CN114383762B

CN114383762B - 基于多梳齿阵列的mems电容式微力传感器及去耦合测试方法

Info

Publication number: CN114383762B
Application number: CN202210028939.3A
Authority: CN
Inventors: 高文迪; 刘存朗; 赵立波; 谭仁杰; 刘晓明; 韩香广; 卢德江; 杨萍; 王小章; 王久洪; 蒋庄德
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2022-01-11
Filing date: 2022-01-11
Publication date: 2022-12-27
Anticipated expiration: 2042-01-11
Also published as: CN114383762A

Abstract

基于多梳齿阵列的MEMS电容式微力传感器及去耦合测试方法，传感器包括通过支撑梁固定在边框上的质量块，质量块、支撑梁悬空，质量块外侧布置运动限位结构；质量块前端设置有一个凸起的探针，质量块末端布置有动梳齿阵列组，与动梳齿阵列组配合构成差分梳齿电容阵列的定梳齿阵列组连接在边框上；质量块由x方向刚度高的支撑梁支撑，y方向为其工作敏感方向，动梳齿阵列组、定梳齿阵列组偏离质量块中心布置；去耦合测试时，将定梳齿阵列中具有相同间距/面积变化趋势的阵列进行电气连接，其与质量块上的动梳齿阵列接入到常规电容检测方法进行差分检测；同时驱动定梳齿阵列施加不同的交流电势调整传感器的检测量程；本发明用于亚nN‑μN量级微力的测量。

Description

基于多梳齿阵列的MEMS电容式微力传感器及去耦合测试方法

技术领域

本发明属于微力传感器技术领域，具体涉及一种基于多梳齿阵列的MEMS电容式微力传感器及去耦合测试方法。

背景技术

力学传感是探究微纳尺度材料机械特性的基础，是揭示微观力学现象的关键技术。例如，生物细胞调节生命体生长、增殖、分化和凋亡等一系列基本生命活动，现代医学表明人类众多疾病的发生与发展都和细胞特性变化有着密切的联系。研究细胞结构和功能缺陷造成的力学特性传感技术，对疾病快速检测和诊断、药物筛选和评估具有重要的理论和现实意义。同时，微纳组装、微旋转等多种微纳机器人操控技术也亟需高精度的力学传感技术，从而实现操控过程中力学信号的实时反馈，提高操作精度及效率。

微尺度环境下信号背景噪声强，材料响应信号尺度小，实现高精度的微纳材料力学检测难度较大。当前原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)被广泛应用于材料力学特性测试，然而AFM利用光电探测器接收来自探针背面的激光反射，其信号传导过程复杂，对测试环境要求较高，需要精密的光学对准和调试，且样品调整的操作空间较小，较难与其他细胞微操作工具集成。此外利用光镊、磁镊技术，通过可控的激光场或者磁场，操作聚焦激光束或者悬浮微磁球在目标样品上产生拖拽力，进而研究样品在受载时的响应，然而光镊、磁镊系统较难精确控制施加在样品上的力载荷，其检测的力学特性参数只能进行定性比较，无法获得定量的样品力学特性数值。

MEMS传感器具有微型化、结构简单、便于批量制造及集成、灵敏度高、稳定性好等特点，电容式微力传感器利用电容极距变化或者正对面积的变化将负载力变化转化为电容的变化，其输出与可动结构应力无关，同时其能够将多个梳齿电容极板阵列集成在单个芯片内，可以实现较高灵敏度和高精度的力学量检测；当前MEMS电容式力传感器大多采用梳齿阵列的形式，将动、定电容阵列组成差分阵列输出，以提升器件的灵敏度。然而当前主流设计采用的单差分梳齿阵列的设计无法实现小芯片尺寸条件下多梳齿阵列电容极板的布置，器件灵敏度有待进一步提升；同时当前MEMS电容式力传感器受寄生电容、电场、载荷耦合等多种干扰因素影响，因而当前器件分辨率局限在nN-μN量级，亚nN量级的MEMS微力传感器技术亟需突破。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提出一种基于多梳齿阵列的MEMS电容式微力传感器及去耦合测试方法，能够用于提升MEMS电容式微力传感器灵敏度以及实现亚nN量级微力的测量。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于多梳齿阵列的MEMS电容式微力传感器，包括通过支撑梁固定在边框上的质量块，质量块、支撑梁悬空，质量块外侧布置有运动限位结构；质量块前端设置有一个凸起的探针，探针受载时能够使质量块及支撑梁产生运动，探针的形状尺寸可以根据实际应用确定；质量块末端布置有两个以上的动梳齿阵列组，与动梳齿阵列组配合构成差分梳齿电容阵列的定梳齿阵列组通过锚点连接在边框上；所述的质量块由x方向刚度高的支撑梁支撑，y方向为其工作敏感方向，动梳齿阵列组、定梳齿阵列组偏离质量块中心布置在质量块末端，偏离位置根据质量块、探针、梳齿阵列长度进行确定。

所述的动梳齿阵列组和定梳齿阵列组配合，每相邻两组动定梳齿阵列构成差分梳齿电容阵列，各差分梳齿电容阵列中，动梳齿的电极板距相邻定梳齿的电极板距离d₁、d₂不相同，其相邻动梳齿的电极板距相邻定梳齿的电极板距离d₃、d₄不相同，在初始状态下，距离d₁＝d₂，离d₃＝d₄；MEMS电容式微力传感器受到y方向力加载时，各动梳齿阵列与定梳齿阵列中电容极板之间的间距d₁、d₂、d₃、d₄发生变化，从而改变各差分梳齿电容阵列间的总电容。

所述的动梳齿阵列组和定梳齿阵列组配合，动梳齿阵列分别与定梳齿阵列构成差分梳齿电容阵列，各差分梳齿电容阵列中，初始状态下，动梳齿的电极板与相邻定梳齿的间距d_o相等，重叠区域对应的长度l_o相等；MEMS电容式微力传感器受到y方向力加载时，各动梳齿阵列与定梳齿阵列中电容极板之间的重叠区域长度l_o发生变化，从而使得动、定梳齿正对面积发生变化，进而改变各差分梳齿电容阵列间的总电容。

所述的质量块四角和边框的连接处设置有驱动梳齿阵列，其中质量块上布置有驱动动梳齿阵列，边框上布置有与对应的驱动定梳齿阵列，驱动定梳齿阵列与驱动动梳齿阵列构成差分驱动梳齿电容阵列。

所述的基于多梳齿阵列的MEMS电容式微力传感器通过布置不同的间距、厚度、长度、数量的动梳齿阵列、定梳齿阵列以及驱动梳齿阵列，实现亚nN-μN量级微小力、位移、转角、加速度的惯性信号的精确测量。

所述的MEMS电容式微力传感器使用绝缘衬底型硅片(Silicon on Insulator，SOI)制备，质量块、支撑梁使用顶部器件层硅制备，具有相同材料厚度；边框不仅具有顶部器件层硅材料，其区域下方存在基底层硅和绝缘层氧化硅材料，能够为质量块、支撑梁的运动提供固支作用。

一种基于多梳齿阵列的MEMS电容式微力传感器的去耦合测试方法，测试中，定梳齿阵列中具有相同间距/面积变化趋势的阵列进行电气连接；采用变间距式时，测试时定梳齿阵列彼此通过电气连接施加相同的电势V₁，外侧的定梳齿阵列彼此通过电气连接，并施加电势V₂；内侧的定梳齿阵列施加电势V₃，驱动定梳齿阵列根据需要施加电势V₄，V₅，V₆，V₇；电势V₁、V₂、V₃接入到电容/电压转换电路、电容/频率转换电路、积分微分电路的电容检测方法进行差分检测；电势V₄、V₅、V₆、V₇施加相应的交流电压信号，用以调整结构刚度，从而调整传感器的检测量程。

本发明的有益效果为：

1)相对于压阻式、光学式微力传感器，本发明采用电容检测的原理，将电容极板位置的变化转换为极板间电容的变化，通过阵列化电容极板设计提高检测灵敏度，因而可以实现超低微小力的高测量。

2)本发明采用面内运动型式，y方向为其工作敏感方向，与普通阵列梳齿结构的电容式传感器不同，本发明中各梳齿阵列偏离中间质量块中心以一定距离布置在质量块尾部，因此其可以避免可动结构在受到z方向载荷时的耦合；同时，质量块由x方向刚度高的支撑梁固定在对应锚点上，避免可动结构在受到y方向载荷时的耦合,使得器件最终只对工作方向的加载力敏感，具有较高的测量精度。

3)本发明提出的去耦合测试方法，能够消除可动结构中的差分梳齿阵列之间静电力及静电力产生的力矩，突破传统电容式器件工作时静电力对器件检测干扰，因而具有较高的检测分辨率及精度。

附图说明

图1(a)为本发明实施例1变电容间距式的多梳齿阵列MEMS微力传感器结构10俯视图，图1(b)为图1(a)中动梳齿阵列、定梳齿阵列及其构成的差分梳齿阵列排布示意图,图1(c)为图1(b)中动梳齿阵列、定梳齿阵列及其构成的差分梳齿阵列的局部示意图，图1(d)为图1(a)中运动限位结构的局部示意图。

图2(a)为本发明实施例2变电容面积式的多梳齿阵列MEMS微力传感器结构20俯视图，图2(b)为图2(a)动梳齿阵列、定梳齿阵列及其构成的差分梳齿阵列排布示意图,图2(c)为图2(b)中动梳齿阵列、定梳齿阵列及其构成的差分梳齿阵列的局部示意图。

图3(a)为本发明实施例3可驱动的MEMS电容式微力传感器结构俯视图，图3(b)为图3(a)中驱动动梳齿阵列、驱动定梳齿阵列及其构成的驱动梳齿阵列的局部示意图。

图4(a)为本发明基于多梳齿阵列结构的MEMS电容式微力传感器的去耦合测试方法的第一差分电容阵列的电气连接示意图，图4(b)为使用于可驱动的传感器结构的驱动梳齿电容阵列的电气连接示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做详细描述。

实施例1，参照图1(a)-图1(d)，一种变电容间距式的多梳齿阵列MEMS微力传感器结构10，包括六根第一支撑梁101，第一支撑梁101一端支撑第一质量块100，另一端固定在第一质量块锚点104上，第一质量块锚点104内部有第一质量块金属焊盘105，用以芯片与印刷电路板等外部电路的电气连接；第一质量块100前端设置有一个凸起的第一探针107，第一质量块100、第一支撑梁101下方无基底材料，第一探针107受载时能够使第一质量块100及第一支撑梁101产生运动；第一动梳齿阵列1021、1022、1023、1024、1025、1026从左至右布置在第一质量块100的末端，第一定梳齿阵列1041、1042、1043、1044、1045、1046对应布置在第一质量块100各第一动梳齿阵列周围，外侧的第一定梳齿阵列一1041、第一定梳齿阵列六1046直接固定在中部外侧的第一定梳齿锚点一1031、第一定梳齿锚点四1034上，第一定梳齿锚点一1031内设有第一定梳齿金属焊盘一1061，第一定梳齿锚点四1034内设有第一定梳齿金属焊盘四1064；中部的第一定梳齿阵列1042、1043、1044、1045通过第一定梳齿悬臂103固定在端头的第一定梳齿锚点二1032、第一定梳齿锚点三1033上，第一定梳齿锚点二1032内设有第一定梳齿金属焊盘二1062、第一定梳齿锚点三1033内设有第一定梳齿金属焊盘三1063；第一质量块100前、后、中、左、右布置有第一运动限位结构108，第一质量块锚点104及第一定梳齿锚点1031、1032、1033、1034周围区域为芯片可动结构材料层的第一边框109，第一边框109与各锚点区域并不导通。

所述的第一运动限位结构布置在质量块100前、后、中、左、右各部位，第一质量块100的凸起部分距离第一运动限位结构108凹槽的距离为第一质量块100上布置的第一动梳齿所允许的沿x、y方向最大运动位移。

第一梳齿阵列组中第一动梳齿阵列1021、1022、1023、1024、1025、1026分别与第一定梳齿阵列1041、1042、1043、1044、1045、1046对应，每相邻两组动定梳齿阵列构成第一差分梳齿电容阵列111、112、113、114、115、116。

变电容间距式结构各第一差分梳齿电容阵列111、112、113中第一动梳齿的电极板距相邻第一定梳齿的电极板距离d₁、d₂不相同，其相邻第一动梳齿的电极板距相邻第一定梳齿的电极板距离d₃、d₄不相同，在初始状态下，距离d₁＝d₃，距离d₂＝d₄；第一差分梳齿电容阵列111、114、115中的梳齿具有相同的间距变化，第一差分梳齿电容阵列112、113、116中的梳齿的间距变化相同，但其与第一差分梳齿电容阵列111、114、115中的间距变化相反。

实施例2，参照图2(a)-图2(c)，一种变电容面积式的多梳齿阵列MEMS微力传感器结构20，包括六根第二支撑梁201，第二支撑梁201一端支撑第二质量块200，另一端固定在第二质量块锚点204上，第二质量块锚点204内部设有第二质量块金属焊盘205，用以芯片与印刷电路板等外部电路的电气连接；第二质量块200前端设置有一个凸起的第二探针207，第二质量块200、第二支撑梁201下方无基底材料，第二探针207受载时能够使第二质量块200及第二支撑梁201产生运动；第二动梳齿阵列2021、2022、1023、1024、1025、1026从左至右布置在第二质量块200的末端，第二定梳齿阵列2041、2042、2043、2044、2045、2046布置在第二质量块200各动梳齿阵列周围；外侧第二定梳齿阵列一2041直接固定在第二定梳齿锚点一2031上，第二定梳齿阵列六2046直接固定在第二定梳齿锚点四2034上，第二定梳齿锚点二2031内有第二定梳齿金属焊盘一2061，第二定梳齿锚点四2034内有第二定梳齿金属焊盘四2064；中间的第二定梳齿阵列2042、2043、2044、2045通过第二定梳齿悬臂203固定在端头第二定梳齿锚点二2032、第二定梳齿锚点三2033中，第二定梳齿锚点二2032内有第二定梳齿金属焊盘三2062，第二定梳齿锚点三2033内有第二定梳齿金属焊盘四2063；第二质量块200前、后、中、左、右各部位布置有x、y方向第二运动限位结构208，各第二质量块锚点204及第二定梳齿锚点2031、2032、2033、2034周围区域为芯片可动结构材料层的第二边框209，第二边框209与各锚点区域并不导通；

所述的第二运动限位结构208布置在第二质量块200前、后、中、左、右各部位，第二质量块200的凸起部分距离第二运动限位结构208凹槽的距离为第二质量块200上布置的动梳齿所允许的沿x、y方向最大运动位移。

第二梳齿阵列组中第二动梳齿阵列2021、2022、2023、2024、2025、2026分别与第二定梳齿阵列2041、2042、2043、2044、2045、2046对应，构成第二差分梳齿电容阵列211、212、213、224、225、226。

变电容面积式结构的第二差分梳齿电容阵列中，初始状态下，第二动梳齿的电极板与相邻第二定梳齿的间距d_o相等，重叠区域对应的长度l_o相等；第二差分梳齿电容阵列211、214、215中的梳齿具有相同的重叠长度变化，第二差分梳齿电容阵列212、213、216中的梳齿的重叠长度变化相同，但其与第二差分梳齿电容阵列211、214、215中的重叠长度变化相反。

实施例3，参照图3(a)-图3(b)，可驱动的变电容间距式多梳齿阵列的MEMS电容式微力传感器结构30、可驱动的变电容面积式多梳齿阵列的MEMS电容式微力传感器结构40，其动梳齿阵列、定梳齿阵列、差分梳齿阵列、探针等与图1中变电容面积式结构或图2中变电容面积式结构类似，不同之处在于：质量块上、下面左、右角处布置有驱动动梳齿阵列3211/4211、3212/4212、3213/4213、3214/4214；同时，边框上布置有对应的驱动定梳齿阵列3221/4221、3222/4222、3223/4223、3224/4224，对应焊盘为3067/4067、3068/4068、3069/4069、30610/40610；驱动定梳齿阵列3221/4221、3222/4222、3223/4223、3224/4224与驱动动梳齿阵列3211/4211、3212/4212、3213/4213、3214/4214构成差分驱动梳齿电容阵列321/421、322/422、323/423、324/424。

传感器结构中各梳齿阵列并不沿其质量块x方向中心对称布置，而偏离质量块中心以一定距离布置在质量块尾部，该偏离位置需要根据质量块、探针、梳齿阵列长度进行确定。

传感器结构可以使用绝缘衬底型硅片(Silicon on Insulator，SOI)制备，质量块、支撑梁使用顶部器件层硅制备，其具有相同材料厚度；边框及锚点不仅具有顶部器件层硅材料，其区域下方存在基底层硅和绝缘层氧化硅材料，能够为质量块、支撑梁的运动提供固支作用；焊盘位于锚点上方，采样金属沉积的方式制备。

本发明的工作原理为：传感器结构10、30受到y方向力加载时，各动梳齿阵列与定梳齿阵列种电容极板之间的间距d₁、d₂、d₃、d₄发生变化，从而改变阵列间的总电容；其中，第一差分梳齿电容阵列111、114、115中的梳齿具有相同的间距变化，第一差分梳齿电容阵列112、113、116中的梳齿的间距变化相同，但其与第一差分梳齿电容阵列111、114、115中的间距变化相反。所述传感器结构20、40受到y方向力加载时，各动梳齿阵列与定梳齿阵列种电容极板之间的重叠区域长度lo发生变化，从而使得动、定梳齿正对面积发生变化，进而改变阵列间的总电容；其中，第二差分梳齿电容阵列211、214、215中的梳齿具有相同的重叠长度变化，第二差分梳齿电容阵列212、213、216中的梳齿的重叠长度变化相同，但其与第二差分梳齿电容阵列211、214、215中的重叠长度变化相反。

所述的多梳齿阵列结构的MEMS电容式微力传感器可以通过布置不同的间距、厚度、长度、数量的梳齿阵列，实现亚nN-μN量级微小力、位移、转角、加速度等惯性信号的精确测量。

参照图4(a)-图4(b)，一种基于多梳齿阵列结构的MEMS电容式微力传感器的去耦合测试方法，定梳齿阵列中具有相同间距/面积变化趋势的阵列进行电气连接，以变间距式可动结构10为例，测试时第一定梳齿阵列1041、1044、1045的第一定梳齿金属焊盘一1061、第一定梳齿金属焊盘三1063彼此通过电气连接施加相同的电势V₁，第一定梳齿阵列1042、1043、106的第一定梳齿金属焊盘二1062、第一定梳齿金属焊盘四1064彼此通过电气连接，并施加电势V₂，第一质量块金属焊盘105施加电势V₃；对于可驱动的多梳齿阵列的MEMS电容式微力传感器结构30、40，驱动定梳齿阵列可以根据需要在焊盘3067、3068、3069、30610(或4067、4068、4069、40610)施加电势V₄，V₅，V₆，V₇，电势V₁、V₂、V₃接入到电容/电压转换电路、电容/频率转换电路、积分微分电路等多种常规电容检测方法进行差分检测。

去耦合测试方法中电势V₄，V₅，V₆，V₇施加相应的交流电压信号，用以调整结构的刚度，从而调整传感器的检测量程。

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种基于多梳齿阵列的MEMS电容式微力传感器，包括通过支撑梁固定在边框上的质量块，质量块、支撑梁悬空，质量块外侧布置有运动限位结构；质量块前端设置有一个凸起的探针，探针受载时能够使质量块及支撑梁产生运动，探针的形状尺寸根据实际应用确定；其特征在于：质量块左、右外侧末端布置有两个动梳齿阵列组，其与固定在边框左、右侧锚点的定梳齿阵列构成差分梳齿电容阵列组；质量块内部末端布置有四个动梳齿阵列组，其与定梳齿悬臂上的定梳齿阵列组构成差分梳齿电容阵列组，定梳齿悬臂通过锚点固定在边框下部；器件受载荷时，位于质量块左外侧梳齿电容阵列与质量块内部且靠右的两个梳齿电容阵列具有相同电容变化，位于质量块右外侧梳齿电容阵列与质量块内部且靠左的两个梳齿电容阵列具有相同电容变化，但其与质量块左外侧梳齿电容阵列、质量块内部且靠右的两个梳齿电容阵列的电容变化相反；所述的质量块由x方向刚度高的支撑梁支撑，y方向为其工作敏感方向，动梳齿阵列组、定梳齿阵列组偏离质量块中心布置在质量块末端，偏离位置根据质量块、探针、梳齿阵列长度进行确定。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述的动梳齿阵列组和定梳齿阵列组配合，每相邻两组动定梳齿阵列构成差分梳齿电容阵列，各差分梳齿电容阵列中，动梳齿的电极板距相邻定梳齿的电极板距离d₁、d₂不相同，其相邻动梳齿的电极板距相邻定梳齿的电极板距离d₃、d₄不相同，在初始状态下，距离d₁＝d₃，距离d₂＝d₄；MEMS电容式微力传感器受到y方向力加载时，各动梳齿阵列与定梳齿阵列中电容极板之间的间距d₁、d₂、d₃、d₄发生变化，从而改变各差分梳齿电容阵列间的总电容。

3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述的动梳齿阵列组和定梳齿阵列组配合，动梳齿阵列分别与定梳齿阵列构成差分梳齿电容阵列，各差分梳齿电容阵列中，初始状态下，动梳齿的电极板与相邻定梳齿的间距d_o相等，重叠区域对应的长度l_o相等；MEMS电容式微力传感器受到y方向力加载时，各动梳齿阵列与定梳齿阵列中电容极板之间的重叠区域长度l_o发生变化，从而使得动、定梳齿正对面积发生变化，进而改变各差分梳齿电容阵列间的总电容。

4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述的质量块和边框的上下部四角处设置有驱动梳齿阵列，其中质量块上布置有驱动动梳齿阵列，边框上布置有与对应的驱动定梳齿阵列，驱动定梳齿阵列与驱动动梳齿阵列构成差分驱动梳齿电容阵列。

5.根据权利要求2、3或4所述的传感器，其特征在于：所述的基于多梳齿阵列的MEMS电容式微力传感器通过布置不同的间距、厚度、长度、数量的动梳齿阵列、定梳齿阵列以及驱动梳齿阵列，实现亚nN-μN量级微小力、位移、转角、加速度的惯性信号的精确测量。

6.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述的MEMS电容式微力传感器使用绝缘衬底型硅片制备，质量块、支撑梁使用顶部器件层硅制备，具有相同材料厚度；边框不仅具有顶部器件层硅材料，其区域下方存在基底层硅和绝缘层氧化硅材料，能够为质量块、支撑梁的运动提供固支作用。

7.权利要求5所述的一种基于多梳齿阵列的MEMS电容式微力传感器的去耦合测试方法，测试中，定梳齿阵列中具有相同间距/面积变化趋势的阵列进行电气连接；测试时定梳齿阵列彼此通过电气连接施加相同的电势V₁，外侧的定梳齿阵列彼此通过电气连接，并施加电势V₂；内侧的定梳齿阵列施加电势V₃，驱动定梳齿阵列根据需要施加电势V₄，V₅，V₆，V₇；电势V₁、V₂、V₃接入到电容/电压转换电路、电容/频率转换电路、积分微分电路的电容检测方法进行差分检测；电势V₄、V₅、V₆、V₇施加相应的交流电压信号，用以调整结构刚度，从而调整传感器的检测量程。