CN103954305B - 一种带有柔性杠杆的mems谐振式电荷传感器及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带有柔性杠杆的MEMS谐振式电荷传感器及其方法。它包括锚点、双端固定音叉谐振单元、驱动电极、感应电极、两个柔性杠杆、电荷输入端，双端固定音叉谐振单元的一端与锚点相连，另一端与两个柔性杠杆相连，所述的柔性杠杆包括相互连接的柔性杠杆支点、柔性杠杆输入端、柔性杠杆输出端，双端固定音叉谐振单元与驱动电极、感应电极相耦合，柔性杠杆与电荷输入端相耦合。采用双端固定音叉作为谐振单元，谐振时的能量损失小；通过柔性杠杆放大由输入电荷引起的静电力，增大谐振频率的改变量，得到较高的分辨率，能够测得微小的电荷量；器件的结构简单，可以在室温环境下工作，易于实现批量生产。
Description
技术领域
本发明属于微机电系统（MEMS）技术领域中的传感器领域，特别是涉及一种带有柔性杠杆的MEMS谐振式电荷传感器及其方法。
背景技术
基于MEMS的电荷传感器能够检测到微小电荷，有着较高分辨率，并且能够在室温环境下使用，因此有着广泛的应用领域，包括生物医学、太空探索、质谱分析以及空气中的微粒检测等。
MEMS谐振器是指通过外加一个频率值与其固有频率相同的驱动信号，使器件在谐振频率下振动，其谐振频率值与器件所用材料以及几何结构有关。基于MEMS的谐振器已被广泛地用于物理量的测量，包括压力、质量、温度和加速度等，同时MEMS谐振器也广泛用作滤波器。
MEMS谐振器能够测量微小信号，有着较高的稳定性，并且MEMS工艺与IC技术兼容，可以实现MEMS器件与IC电路的同一芯片集成，因此，MEMS谐振器越来越受到人们的关注。
由于MEMS器件加工制造中装配技术的不足，MEMS器件中的杠杆无法达到与宏观杠杆相同的结构，因此MEMS中通常采用柔性结构实现杠杆的放大作用。
目前，世界上对MEMS电荷传感器的研究已取得较大进展，美国加州大学伯克利分校的PatrickS.Riehl等人设计了基于时间调制电容的电荷检测计【1】，有着较高的分辨率，但其实现较为复杂，测试结果受噪声和寄生电容的影响明显。英国剑桥大学的JoshuaE.-Y.Lee等人设计了基于谐振频率输出的电荷检测传感器【2】，其结构简单，有效地避免了寄生电容，但其分辨率较低。
因此，有必要提供一种输出信号稳定、易于实现且分辨率高的MEMS电荷传感器。
引用文献：
【1】P.S.Riehl,K.L.Scott,R.S.Muller,R.T.Howe,J.A.Yasaitis,Electrostaticchargeandfieldsensorsbasedonmicromechanicalresonators,J.Microelectromech.Syst.Vol.12,pp.557-589,2003
【2】J.E.-Y.Lee,B.Bahreyni,A.A.Seshia,Anaxialstrainmodulateddoubleendedtuningforkelectrometer,Sens.ActuatorsA,vol.148,pp.395-400,2008。
发明内容
为了克服现有MEMS电荷传感器或信号输出不稳定、实现复杂或分辨率低的不足，本发明提供了一种带有柔性杠杆的MEMS谐振式电荷传感器及其方法，该电荷传感器不仅具有高的分辨率，而且结构简单，容易检测输出信号。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
带有柔性杠杆的MEMS谐振式电荷传感器包括锚点、双端固定音叉谐振单元、驱动电极、感应电极、两个柔性杠杆、电荷输入端，双端固定音叉谐振单元的一端与锚点相连，另一端与两个柔性杠杆相连，所述的柔性杠杆包括相互连接的柔性杠杆支点、柔性杠杆输入端、柔性杠杆输出端，双端固定音叉谐振单元与驱动电极、感应电极相耦合，柔性杠杆与电荷输入端相耦合。
所述两个柔性杠杆对称布置，相互抵消沿柔性杠杆臂方向产生的力，柔性杠杆的动力臂大于阻力臂，柔性杠杆用于放大由电荷输入引起的静电力。
所述的带有柔性杠杆的MEMS谐振式电荷传感器的结构材料是单晶硅或多晶硅。
所述的带有柔性杠杆的MEMS谐振式电荷传感器的检测方法包括如下步骤：
1）将锚点、柔性杠杆支点接地并固定于基底上，给驱动电极施加偏置电压和正弦交流信号，使双端固定音叉谐振单元谐振，给感应电极施加与驱动电极相同的偏置电压，感应电极与双端固定音叉谐振单元之间的距离发生改变，得到交变的电流信号；
2）要检测的电荷由电荷输入端输入，输入的电荷产生静电力吸引柔性杠杆输入端，使得柔性杠杆输出端得到一个放大的力输出，该力输出会对双端固定音叉谐振单元产生轴向拉伸，改变其谐振频率，由谐振频率的改变量得到被测的电荷量；
3）双端固定音叉谐振单元谐振频率改变时，交变的电流信号的频率发生相应的改变；
4）交变的电流信号通过跨阻放大器转化成交变电压信号，再通过滤波器进行滤波并输出。
所述的带有柔性杠杆的MEMS谐振式电荷传感器中驱动电极、锚点和两柔性杠杆支点的布置保证了双端固定音叉谐振单元两齿在平面内反相运动，避免了平面外的运动。
电荷的输入端与柔性杠杆的输入端形成电容，有电荷输入时产生静电力，吸引杠杆的输入端，根据杠杆的放大原理，输出端得到一个放大的力输出，引起谐振频率的变化。谐振频率的变化量与输入电荷量呈一定的关系。
从上述的技术方案可以看出，本发明的有益效果是：采用双端固定音叉作为谐振单元，具有较高的谐振频率，谐振时的能量损失小，能够保证较高的品质因数；通过柔性杠杆放大由输入电荷引起的静电力，增大谐振频率的改变量，得到较高的分辨率，能够测得微小的电荷量；器件的结构简单，可以在室温环境下工作，工作稳定；结构材料可以采用单晶硅或多晶硅。
附图说明
图1是带有柔性杠杆的MEMS谐振式电荷传感器的结构示意图；
图2是本发明的电路连接图；
图3是本发明中柔性杠杆的结构示意图；
图4是本发明的系统方块图；
图5是ANSYS仿真得到的输入电荷量与谐振频率变化量的关系图；
图中：锚点1，双端固定音叉谐振单元2，驱动电极3，感应电极4，柔性杠杆支点5，柔性杠杆输入端6，柔性杠杆输出端7，电荷输入端8。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进一步详细说明，其中：
在图1中，带有柔性杠杆的MEMS谐振式电荷传感器包括锚点1、双端固定音叉谐振单元2、驱动电极3、感应电极4、两个柔性杠杆、电荷输入端8，双端固定音叉谐振单元2的一端与锚点1相连，另一端与两个柔性杠杆相连，所述的柔性杠杆包括相互连接的柔性杠杆支点5、柔性杠杆输入端6、柔性杠杆输出端7，双端固定音叉谐振单元2与驱动电极3、感应电极4相耦合，柔性杠杆与电荷输入端8相耦合。
所述两个柔性杠杆对称布置，相互抵消沿柔性杠杆臂方向产生的力，柔性杠杆用于放大由电荷输入引起的静电力，双端固定音叉谐振单元2所受的轴向拉力是两柔性杠杆输出力的矢量和。
在图2中，所述的带有柔性杠杆的MEMS谐振式电荷传感器的检测方法包括如下步骤：
1）将锚点1、柔性杠杆支点5接地并固定于基底上，给驱动电极3施加偏置电压和正弦交流信号，使双端固定音叉谐振单元2谐振，给感应电极4施加与驱动电极3相同的偏置电压，感应电极4与双端固定音叉谐振单元2之间的距离发生改变，根据电容与其极板上电荷的关系式Q=CV（Q为电极板上的电荷量，C为极板间电容，V为极板间电压），以及电流的定义式I=dQ/dt（I为交变电流，t为时间），得到交变的电流信号；
2）要检测的电荷由电荷输入端8输入，输入的电荷产生静电力吸引柔性杠杆输入端6，在图3中由于柔性杠杆的动力臂大于阻力臂，使得柔性杠杆输出端7得到一个放大的力输出，该力输出会对双端固定音叉谐振单元2产生轴向拉伸，改变其谐振频率；
3）双端固定音叉谐振单元2谐振频率改变时，交变的电流信号的频率发生相应的改变；
在图4中，MEMS电荷传感器通常放置在真空环境下进行测量，可以通过真空封装，或是放置于真空腔中，目的是消除谐振时空气阻尼的影响，减少能量损失，提高谐振器的品质因数。电荷输入后引起交变电流，交变电流通过跨阻放大器转化成交变电压，再通过滤波器进行滤波并输出信号。
在图5中，通过ANSYS有限元仿真得到了输入电荷量与谐振器谐振频率变化量的关系。在柔性杠杆的输入端施加静电-机械耦合单元，模拟由电荷的输入而产生的静电力，通过模态分析得到不同输入电荷下的固有频率。
所述的带有柔性杠杆的MEMS谐振式电荷传感器的结构材料是单晶硅或多晶硅，可以基于多种加工工艺，如利用SOI（silicononinsulator）晶片作为衬底，在一片晶片上完成电荷传感器的结构层，降低生产成本，制作流程简单。
Claims (4)
1.一种带有柔性杠杆的MEMS谐振式电荷传感器，其特征在于包括锚点（1）、双端固定音叉谐振单元（2）、驱动电极（3）、感应电极（4）、两个柔性杠杆、电荷输入端（8），双端固定音叉谐振单元（2）的一端与锚点（1）相连，另一端与两个柔性杠杆相连，所述的柔性杠杆包括相互连接的柔性杠杆支点（5）、柔性杠杆输入端（6）、柔性杠杆输出端（7），双端固定音叉谐振单元（2）与驱动电极（3）、感应电极（4）相耦合，柔性杠杆与电荷输入端（8）相耦合。
2.根据权利要求1所述的带有柔性杠杆的MEMS谐振式电荷传感器，其特征在于所述两个柔性杠杆对称布置，相互抵消沿柔性杠杆臂方向产生的力，柔性杠杆的动力臂大于阻力臂，柔性杠杆用于放大由电荷输入引起的静电力。
3.根据权利要求1所述的带有柔性杠杆的MEMS谐振式电荷传感器，其特征在于所述的带有柔性杠杆的MEMS谐振式电荷传感器的结构材料是单晶硅或多晶硅。
4.一种实施如权利要求1所述的带有柔性杠杆的MEMS谐振式电荷传感器的检测方法，其特征在于包括如下步骤：
1）将锚点（1）、柔性杠杆支点（5）接地并固定于基底上，给驱动电极（3）施加偏置电压和正弦交流信号，使双端固定音叉谐振单元（2）谐振，给感应电极（4）施加与驱动电极（3）相同的偏置电压，感应电极（4）与双端固定音叉谐振单元（2）之间的距离发生改变，得到交变的电流信号；
2）要检测的电荷由电荷输入端（8）输入，输入的电荷产生静电力吸引柔性杠杆输入端（6），使得柔性杠杆输出端（7）得到一个放大的力输出，该力输出会对双端固定音叉谐振单元（2）产生轴向拉伸，改变其谐振频率；
3）双端固定音叉谐振单元（2）谐振频率改变时，交变的电流信号的频率发生相应的改变；
4）交变的电流信号通过跨阻放大器转化成交变电压信号，再通过滤波器进行滤波并输出。
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