本發(fā)明涉及傳感器，尤其是涉及一種多物理量并行測量的諧振式傳感器和測量方法。

背景技術(shù)：

1、微機電系統(tǒng)(mems)諧振式傳感器是一種將微機電加工技術(shù)和機械諧振式傳感技術(shù)有機結(jié)合而制成的傳感器。這類傳感器通過測量物體的振動頻率和振動狀態(tài)來檢測被測量物理量的變化，具有高精度、高靈敏度、快速響應(yīng)和穩(wěn)定性好等優(yōu)點。

2、在微機電系統(tǒng)(mems)諧振式傳感器的應(yīng)用中，對一個物理參數(shù)的感測往往受其他物理量的影響，存在著物理參數(shù)交叉耦合的問題，導(dǎo)致交叉耦合讀數(shù)。目前這個問題可以通過環(huán)境控制和輸出補償來解決，然而這兩種技術(shù)需要額外的傳感器、參考諧振器與接口電路，并且有可能會降低傳感器的分辨率，增加系統(tǒng)功耗。另外，諧振器性能提升在一定程度上受到現(xiàn)有優(yōu)化方法的限制，如器件結(jié)構(gòu)設(shè)計和接口電路優(yōu)化。

3、綜上所述，如何設(shè)計一種能夠同時測量多個物理量且能夠避免交叉耦合讀數(shù)的傳感器為需要解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的無法同時精確測量多個物理量的缺陷而提供一種多物理量并行測量的諧振式傳感器和測量方法。

2、本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

3、根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種多物理量并行測量的諧振式傳感器，所述諧振式傳感器包括襯底層和器件層；所述器件層由內(nèi)至外依次包括圓形的內(nèi)部質(zhì)量塊以及相互連接且同心的主振動環(huán)、嵌套多層環(huán)和外部錨定環(huán)，所述內(nèi)部質(zhì)量塊固定在襯底層中心，與主振動環(huán)之間的距離為3～5微米；所述諧振式傳感器工作時，向諧振式傳感器施加包含多個模態(tài)諧振頻率之和的激勵信號，測量不同模態(tài)下諧振式傳感器的初始諧振頻率和感測到待測物理量后的諧振頻率，對諧振頻率進(jìn)行分析得到待測物理量的值。

4、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的嵌套多層環(huán)包括多個通過輻條連接且同心的嵌套環(huán)。

5、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的嵌套環(huán)與主振動環(huán)直徑和寬度不同，剛度和頻率不同。

6、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的器件層還包括支撐環(huán)，安裝在嵌套多層環(huán)和外部錨定環(huán)之間并通過輻條與嵌套多層環(huán)和外部錨定環(huán)連接。

7、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的內(nèi)部質(zhì)量塊通過懸掛彈簧和內(nèi)部錨固定在襯底層中心。

8、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的襯底層和器件層為具有各向異性的單晶硅，所述具有各向異性的單晶硅對不同模態(tài)的影響規(guī)律不同；所述模態(tài)包括二階酒杯模態(tài)和三階酒杯模態(tài)，所述諧振式傳感器受到二階酒杯模態(tài)的激勵信號后對加速度敏感，受到三階酒杯模態(tài)的激勵信號后對角速度敏感。

9、根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種采用多物理量并行測量的諧振式傳感器的測量方法，具體包括以下步驟：

10、步驟s101，向諧振式傳感器施加激勵信號，所述激勵信號的工作頻率為多個模態(tài)的諧振頻率之和，不同模態(tài)對不同待測物理量的敏感程度不同；

11、步驟s102，對諧振式傳感器不同模態(tài)下的振動進(jìn)行頻率調(diào)制感測分析，得到不同待測物理量的值，若不同待測物理量之間存在耦合，執(zhí)行步驟s103；

12、步驟s103，定義不同模態(tài)對于不同待測物理量的靈敏度，不同待測物理量的變化量與對應(yīng)靈敏度的乘積為不同模態(tài)的頻率變化量，求解方程組，得到不同待測物理量的值。

13、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的步驟s101具體為：

14、所述內(nèi)部質(zhì)量塊與主振動環(huán)之間具有電勢差；所述內(nèi)部質(zhì)量塊在待測物理量作用下產(chǎn)生位移，與主振動環(huán)之間的距離發(fā)生改變；所述內(nèi)部質(zhì)量塊與主振動環(huán)之間產(chǎn)生靜電力，所述主振動環(huán)的剛度改變；多個模態(tài)頻率因剛度改變而改變。

15、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的待測物理量包括加速度和角速度，模態(tài)包括二階酒杯模態(tài)和三階酒杯模態(tài)；二階酒杯模態(tài)的諧振頻率與加速度成反比；三階酒杯模態(tài)根據(jù)主振動方向分為第一三階酒杯模態(tài)和第二三階酒杯模態(tài)，第一三階酒杯模態(tài)和第二三階酒杯模態(tài)的諧振峰之間的頻率差與角速度成正比。

16、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的步驟s103具體為：

17、二階酒杯模態(tài)初始諧振頻率為fa0，第一三階模態(tài)和第二三階模態(tài)初始頻率的差為△fg0；二階酒杯模態(tài)變化后諧振頻率為fa，第一三階模態(tài)和第二三階模態(tài)變化后諧振頻率的差為△fg；當(dāng)諧振頻率對加速度和角速度的靈敏度為線性時，得到方程組：

18、fa＝fa0+saa△a+sag△ωz，

19、△fg＝△fg0+sga△a+sgg△ωz，

20、其中，△a與△ωz分別為加速度和角速度的變化量，saa和sag是二階酒杯模態(tài)分別對于加速度和角速度的靈敏度，sga和sgg是三階酒杯模態(tài)分別對于加速度和角速度的靈敏度；求解方程組得到加速度和角速度的變化量。

21、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

22、1)本發(fā)明器件層包括內(nèi)部質(zhì)量塊、主振動環(huán)、嵌套多層環(huán)和外部錨定環(huán)，該結(jié)構(gòu)不同模態(tài)下對于不同物理量的敏感度不同，同時測量多個物理量時，可以避免交叉耦合，實現(xiàn)了對于多個物理量的同時測量；

23、2)本發(fā)明多個嵌套環(huán)之間以及支撐環(huán)和其他結(jié)構(gòu)通過剛度較小的輻條連接，以確保結(jié)構(gòu)之間的弱耦合；主振動環(huán)與嵌套環(huán)的寬度不一致，能夠控制不同模態(tài)對不同物理量的靈敏度；添加支撐環(huán)，可以減少錨點損耗對嵌套環(huán)的振動產(chǎn)生負(fù)面影響；

24、3)本發(fā)明向諧振式傳感器施加工作頻率為多個模態(tài)的諧振頻率之和的激勵信號，由于不同模態(tài)對不同待測物理量的敏感程度不同，經(jīng)過對不同模態(tài)下的振動進(jìn)行頻率調(diào)制感測分析以及解耦計算，可以得到多個物理量。

技術(shù)特征：

1.一種多物理量并行測量的諧振式傳感器，其特征在于，所述諧振式傳感器包括襯底層(1)和器件層(2)；所述器件層(2)由內(nèi)至外依次包括圓形的內(nèi)部質(zhì)量塊(21)以及相互連接且同心的主振動環(huán)(22)、嵌套多層環(huán)(23)和外部錨定環(huán)(24)，所述內(nèi)部質(zhì)量塊(21)固定在襯底層(1)中心，與主振動環(huán)(22)之間的距離為3～5微米；所述諧振式傳感器工作時，向諧振式傳感器施加包含多個模態(tài)諧振頻率之和的激勵信號，測量不同模態(tài)下諧振式傳感器的初始諧振頻率和感測到待測物理量后的諧振頻率，對諧振頻率進(jìn)行分析得到待測物理量的值。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多物理量并行測量的諧振式傳感器，其特征在于，所述的嵌套多層環(huán)(23)包括多個通過輻條(26)連接且同心的嵌套環(huán)。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種多物理量并行測量的諧振式傳感器，其特征在于，所述的嵌套環(huán)與主振動環(huán)(22)直徑和寬度不同，剛度和頻率不同。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種多物理量并行測量的諧振式傳感器，其特征在于，所述的器件層(2)還包括支撐環(huán)(25)，安裝在嵌套多層環(huán)(23)和外部錨定環(huán)(24)之間并通過輻條(26)與嵌套多層環(huán)(23)和外部錨定環(huán)(24)連接。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多物理量并行測量的諧振式傳感器，其特征在于，所述的內(nèi)部質(zhì)量塊(21)通過懸掛彈簧(27)和內(nèi)部錨(28)固定在襯底層(1)中心。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多物理量并行測量的諧振式傳感器，其特征在于，所述的襯底層(1)和器件層(2)為具有各向異性的單晶硅，所述具有各向異性的單晶硅對不同模態(tài)的影響規(guī)律不同；所述模態(tài)包括二階酒杯模態(tài)和三階酒杯模態(tài)，所述諧振式傳感器受到二階酒杯模態(tài)的激勵信號后對加速度敏感，受到三階酒杯模態(tài)的激勵信號后對角速度敏感。

7.一種采用權(quán)利要求1所述多物理量并行測量的諧振式傳感器的測量方法，其特征在于，具體包括以下步驟：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的測量方法，其特征在于，所述的步驟s101具體為：

9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的測量方法，其特征在于，所述的待測物理量包括加速度和角速度，模態(tài)包括二階酒杯模態(tài)和三階酒杯模態(tài)；二階酒杯模態(tài)的諧振頻率與加速度成反比；三階酒杯模態(tài)根據(jù)主振動方向分為第一三階酒杯模態(tài)和第二三階酒杯模態(tài)，第一三階酒杯模態(tài)和第二三階酒杯模態(tài)的諧振峰之間的頻率差與角速度成正比。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的測量方法，其特征在于，所述的步驟s103具體為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種多物理量并行測量的諧振式傳感器和測量方法。諧振式傳感器包括襯底層和器件層；器件層包括內(nèi)部質(zhì)量塊、主振動環(huán)、嵌套多層環(huán)和外部錨定環(huán)，內(nèi)部質(zhì)量塊固定在襯底層中心，與主振動環(huán)之間的距離為3～5微米。測量方法為：向傳感器施加激勵信號；對傳感器不同模態(tài)下的振動進(jìn)行頻率調(diào)制感測分析，得到不同待測物理量的值，若存在耦合，進(jìn)行解耦計算。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有傳感器不同模態(tài)下對于不同物理量的敏感度不同，可以避免交叉耦合，實現(xiàn)了對于多個物理量的同時測量；向諧振式傳感器施加工作頻率為多個模態(tài)的諧振頻率之和的激勵信號，對不同模態(tài)下的振動進(jìn)行頻率調(diào)制感測分析以及解耦計算，可以得到多個物理量等優(yōu)點。

技術(shù)研發(fā)人員：陳建霖,林騁其,王琮琛,王楠
受保護(hù)的技術(shù)使用者：上海大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6