【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于微机电系统领域，具体涉及一种轴向扩张模态的热压阻谐振式加速度计。
技术介绍
1、mems传感器是微型电子机械系统(micro-electro-mechanical systems)的缩写，属于mems器件的一个重要分支。这些传感器通常采用mems制造技术，将微型机械结构与电子电路集成在同一芯片上，实现对各种物理、化学或生物参数的感知和转换。mems传感器因其体积小、重量轻、功耗低、响应快、精度高等优点，广泛应用于汽车、医疗、消费电子、航空航天等众多领域。
2、超低功耗mems加速度计因其出色的功耗表现和较高的精度，被广泛应用于多个领域。例如可以用于监测人体的生理活动，如心率、呼吸率等，适用于可穿戴医疗设备和远程健康监测系统；在工业环境中，这些传感器可以用于机器振动分析、结构健康监测和过程控制等，有助于提高生产效率和安全性；在智能手机、平板电脑、游戏控制器等消费电子产品中，mems加速度计用于运动感应、倾斜检测和手势识别等功能；在汽车行业中，mems加速度计可以用于车辆稳定性控制、碰撞检测和防抱死刹车系统等；超低功耗mems加速度计也是物联网设备的重要组成部分，它们可以用于环境监测、资产追踪和智能家居系统等
3、在高性能微纳传感器中，控制电路的功耗往往占据了大部分能耗。以高精度谐振式加速度传感器为例，其功耗的绝大部分用于频率追踪系统中的电子元器件发热，这成为限制其性能的主要瓶颈。
技术实现思路
1、要解决的技术问题：
2、为了避免现有
3、本专利技术的技术方案是：一种轴向扩张模态的热压阻谐振式加速度计，包括惯性力敏感模块及对称连接于其两端的两组频率调制模块，由惯性力敏感模块感知加速度并将加速度转化为施加于两组频率调制模块的惯性力，所述惯性力的加载方向垂直于两组频率调制模块的振动方向；所述频率调制模块通过其内的闭合回路形成交变的热膨胀力，在交变热膨胀力的作用下完成频率调制模块的自激振荡。
4、本专利技术的进一步技术方案是：所述惯性力敏感模块包括质量块及分别连接于其两侧的杠杆，质量块通过多个弹性梁与对应数量的锚点连接，用于感知加速度；两侧杠杆的垂直方向分别安装有引导梁，通过两侧引导梁将加速度转化为施加于两侧频率调制模块上的惯性力。
5、本专利技术的进一步技术方案是：所述质量块为矩形平板结构，其未安装杠杆的相对两侧对称设置有两组缺口式槽道，缺口式槽道的外端均设置有锚点，通过弹性梁将各锚点与各缺口槽道内端连接，构成加速度检测的工作平面。
6、本专利技术的进一步技术方案是：所述频率调制模块包括纳米梁及对称设置于其两端的谐振板，同时谐振板的外侧两端分别通过小刚度梁连接于锚点；所述纳米梁长度方向的中点与引导梁固定连接。
7、本专利技术的进一步技术方案是：所述纳米梁为直梁或圆弧梁，当纳米梁为直梁时，起轴向与引导梁轴向垂直；当纳米梁为圆弧梁时，其与引导梁连接点的切线垂直于引导梁轴向，且圆弧梁两端点切线与谐振板的连接边成45度夹角。
8、本专利技术的进一步技术方案是：所述谐振板为正方形结构，一侧边与纳米梁连接，相对边的两个顶点处分别连接有小刚度梁。
9、本专利技术的进一步技术方案是：所述小刚度梁的长宽比为20:1，且谐振板的边长为小刚度梁长度的3倍。
10、本专利技术的进一步技术方案是：所述频率调制模块内的闭合回路由纳米梁和谐振板构成，即为自激振荡模块。
11、本专利技术的进一步技术方案是：所述自激振荡模块的自激振荡方法为，
12、将电流注入纳米梁，使得其温度升高，热膨胀导致纳米梁应变增大；
13、基于纳米梁具有负压阻系数的硅材料属性，热膨胀导致压阻系数减小，致使纳米梁电阻减小，进而导致其温度降低，纳米梁热收缩开始，应变减小；
14、如此周而复始，形成交变的热膨胀力；
15、在交变热膨胀力的作用下，频率调制模块起振后进行稳定振幅的振动。
16、一种轴向扩张模态的热压阻谐振式加速度计的加速度检测方法，具体步骤如下：
17、在所述频率调制模块的纳米梁上接电极，纳米梁在驱动电极的直流偏置信号作用下振动；
18、通过惯性力敏感模块的质量块感知加速度变化，并产生惯性力；
19、通过惯性力敏感模块的杠杆和引导梁将所产生惯性力转化为施加于频率调制模块上的垂直惯性力，即作用于纳米梁上，致使其刚度发生变化；
20、通过检测电极输出包含两个频率调制模块幅值信息的交流电流信号，电流信号经过电路处理后，输出两路与频率调制模块振幅成正比的电压信号；
21、通过检测上述两路电压信号比值变化即得到质量块加速度信号变化。
22、有益效果
23、本专利技术的有益效果在于：本专利技术提出一种新型的热驱动压阻检测加速度计结构设计，整体由具有对称特征结构的两部分组成，可以实现结构差分功能；其工作原理采用行波模式，利用其所要求结构对称及几何关系简单等特征避免结构或工艺误差带来信号灵敏度衰减；设计通过将纳米梁与谐振板以及小刚度梁耦合的方式，将整体构建为谐振器，后通过引导梁进行垂直应力加载，从而专利技术出一种利用谐振器横向振动模态进行加速度检测的加速度计，避免了谐振器横向振动对于加速度计整体模态的干扰，填补了此种模态加速度计的空缺。
24、本专利技术为基于热激励压阻检测(热压阻)原理的纳机械加速度传感器敏感元件，利用偏置电流产生的热量来补偿谐振器的振动损耗，并通过负压阻效应形成自反馈环路，从而摒弃了复杂的控制电路。这样，电能可以更高效地转化为传感器敏感元件的动能。此外，通过惯性力对纳机械热压阻谐振器的刚度进行调节，可以实现基于频率调制输出的惯性力感知。这种新型传感器不仅能够提高传感器的性能，而且还有望降低其功耗，从而延长电池寿命，拓宽其在各种应用领域的使用范围。
25、经实验验证，杠杆的理论放大倍数为10倍、弹簧梁交叉灵敏度为0.15％。仿真得出该结构灵敏度为3hz/g，如图4所示。由于将纳米梁的横向压缩刚度转换为纵向弯曲刚度，相较于此种横向振动模态的其他加速度计性能提高1个数量级。
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1.一种轴向扩张模态的热压阻谐振式加速度计，其特征在于：包括惯性力敏感模块及对称连接于其两端的两组频率调制模块，由惯性力敏感模块感知加速度并将加速度转化为施加于两组频率调制模块的惯性力，所述惯性力的加载方向垂直于两组频率调制模块的振动方向；所述频率调制模块通过其内的闭合回路形成交变的热膨胀力，在交变热膨胀力的作用下完成频率调制模块的自激振荡。
2.根据权利要求1所述一种轴向扩张模态的热压阻谐振式加速度计，其特征在于：所述惯性力敏感模块包括质量块及分别连接于其两侧的杠杆，质量块通过多个弹性梁与对应数量的锚点连接，用于感知加速度；两侧杠杆的垂直方向分别安装有引导梁，通过两侧引导梁将加速度转化为施加于两侧频率调制模块上的惯性力。
3.根据权利要求2所述一种轴向扩张模态的热压阻谐振式加速度计，其特征在于：所述质量块为矩形平板结构，其未安装杠杆的相对两侧对称设置有两组缺口式槽道，缺口式槽道的外端均设置有锚点，通过弹性梁将各锚点与各缺口槽道内端连接，构成加速度检测的工作平面。
4.根据权利要求2所述一种轴向扩张模态的热压阻谐振式加速度计，其特征在于：所述频
5.根据权利要求4所述一种轴向扩张模态的热压阻谐振式加速度计，其特征在于：所述纳米梁为直梁或圆弧梁，当纳米梁为直梁时，起轴向与引导梁轴向垂直；当纳米梁为圆弧梁时，其与引导梁连接点的切线垂直于引导梁轴向，且圆弧梁两端点切线与谐振板的连接边成45度夹角。
6.根据权利要求5所述一种轴向扩张模态的热压阻谐振式加速度计，其特征在于：所述谐振板为正方形结构，一侧边与纳米梁连接，相对边的两个顶点处分别连接有小刚度梁。
7.根据权利要求6所述一种轴向扩张模态的热压阻谐振式加速度计，其特征在于：所述小刚度梁的长宽比为20:1，且谐振板的边长为小刚度梁长度的3倍。
8.根据权利要求1所述一种轴向扩张模态的热压阻谐振式加速度计，其特征在于：所述频率调制模块内的闭合回路由纳米梁和谐振板构成，即为自激振荡模块。
9.根据权利要求8所述一种轴向扩张模态的热压阻谐振式加速度计，其特征在于：所述自激振荡模块的自激振荡方法为，
10.一种权利要求1-9任一项所述轴向扩张模态的热压阻谐振式加速度计的加速度检测方法，其特征在于具体步骤如下：
...【技术特征摘要】
1.一种轴向扩张模态的热压阻谐振式加速度计，其特征在于：包括惯性力敏感模块及对称连接于其两端的两组频率调制模块，由惯性力敏感模块感知加速度并将加速度转化为施加于两组频率调制模块的惯性力，所述惯性力的加载方向垂直于两组频率调制模块的振动方向；所述频率调制模块通过其内的闭合回路形成交变的热膨胀力，在交变热膨胀力的作用下完成频率调制模块的自激振荡。
2.根据权利要求1所述一种轴向扩张模态的热压阻谐振式加速度计，其特征在于：所述惯性力敏感模块包括质量块及分别连接于其两侧的杠杆，质量块通过多个弹性梁与对应数量的锚点连接，用于感知加速度；两侧杠杆的垂直方向分别安装有引导梁，通过两侧引导梁将加速度转化为施加于两侧频率调制模块上的惯性力。
3.根据权利要求2所述一种轴向扩张模态的热压阻谐振式加速度计，其特征在于：所述质量块为矩形平板结构，其未安装杠杆的相对两侧对称设置有两组缺口式槽道，缺口式槽道的外端均设置有锚点，通过弹性梁将各锚点与各缺口槽道内端连接，构成加速度检测的工作平面。
4.根据权利要求2所述一种轴向扩张模态的热压阻谐振式加速度计，其特征在于：所述频率调制模块包括纳米梁及对称设置于其两端的谐振板，同时谐振板的外侧两端...
【专利技术属性】
技术研发人员：张和民，程昱瑄，杨晨昊，李豪杰，腾格尔，常洪龙，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：
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