电容式MEMS器件微弱电容的检测装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术涉及电容式MEMS器件微弱电容的检测装置。所述微弱电容检测装置包括激励信号发生器、电荷放大器、隔直放大器、高通滤波器、模拟开关模块、低通滤波器、调制方波发生器。电荷放大器将MEMS器件检测端得到的电荷分量转换为检测电压，隔直放大器方法检测电压幅值后，高通滤波器滤去检测电压中由于电容效应耦合得到的电压分量，模拟开关模块对处理后的检测电压进行解调得到静态电容对应的直流电压分量，低通滤波器对模拟开关模块的输出信号低通滤波得到动态电容对应的交流电压分量。所述电容式MEMS器件微弱电容的检测装置：电路结构简单，输出响应的谐波小，信噪比高，在同频干扰下同时测量动静态微弱电容以及静态电容。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及电容式MEMS器件微弱电容的检测装置。
技术介绍
MEMS (微机械电子)器件因其具有体积小、能耗低、易于集成和批量生产、成本低等特点，广泛运用于航空航天、生物医疗、消费电子、国防等领域。根据检测方法的不同，MEMS器件可以分为压阻式、压电式、电容式、电磁式。电容式MEMS器件体积小的特点决定了其敏感电容的电容值非常小，一般为pF量级，而由待测物理量引起的电容变化量则更加微小，一般为fF量级,甚至是aF量级。如此小的待测量决定了微弱电容检测电路的重要性，其性能对于电容式MEMS器件的性能具有 重要的作用。另外，谐振式MEMS器件中还存在驱动端直接耦合到检测端的寄生电容，寄生电容的同频干扰进一步增加了微弱电容检测的难度。目前，电容式MEMS器件微弱电容检测的主要方法有①非调制方法采用交流信号加载在被检测电容上，通过多次保持和采样电路及低通滤波电路获得检测电容的峰值，从而确定微弱电容的大小。这种电路结构复杂，同时只能对静态弱电容进行检测。当存在寄生电容时，难以获得有效的检测信号。②相关解调方法采用了带有直流偏置的正弦波驱动，模拟乘法器解调的方法，虽然该方法可以抑制寄生电容对输出的干扰，但这种方案只适合于静态弱电容检测。现存的测试方法只适用于有寄生电容背景下的静态电容测量，不能满足谐振式MEMS器件动态微弱电容检测的要求。
技术实现思路
本技术所要解决的技术问题是针对上述
技术介绍
的不足，提供了电容式MEMS器件微弱电容的检测装置。本技术为解决上述技术问题，采用如下技术方案电容式MEMS器件微弱电容的检测装置，包括激励信号发生器、电荷放大器、隔直放大器、高通滤波器、模拟开关模块、低通滤波器、调制方波发生器，其中所述激励信号发生器的输出端与电容式MEMS器件的驱动端连接，所述调制方波发生器的第一输出端与电容式MEMS器件振梁的一端连接，调制方波发生器的第二输出端与模拟开关模块的第一输入端连接，所述电荷放大器的输入端与电容方式MEMS器件的检测端连接后依次与隔直放大器、高通滤波器连接，所述高通滤波器的输出端与模拟开关模块的第二输入端连接，所述模拟快关模块的输出端与低通滤波模块的输入端连接，所述低通滤波器的输出端输出带直流偏置的交流电压信号。进一步的，所述的电容式MEMS器件微弱电容的检测装置中，调制方波发生器包括LTC1799芯片、去耦电容、隔直电容、可调电阻；其中所述去耦电容的正极与LTC1799芯片的正输入端连接，去耦电容的负极接地，所述可调电阻的两端分别与LTC1799芯片的正输入端、设置端连接，所述隔直电容的一端与LTC1799芯片的输出端连接，隔直电容的另一端输出调制方波信号。进一步的，所述的电容式MEMS器件微弱电容的检测装置中，电荷放大器包括0P37芯片、直流偏置电压源、精密小电容、大阻抗电阻；其中所述直流偏置电压源与0P37芯片的正输入 端连接，所述精密小电容的两端分别与0P37芯片的负输入端、输出端连接；所述大阻抗电阻的两端分别与0P37芯片的负输入端、输出端连接。进一步的，所述的电容式MEMS器件微弱电容的检测装置中，模拟开关模块包括模拟反相器和MAX4544芯片,所述模拟反相器的输入端、MAX4544芯片的一个待调节信号输入端分别与高通滤波器的输出端连接，模拟反相器的输出端与MAX4544芯片的另一个待调节信号输入端连接，所述MAX4544芯片的关断控制引脚与调制方波发生器的输出端连接。本技术采用上述技术方案，具有以下有益效果检测装置的电路结构简单，输出响应的谐波小，信噪比高，在同频干扰下同时测量动静态微弱电容以及静态电容。附图说明图I为电容式MEMS器件微弱电容检测装置的原理图。图2为调制方波发生器的电路原理图。图3为电容式MEMS器件的结构图。图4为激励信号发生器的电路原理图。图5为电荷放大器的电路原理图。图6为隔直放大器的电路原理图。图7为高通滤波器的电路原理图。图8为模拟开关模块的电路原理图。图9为低通滤波器的电路原理图。图中标号说明R1至Rll为第一至第i^一电阻,Cl至ClO为第一电容至第十电容。具体实施方式以下结合附图对本技术的技术方案进行详细说明如图I所示的电容式MEMS器件微弱电容的检测装置，包括激励信号发生器、电荷放大器、隔直放大器、高通滤波器、模拟开关模块、低通滤波器、调制方波发生器。激励信号发生器的输出端与电容式MEMS器件的驱动端连接，调制方波发生器的第一输出端与电容式MEMS器件振梁的一端连接,调制方波发生器的第二输出端与模拟开关模块的第一输入端连接，电荷放大器的输入端与电容方式MEMS器件的检测端连接后依次与隔直放大器、高通滤波器连接，高通滤波器的输出端与模拟开关模块的第二输入端连接，模拟快关模块的输出端与低通滤波模块的输入端连接，低通滤波器的输出端输出带直流偏置的交流电压信号。调制方波发生器如图2所示，由小型可编程方波信号发生芯片LTC1799和第一、第二电容C1、C2和第一电阻Rl构成。第一电阻Rl用来调节输出方波的频率，第一电容Cl是电源去耦电容，第二电容C2是隔直电容。A1、A2为图I所示电容式MEMS器件微弱电容检测电路原理图的网络节点。波信号发生芯片LTC1799输出的方波为有直流偏置的方波。有直流偏置的方波经过隔直电容C2后与网络节点Al连接，同时有直流偏置的方波信号直接与网络节点A2连接。小型可编程方波信号发生芯片LTC1799也可以用其他同功能芯片替代。电容式MEMS器件的结构图如图3所示，包括一个振动梁、一个驱动端和一个检测端。其中振梁采用双端固定支梁，驱动端和检测端相对振梁均等效为驱动极板和检测极板。振梁的一端与网络节点Al相连，检测极板与网络节点A4相连，驱动极板与网络节点A3相连。振梁在垂直方向振动。激励信号发生器如图4所示，包括交流电压源AC、直流电压源DC、第二电阻R2、第三电容C3。直流电压源DC与第二电阻R2相连，第二电阻R2为限流作用；交流电压源AC与第三电容C3相连，第三电容C3起隔直作用。激励信号发生器通过网络节点A3与图3中电容式MEMS器件的驱动极板连接。电荷放大器如图5所示，包括低噪声精密运算放大器0P37、第三电阻R3、第四电容C4和直流偏置电压源DCl。第四电容C4采用的是精密小电容，第三电阻R3阻值较大。直流偏置电压源DCl主要是为了通过调节振梁的等效刚度来改善振梁的谐振频率。在工艺制造比较理想时，也可以去掉直流偏置电压源DC1，0P37的引脚3接地。电荷放大器是输入端·通过网络节点A4与图3所示是电容式MEMS器件检测极板连接。隔直放大器如图6所示，由运算放大器AD823和第五电容C5、第四电阻R4、第五电阻R5组成。电容C5隔直，调节第四电阻R4和第五电阻R5可以改变隔直放大器的低通滤波截止频率。隔直放大器的输入端通过网络节点A5与电荷放大器的输出端连接。高通滤波器如图7所示，包括运算放大器AD823、第六电容C6、第七电容C7、第八电容CS、第六电阻R6、第七电阻R7。所示高通滤波器是一个典型的二阶无限增益多路负反馈高通滤波电路，增益可以无限大，输出与输入相位相差180°，可以通过改变电容和电阻值来改变截止频率和相应增益大小。高通滤波器的输入端通过网络节点A6与隔本文档来自技高网...

【技术保护点】
电容式MEMS器件微弱电容的检测装置，其特征在于包括：激励信号发生器、电荷放大器、隔直放大器、高通滤波器、模拟开关模块、低通滤波器、调制方波发生器，其中：所述激励信号发生器的输出端与电容式MEMS器件的驱动端连接，所述调制方波发生器的第一输出端与电容式MEMS器件振梁的一端连接，调制方波发生器的第二输出端与模拟开关模块的第一输入端连接，所述电荷放大器的输入端与电容方式MEMS器件的检测端连接后依次与隔直放大器、高通滤波器连接，所述高通滤波器的输出端与模拟开关模块的第二输入端连接，所述模拟快关模块的输出端与低通滤波模块的输入端连接，所述低通滤波器的输出端输出带直流偏置的交流电压信号。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘恒，刘清惓，张加宏，李敏，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：实用新型
国别省市：