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

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微机电系统(MEMS)
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。
技术介绍
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。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。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。
技术实现思路
为了同时获得较高的分辨率和较宽的测量范围，本专利技术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。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是: 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。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。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。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。作为优选，MEMS谐振式电荷传感器材料为单晶硅或多晶硅。本专利技术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: 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； 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。本专利技术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】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； 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； 图3是本专利技术的支撑梁可选结构示意图； 图4是本专利技术的电荷输入等效电路原理； 图5是本专利技术的电路连接图； 图6是本专利技术的控制框图； 图7是本专利技术的测量流程图。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】为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清晰，以下结合附图，对本专利技术进一步详细说明。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。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。本专利技术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。双端固定音叉谐振器4 一端与谐振器固定端I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。微驱动器可动部分13—侧与电荷输入极板9親合形成调节电容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。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，所述的驱动当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
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）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：谢金，赵久烜，倪晟，丁弘，傅立峰，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33