一种基于模态耦合频率自调整的模态局域化静电计

1.本发明属于微机械系统及非线性动力学技术领域，具体涉及一种基于模态耦合频率自调整的模态局域化静电计。


背景技术：

2.微机械静电计作为一种可用于检测极微弱电荷量或电势差的测量仪器，已在核工业、生物检测、化学分析等领域得到了广泛的应用。微米尺度的mems器件在提高静电计动态测量范围以及测量精度上有着无与伦比的经济优势与体积优势，如何提高其检测精度却是一个巨大的挑战。基于模态局域化的高灵敏度谐振式传感器受到广泛的关注。相比于频率变化，基于模态局域化原理的谐振式传感器依据振幅变化实现对被测对象的传感，具有高灵敏度、高分辨率、受环境影响较小等优势。
3.然而，目前基于模态局域化的谐振式传感器的振幅检测线性工作区间普遍较小，灵敏度检测往往会超出线性工作范围，此外还存在加工误差等因素导致的频率匹配问题。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于模态耦合频率自调整的模态局域化静电计，用于解决模态局域化传感器线性工作区间普遍小，灵敏度非线性变化，以及加工误差等因素导致频率匹配的技术问题，通过调控非线性低频谐振梁的振动幅值改变线性高谐振频梁的振动频率，进而影响两个高频谐振梁的模态局域化振幅比，达到拓展线性工作带宽和保证灵敏度的目的。
5.本发明采用以下技术方案：
6.一种基于模态耦合频率自调整的模态局域化静电计，包括模态频率调控模块，模态频率调控模块中的低频谐振梁和模态局域化传感模块中的第一高频谐振梁和第二高频谐振梁并列排布，并通过第一耦合极板和第二耦合极板，第三耦合极板和第四耦合极板实现静电耦合；第二高频谐振梁置于第二振荡回路中产生自激振荡，低频谐振梁置于第一振荡回路中产生自激振荡；
7.根据第二高频谐振梁的相位信息给第一振荡回路输出相位控制信号，通过改变第一振荡回路的相位延迟，实现模态频率调控模块中的低频谐振梁做不同幅值的振动，动态调控模态局域化模块中第一高频谐振梁的等效刚度和共振频率，通过模态耦合机制将第一高频谐振梁和第二高频谐振梁模态变化限定在高灵敏度区内，实现动态调整静电计的灵敏度。
8.具体的，低频谐振梁及其中间向外伸出的第一受激极板和第一耦合极板悬置于镂空的衬底上，低频谐振梁的上端和下端分别与衬底绝缘层连接的第一锚点和第二锚点连接；衬底上还悬置有第一激励极板，第一激励极板连接有第七锚点，第一受激极板和第一激励极板组成电容极板；第一锚点、第二锚点和第七锚点上分别溅射有第一金属电极层、第二金属电极层和第七金属电极层。
9.进一步的，低频谐振梁的长度为400～600μm；第一受激极板、第一激励极板和第一耦合极板的长度为150～300μm；第一锚点、第二锚点和第七锚点为边长150～300μm的矩形结构，第一金属电极层、第二金属电极层和第七金属电极层为边长100～250μm的矩形结构。
10.进一步的，第一受激极板和第一激励极板之间的间隙距离为2～6μm。
11.具体的，第一高频谐振梁及其中间向外伸出的第二耦合极板和第三耦合极板悬置于镂空的衬底上，第一高频谐振梁的上端和下端分别与衬底绝缘层连接的第三锚点和第四锚点连接；第二高频谐振梁及其中间向外伸出的第四耦合极板和第二受激极板悬置于镂空的衬底上，第二高频谐振梁的上端和下端分别与衬底绝缘层连接的第五锚点和第六锚点连接；衬底上悬置有第二激励极板，第二激励极板连接第八锚点；第三锚点、第四锚点、第五锚点、第六锚点和第八锚点上分别溅射有第三金属电极层、第四金属电极层、第五金属电极层、第六金属电极层和第八金属电极层。
12.进一步的，第一耦合极板和第二耦合极板组成电容极板，第三耦合极板和第四耦合极板组成电容极板，第二受激极板和第二激励极板组成电容极板，第二受激极板和第二激励极板之间的间隙距离为2～6μm。
13.进一步的，第一高频谐振梁和第二高频谐振梁的长度为200～400μm；第二耦合极板、第三耦合极板、第四耦合极板、第二受激极板、第二激励极板的长度为150～300μm；第三锚点、第四锚点、第五锚点、第六锚点和第八锚点为边长150～300μm的矩形结构；第三金属电极层、第四金属电极层、第五金属电极层、第六金属电极层和第八金属电极层为边长100～250μm的矩形结构。
14.具体的，第一耦合极板和第二耦合极板，第三耦合极板和第四耦合极板的间隙距离为2～6μm。
15.具体的，模态频率调控模块还包括第一差分放大器，流经低频谐振梁的动感电流经第一差分放大器转化为电压信号，电压信号依次经滤波器、移相器和比较器，配合偏置电压v
dc1
被反馈至低频谐振梁。
16.进一步的，模态局域化传感模块包括第二差分放大器，流经第二高频谐振梁的动感电流经第二差分放大器转化为电压信号，再经频率控制算法器输出相位变化，反馈至移相器。
17.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
18.一种基于模态耦合频率自调整的模态局域化静电计，低频谐振梁、第一高频谐振梁和第二高频谐振梁并列排布，并通过第一耦合极板、第二耦合极板、第三耦合极板和第四耦合极板之间的电势差产生的耦合静电力实现谐振梁耦合；低频谐振梁从第一激励极板获得周期激励，改变低频谐振梁的振动频率，并通过耦合力调制第一高频谐振梁的刚度，使第一高频谐振梁的共振频率改变；第二高频谐振梁受到摄动极板施加的轴向电压产生轴向应力，使第二高频谐振梁的刚度发生变化，通过摄动极板产生的扰动偏置和低频谐振梁的调控作用，可改变第一高频谐振梁和第二高频谐振梁之间的振幅比，通过低频模态调控第一高频谐振梁的等效刚度，可对模态曲线进行平移，利用模态耦合将工作模态限定在高灵敏度范围，同时扩大传感范围。
19.进一步的，偏置电压v
d1
和v
d2
分别作用在第一金属电极层和第二金属电极层上，低频谐振梁两端存在电势差，由压阻效应产生动感电流，动感电流信号分别经过第一差分放
大器、滤波器、移相器和比较器，产生交流电压信号v
ac1
cos(ω1t)，配合偏置电压v
dc1
作用在第七金属电极层上，通过第一激励极板使低频谐振梁发生简谐振荡。
20.进一步的，偏置电压v
d5
和v
d6
分别作用在第五金属电极层和第六金属电极层上，第二高频谐振梁两端存在电势差，由压阻效应产生动感电流，动感电流信号经过第二差分放大器并经过频率控制算法器反馈至模态频率调控模块的移相器中，再通过模态频率调控模块中的比较器，影响模态频率调控模块的交流电压信号并将交流电压信号作用在第七金属电极层上，当第二高频谐振梁刚度发生变化，低频谐振梁的振动幅值会随之变化。
21.综上所述，本发明利用模态局域化机制拓宽谐振器的量程，首先，高频谐振梁的刚度调控来源于耦合静电力，耦合静电力是平行电容极板的自然产物，这意味着模态耦合机制不需要进行精细的结构设计；其次，这种可调控谐振器系统可以将振幅比限定在线性区间范围内，而且能大幅度提高谐振器的灵敏度，扩展灵敏度的工作带宽；最后，相比于压阻热方法，模态耦合机制的响应速度快，实时性好，且不引入热噪声，保证自激振荡回路的频率稳定性。
22.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
23.图1为本发明具备模态局域化机制的mems谐振梁结构图；
24.图2为本发明通过模态局域化机制的工作原理图；
25.图3为对模态局域化传感模块谐振梁进行开环扫频，高频谐振梁的幅频响应图，其中，(a)为第一高频谐振梁，(b)为第二高频谐振梁；
26.图4为高频谐振梁幅值比和扰动刚度的关系图。
27.其中：1-1.第一金属电极层；1-2.第一锚点；1-3.低频谐振梁；1-4.第一受激极板；1-5.第二金属电极层；1-6.第二锚点；1-7.第一耦合极板；2-1.第三金属电极层；2-2.第三锚点；2-3.第一高频谐振梁；2-4.第二耦合极板；2-5.第四金属电极层；2-6.第四锚点；2-7.第三耦合极板；3-1.第五金属电极层；3-2.第五锚固点；3-3.第二高频谐振梁；3-4.第四耦合极板；3-5.第六金属电极层；3-6.第六锚点；3-7.第二受激极板；4-1.第七金属电极层；4-2.第七锚点；4-3.第一激励极板；5-1.第八金属电极层；5-2.第八锚点；5-3.第二激励极板；6-1.摄动极板；6-2.第九锚固点；7-1.第一差分放大器；7-2.滤波器；7-3.移相器；7-4.比较器；8-1.第二差分放大器；9-1.频率控制算法器。
具体实施方式
28.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做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。
29.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和
操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
30.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
31.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
32.还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
33.还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
34.在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
35.本发明提供了一种基于模态耦合频率自调整的模态局域化静电计，通过改变扰动偏置，使模态局域化传感模块中第二高频谐振梁刚度改变，通过模态耦合机制，动态调控模态频率调控模块中的低频谐振梁的频率，进而使第一高频谐振梁和第二高频谐振梁的幅值比改变，达到检测扰动的目的；扰动偏置从第二差分放大器输出，经过频率控制算法导出相位变化，模态频率调控模块受到相位变化影响，第一激励极板和第一受激极板之间的电势差发生变化，进而可调整耦合静电力的大小，增大了模态局域化传感模块中谐振梁频率和幅值的调控能力，能将谐振器的灵敏度调制在线性范围内。本发明实现了模态局域化传感模块中谐振梁幅值的灵活调控，大幅度提升了测量灵敏度，扩展了谐振式传感器的工作带宽，克服了谐振式传感器灵敏度处于非线性工作区间的问题。基于此，本发明可满足谐振式传感器大量程测量的应用需求，大幅提升谐振式传感器的整体性能。
36.请参阅图1，本发明一种基于模态耦合频率自调整的模态局域化静电计，包括模态频率调控模块和模态局域化传感模块；模态频率调控模块中的低频谐振梁1-3和模态局域化传感模块中的第一高频谐振梁2-3和第二高频谐振梁3-3并列排布，并通过第一耦合极板1-7和第二耦合极板2-4，第三耦合极板2-7和第四耦合极板3-4实现静电耦合；第一高频谐振梁2-3和第二高频谐振梁3-3的幅频响应由开环测量电路获取，第二高频谐振梁3-3置于第二振荡回路中产生自激振荡，低频谐振梁1-3置于第一振荡回路中产生自激振荡，低频谐振梁1-3的频率变化由闭环电路获取；根据第二高频谐振梁3-3的相位信息给第一振荡回路
输出相位控制信号，通过改变第一振荡回路的相位延迟，实现模态频率调控模块中的低频谐振梁1-3做不同幅值的振动，从而动态调控模态局域化模块中第一高频谐振梁2-3的等效刚度和共振频率，通过模态耦合机制，将第一高频谐振梁2-3和第二高频谐振梁3-3模态变化限定在高灵敏度区内，并增大灵敏度的线性工作区间，同时可动态调整静电计的灵敏度。
37.请查阅图2，模态频率调控模块包括第一金属电极层1-1、第一锚点1-2、低频谐振梁1-3、第一受激极板1-4、第二金属电极层1-5、第二锚点1-6、第一耦合极板1-7、第七金属电极层4-1、第七锚点4-2、第一激励极板4-3、第一差分放大器7-1、滤波器7-2、移相器7-3、比较器7-4。
38.低频谐振梁1-3悬置于镂空的衬底上，低频谐振梁1-3的上下两端分别和与衬底绝缘层固结的第一锚点1-2和第二锚点1-6连接；低频谐振梁1-3中间向外伸出的第一受激极板1-4悬置于镂空的衬底上，低频谐振梁1-3中间向外伸出的第一耦合极板1-7悬置于镂空的衬底上，第七锚点4-2向外伸出的第一激励极板4-3悬置于镂空的衬底上，第一受激极板1-4和第一激励极板4-3组成电容极板，为低频谐振梁1-3提供静电激振力；第一锚点1-2、第二锚点1-6和第七锚点4-2上分别溅射有第一金属电极层1-1、第二金属电极层1-5和第七金属电极层4-1，用于电信号的传输。
39.模态频率调控模块采用闭环测量电路，偏置电压v
d1
和v
d2
配合使低频谐振梁1-3两端产生电势差，当低频谐振梁1-3发生振动时，由于压阻效应，低频谐振梁1-3的电阻发生变化，从而产生流经低频谐振梁1-3的动感电流；第一差分放大器7-1内置跨阻抗放大器，将动感电流信号转化成电压信号，并且提高电压信号的信噪比；经第一差分放大器7-1作用，将电压信号输入至滤波器7-2，滤去高次谐波；移相器7-3控制极板振荡信号与反馈信号之间的相位差；比较器7-4输出相位信息和同时提供交流电压信号与偏置电压v
dc1
共同作用于低频谐振梁1-3，产生简谐振荡。
40.第一耦合极板1-7和第二耦合极板2-4形成电容极板，第三耦合极板2-7和第四耦合极板3-4形成电容极板，产生静电耦合力，静电耦合力的大小取决于耦合极板间的电势差。
41.第一耦合极板1-7和第二耦合极板2-4之间的电势差为δv1，第三耦合极板2-7和第四耦合极板3-4之间的电势差为δv2；
42.δv1取决于偏置电压v
d1
、v
d2
、v
d3
和v
d4
的大小，计算式为：
43.δv1＝|v
d1
+v
d2-v
d3-v
d4
|/2
44.δv2取决于v
d3
、v
d4
、v
d5
和v
d6
的大小，计算式为：
45.δv2＝|v
d3
+v
d4-v
d5-v
d6
|/2
46.通过调节偏置电压v
d1
、v
d2
、v
d3
、v
d4
、v
d5
和v
d6
的大小，本发明可灵活的调控静电耦合力的大小。
47.低频谐振梁1-3通过静电耦合力实现对第一高频谐振梁2-3的等效刚度调控，第一高频谐振梁2-3和第二高频谐振梁3-3通过静电耦合力实现模态耦合。
48.请参阅图2，模态局域化传感模块包括第三锚点2-2、第三金属电极层2-1、第四锚点2-6、第四金属电极层2-5、第五锚点3-2、第五金属电极层3-1、第六锚点3-6、第六金属电极层3-5、第八锚点5-2、第八金属电极层5-1、第九锚点6-2、第一高频谐振梁2-3、第二高频谐振梁3-3、第二耦合极板2-4、第三耦合极板2-7、第四耦合极板3-4、第二受激极板3-7、第
二激励极板5-3、摄动极板6-1、第二差分放大器8-1、频率控制算法器9-1。
49.第一高频谐振梁2-3和第二高频谐振梁3-3悬置于镂空的衬底上，第一高频谐振梁2-3的上下两端分别和与衬底绝缘层固结的第三锚点2-2和第四锚点2-6连接；第一高频谐振梁2-3中间向外伸出的第三耦合极板2-7悬置于镂空的衬底上；第二高频谐振梁3-3的上下两端分别和与衬底绝缘层固结的第五锚点3-2和第六锚点3-6连接；第二高频谐振梁3-3中间向外伸出的第四耦合极板3-4悬置于镂空的衬底上，第三耦合极板2-7和第四耦合极板3-4组成电容极板；第八锚点5-2向外伸出的第二激励极板5-3悬置于镂空的衬底上，第二受激极板3-7和第二激励极板5-3组成电容极板，为第二高频谐振梁3-3提供静电激振力；第三锚点2-2、第四锚点2-6、第五锚点3-2、第六锚点3-6、第八锚点5-2和第九锚点6-2上分别溅射有第三金属电极层2-1、第四金属电极层2-5、第五金属电极层3-1、第六金属电极层3-5、第八金属电极层5-1和摄动极板6-1，用于电信号的传输。
50.模态局域化传感模块采用开环测量电路，交流电压信号v
ac3
cos(ω3t)，配合偏置电压v
dc3
，产生静电激振力使第二高频谐振梁3-3发生自激振动，静电激振力的强度f
d3
正比于v
ac3
·vdc3
；偏置电压v
d5
和v
d6
配合使第二高频谐振梁3-3两端产生电势差，当第二高频谐振梁3-3发生自激振动时，由于压阻效应，第二高频谐振梁3-3的电阻发生变化，从而产生流经第二高频谐振梁3-3的动感电流；第二差分放大器8-1内置跨阻抗放大器，将动感电流信号转化成电压信号，并且提高电压信号的信噪比，经过频率控制算法器，将反馈信号输送至低频模块的移相器7-3中。
51.具体的，低频谐振梁1-3的长度为400～600μm，宽度为5～20μm，厚度为15～30μm；第一高频谐振梁2-3和第二高频谐振梁3-3的长度为200～400μm，宽度为5～20μm，厚度为15～30μm；第一受激极板1-4、第二受激极板3-7、第一激励极板4-3、第二激励极板5-3、第一耦合极板1-7、第二耦合极板2-4、第三耦合极板2-7和第四耦合极板3-4的长度为150～300μm，宽度为5～10μm，厚度为15～30μm；第一锚点1-2、第二锚点1-6、第三锚点2-2、第四锚点2-6、第五锚点3-2、第六锚点3-6、第七锚点4-2和第八锚点5-2为矩形结构，边长尺寸为150～300μm，第九锚点6-2为矩形结构，边长尺寸为250～600μm；第一金属电极层1-1、第二金属电极层1-5、第三金属电极层2-1、第四金属电极层2-5、第五金属电极层3-1、第六金属电极层3-5、第七金属电极层4-1和第八金属电极层5-1为矩形结构，边长尺寸为100～250μm，摄动极板6-1为矩形结构，边长尺寸为150～600μm；第一受激极板1-4和第一激励极板4-3，第二受激极板3-7和第二激励极板5-3，第一耦合极板1-7和第二耦合极板2-4、第三耦合极板2-7和第四耦合极板3-4之间的间隙距离为2～6μm。
52.对具有上述结构尺寸的第一高频谐振梁2-3和第二高频谐振梁3-3做开环表征实验，在弱耦合条件下，利用低频谐振梁1-3的非线性特征，使低频谐振梁实现大范围的幅值调控。
53.具体的，加入模态频率调控模块后，低频谐振梁1-3、第一高频谐振梁2-3和第二高频谐振梁3-3的动力学模型如下：
[0054][0055][0056]
[0057]
其中，x、y、z分别为低频谐振梁1-3、第一高频谐振梁2-3和第二高频谐振梁3-3的等效位移；m1、m2、m3分别为低频谐振梁1-3、第一高频谐振梁2-3和第二高频谐振梁3-3的等效质量；c1、c2、c3分别为低频谐振梁1-3、第一高频谐振梁2-3和第二高频谐振梁3-3的等效阻尼；k1、k2、k3分别为低频谐振梁1-3、第一高频谐振梁2-3和第二高频谐振梁3-3的等效刚度；kc为耦合刚度；ke为施加在第二高频谐振梁上的扰动刚度；α1为第一高频谐振梁2-3的调控系数；γ1为低频谐振梁1-3的非线性刚度；f
d1
为低频谐振梁1-3的外部激励强度；和为振荡的瞬时相位和相位延迟；f
d3
为第二高频谐振梁3-3的外部激励强度；ω3为第二高频谐振梁3-3的外部激励频率。
[0058]
电荷量与扰动刚度ke的关系如下：
[0059][0060]
其中，为电荷引起的静电力，q为输入的电荷，l为第二高频谐振梁的长度，a为驱动电容的重叠面积，ε0为真空中的介电常数。
[0061]
第一高频谐振梁2-3和第二高频谐振梁3-3的模态表达式为：
[0062][0063]
其中，i＝1,2。
[0064]
请参阅图3，为第一高频谐振梁2-3的幅频响应图和第二高频谐振梁3-3的幅频响应图，图中谐振梁的位移峰值随ke变化而偏移，发生模态局域化。
[0065]
请参阅图4，模态ari随刚度扰动ke的变化关系，两个模态彼此接近时，该耦合系统的两个模态轨迹在零点附近以高局部曲率突然转向，在转向点附近呈现非线性变化，虚线框标定的范围为第一模态的线性范围，该范围内具有高灵敏度。
[0066]
本发明利用模态频率调控模块中的低频谐振梁，动态调整第一高频谐振梁等效刚度的大小，实现模态曲线的平移，将第一模态的工作区间限定在高灵敏度区内。
[0067]
具体的，在调控之前，第一模态的线性工作范围为图4虚线框内的实线；通过调控系数α1改变第一高频谐振梁的等效刚度，原转向点向左平移，零点附近模态的非线性减弱，第一模态的线性区间相比调控前得到了扩展，即图4虚线框内的虚线，在此范围内静电计具有高灵敏度，易于识别干扰，达到检测范围扩展的目的。
[0068]
综上所述，本发明一种基于模态耦合频率自调整的模态局域化静电计，基于模态耦合机制，改变低频谐振梁的振动幅值，动态调控模态局域化谐振梁的共振频率，将高频谐振梁的振幅比限定在线性区间，解决谐振器灵敏度出现非线性的应用问题。并且，本发明利用静电力实现谐振梁之间的耦合，实现灵活的耦合强度控制，进而实现幅值比线性工作带宽的灵活拓展。本发明提供的方法具备不引入热噪声、实时性优异和调控精度高等优点，配合大幅度拓展的线性工作带宽，使得基于模态局域化原理的静电计的测量精度、量程等指标得到显著提升。
[0069]
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书
的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于模态耦合频率自调整的模态局域化静电计，其特征在于，包括模态频率调控模块，模态频率调控模块中的低频谐振梁(1-3)和模态局域化传感模块中的第一高频谐振梁(2-3)和第二高频谐振梁(3-3)并列排布，并通过第一耦合极板(1-7)和第二耦合极板(2-4)，第三耦合极板(2-7)和第四耦合极板(3-4)实现静电耦合；第二高频谐振梁(3-3)置于第二振荡回路中产生自激振荡，低频谐振梁(1-3)置于第一振荡回路中产生自激振荡；根据第二高频谐振梁(3-3)的相位信息给第一振荡回路输出相位控制信号，通过改变第一振荡回路的相位延迟，实现模态频率调控模块中的低频谐振梁(1-3)做不同幅值的振动，动态调控模态局域化模块中第一高频谐振梁(2-3)的等效刚度和共振频率，通过模态耦合机制将第一高频谐振梁(2-3)和第二高频谐振梁(3-3)模态变化限定在高灵敏度区内，实现动态调整静电计的灵敏度。2.根据权利要求1所述的基于模态耦合频率自调整的模态局域化静电计，其特征在于，低频谐振梁(1-3)及其中间向外伸出的第一受激极板(1-4)和第一耦合极板(1-7)悬置于镂空的衬底上，低频谐振梁(1-3)的上端和下端分别与衬底绝缘层连接的第一锚点(1-2)和第二锚点(1-6)连接；衬底上还悬置有第一激励极板(4-3)，第一激励极板(4-3)连接有第七锚点(4-2)，第一受激极板(1-4)和第一激励极板(4-3)组成电容极板；第一锚点(1-2)、第二锚点(1-6)和第七锚点(4-2)上分别溅射有第一金属电极层(1-1)、第二金属电极层(1-5)和第七金属电极层(4-1)。3.根据权利要求2所述的基于模态耦合频率自调整的模态局域化静电计，其特征在于，低频谐振梁(1-3)的长度为400～600μm；第一受激极板(1-4)、第一激励极板(4-3)和第一耦合极板(1-7)的长度为150～300μm；第一锚点(1-2)、第二锚点(1-6)和第七锚点(4-2)为边长150～300μm的矩形结构，第一金属电极层(1-1)、第二金属电极层(1-5)和第七金属电极层(4-1)为边长100～250μm的矩形结构。4.根据权利要求2所述的基于模态耦合频率自调整的模态局域化静电计，其特征在于，第一受激极板(1-4)和第一激励极板(4-3)之间的间隙距离为2～6μm。5.根据权利要求1所述的基于模态耦合频率自调整的模态局域化静电计，其特征在于，第一高频谐振梁(2-3)及其中间向外伸出的第二耦合极板(2-4)和第三耦合极板(2-7)悬置于镂空的衬底上，第一高频谐振梁(2-3)的上端和下端分别与衬底绝缘层连接的第三锚点(2-2)和第四锚点(2-6)连接；第二高频谐振梁(3-3)及其中间向外伸出的第四耦合极板(3-4)和第二受激极板(3-7)悬置于镂空的衬底上，第二高频谐振梁(3-3)的上端和下端分别与衬底绝缘层连接的第五锚点(3-2)和第六锚点(3-6)连接；衬底上悬置有第二激励极板(5-3)，第二激励极板(5-3)连接第八锚点(5-2)；第三锚点(2-2)、第四锚点(2-6)、第五锚点(3-2)、第六锚点(3-6)和第八锚点(5-2)上分别溅射有第三金属电极层(2-1)、第四金属电极层(2-5)、第五金属电极层(3-1)、第六金属电极层(3-5)和第八金属电极层(5-1)。6.根据权利要求5所述的基于模态耦合频率自调整的模态局域化静电计，其特征在于，第一耦合极板(1-7)和第二耦合极板(2-4)组成电容极板，第三耦合极板(2-7)和第四耦合极板(3-4)组成电容极板，第二受激极板(3-7)和第二激励极板(5-3)组成电容极板，第二受激极板(3-7)和第二激励极板(5-3)之间的间隙距离为2～6μm。7.根据权利要求5所述的基于模态耦合频率自调整的模态局域化静电计，其特征在于，第一高频谐振梁(2-3)和第二高频谐振梁(3-3)的长度为200～400μm；第二耦合极板(2-4)、
第三耦合极板(2-7)、第四耦合极板(3-4)、第二受激极板(3-7)、第二激励极板(5-3)的长度为150～300μm；第三锚点(2-2)、第四锚点(2-6)、第五锚点(3-2)、第六锚点(3-6)和第八锚点(5-2)为边长150～300μm的矩形结构；第三金属电极层(2-1)、第四金属电极层(2-5)、第五金属电极层(3-1)、第六金属电极层(3-5)和第八金属电极层(5-1)为边长100～250μm的矩形结构。8.根据权利要求1所述的基于模态耦合频率自调整的模态局域化静电计，其特征在于，第一耦合极板(1-7)和第二耦合极板(2-4)，第三耦合极板(2-7)和第四耦合极板(3-4)的间隙距离为2～6μm。9.根据权利要求1所述的基于模态耦合频率自调整的模态局域化静电计，其特征在于，模态频率调控模块还包括第一差分放大器(7-1)，流经低频谐振梁(1-3)的动感电流经第一差分放大器(7-1)转化为电压信号，电压信号依次经滤波器(7-2)、移相器(7-3)和比较器(7-4)，配合偏置电压v
dc1
被反馈至低频谐振梁(1-3)。10.根据权利要求9所述的基于模态耦合频率自调整的模态局域化静电计，其特征在于，模态局域化传感模块包括第二差分放大器(8-1)，流经第二高频谐振梁(3-3)的动感电流经第二差分放大器(8-1)转化为电压信号，再经频率控制算法器(9-1)输出相位变化，反馈至移相器(7-3)。

技术总结
本发明公开了一种基于模态耦合频率自调整的模态局域化静电计，基于模态耦合机制，改变低频谐振梁的振动幅值，动态调控模态局域化谐振梁的共振频率，将高频谐振梁的振幅比限定在线性区间，解决谐振器灵敏度出现非线性的应用问题，并利用静电力实现谐振梁之间的耦合，实现灵活的耦合强度控制，进而实现幅值比线性工作带宽的灵活拓展；本发明具备不引入热噪声、实时性优异和调控精度高等优点，配合大幅度拓展的线性工作带宽，使得基于模态局域化原理的静电计的测量精度、量程等指标得到显著提升。升。升。


技术研发人员：王雪峰 陈俞至 代洪升 宦荣华 刘中华
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2023.07.03
技术公布日：2023/10/6