一种基于谐振器振幅比检测的双轴流体敏感装置
技术领域
本实用新型属于微电子机械系统和微流体测量技术领域，具体涉及一种可用于双轴平面内流体敏感的基于谐振器振幅比检测的双轴流体敏感装置。
背景技术
微机械系统(MEMS)是利用传统的半导体工艺和材料，集微传感器、微执行器、微机械机构、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统，具有小体积、低成本、集成化等特点。MEMS传感器在智能手机、AR/VR、可穿戴等消费电子，智能驾驶、智能工厂、智慧物流、智能家居、环境监测、智慧医疗等物联网领域均有着广泛应用。
毛发流速传感器的作用是用来检测外界微流体的流速，其可以通过识别周围流场变化进行环境识别，如识别环境中障碍物、运动体等，来进行无视力条件下导航、运动引导和避障等，是一种应用潜力巨大的新型MEMS传感器。
近年来，国内外的研究机构开始对微机械毛发流速传感器进行了一定的研究。南洋理工大学和新加坡-MIT联合研究中心研究的Mohsen Asadnia等人开发了一种基于微机械的压电薄膜PZT的毛发流速传感器结构，可以实现对外界输入流速的敏感。但是，目前大部分机构研发的毛发流速传感器的相对灵敏度较低，实用性较差。
实用新型内容
实用新型目的：为了克服现有技术的不足，本实用新型提供一种具有相对灵敏度高、交叉轴耦合系数小等优点的基于谐振器振幅比检测的双轴流体敏感装置。
技术方案：本实用新型提供一种基于谐振器振幅比检测的双轴流体敏感装置，所述装置为三层立体结构，上层为平面外立体毛发，中层为硅微传感器结构，下层为玻璃衬底，所述中层硅微传感器的结构由一个质量块基座、四个相同的弱耦合谐振器组和四个相同的平面外运动抑制弹性结构组成；其中四个相同的弱耦合谐振器组对称分布在质量块基座的上、下、左、右四个方向；弱耦合谐振器组通过二级力放大杠杆的输入直梁与质量块基座相连；四个相同的平面外运动抑制弹性结构对称分布在质量块基座的左上、右上、右下、左下四个方向，平面外运动抑制弹性结构通过平面外运动抑制弹性U形梁与质量块基座相连。
进一步的，所述弱耦合谐振器组，其中第一弱耦合谐振器组位于质量块基座的左侧，第二弱耦合谐振器组位于质量块基座的上侧，第三弱耦合谐振器组位于质量块基座的右侧，第四弱耦合谐振器组位于质量块基座的下侧。
进一步的，所述平面外运动抑制弹性结构，其第一平面外运动抑制弹性结构位于质量块基座的左上侧，第二平面外运动抑制弹性结构位于质量块基座的右上侧，第三平面外运动抑制弹性结构位于质量块基座的右下侧，第四平面外运动抑制弹性结构位于质量块基座的左下侧。
进一步的，所述弱耦合谐振器组由一个耦合交叉梁，两个相同的二级力放大杠杆，两个相同的谐振器及其驱动检测结构组成；耦合交叉梁通过第一弹性直梁和第一锚点相连，通过第二弹性直梁与第二锚点相连；
两个相同的谐振器及其驱动检测结构对称分布在耦合交叉梁两端，其中第一谐振器通过第一弹性U形梁与耦合交叉梁相连，通过第二弹性U形梁与第三锚点相连，通过第一支撑直梁与第四锚点相连；第二谐振器通过第三弹性U形梁与耦合交叉梁相连，通过第四弹性U形梁与第五锚点相连，通过第二支撑直梁与第六锚点相连；
两个相同的二级力放大杠杆对称分布在耦合交叉梁两端，其中第一二级力放大杠杆通过第一输出直梁与第一谐振器相连，通过第一输入直梁与质量块基座相连；第二二级力放大杠杆通过第二输出直梁与第二谐振器相连，通过第二输入直梁与质量块基座相连。
进一步的，所述谐振器及其驱动检测结构由一个包含梳齿的谐振质量块、四个驱动梳齿架和两个检测梳齿架组成；其中四个驱动梳齿架对称分布在谐振质量块的梳齿的外侧，两个检测梳齿架对称分布在谐振质量块的梳齿的内侧；驱动梳齿架和检测梳齿架均固定在玻璃衬底上，分别与谐振质量块的梳齿对插形成驱动梳齿组和检测梳齿组。
进一步的，所述平面外运动抑制弹性结构由一个锚点和两个平面外运动抑制弹性U 形梁组成。
进一步的，所述玻璃衬底由电极、玻璃-硅键合锚点和金属引线组成；其中电极包括公共电极、载波输入电极、驱动电极、检测电极，分别通过金属引线与陀螺仪外层切割层保护结构、质量块基座、驱动梳齿架、检测梳齿架的引出电极相连接。
进一步的，所述的所述平面外立体毛发为金属合金材料，粘合在中层硅微传感器的几何中心。立体毛发布置在中层硅微传感器的几何中心使得传感器整体结构呈对称分布，有利于差分检测的实现，并且使得X轴、Y轴的机械灵敏度特性基本一致，从而简化测控电路的参数设计。
进一步的，所述硅微传感器通过锚点键合在下层玻璃衬底上。所述下层玻璃衬底为硼基玻璃材料，玻璃衬底上布置有金属电极引线。
工作原理：在弱耦合谐振器组的驱动梳齿架所连接的输入电极上施加带有直流偏置的交流驱动电压，谐振质量块将在垂直于支撑直梁的方向做简谐振动；通过检测梳齿架所连接的输出电极测量谐振质量块当前的振动频率和幅值信号，并反馈给控制系统，实现弱耦合谐振器组的固有频率的闭环锁定；
当传感器置于平面内水平轴或垂直轴流场中时，立体毛发会受到来自于流场的水平轴或垂直轴的拖曳力，从而带动质量块基座沿水平轴或垂直轴方向运动；质量块基座的偏转力矩作用于垂直轴或水平轴布置的二级力放大杠杆的输入端，拖曳力经过二级力放大杠杆的放大后，作用于谐振器的支撑直梁之上；当谐振器的支撑直梁受到轴向外力作用时，其刚度发生变化，且第一支撑直梁和第二支撑直梁的刚度变化趋势相反；外界流速越大时，谐振器支撑直梁刚度的相应变化越大；
当传感器置于平面内水平轴或垂直轴流场中时，谐振器的支撑梁刚度发生改变，并且第一支撑直梁和第二支撑直梁的刚度变化趋势相反；在弱耦合谐振器组的驱动梳齿架所连接的输入电极上施加频率为弱耦合谐振器组的固有频率的交流驱动电压时，由于弱耦合谐振器的模态局部化效应，会导致第一谐振器和第二谐振器的振幅比发生变化，通过测量第一谐振器和第二谐振器的检测梳齿架的电容幅值信号，实现对第一谐振器和第二谐振器的振幅比的测量，从而实现对外界流速的敏感。
所述第一、第二弱耦合谐振器组的驱动电压的施加方式为谐振器同相运动方式，第三、第四弱耦合谐振器组的驱动电压的施加方式为谐振器反相运动方式。
所述传感器的水平轴输出信号为第一弱耦合谐振器组、第三弱耦合谐振器组的振幅比之和，垂直轴输出信号为第二、第四弱耦合谐振器组的振幅比之和。这样的信号输出方式从理论上避免了灵敏度非线性区的出现。
有益效果：本实用新型的一种，相比现有技术，具有以下有益效果：
(1)本实用新型通过将弱耦合谐振器组和平面外运动抑制弹性结构组呈对称结构布置，可实现平面内流速的双轴敏感；
(2)本实用新型采用了二级力放大杠杆，对外界流速引入的拖曳力进行有效放大，提升传感器工作性能；
(3)本实用新型基于弱耦合谐振器的模态局部化效应，采用谐振器的振幅比来作为输出信号，极大地提高了信号检测的相对灵敏度；
(5)同轴的两组弱耦合谐振器分别工作在同相运动模态和反相运动模态，输出信号为两组弱耦合谐振器的振幅比之和，从理论上避免了灵敏度非线性区的出现。
(6)本实用新型通过将立体毛发布置在中层硅微传感器的几何中心，使得传感器整体结构呈对称分布，有利于差分检测的实现，并且使得X轴、Y轴的机械灵敏度特性基本一致，从而简化测控电路的参数设计
附图说明
图1为本实用新型的整体机械结构示意图；
图2为本实用新型的弱耦合谐振器组示意图；
图3为本实用新型的平面外运动抑制弹性结构示意图；
图4为本实用新型的玻璃衬底信号引线示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的技术方案作进一步说明。
如图1所示，本实用新型提出的基于弱耦合谐振器的模态局部化效应的微机械毛发流速传感器为三层立体结构，上层为平面外立体毛发1，中层为硅微传感器结构，下层为玻璃衬底。所述平面外立体毛发1为金属合金材料，粘合在中层硅微传感器的几何中心；所述硅微传感器通过锚点键合在下层玻璃衬底上；所述下层玻璃衬底为硼基玻璃材料，玻璃衬底上布置有金属电极引线。
所述中层硅微传感器的结构由一个质量块基座2，四个相同的弱耦合谐振器组和四个相同的平面外运动抑制弹性结构组成；四个相同的弱耦合谐振器组对称分布在质量块基座的上、下、左、右四个方向，用于敏感外界流速的变化。弱耦合谐振器组通过二级力放大杠杆的输入直梁与质量块基座相连，其中第一弱耦合谐振器组4-1位于质量块基座2的左侧，第二弱耦合谐振器组4-2位于质量块基座2的上侧，第三弱耦合谐振器组 4-3位于质量块基座2的右侧，第四弱耦合谐振器组4-4位于质量块基座2的下侧。四个完全相同的平面外运动抑制弹性结构对称分布在质量块基座2的左上、右上、右下、左下四个方向，用于抑制质量块基座2在平面外的运动。平面外运动抑制弹性结构通过平面外运动抑制弹性U形梁与质量块基座2相连，其中第一平面外运动抑制弹性结构 3-1位于质量块基座2的左上侧，第二平面外运动抑制弹性结构3-2位于质量块基座2 的右上侧，第三平面外运动抑制弹性结构3-3位于质量块基座2的右下侧，第四平面外运动抑制弹性结构3-4位于质量块基座2的左下侧。
本实用新型中的第一弱耦合谐振器组4-1、第二弱耦合谐振器组4-2、第三弱耦合谐振器组4-3、第四弱耦合谐振器组4-4结构完全相同且相邻间隔为90度。如图2所示，具体以第一弱耦合谐振器组4-1为例，第一弱耦合谐振器组4-1由一个耦合交叉梁4013，两个完全相同的二级力放大杠杆401a、二级力放大杠杆401b，两个完全相同的谐振器 409a、409b及其驱动检测结构组成。耦合交叉梁4013通过第一弹性直梁403a和第一锚点404a相连，通过第二弹性直梁403b与第二锚点404b相连。两个完全相同的谐振器409a、409b及其驱动检测结构对称分布在耦合交叉梁4013两端，用于敏感外界流速引入的拖曳力，其中第一谐振器409a通过第一弹性U形梁402a与耦合交叉梁4013相连，通过第二弹性U形梁402c与第三锚点4010a相连，通过第一支撑直梁406a与第四锚点405a相连；第二谐振器409b通过第三弹性U形梁402b与耦合交叉梁4013相连，通过第四弹性U形梁402d与第五锚点4010b相连，通过第二支撑直梁406b与第六锚点 405b相连。两个完全相同的二级力放大杠杆401a、二级力放大杠杆401b对称分布在耦合交叉梁4013两端，用于放大外界流速引入的拖曳力，其中第一二级力放大杠杆401a 通过第一输出直梁4011a与第一谐振器409a相连，通过第一输入直梁4012a与质量块基座2相连；第二二级力放大杠杆401b通过第二输出直梁4011b与第二谐振器409b相连，通过第二输入直梁4012b与质量块基座2相连。
本实用新型中的第一谐振器409a其驱动检测结构和第二谐振器409b其驱动检测结构完全相同。具体以第一谐振器409a及其驱动检测结构为例，第一谐振器409a其驱动检测结构由一个包含梳齿的谐振质量块409a、四个驱动梳齿架407a、四个驱动梳齿架 407b、四个驱动梳齿架407c、四个驱动梳齿架407d和两个检测梳齿架408a、408b组成。四个驱动梳齿架407a、四个驱动梳齿架407b、四个驱动梳齿架407c、四个驱动梳齿架 407d对称分布在谐振质量块409a的梳齿的外侧，两个检测梳齿架408a、检测梳齿架408b 对称分布在谐振质量块409a的梳齿的内侧。驱动梳齿架407a、四个驱动梳齿架407b、四个驱动梳齿架407c、四个驱动梳齿架407d和检测梳齿架408a、检测梳齿架408b均固定在玻璃衬底上，分别与谐振质量块409a的梳齿对插形成驱动梳齿组和检测梳齿组。驱动梳齿组用于提供驱动谐振质量块的交流驱动力，检测梳齿组用于检测谐振质量块的振动位移。
本实用新型中的第一平面外运动抑制弹性结构3-1、第二平面外运动抑制弹性结构3-2、第三平面外运动抑制弹性结构3-3、第四平面外运动抑制弹性结构3-4结构完全相同且相邻间隔为90度。如图3所示，具体以第一平面外运动抑制弹性结构3-1为例，第一平面外运动抑制弹性结构3-1由一个锚点301和两个平面外运动抑制弹性U形梁 302a、平面外运动抑制弹性U形梁302b组成。
本实用新型中的玻璃衬底上的电极分布及信号引线如图4所示。电极507a、电极508a、电极5011a、电极5012a、电极507b、电极508b、电极5011b、电极5012b分别与第一弱耦合谐振器组4-1中驱动梳齿架407a、驱动梳齿架407b、驱动梳齿架407c、驱动梳齿架407d、驱动梳齿架407e、驱动梳齿架407f、驱动梳齿架407g、驱动梳齿架 407h键合，且通过信号引线与引出电极502a、电极501a、电极502b、电极501b相连接；电极509a、电极5010a、电极509b、电极5010b分别与第一弱耦合谐振器组401 中检测梳齿架408a、检测梳齿架408b、检测梳齿架408c、检测梳齿架408d键合，且通过信号引线与引出电极503a、电极504a、电极503b、电极504b相连接；电极507c、电极508c、电极5011c、电极5012c、电极507d、电极508d、电极5011d、电极5012d 分别与第二弱耦合谐振器组4-2中驱动梳齿架407a、驱动梳齿架407b、驱动梳齿架407c、驱动梳齿架407d、驱动梳齿架407e、驱动梳齿架407f、驱动梳齿架407g、驱动梳齿架407h键合，且通过信号引线与引出电极502c、电极501c、电极502d、电极501d相连接；电极509c、电极5010c、电极509d、电极5010d分别与第二弱耦合谐振器组4-2中检测梳齿架408a、检测梳齿架408b、检测梳齿架408c、检测梳齿架408d键合，且通过信号引线与引出电极503c、电极504c、电极503d、电极504d相连接；电极507e、电极508e、电极5011e、电极5012e、电极507f、电极508f、电极5011f、电极5012f分别与第三弱耦合谐振器组4-3中驱动梳齿架407a、驱动梳齿架407b、驱动梳齿架407c、驱动梳齿架407d、驱动梳齿架407e、驱动梳齿架407f、驱动梳齿架407g、驱动梳齿架 407h键合，且通过信号引线与引出电极502e、电极501e、电极502f、电极501f相连接；电极509e、电极5010e、电极509f、电极5010f分别与第三弱耦合谐振器组4-3中检测梳齿架408a、检测梳齿架408b、检测梳齿架408c、检测梳齿架408d键合，且通过信号引线与引出电极503e、电极504e、电极503f、电极504f相连接；电极507g、电极508g、电极5011g、电极5012g、电极507h、电极508h、电极5011h、电极5012h分别与第四弱耦合谐振器组4-4中驱动梳齿架407a、驱动梳齿架407b、驱动梳齿架407c、驱动梳齿架407d、驱动梳齿架407e、驱动梳齿架407f、驱动梳齿架407g、驱动梳齿架407h 键合，且通过信号引线与引出电极502g、电极501g、电极502h、电极501h相连接；电极509g、电极5010g、电极509h、电极5010h分别与第四弱耦合谐振器组4-4中检测梳齿架408a、检测梳齿架408b、检测梳齿架408c、检测梳齿架408d键合，且通过信号引线与引出电极503g、电极504g、电极503h、电极504h相连接。
本实用新型中的传感器置于平面内水平轴或垂直轴流场中时，立体毛发会受到来自于流场的水平轴或垂直轴的拖曳力，从而带动质量块基座沿水平轴或垂直轴方向运动。质量块基座的偏转力矩作用于垂直轴或水平轴布置的二级力放大杠杆的输入端，拖曳力经过二级力放大杠杆的放大后，作用于谐振器的支撑直梁之上。当谐振器的支撑直梁受到轴向外力作用时，其刚度发生变化，且第一支撑直梁和第二支撑直梁的刚度变化趋势相反。外界流速越大时，谐振器支撑直梁刚度的相应变化越大。在弱耦合谐振器组的驱动梳齿架所连接的输入电极上施加频率为弱耦合谐振器组的固有频率的交流驱动电压时，由于弱耦合谐振器的模态局部化效应，会导致第一谐振器和第二谐振器的振幅比发生变化，通过测量第一谐振器和第二谐振器的检测梳齿架的电容幅值信号，即可实现对第一谐振器和第二谐振器的振幅比的测量，从而实现对外界流速的敏感。
根据振动力学分析可知，弱耦合谐振器组的动力学方程为：
其中，m1和m2为谐振质量块的质量，c1和c2为谐振质量块受到的阻尼系数，k1和 k2为谐振器的支撑刚度，kc为第一谐振器和第二谐振器之间的耦合刚度，Δk1和Δk2分别为第一谐振器和第二谐振器的支撑刚度的变化，F1和F2为谐振器所受到的外界驱动力。上式即为本实用新型中的基于弱耦合谐振器组中两个谐振质量块的受迫振动方程。
求解上述方程，并以同轴的两组弱耦合谐振器的振幅比之和作为输出信号，可得水平轴(或垂直轴)的总振幅比为：
式中，ηin为同相模态的振幅比，ηanti为反相模态的振幅比。由上述推导可知，基于弱耦合谐振器的模态局部化效应的微机械毛发流速传感器置于平面内水平轴(或垂直轴)流场中时，通过对检测电容极板组的电容大小的检测，我们可以计算得到弱耦合谐振器组的振幅比大小，倒推出外界流体流速的大小，从而实现对外部输入平面内流速的敏感。
以上结合附图对本实用新型的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本实用新型的范围，本实用新型的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本实用新型权利要求基础上的改动都是本实用新型的保护范围。
