CN202502163U

CN202502163U - 电容式mems器件微弱电容的检测装置

Info

Publication number: CN202502163U
Application number: CN2012201174204U
Authority: CN
Inventors: 刘恒; 刘清惓; 张加宏; 李敏
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Priority date: 2012-03-27
Filing date: 2012-03-27
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2022-03-27

Abstract

本实用新型涉及电容式MEMS器件微弱电容的检测装置。所述微弱电容检测装置包括激励信号发生器、电荷放大器、隔直放大器、高通滤波器、模拟开关模块、低通滤波器、调制方波发生器。电荷放大器将MEMS器件检测端得到的电荷分量转换为检测电压，隔直放大器方法检测电压幅值后，高通滤波器滤去检测电压中由于电容效应耦合得到的电压分量，模拟开关模块对处理后的检测电压进行解调得到静态电容对应的直流电压分量，低通滤波器对模拟开关模块的输出信号低通滤波得到动态电容对应的交流电压分量。所述电容式MEMS器件微弱电容的检测装置：电路结构简单，输出响应的谐波小，信噪比高，在同频干扰下同时测量动静态微弱电容以及静态电容。

Description

电容式MEMS器件微弱电容的检测装置

技术领域

本实用新型涉及电容式MEMS器件微弱电容的检测装置。

背景技术

MEMS（微机械电子）器件因其具有体积小、能耗低、易于集成和批量生产、成本低等特点，广泛运用于航空航天、生物医疗、消费电子、国防等领域。根据检测方法的不同，MEMS器件可以分为压阻式、压电式、电容式、电磁式。

电容式MEMS器件体积小的特点决定了其敏感电容的电容值非常小，一般为pF量级，而由待测物理量引起的电容变化量则更加微小，一般为fF量级，甚至是aF量级。如此小的待测量决定了微弱电容检测电路的重要性，其性能对于电容式MEMS器件的性能具有重要的作用。另外，谐振式MEMS器件中还存在驱动端直接耦合到检测端的寄生电容，寄生电容的同频干扰进一步增加了微弱电容检测的难度。

目前，电容式MEMS器件微弱电容检测的主要方法有：① 非调制方法：采用交流信号加载在被检测电容上，通过多次保持和采样电路及低通滤波电路获得检测电容的峰值，从而确定微弱电容的大小。这种电路结构复杂，同时只能对静态弱电容进行检测。当存在寄生电容时，难以获得有效的检测信号。② 相关解调方法：采用了带有直流偏置的正弦波驱动，模拟乘法器解调的方法，虽然该方法可以抑制寄生电容对输出的干扰，但这种方案只适合于静态弱电容检测。现存的测试方法只适用于有寄生电容背景下的静态电容测量，不能满足谐振式MEMS器件动态微弱电容检测的要求。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了电容式MEMS器件微弱电容的检测装置。

本实用新型为解决上述技术问题，采用如下技术方案：

电容式MEMS器件微弱电容的检测装置，包括：激励信号发生器、电荷放大器、隔直放大器、高通滤波器、模拟开关模块、低通滤波器、调制方波发生器，其中：

所述激励信号发生器的输出端与电容式MEMS器件的驱动端连接，所述调制方波发生器的第一输出端与电容式MEMS器件振梁的一端连接，调制方波发生器的第二输出端与模拟开关模块的第一输入端连接，所述电荷放大器的输入端与电容方式MEMS器件的检测端连接后依次与隔直放大器、高通滤波器连接，所述高通滤波器的输出端与模拟开关模块的第二输入端连接，所述模拟快关模块的输出端与低通滤波模块的输入端连接，所述低通滤波器的输出端输出带直流偏置的交流电压信号。

进一步的，所述的电容式MEMS器件微弱电容的检测装置中，调制方波发生器包括：LTC1799芯片、去耦电容、隔直电容、可调电阻；其中：所述去耦电容的正极与LTC1799芯片的正输入端连接，去耦电容的负极接地，所述可调电阻的两端分别与LTC1799芯片的正输入端、设置端连接，所述隔直电容的一端与LTC1799芯片的输出端连接，隔直电容的另一端输出调制方波信号。

进一步的，所述的电容式MEMS器件微弱电容的检测装置中，电荷放大器包括：OP37芯片、直流偏置电压源、精密小电容、大阻抗电阻；其中：所述直流偏置电压源与OP37芯片的正输入端连接，所述精密小电容的两端分别与OP37芯片的负输入端、输出端连接；所述大阻抗电阻的两端分别与OP37芯片的负输入端、输出端连接。

进一步的，所述的电容式MEMS器件微弱电容的检测装置中，模拟开关模块包括：模拟反相器和MAX4544芯片，所述模拟反相器的输入端、MAX4544芯片的一个待调节信号输入端分别与高通滤波器的输出端连接，模拟反相器的输出端与MAX4544芯片的另一个待调节信号输入端连接，所述MAX4544芯片的关断控制引脚与调制方波发生器的输出端连接。

本实用新型采用上述技术方案，具有以下有益效果：检测装置的电路结构简单，输出响应的谐波小，信噪比高，在同频干扰下同时测量动静态微弱电容以及静态电容。

附图说明

图1 为电容式MEMS器件微弱电容检测装置的原理图。

图2 为调制方波发生器的电路原理图。

图3 为电容式MEMS器件的结构图。

图4 为激励信号发生器的电路原理图。

图5 为电荷放大器的电路原理图。

图6 为隔直放大器的电路原理图。

图7 为高通滤波器的电路原理图。

图8 为模拟开关模块的电路原理图。

图9 为低通滤波器的电路原理图。

图中标号说明：R1至R11为第一至第十一电阻，C1至C10为第一电容至第十电容。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案进行详细说明：

如图1所示的电容式MEMS器件微弱电容的检测装置，包括激励信号发生器、电荷放大器、隔直放大器、高通滤波器、模拟开关模块、低通滤波器、调制方波发生器。激励信号发生器的输出端与电容式MEMS器件的驱动端连接，调制方波发生器的第一输出端与电容式MEMS器件振梁的一端连接，调制方波发生器的第二输出端与模拟开关模块的第一输入端连接，电荷放大器的输入端与电容方式MEMS器件的检测端连接后依次与隔直放大器、高通滤波器连接，高通滤波器的输出端与模拟开关模块的第二输入端连接，模拟快关模块的输出端与低通滤波模块的输入端连接，低通滤波器的输出端输出带直流偏置的交流电压信号。

调制方波发生器如图2所示，由小型可编程方波信号发生芯片LTC1799和第一、第二电容C1、C2和第一电阻R1构成。第一电阻R1用来调节输出方波的频率，第一电容C1是电源去耦电容，第二电容C2是隔直电容。A1、A2为图1所示电容式MEMS器件微弱电容检测电路原理图的网络节点。波信号发生芯片LTC1799输出的方波为有直流偏置的方波。有直流偏置的方波经过隔直电容C2后与网络节点A1连接，同时有直流偏置的方波信号直接与网络节点A2连接。小型可编程方波信号发生芯片LTC1799也可以用其他同功能芯片替代。

电容式MEMS器件的结构图如图3所示，包括一个振动梁、一个驱动端和一个检测端。其中振梁采用双端固定支梁，驱动端和检测端相对振梁均等效为驱动极板和检测极板。振梁的一端与网络节点A1相连，检测极板与网络节点A4相连，驱动极板与网络节点A3相连。振梁在垂直方向振动。

激励信号发生器如图4所示，包括交流电压源AC、直流电压源DC、第二电阻R2、第三电容C3。直流电压源DC与第二电阻R2相连，第二电阻R2为限流作用；交流电压源AC与第三电容C3相连，第三电容C3起隔直作用。激励信号发生器通过网络节点A3与图3中电容式MEMS器件的驱动极板连接。

电荷放大器如图5所示，包括低噪声精密运算放大器OP37、第三电阻R3、第四电容C4和直流偏置电压源DC1。第四电容C4采用的是精密小电容，第三电阻R3阻值较大。直流偏置电压源DC1主要是为了通过调节振梁的等效刚度来改善振梁的谐振频率。在工艺制造比较理想时，也可以去掉直流偏置电压源DC1，OP37的引脚3接地。电荷放大器是输入端通过网络节点A4与图3所示是电容式MEMS器件检测极板连接。

隔直放大器如图6所示，由运算放大器AD823和第五电容C5、第四电阻R4、第五电阻R5组成。电容C5隔直，调节第四电阻R4和第五电阻R5可以改变隔直放大器的低通滤波截止频率。隔直放大器的输入端通过网络节点A5与电荷放大器的输出端连接。

高通滤波器如图7所示，包括运算放大器AD823、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8、第六电阻R6、第七电阻R7。所示高通滤波器是一个典型的二阶无限增益多路负反馈高通滤波电路，增益可以无限大，输出与输入相位相差180⁰，可以通过改变电容和电阻值来改变截止频率和相应增益大小。高通滤波器的输入端通过网络节点A6与隔直放大器的输出端连接。

模拟开关模块如图8所示，由一片模拟开关芯片MAX4544、运算放大器AD823、第八电阻R8、第九电阻R9构成。运算放大器AD823、第八电阻R8、第九电阻R9组成一个简单模拟反相器，第八电阻R8和第九电阻R9选用相同标称阻值和容差的电阻，对经过模拟反相器一路输入信号进行反相使得模拟开关在关断的过程中始终有正向解调信号输出。模拟开关MAX4544的引脚1为模拟开关的关断控制引脚，关上导通电阻典型值为33Ω，开关最大时间值为150ns，远小于调制方波周期。由于采用单电源供电，可以通过带有直流偏置的方波来控制开关的关断，MAX4544引脚6通过网络节点A2与调制方波发生器的带直流偏置的输出端相连。MAX4544引脚4为一个待解调信号的输入引脚，通过网络节点A7与高通滤波器的输出端连接。MAX4544引脚5为解调信号输出。由于MAX4544是一个单刀双掷模拟开关，该模块实现的是全波解调。

低通滤波器如图9所示，包括运算放大器AD823、第九电容C9、第十电容C10、第十电阻R10、第十一电阻R11。该低通滤波器是一个典型的压控电压源低通滤波电路，其幅频曲线过渡平缓，不出现“尖峰”。低通滤波器的输入端通过网络节点A8与模拟开关模块的输出端连接，低通滤波器的输出端通过网络节点输出带直流偏置的正弦交流电压信号，即图1中的V0。低通滤波器输出的直流偏置电压反映了电容式MEMS器件静态电容的大小，正弦交流电压信号则反映了动态电容的大小。

本实用新型所涉及的电容式MEMS器件微弱电容检测装置的工作原理为：激励信号发生器差生的激励信号加在电容式MEMS器件的驱动端；调制方波发生器输出的没有直流偏置的方波作用在电容式MEMS器件的振梁上，同时调制方波发生器输出的带有直流偏置的方波作用在模拟开关模块的关断控制端口；电荷放大器对电容式MEMS器件检测端的电荷放大得到检测电压，检测端对应的电荷量包括激励交流电压频率对应的电荷、调制方波变化电容对应的电荷、调制方波频率静态电容对应的电荷；隔直放大器对检测电压的幅值进一步放大；高通滤波器滤去MEMS器件检测端直接耦合得到电荷对应的电压信号；模拟开关模块调制高通滤波器的输出信号得到：直流偏置电压分量、振梁振动频率对应的电压分量、调制方波中的高次谐波分量；低通滤波器根据振梁振动频率对应的电压分量（振梁的振动幅度和频率）得到带有直流偏置的正弦交流电压信号。直流偏置电压大小与检测的初始静态电容有关，正弦交流信号的幅度和频率与振梁的振动幅度和频率有关，通过测试网络节点相对地的电压信号就可以获得对MEMS谐振式器件电容的检测。

可见，本实用新型涉及的电容式MEMS器件微弱电容检测装置：电路结构简单，电路实现方式多，输出响应的谐波小，信噪比高，在同频干扰下同时测量动静态微弱电容以及静态电容。

Claims

1.电容式MEMS器件微弱电容的检测装置，其特征在于包括：激励信号发生器、电荷放大器、隔直放大器、高通滤波器、模拟开关模块、低通滤波器、调制方波发生器，其中：

2.根据权利要求1所述的电容式MEMS器件微弱电容的检测装置，其特征在于所述调制方波发生器包括：LTC1799芯片、去耦电容、隔直电容、可调电阻；其中：所述去耦电容的正极与LTC1799芯片的正输入端连接，去耦电容的负极接地，所述可调电阻的两端分别与LTC1799芯片的正输入端、设置端连接，所述隔直电容的一端与LTC1799芯片的输出端连接，隔直电容的另一端输出调制方波信号。

3..根据权利要求1所述的电容式MEMS器件微弱电容的检测装置，其特征在于所述电荷放大器包括：OP37芯片、直流偏置电压源、精密小电容、大阻抗电阻；其中：所述直流偏置电压源与OP37芯片的正输入端连接，所述精密小电容的两端分别与OP37芯片的负输入端、输出端连接；所述大阻抗电阻的两端分别与OP37芯片的负输入端、输出端连接。

4.根据权利要求1所述的电容式MEMS器件微弱电容的检测装置，其特征在于所述模拟开关模块包括：模拟反相器和MAX4544芯片，所述模拟反相器的输入端、MAX4544芯片的一个待调节信号输入端分别与高通滤波器的输出端连接，模拟反相器的输出端与MAX4544芯片的另一个待调节信号输入端连接，所述MAX4544芯片的关断控制引脚与调制方波发生器的输出端连接。