一种基于奇异点的高灵敏度电荷传感器及其使用方法技术

本发明专利技术公开了一种基于奇异点的高灵敏度电荷传感器及其使用方法，包括：耦合谐振器，其置于衬底之上且包括两个呈并排放置的谐振器，其中一个为增益谐振器，另外一个为损耗谐振器，该两个谐振器通过耦合梁串联，并且具有相同的质量、相同的刚度、大小相等但方向相反的阻尼；外部反馈控制电路，其用于调节阻尼使增益谐振器和损耗谐振器的阻尼大小相等方向相反。电荷引入的扰动使得基于奇异点的耦合谐振器由一个谐振频率分裂为两个谐振频率，通过检测两个谐振频率的分裂量即可实现对电荷的检测。测。测。

【技术实现步骤摘要】
一种基于奇异点的高灵敏度电荷传感器及其使用方法


[0001]本专利技术涉及电荷传感器
，特别是涉及一种基于奇异点的高灵敏度电荷传感器及其使用方法。

技术介绍

[0002]电荷传感器在电力、化工、医药、国防建设、航空航天等领域有着广泛的应用，而基于MEMS(Micro Electro Mechanical System)谐振器的电荷传感器由于其体积小、功耗低、易于批量生产等特点得到了更多的关注。在传统的MEMS电荷传感器中，测量电荷的方式通常是通过监测由电荷引起的谐振器刚度、质量等参数变化而导致的谐振频率偏移。然而，传统电荷传感器的精度己难以满足当今科研生产中的应用需求，较低的检测精度已经成为制约电荷传感器发展的主要因素之一。
[0003]奇异点是非厄密系统中本征值和相应本征态同时合并的点。近些年来，在奇异点附近的异常现象逐渐引起科研学者的注意，尤其是奇异点附近对极小敏感的灵敏特性，在超高精度传感器上有重要应用。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于奇异点的高灵敏度电荷传感器及其使用方法。当电荷传感器工作在奇异点附近时，本征频率分裂量对微小电荷的变化具有超高灵敏度，以此来解决目前电荷传感器检测精度低的问题。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种基于奇异点的高灵敏度电荷传感器，该传感器包括：
[0007]衬底；
[0008]耦合谐振器，其置于所述衬底之上且包括两个呈并排放置的谐振器，其中一个为增益谐振器，另外一个为损耗谐振器，该两个谐振器通过耦合梁串联，并且具有相同的质量、相同的刚度、大小相等但方向相反的阻尼；
[0009]外部反馈控制电路，其用于将谐振器的运动信号转化为电信号，其包括第一外部反馈控制电路和第二外部反馈控制电路，其中，该第一外部反馈控制电路与所述增益谐振器连接，用于向该增益谐振器中泵入与该增益谐振器运动速度相位相同的能量，促进该增益谐振器的运动；该第二外部反馈控制电路与所述损耗谐振器连接，用于向该损耗谐振器中泵入与该增益谐振器运动速度相位相反的能量，阻止该损耗谐振器的运动；
[0010]其中，所述的两个谐振器，其均连接有电荷输入电极、电荷感应电极、检测电极和驱动电极；通过调节该电荷传感器参数，使得该电荷传感器初始偏置在奇异点，此时电荷传感器只有一个谐振频率。
[0011]进一步的，所述耦合梁为机械梁，并且设置在两个谐振器的顶端；
[0012]该耦合梁的一侧还正对设置有一调节电极，通过调节该耦合梁与调节电极之间的电压，其产生的静电力，来调节耦合系数。
[0013]进一步的，所述增益谐振器的顶端通过锚区电极固定在衬底上，其末端设置有电荷感应电极，该电荷感应电极通过锚区固定在衬底上；
[0014]所述增益谐振器的电荷输入电极与所述电荷感应电极正对靠近放置；
[0015]所述增益谐振器的驱动电极设置在所述增益谐振器，其远离所述耦合梁的一侧，并且与所述增益谐振器正对靠近放置。
[0016]进一步的，所述的第一外部反馈控制电路，其输入端连接至所述增益谐振器的检测电极，其输出端连接至所述增益谐振器的驱动电极。
[0017]进一步的，所述损耗谐振器的顶端通过锚区电极固定在衬底上，其末端设置有电荷感应电极，该电荷感应电极通过锚区固定在衬底上；
[0018]损耗谐振器的电荷输入电极与所述电荷感应电极正对靠近放置；
[0019]损耗谐振器的驱动电极设置在所述损耗谐振器，其远离所述耦合梁的一侧，并且与所述损耗谐振器正对靠近放置。
[0020]进一步的，所述的第二外部反馈控制电路，其输入端连接至所述损耗谐振器的检测电极，其输出端连接至所述损耗谐振器的驱动电极。
[0021]进一步的，所述的第一外部反馈控制电路以及第二外部反馈控制电路，其均包括：依次连接的输入端、跨阻放大器、带通滤波器、自动增益控制电路、移相器和输出端。
[0022]一种基于奇异点的高灵敏度电荷传感器的使用方法，所述方法包括：将所述高灵敏度电荷传感器置于待检测环境，当有外界电荷输入时，电荷传感器受到扰动偏离初始谐振频率并且分裂为两个谐振频率，通过检测谐振频率的分裂量推导出感应电荷的大小。
[0023]进一步的，当只有所述损耗谐振器接收到外界电荷时，损耗谐振器的刚度受到扰动，电荷传感器的谐振频率分裂，分裂量Δω为
[0024][0025]其中，k
c
为耦合梁的刚度，ω0为增益谐振器和损耗谐振器的固有频率，δ为轴向力对损耗谐振器的刚度k产生的扰动，其中，该轴向力由外界电荷导致输入电极与电荷感应电极之间产生的电势差产生。
[0026]进一步的，当两个谐振器均接收到外界电荷时，两个谐振器的刚度均受到扰动，谐振频率分裂量Δω为：
[0027][0028]本专利技术的有益效果是：
[0029]本专利技术提出的电荷传感器，在微小电荷测量方面比传统电荷传感器拥有更高的测试精度和更高的灵敏度，更适合用于精密测量。
附图说明
[0030]图1为本专利技术提供的一种基于奇异点的高灵敏度电荷传感器的结构示意图；
[0031]图2为本专利技术提供的外部反馈控制电路的结构示意图；
[0032]附图中：
[0033]A
‑
增益谐振器，A1
‑
第一检测电极，A2
‑
第一固定锚区电极，A3
‑
第一驱动电极，A4
‑
第一电荷输入电极，A5
‑
第一固定锚区，A6
‑
第一电荷感应电极；
[0034]B
‑
损耗谐振器，B1
‑
第二检测电极，B2
‑
第二固定锚区电极，B3
‑
第二驱动电极，B4
‑
第二电荷输入电极，B5
‑
第二固定锚区，B6
‑
第二电荷感应电极；
[0035]C
‑
外部反馈控制电路，1
‑
耦合梁，2
‑
耦合调节电极，201
‑
输入端，202
‑
跨阻放大器，203
‑
滤波器，204
‑
自动增益控制电路，205
‑
移相器，206
‑
输出端。
具体实施方式
[0036]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0037]如图1和图2所示，本专利技术提供的一种基于奇异点的高灵敏度电荷传感器，其具体包括：
[003本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于奇异点的高灵敏度电荷传感器，其特征在于，该传感器包括：衬底；耦合谐振器，其置于所述衬底之上且包括两个呈并排放置的谐振器，其中一个为增益谐振器，另外一个为损耗谐振器，该两个谐振器通过耦合梁串联，并且具有相同的质量、相同的刚度、大小相等但方向相反的阻尼；外部反馈控制电路，其用于将谐振器的运动信号转化为电信号，其包括第一外部反馈控制电路和第二外部反馈控制电路，其中，该第一外部反馈控制电路与所述增益谐振器连接，用于向该增益谐振器中泵入与该增益谐振器运动速度相位相同的能量，促进该增益谐振器的运动；该第二外部反馈控制电路与所述损耗谐振器连接，用于向该损耗谐振器中泵入与该增益谐振器运动速度相位相反的能量，阻止该损耗谐振器的运动；其中，所述的两个谐振器，其均连接有电荷输入电极、电荷感应电极、检测电极和驱动电极；通过调节该电荷传感器参数，使得该电荷传感器初始偏置在奇异点，此时电荷传感器只有一个谐振频率。2.根据权利要求1所述的一种基于奇异点的高灵敏度电荷传感器，其特征在于，所述耦合梁为机械梁，并且设置在两个谐振器的顶端；该耦合梁的一侧还正对设置有一调节电极，通过调节该耦合梁与调节电极之间的电压，其产生的静电力，来调节耦合系数。3.根据权利要求1所述的一种基于奇异点的高灵敏度电荷传感器，其特征在于，所述增益谐振器的顶端通过锚区电极固定在衬底上，其末端设置有电荷感应电极，该电荷感应电极通过锚区固定在衬底上；所述增益谐振器的电荷输入电极与所述电荷感应电极正对靠近放置；所述增益谐振器的驱动电极设置在所述增益谐振器，其远离所述耦合梁的一侧，并且与所述增益谐振器正对靠近放置。4.根据权利要求1所述的一种基于奇异点的高灵敏度电荷传感器，其特征在于，所述的第一外部反馈控制电路，其输入端连接至所述增益谐振器的检测电极，其输出端连接至所述增益谐振器的驱动电极。5.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：张曼娜，黄庆安，王立峰，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：