基于静电刚度调制机理的微型谐振式电荷传感器及其方法技术

本发明专利技术公开了一种基于静电刚度调制机理的微型谐振式电荷传感器及其方法。传感器中设有电荷输入极板、驱动叉指电极、感应叉指电极、振动音叉、锚端和绝缘基底；振动音叉的端点分别与锚端连接；驱动叉指电极的叉指端与振动音叉上的驱动叉指耦合；感应叉指电极的叉指端与振动音叉上的感应叉指耦合；振动音叉上设有极板并与电荷输入极板耦合；锚端、电荷输入极板、驱动叉指电极和感应叉指电极分别固定于绝缘基底上；本发明专利技术基于谐振梁的静电刚度调制机理，具有高电荷检测的灵敏度；通过电荷感应电容的敏感机制增加了谐振的能量传输通道，提高谐振的品质因数和频率稳定性；并且具有器件结构简单，低尺寸功耗成本等优势。

【技术实现步骤摘要】
基于静电刚度调制机理的微型谐振式电荷传感器及其方法
本专利技术属于微机电系统(MEMS)
中的传感器领域，特别是涉及一种基于谐振梁的静电刚度调制机理、具有高灵敏度和频率稳定性的微型谐振式电荷传感器。
技术介绍
电荷传感器具有检测微量电荷的能力，可以广泛的应用于生物、化学和物理领域的带电元素检测，比如测量生物细胞电荷、观察氧化还原反应的化学过程和检测大气中的微细颗粒等等。现有商业化的高端电荷检测设备有Keithley公司的静电计，具有10fC(63000e)的分辨率，分辨率不高同时也受到了应用的限制，比如功耗高、体积大和价格昂贵等。采用微机电系统(MEMS)技术可以很好的克服这些问题，结合与IC工艺的良好兼容性，利用微制造技术可以将传感器集成在一块芯片上，大大减小了传感器的尺寸、功耗和成本，同时能够提高传感器的灵敏度和分辨率。目前，已有的文献中已经报导了性能优越于现有电荷检测设备的电荷传感器，如英国剑桥大学的Joshua.Lee等人【1】设计了基于调制电容机理的电荷检测计达到了10e以下的电荷分辨率；浙江大学的赵久烜等人【2】设计了带有柔性杠杆放大机构的基于谐振梁轴向应力调制机理本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于静电刚度调制机理的微型谐振式电荷传感器，其特征在于设有电荷输入极板、驱动叉指电极、感应叉指电极、振动音叉、锚端和绝缘基底；所设的振动音叉由四个悬臂梁通过短梁机械耦合构成，且短梁轴向两端设有驱动叉指和感应叉指；振动音叉的四个端点分别与锚端连接；驱动叉指电极的叉指端与振动音叉上的驱动叉指耦合形成驱动叉指电容；感应叉指电极的叉指端与振动音叉上的感应叉指耦合形成感应叉指电容；四个悬臂梁上分别设有极板，并分别与电荷输入极板耦合形成电荷感应电容；锚端、电荷输入极板、驱动叉指电极和感应叉指电极分别固定于绝缘基底上；绝缘基底为中间镂空的平板，振动音叉完全位于该镂空区域内；所述的微型谐振式电荷传感器工作...

【技术特征摘要】
1.一种基于静电刚度调制机理的微型谐振式电荷传感器，其特征在于设有电荷输入极板、驱动叉指电极、感应叉指电极、振动音叉、锚端和绝缘基底；所设的振动音叉由四个悬臂梁通过短梁机械耦合构成，且短梁轴向两端设有驱动叉指和感应叉指；振动音叉的四个端点分别与锚端连接；驱动叉指电极的叉指端与振动音叉上的驱动叉指耦合形成驱动叉指电容；感应叉指电极的叉指端与振动音叉上的感应叉指耦合形成感应叉指电容；四个悬臂梁上分别设有极板，并分别与电荷输入极板耦合形成电荷感应电容；锚端、电荷输入极板、驱动叉指电极和感应叉指电极分别固定于绝缘基底上；绝缘基底为中间镂空的平板，振动音叉完全位于该镂空区域内；所述的微型谐振式电荷传感器工作时，在驱动叉指电极处施加偏置电压和正弦交流信号，待测电荷由电荷输入极板输入，检测信号由感应叉指电极输出。2.根据权利要求1所述的基于静电刚度调制机理的微型谐振式电荷传感器，其特征在于所述的驱动叉指电极和感应叉指电极的尺寸设计一致，电极上叉指的数量可为5～100。3.根据权利要求1所述的基于静电刚度调制机理的微型谐振式电荷传感器，其特征在于所述的悬臂梁的长宽比为50～300，悬臂梁的宽度范围为100nm～10um。4.根据权利要求1所述的基于静电刚度调制机理的微型谐振式电荷传感器，其特征在于所述的驱动叉指电容、感应叉指电容的极板间距为50nm～4um。5.根据权利要求1所述的基于静电刚度调制机理的微型谐振式电荷传感器，其特征在于所述的悬臂梁上所设的极板长度可为200nm～100um。6.根据权利要求1所述的基于静电刚度调制机理的微型谐振式电荷传感器，其特征在于所述的电荷感应电容的极板间距可为50nm～4um；...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢金，陈冬阳，赵久烜，徐中贵，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33