用于流速及加速度矢量敏感的仿生毛发传感器及检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于微电子机械惯性测量领域，尤其涉及一种用于流速、加速度矢量敏感 的仿生毛发传感器。
【背景技术】
[0002] MEMS (Micro-Machined Electro Mechanical Sensor)是微机电机械传感器的简 称，它是一种微米级的类似集成电路的装置和工具。MEMS技术是一项有着广泛应用前景的 基础技术。以半导体技术和微机电加工工艺设计、制造的MEMS传感器，集成度高，并可与信 号处理电路集成在一起，大大降低了生产成本，已在汽车、消费电子和通信电子领域取得极 大发展。MEMS加速度传感器按敏感原理的不同可以分为压电式、压阻式、电容式、谐振式、热 对流式等。
[0003] 毛发式传感器是一种新型的潜力巨大的微传感器，仿照自然界中的毛发结构进行 传感器设计，运用仿生学原理，配合现有MEMS工艺技术进行加工，可实现对流速、加速度、 角速度等的测量，具有灵敏度和分辨率高、动态范围宽、抗干扰能力强等优点。
[0004] 近年来，国内外有多家研宄机构开始了对毛发式传感器的研宄。荷兰特温特大学 的G. J. M. Krijnen教授初步研发了一种毛发式流速传感器，通过顶部的聚合物毛发对流速 进行敏感，可以实现对mm/s级风速的敏感。但是，目前大部分机构研发的毛发式传感器只 能实现对物理量的大小的测量，而无法测量物理量的方向，且功能单一，结构较为复杂，实 用性较差。
【发明内容】
[0005] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于流速及加速度 矢量敏感的仿生毛发传感器的检测方法，具有灵敏度高、类数字转换、动态范围大等优点。
[0006] 技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0007] 用于流速及加速度矢量敏感的仿生毛发传感器，包括顶部聚合物毛发、中部环状 硅微传感器结构和底部玻璃衬底，所述环状硅微传感器结构包括质量块、以及与质量块共 圆心且包含质量块的环形质量块，所述聚合物毛发设置在质量块上，所述环状硅微传感器 结构悬置于玻璃衬底上；所述质量块的右侧设置有第一谐振器，所述第一谐振器与质量块 之间设置有第一负刚度效应梳齿组，所述质量块的左侧设置有第二谐振器，所述第二谐振 器与质量块之间设置有第二负刚度效应梳齿组；在质量块上侧，通过第一内扭力梁连接质 量块和环形质量块内圈，在质量块下侧，通过第二内扭力梁连接质量块和环形质量块内 圈；所述环形质量块右侧外圈上设置有第一外扭力梁，所述第一外扭力梁与第一锚点连接， 所述环形质量块左侧外圈上设置有第二外扭力梁，所述第二外扭力梁与第二锚点连接；所 述环形质量块上侧外圈设置有第三谐振器，所述第三谐振器与环形质量块之间设置有第三 负刚度效应梳齿组，所述环形质量块下侧外圈设置有第四谐振器，所述第四谐振器与环形 质量块之间设置有第四负刚度效应梳齿组。
[0008] 进一步的，所述第一谐振器包括第一矩形质量块、U型梁、固定锚点，以及依次设置 在第一矩形质量块上的第一驱动梳齿、第一梳齿和第一驱动检测梳齿；所述第一驱动梳齿 分为左侧第一驱动梳齿和右侧第一驱动梳齿，且关于第一矩形质量块对称设置，所述第一 梳齿分为左侧第一梳齿和右侧第一梳齿，且关于第一矩形质量块对称设置，所述第一驱动 检测梳齿分为左侧第一驱动检测梳齿和右侧第一驱动检测梳齿，且关于第一矩形质量块对 称设置；所述第一驱动梳齿与第一梳齿组成静电平板电容驱动结构，所述第一驱动检测梳 齿与第一梳齿组成静电平板电容检测结构，所述U型梁与第一矩形质量块四个顶点连接， 所述U型梁分别连接有对应的固定锚点，通过U型梁和固定锚点将第一矩形质量块悬置在 玻璃衬底之上，所述U型梁可沿质量块或环形质量块直径方向折叠运动；所述第一谐振器、 第二谐振器、第三谐振器和第四谐振器的结构均相同；
[0009] 进一步的，所述第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器和第四谐振器的驱动梳齿和 驱动检测梳齿分别设有驱动梳齿架锚点和驱动检测梳齿架锚点，所述驱动梳齿架锚点分 为：第一谐振器上的第一左侧驱动梳齿架锚点和第一右侧驱动梳齿锚点，第二谐振器上的 第二左侧驱动梳齿架锚点和第二右侧驱动梳齿锚点，第三谐振器上的第三左侧驱动梳齿架 锚点和第三右侧驱动梳齿锚点，以及第四谐振器上的第四左侧驱动梳齿架锚点和第四右侧 驱动梳齿锚点；所述驱动检测梳齿架锚点分为：第一谐振器上的第一左侧驱动检测梳齿架 锚点和第一右侧驱动检测梳齿架锚点，第二谐振器上的第二左侧驱动检测梳齿架锚点和第 二右侧驱动检测梳齿架锚点，第三谐振器上的第三左侧驱动检测梳齿架锚点和第三右侧驱 动检测梳齿架锚点，以及第四谐振器上的第四左侧驱动检测梳齿架锚点和第四右侧驱动检 测梳齿架锚点；所述U型梁分为右侧上部U型梁、右侧下部U型梁、左侧下部U型梁和左侧 上部U型梁，所述四个固定锚点分为右侧上部固定锚点、右侧下部固定锚点、左侧下部固定 锚点和左侧上部固定锚点，所述右侧上部U型梁与右侧上部固定锚点对应连接，所述右侧 下部U型梁与右侧下部固定锚点对应连接，所述左侧下部U型梁与左侧下部固定锚点对应 连接，所述左侧上部U型梁与左侧上部固定锚点对应连接。
[0010] 进一步的，所述玻璃衬底包括信号引线，所述信号引线包括：
[0011] 与第一销点和第二销点分别相连的销点电极一、销点电极二以及销点引出电极； 与右侧上部固定锚点连接的右上固定锚点电极一、右上固定锚点电极二、右上固定锚点电 极三、右上固定锚点电极四以及相应右上固定锚点引出电极；与右侧下部固定锚点连接的 右下固定锚点电极一、右下固定锚点电极二、右下固定锚点电极三、右下固定锚点电极四以 及相应右下固定锚点引出电极；与左侧下部固定锚点连接的左下固定锚点电极一、左下固 定锚点电极二、左下固定锚点电极三、左下固定锚点电极四以及相应左下固定锚点引出电 极；与左侧上部固定锚点连接的左上固定锚点电极一、左上固定锚点电极二、左上固定锚点 电极三、左上固定锚点电极四以及相应左上固定锚点引出电极；与第一左侧驱动梳齿架锚 点和第一右侧驱动梳齿锚点分别相连的第一左侧驱动梳齿架锚点电极、第一右侧驱动梳齿 锚点电极以及相应第一驱动梳齿锚点引出电极；与第二左侧驱动梳齿架锚点和第二右侧驱 动梳齿锚点分别相连的第二左侧驱动梳齿架锚点电极、第二右侧驱动梳齿锚点电极以及相 应第二驱动梳齿锚点引出电极；与第三左侧驱动梳齿架锚点和第三右侧驱动梳齿锚点分别 相连的第三左侧驱动梳齿架锚点电极、第三右侧驱动梳齿锚点电极以及相应第三驱动梳齿 锚点引出电极；与第四左侧驱动梳齿架锚点和第四右侧驱动梳齿锚点分别相连的第四左侧 驱动梳齿架锚点电极、第四右侧驱动梳齿锚点电极以及相应第四驱动梳齿锚点引出电极； 与第一左侧驱动检测梳齿架锚点和第一右侧驱动检测梳齿架锚点分相连的第一左侧驱动 检测梳齿架锚点电极和第一右侧驱动检测梳齿架锚点电极以及相应第一驱动检测梳齿架 引出电极；与第二左侧驱动检测梳齿架锚点和第二右侧驱动检测梳齿架锚点分相连的第二 左侧驱动检测梳齿架锚点电极和第二右侧驱动检测梳齿架锚点电极以及相应第二驱动检 测梳齿架引出电极；与第三左侧驱动检测梳齿架锚点和第三右侧驱动检测梳齿架锚点分相 连的第三左侧驱动检测梳齿架锚点电极和第三右侧驱动检测梳齿架锚点电极以及相应第 三驱动检测梳齿架引出电极；与第四左侧驱动检测梳齿架锚点和第四右侧驱动检测梳齿架 锚点分相连的第四左侧驱动检测梳齿架锚点电极和第四右侧驱动检测梳齿架锚点电极以 及相应第四驱动检测梳齿架引出电极。
[0012] 进一步的，所述第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器和第四谐振器中的矩形质量 块在其两侧的驱动梳齿的作用下沿质量块或环形质量块的直径方向做往复简谐运动。
[0013] 进一步的，第一负刚度效应梳齿组、第二负刚度效应梳齿组、第三负刚度效应梳齿 组和第四负刚度效应梳齿组为：由分别固定在第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器和第四 谐振器的矩形质量块的梳齿与固定在质量块或环形质量块上的梳齿对插组成。
[0014] 用于流速及加速度矢量敏感的仿生毛发传感器的检测方法，定义质量块或环形质 量块所在平面为XOY平面；当外部有平行于XOY平面的流体作用于聚合物毛发或有平行于 XOY平面加速度输入时，聚合物毛发会发生偏转，带动环状硅微传感器结构中与聚合物毛发 相连接质量块进行偏转，其中X轴方向的偏转传递到质量块上，质量块在沿Y轴方向上布 置的第一内扭力梁和第二内扭力梁的支撑下进行偏转；聚合物毛发偏转中的Y轴方向的偏 转通过连接质量块与环形质量块的第一内扭力梁和第二内扭力梁传递到环形质量块上，环 形质量块在沿X轴方向上布置的第一外扭力梁与第二外扭力梁的支撑下进行偏转；质量块 或环形质量块的偏转，可分别带动第一负刚度效应梳齿组、第二负刚度效应梳齿组或第三 负刚度效应梳齿组、第四负刚度效应梳齿组中的部分梳齿的偏转。
[0015] 有益效果：本发明的优点如下：
[0016] (1)采用仿生聚合物毛发来敏感外部物理量（加速度或流速）的输入，相较于常规 的MEMS惯性器件，本设计中的敏感部件即聚合物毛发在整个传感器中所占的质量、体积比 例更大，相应的，其灵敏度更高、测量精度更高、抗干扰能力更