CN111830281A - 一种面向谐振式mems传感器的拱形谐振器及mems加速度计 - Google Patents

一种面向谐振式mems传感器的拱形谐振器及mems加速度计 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向谐振式MEMS传感器的拱形谐振器及MEMS加速度计，拱形谐振器包括：锚定***，以及与锚定***连接的拱形谐振梁；通过锚定***给拱形谐振梁施加用于调节拱形高度的热电流，在热电流作用下，通过拱形谐振梁产生的热应变来调控所述拱形谐振梁的刚度，使得拱形谐振梁的刚度在同相模态频率和反向模态频率之间实现交叉，进而调节模态耦合或工作区间。本发明改变了谐振器的拱形梁高度，而拱形高度的变化增大了模态之间的频率差，进而提高了灵敏度；同时，本发明通过热电流对拱形结构产生了模态耦合，拱形高度变化使得谐振器的拱形梁的模态中一个模态对应力应变敏感，另一个模态不敏感的特点，可实现差分检测。

Description

一种面向谐振式MEMS传感器的拱形谐振器及MEMS加速度计
技术领域
本发明属于谐振器技术领域，更具体地，涉及一种面向谐振式MEMS传感器的拱形谐振器及MEMS加速度计。
背景技术
谐振梁结构是谐振式加速度传感器、谐振式压力传感器、谐振式磁传感器等***中最常用的机械结构形式。以谐振式加速度传感器为例，以往技术采用惯性力导致的轴向应力改变(Zhao C,Pandit M,et al..Journal of Microelectrome-chanical Systems,2019:1-3.)，类似的工作还包括(Pandit M,Zhao C,et al.Journal ofMicroelectromechanical Systems,2019,PP(99):1-8.等)，或是质量块位移变化进而导致静电刚度改变(CN110040680A、CN110078014A)，从而使得谐振梁频率发生变化。基于轴向应力变化的检测方法通常稳定性优良，但灵敏度较低；基于静电刚度变化的检测方法通常灵敏度高，但稳定性较差，且容易出现静电吸附等不稳定现象，进而损坏器件。
近几年，拱形梁结构因其突出的动力学表现，已被广泛运用于热电执行机、模态局域化等领域。阿卜杜拉国王科学大学率先利用拱形梁结构的丰富的线性力学效应进行模态耦合效应等方面的研究，并将其延拓至非线性动力学领域。西安交通大学利用拱形梁制作热电驱动的负刚度梁，并将其运用于MEMS加速度计中，以实现加速度的高分辨率检测。类似的工作还包括(Hajjaj A Z.，International Journal of Non Linear Mechanics,2018,107(DEC.):64-72.)等。目前研究涉及结构均以单拱形梁结构形式出现，单端固定的单拱形梁横向与轴向应变线性度较差，大幅降低传感器有效工作区间。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种面向谐振式MEMS传感器的拱形谐振器，旨在解决现有技术中采用单端固定的单拱形梁结构导致横向与轴向应变线性度较差、灵敏度低的问题。
本发明提供了一种面向谐振式MEMS传感器的拱形谐振器，包括：锚定***，以及与锚定***连接的拱形谐振梁；通过锚定***给所述拱形谐振梁施加用于调节拱形高度的热电流，在热电流作用下，通过拱形谐振梁产生的热应变来调控所述拱形谐振梁的刚度，使得所述拱形谐振梁的刚度或结构在同相模态频率和反向模态频率之间实现交叉，进而调节模态耦合或工作区间。
更进一步地，锚定***包括：锚点和锚点连接梁，锚点通过锚点连接梁与拱形谐振梁连接，锚点作为施加热电流的连接点。
更进一步地，拱形谐振梁包括：第一谐振梁、第二谐振梁和耦合梁；第一谐振梁与第二谐振梁关于轴向对称设置，第一谐振梁与第二谐振梁两端沿着拱形弯曲的切线方向与耦合梁两端重合，且第一谐振梁与第二谐振梁通过耦合梁对齐的两端相连接。
工作时，当拱形谐振梁受到轴向应力后，沿横向改变拱形结构高度，进而转为改变自身结构检测的应变-频率灵敏度。
本发明还提供了一种基于上述的拱形谐振器的MEMS加速度计，包括：第一谐振器、第二谐振器、弹簧质量***和两个杠杆***；弹簧质量***与左右两个杠杆***沿着弹簧质量***轴向中心线直接相连，且两个杠杆***关于垂直中心线镜像对称，所述第一谐振器与所述第二谐振器分别与左右两个杠杆***沿着弹簧质量***轴向中心线直接相连，且第一谐振器与第二谐振器关于垂直中心线镜像对称。
更进一步地，第一谐振器和第二谐振器作为MEMS加速度计的轴向应变传感单元，且第一谐振器和第二谐振器的结构相同，均包括：锚点、锚点连接梁、第一谐振梁、第二谐振梁和耦合梁；锚点通过锚点连接梁与拱形谐振梁连接；第一谐振梁与第二谐振梁两端沿着拱形弯曲的切线方向与耦合梁两端重合，且第一谐振梁与第二谐振梁通过耦合梁对齐的两端相连接。
更进一步地，杠杆***包括：输入梁，力臂，支点梁和输出梁；输入梁与输出梁沿着第一谐振器轴向方向分布于支点梁的两侧，且输入梁与输出梁沿着垂直于第一谐振器轴向的方向分布于力臂两侧；输出梁和支点梁的距离与支点梁和输入梁的距离之比构成杠杆***放大比。
更进一步地，弹簧质量***作为加速度计敏感单元，将敏感的加速度转换为位移变化传递到杠杆***中，通过杠杆***将应变位移放大后转换为第一谐振器与第二谐振器的拱形高度变化。弹簧质量***包括：悬臂梁和质量块；悬臂梁关于质量块中心对称分布。
与现有谐振式传感器技术相比，本发明具有如下优势：
(1)本发明采用由待测量(如温度、加速度等)改变谐振器的拱形梁高度的检测方式，通过拱形高度的变化增大了模态之间的频率差，进而提高了灵敏度。
(2)本发明通过热电流对拱形结构产生了模态耦合，拱形高度的变化使得谐振器的拱形梁的模态中一个模态对应力应变敏感，另一个模态不敏感的特点，可实现差分检测。
(3)本发明中半圆环形锚点设计较常规锚点的轴向应力更小，使得谐振梁在锚点处拥有更小的锚点能量损失，结构具有更高的品质因数。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种MEMS谐振式拱形梁结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种关于拱形谐振器的MEMS加速度计结构示意图；
图3是本发明实施例提供的MEMS拱形谐振器的工作原理图；
图4是本发明实施例提供的MEMS拱形谐振器的模态频率图(无阻尼或低阻尼情况)；
图5是本发明实施例提供的MEMS拱形谐振器多阶模态的应变-频率关系图(无阻尼或低阻尼情况)；
图6是本发明实施例提供的MEMS拱形谐振器的灵敏度图(无阻尼或低阻尼情况)。
附图标号含义分别如下：1为锚点，2为锚点连接梁，3为第一谐振梁，4为第二谐振梁，5为耦合梁，6为加速度计悬臂梁，7为质量块，8为力放大杠杆的输入梁，9为力放大杠杆的力臂，10为力放大杠杆的支撑梁，11为力放大杠杆的输出梁，12为谐振器与杠杆的连接梁。
具体实施方式
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。
本发明提供了一种可用于提高应变-频率灵敏度的谐振器结构。该结构由两对弧形弯曲梁与半圆环并联的结构构成，结构利用半圆环形锚点连接方式，在不改变梁体耦合强度条件下有效降低结构锚点损失，从而提升品质因数。
当拱形梁结构的谐振器受到轴向应力后，沿横向改变拱形结构高度，进而转为改变自身结构检测的应变-频率灵敏度，拱形梁的设计大幅提升了谐振器的一阶模态对于应变-频率的灵敏度，且其二阶模态对轴向应变不敏感，通过频率差分，能有效提升谐振器的应变-频率灵敏度。
本发明中，在热电流作用下，谐振器的梁结构产生的热应变可调控拱形谐振器中梁结构的刚度，可使结构中两根谐振梁的刚度或结构的同相和反向模态频率之间实现交叉。本实例中，选用厚度为25μm的单晶硅，结构通过深硅穿透刻蚀工艺制备，热电流对拱形谐振梁结构造成的热形变量大，使得模态频率差范围大，有效提升待测量的带宽。
图1示出了本发明实施例提供的面向谐振式MEMS传感器的拱形谐振式拱形弱耦合结构示意图；该结构由锚定***以及与锚定***连接的拱形谐振梁构成；通过锚定***给拱形谐振梁施加用于调节拱形高度的热电流，在热电流作用下，通过拱形谐振梁产生的热应变来调控所述拱形谐振梁的刚度，使得拱形谐振梁的刚度或结构在同相模态频率和反向模态频率之间实现交叉，进而调节模态耦合或工作区间。
其中，锚定***包括：锚点1和锚点连接梁2，锚点1通过锚点连接梁2与拱形谐振梁连接，锚点作为施加热电流的连接点。
拱形谐振梁包括：第一谐振梁3、第二谐振梁4和耦合梁5；第一谐振梁3与第二谐振梁4关于轴向对称设置，第一谐振梁3与第二谐振梁4两端沿着拱形弯曲的切线方向与耦合梁5两端重合，且第一谐振梁3与第二谐振梁4通过耦合梁5对齐的两端相连接。
其中，锚点1可用于给拱形谐振器***施加一个热电流，热电流可用于调节第一谐振梁3和第二谐振梁4的拱形高度，进而调节模态耦合或工作区间。工作时，当拱形谐振梁受到轴向应力后，沿横向改变拱形结构高度，进而转为改变自身结构检测的应变-频率灵敏度。
图2示出本发明实施例提供的一种基于上述拱形谐振器的MEMS加速度计的结构示意图；该结构包括：第一谐振器、第二谐振器、弹簧质量***和两个杠杆***；弹簧质量***与左右两个杠杆***沿着弹簧质量***轴向中心线直接相连，且两个杠杆***关于垂直中心线镜像对称，第一谐振器与所述第二谐振器分别与左右两个杠杆***沿着弹簧质量***轴向中心线直接相连，且第一谐振器与第二谐振器关于垂直中心线镜像对称。
其中，第一谐振器和第二谐振器作为MEMS加速度计的轴向应变传感单元，且第一谐振器和第二谐振器的结构相同，均包括：锚点1，锚点连接梁2，第一谐振梁3、第二谐振梁4和耦合梁5；锚点1通过锚点连接梁2与拱形谐振梁连接；第一谐振梁3与第二谐振梁4两端沿着拱形弯曲的切线方向与耦合梁5两端重合，且第一谐振梁3与第二谐振梁4通过耦合梁5对齐的两端相连接。
杠杆***包括：输入梁8，力臂9，支点梁10和输出梁11；输入梁8与输出梁11沿着第一谐振器轴向方向分布于支点梁10的两侧，且输入梁8与输出梁11沿着垂直于第一谐振器轴向的方向分布于力臂9两侧；输出梁11和支点梁10的距离与支点梁10和输入梁8的距离之比构成杠杆***放大比。
弹簧质量***用于将敏感的加速度转换为位移变化并传递到杠杆***中，弹簧质量***包括：悬臂梁6和质量块7；悬臂梁6关于质量块7中心对称分布。弹簧质量***在加速度环境下通过杠杆***转换为谐振器的轴向力，轴向力使得第一谐振梁3和第二谐振梁4的拱形高度发生变化，进而影响结构的模态频率。
图3是MEMS拱形谐振器的工作原理图。在横向加速度作用下，谐振梁结构受到力偶矩作用发生横向位移，以该拱形谐振器受轴向加速度为例，此时拱形谐振器结构的预应力设计会使这个横向位移增大。
Sfreq-g＝Sfreq-b0*Sb0-g……(1)
式中，Sfreq-b0为拱形谐振器模态耦合图中频率—拱高坡度，Sb0-g为谐振器受轴向加速度对拱高的影响图中的加速度—拱高坡度，Sfreq-g为谐振器检测得加速度灵敏度。
图4是无阻尼或低阻尼情况下MEMS拱形谐振器的模态频率图。在热电流作用下，调节拱形谐振器结构的一阶同相模态和二阶同相模态的工作区间调节至图3中标记的黑色框线区域内。本例中拱形谐振器的结构的锚点连接梁宽度设计为10um，第一谐振梁3、第二谐振梁4的长度和宽度值分别设计值为800um和6um；连接梁最小半径设计值为6μm。
图5是无阻尼或低阻尼情况下MEMS拱形谐振器多阶模态的应变-频率关系图。当拱形梁结构的谐振器受到轴向应力后，沿横向改变拱形结构高度，拱形梁的设计大幅提升了谐振器的一阶模态对于应变-频率的灵敏度，且其二阶模态对轴向应变不敏感。
图6是无阻尼或低阻尼情况下MEMS拱形谐振器的灵敏度图，拱形梁的设计大幅提升了谐振器的一阶同相模态和二阶同相模态的频率差，通过频率差分扣除，提升应变-频率灵敏度。
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。

Claims (8)

1.一种面向谐振式MEMS传感器的拱形谐振器，其特征在于，包括：锚定***，以及与锚定***连接的拱形谐振梁；
通过所述锚定***给所述拱形谐振梁施加用于调节拱形高度的热电流，在热电流作用下，通过拱形谐振梁产生的热应变来调控所述拱形谐振梁的刚度，使得所述拱形谐振梁的刚度或结构在同相模态频率和反向模态频率之间实现交叉，进而调节模态耦合或工作区间。
2.如权利要求1所述的拱形谐振器，其特征在于，所述锚定***包括：锚点(1)和锚点连接梁(2)，所述锚点(1)通过所述锚点连接梁(2)与所述拱形谐振梁连接，所述锚点(1)作为施加热电流的连接点。
3.如权利要求1或2所述的拱形谐振器，其特征在于，所述拱形谐振梁包括：第一谐振梁(3)、第二谐振梁(4)和耦合梁(5)；
所述第一谐振梁(3)与所述第二谐振梁(4)关于轴向对称设置，所述第一谐振梁(3)与所述第二谐振梁(4)两端沿着拱形弯曲的切线方向与耦合梁(5)两端重合，且所述第一谐振梁(3)与所述第二谐振梁(4)通过所述耦合梁(5)对齐的两端相连接。
4.如权利要求1-3任一项所述的拱形谐振器，其特征在于，工作时，当拱形谐振梁受到轴向应力后，沿横向改变拱形结构高度，进而转为改变自身结构检测的应变-频率灵敏度。
5.一种基于权利要求1-4任一项所述的拱形谐振器的MEMS加速度计，其特征在于，包括：第一谐振器、第二谐振器、弹簧质量***和两个杠杆***；
所述弹簧质量***与左右两个杠杆***沿着弹簧质量***轴向中心线直接相连，且两个杠杆***关于垂直中心线镜像对称，所述第一谐振器与所述第二谐振器分别与左右两个杠杆***沿着弹簧质量***轴向中心线直接相连，且第一谐振器与第二谐振器关于垂直中心线镜像对称。
6.如权利要求5所述的MEMS加速度计，其特征在于，所述第一谐振器和所述第二谐振器作为MEMS加速度计的轴向应变传感单元，且所述第一谐振器和所述第二谐振器的结构相同，均包括：锚点(1)，锚点连接梁(2)，第一谐振梁(3)、第二谐振梁(4)和耦合梁(5)；
所述锚点(1)通过所述锚点连接梁(2)与所述拱形谐振梁连接；
所述第一谐振梁(3)与所述第二谐振梁(4)两端沿着拱形弯曲的切线方向与耦合梁(5)两端重合，且所述第一谐振梁(3)与所述第二谐振梁(4)通过所述耦合梁(5)对齐的两端相连接。
7.如权利要求5或6所述的MEMS加速度计，其特征在于，所述杠杆***包括：输入梁(8)，力臂(9)，支点梁(10)和输出梁(11)；
所述输入梁(8)与所述输出梁(11)沿着第一谐振器轴向方向分布于所述支点梁(10)的两侧，且所述输入梁(8)与所述输出梁(11)沿着垂直于第一谐振器轴向的方向分布于力臂(9)两侧；
所述输出梁(11)和所述支点梁(10)的距离与所述支点梁(10)和所述输入梁(8)的距离之比构成杠杆***放大比。
8.如权利要求5-7任一项所述的MEMS加速度计，其特征在于，所述弹簧质量***用于将敏感的加速度转换为位移变化并传递到杠杆***中，所述弹簧质量***包括：悬臂梁(6)和质量块(7)；所述悬臂梁(6)关于所述质量块(7)中心对称分布。
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