弱耦合谐振式传感器宽温区线性工作补偿方法

本发明属于mems传感器控制，具体涉及一种弱耦合谐振式传感器宽温区线性工作补偿方法。

背景技术：

1、基于弱耦合诱导的模态局域化现象工作的传感器早在2006年便已出现，其优势在于能提供远超传统谐振式传感器对微扰动的灵敏度，因此广泛被研究应用在压力、加速度、电荷和生物量等测量场景。然而，现有技术很少研究温度对弱耦合模态局域化传感器的影响，限制了相关技术的实际应用。当前，现有技术普遍考虑室温（25℃）条件下的影响，相关研究表明弱耦合谐振器对温度有一定的抑制作用。但实际上在-40~85℃宽温区范围内温度的影响则不可忽略，如图1所示，其中t1、t2、t3和t4为四个温度值，且满足t1<t2<t3<t4，此时弱耦合谐振器在工作点处的两个主谐振器振幅的比例将不再近似等于设定值a，例如1.0，导致传感器输出上下限皆表现出非线性。

2、目前有少量针对此类传感器温度补偿的研究，2022年wang kunfeng等在“utilizing the intrinsic mode of weakly coupled resonators for temperaturecompensation”中指出通过双端固支音叉梁谐振器的反相模态表征传感器的环境温度，再通过函数拟合将温度t、幅值比ar以及待测量g相关联从而解算出不同温度下的输出。然而该方法没有考虑弱耦合谐振器频率随温度改变而引起的工作点漂移问题，从而造成谐振器的振幅饱和以及幅值比非线性的情况，使得传感器不能在全温区满量程得到满意的函数拟合结果，补偿效果差。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种弱耦合谐振式传感器宽温区线性工作补偿方法，利用测温环节原位测量温度并据此调整调谐电压，从而调整传感器的工作点，使传感器始终工作于线性区且各温度下传感器的输出关系曲线基本重合，从而最大程度降低温度对传感器性能的影响，进一步拓展工作温度范围。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、弱耦合谐振式传感器宽温区线性工作补偿方法，通过测温环节、函数关系环节和加法器实现调谐电压自动跟踪温度，所述测温环节依据温度变化产生电压输出vr(t)，再经由函数关系环节使其输出满足耦合的两个谐振器线性工作时的频率-温度系数对应的调谐电压-温度关系，确定调谐电压使每个温度下的弱耦合谐振式传感器的耦合的两个谐振器的振动幅度信号的比值为指定值a，然后通过加法器实现如式(1)所示的关系，获得谐调电压，并将谐调电压施加在调谐电极，从而改变耦合的两个谐振器的耦合状态，调整耦合的两个谐振器的工作点；

4、(1)

5、上式中，vt0为耦合的两个谐振器初始调谐电压，其值为初始工作温度t0和设定的固定待测量值条件下的调谐电压数值；vt为当前环境温度t下的谐调电压；g(·)为调谐电压-温度函数关系，通过对耦合的两个谐振器进行校准测试得到。

6、进一步地，设定基准工作点，包括：选择温度和待测量，施加调谐电压使耦合的两个谐振器的在指定的振动模态下二者振动幅度信号的比值等于指定值a，其中温度为传感器工作温区的下限或上限，此时得到的调谐电压为初始调谐电压vt0。

7、进一步地，得到电压输出vr(t)-温度函数关系g(vr(t))的过程包括：变化温度，保持待测量不变，测试维持耦合的两个谐振器的振动幅度信号的比值等于指定值a所需要施加的谐调电压，得到g(vr(t))。

8、进一步地，根据得到的g(vr(t))，选择测温环节以及函数关系环节，使输出电压与测试得到的维持耦合的两个谐振器的振动幅度信号的比值等于指定值a所需要施加的谐调电压一致。

9、进一步地，所述测温环节包括如下两种模式：

10、模式一：维持测温部件工作的电压vr0端连接限流电阻r0，然后连接测温部件r(t)，然后接地，电压输出vr(t)在限流电阻r和测温部件r(t)之间；

11、模式二：维持测温部件工作的电压vr0端连接测温部件r(t)，然后连接限流电阻r0，然后接地，电压输出vr(t)在限流电阻r和测温部件r(t)之间。

12、进一步地，在测温部件的温度灵敏度为正时，如采用模式一的测温环节，则对应调谐电压-温度正相关，如采用模式二的测温环节，则对应调谐电压-温度负相关；

13、若测温部件的温度灵敏度为负时，如采用模式一的测温环节，则对应调谐电压-温度负相关，如采用模式二的测温环节，则对应调谐电压-温度正相关；

14、其中，调谐电压-温度正相关表示正相关输出方案，调谐电压-温度负相关表示负相关输出方案；

15、在传感器的频率-温度关系为正相关时，调谐电压采用正相关输出方案实现，在传感器的频率-温度关系为负相关时，调谐电压采用负相关输出方案，由此耦合的两个谐振器的振动幅度信号的比值等于指定值a，实现传感器在宽温区下的线性输出；

16、若耦合的两个谐振器初始调谐电压vt0定为最低温时的电压，且频率-温度关系为正相干，则采用正相关输出方案，频率-温度关系为负相关，则采用负相关输出方案；若耦合的两个谐振器初始调谐电压vt0定为最高温时的电压，且频率-温度关系为正相关，则采用负相关输出方案，频率-温度关系为负相关，则采用正相关输出方案。

17、有益效果：

18、1. 本发明可实现弱耦合传感器的宽温区线性工作，简化测试结果的处理过程。

19、2. 本发明的测温环节可与传感器敏感部件集成，降低温度敏感的迟滞。

20、3. 本发明的适应性强，适用于所有基于弱耦合诱导模态局域化的传感器。

技术特征：

1.弱耦合谐振式传感器宽温区线性工作补偿方法，其特征在于，通过测温环节、函数关系环节和加法器实现调谐电压自动跟踪温度，所述测温环节依据温度变化产生电压输出vr(t)，再经由函数关系环节使其输出满足耦合的两个谐振器线性工作时的频率-温度系数对应的调谐电压-温度关系，确定调谐电压使每个温度下的弱耦合谐振式传感器的耦合的两个谐振器的振动幅度信号的比值为指定值a，然后通过加法器实现如式(1)所示的关系，获得谐调电压，并将谐调电压施加在调谐电极，从而改变耦合的两个谐振器的耦合状态，调整耦合的两个谐振器的工作点；

2.根据权利要求1所述的弱耦合谐振式传感器宽温区线性工作补偿方法，其特征在于，设定基准工作点，包括：选择温度和待测量，施加调谐电压使耦合的两个谐振器的在指定的振动模态下二者振动幅度信号的比值等于指定值a，其中温度为传感器工作温区的下限或上限，此时得到的调谐电压为初始调谐电压vt0。

3.根据权利要求2所述的弱耦合谐振式传感器宽温区线性工作补偿方法，其特征在于，得到电压输出vr(t)-温度函数关系g(vr(t))的过程包括：变化温度，保持待测量不变，测试维持耦合的两个谐振器的振动幅度信号的比值等于指定值a所需要施加的谐调电压，得到g(vr(t))。

4.根据权利要求3所述的弱耦合谐振式传感器宽温区线性工作补偿方法，其特征在于，根据得到的g(vr(t))，选择测温环节以及函数关系环节，使输出电压与测试得到的维持耦合的两个谐振器的振动幅度信号的比值等于指定值a所需要施加的谐调电压一致。

5.根据权利要求1或4所述的弱耦合谐振式传感器宽温区线性工作补偿方法，其特征在于，所述测温环节包括如下两种模式：

6.根据权利要求5所述的弱耦合谐振式传感器宽温区线性工作补偿方法，其特征在于，在测温部件的温度灵敏度为正时，如采用模式一的测温环节，则对应调谐电压-温度正相关，如采用模式二的测温环节，则对应调谐电压-温度负相关；

技术总结本发明提供一种弱耦合谐振式传感器宽温区线性工作补偿方法，属于MEMS传感器控制技术领域，通过测温环节、函数关系环节和加法器实现调谐电压自动跟踪温度，所述测温环节依据温度变化产生电压输出，再经由函数关系环节使其输出满足弱耦合谐振器线性工作时的频率‑温度系数对应的电压‑温度关系，然后通过加法器进行计算获得谐调电压，并将此电压施加在调谐电极，从而改变弱耦合谐振器的耦合状态，调整弱耦合谐振器的工作点，最终使传感器在各温度下的输出曲线基本重合且保持线性关系。本发明的适应性强，可用于所有基于弱耦合诱导模态局域化工作的传感器中。技术研发人员：陈德勇,秦佳新,谢波,王军波,鲁毓岚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：技术公布日：2024/7/23