[发明专利]一种用于流速、加速度和角速度敏感的仿生毛发传感器

说明书

技术领域

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、加速度和角速度敏感的仿生毛发传感器。

背景技术

微机械惯性仪表包括机械陀螺仪(MMG)和微机械加速度计(MMA)。利用微电子加工工艺将微机械结构与所需的电子线路完全集成在一个硅片上，从而达到性能、价格、体积、重量、可靠性诸方面的高度统一。但要实现同时对加速度和角速率的测量，往往都需要采用陀螺仪和加速度计的组合，增加了系统的复杂度，不利于实现测量装置的小型化，同时也使总体成本上升，不利于检测设备的大规模应用。

毛发式传感器是一种新型的潜力巨大的微传感器，它是通过仿生学原理，仿照自然界中的毛发结构进行传感器设计，通过配合现有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。

近年来，国内外有多家研究机构开始了对毛发式传感器的研究。荷兰特温特大学的G.J.M.Krijnen教授初步研发了一种毛发式传感器，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为流速传感器，只能实现对流体速度的测量，功能单一，且结构较为复杂，实用性较差。

发明内容

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、加速度和角速度敏感的仿生毛发传感器，通过仿真毛发的结构，利用利用静电力的负刚度效应原理，实现测速。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用于流速、加速度和角速度敏感的仿生毛发传感器，包括玻璃衬底，其特征在于，包括底部信号引线、硅微传感器结构和聚合物毛发；所述底部信号引线布置在玻璃衬底上，连接硅微传感器结构的相应电极；硅微传感器结构通过锚点键合悬置于玻璃衬底上；所述聚合物毛发粘合在硅微传感器结构上表面；

所述硅微传感器结构制作在单晶硅片上，包括外部框架、两个中部框架和两个内部框架；外部框架两侧分别通过对称布置的扭力梁与锚点连接；两个中部框架对称嵌在外部框架内，每个中部框架内分别嵌入一个内部框架；所述中部框架和内部框架均通过U型弹性梁与锚点相连接，悬置于玻璃衬底上；

所述外部框架与中部框架之间布置有加速度、流速检测梳齿、驱动梳齿和驱动检测梳齿；所述内部框架内侧布置有角速度检测梳齿。

进一步的，加速度、流速检测梳齿由固定在外部框架上的梳齿组与固定在中部框架上的梳齿组对插组成。当毛发受到外界加速度或流体作用时，会带动外部框架绕着扭力梁偏转一定的角度，对于加速度、流速检测梳齿来说，固定在外部框架上的梳齿会跟随进行偏转，而固定在中部框架上的梳齿不会跟随偏转，这样他们构成的电容极板的重叠面积发生改变。外部框架上施加有静电电压，通过固定在外部框架上的梳齿对固定在中部框架上的梳齿产生负刚度效应，改变中部框架的固有频率，当梳齿之间的重叠面积发生改变时，中部框架的固有频率改变程度也发生变化。

进一步的，驱动梳齿由上下两部分梳齿对插组成，其中下梳齿固定在锚点上。驱动梳齿对中部框架的驱动方式为双边驱动，在每组驱动梳齿中的两侧固定梳齿上分别施加带有直流偏置的等幅反向的交流驱动电压，使中部框架在Y方向上做简谐运动。

进一步的，驱动检测梳齿由上下两部分梳齿对插组成，其中下梳齿固定在锚点上，上梳齿固定在中部框架上。驱动检测梳齿采用变面积式梳齿电容检测结构，由于中部框架的简谐运动会导致驱动检测梳齿的极板间的电容产生变化，通过对该变化进行检测，并通过与梳齿相连电极将其反馈给驱动电路，经过电路处理后反馈到驱动信号上，可以使中间框架保持以谐振频率运动。

进一步的，角速度检测梳齿由上下两部分梳齿对插组成，其中下梳齿固定在锚点上，上梳齿固定在内部框架上。角速度检测梳齿采用变间距式电容检测结构，来自Y方向上的运动不会对角速度检测梳齿极板间的电容产生影响。当中部框架被正确驱动且有来自于Z轴的角速度输入时，内部框架会产生X轴方向上的运动，从而改变角速度检测梳齿极板间的电容，通过检测该电容变化，便可得到输入角速度的大小。

进一步的，聚合物毛发由聚合物材料SU-8通过拉伸获得。SU-8是常见的聚合物材料，成本低廉，容易获取。

进一步的，在对对称的中部框架和内部框架进行驱动和检测时，为同频反相工作模式，检测机构实现差动检测。

有益效果：

(1)本发明用于流速、加速度和角速度敏感的仿生毛发传感器可对加速度、流速及角速度进行测量；