本公开涉及传感器技术领域，具体地，涉及一种高灵敏度mems谐振式加速度传感器。

背景技术：

微机电系统(micro-electro-mechanicalsystem，mems)加速度传感器按敏感原理可以分为压阻式、压电式、隧道效应式、电容式以及谐振式等。mems谐振式加速度传感器通过检测谐振结构的固有频率变化得到加速度。

相关技术中，常见的mems谐振式加速度传感器的工作原理为：外界加速度作用于敏感质量块上，在敏感轴方向上产生的惯性力，经杠杆放大，传导至谐振器上，使得谐振器的敏感轴向应力发生改变，从而引起谐振器的谐振频率发生改变，通过检测谐振器的频率变化来换算敏感轴方向上加速度的大小，形成加速度-惯性力-应力-谐振频率的工作机制。灵敏度是传感器性能的关键指标之一，为了进一步提高灵敏度，可以采用多级杠杆放大结构，但受限于多级杠杆结构的放大效率和机械复杂度的影响，用该方法提高灵敏度也受到一定限制；通过优化支撑结构，使其在加速度敏感轴方向上的机械刚度变得更小，也可以提高灵敏度，但是受限于传感器的鲁棒性和加工工艺。此外，通过采用新颖的机械结构设计或者优化改进机械结构设计的方法来增敏，使得传感元件加工完成后，无法动态的调整，限制了传感器的通用性和灵活性。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

鉴于上述问题，本公开提供了一种高灵敏度mems谐振式加速度传感器，利用平行板电容器组的静电弹簧软化效应减小“敏感质量块-支撑结构”等效的“质量-弹簧-阻尼”系统的有效刚度，提升传感器的灵敏度，并且可以根据实际应用需求灵活调整。

(二)技术方案

本公开提供了一种高灵敏度mems谐振式加速度传感器，所述传感器包括：敏感质量块1，所述敏感质量块1中设置有第一空心区域11；支撑结构2，支撑所述敏感质量块1；增敏结构3，位于所述第一空心区域11中，并与所述敏感质量块1形成平行板电容器组；其中，所述敏感质量块1与支撑结构2等效为“质量-弹簧-阻尼”系统，所述平行板电容器组的两端施加有增敏偏置电压，使得所述平行板电容器组产生静电负刚度效应，以减小所述“质量-弹簧-阻尼”系统的有效刚度，并且所述平行板电容器组的净静电力与零之间的差值小于预设阈值。

可选地，所述敏感质量块1中还设置有第二空心区域12，所述传感器还包括：微调结构4，位于所述第二空心区域12中，并与所述敏感质量块1形成梳齿电容器组；其中，所述梳齿电容器组的两端施加有调零偏置电压，以调整所述敏感质量块1的位移，使得所述加速度为0时，所述平行板电容器组为对称结构。

可选地，所述平行板电容器组由两个背靠背连接的对称平行板电容器组成。

可选地，所述增敏结构3的数量为一个及以上，所述增敏结构3与第一空心区域11一一对应。

可选地，所述梳齿电容器组由两个背靠背连接的对称梳齿电容器组成。

可选地，所述微调结构4的数量为一个及以上，所述微调结构4与第二空心区域12一一对应。

可选地，所述微调结构4包括：动齿41，一端连接所述敏感质量块1，另一端悬空；定齿42，一端连接所述传感器的锚点，另一端悬空，所述动齿41与定齿42彼此错开。

可选地，所述传感器还包括：杠杆结构5，一端沿加速度方向连接所述敏感质量块1，以对所述敏感质量块1在其获得的加速度下所形成的惯性力进行放大；谐振器6，连接所述杠杆结构5的另一端，以将放大后的惯性力转换为谐振频率变化量；检测控制电路7，连接所述谐振器6，用于驱动所述谐振器6将放大后的惯性力转换为所述谐振频率变化量，并检测所述谐振频率变化量，以计算所述谐振频率变换量对应的加速度。

可选地，所述杠杆结构5和谐振器6的数量为两个，所述两个杠杆结构5分别沿加速度方向连接所述敏感质量块1的两端，所述检测控制电路7还用于计算所述两个谐振器6的谐振频率变化量之间的差值对应的加速度。

可选地，所述支撑结构2在加速度方向上的刚度小于第一预设值，在加速度方向之外的方向上的刚度大于第二预设值。

(三)有益效果

本公开实施例提供的高灵敏度mems谐振式加速度传感器，具有以下有益效果：

(1)利用平行板电容器组的静电弹簧软化效应减小“敏感质量块-支撑结构”系统的有效刚度，提高了传感器的灵敏度，背靠背连接的平行板电容器可以在抵消一阶净静电力的同时，进一步提高系统刚度的软化效果，从而进一步提高传感器灵敏度；

(2)利用梳齿电容器组调整敏感质量块的位移，从而抵消工艺误差所造成的平行板电容器组结构的不对称性，增强了传感器的工艺适应性和鲁棒性；

(3)利用静电负刚度的软化效应调整加速度传感器的灵敏度，使得加速度传感器的灵敏度可以根据实际需求动态调整，权衡量程、噪声和带宽。

附图说明

图1示意性示出了本公开实施例提供的高灵敏度mems谐振式加速度传感器的结构示意图；

图2a示意性示出了图1所示结构中平行板电容器组的结构示意图；

图2b示意性示出了图1所示结构中梳齿电容器组的结构示意图；

图2c示意性示出了图1所示结构中杠杆结构的结构示意图；

图2d示意性示出了图1所示结构中谐振器的结构示意图；

图3示意性示出了本公开实施例提供的高灵敏度mems谐振式加速度传感器的增敏效果图。

附图标记说明：

1-敏感质量块；11-第一空心区域；12-第二空心区域；

2-支撑结构；

3-增敏结构；

4-微调结构；

41-动齿；41a-第一动齿；41b-第二动齿；

42-定齿；

42a-第一定齿；42a′-第一定齿梳齿；42a″-第一定齿电极；

42b-第二定齿；42b′-第二定齿梳齿；42b″-第二定齿电极；

5-杠杆结构；51-杠杆臂；52-输入梁；53-输出梁；54-支点梁；

6-谐振器；61-谐振梁；62-驱动电极；63-检测电极；

7-检测控制电路。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

图1示意性示出了本公开实施例提供的高灵敏度mems谐振式加速度传感器的结构示意图。参阅图1，同时结合图2a-图3，对本实施例中的高灵敏度mems谐振式加速度传感器进行详细说明。

参阅图1，高灵敏度mems谐振式加速度传感器(以下用传感器代替)包括敏感质量块1、支撑结构2、增敏结构3、微调结构4、杠杆结构5、谐振器6和检测控制电路7。

敏感质量块1由支撑结构2支撑，支撑结构2在加速度敏感轴方向的刚度远远小于其它方向的刚度，使得敏感质量块1受到外界加速度作用时，在敏感方向产生的惯性力更有效的传导至谐振器6的敏感轴上。可以根据传感器的实际应用场景和需求设置敏感质量块1的几何形状和尺寸，敏感质量块1例如为矩形敏感质量块。

支撑结构2例如为支撑梁，支撑梁的一端连接敏感质量块1，支撑梁的另一端连接传感器的锚点。锚点是指传感器中固定不动的点，传感器中设置有多个锚点，以分别对传感器不同部位的部件进行固定连接。支撑结构2中支撑梁的数量为一个或多个，当支撑梁的数量为多个时，该多个支撑梁分别从敏感质量块1的两侧支撑敏感质量块1，如图1所示。支撑结构2在加速度方向上的刚度小于第一预设值，使得支撑结构2在加速度敏感方向上的刚度比较小。支撑结构2在加速度方向之外的方向上的刚度大于第二预设值，使得支撑结构2在其它方向上的刚度比较大，在保证传感器鲁棒性的前提下，敏感质量块1受到外界加速度作用时，在敏感方向产生的惯性力更有效的传导至谐振器6的敏感轴上。支撑结构2例如为蛇形梁、折叠梁、悬臂梁等。本实施例中，可以根据传感器的实际应用场景及需求设置上述第一预设值和第二预设值。

敏感质量块1中设置有第一空心区域11。增敏结构3位于第一空心区域11中，并与敏感质量块1形成平行板电容器组。进一步地，增敏结构3与敏感质量块1形成的平行板电容器组由两个背靠背连接的对称平行板电容器组成。参阅图2a，增敏结构3例如为矩形平板，第一空心区域11的尺寸大于增敏结构3的尺寸，增敏结构3放置在第一空心区域11中之后，增敏结构3与第一空心区域11中垂直于加速度方向的两个侧面之间有一定的空隙，增敏结构3与该两个侧面及其之间的绝缘介质(空气)形成平行板电容器组。参阅图2a，平行板电容器的一个电极为敏感质量块1，平行板电容器的另一个电极为增敏结构3，增敏结构3固定不动。

敏感质量块1与支撑结构2等效为“质量-弹簧-阻尼”系统，平行板电容器组的两端施加有增敏偏置电压，使得平行板电容器组产生静电负刚度效应，减小“质量-弹簧-阻尼”系统的有效刚度，从而提高了惯性力转换为谐振器敏感轴向力的传导效率，最终提高传感器的灵敏度，并且平行板电容器组的净静电力与零之间的差值小于预设阈值。本实施例中，可以根据传感器的实际应用场景及需求设置上述预设阈值，以保证测量加速度时，平行板电容器组的净静电力可以忽略不计。对于由两个背靠背连接的对称平行板电容器所组成的平行板电容器组而言，当施加的增敏偏置电压相同时，这两个对称平行板电容器产生的一阶净静电力相互抵消，同时，这两个对称平行板电容器产生的静电负刚度效应是单个平行板电容器的两倍，提升了其对“质量-弹簧-阻尼”系统刚度的软化效果，进一步提高传感器的灵敏度。

增敏结构3的数量为一个及以上，第一空心区域11与增敏结构3一一对应，即第一空心区域11的数量与增敏结构3的数量相同，每一增敏结构3位于其对应的第一空心区域11中。设置多个增敏结构3，可以使得传感器灵敏度调节更为灵活。本实施例中，可以根据传感器的实际应用场景和需求设置平行板电容器组的几何尺寸、间隙、数量以及施加电压来产生不同的静电负刚度，从而实现不同程度的灵敏度提高。利用平行板电容器组产生的静电弹簧软化效应，一定程度上实现了传感器灵敏度和鲁棒性的解耦，可以在不降低鲁棒性的基础上提高传感器灵敏度。本实施例中，当增敏结构3的数量为多个时，这多个增敏结构3之间彼此对应电极电连接在一起。

敏感质量块1中还设置有第二空心区域12。微调结构4位于第二空心区域12中，并与敏感质量块1形成梳齿电容器组。进一步地，微调结构4与敏感质量块1形成的梳齿电容器组由两个背靠背连接的对称梳齿电容器组成。参阅图2b，微调结构4由动齿41和定齿42组成。动齿41的一端连接敏感质量块1，具体地，动齿41包括第一动齿41a和第二动齿41b，第一动齿41a和第二动齿41b的一端分别连接第二空心区域12中垂直于加速度方向的两个敏感质量块侧面，第一动齿41a和第二动齿41b的另一端悬空。定齿42包括第一定齿42a和第二定齿42b。第一定齿42a包括第一定齿梳齿42a′和第一定齿电极42a″，第一定齿电极42a″与传感器的锚点固定连接，第一定齿梳齿42a′的一端连接第一定齿电极42a″，第一定齿梳齿42a′的另一端悬空，第一定齿梳齿42a′与第一动齿41a之间存在重叠部分且二者在垂直于加速度方向上彼此交错分开设置。第二定齿42b包括第二定齿梳齿42b′和第二定齿电极42b″，第二定齿电极42b″与传感器的锚点固定连接，第二定齿梳齿42b′的一端连接第二定齿电极42b″，第二定齿梳齿42b′的另一端悬空，第二定齿梳齿42b′与第二动齿41b之间存在重叠部分且二者在垂直于加速度方向上彼此交错分开设置。本实施例中，当微调结构4的数量为多个时，这多个微调结构4中的第一定齿电极42a″之间彼此电连接在一起，这多个微调结构4中的第二定齿电极42b″之间彼此电连接在一起。

参阅图2b，梳齿电容器组由两个背靠背连接的对称梳齿电容器组成，这两个梳齿电容器定齿的电极上施加有调零偏置电压，以调整敏感质量块1的位移，使得外界加速度为0时，平行板电容器组为对称结构。

由于加工工艺的误差，导致上述两个背靠背连接的平行板电容器存在细微偏差，不再对称，此时这两个背靠背连接的平行板电容器产生的一阶净静电力不能完全抵消，存在残余一阶净静电力，可以通过调整梳齿电容器组的调零偏置电压，从而抵消这部分残余的一阶净静电力。具体地，在上述两个背靠背连接的梳齿电容器的两个电极上施加不同的调零偏置电压时，敏感质量块1会受到微小的静电力，从而调整敏感质量块1的位移大小和方向，以调整由于加工误差导致的平行板电容器组的不对称性，从而增强传感器的工艺适应性和鲁棒性。

微调结构4的数量为一个及以上，第二空心区域12与微调结构4一一对应，即第二空心区域12的数量与微调结构4的数量相同，每一微调结构4位于其对应的第二空心区域12中。设置多个微调结构4，可以使得敏感质量块1的位移调整更为灵活。本实施例中，可以根据传感器的实际应用场景和需求设置梳齿电容器组的几何尺寸、间隙、数量以及施加电压来产生不同大小和方向的净静电力，从而从不同方向灵活调整敏感质量块1的位移。

杠杆结构5一端沿加速度方向连接敏感质量块1，以对敏感质量块1在其获得的加速度下所形成的惯性力进行放大。参阅图2c，杠杆结构5由杠杆臂51、输入梁52、输出梁53、支点梁54组成。支点梁54一端固定在传感器的锚点上，支点梁54另一端连接杠杆臂51，以对杠杆结构5进行支撑，杠杆臂51的两端分别连接输入梁52和输出梁53，输入梁52的另一端连接敏感质量块1，输出梁53的另一端连接谐振器6。参阅图1，杠杆结构5中杠杆臂51、输入梁52、输出梁53、支点梁54的数量可以为两个，这两个输入梁52分别连接至敏感质量块1一平面的左右两侧，这两个输出梁53均连接至谐振器6。杠杆结构5可以对敏感质量块1的惯性力进行放大，或者放大敏感质量块1的惯性力的同时改变惯性力方向。

谐振器6连接杠杆结构5的另一端，具体地，连接输出梁53的另一端，以将放大后的惯性力转换为谐振器6的轴向应力，进而改变谐振器6的谐振频率。参阅图2d，谐振器6由谐振梁61、驱动电极62和检测电极63组成。谐振梁61的轴线方向与加速度方向相同，谐振梁61的一端与输出梁53相连接，另一端与传感器的一锚点固定连接。谐振梁61例如为双端固支单梁、双端固支音叉等，优选为双端固支单梁。谐振梁61用于感知输出梁53传导过来的应力变化，从而改变其谐振频率，从而完成加速度-惯性力-应力-谐振频率传感机制。驱动电极62和检测电极63包括可动电极和固定电极，可动电极由谐振梁61形成，或者在谐振梁61上连接平行板或梳齿以形成可动电极；固定电极为平行板状或梳齿状，并固定在传感器锚点上。

检测控制电路7连接谐振器，用于驱动谐振器6将放大后的惯性力转换为谐振频率变化量，并检测谐振频率变化量，以计算谐振器6的谐振频率变化量所对应的加速度。具体地，谐振器6的驱动电极62和检测电极63与外接的检测控制电路7相连，检测控制电路7通过驱动电极62驱动谐振梁61谐振，并通过检测电极63检测谐振梁的谐振频率和谐振位移。

根据本公开的实施例，杠杆结构5和谐振器6的数量也可以为两个，并形成差分结构。具体地，该两个杠杆结构5分别沿加速度方向连接敏感质量块的两端，该两个谐振器6分别连接上述两个杠杆结构5，如图1所示。检测控制电路7根据这两个谐振器6之间的谐振频率差计算相应的加速度。

参阅图1，以传感器包括两个平行板电容器组、两个梳齿电容器组、两个杠杆结构5、两个谐振器6，谐振器6的谐振梁61位双端固支梁、驱动电极62和检测电极63与谐振梁61构成平行板电容器、支撑结构2由四个支撑臂组成，每一平行板电容器组包含两个背靠背连接的对称平行板电容器、每一梳齿电容器组包含两个背靠背连接的对称梳齿电容器为例说明该传感器的工作原理。

外界的加速度为0时，此时传感器工作于调零模式，在敏感质量块1上施加零电位，传感器中的可动结构均为零电位，在增敏结构3上施加电位vbp0，在梳齿电容器组中第一定齿电极42a″上施加电位vbt1，在梳齿电容器组中第二定齿电极42b″上施加电位vbt2。考虑到加工工艺误差导致平行板电容器组不对称，假设加工工艺误差导致平行板电容器组产生的净静电力向上，则控制上述第二定齿电极42b″上的电位vbt2＝0v，调整上述第一定齿电极42a″上的电位vbt1，从而驱动敏感质量块1向下移动，直至增敏结构3位于第一空心区域11的中心，此时增敏结构3与敏感质量块1形成的两个背靠背连接的平板电容器对称且容值相等。反之，当加工工艺误差导致平行板电容器组产生的净静电力向下时，则控制上述第一定齿电极42a″上的电位vbt1＝0v，调整上述第二定齿电极42b″上的电位vbt2，从而驱动敏感质量块1向上移动，直至增敏结构3位于第一空心区域11的中心，此时增敏结构3与敏感质量块1形成的两个背靠背连接的平板电容器对称且容值相等。

外界的加速度不为0时，此时传感器工作于检测模式，保持调零模式中得到的偏置电位不变vbp0、vbt1、vbt2。外界加速度作用于敏感质量块1上，敏感质量块1在加速度敏感方向产生的惯性力经杠杆结构5放大后作用于谐振器6上，检测控制电路7驱动谐振器6处于谐振状态，并检测其谐振频率的变化，具体地，一个谐振器6受拉应力而导致其谐振频率变大，另一个谐振器6受压应力而导致其谐振频率变小，检测控制电路7根据两个谐振器6之间的谐振频率变化差计算对应的外界加速度。本实施例中，敏感质量块1的位移很小，平行板电容器组产生的净静电力可以忽略，但是其产生的静电负刚度可以软化支撑结构2在加速度敏感轴方向上的刚度，提高惯性力传导，从而提高传感器灵敏度。

本实施例中，利用有限元分析软件comsolmultiphysics对传感器的灵敏度进行仿真，仿真结果如图3所示。参阅图3，可以看出，当增敏结构3上施加电位vbp0＝0v时，传感器的灵敏度为656hz/g，其中，g为重力加速度，此时无增敏效果；当增敏结构3上施加电位vbp0＝40v时，传感器的灵敏度为948hz/g，与增敏结构3上施加电位vbp0＝0v相比，灵敏度提高为其1.4倍，；当增敏结构3上施加电位vbp0＝60v时，传感器的灵敏度为2046hz/g，与增敏结构3上施加电位vbp0＝0v相比，灵敏度提高为其3.1倍，具有显著的增敏效果。

本公开实施例中的高灵敏度mems谐振式加速度传感器，由敏感质量块、支撑结构、增敏结构、微调结构、杠杆结构、谐振器、检测控制电路组成，增敏结构和敏感质量块形成为两个背靠背连接的平行板电容器，利用平行板电容器产生的静电负刚度效应减小“敏感质量块-支撑结构”系统在加速度方向上的有效刚度，提高了传感器的灵敏度，微调结构和敏感质量块形成为两个背靠背连接的梳齿电容器，利用梳齿电容器组产生的净静电力调整敏感质量块的位移，抵消工艺误差所造成的背靠背连接的平行板电容器结构的不对称性，增强了传感器的工艺适应性和鲁棒性。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。