具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种弱耦合谐振式加速度传感器，如图1所示，该弱耦合谐振式加速度传感器包括：谐振器系统1、差分微杠杆结构2、敏感质量块3及其支撑结构4。

其中，谐振器系统1包括：第一谐振器单元、第二谐振器单元和耦合结构13；第一谐振器单元包括：双端音叉谐振器11，第二谐振器单元包括：双端固支谐振器12，双端音叉谐振器11通过耦合结构(准锚点耦合结构)13与双端固支谐振器12(标准谐振器)连接。差分微杠杆结构2的输入端与敏感质量块3连接，差分微杠杆结构2的输出端与第二谐振器连接。

本发明传感器的工作机制：双端音叉谐振器11在同相模态时和双端固支谐振器12产生耦合，如图2和图3所示，图2为耦合谐振器的同相模态，图3为耦合谐振器的反相模态。外界加速度作用于传感器产生惯性力，惯性力作用于敏感质量块3，通过差分微杠杆结构2的放大最终作用在双端固支谐振器12上，改变双端固支谐振器12的等效刚度，使得弱耦合谐振式加速度传感器的能量在谐振器之间重新分布，双端固支谐振器12和双端音叉谐振器11的振动幅值比发生改变，完成加速度-惯性力-刚度-幅值比传感机制。考虑工艺误差，双端固支谐振器12和双端音叉谐振器11频率相差较大的情况，可以利用调节电极调节双端音叉谐振器11的频率选定合适的耦合谐振器系统的工作点。

灵敏度温度效应补偿机制：双端音叉谐振器11工作在反相模态时和双端固支谐振器12不会产生耦合效应，如图4所示，双端固支谐振器12未发生形变，不影响传感器的工作模态(换句话说：双端音叉谐振器11的同相模态对加速度不敏感)，保证双端音叉谐振器11的同相模态只对温度敏感。当外界温度发生改变时，耦合谐振器系统中的双端音叉谐振器11的反相模态，如图4所示，随着外界温度的变化呈线性变化，根据双端音叉谐振器11的反相模态的谐振频率的变化，“同位”、“同时”解算出耦合谐振器系统的温度，再根据图7灵敏度和温度变化的关系拟合补偿，从而可以保证MEMS弱耦合谐振式加速度传感器的灵敏度在工作时保持恒定不变。

MEMS弱耦合谐振式加速度传感器的振动方程：

公式(1)和(2)为双端固支梁谐振器振动方程；x₁，x₂为双端固支谐振器12和双端音叉谐振器11的位移；m₁，m₂为双端固支谐振器12和双端音叉谐振器11的有效质量(m₁＝m₂＝m)；k₁，k₂为双端固支谐振器12和双端音叉谐振器11的等效刚度(k₁＝k₂＝k)，由器件材料和尺寸等决定；ξ₁，ξ₂为双端固支谐振器12和双端音叉谐振器11的阻尼比，由两个谐振器的品质因数和真空度等参数决定；k_c为线性耦合刚度系数。

解式(1)和(2)得出耦合系统的频率和幅值比相对于刚度变化的关系表达式如式(3)和(4)所示：

上式中Δk为刚度扰动量；ω_i为耦合谐振器的模态频率；i＝1,2分别对应耦合谐振器的反向模态和同相模态；AR为耦合谐振器的幅值比，无量纲。

由于温度变化，硅材料的杨氏模量和热膨胀系数都会改变，从而改变谐振器的刚度。杨氏模量的影响相对于谐振频率的变化为-60ppm/K；热膨胀系数相对于谐振频率的变化为2.57ppm/K，综合考虑这两方面的因素，通过COMSOL Multiphysics仿真，相对于谐振频率的变化为-28.75ppm/K。

根据图2至图4，COMSOL Multiphysics仿真得知可以实现上文所述的耦合谐振器系统的同相模态图2、反相模态图3和对加速度不敏感但对温度敏感的双端音叉谐振器的反相模态图4。

进一步仿真如图5所示，得出耦合谐振器系统的模态频率相对加速度的响应曲线，曲线分别为耦合系统反相模态和同相模态的响应曲线，下面曲线为双端音叉谐振器的反相模态频率相对加速度的响应曲线，从图中可以直观看出双端音叉谐振器11的反相模态对加速度并不敏感，频率相对于加速度的变化可以忽略不计。图6仿真得出耦合谐振器反向模态的幅值比相对加速度的变化曲线，室温下(dT＝0)拟合得出线性区的灵敏度为3.23AR/g(Amplitude Ratio幅值比，无量纲)。

如图1所示，差分微杠杆结构2使用两个对称的单级差分微杠杆结构。差分微杠杆结构2包括：支点梁21、杠杆力臂22、杠杆力输入梁23和杠杆力输出梁24。杠杆力输入梁23的第一端与敏感质量块3连接，杠杆力输入梁23的第二端与杠杆力臂22的第一侧连接；杠杆力输出梁24的第一端与杠杆力臂22的第二侧连接，杠杆力输出梁24的第二端与双端固支谐振器12连接；杠杆力臂22第二侧的一端点用于通过支点梁21连接在杠杆结构锚点25上。

其中，差分微杠杆结构2可以是单级杠杆，也可以是串并联多级联杠杆，对加速度作用于敏感质量块3的惯性力进行放大，用于增大MEMS弱耦合谐振式加速度传感器的灵敏度。

敏感质量块3上设有多个整齐排列刻蚀孔。敏感质量块3上添加刻蚀孔便于工艺加工时湿法腐蚀释放敏感质量块。敏感质量块3由其支撑结构4撑起并且固定。支撑结构4包括：若干悬臂结构，各悬臂结构的第一端与敏感质量块3连接，各悬臂结构的第二端用于连接在相应的支撑结构锚点41上。

本实施例中，共设有四个悬臂结构，包括：两个顶部悬臂结构和两个底部悬臂结构。两个顶部悬臂结构分别设置在敏感质量块3的顶部与相应的支撑结构锚点41之间，两个底部悬臂结构分别设置在敏感质量块3的底部与相应的支撑结构锚点41之间。支撑结构4可以通过设计支撑梁结构来解耦敏感质量块敏感方向，如蛇形梁支撑结构。在外界加速度输入变化以后，敏感质量块3受到惯性力作用，通过差分微杠杆结构2输入到耦合谐振器系统1中。敏感质量块3的质量大小，结构形状可以根据需求的灵敏度和工艺限制进行折中设计。

第二谐振器单元还包括：第二驱动电极18、第二检测电极19及第二调节电极；第二驱动电极18、第二检测电极19和第二调节电极设置在双端固支谐振器12的边沿，第二驱动电极18、第二检测电极19和第二调节电极分别与外接的驱动检测控制电路相连；双端固支谐振器12的第一端与差分微杠杆结构2连接，双端固支谐振器12的第二端与耦合结构13连接。外界施加加速度产生惯性力，敏感质量块3将惯性力通过差分微杠杆结构2进行放大，进一步传导到双端固支谐振器12上，引起双端固支谐振器12等效刚度的改变。双端固支谐振器12可以是双端固支谐振器、压电梁谐振器、环形谐振器、薄膜谐振器等。

第一谐振器单元还包括：第一驱动电极16、第一检测电极14、第一调节电极15。第一驱动电极16、第一检测电极14和第一调节电极15设置在双端音叉谐振器11的边沿，第一驱动电极16、第一检测电极14和第一调节电极15分别与外接的驱动检测控制电路相连。双端音叉谐振器11的第一端与耦合结构13连接，双端音叉谐振器11的第二端用于与谐振器锚点17连接。

双端音叉谐振器11与双端固支谐振器12的区别在于双端音叉谐振器11拥有两个模态：同相模态和反相模态。双端音叉谐振器11工作在同相模态时，可以作为耦合谐振器系统一部分与双端固支谐振器12、耦合结构13组成弱耦合谐振器系统检测加速度；双端音叉谐振器11工作在反相模态时，其模态频率不随加速度的变化而变化，当温度变化时双端音叉谐振器11的反相模态频率随温度的变化而变化，可以作为温度传感器进行感知环境温度的变化，且不影响双端音叉谐振器11与双端固支谐振器12进行耦合工作，利用这一结构特性可以实现MEMS耦合谐振式加速度传感器的温度补偿。此外调节电极用于调节双端音叉谐振器的模态频率，便于调节MEMS弱耦合谐振式加速度传感器的工作点，提高对工艺加工误差的鲁棒性。

耦合结构13作为MEMS弱耦合谐振式加速度传感器的一部分介于双端音叉谐振器11与双端固支谐振器12之间，耦合连接两个谐振器，耦合实现的形式可以由静电耦合、机械耦合。静电耦合结构常见的实现方式是平行板结构，在平行板电极上施加电压，以实现静电负刚度作为耦合谐振器的耦合刚度，通过设计平行板的形状尺寸、谐振器器件封装的真空度也可以调整耦合刚度的大小，但最便捷的方法是使用调整极板电压的大小来控制耦合刚度，从而实现耦合谐振器系统的耦合强度，进一步实现灵敏度大小的控制。机械耦合结构包括梁式耦合结构或者准锚点耦合结构，通过合理的设计准锚点耦合结构可以调节MEMS弱耦合谐振式加速度传感器的灵敏度。机械耦合结构相对于静电耦合方式可以降低电压噪声带来的耦合刚度的变化。综上所述，耦合结构可以是静电平行板耦合结构、梁结构耦合结构、准锚点耦合结构等。

综上所述，本发明提供的MEMS弱耦合谐振式加速度传感器，在保证弱耦合谐振式加速度传感器高灵敏度和补偿灵敏度温度特性的情况下，不需要额外的温度传感器，在单个耦合器件中就可以实现温度补偿效应，降低了器件结构设计和加工的复杂性，大大提高了MEMS弱耦合谐振式加速度传感器的实用性。本发明通过双端音叉谐振器谐振器的反相模态在MEMS弱耦合谐振式加速度传感器中的双重特性(对温度敏感特性和对加速度不敏感特性)实现“同位”、“同时”补偿MEMS弱耦合谐振式加速度传感器灵敏度温度效应。本发明在保证弱耦合谐振器高灵敏度和补偿灵敏度温度特性的情况下，温度补偿双端音叉谐振器谐振器的调节电极可以调节双端音叉谐振器谐振器的同相模态频率，可以灵活的调节MEMS弱耦合谐振式加速度传感器的工作点，同时提高对工艺加工误差的鲁棒性。

设有谐振器系统、差分微杠杆结构、敏感质量块及其支撑结构。当外界加速度作用于敏感质量块结构时，产生惯性力，该惯性力通过差分微杠杆结构放大，作用在双端固支谐振器结构，改变该谐振器结构的等效刚度，从而导致系统注入的能量在系统中重新分布，具体表现为在其中一个谐振器的振动幅度会发生剧烈变化，从而改变两个谐振器的幅值比，完成加速度—惯性力—刚度—幅值比传感机制。此外，双端固支谐振器能够与双端音叉谐振器同相模态耦合工作，用于加速度的检测；当外界温度发生变化时，双端音叉谐振器的反相模态频率随温度变化成线性变化且对加速度不敏感，利用双端音叉谐振器这一双重特性实现同位、同时的补偿外界温度对系统灵敏度的影响。另一方面，该发明提出的结构通过差分微杠杆和弱耦合效应保证了系统高灵敏度的特点。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。