高分辨率和宽动态范围的MEMS谐振式电荷传感器及检测方法

摘要

本发明公开了一种高分辨率和宽动态范围的MEMS谐振式电荷传感器及检测方法。它包括微谐振器单元、柔性微杠杆、电荷输入极板和微驱动器四个模块，微谐振器单元一端固定，另一端与柔性微杠杆相连，柔性微杠杆与电荷输入极板间形成小电容值的固定电容，微驱动器与电荷输入极板间形成调节电容，所述的调节电容通过微驱动器的移动实现，微驱动器的移动部分与微谐振器单元共地。在输入电荷量大小不同的情况下，通过反馈控制改变调节电容值的大小，从而使电荷输入极板与柔性微杠杆之间始终保持大小合理的电势差，保证微谐振器单元输出信号强度的同时，避免了电压过高对器件的损坏，实现了高分辨率和宽动态范围的电荷测量。

权利要求

1.一种高分辨率和宽动态范围的MEMS谐振式电荷传感器，其特征在于，双端固定音叉谐振器（4）一端与谐振器固定端（1）相连，并与驱动电极(2)、感应电极(3)相耦合，另一端通过柔性微杠杆输出端（5）与柔性杠杆臂（16）相连，柔性杠杆臂（16）末端两侧末端均设有柔性微杠杆输入端（7），柔性微杠杆支点（6）设置于柔性杠杆臂（16）上；电荷输入极板（9）一侧与柔性微杠杆输入端（7）耦合形成固定电容（8）；微驱动器可动部分（13）一侧与电荷输入极板（9）耦合形成调节电容（10），另一侧设有固定电极（15），中部两侧均设有梳齿状结构，并与驱动梳齿（14）耦合，驱动梳齿（14）与固定梳齿电极（12）相连，微驱动器可动部分（13）的梳齿两侧均设有支撑梁（11），靠近电荷输入极板（9）一侧的支撑梁（11）上设有支撑梁固定端（17）。

2.如权利要求1所述的MEMS谐振式电荷传感器，其特征在于，双端固定音叉谐振器（4）呈上下两个工字型组合结构，所述的驱动电极(2)分别设置于双端固定音叉谐振器（4）两侧，感应电极(3)分别设置于两个工字型结构的四个空腔中。

3.如权利要求1所述的MEMS谐振式电荷传感器，其特征在于，电荷输入极板（9）呈C型结构，其两侧末端与柔性微杠杆输入端（7）相对，电荷输入极板（9）上连接输入电极。

4.如权利要求1所述的MEMS谐振式电荷传感器，其特征在于，微驱动器可动部分（13）一侧与电荷输入极板（9）呈梳齿状耦合。

5.如权利要求1所述的MEMS谐振式电荷传感器，其特征在于，MEMS谐振式电荷传感器材料为单晶硅或多晶硅。

6.一种使用如权利要求1所述MEMS谐振式电荷传感器的电荷检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

谐振器固定端（1）、柔性微杠杆支点（6）、电荷输入极板（9）、固定梳齿电极（12）、支撑梁固定端（17）和固定电极（15）固定于基底；谐振器固定端（1）与固定电极（15）接地；直流偏置电压与交流驱动信号与驱动电极（2）连接，以驱动双端固定音叉谐振器（4）在谐振频率下振动；待测电荷由电荷输入极板（9）输入；感应信号由感应电极（3）输出；控制电压由固定梳齿电极（12）输入，用于控制微驱动器可动部分（13）的位置；

测量时，首先在固定梳齿电极（12）处输入最大的电压，使调节电容（10）处于最大值状态，其次将待测电荷输入到电荷输入极板（9），然后调节固定梳齿电极（12）处的控制电压，使柔性微杠杆输入端（7）与电荷输入极板（9）之间的电势差处于预设范围，最后读取传感器此时的谐振频率和当前控制电压，通过换算获得所需测量的电荷值。

说明书

高分辨率和宽动态范围的MEMS谐振式电荷传感器及检测方法

技术领域

[0001] 本发明属于微机电系统（MEMS）技术领域中的传感器与执行器领域，特别是涉及一种高分辨率和宽动态范围的MEMS谐振式电荷传感器及检测方法。

背景技术

[0002] 电荷传感器在科学研究、工业生产以及日常生活中发挥着巨大的作用，比如在生物医学领域中电荷传感器常常用于检验生化反应发生的速率，而在航空航天领域中则常常被用来检测射线强度，甚至在我们每天使用的手机中也有用到电荷传感器来获取电池的电量信息等等。在众多类型的电荷传感器中MEMS谐振式电荷传感器以其体积小、精度高、CMOS兼容性强等等优点占据了市场中非常重要的一部分。

[0003] 目前谐振式传感器的研究热点主要集中在如何提高器件的检测精度和扩大器件的检测范围这两块领域。对于前者根据理论研究可以发现该类型的传感器的分辨率主要是由材料本身的性质和输入电极的宽度两个因素决定。但是考虑到加工生产与应用方面的实际问题，在现实设计与生产过程中往往采用减小输入电极的宽度的方法来获得较高的分辨率。

[0004] 然而分辨率提高的同时也带来诸多问题，比如量程范围减小、极间电压升高等等。对于这一问题，目前市面上的产品对此没有较好的解决方案,亟需一种具有高分辨率和宽动态范围的MEMS谐振式电荷传感器。

发明内容

[0005] 为了同时获得较高的分辨率和较宽的测量范围，本发明提供了一种高分辨率和宽动态范围的MEMS谐振式电荷传感器及检测方法。

[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

[0007] 一种具有高分辨率和宽动态范围的MEMS谐振式电荷传感器，双端固定音叉谐振器一端与谐振器固定端相连，并与驱动电极、感应电极相耦合，另一端通过柔性微杠杆输出端与柔性杠杆臂相连，柔性杠杆臂末端两侧末端均设有柔性微杠杆输入端，柔性微杠杆支点设置于柔性杠杆臂上；电荷输入极板一侧与柔性微杠杆输入端耦合形成固定电容；微驱动器可动部分一侧与电荷输入极板耦合形成调节电容，另一侧设有固定电极，中部两侧均设有梳齿状结构，并与驱动梳齿耦合，驱动梳齿与固定梳齿电极相连，微驱动器可动部分的梳齿两侧均设有支撑梁，靠近电荷输入极板一侧的支撑梁上设有支撑梁固定端。

[0008] 作为优选，双端固定音叉谐振器呈上下两个工字型组合结构，所述的驱动电极(2)分别设置于双端固定音叉谐振器两侧，感应电极分别设置于两个工字型结构的四个空腔中。

[0009] 作为优选，电荷输入极板呈C型结构，其两侧末端与柔性微杠杆输入端相对，电荷输入极板上连接输入电极。

[0010] 作为优选，微驱动器可动部分一侧与电荷输入极板呈梳齿状耦合。

[0011] 作为优选，MEMS谐振式电荷传感器材料为单晶硅或多晶硅。

[0012] 本发明的另一目的是提供一种使用所述MEMS谐振式电荷传感器的电荷检测方法，包括如下步骤：

[0013] 谐振器固定端、柔性微杠杆支点、电荷输入极板、固定梳齿电极、支撑梁固定端和固定电极固定于基底；谐振器固定端与固定电极接地；直流偏置电压与交流驱动信号与驱动电极连接，以驱动双端固定音叉谐振器在谐振频率下振动；待测电荷由电荷输入极板输入；感应信号由感应电极输出；控制电压由固定梳齿电极输入，用于控制微驱动器可动部分的位置；

[0014] 测量时，首先在固定梳齿电极处输入最大的电压，使调节电容处于最大值状态，将待测电荷输入电荷输入极板，器件中所产生的电压最小，再通过调整固定梳齿电极处的控制电压，使柔性微杠杆输入端与电荷输入极板之间的电势差处于预设值，从而得到足够强度的感应信号。

[0015] 本发明的有益效果是该传感器通过减小输入电极的宽度的方法，使微传感器获得了更高的分辨率，同时微位移执行机构和输入电极之间耦合电容，通过调节该电容的大小调整极间电压的大小以弥补分辨率提高所带来的极间电压过高的影响。同时还具有结构简单，控制方便，容易检测输出信号的特点。

附图说明

[0016] 图1是高分辨率和宽动态范围的MEMS谐振式电荷传感器的立体结构示意图；

[0017] 图2是高分辨率和宽动态范围的MEMS谐振式电荷传感器的平面结构示意图；

[0018] 图3是本发明的支撑梁可选结构示意图；

[0019] 图4是本发明的电荷输入等效电路原理；

[0020] 图5是本发明的电路连接图；

[0021] 图6是本发明的控制框图；

[0022] 图7是本发明的测量流程图。

[0023] 图中：谐振器固定端1、驱动电极2、感应电极3、双端固定音叉谐振器4、柔性微杠杆输出端5、柔性微杠杆支点6、柔性微杠杆输入端7、固定电容8、电荷输入极板9、调节电容10、支撑梁11、固定梳齿电极12、微驱动器可动部分13、驱动梳齿14、固定电极15、柔性杠杆臂16和支撑梁固定端17。

具体实施方式

[0024] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，以下结合附图，对本发明进一步详细说明。下述优选实施方式中如果没有进行限定或者存在冲突之外，均可进行组合。

[0025] 如图1和2所示，一种具有高分辨率和宽动态范围的MEMS谐振式电荷传感器，包括：谐振器固定端1、驱动电极2、感应电极3、双端固定音叉谐振器4、柔性微杠杆输出端5、柔性微杠杆支点6、柔性微杠杆输入端7、固定电容8、电荷输入极板9、调节电容10、支撑梁11、固定梳齿电极12、微驱动器可动部分13、驱动梳齿14、固定电极15、柔性杠杆臂16和支撑梁固定端17。本发明的传感器通过在驱动电极2上施加一定频率的驱动电压，使双端固定音叉谐振器4产生一定频率的谐振，用以检测电荷。

[0026] 双端固定音叉谐振器4一端与谐振器固定端1相连，并与驱动电极2、感应电极3相耦合，另一端通过柔性微杠杆输出端5与柔性杠杆臂16相连，柔性杠杆臂16末端两侧末端均设有柔性微杠杆输入端7，柔性微杠杆支点6设置于柔性杠杆臂16上；电荷输入极板9一侧与柔性微杠杆输入端7耦合形成固定电容8。其中柔性杠杆臂16对称布置，相互抵消沿柔性杠杆臂方向产生的力，柔性杠杆用于放大由电荷输入引起的静电力。当输入电荷时，由于受到静电力的作用，柔性微杠杆输入端7处输入一个力，由杠杆的放大后传递给微谐振器。

[0027] 微驱动器可动部分13一侧与电荷输入极板9耦合形成调节电容10，另一侧设有固定电极15，中部两侧均设有梳齿状结构，并与驱动梳齿14耦合，驱动梳齿14与固定梳齿电极12相连，微驱动器可动部分13的梳齿两侧均设有支撑梁11，靠近电荷输入极板9一侧的支撑梁11上设有支撑梁固定端17。当固定梳齿电极12输入一定大小的电压时，在微驱动器可动部分13和驱动梳齿14间会产生一定的静电力并与支撑梁11形成平衡，产生一定的位移，进而改变调节电容10的大小。靠近电荷输入极板9一侧的支撑梁11可有多种实现方式，除图1和图2所示的方案之外，如图3所示的A、B为另两种方式。

[0028] 作为双端固定音叉谐振器4的一种优选实施方式，双端固定音叉谐振器4呈上下两个工字型组合结构，所述的驱动电极2分别设置于双端固定音叉谐振器4两侧，感应电极3分别设置于两个工字型结构的四个空腔中。

[0029] 作为电荷输入极板9的一种优选实施方式，电荷输入极板9呈C型结构，其两侧末端与柔性微杠杆输入端7相对，电荷输入极板9上连接输入电极。

[0030] 作为一种优选实施方式，微驱动器可动部分13一侧与电荷输入极板9呈梳齿状耦合。

[0031] 作为一种优选实施方式，MEMS谐振式电荷传感器材料为单晶硅或多晶硅。

[0032] 传感器的等效电路原理：

[0033] 如图4所示，器件电荷输入端等效电路端口，其中8为固定电容，10为调节电容。当器件所接受的电荷量一定时，可以认为等效电容8和10上所带的电荷总数是一样的，此时调节固定梳齿电极12上的电压差，即可改变调节电容10的大小，从而改变器件内部的电压。由于控制电压与电容值在实验中表现出一一对应的关系，所以此时通过一定的计算可以获得电荷的数量。

[0034] 传感器的控制方法：

[0035] 1）按照图5所示电路连接方式连接电路。

[0036] 2）按照图6所示框图，构建控制系统。其中谐振电路m能够捕捉并跟踪器件的固有频率，输出的电流信号经过跨阻放大器e变成了电压信号通过滤波器滤掉高频杂波后将信号输入到单片机i中，单片机获取输入的频率，与标准频段进行对比，并且恰当地控制输出二进制通过DACk转换为电压信号通过MEMS电荷传感器c的固定梳齿电极12以调整电荷传感器内部的电荷分布，使传感器所产生的电压与输出的谐振频率均在一个合适的水平。

[0037] 3）测量流程如图7所示。第一步：按照上述要求完成系统连接；第二步：需要释放电荷并将调节电容10最大值；第三步：加入待测电荷，系统通过闭环控制调节电容10的大小使系统内的电压和输出的谐振频率均处于合适的范围；第四步：将电荷传感器输出的频率和当前调节电容10的电容值经过换算即可获得所需要测量的电荷量。

[0038] 一种使用所述MEMS谐振式电荷传感器的电荷检测方法，包括如下步骤：

[0039] 谐振器固定端1、柔性微杠杆支点6、电荷输入极板9、固定梳齿电极12、支撑梁固定端17和固定电极15固定于基底；谐振器固定端1与固定电极15接地；直流偏置电压与交流驱动信号与驱动电极2连接，以驱动双端固定音叉谐振器4在谐振频率下振动；待测电荷由电荷输入极板9输入；感应信号由感应电极3输出；控制电压由固定梳齿电极12输入，用于控制微驱动器可动部分13的位置；

[0040] 当电荷输入到电荷输入极板9时，在固定电容8和调节电容10之间形成电势差，根据公式V=Q/C，改变调节电容10的大小，会改变柔性微杠杆输入端7与电荷输入极板9之间的电势差。

[0041] 测量的初期在固定梳齿电极12处输入最大的电压，使调节电容10处于最大值状态，将待测电荷输入电荷输入极板9，器件中所产生的电压最小，再通过调整固定梳齿电极12处的控制电压，使柔性微杠杆输入端7与电荷输入极板9之间的电势差处于预设值，从而得到足够强度的感应信号。

[0042] 本发明所述传感器创新点在于能够调整器件的动态测量范围以获得在同等条件下较高的测量精度。所述电荷传感器的结构材料是单晶硅或多晶硅，可以基于多种加工工艺，如利用SOI（Silicon on Insulator）晶片作为衬底，在一片晶片上完成电荷传感器的结构层，降低生产成本，制作流程简单。