CN101093204A

CN101093204A - 一种谐振式微悬臂梁自激振荡自检测传感器

Info

Publication number: CN101093204A
Application number: CN 200710119269
Authority: CN
Inventors: 尤政; 赵嘉昊; 周勤; 李珂; 董瑛; 于世洁; 毕研刚
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Chongqing Qingyi Microsystem Technology Co ltd
Priority date: 2007-07-19
Filing date: 2007-07-19
Publication date: 2007-12-26
Anticipated expiration: 2027-07-19
Also published as: CN100570347C

Abstract

一种谐振式微悬臂梁自激振荡自检测传感器，属于微机电系统悬臂梁传感器技术领域，其特征在于，含有一个由选频网络、滤波放大电路、相位补偿电路及驱动电路依次串联构成的一闭环电路，该选频网络由含有压电驱动结构的微悬臂梁、补偿电路、第一运算放大电路、第一反馈电路和第二反馈电路构成，该悬臂梁结构的下电极与第一运算放大电路的负输入端相连，而上电极经补偿电路连接到第一运算放大电路的正输入端。微悬臂梁在压电效应作用下谐振，当外部环境的物理量或化学量发生变化时其谐振频率的偏移量经反馈放大后由选频网络输出。本发明把激励结构和检测结构合为一体，提高了稳定性，成品率，并降低了成本。

Description

一种谐振式微悬臂梁自激振荡自检测传感器

技术领域

本发明是关于谐振式微机电系统(MicroElectroMechanical System)悬臂梁传感器领域的，具体涉及谐振频率检测式的MEMS微悬臂梁传感器技术，以及相关的MEMS微悬臂梁自激振荡自检测谐振频率的技术和方法。

背景技术

随着MEMS技术的发展，MEMS微传感器有着体积小、重量轻、响应快、功耗低、成本低、易于阵列化集成等特点，在生产、生活各领域中的应用越来越广泛。有一大类MEMS传感器是属于谐振式传感器，MEMS结构在固有频率的激励下进入谐振状态，而外部环境物理量的变化会改变系统的固有频率，从而使得谐振频率偏移，通过对谐振频率偏移量的检测得到外部环境物理量的变化。

谐振式微悬臂梁传感器就是一种谐振式MEMS传感器，在已有技术中，一般谐振式传感器都是驱动与检测两组结构分开独立工作的：谐振器需要一套电路通过激励器件来驱动激励，产生谐振；同时又需要另一套电路通过检测结构来实现测量谐振频率，输出信号。例如JohannMertens等人2004年采用压电激励/光学拾振检测的方法检测HF气体。(Johann Mertens，EricFinot，Marie-Hélène Nadal，Vincent Eyraud，Olivier Heintz，Eric Bourillot，Detection of gas trace ofhydrofluoric acid using microcantilever，Sensors and Actuators B 99(2004)58-65)复旦大学周嘉等人也研制了PZT压电/光学拾振检测的气体传感器(周嘉，黎坡，黄宜平，张松，周峰，杨芃原，鲍敏航，压电谐振式微悬臂梁气体传感器，压电与声光，2003年10月，第25卷，第5期)。Sarah S.Bedair等人研究的谐振式气体传感器是采用一组梳齿电容激励谐振，另一组梳齿电容检测的方法实现的。(Sarah S.Bedairl，Gary K.Fedder，CMOS MEMS Oscillator for GasChemical Detection，2004 IEEE)另外，微陀螺领域也有谐振式传感器的应用，如采用梳齿电容激励谐振，另一梳齿电容检测的方法。

使用驱动和检测两组独立结构，使得传感器结构变得复杂，工艺流程也随之增加，对于尚未商业化的MEMS工艺技术而言，这就降低了系统的稳定性以及微结构的成品率，大大增加了成本；另一方面，由电信号转变为机械频率信号，再由机械频率信号转变为电信号两次能量转换，增加了系统的损耗，降低了系统可靠性。总之，造成传感器系统复杂、易受干扰、损耗增加，严重影响了传感器系统的性能和稳定性，并且加大了传感器制造的难度和成本，阻碍了谐振式MEMS微传感器的应用和发展。而如果驱动和激励两组独立结构合二为一，就可以很好的避免以上问题，目前尚未有这方面的报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对MEMS谐振式传感器提供了一种自激振荡自检测的方法，并提供了一种谐振式MEMS微悬臂梁自激振荡自检测传感器。本发明无需使用激励和测量两组独立的结构，仅需要一个激励结构和相应的自激励自检测闭环电路，这样MEMS微结构得到简化，系统能量的损耗得到降低，从而提高了系统的性能和可靠性，抗干扰能力也得到了加强。传感器结构简化的同时，MEMS微结构的工艺流程也随之相应减少，这样系统的稳定性就提高了，而且能够有效的提高成品率，降低设计制作成本。

本发明的特征在于：

含有选频网络、滤波放大电路、相位补偿电路和驱动电路，其中：

选频网络，含有微悬臂梁、补偿电路、第一运算放大器、第一反馈电路和第二反馈电路，其中：

微悬臂梁是微机电系统(MEMS)悬臂梁结构的谐振器，用于感知外部环境的变化，把外部环境中的被测物理量或化学量转换为频率变化量，所述微悬臂梁包括：硅基底、悬臂梁结构和敏感材料层，其中：

硅基底，是用于制造微悬臂梁的硅衬底和支撑结构；

悬臂梁结构，是在所述硅基底上，使用MEMS工艺制造的一根微悬臂梁，在所述微悬臂梁的一端上沉积氧化锌压电层，在该氧化锌压电层上下分别是上电极和下电极，该氧化锌压电层和上、下电极以及悬臂梁本身共同构成悬臂梁结构，在外部环境高频噪声输入到该上下电极时，该悬臂梁结构在压电效应的作用下振动；

敏感材料层，由涂敷或沉积在所述微悬臂梁的硅基底另一端的对被检测的外部环境中的物理量或化学量起感知作用的敏感材料构成，

补偿电路，由电容C3和电阻R2依次串联构成，该电容C3但另一端接所述悬臂梁结构的上电极；

第一运算放大器，正输入端与所述补偿电路中电阻R2的另一端相连，而负输入端与所述悬臂梁结构的下电极相连，除此之外，该第一运算放大器还设有电源输入端；

第一反馈电路，由电容C2A、电阻R3A并联构成，并联后的两端分别与该第一运算放大器的选频网络输出端以及所述悬臂梁结构的下电极相连；

第二反馈电路，由电容C2B、电阻R3B并联构成，在数值上，C2A＝C2B，R3A＝R3B，并联后的两端分别接地，以及所述第一运算放大器的正输入端；

滤波放大电路，含有第二运算放大电路，其正输入端接地，所述选频网络的输出信号经过一个由电阻R4、电容C4串联构成的阻容滤波电路后，在串联一个电阻R5与该第二运算放大器的负输入端相连，该电阻R5的两端分别经过电阻R4、电容C5后共同链接到该第二运算放大电路的输出端，除此以外该第二运算放大电路还有电源输入端；

相位补偿电路，含有第三运算放大器，所述滤波放大电路的输出信号经过一个有电容C6、电阻R6串联组成的阻容滤波电路的串接点送入该第三运算放大器的正输入端，电阻R6的另一端接地，所述滤波放大电路的输出信号同时经电阻R7后送入该第三运算放大器的负输入端，该第三运算放大器的输出端还经过一个反馈电阻R8连接到该第三运算放大器的负输入端；

驱动电路，含有第四运算放大电路和限幅电路，所述相位补偿电路的输出信号经过一个由电容C7、电阻R9串联的支路后送入第四运算放大电路的正输入端，该第四运算放大电路的输出端经过一个反馈电阻R10后连接到该第四运算放大电路的负输入端，所述限幅电路由三条串联支路以及向该三条串联支路供电的电池E组成，在三条串联支路中，第一条含有相互串联的电阻R11，以及由电阻R12、电容C8组成的并联支路，第二条由电阻R13、电阻R14相串联组成，第三条由电阻R15以及由电阻R16、电容C9并联的并联支路相互串联构成，电池E的正极连接电阻R11、R13、R15，而负极和电阻R16、电容C9、电阻R14、电阻R12、电容C8相连后接地，所述第二条支路的串接点VinDC是所述限幅电路的输入端，与所述电阻R9、电容C7的串接点相连，而第一条支路的串接点VH，第三条支路的串接点VL分别于第四运算放大电路的高限位信号输入端VH、低限位信号输入端VL相连。

所述的微悬臂梁结构，也可以在所述的硅基底上先沉积下电极，然后使用MEMS工艺制造的一根微悬臂梁，在所述的微悬臂梁上再沉积上电极，该悬臂梁结构在静电力的作用下振动。

本发明经过实验证明，可实现性能优异的高灵敏度传感器，采用三乙醇胺(TEA)作为敏感材料检测二氧化硫气体，可达到10ppb(0.0029mg/m3)的超高灵敏度。

附图说明

图1是谐振式MEMS微悬臂梁自激振荡自检测传感器工作流程示意图。

图2是传感器系统结构原理示意图。

图3是传感器的MEMS微悬臂梁结构的示意图：其中5是硅结构基座；6是使用MEMS工艺制造的微悬臂梁；7是上电极，对应图4和图7中的11；8是氧化锌压电层；9是下电极，对应图4和图7中的12；10是敏感材料层。

图4是微悬臂梁谐振器的等效电路模型。

图5是微悬臂梁谐振器的等效电路模型的频率-阻抗特性曲线。

图6是传感器中用于小信号分析的差分共模原理图。

图7是按照差分供模原理搭建的选频网络，其中包含了谐振器的等效电路模型，补偿电路，偏置电路。

图8是滤波电路。

图9是相位补偿电路图。

图10是驱动电路图。

具体实施方式

一种谐振式MEMS微悬臂梁自激振荡自检测传感器，由MEMS谐振结构和相应的闭环自激振荡电路部分组成。所述的MEMS谐振结构为只有一套自激振荡自检测结构的微悬臂梁。所述的微悬臂梁是传感器感知外部环境变化的敏感结构，功能是环境中的被测物理量或者化学量，比如气体分子、环境阻尼、加速度等，转化为频率变化量。所述的闭环自激振荡电路，其特征在于包括：差模补偿网络，滤波电路，放大电路，相移电路和驱动限幅电路。

所述的闭环自激振荡回路工作时，在整个系统供电后，环境中会存在一些噪声信号，对于自激网络的一点扰动，都会使得系统很快就进入了谐振状态。在放大部分的电路后面可以引出频率信号，作为输出。由此得到了微悬臂梁的固有频率。当环境中的物理化学量改变，此如被测气体分子被敏感材料吸附，从而改变悬臂梁的质量；环境流体粘度影响阻尼状态；加速度产生应力变化等等，都能改变悬臂梁的固有频率。选频网络是一个只对谐振频率敏感的电路。采用过差分方法，当系统处于非谐振状态时，输出为零的信号。当悬臂梁进入了谐振状态，使得差分电路一支阻抗降低，因此输出了固有频率信号。选频网络的选频效果是有限的，主要是对包含谐振频率的一个此较窄的频带进行选频，还需要一个单独的有源滤波电路。然后对于这一信号进行放大。电路中的频率信号由于阻容元件的作用，相位肯定发生改变，因此要增加相移电路，保证反馈信号与固有频率相位一致，再反馈回振荡网络，系统中的信号强度要求在100mV，因此增加一个限幅环节。这样悬臂梁一直振荡在固有频率下，实现了自激振荡，同时得到的频率信号直接反应了环境的变化。

在图2中，共有4个部分。

第1部分为选频网络，包含谐振机构与补偿电路。

采用MEMS微加工技术制作的谐振机构，如前文所述有许多应用。图3所示的悬臂梁机构就是典型的并有广泛应用的谐振机构。本发明就以悬臂梁结构谐振器为例进行实施。其频率与结构关系为：

f = \frac{λ^{2}}{2 π L^{2}} \sqrt{\frac{EI}{ρA}}

式中λ为一常数，与尺寸无关，E是材料的杨氏模量，I是界面惯量矩，p是材料密度，A是横截面积，L是长度。

图3中5是硅基底，6是在硅基底上使用MEMS工艺制造的悬臂梁，8是在微悬臂梁一端沉积氧化锌压电层，其上下分别有电极供电，10是在悬臂梁上涂敷或着沉积的敏感材料。对于二氧化硫气体检测，选用涂敷三乙醇胺(TEA)。

微悬臂梁还可以采用静电方式驱动，即在硅基底上先沉积下电极，然后使用MEMS工艺制造的一根微悬臂梁，在微悬臂梁再沉积上电极，该悬臂梁结构在静电力的作用下振动。

MEMS结构都有一个等效电路模型。悬臂梁的小信号等效电路模型如图4。其中，系统阻尼包括自身阻尼和气体、液体环境中的流体阻尼效应等效为图4中的电阻R1；悬臂梁为机械弹性元件，这一特性等效为图4中的电容C1；悬臂梁质量在震动过程中动量变化与电路中电感的储能原理相同，估悬臂梁质量特性等效为图4中的电感L1。这三种器件是悬臂梁上所有结构包括电极，敏感材料，梁自身形状和材料参数等共同构成的悬臂梁的机械特性，为串联方式连接。本发明的悬臂梁驱动采用压电材料或者静电吸引，这两种方法都是一个典型的电容元件，在图4中等效为电容C0，与悬臂梁自身机械结构特性的R1、C1、L1为并联关系。等效电路的两个端点就是压电材料的两个电极，对于静电驱动就是静电结构的两个电极。整个悬臂梁构成到图6差分补偿电路的一支，信号输入到差分补偿电路的运算放大器中。该电路的特点是在非谐振状态下电路阻抗很大为C0，在谐振频率附近，电路阻抗变得很小，该悬臂梁等效模型的阻抗特性曲线如图5。

对于图4等效电路的分析，作为生化传感器，此如气体分子的敏感材料吸附了该气体后，改变了悬臂梁的自身质量，既改变了悬臂梁等效电路模型中的L1，从而改变了频率。检测气体就用气敏材料，此如对二氧化硫敏感的三乙醇胺(TEA)；检测DNA生物分子，敏感材料为特定DNA链等。作为流体密度环境阻尼检测，是改变图4中的R1，设计加大悬臂梁振动方向上的面积，使得流体阻尼效应更加显著。加速度的变化是对悬臂梁增加了一个新的作用力，对于谐振系统有一个综合作用，也会影响其谐振状态。

由于微梁系统的尺寸小，阻抗特性曲线起伏很小，系统信号微弱，同时容易受到空间噪声和电源电压波动等干扰，因此采用差分补偿电路，还可以对电路系统进行一些电磁屏蔽。差分补偿电路原理如图6，Q1与Q2分别接入微梁结构和相应的补偿阻容电路，要求补偿电路部分与微梁非谐振状态下的电气特性相同。选频网络输出u_out与驱动反馈信号的输入u_in关系为：

其中Z_补偿电路是补偿电路的阻抗，Z_压电梁是微悬臂梁等效的阻抗，Z_A是电容C2A和电阻R3A并联回路的阻抗。

屏蔽方式为，1在微梁结构封装与补偿电路一起放入电磁屏蔽罩。2在电路进入电磁屏蔽的部分引线上设计了磁珠和电容进行滤波。

由谐振机构与补偿电路经过差分就构成了选频网络。具体电路实例如图7，选用的是OP37运算放大器。其中C0是谐振系统非谐振状态下的等效电容。A和B为对称结构，为偏置作用。输出信号到第2部分的滤波电路。

第2部分是滤波电路的设计。因为选频网络仅仅对以谐振频率为中心的一个频段有选频作用，对于其他频段需要单独设计滤波电路。滤波电路的种类很多，功能也不同。因为悬臂梁的信号很弱，因此选用有源滤波电路。又因为微谐振系统一般都应用在一阶谐振频率处，主要需要抑制高频信号，可以采用低通滤波电路。如果频带变化范围很窄，不需要考虑通频带内幅频曲线平坦的问题，因此直接采用Q值很大(Q＝3)的二阶滤波电路，特性曲线的尖峰处在微梁谐振频率处既可。具体电路设计方法很多，图8为滤波电路实例。从选频网络输入，向相移电路输出。为了方便调节放大倍数可以单独设计放大电路。

第3部分相移电路是反馈作用的重要环节，不同的电路有不同的设计方法，而相移电路的作用就是保证反馈的信号与初始的振荡信号有着相同的相位，达到自激振荡作用。相移电路设计，为了起到调节的作用，可以让系统在谐振状态下产生约90度的相移，这样上下都有调节余量。本发明采用的电路实例如图9。

第4部分驱动电路采用了输入钳位放大器(ICA，Input Clamp Amplifier)，应用了AD8036运算放大器。一般MEMS谐振器的工作电压很小，尤其是在谐振状态，为保证良好的线性性质，期望驱动电压的幅值控制在100mV左右。驱动电路图如图10所示。不看图的下半部分，电路基本上是一个同相跟随器。图的下半部分实际上是一个电阻分压网络，基准的1.2V电压分压得到VinDC，VL，VH三个电压。VinDC决定了信号的直流偏置量。输入信号通过一个隔直电容以后，被偏置VinDC的直流电压量。VL和VH分别决定了输出电压信号的下限和上限。不同谐振器可以进行不同的设置，最终驱动电压的幅值被限制在100mV以内。

经过相位补偿和驱动后，得到的是100mV内的与悬臂梁振荡同频，同相位的信号。其输入到选频网络中，实现闭环，形成自激振荡，因为有了第一部分的选频网络，也就同时实现了对于频率信号的自检测过程。

应用本发明，采用三乙醇胺(TEA)作为敏感材料，可对二氧化硫气体进行检测，通过用氯仿稀释涂敷的方法，附着在悬臂梁表面进行测试。当环境中二氧化硫浓度达到0.14g/m3时(500ppm)，微悬臂梁谐振器固有频率偏移约1300Hz。频率稳定度为0.15Hz，因此可以测定的最低浓度测量优于0.0165mg/m3(57.7ppb)，在考虑非线性作用，其最低浓度测量可达0.0029mg/m3(10ppb)。这一指标已经优于国家环境指标二氧化硫含量的1级标准。而比起标准中的分光光度法要方便许多。与其它种类悬臂梁气体传感器相此，能够达到其10ppb的最低响应浓度，而应用与自激振荡自检测方法的悬臂梁，制作过程要简化一般的工艺。

Claims

1.一种谐振式微悬臂梁自激振荡自检测传感器，其特征在于含有选频网络、滤波放大电路、相位补偿电路和驱动电路，其中：

硅基底，是用于制造微悬臂梁的硅衬底和支撑结构；

2. 按照权利要求1所述的一种谐振式微悬臂梁自激振荡自检测传感器，其特征在于在所述微悬臂梁结构的硅基底上沉积下电极，然后使用MEMS工艺制造的一根微悬臂梁，在所述的悬臂梁上再沉积上电极，该悬臂梁结构在静电力的作用下振动。