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专利号: 2025112723476
申请人: 南京信息工程大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-07-29
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种耦合刚度扰动式MEMS模态局部化加速度计,其特征在于,所述加速度计采用双层结构;

所述双层结构包括信号转化层和信号输出层;

所述信号转化层采用硅微机械结构;所述信号输出层包括玻璃绝缘层(4)和金属信号引线;

所述硅微机械结构通过硅、玻璃键合技术固定在玻璃绝缘层(4)上表面,硅微机械结构的锚点与金属信号引线位置相对应,从而实现电信号的输入输出控制;

所述硅微机械结构包括敏感质量块(1)、双音叉谐振器(2)和方向弹性支撑结构(3),所述方向弹性支撑结构(3)包括第一方向弹性支撑结构(3‑1)、第二方向弹性支撑结构(3‑2)、第三方向弹性支撑结构(3‑3)和第四方向弹性支撑结构(3‑4);

所述硅微机械结构用于将外界加速度信号通过敏感质量块(1)惯性微位移变化转换为弱耦合谐振系统的静电耦合刚度变化,最终输出为能够直接测量的电信号;

所述双音叉谐振器(2)作为加速度计的核心敏感单元,采用并行排列的方式布置,所述双音叉谐振器(2)包括外音叉谐振器(2‑1)和内音叉谐振器(2‑2);

所述双音叉谐振器(2)布置在敏感质量块(1)中心位置,所述外音叉谐振器(2‑1)和内音叉谐振器(2‑2)的谐振梁关于敏感质量块(1)中心对称,构成差分结构;

所述外音叉谐振器(2‑1)直接连接至敏感质量块(1);所述内音叉谐振器(2‑2)通过基底锚点实现全约束固定; 所述外音叉谐振器(2‑1)和内音叉谐振器(2‑2)具有等效支撑刚度参数差异,构成失调弱耦合谐振系统;

所述外音叉谐振器(2‑1)与内音叉谐振器(2‑2)之间通过静电耦合平行板连接,形成双音叉静电弱耦合谐振结构,以实现谐振单元间的能量传递;

所述加速度计受到外界加速度作用时,敏感质量块(1)产生的惯性微位移引起所述静电耦合平行板的间距变化,进而导致所述弱耦合谐振系统的耦合刚度变化;

所述加速度计通过检测所述弱耦合谐振系统中外音叉谐振器(2‑1)和内音叉谐振器(2‑2)的振幅比,实现对于耦合刚度扰动的检测,最终实现对外界加速度的高灵敏度检测;

所述双音叉谐振器(2)用于将微位移信号转换为能够通过配套电路测量的电容信号;

所述外音叉谐振器(2‑1)包括外音叉谐振梁(2‑1‑1)、第一静电耦合平行板(2‑1‑8)、第二静电耦合平行板(2‑1‑9),第一驱动电容梳齿(2‑1‑2)、第二驱动电容梳齿(2‑1‑3)、第三驱动电容梳齿(2‑1‑4)、第四驱动电容梳齿(2‑1‑5)、第一检测电容梳齿(2‑1‑6)、第二检测电容梳齿(2‑1‑7);

所述内音叉谐振器(2‑2)包括内音叉谐振梁(2‑2‑1)、第三静电耦合平行板(2‑2‑7)、第四静电耦合平行板(2‑2‑6),第五驱动电容梳齿(2‑2‑2)、第六驱动电容梳齿(2‑2‑3),第三检测电容梳齿(2‑2‑4)和第四检测电容梳齿(2‑2‑5);

所述内音叉谐振器(2‑2)的支撑刚度为k1,所述外音叉谐振器(2‑1)的支撑刚度为k2,k1>k2;

所述双音叉谐振器(2)的外音叉谐振梁(2‑1‑1)内侧连接有第一静电耦合平行板(2‑1‑

8)和第二静电耦合平行板(2‑1‑9);

所述内音叉谐振梁(2‑2‑1)外侧连接有第三静电耦合平行板(2‑2‑7)、第四静电耦合平行板(2‑2‑6);

所述第一静电耦合平行板(2‑1‑8)、第三静电耦合平行板(2‑2‑7)以初始间距 对置布置形成第一静电耦合平行板组;

所述第二静电耦合平行板(2‑1‑9)、第四静电耦合平行板(2‑2‑6)以初始间距 对置布置形成第二静电耦合平行板组;

所述第一静电耦合平行板组和第二静电耦合平行板组的布置方向均为水平方向;所述第一静电耦合平行板组和第二静电耦合平行板组对称分布,敏感质量块(1)通过微位移驱动外音叉谐振器(2‑1)运动,差分改变间距d,实现共模误差抑制并且通过静电负刚度效应改变耦合刚度 。

2.根据权利要求1所述的一种耦合刚度扰动式MEMS模态局部化加速度计,其特征在于,所述第一方向弹性支撑结构(3‑1)、第二方向弹性支撑结构(3‑2)、第三方向弹性支撑结构(3‑3)和第四方向弹性支撑结构(3‑4)分别布置在敏感质量块(1)的右上、右下、左下、左上四个位置,分别通过第一方向弹性梁(3‑1‑2)、第二方向弹性梁(3‑2‑2)、第三方向弹性梁(3‑3‑2)、第四方向弹性梁(3‑4‑2)与敏感质量块(1)相连接。

3.根据权利要求2所述的一种耦合刚度扰动式MEMS模态局部化加速度计,其特征在于,所述耦合刚度 与加速度之间的关系表示为:,

其中, 表示加速度引起的第一静电耦合平行板(2‑1‑8)、第二静电耦合平行板(2‑

1‑9)的微位移; 为第一、三静电耦合平行板和第二、四静电耦合平行板的重叠面积, 为施加在第一、三静电耦合平行板和第二、四静电耦合平行板之间的偏置电压之差;为介电常数。

4.根据权利要求3所述的一种耦合刚度扰动式MEMS模态局部化加速度计,其特征在于,所述双音叉谐振器(2)的外音叉谐振梁(2‑1‑1)外侧连接有内梳齿支撑悬臂(2‑1‑10)、外梳齿支撑悬臂(2‑1‑11);所述内音叉谐振梁(2‑2‑1)内侧连接有梳齿支撑悬臂(2‑2‑8);

所述内梳齿支撑悬臂(2‑1‑10)两侧布置驱动电容梳齿;所述外梳齿支撑悬臂(2‑1‑11)外侧布置检测电容梳齿;

所述梳齿支撑悬臂(2‑2‑8)两侧分别布置驱动电容梳齿和检测电容梳齿;

所述第一驱动电容梳齿(2‑1‑2)、第二驱动电容梳齿(2‑1‑3)、第三驱动电容梳齿(2‑1‑

4)和第四驱动电容梳齿(2‑1‑5)与内梳齿支撑悬臂(2‑1‑10)两侧布置驱动电容梳齿交错对插构成第一驱动梳齿组;

所述第一检测电容梳齿(2‑1‑6)、第二检测电容梳齿(2‑1‑7)与外梳齿支撑悬臂(2‑1‑

11)外侧布置的检测电容梳齿交错对插构成第一检测梳齿组;

所述第五驱动电容梳齿(2‑2‑2)、第六驱动电容梳齿(2‑2‑3)与梳齿支撑悬臂(2‑2‑8)上远离内音叉谐振梁(2‑2‑1)一侧布置的驱动电容梳齿交错对插构成第二驱动梳齿组;所述第三检测电容梳齿(2‑2‑4)和第四检测电容梳齿(2‑2‑5)与梳齿支撑悬臂(2‑2‑8)上靠近内音叉谐振梁(2‑2‑1)一侧布置的检测电容梳齿交错对插构成第二检测梳齿组。

5.根据权利要求4所述的一种耦合刚度扰动式MEMS模态局部化加速度计,其特征在于,所述第一方向弹性支撑结构(3‑1)、第二方向弹性支撑结构(3‑2)、第三方向弹性支撑结构(3‑3)和第四方向弹性支撑结构(3‑4)具有相同结构;

所述第一方向弹性支撑结构(3‑1)由第一支撑锚点(3‑1‑1)和第一方向弹性梁(3‑1‑2)组成,用于保证加速度计良好的性能和稳定性;

所述第一方向弹性梁(3‑1‑2)的一端与第一支撑锚点(3‑1‑1)相连接,另一端与敏感质量块(1)相连接。

6.根据权利要求5所述的一种耦合刚度扰动式MEMS模态局部化加速度计,其特征在于,所述信号输出层还包含:第一电极(5‑1‑1)、第二电极(5‑1‑2)、第三电极(5‑1‑3)、第四电极(5‑1‑4)、第一驱动信号引出电极(5‑3‑1)、第二驱动信号引出电极(5‑3‑2)、第三驱动信号引出电极(5‑3‑3)和第四驱动信号引出电极(5‑3‑4);

其中第一电极(5‑1‑1)、第二电极(5‑1‑2)、第三电极(5‑1‑3)、第四电极(5‑1‑4)分别与第一驱动电容梳齿(2‑1‑2)、第二驱动电容梳齿(2‑1‑3)、第三驱动电容梳齿(2‑1‑4)、第四驱动电容梳齿(2‑1‑5)键合,并通过引线分别与第一驱动信号引出电极(5‑3‑1)、第二驱动信号引出电极(5‑3‑2)、第三驱动信号引出电极(5‑3‑3)、第四驱动信号引出电极(5‑3‑4)相连接。

7.根据权利要求6所述的一种耦合刚度扰动式MEMS模态局部化加速度计,其特征在于,所述信号输出层还包含:第五电极(5‑1‑5)、第六电极(5‑1‑6)、第一检测信号引出电极(5‑

3‑5)和第二检测信号引出电极(5‑3‑6);其中第五电极(5‑1‑5)、第六电极(5‑1‑6)、分别与第一检测电容梳齿(2‑1‑6)、第二检测电容梳齿(2‑1‑7)键合,并通过引线分别与第一检测信号引出电极(5‑3‑5)、第二检测信号引出电极(5‑3‑6)相连接。

8.根据权利要求7所述的一种耦合刚度扰动式MEMS模态局部化加速度计,其特征在于,所述信号输出层还包含:第七电极(5‑2‑1)、第八电极(5‑2‑2)、第五驱动信号引出电极(5‑

4‑1)和第六驱动信号引出电极(5‑4‑2);其中第七电极(5‑2‑1)、第八电极(5‑2‑2)分别与第五驱动电容梳齿(2‑2‑2)、第六驱动电容梳齿(2‑2‑3)键合,并通过引线分别与第五驱动信号引出电极(5‑4‑1)、第六驱动信号引出电极(5‑4‑2)相连接。

9.根据权利要求8所述的一种耦合刚度扰动式MEMS模态局部化加速度计,其特征在于,所述信号输出层还包含:第九电极(5‑2‑3)、第十电极(5‑2‑4)、第十一电极(5‑5‑1)、第十二电极(5‑5‑2)、第十三电极(5‑5‑3)、第三检测信号引出电极(5‑4‑3)、第四检测信号引出电极(5‑4‑4)、第一静电公共引出电极(5‑6‑1)和公共端引出电极(5‑6‑2);其中第九电极(5‑

2‑3)、第十电极(5‑2‑4)分别与第三检测电容梳齿(2‑2‑4)和第四检测电容梳齿(2‑2‑5)键合,并通过引线与第三检测信号引出电极(5‑4‑3)、第四检测信号引出电极(5‑4‑4)相连接;

第十一电极(5‑5‑1)、第十二电极(5‑5‑2)与内音叉谐振梁(2‑2‑1)键合,并通过引线与第一静电公共引出电极(5‑6‑1)相连接;

第十三电极(5‑5‑3)与外音叉谐振梁(2‑1‑1)键合,并通过引线与公共端引出电极(5‑

6‑2)相连接。