(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210591837.2 (22)申请日 2022.05.27 (71)申请人 电子科技大 学 地址 611731 四川省成 都市高新区 （西区） 西源大道 2006号 申请人 北京新风航天装备有限公司 (72)发明人 涂程　武颖杰　乔琳倩　吕秀梅　 张自强　张晓升　 (74)专利代理 机构 电子科技大 学专利中心 51203 专利代理师 甘茂 (51)Int.Cl. G01D 21/02(2006.01) B81B 7/02(2006.01) (54)发明名称 一种多功能集成化的M EMS传感器系统 (57)摘要 本发明属于射频微机电系统传感器技术领 域， 具体提供一种多功能集成化的MEMS传感器系 统， 用以实现基于单一传感器的磁场与温度测 量。 本发明采用角拍动方形谐振器同时作为磁场 传感器与温度传感器， 并匹配设计切换电路与后 端处理电路， 共同构成多功能集成化的MEMS传感 器系统； 切换电路采用两个二极管与门构成， 通 过对两个二 极管与门的输出进行高、 低电平的控 制， 实现磁场传感电路与温度传感电路的相互切 换； 并且， 磁场与温度传感电路中共用由跨阻放 大器、 二阶RC滤波网络、 电压跟随器及单片机中 控模块构成的后端处理电路； 综上， 本发明能够 基于单一传感器实现磁场与温度的同时测量， 且 具有低功耗、 小体积、 多功能、 稳定性强的优点。 权利要求书1页 说明书5页 附图3页 CN 115200635 A 2022.10.18 CN 115200635 A 1.一种多功能集成化的MEMS传感器系 统， 包括： 多功能谐振式传感器(1)、 跨阻放大器 (2)、 二阶RC滤波网络(3)、 电压跟随器(4)、 文氏电桥振荡电路(5)、 第一二极管与门(6)、 第 二二极管与门(7)及单片机中控 模块(8)； 其特 征在于， 所述多功能谐振式传感器采用角拍动方形谐振器， 其电极结构包括： 上输出电极盘(1 ‑ 1)与下输出电极盘(1 ‑2)构成的一对输出电极、 第一上输入电极盘(1 ‑3)与第二上输入电极 盘(1‑4)构成的一对上输入电极、 第一下输入电极盘(1 ‑5)与第二下输入电极盘(1 ‑6)构成 的一对下输入电极、 以及接地电极盘(1 ‑7)， 所述第一上输入电极盘(1 ‑3)与第一下输入电 极盘(1‑5)之间通过左侧环路导线(1 ‑8)导通， 所述第二上输入电极盘(1 ‑4)与第二下输入 电极盘(1 ‑6)之间通过右侧环路导线(1 ‑9)导通； 所述跨阻放大器(2)、 二阶RC滤波网络(3)、 电压跟随器(4)依次串联， 跨阻放大器(1)的 反相输入端 连接多功能谐振式传感器的上输出电极盘(1 ‑1)， 电压跟随器(4)连接多功能谐 振式传感器的下输出电极盘(1 ‑2)与单片机中控模块(8)； 所述文氏电桥振荡电路(5)的输 出端连接多功能谐振式传感器的下输入电极； 所述第一二极管与门(6)与第二二极管与门 (7)构成切换电路， 第一二极管与门的输入端与第二二极管与门的输入端分别连接单片机 中控模块的IO接口、 且第一二极管与门输入低电平 时第二二极管与门输入高电平、 第一二 极管与门输入高电平时第二二极管与门输入低电平， 第一二极管与门的输出端连接文氏电 桥振荡电路的输出端， 第二二极管与门的输出端连接多功能谐振式传感器的下输出电极 盘。 2.按权利要求1所述多功能集成化的MEMS传感器系统， 其特征在于， 所述单片机 中控模 块包括： IO接口、 波 形转换模块、 分频电路、 频率测量模块、 检波电路、 AD转换模块、 幅度测量 模块及数据显示模块， 所述波 形转换模块、 分频电路、 频率测量模块依次连接构成温度测量 支路， 所述检波电路、 AD转换模块、 幅度测量模块依次连接构成磁感应强度测量支路， 温度 测量支路与磁感应强度测量支路的测量结果 通过数据显示模块显示。 3.按权利要求1所述多功能集成化的MEMS传感器系统， 其特征在于， 所述多功能集成化 的MEMS传感器系统进行磁感应强度测量时， 第一二极管与门(6)由单片机中控模块的IO接 口输入低电平、 第二二极管与门(7)由单片 机中控模块的IO接口输入高电平， 文氏电桥振 荡 电路(5)的输出信号作为激励信号输入至多功能谐振式传感器的下输入电极， 激励信号分 别通过左侧环路导线(1 ‑8)与右侧环路导线(1 ‑9)到达上输入电极后通过接地电极盘(1 ‑7) 到地， 多功能谐振式传感器在激励信号作用下产生谐振信号、 并由上输出电极盘(1 ‑1)输 出， 谐振信号依次经过跨阻放大器(2)、 二阶RC滤波网络(3)、 电压跟随器(4)后输入至单片 机中控模块(8)。 4.按权利要求1所述多功能集成化的MEMS传感器系统， 其特征在于， 所述多功能集成化 的MEMS传感器系统进行温度测量时， 第一二极管与门(6)输入高电平、 第二二极管与门(7) 输入低电平， 多功能谐振式传感器(1)、 跨阻放大器(2)、 二阶RC滤波网络(3)与电压跟随器 (4)构成闭环振 荡器， 电压跟随器(4)的输出端输出闭环振荡器的振荡信号至单片 机中控模 块(8)。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115200635 A 2一种多功能集成化的MEMS传感器系统 技术领域 [0001]本发明属于射频微机电系统传感器技术领域， 具体提供一种基于微机电技术的多 功能集成化的多功能传感器系统。 背景技术 [0002]微机电系统(Micro ‑Eletro‑Mechanical  Systems,MEMS)是一种将微型机械结构 与电路集成的器件和系统， 具有小型化、 轻量化以及高度集成化的特点， 广泛应用于航空航 天、 信息通信、 生物化学、 医疗、 自动控制、 消费电子等领域。 MEMS谐振器是MEMS技术在射频 领域的关键应用， 与传 统石英晶体谐振器相比， MEMS谐振器具有重量轻、 功耗低、 体积小以 及能够与COMS(Complementary  Metal Oxide Semiconductor)工艺兼容 等优点。 [0003]随着科学技术的发展， 越来越多的领域需要完整而准确的反应多个物理量， 多功 能集成化传感器成为了传感器领域的一个重要研究方向； 微机电系统可以在单个芯片上集 成多个传感单元使得该技术成为了未来传感器发展的主流趋势。 微机电传感器按照机电换 能的方式可分为电容式换能、 压阻式换能和压电式换能等； 按照输出信号类型可以分为幅 度信号输出和频率信号输出； 压电式换能的换能效率高， 能够显著降低整体电路的功耗， 减 小信号处理电路的设计难度。 目前研究较多的压电谐振器主要有声表面波(SAW， Surface   Acoustic  Wave) 谐振器和体声波(B AW， Bulk Acoustic Wave)谐振器两类。 SAW谐振器具有 高稳定性、 小尺寸、 低 成本、 工艺成熟等优点， 而且能够在单片上加工多种频率； 但是， 由于 SAW相速度低和光刻技术的局限性， 使得SAW谐振器的工作频率较低； 此外， 品质因数(Q)较 低、 加工工艺与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺不兼容也是SAW器件的缺点。 BAW谐振器 是在器件内部传播， 通常具有 更高的相速度， 因此相比于SAW谐振器， BAW谐振器具有更高的 工作频率和更高的品质因素Q； 但是， BA W谐振器的工作频率是由压电薄膜的厚度决定的， 难 以在单片上实现多种频率。 [0004]在此基础上， 申请人发现在军事、 智能检测、 车辆导航、 物联 网等领域， 总是需要进 行磁场、 温度 物理量的同时测量， 并且要求传感器具有微型化、 集成化、 多功能等特点； 针对 此需求， 本发明提供一种多功能集成化的MEMS传感器系统， 用以实现基于单一传感器的磁 场与温度物理量测量。 发明内容 [0005]本发明的目的在于提供一种多功能集成化的MEMS传感器系统， 采用角拍动方形谐 振器 (Corner‑Flapping  Square Plate Topology  LFM)同时作为磁场(磁感应强度)传感 器与温度传感器， 通过两个二极管与门6构成的切换电路实现磁场传感电路与温度传感电 路的切换， 最终 实现基于单一传感器的磁场与温度物理量的同时测量。 [0006]为实现上述目的， 本发明采用的技 术方案为： [0007]一种多功能集成化的MEMS传感器系统， 包括： 多功能谐振式传感器1、 跨阻放大器 2、 二阶RC滤波网络3、 电压跟随器4、 文氏电桥振荡电路5、 第一二极管与门6、 第二二极管与说　明　书 1/5 页 3 CN 115200635 A 3