[发明专利]可调灵敏度的弱耦合谐振式微加速度计

说明书

一种可调灵敏度的弱耦合谐振式微加速度计，包括：第一质量块结构、第二质量块结构和谐振结构，谐振结构分别与第一质量块结构和第二质量块结构相连；所述的谐振结构包括：电压相同的第一敏感谐振器、第二敏感谐振器和耦合谐振器，以及灵敏度调节谐振器。第一质量块结构包括：第一质量块、第一固定锚点和第一弹性梁；第二质量块结构包括：第二质量块、第二固定锚点和第二弹性梁。本发明通过三自由度的弱耦合结构设计和测量振幅比的模态局部化原理大大提高了加速度计的极限灵敏度，并在基础上额外附加了一个谐振器，通过调节该谐振器和另外两个谐振器间的静电耦合负刚度来调节加速度计的灵敏度，将量程扩大了50倍以上，使得本发明能适用于加速度变化范围很大的工作场景。

技术领域

本发明涉及的是一种微机电系统(MEMS)领域的技术，具体是一种可调灵敏度的弱耦合谐振式微加速度计。

背景技术

近年来，国外期刊和国内专利中均报道了一种新型的MEMS谐振式加速度计，它基于曾于1977年获得诺贝尔物理学奖的模态局部化机理，通过测量两个弱耦合的谐振器的振幅比作为输出。采用该敏感机理的谐振式加速度计，其灵敏度相较于传统的频率输出的谐振式加速度计提高了两个数量级以上。但基于模态局部化机理的弱耦合谐振式加速度计离真正应用还存在着许多问题，其中最突出的一条在于其量程范围有限。在测量较大的加速度时，两个谐振器的振幅差距很大，计算振幅比时会出现大数除小数的情况，导致加速度计输出的误差急剧增大。而在惯性导航系统中，加速度变化的范围往往很大，这导致了该敏感机理的加速度计无法同时兼顾高灵敏度和大的量程范围，大大限制了其投向实际应用。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种弱耦合谐振式微加速度计，首先通过三自由度的弱耦合结构设计和测量振幅比的模态局部化原理大大提高了加速度计的极限灵敏度；其次在三自由度弱耦合谐振器的基础上额外附加了一个谐振器，通过调节该谐振器和另外两个谐振器间的静电耦合负刚度来调节加速度计的灵敏度，从而将加速度计的量程扩大了50倍以上，使得本发明能适用于加速度变化范围很大的工作场景。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：第一质量块结构、第二质量块结构和谐振结构，其中：谐振结构分别与第一质量块结构和第二质量块结构相连。

所述的第一质量块结构包括：第一质量块、第一固定锚点和第一弹性梁，其中：第一质量块通过第一弹性梁与第一固定锚点相连。

所述的第二质量块结构包括：第二质量块、第二固定锚点和第二弹性梁，其中：第二质量块通过第二弹性梁与第二固定锚点相连。

所述的谐振结构包括：电压相同的第一敏感谐振器、第二敏感谐振器和耦合谐振器，以及灵敏度调节谐振器，其中：第一敏感谐振器和第二敏感谐振器各自通过第一耦合梁和第二耦合梁与耦合谐振器相连，第一敏感谐振器和第二敏感谐振器对称设置于耦合谐振器两侧，灵敏度调节谐振器设置于第一和第二敏感谐振器之间并设置于耦合谐振器下。

所述的第一敏感谐振器与第一质量块结构之间为通过电势差静电耦合形成的第一负刚度弹簧。

所述的第二敏感谐振器与第二质量块结构之间为通过电势差静电耦合形成的第二负刚度弹簧。

所述的第一敏感谐振器与灵敏度调节谐振器之间为通过电势差静电耦合形成的第三负刚度弹簧。

所述的第二敏感谐振器与灵敏度调节谐振器之间为通过电势差静电耦合形成的第四负刚度弹簧。

技术效果

与现有技术相比，本发明通过三自由度的弱耦合结构设计和测量振幅比的模态局部化原理大大提高了加速度计的极限灵敏度；其次，本发明在三自由度弱耦合谐振器的基础上额外附加了一个谐振器，通过调节该谐振器和另外两个谐振器间的静电耦合负刚度来调节灵敏度，使加速度计的量程扩大了50倍以上，使得本发明能适用于加速度变化范围很大的工作场景。

附图说明