0016]图5是本专利技术所设计的环状耦合梁在施加耦合刚度调节电压时，电压值与传感器前两阶工作模态频差关系的仿真结果。
[0017]图6是本专利技术所设计的环状耦合梁在MEMS模态局部化加速度计上的具体实施例。
[0018]图中，201为谐振器一的谐振梁，2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于MEMS模态局部化传感器的环状耦合系统，其特征在于，主要包括：环状耦合梁203，耦合刚度调节电极205、206；所述环状耦合梁具有中心对称的特性；所述环状耦合梁203通过连接两个谐振梁201、202实现机械耦合；谐振梁201、202经由中央固定锚点204固定连接并呈中心对称分布；所述环状耦合梁203的中心对称点与谐振梁201、202呈中心对称分布的中心对称点重合，并与谐振梁201、谐振梁202直接相交为一整体结构；将谐振梁201与固定锚点204、环状耦合梁203内径的相交点分别定义为A0，A1，将谐振梁202与固定锚点204、环状耦合梁203内径的相交点分别定义为B0，B1；将所述点A0，A1之间的距离定义为R1，将所述点B0，B1之间的距离定义为R2；所述距离R1、R2应满足关系R1＝R2＜10*d，。所述耦合刚度调节电极205、206与环状耦合梁2...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝永存，祖陆晗，常洪龙，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：