[发明专利]基于弱耦合微机械谐振器的高灵敏度电压测量装置及测量方法

摘要

本发明公开了一种高灵敏度电压测量方法及装置，属于电子测量仪器领域。包括了电压测量芯片及信号处理电路，电压测量芯片包括了不低于两个，通过机械耦合梁或者静电耦合连接在一起的弱耦合谐振器、电压输入电极、检测电极和驱动电极。电压信号的输入将改变电压输入电极与谐振器形成的静电负刚度，从而改变弱耦合谐振器系统的总刚度，谐振器系统刚度的变化会使得谐振器能量分布出现急剧失衡，作为输出的两个谐振器的幅值比会剧烈变化，因此，以两谐振器幅值比作为输出可实现超高灵敏的电压测量；输出的两个谐振器都设计有两组检测电极，可实现对于单谐振器的振幅实现差分检测，不仅可以增强信号的强度还消除由驱动电极与检测电极之间存在的电势差引起的馈通电容信号干扰，可以大幅提升测量信号的稳定性与准确度。基于谐振式电压计的测量方法可实时对待测电压信号进行连续测量并且具有较强的抗干扰能力，弥补了数字电压表显示不连续、抗干扰能力差的缺点。

主权项

1.基于弱耦合微机械谐振器的高灵敏度电压测量装置，其特征在于，包含电压测量芯片及信号处理电路；所述电压测量芯片包括至少两个谐振器，具体的说，包括谐振器一301、谐振器阵列302及谐振器二303，其中谐振器阵列302可为空，谐振器阵列302中的谐振器刚度完全相同，谐振器一301和谐振器二303的刚度完全相同，谐振器一301、谐振器阵列302及谐振器二303在水平方向即谐振方向上顺序放置；在垂直方向上，每个谐振器两侧均通过一组谐振梁与水平方向的机械耦合梁304相连接，所述每组谐振梁为至少一根互相平行的垂直方向直梁，所述机械耦合梁304两端各通过一根垂直方向短梁固定于固定锚点305上，故将所述机械耦合梁304与两端的垂直方向短梁合称为“桥式耦合梁”；桥式耦合梁的刚度远小于谐振梁刚度，从而实现谐振器之间弱耦合；在谐振器一301左侧布置交流驱动电极306用于对弱耦合谐振器进行驱动，使谐振器在水平方向振动；在谐振器二303右侧布置电压输入电极307用于敏感待测电压信号，谐振器二303与电压输入电极307之间形成水平方向的刚度干扰电容308；整个系统使用谐振器一301、谐振器二303作为信号输出端，因此在谐振器一301右侧上下分别布置第一检测309和第二检测310，形成谐振器一301的差分检测电极，在谐振器二303左侧上下分别布置第三检测311和第四检测312，形成谐振器二303的差分检测电极。由第一检测309、第二检测310、第三检测311和第四检测312输出的信号经信号处理电路206得到电压测量芯片最终的输出信号。