本发明专利技术公开了一种针对ＭＥＭＳ器件微流量流速检测中寄生电容干扰信号的抑制方法是将压电上电极与驱动电源正极相连，压电下电极与驱动电源接地负极相连，可基本避免Ｓｉ－Ｐｔ寄生电容的形成。在实施例中采用本发明专利技术所述寄生电容抑制方法连接屏蔽寄生电容后检测到的方波驱动输出响应信号正负尖脉冲输出响应的峰值从３．９２Ｖ降为０．９６Ｖ，寄生电容得到了有效抑制。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及MEMS器件微流量测量
，更具体的说是涉及一种针对MEMS器件微流量流速检测中寄生电容干扰信号的抑制方法。
技术介绍
MEMS器件是在硅等半导体基底材料上制作而成的微小结构腔体，可形成基于压电、静电、磁致伸缩及热电等效应工作的微传感器和微驱动器，它兼具信号处理功能、对外部世界的感知功能和作用功能，被广泛用作压力传感器、温度传感器、加速度计、微泵、微阀、微开关及药物微喷等多个领域。随着MEMS加工中硅-硅或硅-玻璃键合工艺的不断成熟与发展，推动了MEMS器件微结构的研究，即利用上、下腔体键合构成微结构，其中上腔膜可形成微驱动结构，下腔体内可具有各种能形成射流的槽道结构，上腔膜的振动迫使微腔内的流体沿下腔槽道流动形成微射流，该微射流的流量及流速可由设置于腔体适当位置的检测丝如热敏铂丝来测量。该类MEMS器件在流量传感器、加速度计等方面已有应用，它占用面积很小，使用方便，但容易在检测丝与半导体基底之间形成寄生电容，干扰待测信号的有效输出，甚至导致检测失败。寄生电容的影响随MEMS微腔体结构中电极之间的窄小化以及应用频率的高频化将愈加显著。为能获得更为有效、更精确的检测结果，必须要抑制寄生电容的干扰。MEMS器件流量检测中寄生电容的产生及影响往往取决于基底及检测丝的材料以及信号检测丝的设置位置及设置方式等。目前，有关MEMS微腔体结构流量测量中的寄生电容分析及抑制方法尚未见诸报道。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题提供一种MEMS器件微流量流速检测中寄生电容干扰信号的抑制方法。 本专利技术采用的技术方案一种针对MEMS器件微流量流速检测中寄生电容干扰信号的抑制方法，适于两腔键合的压电驱动硅基微流量传感结构，通过对所述结构中Si-Pt平行板电容分析及其对交变方波驱动的输出响应分析，确定寄生电容产生于两腔键合处的上腔基质硅与检测热敏铂丝之间，找出通过压电驱动电极的适当连接来抑制寄生电容的有效方法，包括下列步骤 a.基于Si-Pt平行板电容分析寄生电容，其计算式为 式中，ε0-真空介电常数， εr-绝缘层SiO2的相对介电常数， d-绝缘层SiO2的厚度，亦即上腔基质硅与热敏检测丝间距， S-热敏铂丝与下腔硅基质间有效正对面积； b.基于等效电路、叠加原理及微分电路分析寄生电容对交变方波驱动的输出响应，寄生电容对交变方波驱动的输出响应Uout为 式中，Udrive-方波输入的驱动电压， τ-电路时间常数τ，可根据下式计算 其中，RPt-热敏检测丝的电阻， R1、R2、R3-输出桥路的三个固定电阻； 通过上述计算可知，所述寄生电容的干扰波形主要由所述电路时间常数τ及驱动方波脉冲宽度T/2的大小决定若τ＞＞T/2，电容器充、放电很慢，驱动电压主要加在热敏电阻两端，则响应波形与驱动源方波很相近；若τ＜＜T/2，电容器充放电很快，故在热敏电阻两端形成正负尖脉冲输出； 针对所述的Si-Pt寄生电容，使压电上电极与驱动电源正极相连，压电下电极与驱动电源接地负极相连，可有效地抑制所述的寄生电容。 本专利技术的有益效果分析可知压电驱动硅基微流量传感结构寄生电容的干扰波形主要由电路的时间常数τ及驱动方波脉冲宽度T/2的大小决定若τ＞＞T/2，电容器充、放电很慢，驱动电压主要加在热敏电阻两端，则响应波形与驱动源方波很相近；若τ＜＜T/2，电容器充放电很快，故在热敏电阻两端形成正负尖脉冲输出。所以，本专利技术将压电上电极与驱动电源正极相连，压电下电极与驱动电源接地负极相连，可基本避免Si-Pt寄生电容的形成，有效抑制寄生电容的影响。 附图说明 图1是压电驱动硅基微流量传感结构示意图及寄生电容的形成示意图； 图2是下腔Si基质-热Pt铂丝平行板电容示意图； 图3是热敏铂丝的形状及尺寸示意图； 图4是寄生电容的形成条件及其等效电路示意图； 图5是寄生电容的等效叠加电路示意图； 图6是寄生电容干扰的方波响应仿真结果示意图； 图7是实测获得的方波输出响应信号图； 图8是寄生电容的抑制方法示意图； 图9是采用抑制连接后的实测方波输出响应信号图。 图1的编号名称对应表 图2的编号名称对应表 图4和图8的编号名称对应表 具体实施例方式 下面通过附图和实施例对本专利技术进一步详细描述，如图1针对压电驱动硅基微流量传感示意结构，其在流量检测过程中的寄生电容干扰产生于上、下两腔键合处，即上腔硅基质4和热敏铂丝6之间所形成的以SiO2为绝缘介质5的平行板寄生电容，所述的Si-Pt平行板电容如图2所示，因此，所述寄生电容计算式为 式中，ε0-真空介电常数； εr-绝缘层SiO2的相对介电常数； d-绝缘层SiO2的厚度； S-热敏铂丝与下腔硅基质间有效正对面积。 根据等效电路、叠加原理及微分电路等，分析所述寄生电容对交变方波驱动的输出响应。获得计算方法中所述的电路时间常数τ为 式中，RPt-热敏铂丝的电阻； R1、R2、R3-输出桥路的三个固定电阻，均取与热敏铂电阻相同的阻值。 计算方法中所述寄生电容对交变方波驱动的输出响应Uout为 式中，Udrive-方波输入的驱动电压。 通过上述计算可知，压电驱动硅基微流量传感示意结构寄生电容的干扰波形主要由所述电路时间常数τ及驱动方波脉冲宽度T/2的大小决定 1、若τ＞＞T/2，电容器充、放电很慢，驱动电压主要加在热敏电阻两端，则响应波形与驱动源方波很相近； 2、若τ＜＜T/2，电容器充放电很快，故在热敏电阻两端形成正负尖脉冲输出。 基于上述分析，本专利技术针对压电驱动硅基微流量传感示意结构流量检测中寄生电容采取的抑制方法如图8所示，是将压电上电极11与驱动电源正极相连，压电下电极12与驱动电源接地负极相连，采用所述连接方法可基本避免Si-Pt寄生电容的形成，有效抑制寄生电容的影响。 实施例 图1用于说明压电驱动硅基微流量传感示意结构的流量检测中寄生电容的产生及区域，该流量传感示意微结构是基于硅-玻璃键合工艺构成的，其中上腔膜的振动采用压电膜片进行驱动，下腔体内具有能形成射流的槽道结构，因与寄生电容分析无关，此处没有给出具体槽道结构。上腔膜的振动迫使微腔内的流体沿下腔槽道流动形成微射流，射流流速的热敏检测铂丝6设置于上、下腔体键合处，其寄生电容主要产生于上、下腔体键合处的上腔基质硅4与检测热敏铂丝6之间，考虑到如下特点 (1)压电驱动的下电极3与上腔硅膜4间无绝缘层，施加于压电片上的交变电压可传导至上腔硅基质中； (2)上腔硅基质4与热敏铂丝6相互平行设置； (3)微传感结构上腔内壁覆有SiO2绝缘涂层5，且绝缘层很薄，仅有 因此，当沿压电片法线方向施加交变驱动电压时，在上、下两腔体键合处，上腔硅基质和热敏铂丝之间可能会形成以SiO2为绝缘介质的平行板寄生电容。图2用于寄生电容的具体分析及计算，其中上腔基质硅8为寄生电容上极板，热敏铂丝10为下极板。则根据平行板电容的定义可知所述压电驱动硅基微流量传感示意结构的寄生电容C为 式中，ε0-真空介电常数； εr-绝缘本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种针对ＭＥＭＳ器件微流量流速检测中寄生电容干扰信号的抑制方法，适于两腔键合的压电驱动硅基微流量传感结构，通过对所述结构中Ｓｉ－Ｐｔ平行板电容分析及其对交变方波驱动的输出响应分析，确定寄生电容产生于两腔键合处的上腔基质硅与检测热敏铂丝之间，找出通过压电驱动电极的适当连接来抑制寄生电容的有效方法，包括下列步骤： ａ．基于Ｓｉ－Ｐｔ平行板电容分析寄生电容，其计算式为： Ｃ＝ε↓［０］×ε↓［ｒ］×Ｓ／ｄ 式中，ε↓［０］－真空介电常数， ε↓［ｒ］－绝缘层ＳｉＯ↓［２］的相对介电常数， ｄ－绝缘层ＳｉＯ↓［２］的厚度，亦即上腔基质硅与热敏检测丝间距， Ｓ－热敏铂丝与下腔硅基质间有效正对面积； ｂ．基于等效电路、叠加原理及微分电路分析寄生电容对交变方波驱动的输出响应，寄生电容对交变方波驱动的输出响应Ｕ↓［ｏｕｔ］为：Ｕ↓［ｏｕｔ］＝１／２×Ｕ↓［ｄｒｉｖｅ］ｅ↑［－ｔ／τ×１０↑［－１０］ 式中，Ｕ↓［ｄｒｉｖｅ］－方波输入的驱动电压， τ－电路时间常数τ，可根据下式计算： ＊＊＊ 其中，Ｒ↓［Ｐｔ］－热敏检测丝的电阻， Ｒ↓［１］、Ｒ↓［２］、Ｒ↓［３］－输出桥路的三个固定电阻； 通过上述计算可知，所述寄生电容的干扰波形主要由所述电路时间常数τ及驱动方波脉冲宽度Ｔ／２的大小决定：若τ＞＞Ｔ／２，电容器充、放电很慢，驱动电压主要加在热敏电阻两端，则响应波形与驱动源方波很相近；若τ＜＜Ｔ／２，电容器充放电很快，故在热敏电阻两端形成正负尖脉冲输出； 针对所述的Ｓｉ－Ｐｔ寄生电容，使压电上电极与驱动电源正极相连，压电下电极与驱动电源接地负极相连，可有效地抑制所述的寄生电容。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：李丽伟，朱荣，周兆英，任建兴，
申请(专利权)人：上海电力学院，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。