CN107064657A - 基于静电刚度调制机理的微型谐振式电荷传感器及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于静电刚度调制机理的微型谐振式电荷传感器及其方法。传感器中设有电荷输入极板、驱动叉指电极、感应叉指电极、振动音叉、锚端和绝缘基底；振动音叉的端点分别与锚端连接；驱动叉指电极的叉指端与振动音叉上的驱动叉指耦合；感应叉指电极的叉指端与振动音叉上的感应叉指耦合；振动音叉上设有极板并与电荷输入极板耦合；锚端、电荷输入极板、驱动叉指电极和感应叉指电极分别固定于绝缘基底上；本发明基于谐振梁的静电刚度调制机理，具有高电荷检测的灵敏度；通过电荷感应电容的敏感机制增加了谐振的能量传输通道，提高谐振的品质因数和频率稳定性；并且具有器件结构简单，低尺寸功耗成本等优势。

Description

基于静电刚度调制机理的微型谐振式电荷传感器及其方法

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，特别是涉及一种基于谐振梁的静电刚度调制机理、具有高灵敏度和频率稳定性的微型谐振式电荷传感器。

背景技术

电荷传感器具有检测微量电荷的能力，可以广泛的应用于生物、化学和物理领域的带电元素检测，比如测量生物细胞电荷、观察氧化还原反应的化学过程和检测大气中的微细颗粒等等。现有商业化的高端电荷检测设备有Keithley公司的静电计，具有10fC(63000e)的分辨率，分辨率不高同时也受到了应用的限制，比如功耗高、体积大和价格昂贵等。采用微机电系统(MEMS)技术可以很好的克服这些问题，结合与IC工艺的良好兼容性，利用微制造技术可以将传感器集成在一块芯片上，大大减小了传感器的尺寸、功耗和成本，同时能够提高传感器的灵敏度和分辨率。目前，已有的文献中已经报导了性能优越于现有电荷检测设备的电荷传感器，如英国剑桥大学的Joshua.Lee等人【1】设计了基于调制电容机理的电荷检测计达到了10e以下的电荷分辨率；浙江大学的赵久烜等人【2】设计了带有柔性杠杆放大机构的基于谐振梁轴向应力调制机理的电荷传感器可以实现1fC的分辨率，前者结构上比较复杂所以受噪声影响较大，后者结构简单但是灵敏度和分辨率相对较低。为了克服现有电荷传感器结构复杂和灵敏度低的问题，本发明所提出基于微机电系统技术的微型谐振式电荷传感器，提出与现有以谐振梁轴向应力调制机理不同的新型电荷敏感机制，即基于谐振梁的静电刚度调制机理，可以实现高电荷检测的灵敏度；通过电荷感应电容的敏感机制增加了谐振的能量传输通道，提高谐振的品质因数和频率稳定性；并且结构简单减少寄生电容影响，基于SOI(silicon on insulator)微加工工艺易于实现批量生产，具有低尺寸功耗成本等优势。

引用文献：

【1】Lee J,Zhu Y,Seshia A.Room temperature electrometry with SUB-10electron charge resolution[J].Journal of Micromechanics and Microengineering,2008,18(2):025033.

【2】Zhao J,Ding H,Ni S,et al.High-resolution and large dynamic rangeelectrometer with adjustable sensitivity based on micro resonator andelectrostatic actuator[C]//Micro Electro Mechanical Systems(MEMS),2016 IEEE29th International Conference on.IEEE,2016:1074-1077.

发明内容

为了克服现有电荷传感器结构复杂和灵敏度低的问题，本发明所提出一种基于微机电系统技术的基于谐振梁的静电刚度调制机理的微型谐振式电荷传感器，具有高电荷检测的灵敏度；通过电荷感应电容的敏感机制增加了谐振的能量传输通道，提高了谐振的品质因数和频率稳定性；结构简单减少寄生电容影响，具有低尺寸功耗成本等优势。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

基于静电刚度调制机理的微型谐振式电荷传感器，其中设有电荷输入极板、驱动叉指电极、感应叉指电极、振动音叉、锚端和绝缘基底；所设的振动音叉由四个悬臂梁通过短梁机械耦合构成，且短梁轴向两端设有驱动叉指和感应叉指；振动音叉的四个端点分别与锚端连接；驱动叉指电极的叉指端与振动音叉上的驱动叉指耦合形成驱动叉指电容；感应叉指电极的叉指端与振动音叉上的感应叉指耦合形成感应叉指电容；四个悬臂梁上分别设有极板，并分别与电荷输入极板耦合形成电荷感应电容；锚端、电荷输入极板、驱动叉指电极和感应叉指电极分别固定于绝缘基底上；绝缘基底为中间镂空的平板，振动音叉完全位于该镂空区域内；所述的微型谐振式电荷传感器工作时，在驱动叉指电极处施加偏置电压和正弦交流信号，待测电荷由电荷输入极板输入，检测信号由感应叉指电极输出。

作为优选，所述的驱动叉指电极和感应叉指电极的尺寸设计一致，电极上叉指的数量可为5～100。

作为优选，所述的悬臂梁的长宽比为50～300，悬臂梁的宽度范围为100nm～10um。

作为优选，所述的驱动叉指电容、感应叉指电容的极板间距为50nm～4um。

作为优选，所述的悬臂梁上所设的极板长度可为200nm～100um。

作为优选，所述的电荷感应电容的极板间距可为50nm～4um；。

作为优选，所述的电荷输入极板、驱动叉指电极、感应叉指电极、振动音叉和固定锚端的结构材料可为厚度一致的高度掺杂的单晶硅或多晶硅，其厚度范围为100nm～50um。

作为优选，所述的绝缘基底材料为绝缘介质,包括二氧化硅。

作为优选，所述的短梁及其轴向两端的驱动叉指和感应叉指位于同一中轴线上。

本发明的另一目的在于提供一种利用所述微型谐振式电荷传感器的电荷测量方法，步骤如下：

1)利用直流电压源和交流电压源分别给驱动叉指电极施加一定的偏置电压和正弦交流信号，通过驱动叉指电容将变化的静电驱动力作用于振动音叉上的驱动叉指上，带动振动音叉以稳定频率和振幅进行平面内的谐振运动；

2)由于振动音叉的谐振运动，振动音叉上的感应叉指与感应叉指电极的极板重叠面积会发生变化，引起感应叉指电容的电容值变化，在感应叉指电极上产生微弱的感应交变电流；该交变电流信号进一步通过跨阻放大器转化成交变电压信号，通过滤波器滤掉杂波后输出；检测到的该交变电压的频率即为微型谐振式电荷传感器的谐振频率；

3)从电荷输入极板输入待测量的电荷，待测量电荷的静电吸引力作用于悬臂梁上的极板，促进振动音叉的谐振运动，该静电吸引力等效转化为振动音叉上悬臂梁的静电刚度的变化，从而改变振动音叉的谐振频率；

4)振动音叉上的谐振频率发生改变时，感应叉指电极上感应出的交变电流的频率也相应发生变化，根据微型谐振式电荷传感器输出的谐振频率变化量得出被测的电荷量，实现电荷测量。

从上述的技术方案可以看出，本发明的有益效果是：设有与现有以谐振梁轴向应力调制机理不同的新型电荷敏感机制，即基于谐振梁的静电刚度调制机理，具有高电荷检测的灵敏度；通过电荷感应电容的敏感机制增加了谐振的能量传输通道，提高谐振的品质因数和频率稳定性；并且器件的结构简单，减少寄生电容影响，基于SOI(silicon oninsulator)微加工工艺易于实现批量生产，具有低尺寸功耗成本等优势。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明

图1是本发明的微型谐振式电荷传感器的结构示意图；

图2是本发明的微型谐振式电荷传感器电荷检测原理图；

图3是本发明中微型谐振式电荷传感器的振动音叉谐振模态图；

图4是本发明中微型谐振式电荷传感器的谐振频率曲线图；

图5是本发明中微型谐振式电荷传感器的电荷检测试验数据图；

图中：图中1.电荷输入极板，2.驱动叉指电极，3.感应叉指电极，4.振动音叉，41.悬臂梁，42.驱动叉指，43.感应叉指，5.锚端，6.绝缘基底。

具体实施方式

在图1中，基于静电刚度调制机理的微型谐振式电荷传感器包括两个电荷输入极板1、驱动叉指电极2、感应叉指电极3、振动音叉4、四个锚端5和绝缘基底6，其中振动音叉4由四根悬臂梁41的一端通过一根短梁机械耦合构成，短梁的轴向两侧设有结构一致的驱动叉指42和感应叉指43；短梁及其轴向两端的驱动叉指42和感应叉指43位于同一中轴线上；四根悬臂梁41的另一端点，即振动音叉4的四个端点，分别与四个锚端5连接，锚端5固定于绝缘基底6上；悬臂梁的长宽比可为50～300，悬臂梁的宽度范围可为100nm～10um，适应电荷传感器的不同尺寸设计；通过一定激励的条件，四个端点固定的振动音叉4会以稳定的频率在平面内进行谐振运动，谐振运动方向沿着短梁的轴向进行，短梁所在轴线的谐振形变位移最大，因此在短梁两端设置驱动叉指电容与感应叉指电容可以实现相对最高的机电转换效率。驱动叉指电极2固定于绝缘基底6上，其叉指端与振动音叉4上的驱动叉指42耦合形成驱动叉指电容；驱动叉指电容的极板间距可为50nm～4um；通过驱动叉指电容可以对振动音叉4施加电激励使其进行平面内的谐振运动。感应叉指电极3固定于绝缘基底6上，其叉指端与振动音叉4上的感应叉指43耦合形成感应叉指电容；感应叉指电容的极板间距可为50nm～4um；通过感应叉指电容可以感应出振动音叉4谐振运动的信号；驱动叉指电极2和感应叉指电极3的尺寸设计一致，电极上叉指的数量可为5～100；通过驱动叉指电容可以对振动音叉施加电激励使其进行平面内的谐振运动；通过感应叉指电容可以感应出振动音叉谐振运动的信号。驱动和感应电极也可设计为平行板电容结构；悬臂梁41上设有极板，极板的长度可为200nm～100um；电荷输入极板1分别与四个悬臂梁41上的极板耦合，形成平行板式电荷感应电容，极板间距可为50nm～4um；；电荷输入极板1固定于绝缘基底6上；通过电荷感应电容可以将电荷的静电吸引力等效转化为振动音叉4的静电刚度的变化，从而改变振动音叉4的谐振频率。绝缘基底6为中间镂空的平板，振动音叉4应完全位于该镂空区域内，处于悬空状态以保证其谐振运动。电荷输入极板1、驱动叉指电极2、感应叉指电极3、振动音叉4和固定锚端5的结构材料可为厚度一致的高度掺杂的单晶硅或多晶硅，其厚度范围可为100nm～50um；所述的绝缘基底6材料可为二氧化硅等绝缘介质；

在图2中，基于静电刚度调制机理的微型谐振式电荷传感器工作时应置于真空条件下，可采用真空封装所述的微型谐振式电荷传感器或者置于真空腔内。微型谐振式电荷传感器的电荷检测工作原理包括以下过程：

1)利用直流电压源(DC)和交流电压源(AC)分别给驱动叉指电极2施加一定的偏置电压和正弦交流信号，通过驱动叉指电容将变化的静电驱动力作用于振动音叉4上的驱动叉指42上，带动振动音叉4以稳定频率和振幅进行平面内的谐振运动；

2)由于振动音叉4的谐振运动，振动音叉4上的感应叉指与感应叉指电极的极板重叠面积会发生变化，引起感应叉指电容的电容值变化，在感应叉指电极3上产生微弱的感应交变电流；该交变电流信号进一步通过跨阻放大器转化成交变电压信号，通过滤波器滤掉杂波后输出；检测到的该交变电压的频率就是微型谐振式电荷传感器的谐振频率；

3)从电荷输入极板1输入待测量的电荷，待测量电荷的静电吸引力作用于悬臂梁41上的极板，促进振动音叉4的谐振运动，该静电吸引力可以等效转化为振动音叉4上悬臂梁41的静电刚度的变化，从而改变振动音叉4的谐振频率；

4)振动音叉4上的谐振频率发生改变时，感应叉指电极3上感应出的交变电流的频率也发生了变化，最终输出的交变电压信号的频率也发生一致的变化。

根据上述的检测流程，可以根据微型谐振式电荷传感器输出的谐振频率变化量推导出被测的电荷量，实现电荷检测功能。

在图3中，所示为通过COMSOL软件多物理场仿真获取的振动音叉4的谐振模态图；四个锚端5固定，振动音叉4沿着短梁的轴向进行谐振运动，短梁所在轴线的谐振形变位移最大，因此在短梁两端设置驱动叉指42与感应叉指43可以实现相对最高的机电转换效率；悬臂梁41上设有的极板与电荷输入极板1之间在振动音叉4谐振运动时会产生相对位移，在待检测电荷输入时候，由该电容变化产生的能量传输通道可以进一步减小系统的能量损失，提高谐振的品质因数和谐振频率的稳定性。

在图4中，所示为未施加待检测电荷时，在一定电压偏置和正弦交流信号的激励下，实验检测到的微型谐振式电荷传感器的交变电压信号输出，曲线中的峰值即为检测到的微型谐振式电荷传感器的谐振频率。

在图5中，所示为微型谐振式电荷传感器的电荷检测试验；实验结果表明微型谐振式电荷传感器所输出交变电压信号的频率偏移量与所输入的电荷量呈现二次方的关系；根据微型谐振式电荷传感器输出的谐振频率变化量可以推导出被测的电荷量，实现电荷检测功能。

Claims (10)

1.一种基于静电刚度调制机理的微型谐振式电荷传感器，其特征在于设有电荷输入极板、驱动叉指电极、感应叉指电极、振动音叉、锚端和绝缘基底；所设的振动音叉由四个悬臂梁通过短梁机械耦合构成，且短梁轴向两端设有驱动叉指和感应叉指；振动音叉的四个端点分别与锚端连接；驱动叉指电极的叉指端与振动音叉上的驱动叉指耦合形成驱动叉指电容；感应叉指电极的叉指端与振动音叉上的感应叉指耦合形成感应叉指电容；四个悬臂梁上分别设有极板，并分别与电荷输入极板耦合形成电荷感应电容；锚端、电荷输入极板、驱动叉指电极和感应叉指电极分别固定于绝缘基底上；绝缘基底为中间镂空的平板，振动音叉完全位于该镂空区域内；所述的微型谐振式电荷传感器工作时，在驱动叉指电极处施加偏置电压和正弦交流信号，待测电荷由电荷输入极板输入，检测信号由感应叉指电极输出。

2.根据权利要求1所述的基于静电刚度调制机理的微型谐振式电荷传感器，其特征在于所述的驱动叉指电极和感应叉指电极的尺寸设计一致，电极上叉指的数量可为5～100。

3.根据权利要求1所述的基于静电刚度调制机理的微型谐振式电荷传感器，其特征在于所述的悬臂梁的长宽比为50～300，悬臂梁的宽度范围为100nm～10um。

4.根据权利要求1所述的基于静电刚度调制机理的微型谐振式电荷传感器，其特征在于所述的驱动叉指电容、感应叉指电容的极板间距为50nm～4um。

5.根据权利要求1所述的基于静电刚度调制机理的微型谐振式电荷传感器，其特征在于所述的悬臂梁上所设的极板长度可为200nm～100um。

6.根据权利要求1所述的基于静电刚度调制机理的微型谐振式电荷传感器，其特征在于所述的电荷感应电容的极板间距可为50nm～4um；。

7.根据权利要求1所述的基于静电刚度调制机理的微型谐振式电荷传感器，其特征在于所述的电荷输入极板、驱动叉指电极、感应叉指电极、振动音叉和固定锚端的结构材料可为厚度一致的高度掺杂的单晶硅或多晶硅，其厚度范围为100nm～50um。

8.根据权利要求1所述的基于静电刚度调制机理的微型谐振式电荷传感器，其特征在于所述的绝缘基底材料为绝缘介质,包括二氧化硅。

9.根据权利要求1所述的基于静电刚度调制机理的微型谐振式电荷传感器，其特征在于所述的短梁及其轴向两端的驱动叉指和感应叉指位于同一中轴线上。

10.一种利用权利要求1所述微型谐振式电荷传感器的电荷测量方法，其特征在于，步骤如下：

1)利用直流电压源和交流电压源分别给驱动叉指电极施加一定的偏置电压和正弦交流信号，通过驱动叉指电容将变化的静电驱动力作用于振动音叉上的驱动叉指上，带动振动音叉以稳定频率和振幅进行平面内的谐振运动；

2)由于振动音叉的谐振运动，振动音叉上的感应叉指与感应叉指电极的极板重叠面积会发生变化，引起感应叉指电容的电容值变化，在感应叉指电极上产生微弱的感应交变电流；该交变电流信号进一步通过跨阻放大器转化成交变电压信号，通过滤波器滤掉杂波后输出；检测到的该交变电压的频率即为微型谐振式电荷传感器的谐振频率；

3)从电荷输入极板输入待测量的电荷，待测量电荷的静电吸引力作用于悬臂梁上的极板，促进振动音叉的谐振运动，该静电吸引力等效转化为振动音叉上悬臂梁的静电刚度的变化，从而改变振动音叉的谐振频率；

4)振动音叉上的谐振频率发生改变时，感应叉指电极上感应出的交变电流的频率也相应发生变化，根据微型谐振式电荷传感器输出的谐振频率变化量得出被测的电荷量，实现电荷测量。