一种基于有源耦合的二自由度谐振式MEMS传感器及应用

一种基于有源耦合的二自由度谐振式mems传感器及应用
技术领域
1.本发明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，涉及一种基于有源耦合的二自由度谐振式mems传感器及应用。


背景技术：

2.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。为实现高稳定性和高分辨率，需要提高mems谐振式传感器的灵敏度。
3.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。力、位移的放大倍数的方法较为常见，例如专利mems resonant accelerometer having improved electrical characteristics(us9354246b2)，记载了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。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。
4.近年来，由基于非厄米矩阵哈密顿量描述的动态系统逐渐成为凝聚态物理、声学、光学领域的研究热点，其中主要包括parity-time symmetry(奇偶-时间对称)系统，以及anti-parity-time symmetry(反奇偶-时间对称)系统。其中，紧随奇偶-时间对称系统研究井喷的步伐(r
ü
ter,et al.nature physics,6(3),192-195,2010等)，关于反奇偶-时间对称系统的研究在近年来逐步涌现，并在声学(li,et al.science,364(6436),170-173,2019)、光学(peng,et al.nature physics,12(12),1139-1145,2016)、冷原子(jiang,et al.physical review letters,123(19),193604,2019)等领域中被实现。然而，截止至目前，反奇偶-时间对称系统仍未在微电子机械系统中被实现。


技术实现要素：

5.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于有源耦合的二自由度谐振式mems传感器及应用，由此解决现有技术中mems传感器的灵敏度低导致其稳定性差、分辨率低的技术问题。
6.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于有源耦合的二自由度谐振式mems传感器，其特征在于，包括有源耦合模块、感测模块和mems谐振器件；
7.所述mems谐振器件包括第一谐振器和第二谐振器，所述第一谐振器和所述第二谐振器通过所述有源耦合模块连接形成闭环回路，从而实现有源耦合；
8.相互耦合后的所述第一谐振器和所述第二谐振器出现反奇偶-时间对称现象，使所述第一谐振器和所述第二谐振器对待测量具有灵敏度；
9.所述感测模块连接所述第一谐振器或所述第二谐振器，用于感应待测量并引起互相耦合的所述第一谐振器和所述第二谐振器频率变化，以得到用于计算待测量的频率信号数据。
10.优选地，所述有源耦合模块包括第一有源耦合电路和第二有源耦合电路；所述第一有源耦合电路的输入端连接所述第一谐振器的输出端，其输出端连接所述第二谐振器的输入端；所述第二有源耦合电路的输入端连接所述第二谐振器的输出端，其输出端连接所述第一谐振器的输入端。
11.优选地，所述第一有源耦合电路包括第一放大电路和第一调节电路，所述第一放大电路的输入端连接所述第一谐振器的输出端，所述第一放大电路的输出端连接所述第一调节电路的输入端；
12.所述第一放大电路用于将所述第一谐振器产生的动态电流转化为第一电压，并将所述第一电压施加于所述第二谐振器；所述第一调节电路用于调节所述第一放大电路产生的第一电压的幅值及其与驱动电压间的相位。
13.优选地，所述第一谐振器包括第一调节电极、第二调节电极、第一驱动电极和第一检测电极；
14.所述第一驱动电极的输入端连接驱动电源的输出端，所述第一驱动电极用于驱动所述第一谐振器振荡以产生其固有频率；
15.所述第一检测电极的输出端连接所述第一放大电路的输入端，所述第一检测电极用于将所述第一谐振器的振动转化为动态电流输入至所述第一放大电路；
16.所述第一调节电极和所述第二调节电极对称设置，均用于调节工艺误差导致的初始失偏。
17.优选地，所述第一放大电路为电荷放大电路或电流放大电路。
18.优选地，所述第二有源耦合电路包括第二放大电路和第二调节电路，所述第二放大电路的输入端连接所述第二谐振器的输出端，所述第二放大电路的输出端连接所述第二调节电路的输入端，所述第二调节电路的输出端连接所述第一谐振器的输入端；
19.所述第二放大电路用于将所述第二谐振器产生的动态电流转化为第二电压，并将所述第二电压施加于所述第一谐振器；所述第二调节电路用于调节所述第二放大电路产生的第二电压的幅值及其与驱动电压间的相位。
20.优选地，所述第二谐振器包括第三调节电极、第四调节电极、第二驱动电极和第二检测电极；
21.所述第二驱动电极的输入端连接驱动电源的输出端，所述第二驱动电极用于驱动所述第二谐振器振荡以产生其固有频率；
22.所述第二检测电极的输出端连接于所述第二放大电路的输入端，所述第二检测电极用于将所述第二谐振器的振动转化为动态电流输入至所述第二放大电路；
23.所述第三调节电极和所述第四调节电极对称设置，均用于调节工艺误差导致的初始失偏。
24.优选地，所述第二放大电路为电荷放大电路或电流放大电路。
25.优选地，所述检测模块包括力放大装置、悬臂梁和质量块；所述悬臂梁对称设置于所述质量块的两侧，所述质量块通过所述力放大装置连接所述第一谐振器。
26.按照本发明的另一方面，提供了一种基于上文所述的基于有源耦合的二自由度谐振式mems传感器在测量温度、磁场强度、压力、应力应变中的应用。
27.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
28.1、本发明通过采用有源耦合将两个独立的谐振器互相耦合，引入反奇偶-时间对称现象，待测量改变两个谐振器间的谐振频率差，本质上改变了二者间的能量差，进而导致系统接近对称-非对称相变界面处的特殊点，互相耦合的两个谐振器在特殊点附近快速收敛，故大幅提升了两个谐振器的谐振频率对待测量变化的灵敏度，在该区间内可实现极高的灵敏度；
29.2、本发明通过引入有源耦合模块，可将本身对待测量不敏感的谐振器件变为对待测量敏感；
30.3、本发明在工作区间内，mems谐振器件中两个谐振器频率变化随待测量变化的方向相反，可实现频率差分检测，进一步提高灵敏度的同时提高共模抑制；
31.4、本发明通过对调节电路中的增益以及对第一谐振器和第二谐振器间的频率差进行调节，进一步的调节传感器的灵敏度；
32.5、本发明可应用温度传感器、磁场传感器、压力传感器等各类传感器，应用范围广泛。
附图说明
33.图1是本发明的基于有源耦合的二自由度谐振式mems传感器的结构示意图；
34.图2是本发明的基于有源耦合的二自由度谐振式mems传感器中反奇偶-时间对称现象示意图；
35.图3是本发明的一个实施例中未引入有源耦合的情况下第一谐振器和第二谐振器对输入加速度变化的灵敏度曲线示意图；
36.图4是本发明的一个实施例中引入有源耦合的情况下第一谐振器和第二谐振器的谐振频率对输入加速度变化的灵敏度曲线示意图。
具体实施方式
37.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
38.图1为本发明提供的基于有源耦合的二自由度谐振式mems传感器的结构示意图，如图1所示，包括：mems谐振器件、感测模块和有源耦合模块，其中所述mems谐振器件包括第一谐振器1和第二谐振器4；所述有源耦合模块包括第一有源耦合电路和第二有源耦合电路，所述第一有源耦合电路和所述第二有源耦合电路结构相同，所述第一有源耦合电路包括第一放大电路2和第一调节电路3，所述第二有源耦合电路包括第二放大电路9和第二调节电路10，所述感测模块包括力放大装置15、悬臂梁16和质量块17。
39.更进一步的说明，所述第一谐振器1包括第一调节电极11、第二调节电极12、第一
驱动电极13和第一检测电极14，所述第一调节电极11和所述第二调节电极12对称设置，所述第一驱动电极13和所述第一检测电极14对称设置；所述第二谐振器4包括第三调节电极5、第四调节电极6、第二驱动电极7和第二检测电极8，所述第三调节电极5和所述第四调节电极6对称设置，所述第二驱动电极7和所述第二检测电极8对称设置。
40.更进一步的说明，所述第一检测电极14的输出端连接于所述第一放大电路2的输入端，所述第一放大电路2的输出端连接于所述第一调节电路3的输入端，所述第一调节电路3的输出端连接于所述第二驱动电极的输入端，所述第二检测电极8的输出端连接于所述第二放大电路9的输入端，所述第二放大电路9的输出端连接于所述第二调节电路10的输入端，所述第二调节电路10的输出端连接所述第一驱动电极13的输入端。
41.更进一步的说明，还包括驱动电源，所述驱动电源用于输出驱动电压信号，所述驱动电源的输出端分别连接所述第一驱动电极13的输入端和所述第二驱动电极7的输入端。
42.更进一步的说明，所述质量块17连接于所述力放大装置15，所述悬臂梁16设置于所述力放大装置15的两侧。
43.可选地，所述第一放大电路2为电荷放大电路或电流放大电路。
44.可选地，所述第二放大电路9为电荷放大电路或电流放大电路。
45.需要说明的是，本发明提出的基于有源耦合的二自由度谐振式mems传感器，相比现有技术引入了反奇偶-时间对称现象，用于使所述第一谐振器1和所述第二谐振器4对待测量敏感。
46.具体的，所述第一有源耦合电路和所述第二有源耦合电路将所述第一谐振器1和所述第二谐振器4连接形成闭合回路，通过使所述第一谐振器1与所述第二谐振器4有源耦合，使得所述第一谐振器1与所述第二谐振器4均对待测量敏感。
47.具体的，如图2(a)所示，在未引入有源耦合的情况下，所述第一谐振器的谐振频率随δ(即又待测量导致的变化)的变化曲线，表明第一谐振器对待测量敏感；如图2(b)所示，在未引入有源耦合的情况下，第二谐振器频率随δ(即由待测量导致的变化)的变化曲线，表明所述第二谐振器对待测量不敏感，图2(a)和图2(b)表明了在未引入有源耦合的情况下，不会出现反奇偶-时间对称现象。图2(c)和图2(d)分别展示了在引入有源耦合后，所述第一谐振器和所述第二谐振器的谐振频率随δ(即由待测量导致的变化)的变化曲线，可以看出在引入有源耦合后反奇偶-对称现象出现，其中所述第一谐振器和所述第二谐振器均出现了两个谐振频率，即图2(d)中标识的mode1和mode2，其中mode1和mode2的谐振频率均对待测量敏感；同时，图2(d)中标注出了exceptional point(特殊点)，在这个点附近，mode1和mode2的谐振频率快速靠近，并最终在exceptional point(特殊点)汇合。这一区间内mode1和mode2的谐振频率对δ(即由待测量导致的变化)的灵敏度大幅提高，即所述第一谐振器和所述第二谐振器对待测量的灵敏度高，提高了传感器的灵敏的同时提高了检测的精度。需要说明的是，如图2(d)所示，在exceptional point(特殊点)处，此时所述第一谐振器和所述第二谐振器对待测量的灵敏度最高，此时为传感器对待测量的检测最精确。本发明正是通过反奇偶-对称现象并且利用这一收敛区间内的特性提高了传感器的灵敏度。图2(e)、图2(f)和图2(g)中分别展示了所述第一谐振器在不同区间内的扶贫响应特性。
48.在一个更具体的实施例中，上述基于有源耦合的二自由度谐振式mems传感器应用于加速度传感器。如图3(a)、图3(b)和图3(c)所示，图3(a)展示了在未引入有源耦合的情况
下，即独立的第一谐振器的谐振频率对输入加速度变化的灵敏度曲线，图3(b)展示了在未引入有源耦合的情况下，即独立的第二谐振器的谐振频率对输入加速度变化的灵敏度曲线，由图3(c)可以看出，所述第一谐振器的谐振频率对外界加速度的变化敏感，其灵敏度为2800hz/g，所述第二谐振器的输出频率几乎不受外界加速度的影响，其对加速度的灵敏度为0hz/g。
49.具体的，在引入如图1所示的有源耦合模块，即所述第一放大电路2和所述第一调节电路3组成所述第一有源耦合电路，所述第二放大电路9和所述第二调节电路10组成第二有源耦合电路，通过所述第一调节电路3和所述第二调节电路10进行相位和增益调节，选择合适参数值，即(即第一调节电路的相位)≈90
°
(或≈-90
°
)，)，g1≈g2，具体值可根据灵敏度需求进行调节，例如10倍于第一谐振器和第二谐振器的初始频率差计算所得的增益值。
50.具体的，在引入有源耦合模块后，第一谐振器和第二谐振器的谐振频率随外界加速度变化的曲线如图4所示，其中第一谐振器的灵敏度由2800hz/g提升至52500hz/g，第二谐振器的灵敏度由0hz/g改变为-50500hz/g。
51.更进一步的说明，如图1所示的基于有源耦合的二自由度谐振式mems传感器还可以应用于实现高灵敏度谐振式温度传感器、磁场传感器、压力传感器、应力应变传感器等。
52.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。