易调整式弱耦合微压力传感器及闭环控制和温度补偿方法

1.本发明属于mems传感器设计和控制领域，具体涉及一种易调整式弱耦合微压力传感器及闭环控制和温度补偿方法。


背景技术：

2.弱耦合谐振传感器是谐振式传感器的一种，因耦合结构刚度远小于单谐振器刚度而得名，相比于传统的频率输出式谐振传感器，其以高灵敏度而著名，将其应用于微压力传感器则期望获得更高的压力分辨力。传统谐振式传感器以频率做输出量，而在弱耦合传感器中频率对待测量的灵敏度通常很低但是谐振器的振幅对待测量有很高的灵敏度，因此通常选择振幅相关的因变量作为输出量，2016年zhao等发表在journal of microelectromechanical systems学术期刊上的“a comparative study of output metrics for an mems resonant sensor consisting ofthree weakly coupled resonators”对比分析表明以主谐振器振幅信号比值(简称幅值比)做输出量在信噪比、共模抑制比和灵敏度方面具有明显优势，后人普遍选择幅值比做输出量，本发明亦是如此。以幅值比做输出的灵敏度s
ar
如公式(1)，其中，δk为待测压力引起的谐振器的等效刚度变化量，kc为耦合结构的耦合刚度，由此式可见，为提升传感器压力灵敏度一方面可以增加待测压力对单谐振器产生的等效刚度变化量，另一方面设计弱耦合结构使耦合刚度更小。在以往的方案中倾向于将谐振器放置于压力敏感膜上应变最大的区域，即不考虑差分敏感，忽略了差分对灵敏度的放大作用和对共模干扰的抑制作用。除此之外，已有的研究表明弱耦合传感器的灵敏度还与耦合系统的自由度呈正相关，然而为降低复杂度并提高可靠性通常仅选择二自由度系统。
[0003][0004]
对于依靠压力敏感膜敏感压力的传感器，其压力敏感膜存在正应力主导区和负应力主导区，为实现差分敏感需调整两个单谐振器在膜上的位置使二者对压力的频率灵敏度大小相等符号相反，这就要求耦合结构具有足够的可调性以确保谐振器在差分敏感的基础上实现弱耦合，以往的方案并未考虑此问题，导致差分对共模干扰的抵消作用不显著，影响传感器在宽温区范围内的测量精度。
[0005]
谐振式传感器工作在闭环控制状态时可提高其工作稳定性，然而弱耦合谐振式传感器尤其是差分敏感式弱耦合传感器有其特殊的一面。传统的谐振式传感器普遍采用基于等幅振荡的控制方案，然而，在差分敏感式弱耦合传感器中两个单谐振器的振幅都会产生大范围变化，如图1所示，强行使用原始方法会导致传感器产生不确定性故障和丧失差分效果，因此必须采用其他方法实现闭环控制。
[0006]
压力传感器对工作温度通常都具有一定的要求，然而目前对弱耦合传感器温度特性的研究集中在小范围温度抖动对输出特性的影响，倾向于将传感器敏感结构封装于恒温的环境来解决此问题，其中的恒温环境通过额外的加热部件实现，这增加了系统的复杂性
和功耗，限制了弱耦合传感器在宽温区场景的应用。
[0007]
已有的弱耦合谐振式压力传感器结构或未考虑差分设计或未考虑压力传感器差分敏感结构的特殊性，原因如下：差分敏感在设计时需将两个单谐振器对压力的灵敏度进行匹配，以达到数值相等符号相反的目的，如此要求便导致谐振器只能位于压力敏感膜上的指定位置。然而，若要实现两个单谐振器的弱耦合，必须将二者通过微结构连接，以往的单一细梁结构此时不易满足上述要求，且耦合刚度的调整能力非常有限，极大的限制了传感器性能的提高。
[0008]
传统的基于谐振器恒幅振荡的闭环控制方案会限制差分敏感效果的展现，因其直接限制了谐振器的振幅，也正是此原因导致此类闭环控制引入不确定因素，可能使传感器无法正常工作。
[0009]
现有的研究仅能证明弱耦合传感器对小范围环境温度抖动不敏感，即共模抑制能力强，对宽温区的应用还未见提及。


技术实现要素：

[0010]
为解决上述技术问题，本发明提出了一种易调整式弱耦合微压力传感器及闭环控制和温度补偿方法，以满足应用于宽温区压力测量的需求。本发明的结构非常容易调整，在确保差分敏感的基础上实现耦合刚度可调的弱耦合谐振器。本发明采用基于恒幅激励的方案，为进一步提升闭环控制的稳定性还加入了鉴相器环节，并将未受交流激励的谐振器的振幅信号作为鉴相器的参考信号，以此将耦合谐振器的模态锁定在工作模态。本发明将两个谐振器的位移之和用于环境温度的表征，实现外界温度的表征，从而完成对传感器温度特性的补偿即排除温度对待测压力值的影响。
[0011]
本发明提出适用于-20～60℃宽温区的温度补偿方案，两个单谐振器采用差分敏感设计，待测压力会导致二者分别产生-δk和δk的等效刚度变化，而温度是共模变化量，导致二者都产生δkt的等效刚度变化，温度的影响也因此被削弱。
[0012]
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0013]
一种易调整式弱耦合微压力传感器，包括易调整式弱耦合谐振器，所述易调整式弱耦合谐振器由两个单谐振器以及弱耦合结构组成；所述单谐振器为第一谐振器和第二谐振器；所述第一谐振器和第二谐振器相同，可以互相替换；第一谐振器和第二谐振器均包括锚点、双端固支耦合梁谐振器、应变片式压阻拾振结构、静电刚度调谐结构和静电驱动结构；所述静电驱动结构连接在双端固支耦合梁谐振器的中间，用于驱动双端固支耦合梁谐振器振动，应变片式压阻拾振结构位于双端固支耦合梁谐振器的末端，当双端固支耦合梁谐振器振动时会迫使应变片式压阻拾振结构的电阻变化，从而拾取振动信息；第一谐振器和第二谐振器沿长度方向平行布置在压力敏感膜片上，并通过锚点与压力敏感膜相连接，弱耦合结构的第一连接端的两端分别与靠近第一谐振器和第二谐振器的锚点的位置相连。
[0014]
进一步地，所述弱耦合结构包括第一耦合连杆、两个平行的第一连接端、支撑杆；先调整第一谐振器、第二谐振器的位置以满足差分敏感需求，然后加入弱耦合结构并通过调整其结构参数实现弱耦合。
[0015]
进一步地，两个平行的连接端正向平行，第一谐振器和第二谐振器的耦合振动一阶模态的反相模态频率低于同相模态。
[0016]
进一步地，两个平行的第一连接端反向平行，此时两个单谐振器的耦合振动一阶模态的反相模态频率高于同相模态。
[0017]
进一步地，单谐振器包括双端固支梁、折叠梁谐振器。
[0018]
进一步地，谐振器的激励与拾振结构包括静电力激励和压阻应变拾振、静电力激励/电容拾振或电磁力激励/磁生电检测。
[0019]
本发明还公开一种易调整式弱耦合微压力传感器的闭环控制方法，包括：
[0020]
基于恒激励振荡原理，第一谐振器和第二谐振器可以互换位置，未受交流信号激励的第二谐振器的振动位移用作鉴相器的参考相位和频率参考，接受激励信号的第一谐振器的振动位移信号首先经前级放大环节进行放大，之后通过移相环节调整输出信号的相位以使其与第二谐振器的振动位移信号接入鉴相器前初始相位差为零，鉴相器将相位差信息运算后送入压控振荡环节，再由压控振荡环节产生对应的交流激励信号。
[0021]
本发明还公开另一种易调整式弱耦合微压力传感器的闭环控制方法，包括：
[0022]
由前级放大环节和压控振荡器实现，第一谐振器和第二谐振器中仅有一个谐振器参与闭环控制，采用闭环控制的谐振器的振动位移信号经前级放大环节处理后直接接入压控振荡器，压控振荡器依据此振动位移信号的幅值产生对应的频率激励信号，此频率激励信号直接接入采用闭环控制的谐振器的驱动端，从而实现其稳定振动。
[0023]
进一步地，所述闭环控制方法用于包括二自由度弱耦合的敏感结构的差分和非差分敏感的场景。
[0024]
本发明还公开一种易调整式弱耦合微压力传感器的温度补偿方法，包括如下内容：将因温度导致的谐振器的振动位移信号发生的偏移通过某一部件或可测量量表征，借此解算出温度信息，再结合谐振器的振动位移信号解算出真实的待测压力值；将工作模态下两个单谐振器的振动位移信号之和用作温度补偿，即：假设两个单谐振器在同相模态下振动位移为x
1，i
和x
2，i
，在反相模态下振动位移为x
1，o
和x
2，o
，则用于温度补偿的变量的表达式如式(2)和式(3)所示，通过两式表征传感器环境温度，再结合幅值比信号x
1，i
/x
2，i
或x
1，o
/x
2，o
获得真实待测压力信号，即实现补偿：
[0025]
ti(
·
)＝x
1，i
+x
2，i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0026]
to(
·
)＝x
1，o
+x
2，o
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0027]
所述工作模态为同相模态或反相模态。
[0028]
有益效果：
[0029]
1、在匹配两个谐振器的差分压力灵敏度的基础上，利用本发明提出的耦合方案可以很方便的形成弱耦合效果，即不影响谐振器差分特性的基础上更易调整耦合强度。另外，通过变换两种耦合结构可调整弱耦合谐振器系统同相模态的频率高于或低于反相模态频率，例如采用易调整式弱耦合第一方案时耦合谐振器系统的反相模态频率低于同相模态，易调整式弱耦合第二方案则反之。
[0030]
2、以往的谐振器闭环方案多采用恒幅振荡原理，然而宽温区差分弱耦合传感器中两个谐振器的振幅都可能会产生大范围变化，不适合采用上述方案。本发明提出的基于恒幅激励方案维持激励恒定，通过压控振荡器产生与当前谐振器的同频的驱动信号，为进一步提高稳定性还加入了鉴相器，将第二谐振器的频率信号用于相位参考，将第一谐振器和第二谐振器的振动模态锁定在工作模态(同相模态或反相模态)。
[0031]
3、以往的研究中并未有针对此类传感器温度特性进行补偿的表述，本发明提出的温度补偿方案可设计为与所有温度、压力测试点具有单一的对应关系，可有效的表征弱耦合压力传感器的温度特性，降低温度对待测压力结果稳定性的影响。
附图说明
[0032]
图1为二自由度弱耦合压力传感器在-20～60℃振动位移特性图；
[0033]
图2为易调整式弱耦合第一方案示意图；
[0034]
图3为易调整式弱耦合第二方案示意图；
[0035]
图4为二自由度弱耦合传感器闭环控制方法结构框图；
[0036]
图5为另一闭环控制方法结构框图。
[0037]
图中，100-第一谐振器；1-锚点；2-双端固支耦合梁谐振器；3-静电驱动结构；4-静电刚度调谐结构；6-应变片式压阻拾振结构；200-第二谐振器；300-弱耦合结构；301-第一耦合连杆；302-第一连接端；303-支撑杆；400-耦合梁；401-第二耦合连杆；402-第二连接端；403-第二支撑杆。
具体实施方式
[0038]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0039]
本发明提出了一种易调整式弱耦合微压力传感器及闭环控制和温度补偿方法，以满足应用于宽温区压力测量的需求。在双谐振器差分敏感的压力传感器中，为确保两个谐振器的差分效果通常需设计二者对压力的灵敏度数值上相等，这可以通过调整谐振器在压力敏感膜上的位置实现，因此仅通过一根细梁耦合无法满足设计要求，本发明提出如图2和图3两种易调整式耦合谐振器解决此问题。本发明还提出了适用于上述易调整式耦合谐振器的闭环控制方法，如图4所示。除此之外，本发明提出了能满足-20～60℃宽温区应用的温度补偿方法。
[0040]
如图2所示，本发明的易调整式弱耦合谐振器适用于弱耦合式微压力传感器器，此类型的传感器通过膜片敏感待测压力，并通过锚定在膜片上的谐振器来敏感膜片的应变或应力。第一方案中，易调整式弱耦合谐振器由两个单谐振器，即第一谐振器100、第二谐振器200以及弱耦合结构300组成。第一谐振器100和第二谐振器200本质上无任何区别，可以互相替换，第一谐振器100和第二谐振器200均包括锚点1、双端固支耦合梁谐振器2、应变片式压阻拾振结构6、静电刚度调谐结构4和静电驱动结构3。第一谐振器100和第二谐振器200的主体结构都是一个双端固支耦合梁谐振器2，静电驱动结构3连接在双端固支耦合梁谐振器2的中间，用于驱动双端固支耦合梁谐振器2振动，应变片式压阻拾振结构6位于双端固支耦合梁谐振器2的末端，当双端固支耦合梁谐振器2振动时会迫使应变片式压阻拾振结构6的电阻变化，从而拾取振动信息。第一谐振器100和第二谐振器200沿长度方向平行布置在压力敏感膜片上，并通过锚点1与压力敏感膜相连接，弱耦合结构300的第一连接端302的两端分别与靠近第一谐振器100和第二谐振器200的锚点1的位置相连。
[0041]
所述弱耦合结构300进一步细分包括第一耦合连杆301、两个平行的第一连接端302、支撑杆303。支撑杆303的一端与第一耦合连杆301的中间相连，另一端通过锚点1与压力敏感膜相连。支撑杆303连接在第一耦合连杆301的两端，另一端与第一谐振器100和第二谐振器200相接且相接点与锚点1的间距为双端固支耦合梁谐振器2长度的0.1至0.001。设计过程中可先调整第一谐振器100、第二谐振器200的位置以满足差分敏感需求，然后加入弱耦合结构300并通过调整其结构参数实现弱耦合，在结构厚度恒定(取决于绝缘体上硅的器件层的厚度)的基础上，通过增加支撑杆303的长度或减小宽度、增加第一耦合连杆301的长度或减小宽度、减小支撑杆303与双端固支耦合梁谐振器2连接点距锚点1的距离皆可使耦合刚度弱化，从而实现弱耦合。此方案中，第一谐振器100和第二谐振器200耦合振动一阶模态的反相模态频率低于同相模态。
[0042]
如图3所示，第二方案中，易调整式弱耦合谐振器的基本结构与第一方案完全相同，同样由第一谐振器100和第二谐振器200两个无弱耦合特征的单谐振器以及耦合梁400组成。单谐振器的组成与第一方案中的完全一致，第二支撑杆403同样与第二耦合连杆401的中间相接，只是此时耦合梁400的第二耦合连杆401末端的两个第二连接端402反向平行，此时两个单谐振器耦合振动一阶模态的反相模态频率高于同相模态。
[0043]
如图4所示为适用于本发明的易调整式弱耦合微压力传感器的闭环控制方法。闭环控制方法基于恒幅激励振荡而设计，第一谐振器和第二谐振器位置可以互换，未受交流信号的激励的谐振器(假设为图4中第二谐振器)的振动位移用作鉴相器的相位参考和频率参考，鉴相器将第一谐振器和第二谐振器的相位差信息送入压控振荡环节，从而产生对应的交流激励信号来驱动第一谐振器从而维持其稳定振荡。此方法中两个单谐振器的工作模态(同相模态或反相模态)不再仅依靠驱动频率来选定，而是可以通过鉴相器环节进一步锁定工作模态，提高了耦合系统的振动稳定性。
[0044]
本发明的温度补偿方法中，温度补偿是将两个单谐振器工作模态(同相模态或反相模态)的振动位移信号之和用作温度补偿，具体而言，假设两个单谐振器在同相模态下振动位移为x
1,i
和x
2,i
，在反相模态下振动位移为x
1,o
和x
2,o
，则用于两个工作模态的温度补偿的变量温度值ti(
·
)或to(
·
)的表达式如式(2)和式(3)所示，通过此式即可计算传感器环境温度，从而实现补偿。
[0045]
ti(
·
)＝x
1，i
+x
2，i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0046]
to(
·
)＝x
1，o
+x
2，o
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0047]
优选的，单谐振器的结构可以为双端固支梁、折叠梁谐振器等。
[0048]
优选的，谐振器的激励与拾振结构不局限于静电力激励和压阻应变拾振，也可为静电力激励/电容拾振、电磁力激励/磁生电检测等。
[0049]
优选的，闭环控制方法也可仅由前级放大环节和压控振荡器组成，如图5所示，此方法中第一谐振器和第二谐振器中仅一个谐振器参与闭环控制，为便于描述这里以第一谐振器为主，其振动位移信号经前级放大环节处理后直接接入压控振荡器，压控振荡器依据此位移信号的幅值产生对应的频率激励信号，此激励信号接入第一谐振器的驱动端，从而实现谐振器的稳定振动。
[0050]
优选的，闭环控制方法也可用于非差分敏感的场景，只要是二自由度弱耦合的敏感结构皆可。
[0051]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种易调整式弱耦合微压力传感器，其特征在于，包括易调整式弱耦合谐振器，所述易调整式弱耦合谐振器由两个单谐振器以及弱耦合结构组成；所述单谐振器为第一谐振器和第二谐振器；所述第一谐振器和第二谐振器相同，可以互相替换；第一谐振器和第二谐振器均包括锚点、双端固支耦合梁谐振器、应变片式压阻拾振结构、静电刚度调谐结构和静电驱动结构；所述静电驱动结构连接在双端固支耦合梁谐振器的中间，用于驱动双端固支耦合梁谐振器振动，应变片式压阻拾振结构位于双端固支耦合梁谐振器的末端，当双端固支耦合梁谐振器振动时会迫使应变片式压阻拾振结构的电阻变化，从而拾取振动信息；第一谐振器和第二谐振器沿长度方向平行布置在压力敏感膜片上，并通过锚点与压力敏感膜相连接，弱耦合结构的第一连接端的两端分别与靠近第一谐振器和第二谐振器的锚点的位置相连。2.根据权利要求1所述的一种易调整式弱耦合微压力传感器，其特征在于，所述弱耦合结构包括第一耦合连杆、两个平行的第一连接端、支撑杆；先调整第一谐振器、第二谐振器的位置以满足差分敏感需求，然后加入弱耦合结构即可通过调整其结构参数实现弱耦合。3.根据权利要求2所述的一种易调整式弱耦合微压力传感器，其特征在于，两个平行的连接端正向平行，第一谐振器、第二谐振器的一阶振动模态的反相模态频率低于同相模态。4.根据权利要求1所述的一种易调整式弱耦合微压力传感器，其特征在于，两个平行的第一连接端反向平行，此时两个单谐振器耦合一阶振动模态的反相模态频率高于同相模态。5.根据权利要求1所述的一种易调整式弱耦合微压力传感器，其特征在于，单谐振器包括双端固支梁、折叠梁谐振器。6.根据权利要求1所述的一种易调整式弱耦合微压力传感器，其特征在于，谐振器的激励与拾振结构包括静电力激励和压阻应变拾振、静电力激励/电容拾振或电磁力激励/磁生电检测。7.根据权利要求1-6之一所述的一种易调整式弱耦合微压力传感器的闭环控制方法，其特征在于，包括：基于恒激励振荡而工作，第一谐振器和第二谐振器可以互换位置，未受交流信号激励的第二谐振器的振动位移用作鉴相器的相位参考和频率参考，接受激励信号的第一谐振器的振动位移信号首先经前级放大环节进行放大，之后通过移相环节调整输出信号的相位以使其与第二谐振器的振动位移信号接入鉴相器前初始相位差为零，鉴相器将相位差信息运算后送入压控振荡环节，再由压控振荡环节产生对应的交流激励信号。8.根据权利要求1-6之一所述的一种易调整式弱耦合微压力传感器的闭环控制方法，其特征在于，包括：仅由前级放大环节和压控振荡器实现，第一谐振器和第二谐振器中仅有一个谐振器参与闭环控制，参与闭环控制的谐振器的振动位移信号经前级放大环节处理后直接接入压控振荡器，压控振荡器依据此振动位移信号的幅值产生对应的频率激励信号，此频率激励信号接入采用闭环控制的谐振器的驱动端，从而实现其稳定振动。9.根据权利要求7或8的闭环控制方法，其特征在于，所述闭环控制方法用于包括二自由度弱耦合的敏感结构的差分或非差分敏感的场景。10.根据权利要求1-6之一所述的一种易调整式弱耦合微压力传感器的温度补偿方法，其特征在于，包括如下内容：将因温度导致的谐振器的振动位移信号发生的偏移通过某一
部件或可测量量表征，借此解算出温度信息，再结合谐振器的振动位移信号解算出真实的待测压力值；将工作模态下两个单谐振器的振动位移信号之和用作温度补偿，即：假设两个单谐振器在同相模态下振动位移为x
1,i
和x
2,i
，在反相模态下振动位移为x
1,o
和x
2,o
，则用于温度补偿的变量的表达式如式(2)和式(3)所示，通过两式表征传感器环境温度，再结合幅值比信号x
1,i
/x
2,i
或x
1,o
/x
2,o
获得真实待测压力信号，即可实现补偿：t
i
(
·
)＝x
1,i
+x
2,i
ꢀꢀꢀꢀ
(2)t
o
(
·
)＝x
1,o
+x
2,o
ꢀꢀꢀꢀ
(3)所述工作模态为同相模态或反相模态。

技术总结
本发明提出一种易调整式弱耦合微压力传感器及闭环控制和温度补偿方法，以满足应用于宽温区微压力测量的需求。本发明的结构非常容易调整，在确保差分敏感的基础上实现弱耦合谐振器的耦合刚度调整。本发明采用基于恒幅激励的方案，为进一步提升闭环控制的稳定性加入了鉴相器环节，并将未受交流激励的谐振器的振幅信号作为鉴相器的参考信号，以此将耦合谐振器的模态锁定在工作模态。本发明将两个谐振器的位移之和用于环境温度的表征，从而对传感器温度特性偿，实现传感器输出与温度的解耦。实现传感器输出与温度的解耦。实现传感器输出与温度的解耦。


技术研发人员：陈德勇 秦佳新 鲁毓岚 谢波 王军波
受保护的技术使用者：中国科学院空天信息创新研究院
技术研发日：2023.07.05
技术公布日：2023/10/6