CN110850111B - 基于仿生谐振毛发传感器的旋转阵列装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于仿生谐振毛发传感器的旋转阵列装置，四传感器旋转阵列装置由四个仿生谐振毛发传感器旋转相邻排布组成，整体结构呈“田”字型，通过测量四个仿生谐振毛发传感器固有频率的变化，可以实现平面内任意方向流体的流速大小和方向的敏感。四传感器旋转阵列装置具有非常好的方向测量力，高信号增益，强抗干扰能力和高空间分辨能力。
Description
技术领域
本发明属于微电子机械系统和微惯性测量技术领域，具体涉及一种基于仿生谐振毛发传感器的旋转阵列装置。
背景技术
仿生毛发传感器最初的研究灵感来源于昆虫身上的毛发传感器，它们功能强大，灵敏度极高，可以提供极高的灵敏度和动态范围。仿生毛发传感器利用这些生物特性，可以实现多种物理信号的探测，如流速、温度、振动、环境识别等。
单个仿生谐振毛发传感器只能测量单轴物理量，无法同时实现多轴物理量的测量，而利用阵列信号处理可以将多个传感器设置在空间不同位置组成传感器阵列，对空间信号场各角度信息进行接收和处理，实现多轴测量。
近年来，为更大程度地发挥仿生毛发传感器的特性，国内外多家研究机构对传感器的阵列排布进行了研究。美国密西根大学安娜堡分校的Najafi教授团队研究制作了基于微液压放大原理的毛发流速微传感器阵列，阵列由4根毛发组成，能够测量2维方向的流速，外部电路通过测量电容变化得知外界流速大小。但是，目前大部分研究机构都只侧重于单个毛发传感器的应用，功能较为单一，没有充分发挥毛发传感器的特性。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的问题和不足，本发明提供了一种基于仿生谐振毛发传感器的旋转阵列装置，具有非常好的方向测量力，高信号增益，强抗干扰能力和高空间分辨能力等优点。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明提出了一种基于仿生谐振毛发传感器的旋转阵列装置。
一种基于仿生谐振毛发传感器的旋转阵列装置，由第一、二、三、四仿生谐振毛发传感器旋转相邻排布组成，整体结构呈“田”字型；
所述第一仿生谐振毛发传感器由上层的第一毛发结构和下层的第一硅微传感器结构组成，所述第二仿生谐振毛发传感器由上层的第二毛发结构和下层的第二硅微传感器结构组成，所述第三仿生谐振毛发传感器由上层的第三毛发结构和下层的第三硅微传感器结构组成，所述第四仿生谐振毛发传感器由上层的第四毛发结构和下层的第四硅微传感器结构组成；
其中第一仿生谐振毛发传感器位于旋转阵列装置的左下角，沿X轴正方向与第四仿生谐振毛发传感器并列，沿Y轴正方向与第二仿生谐振毛发传感器并列；第二仿生谐振毛发传感器位于旋转阵列装置的左上角，沿X轴正方向与第三仿生谐振毛发传感器并列，沿Y轴负方向与第一仿生谐振毛发传感器并列；第三仿生谐振毛发传感器位于旋转阵列装置的右上角，沿X轴负方向与第二仿生谐振毛发传感器并列，沿Y轴负方向与第四仿生谐振毛发传感器并列；第四仿生谐振毛发传感器位于旋转阵列装置的右下角，沿X轴负方向与第一仿生谐振毛发传感器并列，沿Y轴正方向与第三仿生谐振毛发传感器并列；第三毛发结构与第一毛发结构分别位于旋转阵列装置的上下边缘，同时对沿X轴方向的流速敏感；第二毛发结构与第四毛发结构分别位于旋转阵列装置的左右边缘，同时对沿Y轴方向的流速敏感。
进一步地，其中第一硅微传感器结构位于旋转阵列装置的左下角，第二硅微传感器结构位于旋转阵列装置的左上角，第三硅微传感器结构位于旋转阵列装置的右上角，第四硅微传感器结构位于旋转阵列装置的右下角。
进一步地，其中第一硅微传感器结构上的第一旋转中心位于第一底座质量块的上端顶部，第一底座质量块的内部放置左、右对称的第一、二杠杆机构及第一、二双端固定音叉谐振器子结构第一、二、三、四摆动抑制弹性结构分别布置在第一底座质量块的右下，左下，左上，右上四个顶点处；
第二硅微传感器结构的第二旋转中心位于第二底座质量块的右端顶部，第二底座质量块的内部放置上、下对称的第三、四杠杆机构及第三、四双端固定音叉谐振器子结构，第五、六、七、八摆动抑制弹性结构分别布置在第二底座质量块的右下，左下，左上，右上四个顶点处；
第三硅微传感器结构的第三旋转中心位于第三底座质量块的下端底部，第三底座质量块的内部放置左、右对称的第五、六杠杆机构及第五、六双端固定音叉谐振器子结构，第九、十、十一、十二摆动抑制弹性结构分别布置在第三底座质量块的右下，左下，左上，右上四个顶点处；
第四硅微传感器结构的第四旋转中心位于第四底座质量块的左端顶部，第四底座质量块的内部放置上、下对称的第七、八杠杆机构及第七、八双端固定音叉谐振器子结构，第十三、十四、十五、十六摆动抑制弹性结构分别布置在第四底座质量块右下，左下，左上，右上四个顶点处。
进一步地，其中第一硅微传感器结构的第三、四摆动抑制弹性结构与第二硅微传感器结构的第五、六摆动抑制弹性结构相邻，第二硅微传感器结构的第五、八摆动抑制弹性结构与第三硅微传感器结构的第十、十一摆动抑制弹性结构相邻，第三硅微传感器结构的第九、十摆动抑制弹性结构与第四硅微传感器结构的第十五、十六摆动抑制弹性结构相邻，第四硅微传感器结构的第十四、十五摆动抑制弹性结构与第一硅微传感器结构的第一、四摆动抑制弹性结构相邻。
进一步地，第一、二、三、四仿生谐振毛发传感器的四路输出信号由控制系统测得，经由最大似然估计法处理，可以敏感平面内任意流速的大小和方向；
所述最大似然估计法的求解过程由两部分组成：前端运算过程和后端解调过程；所述前端运算过程由差分过程、累加过程和均值过程组成；
所述差分过程为：控制系统输出的四路频率信号两两相减，第一路输出信号xi1与第三路输出信号xi3相减，第二路输出信号xi2与第四路输出信号xi4相减；所述累加过程为：将得到的两组差分信号做累加运算，累加次数由控制系统设定；所述均值过程为：将累加后的数值除以二倍的累加次数；
所述后端解调过程由流速大小解调过程和入射角度解调过程组成；所述流速大小解调过程为：将前端运算过程得到两组数值分别平方后求和，再开根号，即可得到当前流速大小
所述流速方向解调过程为：将前端运算过程得到两组数值以及流速大小解调过程所求得的当前流速大小
解调得到入射角度
有益效果：本发明相对于现有技术而言具有以下优点：
(1)对于四传感器旋转阵列装置，不仅能够实现X,Y双轴方向流速测量，还可以通过对传感器阵列信号处理和数据融合，提高所测量信号的精度，灵敏度和信噪比，并实现对流体源的定向。
(2)与单个仿生谐振毛发传感器测量信号相比，传感器阵列具有更好的方向测量力，高信号增益，强抗干扰能力，和高空间分辨能力。
(3)对于四传感器旋转阵列装置，当毛发受到X轴方向(或Y轴方向)的外界流体作用时，位于X轴方向(或Y轴方向)上的两组毛发结构会带动其底座质量块绕着旋转中心和Y轴(或X轴)轴线偏转一定角度，此时敏感轴方向上的仿生谐振毛发传感器的音叉谐振器受轴向力的作用，其固有频率发生变化。当其受到的外力越大时，固有频率相应变化也越大。
(4)当毛发受到X方向(或Y方向)外界加速度或流体作用导致双端固定音叉固有频率发生变化时，通过硅微传感器结构上的固定电极外接测量电路，可以实现谐振梁当前固有频率的测量，再利用最大似然估计法，对四路输出频率信号进行运算、解调，可以实现对平面内任意方向流体的流速大小和方向的敏感。
附图说明
图1为本发明的基于仿生谐振毛发传感器的旋转阵列装置的整体结构示意图。
图2为本发明的基于仿生谐振毛发传感器的旋转阵列装置的底层结构示意图。
图3为最大似然估计算法的流程框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，本发明提供了一种基于仿生谐振毛发传感器的旋转阵列装置，其特征在于：由第一、二、三、四仿生谐振毛发传感器1-1、1-2、1-3、1-4旋转相邻排布组成，整体结构呈“田”字型；
所述第一仿生谐振毛发传感器1-1由上层的第一毛发结构2-1和下层的第一硅微传感器结构3-1组成，所述第二仿生谐振毛发传感器1-2由上层的第二毛发结构2-2和下层的第二硅微传感器结构3-2组成，所述第三仿生谐振毛发传感器1-3由上层的第三毛发结构2-3和下层的第三硅微传感器结构3-3组成，所述第四仿生谐振毛发传感器1-4由上层的第四毛发结构2-4和下层的第四硅微传感器结构3-4组成；
其中第一仿生谐振毛发传感器1-1位于旋转阵列装置的左下角，沿X轴正方向与第四仿生谐振毛发传感器1-4并列，沿Y轴正方向与第二仿生谐振毛发传感器1-2并列；第二仿生谐振毛发传感器1-2位于旋转阵列装置的左上角，沿X轴正方向与第三仿生谐振毛发传感器1-3并列，沿Y轴负方向与第一仿生谐振毛发传感器1-1并列；第三仿生谐振毛发传感器1-3位于旋转阵列装置的右上角，沿X轴负方向与第二仿生谐振毛发传感器1-2并列，沿Y轴负方向与第四仿生谐振毛发传感器1-4并列；第四仿生谐振毛发传感器1-4位于旋转阵列装置的右下角，沿X轴负方向与第一仿生谐振毛发传感器1-1并列，沿Y轴正方向与第三仿生谐振毛发传感器1-3并列；第三毛发结构2-3与第一毛发结构2-1分别位于旋转阵列装置的上下边缘，同时对沿X轴方向的流速敏感；第二毛发结构2-2与第四毛发结构2-4分别位于旋转阵列装置的左右边缘，同时对沿Y轴方向的流速敏感。
其中第一硅微传感器结构3-1位于旋转阵列装置的左下角，第二硅微传感器结构3-2位于旋转阵列装置的左上角，第三硅微传感器结构3-3位于旋转阵列装置的右上角，第四硅微传感器结构3-4位于旋转阵列装置的右下角。
其中第一硅微传感器结构3-1上的第一旋转中心7-1位于第一底座质量块8-1的上端顶部，第一底座质量块8-1的内部放置左、右对称的第一、二杠杆机构5-1a、5-1b及第一、二双端固定音叉谐振器子结构4-1a、4-1b，第一、二、三、四摆动抑制弹性结构6-1a、6-1b、6-1c、6-1d分别布置在第一底座质量块8-1的右下，左下，左上，右上四个顶点处；
第二硅微传感器结构3-2的第二旋转中心7-2位于第二底座质量块8-2的右端顶部，第二底座质量块8-2的内部放置上、下对称的第三、四杠杆机构5-2a、5-2b及第三、四双端固定音叉谐振器子结构4-2a、4-2b，第五、六、七、八摆动抑制弹性结构6-2a、6-2b、6-2c、6-2d分别布置在第二底座质量块8-2的右下，左下，左上，右上四个顶点处；
第三硅微传感器结构3-3的第三旋转中心7-3位于第三底座质量块8-3的下端底部，第三底座质量块8-3的内部放置左、右对称的第五、六杠杆机构5-3a、5-3b及第五、六双端固定音叉谐振器子结构4-3a、4-3b，第九、十、十一、十二摆动抑制弹性结构6-3a、6-3b、6-3c、6-3d分别布置在第三底座质量块8-3的右下，左下，左上，右上四个顶点处；
第四硅微传感器结构3-4的第四旋转中心7-4位于第四底座质量块8-4的左端顶部，第四底座质量块8-4的内部放置上、下对称的第七、八杠杆机构5-4a、5-4b及第七、八双端固定音叉谐振器子结构4-4a、4-4b，第十三、十四、十五、十六摆动抑制弹性结构6-4a、6-4b、6-4c、6-4d分别布置在第四底座质量块8-4右下，左下，左上，右上四个顶点处。
其中第一硅微传感器结构3-1的第三、四摆动抑制弹性结构6-1c、6-1d与第二硅微传感器结构3-2的第五、六摆动抑制弹性结构6-2a、6-2b)相邻，第二硅微传感器结构3-2的第五、八摆动抑制弹性结构6-2a、6-2d与第三硅微传感器结构3-3的第十、十一摆动抑制弹性结构6-3b、6-3c相邻，第三硅微传感器结构3-3的第九、十摆动抑制弹性结构6-3a、6-3b与第四硅微传感器结构3-4的第十五、十六摆动抑制弹性结构6-4c、6-4d相邻，第四硅微传感器结构3-4的第十四、十五摆动抑制弹性结构6-4b、6-4c与第一硅微传感器结构3-1的第一、四摆动抑制弹性结构6-1a、6-1d相邻。
第一、二、三、四仿生谐振毛发传感器1-1、1-2、1-3、1-4的四路输出信号由控制系统测得，经由最大似然估计法处理，可以敏感平面内任意流速的大小和方向；
四传感器旋转阵列装置的四路输出信号由控制系统测得，经由最大似然估计法处理，可以敏感平面内任意流速的大小和方向。最大似然估计法的求解方法为：列出参数θ的似然函数L(θ)，取对数求偏导得到极点，该极点值即为参数θ的极大似然估计值。
所述最大似然估计法的求解过程由两部分组成：前端运算过程9和后端解调过程10；所述前端运算过程由差分过程11、累加过程12和均值过程13组成；
所述差分过程11为：控制系统输出的四路频率信号两两相减，第一路输出信号xi1与第三路输出信号xi3相减，第二路输出信号xi2与第四路输出信号xi4相减；所述累加过程12为：将得到的两组差分信号做累加运算，累加次数由控制系统设定；所述均值过程13为：将累加后的数值除以二倍的累加次数；
所述后端解调过程10由流速大小解调过程14和入射角度解调过程15组成；所述流速大小解调过程14为：将前端运算过程9得到两组数值分别平方后求和，再开根号，即可得到当前流速大小
所述流速方向解调过程15为：将前端运算过程9得到两组数值以及流速大小解调过程所求得的当前流速大小
解调得到入射角度
四传感器旋转阵列装置的毛发结构在受到外部流场时，若毛发结构在外部流场受到的白噪声符合高斯分布，经推导可以得到流速信息与控制系统输出信号的关系表达式：
其中，
包含了外部气流大小和方向的信息，
表示空气流速，单位m/s，
表示外部空气流速的方向与X轴的夹角。根据上述表达式，所述流速大小解调过程14为：将前端运算过程9得到两组数值分别平方后求和，再开根号，即可得到当前流速大小
所述流速方向解调过程15为：将前端运算过程9得到两组数值以及流速大小解调过程14所求得的当前流速大小
解调得到入射角度
普遍地，若毛发在外部流场中受到的噪声符合其他分布，且对于其他排布方式的阵列传感器，其敏感轴在不同方向(不仅限于x和y轴正负方向)，都可以通过上述方式求得参数
的最大似然估计值，进而得到估计流速和入射角度。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种基于仿生谐振毛发传感器的旋转阵列装置，其特征在于：由第一、二、三、四仿生谐振毛发传感器（1-1、1-2、1-3、1-4）旋转相邻排布组成，整体结构呈“田”字型；
所述第一仿生谐振毛发传感器（1-1）由上层的第一毛发结构（2-1）和下层的第一硅微传感器结构（3-1）组成，所述第二仿生谐振毛发传感器（1-2）由上层的第二毛发结构（2-2）和下层的第二硅微传感器结构（3-2）组成，所述第三仿生谐振毛发传感器（1-3）由上层的第三毛发结构（2-3）和下层的第三硅微传感器结构（3-3）组成，所述第四仿生谐振毛发传感器（1-4）由上层的第四毛发结构（2-4）和下层的第四硅微传感器结构（3-4）组成；
其中第一仿生谐振毛发传感器（1-1）位于旋转阵列装置的左下角，沿X轴正方向与第四仿生谐振毛发传感器（1-4）并列，沿Y轴正方向与第二仿生谐振毛发传感器（1-2）并列；第二仿生谐振毛发传感器（1-2）位于旋转阵列装置的左上角，沿X轴正方向与第三仿生谐振毛发传感器（1-3）并列，沿Y轴负方向与第一仿生谐振毛发传感器（1-1）并列；第三仿生谐振毛发传感器（1-3）位于旋转阵列装置的右上角，沿X轴负方向与第二仿生谐振毛发传感器（1-2）并列，沿Y轴负方向与第四仿生谐振毛发传感器（1-4）并列；第四仿生谐振毛发传感器（1-4）位于旋转阵列装置的右下角，沿X轴负方向与第一仿生谐振毛发传感器（1-1）并列，沿Y轴正方向与第三仿生谐振毛发传感器（1-3）并列；第三毛发结构（2-3）与第一毛发结构（2-1）分别位于旋转阵列装置的上下边缘，同时对沿X轴方向的流速敏感；第二毛发结构（2-2）与第四毛发结构（2-4）分别位于旋转阵列装置的左右边缘，同时对沿Y轴方向的流速敏感;
其中第一硅微传感器结构（3-1）位于旋转阵列装置的左下角，第二硅微传感器结构（3-2）位于旋转阵列装置的左上角，第三硅微传感器结构（3-3）位于旋转阵列装置的右上角，第四硅微传感器结构（3-4）位于旋转阵列装置的右下角；
其中第一、二、三、四仿生谐振毛发传感器（1-1、1-2、1-3、1-4）的四路输出信号由控制系统测得，经由最大似然估计法处理，可以敏感平面内任意流速的大小和方向；
所述最大似然估计法的求解过程由两部分组成：前端运算过程（9）和后端解调过程（10）；所述前端运算过程由差分过程（11）、累加过程（12）和均值过程（13）组成；
所述差分过程（11）为：控制系统输出的四路频率信号两两相减，第一路输出信号
与第三路输出信号
相减，第二路输出信号
与第四路输出信号
相减；所述累加过程（12）为：将得到的两组差分信号做累加运算，累加次数由控制系统设定；所述均值过程（13）为：将累加后的数值除以二倍的累加次数；
所述后端解调过程（10）由流速大小解调过程（14）和入射角度解调过程（15）组成；所述流速大小解调过程（14）为：将前端运算过程（9）得到两组数值分别平方后求和，再开根号，即可得到当前流速大小
；所述流速方向解调过程（15）为：将前端运算过程（9）得到两组数值以及流速大小解调过程所求得的当前流速大小
解调得到入射角度
；
其中第一硅微传感器结构（3-1）的第三、四摆动抑制弹性结构（6-1c、6-1d）与第二硅微传感器结构（3-2）的第五、六摆动抑制弹性结构（6-2a、6-2b）相邻，第二硅微传感器结构（3-2）的第五、八摆动抑制弹性结构（6-2a、6-2d）与第三硅微传感器结构（3-3）的第十、十一摆动抑制弹性结构（6-3b、6-3c）相邻，第三硅微传感器结构（3-3）的第九、十摆动抑制弹性结构（6-3a、6-3b）与第四硅微传感器结构（3-4）的第十五、十六摆动抑制弹性结构（6-4c、6-4d）相邻，第四硅微传感器结构（3-4）的第十四、十五摆动抑制弹性结构（6-4b、6-4c）与第一硅微传感器结构（3-1）的第一、四摆动抑制弹性结构（6-1a、6-1d）相邻。
2.根据权利要求1所述的一种基于仿生谐振毛发传感器的旋转阵列装置，其特征在于:其中第一硅微传感器结构（3-1）上的第一旋转中心（7-1）位于第一底座质量块（8-1）的上端顶部，第一底座质量块（8-1）的内部放置左、右对称的第一、二杠杆机构（5-1a、5-1b）及第一、二双端固定音叉谐振器子结构（4-1a、4-1b），第一、二、三、四摆动抑制弹性结构（6-1a、6-1b、6-1c、6-1d）分别布置在第一底座质量块（8-1）的右下，左下，左上，右上四个顶点处；
第二硅微传感器结构（3-2）的第二旋转中心（7-2）位于第二底座质量块（8-2）的右端顶部，第二底座质量块（8-2）的内部放置上、下对称的第三、四杠杆机构（5-2a、5-2b）及第三、四双端固定音叉谐振器子结构（4-2a、4-2b），第五、六、七、八摆动抑制弹性结构（6-2a、6-2b、6-2c、6-2d）分别布置在第二底座质量块（8-2）的右下，左下，左上，右上四个顶点处；
第三硅微传感器结构（3-3）的第三旋转中心（7-3）位于第三底座质量块（8-3）的下端底部，第三底座质量块（8-3）的内部放置左、右对称的第五、六杠杆机构（5-3a、5-3b）及第五、六双端固定音叉谐振器子结构（4-3a、4-3b），第九、十、十一、十二摆动抑制弹性结构（6-3a、6-3b、6-3c、6-3d）分别布置在第三底座质量块（8-3）的右下，左下，左上，右上四个顶点处；
第四硅微传感器结构（3-4）的第四旋转中心（7-4）位于第四底座质量块（8-4）的左端顶部，第四底座质量块（8-4）的内部放置上、下对称的第七、八杠杆机构（5-4a、5-4b）及第七、八双端固定音叉谐振器子结构（4-4a、4-4b），第十三、十四、十五、十六摆动抑制弹性结构（6-4a、6-4b、6-4c、6-4d）分别布置在第四底座质量块（8-4）右下，左下，左上，右上四个顶点处。
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