[发明专利]两级杠杆放大的谐振式仿生毛发流速、加速度微传感器

说明书

本发明公开了一种基于两级杠杆放大原理的谐振式仿生毛发流速、加速度微传感器，包括上层毛发结构，中层硅微传感器结构和下层玻璃衬底。本发明上层毛发采用微加工工艺直接加工或者采用微组装工艺粘合在中层硅微传感器结构上；中层硅微传感器结构通过锚点键合在下层玻璃衬底上；下层玻璃衬底设有键合点、电极和信号引线。中层硅微传感器结构包含两级杠杆力放大机构，当有X轴方向外界流速或加速度输入时，外界流速作用于毛发所产生的拖曳力或加速度产生的惯性力经过放大，分别反相作用在两个双端固定音叉谐振器上，从而实现信号差分检测，且输出信号为频率数字信号，有利于电路的数字化。本发明结构对称布置，测量精度高，抗干扰能力强，性能可靠。

技术领域

本发明涉及微机电系统和微惯性器件测量领域，特别是涉及两级杠杆放大的谐振式仿生毛发流速、加速度微传感器。

背景技术

仿生毛发微传感器是一种新型的MEMS传感器。毛发式传感器通过模仿自然界生物毛发的结构，通过仿生学原理，能实现对流速，加速度，温度等多种物理量的检测，是一种具有极大发展潜力的仿生传感器。毛发传感器具有较大的表面积与体积比，能与外界环境有效作用；毛发结构和材料易于修改，能提供多种机械性能；另外，毛发传感器也具有体积小，灵敏度高，动态范围大，抗干扰能力强等优点。

近年来,国内外有多家机构对仿生毛发微传感器进行了研究。例如密歇根大学安娜堡分校的Najafi教授的研究团队2012年研制了一种基于液压放大的仿生毛发传感器。该传感器创新地采用了一种微型液压结构，通过竖立在上层薄膜上的毛发结构来敏感外部流速。传感器采用电容敏感结构，通过检测由于毛发受力导致薄膜形变引起的电容的容值变化来实现对外部输入的敏感。但是，目前大部分机构研发的毛发传感器是流速传感器，只能实现对流速的测量，功能单一,并且现有的流速传感器测量精度不高，实用性较差。

发明内容

为了解决上述存在的问题，本发明提供一种基于两级杠杆放大原理的谐振式仿生毛发流速、加速度微传感器。通过检测传感器内部谐振器的谐振频率变化实现对流速和加速度的敏感。传感器结构对称布置，采用信号差分检测，频率数字信号输出，具有灵敏度高、动态范围大、抗共模干扰能力强的优点，为达此目的，本发明提供两级杠杆放大的谐振式仿生毛发流速、加速度微传感器，包括上层毛发结构，中层硅微传感器结构以及下层玻璃衬底和信号引线，所述上层毛发结构底部固定在中层硅微传感器结构上，所述中层硅微传感器结构键合在下层玻璃衬底上，所述中层硅微传感器结构具体由底座质量块，旋转中心，四组摆动抑制结构，两个杠杆机构，两个双端固定音叉谐振器子结构组成，毛发位于底座质量块上端平面处，旋转中心位于底座质量块下端底部，四组摆动抑制结构分别布置在底座质量块右上，左上，左下，右下四个顶点处，所述底座质量块内部放置左右对称的两个杠杆机构及两个双端固定音叉谐振器子结构，所述底座质量块下端设置一根底座输出端短直梁，所述底座质量块通过底座输出端短直梁与两个杠杆机构相连，两个杠杆机构分别与两个双端固定音叉谐振器子结构相连，所述中层硅微传感器结构包含两级杠杆力放大机构，所述上层毛发，底座质量块，旋转中心和底座输出端短直梁构成第一级杠杆力放大机构，两个杠杆机构为第二级杠杆力放大机构，两个双端固定音叉谐振器子结构在受到两级杠杆力放大机构放大的力之后，其谐振器固有频率发生改变。

进一步的，所述上层毛发结构通过加工工艺直接加工或采用组装工艺粘合在硅微传感器结构上。

进一步的，所述旋转中心由八根L型弹性梁和中心锚点组成。所述L型弹性梁的一端与底座质量块相连，另一端与中心锚点相连，所述四组摆动抑制结构布置在底座质量块右上，左上，左下，右下四个顶点处，四组摆动抑制结构分别为第一摆动抑制结构、第二摆动抑制结构、第三摆动抑制结构和第四摆动抑制结构，所述摆动抑制结构由两根U型摆动抑制弹性梁和一个固定锚点组成，U型摆动抑制弹性梁的一端与底座质量块相连，另一端与固定锚点相连。