一种基于模态耦合带宽自拓展的同步加速度计制造技术

本发明专利技术公开了一种基于模态耦合带宽自拓展的同步加速度计，敏感模块通过放大梁与敏感谐振梁相连，放大梁传递力于敏感谐振梁，动态改变敏感谐振梁的刚度，敏感模块将振荡信号以扰动信号的形式作用在高频同步模块中的高频谐振梁并形成同步；同步带宽拓展模块根据高频谐振梁振荡信息输出相位控制量作用在低频调控模块中的低频谐振梁以改变其振荡振幅，基于模态耦合机制，通过改变低频谐振梁的振荡幅值，动态调控高频谐振梁的共振频率，进而实现高频谐振梁同步带宽的大幅自主拓展，具备不引入热噪声、实时性优异和调控精度高的优点，从而实现MEMS同步加速度计性能的提升。而实现MEMS同步加速度计性能的提升。而实现MEMS同步加速度计性能的提升。

【技术实现步骤摘要】
一种基于模态耦合带宽自拓展的同步加速度计


[0001]本专利技术属于微机械系统及非线性动力学
，具体涉及一种基于模态耦合带宽自拓展的同步加速度计。

技术介绍

[0002]MEMS技术的发展开辟了一个全新的
和产业，其中，MEMS加速度计具有体积小、高度集成、信噪比高、功耗低、成本低和性能可靠等诸多优势，有着十分广阔的应用前景或者潜在的利用价值。尤其是近年来物联网、人工智能和虚拟现实等新兴产业的蓬勃发展，高性能MEMS加速度计的需求将进一步扩大。MEMS谐振式加速度计由于具有稳定性好、精度高、抗干扰能力强、兼容性高等优点受到越来越多的关注并得到广泛应用。
[0003]由于具备提升加速度计灵敏度和分辨率的优势，MEMS谐振器中的同步现象已应用于MEMS加速度计的研发。然而，现有研究中的同步带宽普遍较小，限制了MEMS同步加速度计的量程。为了扩大同步加速度计的量程，当前主要利用压阻热方法来拓展同步带宽，但是还存在功耗大、实时性差、热噪声影响频率稳定性等问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于模态耦合带宽自拓展的同步加速度计，用于解决频率稳定性、热调控实时性和精度差的技术问题，敏感模块承受外界加速度后输出的扰动信号与高频谐振梁发生同步，同步带宽自拓展算法跟踪高频谐振梁的振荡相位，输出相位控制量来改变低频谐振梁自激振荡的相位延迟，进而改变低频谐振梁的振荡幅值，基于模态耦合机制，使得高频谐振梁的谐振频率发生相应变化，从而实现大范围匹配同步条件和拓展同步带宽的目的。
[0005]本专利技术采用以下技术方案：
[0006]一种基于模态耦合带宽自拓展的同步加速度计，包括同步带宽自拓展算法模块，同步带宽自拓展算法模块分别连接低频调控模块和高频同步模块，通过比较高频同步模块中高频谐振梁振荡信号和扰动信号之间的相位差与设定相位阈值的大小，输出相位控制量，通过改变低频调控模块中低频谐振梁自激振荡回路的相位延迟，改变低频谐振梁的振荡幅值；低频谐振梁和高频谐振梁并列排布，低频谐振梁和高频谐振梁之间通过第一耦合极板和第二耦合极板实现静电耦合，通过改变低频谐振梁的振荡幅值动态调控高频谐振梁的共振频率，实现同步带宽的大幅度拓展。
[0007]具体的，低频谐振梁及其中间向外伸出的第一受激极板和第一耦合极板悬置于镂空的衬底上；低频谐振梁的左右两端分别与衬底绝缘层上设置的第一锚点和第二锚点连接；衬底上还悬置有第一激励极板，第一激励极板连接第五锚点，第一激励极板和第一受激极板组成电容极板；第一锚点、第二锚点和第五锚点上分别溅射有第一金属电极层、第二金属电极层和第五金属电极层。
[0008]进一步的，第一锚点、第二锚点和第五锚点为边长100～200μm的矩形结构；第一金
属电极层、第二金属电极层和第五金属电极层为边长50～150μm的矩形结构；第一耦合极板、第一激励极板和第一受激极板的长度为100～200μm，极板之间的间隙距离为2～5μm。
[0009]具体的，高频谐振梁及其中间向外伸出的第二受激极板和第二耦合极板悬置于镂空的衬底上，高频谐振梁的左右两端分别与衬底绝缘层上设置的第三锚点和第四锚点连接；衬底上还悬置有第二激励极板，第二激励极板连接第六锚点，第二激励极板和第二受激极板组成电容极板；第三锚点、第四锚点和第六锚点上分别溅射有第三金属电极层、第四金属电极层和第六金属电极层。
[0010]进一步的，第二耦合极板、第二激励极板和第二受激极板的长度为100～200μm，极板之间的间隙距离为2～5μm；第三锚点、第四锚点和第六锚点为边长100～200μm的矩形结构；第三金属电极层、第四金属电极层和第六金属电极层为边长50～150μm的矩形结构。
[0011]进一步的，衬底上还悬置有敏感谐振梁，敏感谐振梁中间向外伸出的第三受激极板和第一检测极板悬置于镂空的衬底上，敏感谐振梁的左右两端分别和与衬底绝缘层固结的第七锚点和连接锚点连接；衬底上还悬置设置有第二检测极板和第三激励极板，第二检测极板连接有第九锚点，第三激励极板连接有第八锚点，第二检测极板和第一检测极板组成电容极板，第三激励极板和第三受激极板组成电容极板；第七锚点、第八锚点和第九锚点上分别溅射有第七金属电极层、第八金属电极层和第九金属电极层。
[0012]更进一步的，敏感模块包括跨阻放大器，敏感谐振梁运动时，存有固定电势差V的第一检测极板和第二检测极板相对位移发生了变化，动感电流经过跨阻放大器转化为电压信号，再经第三滤波器、第三移相器和第三比较器，输出的信号分为两路，一路施加在激励电极使敏感谐振梁产生自激振荡，另一路作为扰动信号Vpcos(ωpt)通过加法器施加在高频谐振梁。
[0013]更进一步的，低频谐振梁的长度为300～500μm；高频谐振梁和敏感谐振梁的长度为150～300μm；第三受激极板、第一检测极板、第二检测极板和第三激励极板的长度为100～200μm，极板之间的间隙距离为2～5μm；第七锚点、第八锚点和第九锚点为边长100～200μm的矩形结构；第七金属电极层、第八金属电极层和第九金属电极层为边长50～150μm的矩形结构。
[0014]具体的，低频调控模块包括第一差分放大器，低频谐振梁的的动感电流经第一差分放大器转化为电压信号，电压信号再经第一滤波器、第一移相器和第一比较器，配合偏置电压Vdc1激励低频谐振梁做自激振荡，高频同步模块包括第二差分放大器，高频谐振梁的动感电流经第二差分放大器转化为电压信号，电压信号经过第二滤波器、第二移相器和第二比较器，配合偏置电压Vdc2激励高频谐振梁做自激振荡；频率计数器记录由第二比较器输出的反馈信号的频率信息。
[0015]更进一步的，同步带宽自拓展算法模块包括鉴相器，鉴相器由第二差分放大器输出的电压信号得到高频谐振梁振荡的相位，同步带宽自拓展算法计算得到相位控制量通过第一移相器作用在低频谐振梁。
[0016]与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：
[0017]一种基于模态耦合带宽自拓展的同步加速度计，通过同步带宽自拓展算法跟踪高频谐振梁的振荡相位，通过比较高频谐振梁的振荡相位和扰动信号的相位差值与设定阈值大小，计算得到相位控制量，可以实现对扰动信号的实时跟踪，大大提高了加速度计的灵敏
度和准确性；同步带宽自拓展算法模块输出相位控制量以改变低频谐振梁的振荡幅值，进而利用模态耦合机制动态调控高频谐振梁的共振频率，实现同步带宽的拓展，因此扩展了加速度计的量程；高频谐振梁的刚度调控来源于耦合静电力，耦合静电力是平行电容极板的自然产物，这意味不需要进行精细的结构设计，降低了加速度计制造工艺的难度；相比于压阻热方法，模态耦合机制的响应速度快，实时性好，且不引入热噪声，保证自激振荡回路的频率稳定性，提高了加速度计的稳定性。
[0018]进一步的，低频谐振梁的左右两端分别和与衬底绝缘层固结的第一锚点和第二锚点连接，使低频谐振梁悬置于镂空的衬底上；低频谐振梁中间向外伸出的第一受激极板悬置本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于模态耦合带宽自拓展的同步加速度计，其特征在于，包括同步带宽自拓展算法模块，同步带宽自拓展算法模块分别连接低频调控模块和高频同步模块，通过比较高频同步模块中高频谐振梁(2
‑
3)振荡信号和扰动信号之间的相位差与设定相位阈值的大小，输出相位控制量，通过改变低频调控模块中低频谐振梁(1
‑
3)自激振荡回路的相位延迟，改变低频谐振梁(1
‑
3)的振荡幅值；低频谐振梁(1
‑
3)和高频谐振梁(2
‑
3)并列排布，低频谐振梁(1
‑
3)和高频谐振梁(2
‑
3)之间通过第一耦合极板(1
‑
5)和第二耦合极板(2
‑
5)实现静电耦合，通过改变低频谐振梁(1
‑
3)的振荡幅值动态调控高频谐振梁(2
‑
3)的共振频率，实现同步带宽的大幅度拓展。2.根据权利要求1所述的基于模态耦合带宽自拓展的同步加速度计，其特征在于，低频谐振梁(1
‑
3)及其中间向外伸出的第一受激极板(1
‑
4)和第一耦合极板(1
‑
5)悬置于镂空的衬底上；低频谐振梁(1
‑
3)的左右两端分别与衬底绝缘层上设置的第一锚点(1
‑
2)和第二锚点(1
‑
7)连接；衬底上还悬置有第一激励极板(3
‑
3)，第一激励极板(3
‑
3)连接第五锚点(3
‑
2)，第一激励极板(3
‑
3)和第一受激极板(1
‑
4)组成电容极板；第一锚点(1
‑
2)、第二锚点(1
‑
7)和第五锚点(3
‑
2)上分别溅射有第一金属电极层(1
‑
1)、第二金属电极层(1
‑
6)和第五金属电极层(3
‑
1)。3.根据权利要求2所述的基于模态耦合带宽自拓展的同步加速度计，其特征在于，第一锚点(1
‑
2)、第二锚点(1
‑
7)和第五锚点(3
‑
2)为边长100～200μm的矩形结构；第一金属电极层(1
‑
1)、第二金属电极层(1
‑
6)和第五金属电极层(3
‑
1)为边长50～150μm的矩形结构；第一耦合极板(1
‑
5)、第一激励极板(3
‑
3)和第一受激极板(1
‑
4)的长度为100～200μm，极板之间的间隙距离为2～5μm。4.根据权利要求1所述的基于模态耦合带宽自拓展的同步加速度计，其特征在于，高频谐振梁(2
‑
3)及其中间向外伸出的第二受激极板(2
‑
4)和第二耦合极板(2
‑
5)悬置于镂空的衬底上，高频谐振梁(2
‑
3)的左右两端分别与衬底绝缘层上设置的第三锚点(2
‑
2)和第四锚点(2
‑
7)连接；衬底上还悬置有第二激励极板(4
‑
3)，第二激励极板(4
‑
3)连接第六锚点(4
‑
2)，第二激励极板(4
‑
3)和第二受激极板(2
‑
4)组成电容极板；第三锚点(2
‑
2)、第四锚点(2
‑
7)和第六锚点(4
‑
2)上分别溅射有第三金属电极层(2
‑
1)、第四金属电极层(2
‑
6)和第六金属电极层(4
‑
1)。5.根据权利要求4所述的基于模态耦合带宽自拓展的同步加速度计，其特征在于，第二耦合极板(2
‑
5)、第二激励极板(4
‑
3)和第二受激极板(2
‑
4)的长度为100～200μm，极板之间的间隙距离为2～5μm；第三锚点(2
‑
2)、第四锚点(2
‑
7)和第六锚点(4
‑
2)为边长100～200μm的矩形结构；第三金属电极层(2
‑
1)、第四金属电极层(2
‑
6)和第六金属电极层(4
‑
1)为边长50～150μm的矩形结构。6.根据权利要求2或4所述的基于模态耦合带宽自拓展的同步加速度计，其特征在于，衬底上还悬置有敏感谐振梁(9
‑
3)，敏感谐振梁(9
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王雪峰，代洪升，万海博，阳琪琪，宦荣华，韦学勇，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：