阅读说明：本技术 一种机械灵敏度和测量范围可调的硅微流速计 (Silicon micro-flow velocity meter with adjustable mechanical sensitivity and measuring range ) 是由 杨波 郭鑫 梁卓玥 陈新茹 姜勇昌 郑翔 于 2020-05-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种可以实现微流速敏感的机械灵敏度和测量范围可调的硅微流速计的三层结构方案。具体为作为信号接收层的金属立柱,作为信号转化层的硅微机械结构,以及作为信号输出层的玻璃绝缘层及其信号引线。金属立柱通过紫外线固化胶粘合在硅微机械结构上表面的中心位置,硅微机械结构的通过硅-玻璃键合技术固定在玻璃绝缘层上表面,硅微机械的锚点与玻璃绝缘层的金属引线位置相对应,从而实现电信号的输入输出控制。本发明通过给两组音叉型谐振器施加带有不同直流偏置信号的交流驱动电压,由于静电负刚度效应,改变静电弱耦合谐振结构的静电耦合刚度,从而进一步改变硅微流速计的机械灵敏度和测量范围。(The invention discloses a three-layer structure scheme of a silicon micro-flow meter capable of realizing micro-flow rate sensitivity and adjustable mechanical sensitivity and measurement range. In particular to a metal upright post used as a signal receiving layer, a silicon micro-mechanical structure used as a signal conversion layer, a glass insulating layer used as a signal output layer and a signal lead thereof. The metal upright post is adhered to the center of the upper surface of the silicon micro-mechanical structure through ultraviolet curing glue, the silicon micro-mechanical structure is fixed on the upper surface of the glass insulating layer through a silicon-glass bonding technology, and the anchor point of the silicon micro-mechanical corresponds to the position of the metal lead of the glass insulating layer, so that the input and output control of an electric signal is realized. According to the invention, the alternating current driving voltages with different direct current bias signals are applied to the two groups of tuning fork type resonators, and the electrostatic coupling rigidity of the electrostatic weak coupling resonance structure is changed due to the electrostatic negative rigidity effect, so that the mechanical sensitivity and the measurement range of the silicon micro-flow velocity meter are further changed.)

一种机械灵敏度和测量范围可调的硅微流速计

技术领域

本发明涉及微机电系统和微流体敏感领域，特别是涉及一种机械灵敏度和测量范围可调的硅微流速计。

背景技术

微机电系统(Micro Electro Mechanical System,MEMS)传感器作为获取信息的关键器件，对各种传感装置的微型化起着巨大的推动作用，已在太空卫星、运载火箭、航空航天设备、飞机、各种车辆、生特医学及消费电子产品等领域中得到了广泛的应用。

硅微流速计是一种微电子技术和微机械加工技术相结合的传感器。硅微流速计可以连续的测量周边流场的流体流速，可以适用于电力、钢铁、石化、节能等行业的环境流速测量，并且在目前受到关注的微自主系统机器人的环境识别应用中受到极大的关注。

近年来，国内外研究机构都开始对硅微流速计进行了一定的研究。荷兰屯特大学的Gijs J.Krijnen等人研究了一种仿生流体传感器，都是采用电容信号器进行流速信号的变换，可以实现对外界流场的敏感，并进一步应用于流体相机和听觉敏感等场景。但是，目前大部分硅微流速计的研究在机械灵敏度和测量范围这两个重要指标上无法兼顾，即机械灵敏度越大，测量范围越小。反之，若要提高测量范围，则必须在机械灵敏度上做出牺牲。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了为了解决上述存在的问题，本发明提供一种机械灵敏度和测量范围可调的硅微流速计，具有机械灵敏度高、测量范围大、环境稳定性高等特点，并且该流速计的机械灵敏度和测量范围可以通过外部控制电路进行调节，从而满足更多的实际应用需求。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种机械灵敏度和测量范围可调的硅微流速计，该硅微流速计采用三层结构，具体为作为信号接收层的金属立柱，作为信号转化层的硅微机械结构，以及作为信号输出层的玻璃绝缘层及其信号引线；

所述金属立柱通过紫外线固化胶粘合在硅微机械结构上表面的中心位置，用于敏感外界的流速信；

硅微机械结构的通过硅-玻璃键合技术固定在玻璃绝缘层上表面，硅微机械结构的锚点与玻璃绝缘层的金属引线位置相对应，从而实现电信号的输入输出控制；

所述硅微机械结构由底座托盘，两组第一、二差分输出微杠杆，两组第一、二静电弱耦合谐振结构，第一、二、三、四方向解耦结构组成，用于将外界流速信号转化为可以进行直接测量的电信号；

两组第一、二差分输出微杠杆分别布置在底座托盘的上、下位置，通过第一、二输入解耦梁与底座托盘相连接；

两组第一、二静电弱耦合结构分别布置在底座托盘的左右位置，并分别与第一、二差分输出微杠杆的第一、二、三、四输出梁相连接。

第一、二、三、四方向解耦结构布置在底座托盘的左上、左下、右下、右上四个位置，分别通过第一、二、三、四方向解耦梁与底座托盘相连接。

本发明进一步改进在于：其中第一、二差分微分输出微杠杆结构完全相同；所述第一差分微分输出微杠杆由第一输入解耦梁，两个第一、二输出梁，两个第一、二支撑梁，两个第一、二微杠杆，两个第一、二杠杆锚点组成，用于输入作用力的放大；

第一输入解耦梁分别与两个第一、二微杠杆的一端相连接；第一杠杆锚点通过第一支撑梁连接在第一微杠杆的中间位置，第一输出梁的一端与第一静电弱耦合谐振结构相连接，另一端连接在第一微杠杆的另一端，从而形成A型微杠杆结构；

第二杠杆锚点通过支撑梁二连接在第二微杠杆的另一端，第二输出梁的一端与第二静电弱耦合结构相连接，另一端连接在第二微杠杆的中间位置，从而形成B型微杠杆结构。

本发明进一步改进在于：其中第一、二静电弱耦合谐振结构结构完全相同；

所述第一静电弱耦合谐振结构由两组第一、二音叉型谐振器组成，用于将微力信号转换为可以通过配套电路测量的电容信号；所述第一音叉谐振器包括第一音叉谐振梁、第一、二静电耦合梳齿电容，第一、二驱动电容梳齿，第一、二、三、四检测电容梳齿，

所述第二音叉谐振器包括第二音叉谐振梁、两组第三、第四静电耦合梳齿电容，第三、第四驱动电容梳齿，第五、六、七、八检测电容梳齿，第一音叉谐振器布置在第二音叉谐振器中间，

两组第一、二音叉谐振器的每根谐振梁中部的一侧分别连接有第一、二、三、四静电耦合电容梳齿，第一、三静电耦合电容梳齿对插布置形成静电耦合梳齿组一，第二、四静电耦合电容梳齿对插布置形成静电耦合梳齿组二，静电耦合梳齿组的布置方向均为水平方向；第一、二音叉谐振器的每根谐振梁中部的另一侧均连接驱动检测电容梳齿，第一、二、三、四驱动电容梳齿与驱动检测电容梳齿对插形成驱动梳齿组，

第一、二、三、四、五、六、七、八检测电容梳齿与驱动检测电容梳齿对插形成检测梳齿组；

第一音叉谐振器的一端与第一、二差分输出微杠杆的第二输出梁相连接，另一端与第一、二差分输出微杠杆的第四输出梁相连接。

本发明进一步改进在于：其中第一、二、三、四方向解耦结构结构完全相同；所述第一方向解耦结构由第一解耦锚点和第一方向解耦梁组成，用于保证传感器良好的“8”字型方向特性；第一方向解耦梁的一端与第一解耦锚点相连接。

本发明进一步改进在于：其中第一、二、三、四电极分别于第一静电弱耦合谐振结构的第一、二、三四检测电容梳齿键合，并通过引线与第一、二检测信号引出电极相连接；

第五、六电极分别于第一静电弱耦合谐振结构的第一、二驱动电容梳齿键合，并通过引线与第一、二驱动信号引出电极相连接；

第七、八电极分别于第一静电弱耦合谐振结构的第三、四组驱动电容梳齿键合，并通过引线与第三、四驱动信号引出电极相连接；

其中第九、十、十一、十二电极分别于第一静电弱耦合谐振结构的第五、六、七、八检测电容梳齿键合，并通过引线与第三、四检测信号引出电极相连接；

第十三、十四电极别于第二静电弱耦合谐振结构的第五、第六驱动电容梳齿键合，并通过引线与第五、第六驱动信号引出电极相连接；第十五、十六电极分别于第二静电弱耦合谐振结构的第七、八驱动电容梳齿键合，并通过引线与第七、八驱动信号引出电极相连接；

第十七、十八、十九、二十电极分别与第三、四音叉谐振梁键合，并通过引线与第一、二静电公共引出电极相连接；第二十一、二十二电极与硅微流速计公共端键合，并通过引线与第一、二公共端引出电极相连接。

第二十三、二十四、二十五、二十六电极分别于第二静电弱耦合谐振结构的第九、十、十一、十二检测电容梳齿键合，并通过引线与第五、六检测信号引出电极相连接；

第二十七、二十八、二十九、三十电极分别于第二静电弱耦合谐振结构的第十三、十四、十五、十六检测电容梳齿键合，并通过引线与第七、八检测信号引出电极相连接。

本发明将机械灵敏度和测量范围可调的硅微流速计布置与水平空气流场之中时，由于金属立柱表面的摩擦阻力及压差阻力导致的流体作用力经由差分输出微杠杆作用在静电弱耦合谐振结构的外部音叉型谐振器的音叉谐振梁之上，A型微杠杆结构与B型微杠杆结构在音叉谐振梁上产生的作用力方向相反，因此音叉谐振梁的机械刚度发生变化，从而导致静电弱耦合谐振结构的特征向量发生变化，最终反应为两组音叉型谐振器的振动幅度产生差异。通过测量两组音叉型谐振器的振动幅度的比值变化，即可得到水平流场中空气流速的大小。

本发明通过给两组音叉型谐振器施加带有不同直流偏置信号的交流驱动电压，由于静电负刚度效应，改变静电弱耦合谐振结构的静电耦合刚度，从而进一步改变硅微流速计的机械灵敏度和测量范围。

进一步的，在静电弱耦合谐振结构的驱动电容梳齿上施加交流驱动电压时，会使两组音叉谐振梁产生受迫振动。将检测梳齿上产生的交流信号经由电容-电压转化电路后输入闭环锁相电路之中，可以将所施加的交流驱动电压频率锁定在静电弱耦合谐振结构的谐振频率。

进一步的，在两组音叉型谐振器的驱动电容梳齿施加带有不同直流偏置信号的交流驱动电压时，会在静电耦合梳齿组上产生静电力，由于静电负刚度效应，从而改变静电弱耦合谐振结构的静电耦合刚度。硅微流速计的机械灵敏度和测量范围都和静电耦合刚度相关，具体来说，静电耦合刚度增大时，硅微流速计的机械灵敏度增大，测量范围减小；静电耦合刚度减小时，硅微流速计的机械灵敏度减小，测量范围增大。因此，通过改变交流驱动电压的直流偏置，就可以改变硅微流速计的机械灵敏度和测量范围。

有益效果：本发明相对于现有技术而言具有以下优点：

采用方向解耦结构，保证硅微流速计的方向性输出信号呈“8”字形。

采用A、B两种不同类型的微杠杆结构，并通过参数调整实现了力的放大倍数一致，方向相反，有利于提升由于外部空气流速导致的作用在音叉谐振梁上的轴向力大小，从而提升硅微流速及性能。

采用将一组音叉型谐振器布置在另一组音叉型谐振器内部的布置方式，从而实现音叉型谐振器两根音叉谐振梁之间的全耦合，保证音叉谐振梁振动时的对称性。

采用静电耦合方式将两组音叉型传感器进行运动耦合，并可以通过外部控制电路改变静电耦合负刚度的大小，从而改变就可以改变硅微流速及的机械灵敏度和测量范围，以适应不同的测量要求。

附图说明

图1、为本发明的整体机械结构示意图；

图2为本发明的硅微机械结构示意图；

图3a为本发明的第一静电弱耦合谐振结构示意图；

图3b为本发明的第二静电弱耦合谐振结构示意图；

图4a为本发明的第一差分输出微杠杆示意图；

图4b为本发明的第二差分输出微杠杆示意图；

图5为本发明的方向解耦结构示意图；

图6为本发明的玻璃绝缘层及信号引出线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

如图1所示，本发明提供的一种机械灵敏度和测量范围可调的硅微流速计采用三层结构，具体为作为信号接收层的金属立柱1，作为信号转化层的硅微机械结构，以及作为信号输出层的玻璃绝缘层7及其信号引线。金属立柱1通过紫外线固化胶粘合在硅微机械结构上表面的中心位置，用于敏感外界的流速信号；硅微机械结构的通过硅-玻璃键合技术固定在玻璃绝缘层7上表面，硅微机械的锚点与玻璃绝缘层7的金属引线位置相对应，从而实现电信号的输入输出控制。

如图2所示所述硅微机械结构由底座托盘5，两组第一、二差分输出微杠杆3-1、3-2，两组第一、二静电弱耦合谐振结构2-1、2-2，第一、二、三、四方向解耦结构4-1、4-2、4-3、4-4组成，用于将外界流速信号转化为可以进行直接测量的电信号；第一、二差分输出微杠杆3-1、3-2分别布置在底座托盘5的上、下位置，通过第一、二输入解耦梁3-1-1、3-2-1与底座托盘5相连接；第一、二静电弱耦合结构2-1、2-2分别布置在底座托盘5的左右位置，并分别与第一、二差分输出微杠杆3-1、3-2的第一、二、三、四输出梁3-1-6、3-1-7、3-2-6、3-2-7相连接。第一、二、三、四方向解耦结构4-1、4-2、4-3、4-4布置在底座托盘5的左上、左下、右下、右上四个位置，分别通过第一、二、三、四方向解耦梁4-1-2、4-4-2、4-3-2、4-2-2与底座托盘5相连接。

如图3a和3b所示，所述两组差分微分输出微杠杆3-1、3-2结构完全相同。具体以第一差分微分输出微杠杆3-1为例，

所述第一差分微分输出微杠杆3-1由第一输入解耦梁3-1-1，两个第一、二输出梁3-1-6、3-1-7，两个第一、二支撑梁3-1-9、3-1-8，两个第一、二微杠杆3-1-4、3-1-5，两个第一、二杠杆锚点3-1-2、3-1-3组成，用于输入作用力的放大；

第一输入解耦梁3-1-1分别与两个第一、二微杠杆3-1-4、3-1-5的一端相连接；第一杠杆锚点3-1-2通过第一支撑梁3-1-9连接在第一微杠杆3-1-4的中间位置，第一输出梁3-1-6的一端与第一静电弱耦合谐振结构2-1相连接，另一端连接在第一微杠杆3-1-4的另一端，从而形成A型微杠杆结构；

第二杠杆锚点3-1-3通过支撑梁二3-1-8连接在第二微杠杆3-1-5的另一端，第二输出梁3-1-7的一端与第二静电弱耦合结构2-2相连接，另一端连接在第二微杠杆3-1-5的中间位置，从而形成B型微杠杆结构。

如图4a和4b所示，其中第一、二静电弱耦合谐振结构2-1、2-2结构完全相同；所述第一静电弱耦合谐振结构2-1由两组第一、二音叉型谐振器2-1-1、2-1-2组成，用于将微力信号转换为可以通过配套电路测量的电容信号；所述第一音叉谐振器2-1-1包括第一音叉谐振梁2-1-1-9、第一、二静电耦合梳齿电容2-1-1-7、2-1-1-8，第一、二驱动电容梳齿2-1-1-1、2-1-1-2，第一、二、三、四检测电容梳齿2-1-1-3、2-1-1-4、2-1-1-5、2-1-1-6；

所述第二音叉谐振器2-1-2包括第二音叉谐振梁2-1-2-9、两组第三、第四静电耦合梳齿电容2-1-2-7、2-1-2-8，第三、第四驱动电容梳齿2-1-2-1、2-1-2-2，第五、六、七、八检测电容梳齿2-1-2-3、2-1-2-4、2-1-2-5、2-1-2-6；

第一音叉谐振器2-1-1布置在第二音叉谐振器2-1-2中间，两组第一、二音叉谐振器2-1-1、2-1-2的每根谐振梁中部的一侧分别连接有第一、二、三、四静电耦合电容梳齿2-1-1-7、2-1-1-8、2-1-2-7、2-1-2-8，第一、三静电耦合电容梳齿2-1-1-7、2-1-2-7对插布置形成静电耦合梳齿组一，第二、四静电耦合电容梳齿2-1-1-8、2-1-2-8对插布置形成静电耦合梳齿组二，静电耦合梳齿组的布置方向均为水平方向；

第一、二音叉谐振器2-1-1、2-1-2的每根谐振梁中部的另一侧均连接驱动检测电容梳齿，第一、二、三、四驱动电容梳齿2-1-1-1、2-1-1-2、2-1-2-1、2-1-2-2与驱动检测电容梳齿对插形成驱动梳齿组，第一、二、三、四、五、六、七、八检测电容梳齿2-1-1-3、2-1-1-4、2-1-1-5、2-1-1-6、2-1-2-3、2-1-2-4、2-1-2-5、2-1-2-6与驱动检测电容梳齿对插形成检测梳齿组；

第一音叉谐振器2-1-1的一端与第一、二差分输出微杠杆3-1)的第二输出梁3-1-7相连接，另一端与第一、二差分输出微杠杆3-2的第四输出梁3-2-7相连接。

其中第一、二、三、四方向解耦结构4-1、4-2、4-3、4-4结构完全相同；如图5所示，具体以第一方向解耦结构4-1为例，所述第一方向解耦结构4-1由第一解耦锚点4-1-1和第一方向解耦梁4-1-2组成，用于保证传感器良好的“8”字型方向特性；第一方向解耦梁4-1-2的一端与第一解耦锚点4-1-1相连接。

本发明中玻璃绝缘层7表面上的电极及引线分布如图6所示。

其中第一、二、三、四电极6-3-1、6-3-2、6-3-3、6-3-4分别于第一静电弱耦合谐振结构2-1的第一、二、三四检测电容梳齿2-1-1-3、2-1-1-4、2-1-1-5、2-1-1-6键合，并通过引线与第一、二检测信号引出电极6-1-1、6-1-2相连接；

第五、六电极6-3-5、6-3-6分别于第一静电弱耦合谐振结构2-1的第一、二驱动电容梳齿2-1-1-1、2-1-1-2键合，并通过引线与第一、二驱动信号引出电极6-1-3、6-1-4相连接；

第七、八电极6-4-5、6-4-6分别于第一静电弱耦合谐振结构2-1的第三、四组驱动电容梳齿2-1-2-1、2-1-2-2键合，并通过引线与第三、四驱动信号引出电极6-2-3、6-2-4相连接；

其中第九、十、十一、十二电极6-4-1、6-4-2、6-4-3、6-4-4分别于第一静电弱耦合谐振结构2-1的第五、六、七、八检测电容梳齿2-1-2-3、2-1-2-4、2-1-2-5、2-1-2-6键合，并通过引线与第三、四检测信号引出电极6-2-1、6-2-2相连接；

第十三、十四电极6-7-5、6-7-6分别于第二静电弱耦合谐振结构2-2的第五、第六驱动电容梳齿2-2-1-1、2-2-1-2键合，并通过引线与第五、第六驱动信号引出电极6-5-3、6-5-4相连接；第十五、十六电极6-8-5、6-8-6分别于第二静电弱耦合谐振结构2-2的第七、八驱动电容梳齿2-2-2-1、2-2-2-2键合，并通过引线与第七、八驱动信号引出电极6-6-3、6-6-4相连接；

第十七、十八、十九、二十电极6-9-1、6-9-2、6-9-4、6-9-4分别与第三、四音叉谐振梁2-1-2-9、2-2-2-9键合，并通过引线与第一、二静电公共引出电极6-10-1、6-10-2相连接；第二十一、二十二电极6-11-1、6-11-2与硅微流速计公共端键合，并通过引线与第一、二公共端引出电极6-12-1、6-12-2相连接。

第二十三、二十四、二十五、二十六电极6-7-1、6-7-2、6-7-3、6-7-4分别于第二静电弱耦合谐振结构2-2的第九、十、十一、十二检测电容梳齿2-2-1-3、2-2-1-4、2-2-1-5、2-2-1-6键合，并通过引线与第五、六检测信号引出电极6-5-1、6-5-2相连接；

第二十七、二十八、二十九、三十电极6-8-1、6-8-2、6-8-3、6-8-4分别于第二静电弱耦合谐振结构2-2的第十三、十四、十五、十六检测电容梳齿2-2-2-3、2-2-2-4、2-2-2-5、2-2-2-6键合，并通过引线与第七、八检测信号引出电极6-6-1、6-6-2相连接。

本发明的机械灵敏度和测量范围可调的硅微流速计布置与水平空气流场之中时，由于金属立柱表面的摩擦阻力及压差阻力导致的流体作用力经由差分输出微杠杆作用在静电弱耦合谐振结构的外部音叉型谐振器的音叉谐振梁之上，A型微杠杆结构与B型微杠杆结构在音叉谐振梁上产生的作用力方向相反，因此音叉谐振梁的机械刚度发生变化，从而导致静电弱耦合谐振结构的特征向量发生变化，最终反应为两组音叉型谐振器的振动幅度产生差异。通过测量两组音叉型谐振器的振动幅度的比值变化，即可得到水平流场中空气流速的大小。音叉型谐振器振动幅度的比值表达式为：

其中，Δk为音叉谐振梁的机械刚度的变化。k_c为静电弱耦合负刚度。在两组音叉型谐振器的驱动电容梳齿施加带有不同直流偏置信号的交流驱动电压时，会在静电耦合梳齿组上产生静电力，由于静电负刚度效应，从而改变静电弱耦合谐振结构的静电耦合刚度，静电负刚度表达式如下：

其中，N为静电弱耦合梳齿的数量，h和l为静电弱耦合梳齿的宽度和长度，e为静电弱耦合梳齿间的距离，ε为电容的绝对参数，VT为施加在静电公共引出电极与公共端引出电极之间的偏置电压之差。硅微流速计的机械灵敏度和测量范围都和静电耦合刚度相关，具体来说，静电耦合刚度增大时，硅微流速计的机械灵敏度增大，测量范围减小；静电耦合刚度减小时，硅微流速计的机械灵敏度减小，测量范围增大。因此，通过改变施加在静电公共引出电极与公共端引出电极之间的偏置电压之差，就可以改变硅微流速计的机械灵敏度和测量范围。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。