[发明专利]一种面向谐振式MEMS传感器的拱形谐振器及MEMS加速度计

说明书

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：锚定系统，以及与锚定系统连接的拱形谐振梁；通过锚定系统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。

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、谐振式磁传感器等系统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：锚定系统，以及与锚定系统连接的拱形谐振梁；通过锚定系统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，锚定系统包括：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、弹簧质量系统和两个杠杆系统；弹簧质量系统与左右两个杠杆系统沿着弹簧质量系统轴向中心线直接相连，且两个杠杆系统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系统沿着弹簧质量系统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。