CN107796996B - 具有单自由端的弯曲梁微谐振式静电计及电荷检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有单自由端的弯曲梁微谐振式静电计及电荷检测方法。传感器中设有接地电极、基底、谐振子、驱动电极、感应电极、输入电极和锚端。谐振子上所设的两个弯曲梁的两端相互连接构成固定端和检测端；固定端与接地电极连接；检测端通过柔性支撑梁与锚端连接；检测端与输入电极构成平板式输入电容；弯曲梁上平板电极的两侧分别与驱动电极和感应电极构成驱动电容和感应电容。本发明提出了新型的具有单自由端的弯曲梁的设计使谐振器工作在弹性变形模态，基于弹性变形模态提出新型电荷感应机制，具有高灵敏度的优势；并且有效的消除谐振器的非线性影响和降低频率的温漂系数。

Description

具有单自由端的弯曲梁微谐振式静电计及电荷检测方法

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单自由端弯曲梁、具有低非线性的高灵敏度微型谐振式静电计。

背景技术

现代微机电系统(MEMS)技术提供了基于微纳米尺度设计传感器的思路。微型的传感器对比宏观传感器具有小尺寸、低成本和低功耗的优势。并且与传统的微电子电路集成工艺兼容，可以实现单片化集成整个传感器以及外围信号处理电路。现有相关报道的微型静电计是基于静电式双端固支的柔性梁谐振器[1-2]，通过梁感应电荷的静电力产生轴向或者侧向的力进行检测。这类谐振器依靠直流和交流电压拉伸梁进行驱动输出谐振频率，具有明显的频率非线性使传感器不能工作在材料极限，从而限制了传感器的稳定性和功率处理能力。本发明所设计的具有微谐振式静电计，通过带有单自由端弯曲梁的设计使得梁在谐振的时候降低拉伸变形，释放梁谐振时的内部应力从而降低非线性，提高其频率稳定性和功率处理能力。与传统的拉伸变形模态不一样，本发明所设计的具有单自由端的弯曲梁微谐振式静电计工作在弹性变形模态，可以有效的降低频率的温漂系数。基于弹性变形模态，本发明提出新型的高灵敏电荷感应机制，利用电荷产生的静电力干扰谐振器的弹性模态引起谐振频率偏移。本发明的微谐振式静电计具有尺寸小、功耗和成本低、易于实现批量生产等优势。

引用文献：

[1]Chen D,Zhao J,Wang Y,et al.An electrostatic charge sensor based onmicro resonator with sensing scheme of effective stiffness perturbation[J].Journal of Micromechanics and Microengineering,2017,27(6):065002.

[2]Lee J E Y,Bahreyni B,Seshia A A.An axial strain modulated double-ended tuning fork electrometer[J].Sensors and Actuators A:Physical,2008,148(2):395-400.

发明内容

本发明提出一种具有单自由端的弯曲梁微谐振式静电计，通过提出了新型的具有单自由端的弯曲梁的设计消除谐振器的非线性影响，提高其频率稳定性和功率处理能力；通过使谐振器工作在弹性变形模态，可以有效的降低频率的温漂系数。本发明提出新型电荷感应机制，利用电荷产生的静电力干扰谐振器的弹性模态引起谐振频率偏移，具有高灵敏度的优势。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

具有单自由端的弯曲梁微谐振式静电计，设有接地电极、基底、谐振子、驱动电极、感应电极、输入电极和锚端；谐振子上所设的两条弯曲梁的两端相互连接，连接后的两端分别构成固定端和检测端；固定端与接地电极连接；检测端通过柔性支撑梁与锚端连接，实现平行于基底平面且垂直于支撑梁方向的单自由度；检测端与输入电极构成平板式输入电容，待检测电荷从输入电极输入；两条弯曲梁的外圆中部处均设有平板电极；平板电极的两侧分别与驱动电极和感应电极构成驱动电容和感应电容；驱动电容用于加载电信号驱动谐振子进行平面内谐振；感应电容用于感应谐振运动输出谐振电流；接地电极、驱动电极、感应电极、输入电极和锚端均与基底固定连接；基底上设有掏空区域，谐振子悬浮于该掏空区域，由接地电极与锚端提供谐振子的支撑。

作为优选，所述的弯曲梁为具有一定曲率的柔性梁，梁的长度范围为20μm～2mm；长宽比范围为10～400。

作为优选，所述的弯曲梁的外形为规则圆弧，圆弧的圆心角范围为0°～180°。

作为优选，所述的柔性支撑梁，其宽度范围为1～10μm；长宽比范围为50～500。

作为优选，所述的平板式输入电容的极板间距为50nm～5μm。

作为优选，所述的平板式输入电容的极板方向与支撑梁平行。

作为优选，所述的基底由绝缘材料制备，可为二氧化硅等。

作为优选，所述的接地电极、驱动电极、感应电极、输入电极和锚端均为导体材料。

作为优选，所述的导体材料包括单晶硅或多晶硅。

本发明的另一目的在于提供一种利用所述的微谐振式静电计的电荷检测方法，具体如下：所设的微谐振式静电计实际工作时，通过驱动电极电激励平板电极从而驱动弯曲梁实现弹性谐振模态，并通过感应电极处输出带有谐振频率的交流信号；弯曲梁的振动带动检测端沿着支撑梁的径向进行同步振动，检测端处产生弹性谐振运动的最大位移；待检测电荷加载于输入电极并产生静电力作用于检测端上，在振动过程中该静电力对弯曲梁的弹性振动模态做功实现振动的干扰，改变其振动的等效刚度从而按一定规律改变其谐振频率；由此根据微谐振式静电计输出的谐振频率变化推导出被检测的电荷量，实现电荷检测功能。

从上述的技术方案可以看出，本发明的有益效果是：提出了新型的具有单自由端的弯曲梁的设计使谐振器工作在弹性变形模态，消除谐振器的非线性影响，提高其频率稳定性和功率处理能力；并且有效的降低频率的温漂系数。提出新型电荷感应机制，利用电荷产生的静电力干扰谐振器的弹性模态引起谐振频率偏移，具有高灵敏度的优势。

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是本发明的弯曲梁微谐振式静电计的结构层示意图；

图2是本发明的弯曲梁微谐振式静电计悬浮结构示意图；

图3是本发明的微谐振式静电计的测量原理图；

图4是本发明的微谐振式静电计的工作模态和响应信号图；

图中：1.接地电极，2.基底，21.掏空区域，3.谐振子，31.固定端，32.弯曲梁，33.平板电极，34.检测端，35.支撑梁，4.驱动电极，5.感应电极，51.感应平板，6.输入电极，7.锚端。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

在图1中，具有单自由端的弯曲梁微谐振式静电计，包括接地电极1、基底2、谐振子3、驱动电极4、感应电极5、输入电极6和锚端7。谐振子3由固定端31、弯曲梁32、平板电极33、检测端34、支撑梁35组成。其中，弯曲梁32为具有一定曲率的柔性梁，在一个实施例中弯曲梁32的长度范围为20μm～2mm；弯曲梁32的弯曲形状为规则圆弧，其圆心角范围为0°～180°；弯曲梁32的长宽比范围为10～400。本发明的微谐振式静电计设有对称放置的两条弯曲梁32，两条弯曲梁32的两端相互连接，两个连接部位分别构成固定端31和检测端34；接地电极1与固定端31连接提供谐振子3的一端支撑，通过接地电极1有效接地使谐振子3接地；接地电极1固定在基底2上。基底2为绝缘基底，在一个实施例中可为二氧化硅等。检测端34通过支撑梁35与锚端7连接；锚端7固定在基底2上；通过锚端7提供谐振子3的另一端支撑。支撑梁35为柔性梁，在一个实施例中其宽度可为1～10μm，长宽比为50～500；通过支撑梁35限制检测端34沿支撑梁35延伸方向移动，但检测端34具有平行于基底平面且垂直于支撑梁35方向的运动自由度，作为谐振子3的单自由端。检测端34与输入电极6构成平板式输入电容，输入电容极板方向与支撑梁35平行；在一个实施例中，输入电容的极板间距为50nm～5μm。输入电极6固定在基底2上；实际工作时，待检测电荷由输入电极6输入。两条弯曲梁32的外圆弧中部处各自连接有一个平板电极33；平板电极33的两侧分别与驱动电极4和感应电极5构成驱动电容和感应电容；通过有效的电压施加在驱动电容上使谐振子3工作在平面谐振运动状态；在谐振子3谐振运动时在感应电容上可以感应出谐振电流，该电流的频率作为传感器的信号输出；驱动电极4和感应电极5均固定在基底2上。在一个实施例中，所述的接地电极1、谐振子3、驱动电极4、感应电极5、输入电极6和锚端7可采用单晶硅或多晶硅等导体材料进行单片刻蚀工艺制备。

在图2中，本发明的微谐振式静电计所设的谐振子3处于悬浮状态；在一个实施例中，可将基底的部分中间区域21掏空实现；接地电极1、驱动电极4、感应电极5、输入电极6和锚端均与基底2固定连接，使得谐振子3能够与上述部件进行相对的运动。

如图3所示，本发明的另一目的在于提供一种新型的电荷检测方法。在一个实施例中，微谐振式静电计实际工作时，通过驱动电极4电激励平板电极33从而驱动弯曲梁32进行谐振；并通过感应电极5处输出带有谐振频率的交流信号；弯曲梁32的振动带动检测端34沿着支撑梁35的径向进行同步振动；待检测电荷加载于输入电极6并产生静电力作用于检测端34上，在振动过程中该静电力对弯曲梁32的弹性振动模态做功实现振动的干扰，可以改变其振动的等效刚度从而按一定规律改变其谐振频率。根据上述的检测原理，可以根据微谐振式静电计输出的谐振频率变化推导出被检测的电荷量，实现电荷检测功能。

在图4的实施例中对本发明的电荷敏感机理进行进一步阐述。左侧所示为具有单自由端的弯曲梁的弹性谐振模态图；锚端7、接地电极1均固定作为处于悬浮状态的谐振子3的两个支撑端；该模态中，弯曲梁32沿着支撑梁35径向方向收缩进行弹性振动，振动过程中，弯曲梁32产生弹性变形，避免了弯曲梁32的大量拉伸可以有效抑制非线性和降低频率的温漂系数；检测端34处产生弹性谐振运动的最大位移，以此作为检测的敏感端可以实现高的灵敏度。右侧所示为具有单自由端的弯曲梁的谐振响应曲线图，该信号通过感应电极4输出，曲线的尖峰处为信号最大值，即本发明的具有单自由端的弯曲梁的谐振频率。

Claims (8)

1.一种利用具有单自由端的弯曲梁微谐振式静电计的电荷检测方法，其特征在于，所述的 具有单自由端的弯曲梁微谐振式静电计设有接地电极、基底、谐振子、驱动电极、感应电极、输入电极和锚端；谐振子上所设的两条弯曲梁的两端相互连接，连接后的两端分别构成固定端和检测端；固定端与接地电极连接；检测端通过柔性支撑梁与锚端连接，实现平行于基底平面且垂直于支撑梁方向的单自由度；检测端与输入电极构成平板式输入电容，待检测电荷从输入电极输入；两条弯曲梁的外圆中部处均设有平板电极；平板电极的两侧分别与驱动电极和感应电极构成驱动电容和感应电容；驱动电容用于加载电信号驱动谐振子进行平面内谐振；感应电容用于感应谐振运动输出谐振电流；接地电极、驱动电极、感应电极、输入电极和锚端均与基底固定连接；基底上设有掏空区域，谐振子悬浮于该掏空区域，由接地电极与锚端提供谐振子的支撑；所述的弯曲梁为具有一定曲率的柔性梁，梁的长度范围为20μm~2mm；长宽比范围为10~400；所述的弯曲梁的外形为规则圆弧，圆弧的圆心角范围为0°~180°，但不包括0°；

所述电荷检测方法为：所设的微谐振式静电计实际工作时，通过驱动电极电激励平板电极从而驱动弯曲梁实现弹性谐振模态，并通过感应电极处输出带有谐振频率的交流信号；弯曲梁的振动带动检测端沿着支撑梁的径向进行同步振动，检测端处产生弹性谐振运动的最大位移；待检测电荷加载于输入电极并产生静电力作用于检测端上，在振动过程中该静电力对弯曲梁的弹性振动模态做功实现振动的干扰，改变其振动的等效刚度从而按一定规律改变其谐振频率；由此根据微谐振式静电计输出的谐振频率变化推导出被检测的电荷量，实现电荷检测功能。

2.根据权利要求1所述的电荷检测方法，其特征在于所述的柔性支撑梁，其宽度范围为1~10μm；长宽比范围为50~500。

3.根据权利要求1所述的电荷检测方法，其特征在于所述的平板式输入电容的极板间距为50nm~5μm。

4.根据权利要求1所述的电荷检测方法，其特征在于所述的平板式输入电容的极板方向与支撑梁平行。

5.根据权利要求1所述的电荷检测方法，其特征在于所述的基底由绝缘材料制备。

6.根据权利要求5所述的电荷检测方法，其特征在于所述的绝缘材料为二氧化硅。

7.根据权利要求1所述的电荷检测方法，其特征在于所述的接地电极、驱动电极、感应电极、输入电极和锚端均为导体材料。

8.根据权利要求7所述的电荷检测方法，其特征在于所述的导体材料包括单晶硅或多晶硅。

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