CN114216648B - 一种高频响大量程的mems摩阻传感器 - Google Patents

一种高频响大量程的mems摩阻传感器 Download PDF

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CN114216648B CN202210154250.5A CN202210154250A CN114216648B CN 114216648 B CN114216648 B CN 114216648B CN 202210154250 A CN202210154250 A CN 202210154250A CN 114216648 B CN114216648 B CN 114216648B
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Abstract

本发明属于微机电系统中的MEMS传感器领域，公开了一种高频响大量程的MEMS摩阻传感器。该MEMS摩阻传感器由封装盖板、表头结构、接口电路和封装管座构成；封装盖板和封装管座为上下叠放的圆柱体，封装盖板和封装管座的中心空腔安装有表头结构和接口电路；表头结构是MEMS摩阻传感器的主要构件，由浮动元件、硅微结构和电极基板构成，用来感应飞行器模型表面的摩阻并转化为差分电容信号。该MEMS摩阻传感器采用浮动元件与待测壁面平齐、信号输出微结构与风洞流场隔离的立体式MEMS表头结构和平板电容差分检测测量方法。

Description

一种高频响大量程的MEMS摩阻传感器
技术领域
本发明属于微机电系统中的MEMS传感器领域，具体涉及一种高频响大量程的MEMS摩阻传感器。
背景技术
MEMS摩阻传感器主要用于测试飞行器表面的摩阻，进而确定飞行器表面摩阻的大小和分布情况，对飞行器设计具有重要意义。传统的表面摩阻测量器件主要是微量应变式摩阻天平，但其受灵敏度、温度、体积和成本等因素限制，难以在飞行器设计领域广泛应用。以微机电系统技术为基础的MEMS摩阻传感器具有体积小、成本低、可靠性高等突出优点，能够广泛应用于飞行器设计等领域。
目前，介绍MEMS摩阻传感器的文献较多，主要分为梳齿电容式和压阻式等，但主要应用于低速风洞的表面摩阻测量试验。2001年，Jiang Zhe等人[A MEMS device formeasurement of skin friction with capacitive sensing, MicroelectromechanicalSystems Conference, 24-26 August, 2001[C].]设计了一款悬臂梁支撑的平板差分电容式MEMS摩阻传感器，其量程仅为0.1-2Pa，适用于低速风洞。2011年，Jessica Meloy等人[Experimental verification of a MEMS based skin friction sensor forquantitative wall shear stress measurement, 41st AIAA Fluid DynamicsConference and Exhibit, 27-30 June 2011, Honolulu, Hawaii[C].]设计了一款四梁支撑的梳齿电容式MEMS摩阻传感器，其量程为0.1-5Pa，为了不破坏流场，浮动元件和梳齿电容必须暴露在风洞流场中，因此仅适用于气体纯度较高的低速风洞。
许多应用场合要求在高超声速风洞流场中进行表面摩阻测量，目前高超声速速风洞流场中模型表面的摩阻测量主要采用传统的微量摩阻天平。2010年，Joseph A. Schetz等人[Direct measurement of skin friction in complex flows, 48th AIAAAerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and AerospaceExposition 4-7 January 2010, Orlando, Florida [C].]研制了一款应变式微量摩阻天平，在Ma=4的高超声速风洞流场中进行模型表面的摩阻测量试验，但这种微量天平灵敏度较低、温度稳定性差、体积较大，不能用来精确测量飞行器表面摩阻的分布情况。此外，高超声速风洞流场法向载荷大，对MEMS摩阻传感器设计和研制提出了更高要求。
2014年，发明人设计了一款立体结构的MEMS摩阻传感器（一种微机械摩阻传感器及制作方法，中国专利ZL201418003582.X,2017.07.），该MEMS摩阻传感器的浮动元件通过支杆与带有敏感电容元件的弹性梁结构连接，浮动元件感受到的表面摩阻通过支杆传递给弹性梁结构，驱动弹性梁两侧的敏感电容元件振动极板发生偏转，两侧敏感电容元件差分即可解算出测量的表面摩阻；样机静态校准和高超声速风洞验证试验的结果表明，该MEMS摩阻传感器灵敏度高、稳定性好、测量范围不大于100Pa、动态响应带宽小于500Hz、信号输出频率小于10Hz，表头结构和封装形式适用于运行时间为几十秒级的常规高超声速风洞试验环境[Fabrication, calibration and proof experiments in hypersonic windtunnel for a novel MEMS skin friction sensor, Microsystem Technologies,vol.23, No.8, 2017 [J].]。随着高超声速技术的快速发展，运行时间为毫秒级的脉冲激波风洞试验环境、测量范围为1Pa-1000Pa的摩阻测量需求也很迫切，前述的MEMS摩阻传感器（一种微机械摩阻传感器及制作方法，专利号201418003582.X,2017.07.）不能满足测量要求。
当前，亟需发展一种高频响、大量程、用于激波风洞流场表面摩阻测量的MEMS摩阻传感器。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高频响大量程的MEMS摩阻传感器。
本发明的高频响大量程的MEMS摩阻传感器，其特点是，所述的MEMS摩阻传感器由封装盖板、表头结构、接口电路和封装管座构成；封装盖板和封装管座为上下叠放的圆柱体，封装盖板和封装管座的中心空腔安装有表头结构和接口电路；
所述的表头结构是MEMS摩阻传感器的主要构件，由浮动元件、硅微结构和电极基板构成，用来感应飞行器模型表面的摩阻并转化为差分电容信号；
所述的浮动元件由浮动单元、支杆和定位台阶构成，浮动单元与模型表面平齐以感应摩阻，浮动单元与封装盖板之间的间隙为浮动单元的移动间隙；支杆将摩阻转化为摩阻力矩并传递给由硅微结构和电极基板构成的平板电容元件；定位台阶用来确定浮动元件在硅微结构垂直方向上的位置；
所述的硅微结构由振动极板、弹性梁和支撑框体构成，振动极板是敏感电容元件的振动极板；弹性梁是扭转刚度小于法向刚度的两端固支梁，在MEMS摩阻传感器感应摩阻时产生扭转变形；支撑框体通过弹性梁支撑浮动元件和振动极板；
所述的电极基板由金属电极、引线电极和玻璃凸台构成，金属电极是电容元件的固定极板，与硅微结构的振动极板共同构成敏感电容元件；引线电极与封装管座接线柱引线连接；玻璃凸台与硅微结构的支撑框体进行阳极键合，同时构成敏感电容元件的电容间隙h 0；
所述的接口电路包括高频微电容检测芯片Pcap01、高频单片机STM32F411CEU6、FPC座子以及外围电路，接口电路的电路板侧面设置有封装定位凸台；高频微电容检测芯片Pcap01将差分电容信号转化为数字信号；高频单片机STM32F411CEU6的工作频率达100KHz，高频单片机STM32F411CEU6控制Pcap01的工作状态和接收Pcap01实时采集的电容值，并将电容值发送给上位机进行后续处理；上位机采用Labview编程；接口电路的更新速率大于3KHz，电容分辨力小于等于0.001pF；
所述的高频微电容检测芯片Pcap01的外围电路包括降低电路噪声的去耦电容C1、C2、C3、C4、C8、C9、参考电容C5和提供固定电平信号的下拉电阻R1；高频微电容检测芯片Pcap01的引脚PC0端口连接参考电容C5，高频微电容检测芯片Pcap01的引脚PC1、PC2端口连接MEMS摩阻传感器的待测差分电容；
所述的高频单片机STM32F411CEU6的外围电路包括降低电路噪声的去耦电容C6、C7、C10、C11、C12、C13、C14；高频单片机STM32F411CEU6的PA9、PA10引脚分别作为信号接收与发送线RX、TX与FPC座子的5、6引脚连接；高频单片机STM32F411CEU6的PA13、PA14引脚作为仿真的硬件接口SWDIO（数据线）、SWCLK（时钟线）与FPC座子的3、4引脚连接，FPC座子的1、2引脚为整体电路提供VDD与GND；
所述的高频微电容检测芯片Pcap01与高频单片机STM32F411CEU6建立4线硬件SPI通信；
所述的MEMS摩阻传感器的表头结构的响应频率ω：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
式中，K为弹性梁的扭转弹性系数；J xx 为表头结构的扭转惯量；G为硅微结构的材料剪切弹性模量，w为弹性梁的宽度，h为弹性梁的厚度，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为弹性梁的长度；β为弹性梁矩形横截面的扭转系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
；ρ 1为硅微结构的材料密度，w 1为振动极板与弹性梁之间的距离，w 2为振动极板的宽度、
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为振动极板的长度，ρ 2为浮动元件的材料密度，r 1为支杆的直径，h 1为支杆的长度，r 2为浮动单元的直径，h 2为浮动单元上表面与弹性梁的距离，h 2-h 1为浮动单元的厚度。
本发明的高频响大量程的MEMS摩阻传感器采用浮动元件与待测壁面平齐、信号输出微结构与风洞流场隔离的立体式MEMS表头结构和平板电容差分检测测量方法。
本发明的高频响大量程的MEMS摩阻传感器采用减小浮动单元厚度（h 2-h 1）、支杆长度h 1与弹性梁长度l 1，增大弹性梁厚度h与宽度w的方法提高表头结构的响应频率，将动态响应带宽提高至大于3000Hz，测量范围提升至1500Pa；采用增大振动极板面积w 1 l、减小差分平板的电容间隙h 0的方式提高测量灵敏度，使得分辨率优于1Pa；采用高频微电容检测芯片Pcap01和高频单片机STM32F411CEU6将传感器接口电路采样率提高至大于3000Hz。
本发明的高频响大量程的MEMS摩阻传感器测量带宽大于3000Hz、测量范围0~1500Pa、分辨率1Pa，具有体积小、测量范围大、频响高、温度稳定性好、可靠性高等特点，能够满足运行时间为毫秒量级、测量范围为几百帕量级的激波风洞摩阻测量应用要求。
附图说明
图1为本发明的高频响大量程的MEMS摩阻传感器的整体结构示意图；
图2为本发明的高频响大量程的MEMS摩阻传感器的整体结构爆炸视图；
图3为本发明的高频响大量程的MEMS摩阻传感器中的浮动元件结构示意图；
图4为本发明的高频响大量程的MEMS摩阻传感器中的硅微结构示意图；
图5为本发明的高频响大量程的MEMS摩阻传感器中的电极基板结构示意图；
图6为本发明的高频响大量程的MEMS摩阻传感器中的“硅-玻璃”键合结构示意图；
图7为本发明的高频响大量程的MEMS摩阻传感器中的表头结构示意图；
图8为本发明的高频响大量程的MEMS摩阻传感器的工作原理示意图；
图9a为本发明的高频响大量程的MEMS摩阻传感器的接口电路原理图（总图）；
图9b为本发明的高频响大量程的MEMS摩阻传感器的接口电路原理图（Ⅰ图）；
图9c为本发明的高频响大量程的MEMS摩阻传感器的接口电路原理图（Ⅱ图）；
图9d为本发明的高频响大量程的MEMS摩阻传感器的接口电路原理图（Ⅲ图）；
图9e为本发明的高频响大量程的MEMS摩阻传感器的接口电路原理图（Ⅳ图）。
图中，1.封装盖板；2.浮动元件；3.硅微结构；4.电极基板；5.接口电路；6.封装管座；7.移动间隙；8.封装定位凸台；9.浮动单元；10.支杆；11.定位台阶；12.支撑框体；13.弹性梁；14.振动极板；15.引线电极；16.金属电极；17.玻璃凸台；18.敏感电容元件；19.高频微电容检测芯片Pcap01；20.高频单片机STM32F411CEU6；21.FPC座子。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
本发明的高频响大量程的MEMS摩阻传感器由封装盖板1、表头结构、接口电路5和封装管座6构成；封装盖板1和封装管座6为上下叠放的圆柱体，封装盖板1和封装管座6的中心空腔安装有表头结构和接口电路5；
所述的表头结构是MEMS摩阻传感器的主要构件，由浮动元件2、硅微结构3和电极基板4构成，用来感应飞行器模型表面的摩阻并转化为差分电容信号；
所述的浮动元件2由浮动单元9、支杆10和定位台阶11构成，浮动单元9与模型表面平齐以感应摩阻，浮动单元9与封装盖板1之间的间隙为浮动单元9的移动间隙7；支杆10将摩阻转化为摩阻力矩并传递给由硅微结构3和电极基板4构成的平板电容元件；定位台阶11用来确定浮动元件2在硅微结构3垂直方向上的位置；
所述的硅微结构3由振动极板14、弹性梁13和支撑框体12构成，振动极板14是敏感电容元件18的振动极板；弹性梁13是扭转刚度小于法向刚度的两端固支梁，在MEMS摩阻传感器感应摩阻时产生扭转变形；支撑框体12通过弹性梁13支撑浮动元件2和振动极板14；
所述的电极基板4由金属电极16、引线电极15和玻璃凸台17构成，金属电极16是电容元件的固定极板，与硅微结构3的振动极板14共同构成敏感电容元件18元件；引线电极15与封装管座6接线柱引线连接；玻璃凸台17与硅微结构3的支撑框体12进行阳极键合，同时构成敏感电容元件18的电容间隙h 0；
所述的接口电路5包括高频微电容检测芯片Pcap0119、高频单片机STM32F411CEU620、FPC座子21以及外围电路，接口电路5的电路板侧面设置有封装定位凸台8；高频微电容检测芯片Pcap0119将差分电容信号转化为数字信号；高频单片机STM32F411CEU620的工作频率达100KHz，高频单片机STM32F411CEU620控制高频微电容检测芯片Pcap0119的工作状态和接收高频微电容检测芯片Pcap0119实时采集的电容值，并将电容值发送给上位机进行后续处理；上位机采用Labview编程；接口电路5的更新速率大于3KHz，电容分辨力小于等于0.001pF；
所述的高频微电容检测芯片Pcap0119的外围电路包括降低电路噪声的去耦电容C1、C2、C3、C4、C8、C9、参考电容C5和提供固定电平信号的下拉电阻R1；高频微电容检测芯片Pcap0119的引脚PC0端口连接参考电容C5，高频微电容检测芯片Pcap0119的引脚PC1、PC2端口连接MEMS摩阻传感器的待测差分电容；
所述的高频单片机STM32F411CEU620的外围电路包括降低电路噪声的去耦电容C6、C7、C10、C11、C12、C13、C14；高频单片机STM32F411CEU620的PA9、PA10引脚分别作为信号接收与发送线RX、TX与FPC座子21的5、6引脚连接；高频单片机STM32F411CEU620的PA13、PA14引脚作为仿真的硬件接口SWDIO数据线、SWCLK时钟线与FPC座子21的3、4引脚连接，FPC座子21的1、2引脚为整体电路提供VDD与GND；
所述的高频微电容检测芯片Pcap0119与高频单片机STM32F411CEU620建立4线硬件SPI通信；
所述的MEMS摩阻传感器的表头结构的响应频率ω：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
式中，K为弹性梁13的扭转弹性系数，J xx 为表头结构的扭转惯量，G为硅微结构3的材料剪切弹性模量，w为弹性梁13的宽度，h为弹性梁13的厚度，
Figure 567623DEST_PATH_IMAGE004
为弹性梁13的长度，ρ 1为硅微结构3的材料密度，w 1为振动极板14与弹性梁13之间的距离，w 2为振动极板14的宽度，
Figure 750343DEST_PATH_IMAGE007
为振动极板14的长度，ρ 2为浮动元件2的材料密度，r 1为支杆10的直径，h 1为支杆10的长度，r 2为浮动单元9的直径，h 2为浮动单元9上表面与弹性梁13的距离，h 2-h 1为浮动单元9的厚度。
实施例1
如图1、图2所示，本实施例的高频响大量程的MEMS摩阻传感器包括封装盖板1、浮动元件2、硅微结构3、电极基板4、接口电路5和封装管座6。其中，浮动元件2包含浮动单元9、支杆10和定位台阶11，如图3所示；硅微结构3包含支撑框体12、弹性梁13和振动极板14，如图4所示；电极基板4包含引线电极15、金属电极16和玻璃凸台17，如图5所示；硅微结构3的振动极板14和电极基板4的金属电极16构成差动的敏感电容元件18，实现差分电容检测，如图6所示；浮动元件2、硅微结构3和电极基板4共同构成MEMS摩阻传感器的表头结构，如图7所示。接口电路5主要由高频微电容检测芯片19、高频单片机20、FPC座子21及外围电路组成，如图9a~图9e所示。
MEMS摩阻传感器的工作原理：浮动单元9感测与其面积A成正比且垂直于x轴方向的摩阻f s ，支杆10将摩阻f s 转化为摩阻力矩T s ，摩阻力矩T s 使两端固支的弹性梁13产生扭转变形，与弹性梁13刚性连接的振动极板14产生绕y轴的扭转角θ，弹性梁13两侧的敏感电容元件C 1和敏感电容元件C 2均产生一定的变化，如图8所示。通过差分计算弹性梁13两侧敏感电容元件C 1和敏感电容元件C 2的变化量ΔC，进而计算浮动单元9感测的摩阻f s 。
浮动单元9感测的摩阻f s ：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
其中，A为浮动单元9的面积；C f 为浮动单元9单位面积感测的摩阻。
传递到弹性梁13的摩阻力矩T s ：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
其中，h 1为支杆10的长度。
弹性梁13的扭转弹性系数K：
Figure DEST_PATH_IMAGE011
其中，G为硅微结构3的材料剪切弹性模量；I p 为弹性梁13的横截面积惯性矩，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
；l 1为弹性梁13的长度；β为弹性梁13矩形横截面的扭转系数，
Figure 700719DEST_PATH_IMAGE005
。
振动极板14在摩阻力矩T s 作用下产生一定的扭转角θ：
Figure DEST_PATH_IMAGE014
振动极板14产生扭转角θ后的差分检测电容ΔC：
Figure DEST_PATH_IMAGE015
其中，h 0为敏感电容元件18的平板间隙；w 1为振动极板14与弹性梁13之间的距离；w 2为振动极板14的宽度、l为振动极板14的长度；w、h、l 1分别为弹性梁13的宽度、厚度和长度；ε 0 为空气介电常数（或电容率），ε 0 =8.85×10-12F/m。
（4）式表明，角位移θ与摩阻f s 成正比；（5）式表明，差分检测电容ΔC与待测摩阻系数C f 具有较好的线性度。本实施例的弹性梁13的尺寸为2000微米×280微米×500微米，电容极板14的面积为1500微米×2000微米，敏感电容元件18的初始间隙h 0为10微米。MEMS摩阻传感器的量程为0~1500Pa，分辨率为1Pa，对应差分检测电容的分辨率约为1fF（目前，微弱电容稳定条件下的检测分辨率为1fF）。
高频响MEMS摩阻传感器表头结构的动态响应频率ω的解析公式
Figure DEST_PATH_IMAGE016
Figure DEST_PATH_IMAGE017
其中，K为弹性梁13的扭转弹性系数，J xx 为表头结构的扭转惯量，G为硅微结构3的材料剪切弹性模量，w为弹性梁13的宽度，h为弹性梁13的厚度，l 1为弹性梁13的长度，J tb 为单个弹性梁13的扭转惯量，J ep 为振动极板14的扭转惯量，J sp 为支杆10的扭转惯量，J fe 为浮动单元9的扭转惯量，ρ 1为硅微结构3的材料密度，w 1为振动极板14与弹性梁13之间的距离，w 2为振动极板14的宽度、l为振动极板14的长度，ρ 2为浮动元件2的材料密度，r 1为支杆10直径，h 1为支杆10长度，r 2为浮动单元9的直径。
为了不改变待测模型表面的流场特性，浮动单元9的上表面必须与待测模型的表面平齐。具体方案是通过封装管壳实现的，封装盖板1的上表面与待测模型的表面平齐，同时与浮动单元9的上表面平齐。浮动单元9的上表面感测沿x轴方向的摩阻，通过支干10传递到弹性梁13，并使浮动单元9产生绕y轴的扭转振动（图8），浮动单元9与封装盖板1之间必须保持一定的运动间隙（图1）。ANSYS模拟结果显示，浮动单元9沿x轴的最大运动位移约10微米；CFD模拟结果表明，浮动单元9与封装盖板1之间的间隙不小于500微米时，不改变待测模型表面的流场特性。因此，浮动单元9与封装盖板1之间的间隙设计为500微米，通过精密对准技术实现。
高频响大量程MEMS摩阻传感器的接口电路5主要由高频微电容检测芯片Pcap0119、高频单片机STM32F411CEU620、FPC座子21的及外围电路组成；
高频微电容检测芯片Pcap0119的外围电路包括降低电路噪声的去耦电容C1、C2、C3、C4、C8、C9、参考电容C5和提供固定电平信号的下拉电阻R1；高频微电容检测芯片Pcap0119引脚PC0连接参考电容C5，高频微电容检测芯片Pcap0119引脚PC1、PC2端口连接MEMS摩阻传感器的待测差分电容；
高频单片机STM32F411CEU620外围电路包括降低电路噪声的去耦电容C6、C7、C10、C11、C12、C13、C14；高频单片机STM32F411CEU620的PA9、PA10引脚分别作为信号接收与发送线RX、TX与FPC座子21的5、6引脚连接；高频单片机STM32F411CEU620的PA13、PA14引脚作为仿真的硬件接口SWDIO（数据线）、SWCLK（时钟线）与FPC座子21的3、4引脚连接，FPC座子21的1、2引脚为整体电路提供VDD与GND；
高频微电容检测芯片Pcap0119与高频单片机STM32F411CEU620通过如图9a~图9e所示的SPI_MOSI、SPI_MISO、SPI_SCK、SPI_CS引脚建立4线硬件SPI通信。
高频微电容检测芯片Pcap0119及其外围电路对待测电容进行检测，实时读取电容变化值并通过内部转换输出为相应的数字信号；高频单片机STM32F411CEU620（工作频率可达100KHz）为核心的控制器，高频微电容检测芯片Pcap0119的工作状态和接收Pcap01所实时采集的数字信号并将采集值发送给上位机进行后续的处理；微电容检测芯片Pcap01通过4线硬件SPI的通信方式与高频单片机STM32F411CEU620建立连接，完成高速数据传输；高频单片机STM32F411CEU620与FPC座子21连接，将实时采集值发送至上位机；采用Labview软件实现上位机编程，接口电路5可实现更新速率大于3KHz，其电容分辨力达0.001pF。
本实施例在结构设计和微弱电容高频差分检测方法上进行了创新，具有体积小、测量范围大、频响高、温度稳定性好、可靠性高等特点，能够实现在运行时间为毫秒级的激波风洞高超声速流场中测量飞行器模型表面的摩阻。
上述实施例仅表达了本发明的典型实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (1)

1.一种高频响大量程的MEMS摩阻传感器，其特征在于，所述的MEMS摩阻传感器由封装盖板（1）、表头结构、接口电路（5）和封装管座（6）构成；封装盖板（1）和封装管座（6）为上下叠放的圆柱体，封装盖板（1）和封装管座（6）的中心空腔安装有表头结构和接口电路（5）；
所述的表头结构是MEMS摩阻传感器的主要构件，由浮动元件（2）、硅微结构（3）和电极基板（4）构成，用来感应飞行器模型表面的摩阻并转化为差分电容信号；
所述的浮动元件（2）由浮动单元（9）、支杆（10）和定位台阶（11）构成，浮动单元（9）与模型表面平齐以感应摩阻，浮动单元（9）与封装盖板（1）之间的间隙为浮动单元（9）的移动间隙（7）；支杆（10）将摩阻转化为摩阻力矩并传递给由硅微结构（3）和电极基板（4）构成的平板电容元件；定位台阶（11）用来确定浮动元件（2）在硅微结构（3）垂直方向上的位置；
所述的硅微结构（3）由振动极板（14）、弹性梁（13）和支撑框体（12）构成，振动极板（14）是敏感电容元件（18）的振动极板；弹性梁（13）是扭转刚度小于法向刚度的两端固支梁，在MEMS摩阻传感器感应摩阻时产生扭转变形；支撑框体（12）通过弹性梁（13）支撑浮动元件（2）和振动极板（14）；
所述的电极基板（4）由金属电极（16）、引线电极（15）和玻璃凸台（17）构成，金属电极（16）是电容元件的固定极板，与硅微结构（3）的振动极板（14）共同构成敏感电容元件（18）元件；引线电极（15）与封装管座（6）接线柱引线连接；玻璃凸台（17）与硅微结构（3）的支撑框体（12）进行阳极键合，同时构成敏感电容元件（18）的电容间隙h 0；
所述的接口电路（5）包括高频微电容检测芯片Pcap01（19）、高频单片机STM32F411CEU6（20）、FPC座子（21）以及外围电路，接口电路（5）的电路板侧面设置有封装定位凸台（8）；高频微电容检测芯片Pcap01（19）将差分电容信号转化为数字信号；高频单片机STM32F411CEU6（20）的工作频率达100KHz，高频单片机STM32F411CEU6（20）控制Pcap01的工作状态和接收Pcap01实时采集的电容值，并将电容值发送给上位机进行后续处理；上位机采用Labview编程；接口电路（5）的更新速率大于3KHz，电容分辨力小于等于0.001pF；
所述的高频微电容检测芯片Pcap01（19）的外围电路包括降低电路噪声的去耦电容C1、C2、C3、C4、C8、C9、参考电容C5和提供固定电平信号的下拉电阻R1；高频微电容检测芯片Pcap01（19）的引脚PC0端口连接参考电容C5，高频微电容检测芯片Pcap01（19）的引脚PC1、PC2端口连接MEMS摩阻传感器的待测差分电容；
所述的高频单片机STM32F411CEU6（20）的外围电路包括降低电路噪声的去耦电容C6、C7、C10、C11、C12、C13、C14；高频单片机STM32F411CEU6（20）的PA9、PA10引脚分别作为信号接收与发送线RX、TX与FPC座子（21）的5、6引脚连接；高频单片机STM32F411CEU6（20）的PA13、PA14引脚作为仿真的硬件接口SWDIO（数据线）、SWCLK（时钟线）与FPC座子（21）的3、4引脚连接，FPC座子（21）的1、2引脚为整体电路提供VDD与GND；
所述的高频微电容检测芯片Pcap01（19）与高频单片机STM32F411CEU6（20）建立4线硬件SPI通信；
所述的MEMS摩阻传感器的表头结构的响应频率ω：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
式中，
Figure 95455DEST_PATH_IMAGE002
为弹性梁（13）的扭转弹性系数，J xx 为表头结构的扭转惯量，G为硅微结构（3）的材料剪切弹性模量；β为弹性梁（13）矩形横截面的扭转系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
；w为弹性梁（13）的宽度，h为弹性梁（13）的厚度，为弹性梁（13）的长度，ρ 1为硅微结构（3）的材料密度，w 1为振动极板（14）与弹性梁（13）之间的距离，w 2为振动极板（14）的宽度，
Figure 822715DEST_PATH_IMAGE004
为振动极板（14）的长度，ρ 2为浮动元件（2）的材料密度，r 1为支杆（10）的直径，h 1为支杆（10）的长度，r 2为浮动单元（9）的直径，h 2为浮动单元（9）上表面与弹性梁（13）的距离，h 2-h 1为浮动单元（9）的厚度。
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