一种基于pt对称谐振器的微机械加速度计及其检测方法
阅读说明：本技术 一种基于pt对称谐振器的微机械加速度计及其检测方法 (Micromechanical accelerometer based on PT symmetrical resonator and detection method thereof ) 是由 张曼娜 王立峰 黄庆安 董蕾 于 2021-04-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于PT对称谐振器的微机械加速度计及其检测方法,其中,PT对称谐振器由两个质量、刚度完全相同的谐振器组成,两个谐振器通过机械耦合结构连接；闭环自激驱动电路连接在两个谐振器之间,用于实现PT对称谐振器的自驱动并调节谐振器的阻尼。检测方法利用待测加速度对PT对称谐振器产生刚度微扰,进而改变PT对称谐振器的谐振频率,通过测量谐振频率分裂量即可实现对未知加速度的测量。本发明可以实现对微弱加速度的测量,同时大大提升了测量灵敏度。(The invention discloses a micromechanical accelerometer based on a PT symmetrical resonator and a detection method thereof, wherein the PT symmetrical resonator is composed of two resonators with completely same mass and rigidity, and the two resonators are connected through a mechanical coupling structure; and the closed-loop self-excitation driving circuit is connected between the two resonators and is used for realizing self-driving of the PT symmetrical resonator and adjusting damping of the resonator. The detection method utilizes the acceleration to be detected to generate rigidity perturbation on the PT symmetrical resonator, further changes the resonance frequency of the PT symmetrical resonator, and can realize the measurement of unknown acceleration by measuring the split quantity of the resonance frequency. The invention can realize the measurement of weak acceleration and greatly improve the measurement sensitivity.)
技术领域
本发明涉及一种基于PT对称谐振器的微机械加速度计及其检测方法，属于微电子
技术领域
、传感器技术领域。背景技术
加速度计是测量运载体线加速度的仪表，在振动检测、姿态控制、动作识别、状态记录等领域有着广泛的应用。基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)的加速度计凭借其成本低、体积小、功耗低、抗冲击能力强等优点，已成为加速度计的主要发展方向。随着科学技术的发展，我国对高性能MEMS加速度计的需求巨大，而目前的MEMS加速度计灵敏度与精度都有待进一步提升。
在过去的数十年里，宇称时间(Parity-time，PT)对称系统中的奇异点传感受到了科研工作者的广泛关注。基于二阶奇异点简并的PT传感器的频率分裂量与微扰强度的平方根成正比，对于极小微扰，能获得一个较大的频率分裂量，灵敏度相对较高。PT对称传感在光学、电学、声学中均有应用，但是在MEMS中的应用还未见报道。
发明内容
发明目的：为了实现对微弱加速度变化的高精度高灵敏度测量，利用PT对称系统在奇异点附近本征频率分裂对极小微扰的敏感特性，本发明提出了一种基于PT对称微机械谐振器用于加速度的测量。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明的一种基于PT对称谐振器的微机械加速度计采用如下技术方案：
该加速度计具有：PT对称谐振器包括质量、刚度完全相同的第一谐振器和第二谐振器，第一谐振器和第二谐振器通过固定在锚区的机械耦合机构形成串联连接；第一谐振器包括第一质量块和第一弹性支撑梁，第二谐振器包括第二质量块和第二弹性支撑梁；第一质量块与第二质量块在水平方向上左右对称放置；第一弹性支撑梁和第二弹性支撑梁分别将第一质量块、第二质量块支撑在上下两侧的机械耦合结构上；
第一耦合极板通过短梁连接在第一质量块的右侧，第二耦合极板通过短梁连接在第二质量块的左侧；
第一谐振器的第一输入极板通过短梁连接在第一质量块的左侧，第二输入极板固定在第三锚区电极，并和第一输入极板正对靠近放置；第二谐振器的第三输入极板通过短梁连接在第二质量块的右侧，第四输入极板固定在第四锚区电极，并和第三输入极板正对靠近放置；
固定在第一上锚区电极上的第一上差分电容检测极板与第一质量块的顶端左侧的梳状极板相耦合，固定在第一下锚区电极上的第一下差分电容检测极板与第一质量块的底端左侧的梳状极板相耦合；固定在第二上锚区电极上的第二上差分电容检测极板与第二质量块的顶端右侧的梳状极板相耦合，固定在第二下锚区电极上的第二下差分电容检测极板与第二质量块的底端右侧的梳状极板相耦合；
闭环自激驱动电路的输入端连接到第二上锚区电极和第二下锚区电极，输出端连接到第三锚区电极。
所述闭环自激驱动电路的输入端还可连接到第一上锚区电极和第一下锚区电极，输出端连接到第三锚区电极。
所述闭环自激驱动电路包括按顺序连接的输入端、机电转换模块、滤波模块、增益控制模块、相位控制模块、电机转换模块、输出端。
本发明的基于PT对称谐振器的微机械加速度计的加速度检测方法包括以下步骤：
通过第三锚区电极给PT对称谐振器施加初始激励信号，调节闭环自激驱动电路使第一谐振器和第二谐振器的阻尼大小相等、符号相反，PT对称谐振器工作在奇异点，只有一个谐振频率；
将工作在奇异点的PT对称谐振器置于待测加速度环境中，加速度对PT对称谐振器的刚度产生微扰，PT对称谐振器的工作状态偏离奇异点，第一谐振器与第二谐振器的谐振频率间产生频率分裂量Δω；
根据检测得到的频率分裂量Δω，得到待测加速度对PT对称谐振器产生的刚度微扰量Δk；最后根据刚度微扰量Δk与待测加速度的标定关系得到待测加速度。
所述频率分裂量Δω计算公式为：
其中，k为PT对称谐振器的刚度、m为PT对称谐振器的质量、c为PT对称谐振器的运动阻尼、kc为PT对称谐振器的耦合刚度，且k、m、c、kc均为已知。
有益效果：本发明与现有技术相比的优点在于：
1)具有较高的灵敏度和精度，能够探测到微弱加速度的变化，能够广泛应用于航空航天、工程机械、汽车工业等领域；
2)每个谐振器均有差分电容检测极板，差分检测可以提升信号的强度，消除馈通电容的干扰，提高信号稳定性与准确性；
3)谐振器通过自振荡实现工作，不需要额外的电源驱动，体积小，重量轻，利于实现便携化；
4)制造工艺简单，易于批量生产。
附图说明
图1是基于PT对称谐振器的微机械加速度计的结构示意图；
图2是本发明所设计的闭环自激驱动电路原理图。
图中有：第一谐振器A1，第一质量块101，第一弹性支撑梁103，第一耦合极板105，第一输入极板107，第二输入极板117，第三锚区电极118，第一上差分电容检测极板109，第一下差分电容检测极板111，第一上锚区电极110，第一下锚区电极112；
第二谐振器A2，第二质量块102，第二弹性支撑梁104，第二耦合极板106，第三输入极板108，第四输入极板119，第四锚区电极120，第二上差分电容检测极板113，第二下差分电容检测极板115，第二上锚区电极114，第二下锚区电极116；
机械耦合结构121，锚区122，闭环自激驱动电路B；
输入端201，机电转换模块202，滤波模块203，增益控制模块204，相位控制模块205，电机转换模块206，输出端207。
具体实施方式
下面根据附图结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。
本发明涉及基于PT对称谐振器的微机械加速度计的结构如图1所示。PT对称谐振器包括质量、刚度完全相同的第一谐振器A1和第二谐振器A2，第一谐振器A1和第二谐振器A2左右对称在水平方向上并排放置，通过固定在锚区122的机械耦合机构121形成串联连接；第一谐振器A1由第一质量块101与弹性支撑梁103组成，第二谐振器A2由第二质量块102与弹性支撑梁104组成；两个完全相同的敏感质量块，即第一质量块101与第二质量块102在水平方向上左右对称放置；第一弹性支撑梁103与第二弹性支撑梁104分别将第一质量块101、第二质量块102支撑在上下两侧的机械耦合结构121上，使得质量块的运动方向为左右方向，即为加速度的敏感方向。
第一耦合极板105通过短梁连接在第一质量块101的右侧，第二耦合极板106通过短梁连接在第二质量块102的左侧；
第一谐振器A1的第一输入极板107通过短梁连接在第一质量块101的左侧，第二输入极板117固定在第三锚区电极118，并和第一输入极板107正对靠近放置；第二谐振器A2的第三输入极板108通过短梁连接在第二质量块102的右侧，第四输入极板119固定在第四锚区电极120，并和第三输入极板108正对靠近放置；
固定在第一上锚区电极110上的第一上差分电容检测极板109与第一质量块101的顶端左侧的梳状极板相耦合，固定在第一下锚区电极112上的第一下差分电容检测极板111与第一质量块101的底端左侧的梳状极板相耦合；固定在第二上锚区电极114上的第二上差分电容检测极板113与第二质量块102的顶端右侧的梳状极板相耦合，固定在第二下锚区电极116上的第二下差分电容检测极板115与第二质量块102的底端右侧的梳状极板相耦合；
PT对称谐振器的振动输出信号通过第一上差分电容检测极板109和第一下差分电容检测极板111输出，差分检测可以提升信号的强度，消除馈通电容的干扰，提高信号稳定性与准确性；输入驱动信号通过第一谐振器A1的第三锚区电极118输入。
闭环自激驱动电路B的输入端201连接到第二上锚区电极114和第二下锚区电极116，输出端207连接到第三锚区电极118。
作为一种可选的连接方式，闭环自激驱动电路B的输入端201还可连接到第一上锚区电极110和第一下锚区电极112，输出端207连接到第三锚区电极118。
本发明涉及闭环自激驱动电路B原理图如图2所示，包括按顺序连接的输入端201、机电转换模块202、滤波模块203、增益控制模块204、相位控制模块205、电机转换模块206、输出端207。闭环自激驱动电路B的原理为：输入端201中谐振器振动的机械能经过机电转换模块202后转换为谐振器运动的电能，经过滤波模块203滤除无关信号，通过增益控制模块204、相位控制模块205调节阻尼的大小与相位，再经过电机转换模块206把电能转换为反馈到谐振器上的机械能。
闭环自激动驱动电路B的作用为：将PT对称谐振器的输出信号反馈至输入端，使加速度计实现闭环自激驱动；调节第一谐振器A1与第二谐振器A2的阻尼大小相等、符号相反。
一种基于微机械加速度计的加速度检测方法，包括以下步骤：
通过第三锚区电极118给PT对称谐振器施加初始激励信号，调节闭环自激驱动电路B使第一谐振器A1和第二谐振器A2的阻尼大小相等、符号相反，PT对称谐振器工作在奇异点，此时PT对称谐振器只有一个谐振频率。
将工作在奇异点的PT对称谐振器置于待测加速度环境中，加速度会对PT对称谐振器的刚度产生微扰。此时PT对称谐振器的工作状态偏离奇异点，第一谐振器A1与第二谐振器A2的谐振频率不再相同，两个谐振器间的频率分裂量Δω为：
其中，k为PT谐振器的刚度、m为PT谐振器的质量、c为PT谐振器的运动阻尼、kc为PT谐振器的耦合刚度，Δk为待测加速度对PT对称谐振器产生的刚度微扰量，k、m、c、kc均为已知。
根据频率分裂量Δω，根据式(1)推出Δk，最后根据刚度微扰量Δk与待测加速度标定的关系可得到待测加速度。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。
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