CN103292799A - 一种硅微机械结构振动幅度的电学测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅微机械结构振动幅度的电学测量方法，属于微机械结构位移测量的技术领域。所述测量方法利用动态信号分析仪得到以正弦交流调制电压频率为中心的单边带频谱，由相邻两个单边带电压幅值比得到振动幅度比，结合测量的检测平板电容的平板初始间距，进而确定待测硅微机械振动幅度。本发明操作方法简单，易于实现；能够在同频干扰下测得硅微机械结构的谐振幅度，不需要后续的高通滤波器、解调、低通滤波等环节，减少了硬件的开销；测量的结果不依赖于接口电路的电学参数及调制电压的幅度，提高了测量方法的可靠性。

Description

一种硅微机械结构振动幅度的电学测量方法

技术领域

本发明公开了一种硅微机械结构振动幅度的电学测量方法，属于微机械结构位移测量的技术领域。

背景技术

微机械谐振式传感器是通过检测机械谐振器谐振频率的变化来实现外部物理或化学量的测量，其特点是稳定性好、精度高，其突出的优势是直接输出频率信号，传输过程不易失真，易与数字电路接口。

为了减小微机械谐振式传感器的驱动功耗及保护微机械结构不被测量环境中的固体颗粒或液体所损坏，需要对微机械谐振器进行封装。一般多采取常压或真空封装，封装盖板或封帽用塑料、玻璃、金属等材料制成。

在微机械谐振式传感器设计及应用中，总需要评估测量微机械结构的振动幅度，振动幅度与谐振频率相互耦合，太大的振动幅度会导致谐振频率漂移，难以判断到底谐振频率的变化是由外部信息量还是振动幅度引起。目前，对微机械结构的振动幅度检测主要是通过计算机视觉结合干涉条纹来完成的，通过机械力或静电力等激励微结构振动，通过检测微机械结构特定位置的对应干涉条纹的移动距离来确定结构的位移。计算机视觉结合干涉条纹的测量方法一般在洁净间完成，将待测试结构固定在封装基座上，微结构没有盖板或封帽，这主要是由于无论是透明的还是不透明的盖板或者封帽，均影响干涉条纹的显示。这样的测量环境要求与目前的微结构封装振动条件不一致，主要表现在品质因数不同，所以基于计算机视觉结合干涉条纹的测试方法难以达到不失真测试要求。

静电激励广泛应用于微机械结构的驱动中，在驱动微机械结构谐振时，总是要求品质因数尽可能大，减小驱动功耗，同时在同等静电驱动力下，希望振动的幅度越大，减小信号拾取电路设计的难度，所以目前多采用真空封装。在静电驱动真空封装的微机械谐振式传感器中，微机械结构都处在谐振状态，需要评估高速振动结构的谐振位移。目前基于电学方法的谐振位移测量主要是通过静电力激励微结构，微机械结构在静电力作用下做正余弦振动，在振动过程中，检测电容由开始时的静态变换为动态，接口电路将电容转换为电流或电压，通过检测的电流或电压结合相关电学参数来确定微机械结构的谐振幅度。南京信息工程大学刘恒(刘恒、刘清惓、张加宏、李敏电容式MEMS器件微弱电容检测装置南京信息工程大学CN：202502163U)设计了一种动静态微弱电容检测装置，在考虑了驱动端到检测端的同频干扰条件下，通过电荷放大器将电容信号转换为电压信号，再利用高频方波对动静态电容信号进行调制，经过高通滤波器后接着利用同频方波和模拟开关进行解调，后续再经过低通滤波器得到动静态电容对应的电压信号。根据电压信号幅度、接口电路电学参数并结合检测电容微结构的尺寸参数就可以得到微结构的谐振幅度。在测试过程中，计算谐振幅度受电荷放大器、高通滤波器、低通滤波器及模拟开关等参数的影响，在上电后，模块中的电阻、电容等参数会随温度发生变化，计算结果的准确性受到严重影响。

分析可知，基于计算机视觉和干涉条纹结合的测试方法由于封装盖板或封帽的影响，难以实现封装下的微机械结构的谐振幅度测量。基于调制解调的电学测量方法虽然能达到评估谐振幅度的作用，但测量的结果受电学参数变化的影响性比较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了一种硅微机械结构振动幅度的电学测量方法。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种硅微机械结构振动幅度的电学测量方法，针对静电驱动具有驱动梳齿电容和振动检测电容的硅微机械结构，具体包括如下步骤：

步骤1，测量振动检测电容C_S的初始平板间距g₀；

步骤2，在金电极层上的电极施加电信号：与驱动梳齿电容相连的电极接正弦交流驱动电压V_d(t)，与质量块相连的电极接包含直流偏置分量V_dc的正弦交流调制电压V_c(t)；

步骤3，金电极层上与检测电容相连的电极连接跨阻放大器负输入端，跨阻放大器正输入端接信号地，动态信号分析仪与跨阻放大器输出端连接；

步骤4，确定交流驱动电压V_d(t)幅值以及频率、正弦交流调制电压V_c(t)幅值、直流偏置分量V_dc幅值后，利用动态信号分析仪对跨阻放大器输出信号处理得到以正弦交流调制电压频率ω_c为中心的单边带频谱；

步骤5，计算相邻两个单边带电压幅值比r(x₀)，由单边带电压幅值比r(x₀)反推得到振动幅度比x₀；

步骤6，由步骤1测得的振动检测电容C_S的初始平板间距g₀以及步骤6所述的振动幅度比x₀，得到待测硅微机械结构振动幅度。

所述一种硅微机械结构振动幅度的电学测量方法中，步骤5利用表达式 $x_0=\frac{2r\left(x_0\right)}{r{\left(x_0\right)}^2+1}$ 反推振动幅度比x₀。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：操作方法简单，易于实现；能够在同频干扰下测得硅微机械结构的谐振幅度，不需要后续的高通滤波器、解调、低通滤波等环节，减少了硬件的开销；测量的结果不依赖于接口电路的电学参数及调制电压的幅度，提高了测量方法的可靠性。

附图说明

图1为硅微机械结构振动幅度的电学测量方法的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示的静电驱动具有驱动梳齿电容和振动检测平板电容的硅微机械结构，虚线部分为机械结构层中的固定部分，质量块在4个支撑梁的作用下可以左右移动，支撑梁均通过锚点键合在玻璃基座上。质量块左边附有梳齿对，质量块左边固定的长方体形的单晶硅也附有梳齿对，两组梳齿对相互交叠，形成驱动梳齿电容C_d。质量块与右边固定的长方体单晶硅形成平板电容，也叫振动检测电容C_S。为了让质量块在其支撑梁固有频率点上谐振，驱动电压一般为带偏置的交流电压，质量块左边的长方体单晶硅一般接幅值为V_d、角频率为ω_d的正弦交流驱动电压V_d(t)。质量块通过金属电极接直流偏置分量V_dc。整个结构中，还存在质量块左边固定的驱动梳齿与右边振动检测平板之间的耦合电容C_p，此电容为寄生电容，在质量块振动过程中，可以忽略C_p的变化，将其看成静态电容。为了表征硅微机械结构的振动幅度，一般多通过振动检测电容来反推。在接口电路上，通过跨阻放大器将电荷转换为电压。右边固定单晶硅上流过的电流I包括两部分，一部分来自振动检测电容C_S对应的电流I_S(t)，另一部分来自耦合电容C_p对应的电流I_p(t)。由于耦合电容C_p对应的电流I_p(t)的变化频率与交流驱动电压频率ω_d一致，而振动检测电容C_S对应的电流I_S(t)中也存在振动引起的频率为ω_d的电流。这样很难根据跨阻放大器输出的电压V₀来判断微机械结构是否处在谐振状态，测试中存在同频干扰问题。在质量块上加载幅值为V_c，角频率为ω_c的高频的正弦交流调制电压V_c(t),ω_c>>ω_d。当跨阻放大器的电阻为R时输出电压V₀(t)为：

$V_0\left(t\right)=-R\frac{d}{\mathrm{dt}}(V_d\left(t\right){\·C}_p+(V_{\mathrm{dc}}+V_c\left(t\right)){\·C}_s)---\left(1\right),$

目前多采用对输出电压V₀(t)进行高通滤波器，滤除耦合电容对应的电压分量及直流电压V_dc对应的电压分量，对滤波处理后的电压信号进行解调，再经过低通滤波就得到与振动检测电容有关的电压信号。

在静电驱动力作用下，质量块及其附着的梳齿做正弦周期运动，谐振结构的位移x(t)可以表示为：

x(t)=Xsin(ω_d ^t)                （2），

式（2）中，X为振动幅度。

谐振结构的位移为x(t)时,对应的谐振检测电容C_S为：

$C_S\left(x\left(t\right)\right)=\frac{\mathrm{\ϵA}}{g-x\left(t\right)}=\frac{\mathrm{\ϵA}}{g}\left(\frac{1}{1-X/g\sin \left({\mathrm{\ω}}_{d}t\right)}\right)=C_{\mathrm{Sn}}\left(\frac{1}{1-x_0\sin \left({\mathrm{\ω}}_{d}t\right)}\right)---\left(3\right)$

式（3）中，ε为介电常数，A为为振动检测电容平板之间的正对面积，g为检测电容平板等效间距，x₀为振动幅度比，x₀=X/g，C_sn为静态检测电容,C_Sn=εA/g。

测量硅微结构的谐振幅度X就需要确定x₀和g，g可以通过流片后的光学测试来确定，关键是如何准确测试x₀或X。在谐振状态的硅微机械振动幅度测试中，为了减少幅度和谐振频率的耦合影响，一般振动幅度X相对g非常小，X<<g。振动检测电容C_S(t)可以表示为：

$C_S\left(t\right)=C_{\mathrm{sn}}\underset{k=0}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_{2k}\left(x_0\right)\cos \left(2k{\mathrm{\&omega;}}_{d}t\right)+C_{\mathrm{sn}}\underset{k=0}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_{2k+1}\left(x_0\right)\sin \left((2k+1){\mathrm{\&omega;}}_{d}t\right)---\left(4\right),$

式（4）中,p_2k(x₀)、p_2k+1(x₀)为归一化的幅值系数。

$p_{2k}\left(x_0\right)=\frac{2}{\sqrt{1-{x_0}^2}}{\left(\frac{x_0}{1+\sqrt{1-{x_0}^2}}\right)}^{2k}=2p_0\left(x_0\right){\left(\frac{x_0}{1+\sqrt{1-{x_0}^2}}\right)}^{2k}---\left(5\right),$

$p_{2k+1}\left(x_0\right)=\frac{2}{\sqrt{1-{x_0}^2}}{\left(\frac{x_0}{1+\sqrt{1-{x_0}^2}}\right)}^{2k+1}=2p_0\left(x_0\right){\left(\frac{x_0}{1+\sqrt{1-{x_0}^2}}\right)}^{2k+1}$

将式（4）、式（3）代入到式（1）中，输出电压V₀中的多边带中与ω_c相近的频带对应的电压幅度为：

$V_{\mathrm{\&omega;}\&PlusMinus;k}\left(x_0\right)=\frac{1}{2}{\mathrm{RC}}_{\mathrm{sn}}{V}_c({\mathrm{\&omega;}}_c\&PlusMinus;k{\mathrm{\&omega;}}_d)p_k\left(x_0\right)---\left(6\right),$

式（6）中，V_ω±k(x₀)是频率为ω_c±kω_d对应的电压幅度，k=±1,±2,±2...±K为整数，k的绝对值越大，对应V_ω±k(x₀)的值越小。测量中，由于选择的调制频率ω_c>>ω_d，所以ω_c>>|k|ω_d。式（6）也可以近似化简为：

$V_{\mathrm{\&omega;}\&PlusMinus;k}\left(x_0\right)=\frac{1}{2}R{C}_{\mathrm{sn}}{V}_c({\mathrm{\&omega;}}_c\&PlusMinus;{\mathrm{k\&omega;}}_d)p_k\left(x_0\right)\&ap;\frac{1}{2}R{C}_{\mathrm{sn}}{V}_c{\mathrm{\&omega;}}_c\left|p_k\left(x_0\right)\right|---\left(7\right),$

式（7）表明，多边带中，频率为ω_c±kω_d处对应电压幅度近似成比例于|p_k(x₀)|。那么相邻两个单边带电压比也简称为SBR。归一化后的邻近边带比r(x₀)可以表示为：

$r\left(x_0\right)=\left|p_{k+1}\left(x_0\right)\right|/\left|p_k\left(x_0\right)\right|=\frac{x_0}{1+\sqrt{1-{x_0}^2}}---\left(8\right),$

式（8）表明，相邻单边带电压比r(x₀)与振动幅度比x₀有关，与调制电压V_c和反馈电阻R无关。可以根据r(x₀)来求解x₀，对应的关系式为：

$x_0=\frac{2r\left(x_0\right)}{r{\left(x_0\right)}^2+1}---\left(9\right),$

根据式（9）可知，只要测得相邻单边带电压比r(x₀)就可以确定振动幅度比x₀，而x₀=X/g，在测得质量块与检测长方体单晶硅之间的水平距离g和测得相邻单边带电压比r(x₀)后就可以计算得到质量块振动的幅度X。

基于上述推导，可得到本发明的硅微机械结构振动幅度电学测量方法，

步骤1，测量振动检测电容C_S的初始平板间距g₀；

步骤2，在金电极层上的电极施加电信号：与驱动梳齿电容相连的电极接正弦交流驱动电压V_d(t)，与质量块相连的电极接包含直流偏置分量V_dc的正弦交流调制电压V_c(t)；

步骤3，金电极层上与检测电容相连的电极连接跨阻放大器负输入端，跨阻放大器正输入端接信号地，动态信号分析仪与跨阻放大器输出端连接；

步骤4，确定交流驱动电压V_d(t)幅值以及频率、正弦交流调制电压V_c(t)幅值、直流偏置分量V_dc幅值后，利用动态信号分析仪对跨阻放大器输出信号处理得到以正弦交流调制电压频率ω_c为中心的单边带频谱；

步骤5，计算相邻两个单边带电压幅值比r(x₀)，由单边带电压幅值比r(x₀)反推得到振动幅度比x₀；

步骤6，由步骤1测得的振动检测电容C_S的初始平板间距g₀以及步骤6所述的振动幅度比x₀，得到待测硅微机械结构振动幅度。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

（1）操作方法简单，易于实现；

（2）能够在同频干扰下测得硅微机械结构的谐振幅度，不需要后续的高通滤波器、解调、低通滤波等环节，减少了硬件的开销；

（3）测量的结果不依赖于接口电路的电学参数及调制电压的幅度，提高了测量方法的可靠性。

Claims (2)

1.一种硅微机械结构振动幅度的电学测量方法，其特征在于，针对静电驱动具有驱动梳齿电容和振动检测电容的硅微机械结构，具体包括如下步骤：

步骤1，测量振动检测电容C_S的初始平板间距g₀；

步骤2，在金电极层上的电极施加电信号：与驱动梳齿电容相连的电极接正弦交流驱动电压V_d(t)，与质量块相连的电极接包含直流偏置分量V_dc的正弦交流调制电压V_c(t)；

步骤3，金电极层上与检测电容相连的电极连接跨阻放大器负输入端，跨阻放大器正输入端接信号地，动态信号分析仪与跨阻放大器输出端连接；

步骤4，确定交流驱动电压V_d(t)幅值以及频率、正弦交流调制电压V_c(t)幅值、直流偏置分量V_dc幅值后，利用动态信号分析仪对跨阻放大器输出信号处理得到以正弦交流调制电压频率ω_c为中心的单边带频谱；

步骤5，计算相邻两个单边带电压幅值比r(x₀)，由单边带电压幅值比r(x₀)反推得到振动幅度比x₀；

步骤6，由步骤1测得的振动检测电容C_S的初始平板间距g₀以及步骤6所述的振动幅度比x₀，得到待测硅微机械结构振动幅度。

2.根据权利1所述的一种硅微机械结构振动幅度的电学测量方法，其特征在于，所述步骤5利用表达式

反推振动幅度比x₀。