基于MEMS谐振器的对称固支微梁电功率传感装置

本技术涉及微机电系统传感，特别涉及基于mems谐振器的对称固支微梁电功率传感装置。

背景技术：

1、随着微电子系统向小型化、高集成度和低功耗方向快速发展，电功率传感作为电子设备能效管理、故障诊断的核心技术，对传感器的尺寸、精度和抗干扰能力提出了严苛要求。传统石英晶体谐振器虽具有较高的频率稳定性，但受限于材料特性与加工工艺，存在与cmos工艺兼容性差、难以微型化集成以及对振动和温度敏感等固有缺陷，已无法满足智能终端、物联网设备及汽车电子等场景的动态监测需求。

2、微机电系统（mems）谐振器凭借体积小、功耗低、易于系统集成等优势，成为替代石英器件的核心方案，在物理量传感领域展现出巨大潜力。然而，现有mems（micro-electro-mechanical system，微机电系统）谐振器在电功率测量应用中仍面临馈通效应显著、温度漂移影响严重和非线性响应等三大技术瓶颈。

3、为解决上述问题，相关技术尝试通过优化电极形状、采用高介电材料或引入复杂反馈电路等方式改善性能，但存在成本高昂、工艺复杂或适用范围有限等缺陷。例如，增加机电耦合面积的传统设计虽能提高信号强度，却加剧了馈通干扰；而单纯依赖算法补偿温度漂移的方案，在动态功率测量场景下难以实现实时校准。因此，开发一种兼具低馈通特性、宽温域自校准能力和结构稳定性的 mems 功率传感技术，成为突破现有技术瓶颈的关键。

技术实现思路

1、本实用新型提供了基于mems谐振器的对称固支微梁电功率传感装置，其目的是为了实现宽温域内的高精度功率反演。

2、为了达到上述目的，本实用新型提供了基于mems谐振器的对称固支微梁电功率传感装置，包括传感组件，所述传感组件包括振动梁、激励电极、调谐电极和辅助电极，所述振动梁沿自身轴向的两端均连接有所述辅助电极，所述激励电极和所述调谐电极沿所述振动梁的长度方向间隔布置，所述激励电极和所述调谐电极均设置于所述振动梁的同一侧，所述激励电极施加有激励电压，以使所述激励电极能够激发所述振动梁产生谐振，所述调谐电极施加有调谐电压，以使所述调谐电极能够根据环境温度调节所述振动梁的刚度，以反演出热源所对应的热功率，所述传感组件的数量为两个，两个所述传感组件呈中心对称布置，以使不同的所述振动梁所对应的所述激励电极和所述调谐电极所产生的静电场的干扰能够相互削弱。

3、一实施例中，所述辅助电极施加有调谐电压，以使不同的所述振动梁所对应的所述激励电极和所述调谐电极所产生的静电场的干扰能够相互削弱。

4、一实施例中，所述传感装置包括检测组件，所述检测组件包括电连接的输出电极和网络分析仪，所述输出电极设置于两个所述传感组件之间，所述输出电极能够检测两个所述振动梁的振动频率的差值，并将所述差值转化为电信号传输至所述网络分析仪，当所述差值超过阈值，调节所述调谐电极的调谐电压。

5、一实施例中，所述输出电极的数量为多个，多个所述输出电极沿所述振动梁的轴向间隔布置。

6、一实施例中，所述检测组件包括放大器，所述放大器设置于所述网络分析仪和所述输出电极之间且分别与所述网络分析仪和所述输出电极电连接，以将所述输出电极的电信号放大并输出至所述网络分析仪。

7、一实施例中，当所述环境温度为20℃，所述振动梁的谐振频率与所述调谐电极的调谐电压的关系为y=-4.8247x+147.7833，当环境温度为40℃，所述振动梁的谐振频率与所述调谐电极的调谐电压的关系为y=-5.5579x+146.4446，以校准所述调谐电极的调谐电压与所述热源的热功率的关系曲线，式中y为所述振动梁的谐振频率，x为所述调谐电极的调谐电压的平方。

8、一实施例中，当所述环境温度为20℃，所述辅助电极的调谐电压的变化范围为0v~6.2v，当所述环境温度为40℃，所述辅助电极的调谐电压的变化范围为0v~5.8v。

9、一实施例中，所述辅助电极的几何中心位于所述振动梁的中心轴线的延长线上。

10、本实用新型的上述方案有如下的有益效果：

11、本申请实施例中，激励电极能够激发振动梁产生谐振，当环境温度发生变化，即传感组件所贴附的电子设备的电功率发生变化，使得振动梁的刚度发生变化，继而通过调谐电极调控振动梁的刚度。基于此，调谐电极的调谐电压与电子设备的电功率便存在对应关系，可通过调谐电压反演出电子设备的电功率，继而使得本申请的传感装置具备获取电子设备的电功率的能力。传感组件中的多个电极产生的静电场在振动梁中产生寄生电容和电流，继而产生虚假信号。将两个传感组件中心对称布置，在对应的激励电极和调谐电极中通入相同的激励电压和调谐电压，使得两个传感组件中的各个电极产生的虚假信号能够相互削弱，以提高抑制共模馈通效应的效果。两个中心对称布置的传感组件，相比于难以抵御外界干扰的单一微梁设计，降低了振动梁的非线性响应，提高了调谐电压与振动梁的振动频率的映射关系稳定性，继而提高了电子设备的电功率反演精度。

12、本实用新型的其它有益效果将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

1.基于mems谐振器的对称固支微梁电功率传感装置，其特征在于，包括传感组件，所述传感组件包括振动梁、激励电极、调谐电极和辅助电极，所述振动梁沿自身轴向的两端均连接有所述辅助电极，所述激励电极和所述调谐电极沿所述振动梁的长度方向间隔布置，所述激励电极和所述调谐电极均设置于所述振动梁的同一侧，所述激励电极施加有激励电压，以使所述激励电极能够激发所述振动梁产生谐振，所述调谐电极施加有调谐电压，以使所述调谐电极能够根据环境温度调节所述振动梁的刚度，以反演出热源所对应的热功率，所述传感组件的数量为两个，两个所述传感组件呈中心对称布置，以使不同的所述振动梁所对应的所述激励电极和所述调谐电极所产生的静电场的干扰能够相互削弱。

2.根据权利要求1所述的基于mems谐振器的对称固支微梁电功率传感装置，其特征在于，所述辅助电极施加有调谐电压，以使不同的所述振动梁所对应的所述激励电极和所述调谐电极所产生的静电场的干扰能够相互削弱。

3.根据权利要求1所述的基于mems谐振器的对称固支微梁电功率传感装置，其特征在于，所述传感装置包括检测组件，所述检测组件包括电连接的输出电极和网络分析仪，所述输出电极设置于两个所述传感组件之间，所述输出电极能够检测两个所述振动梁的振动频率的差值，并将所述差值转化为电信号传输至所述网络分析仪，当所述差值超过阈值，调节所述调谐电极的调谐电压。

4.根据权利要求3所述的基于mems谐振器的对称固支微梁电功率传感装置，其特征在于，所述输出电极的数量为多个，多个所述输出电极沿所述振动梁的轴向间隔布置。

5.根据权利要求3所述的基于mems谐振器的对称固支微梁电功率传感装置，其特征在于，所述检测组件包括放大器，所述放大器设置于所述网络分析仪和所述输出电极之间且分别与所述网络分析仪和所述输出电极电连接，以将所述输出电极的电信号放大并输出至所述网络分析仪。

6.根据权利要求1~5任一项所述的基于mems谐振器的对称固支微梁电功率传感装置，其特征在于，当所述环境温度为20℃，所述振动梁的谐振频率与所述调谐电极的调谐电压的关系为y=-4.8247x+147.7833，当环境温度为40℃，所述振动梁的谐振频率与所述调谐电极的调谐电压的关系为y=-5.5579x+146.4446，以校准所述调谐电极的调谐电压与所述热源的热功率的关系曲线，式中y为所述振动梁的谐振频率，x为所述调谐电极的调谐电压的平方。

7.根据权利要求6所述的基于mems谐振器的对称固支微梁电功率传感装置，其特征在于，当所述环境温度为20℃，所述辅助电极的调谐电压的变化范围为0v~6.2v，当所述环境温度为40℃，所述辅助电极的调谐电压的变化范围为0v~5.8v。

8.根据权利要求1~5任一项所述的基于mems谐振器的对称固支微梁电功率传感装置，其特征在于，所述辅助电极的几何中心位于所述振动梁的中心轴线的延长线上。