專利名稱：電容式mems器件微弱電容的檢測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及電容式MEMS器件微弱電容的檢測(cè)裝置。
背景技術(shù)：
MEMS (微機(jī)械電子)器件因其具有體積小、能耗低、易于集成和批量生產(chǎn)、成本低等特點(diǎn)，廣泛運(yùn)用于航空航天、生物醫(yī)療、消費(fèi)電子、國(guó)防等領(lǐng)域。根據(jù)檢測(cè)方法的不同，MEMS器件可以分為壓阻式、壓電式、電容式、電磁式。電容式MEMS器件體積小的特點(diǎn)決定了其敏感電容的電容值非常小，一般為pF量級(jí)，而由待測(cè)物理量引起的電容變化量則更加微小，一般為fF量級(jí),甚至是aF量級(jí)。如此小的待測(cè)量決定了微弱電容檢測(cè)電路的重要性，其性能對(duì)于電容式MEMS器件的性能具有 重要的作用。另外，諧振式MEMS器件中還存在驅(qū)動(dòng)端直接耦合到檢測(cè)端的寄生電容，寄生電容的同頻干擾進(jìn)一步增加了微弱電容檢測(cè)的難度。目前，電容式MEMS器件微弱電容檢測(cè)的主要方法有①非調(diào)制方法采用交流信號(hào)加載在被檢測(cè)電容上，通過(guò)多次保持和采樣電路及低通濾波電路獲得檢測(cè)電容的峰值，從而確定微弱電容的大小。這種電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)只能對(duì)靜態(tài)弱電容進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)存在寄生電容時(shí)，難以獲得有效的檢測(cè)信號(hào)。②相關(guān)解調(diào)方法采用了帶有直流偏置的正弦波驅(qū)動(dòng)，模擬乘法器解調(diào)的方法，雖然該方法可以抑制寄生電容對(duì)輸出的干擾，但這種方案只適合于靜態(tài)弱電容檢測(cè)。現(xiàn)存的測(cè)試方法只適用于有寄生電容背景下的靜態(tài)電容測(cè)量，不能滿足諧振式MEMS器件動(dòng)態(tài)微弱電容檢測(cè)的要求。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述背景技術(shù)的不足，提供了電容式MEMS器件微弱電容的檢測(cè)裝置。本實(shí)用新型為解決上述技術(shù)問(wèn)題，采用如下技術(shù)方案電容式MEMS器件微弱電容的檢測(cè)裝置，包括激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器、電荷放大器、隔直放大器、高通濾波器、模擬開(kāi)關(guān)模塊、低通濾波器、調(diào)制方波發(fā)生器，其中所述激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器的輸出端與電容式MEMS器件的驅(qū)動(dòng)端連接，所述調(diào)制方波發(fā)生器的第一輸出端與電容式MEMS器件振梁的一端連接，調(diào)制方波發(fā)生器的第二輸出端與模擬開(kāi)關(guān)模塊的第一輸入端連接，所述電荷放大器的輸入端與電容方式MEMS器件的檢測(cè)端連接后依次與隔直放大器、高通濾波器連接，所述高通濾波器的輸出端與模擬開(kāi)關(guān)模塊的第二輸入端連接，所述模擬快關(guān)模塊的輸出端與低通濾波模塊的輸入端連接，所述低通濾波器的輸出端輸出帶直流偏置的交流電壓信號(hào)。進(jìn)一步的，所述的電容式MEMS器件微弱電容的檢測(cè)裝置中，調(diào)制方波發(fā)生器包括LTC1799芯片、去耦電容、隔直電容、可調(diào)電阻；其中所述去耦電容的正極與LTC1799芯片的正輸入端連接，去耦電容的負(fù)極接地，所述可調(diào)電阻的兩端分別與LTC1799芯片的正輸入端、設(shè)置端連接，所述隔直電容的一端與LTC1799芯片的輸出端連接，隔直電容的另一端輸出調(diào)制方波信號(hào)。進(jìn)一步的，所述的電容式MEMS器件微弱電容的檢測(cè)裝置中，電荷放大器包括0P37芯片、直流偏置電壓源、精密小電容、大阻抗電阻；其中所述直流偏置電壓源與0P37芯片的正輸入 端連接，所述精密小電容的兩端分別與0P37芯片的負(fù)輸入端、輸出端連接；所述大阻抗電阻的兩端分別與0P37芯片的負(fù)輸入端、輸出端連接。進(jìn)一步的，所述的電容式MEMS器件微弱電容的檢測(cè)裝置中，模擬開(kāi)關(guān)模塊包括模擬反相器和MAX4544芯片,所述模擬反相器的輸入端、MAX4544芯片的一個(gè)待調(diào)節(jié)信號(hào)輸入端分別與高通濾波器的輸出端連接，模擬反相器的輸出端與MAX4544芯片的另一個(gè)待調(diào)節(jié)信號(hào)輸入端連接，所述MAX4544芯片的關(guān)斷控制引腳與調(diào)制方波發(fā)生器的輸出端連接。本實(shí)用新型采用上述技術(shù)方案，具有以下有益效果檢測(cè)裝置的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸出響應(yīng)的諧波小，信噪比高，在同頻干擾下同時(shí)測(cè)量動(dòng)靜態(tài)微弱電容以及靜態(tài)電容。

圖I為電容式MEMS器件微弱電容檢測(cè)裝置的原理圖。圖2為調(diào)制方波發(fā)生器的電路原理圖。圖3為電容式MEMS器件的結(jié)構(gòu)圖。圖4為激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器的電路原理圖。圖5為電荷放大器的電路原理圖。圖6為隔直放大器的電路原理圖。圖7為高通濾波器的電路原理圖。圖8為模擬開(kāi)關(guān)模塊的電路原理圖。圖9為低通濾波器的電路原理圖。圖中標(biāo)號(hào)說(shuō)明R1至Rll為第一至第i^一電阻,Cl至ClO為第一電容至第十電容。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明如圖I所示的電容式MEMS器件微弱電容的檢測(cè)裝置，包括激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器、電荷放大器、隔直放大器、高通濾波器、模擬開(kāi)關(guān)模塊、低通濾波器、調(diào)制方波發(fā)生器。激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器的輸出端與電容式MEMS器件的驅(qū)動(dòng)端連接，調(diào)制方波發(fā)生器的第一輸出端與電容式MEMS器件振梁的一端連接,調(diào)制方波發(fā)生器的第二輸出端與模擬開(kāi)關(guān)模塊的第一輸入端連接，電荷放大器的輸入端與電容方式MEMS器件的檢測(cè)端連接后依次與隔直放大器、高通濾波器連接，高通濾波器的輸出端與模擬開(kāi)關(guān)模塊的第二輸入端連接，模擬快關(guān)模塊的輸出端與低通濾波模塊的輸入端連接，低通濾波器的輸出端輸出帶直流偏置的交流電壓信號(hào)。調(diào)制方波發(fā)生器如圖2所示，由小型可編程方波信號(hào)發(fā)生芯片LTC1799和第一、第二電容C1、C2和第一電阻Rl構(gòu)成。第一電阻Rl用來(lái)調(diào)節(jié)輸出方波的頻率，第一電容Cl是電源去耦電容，第二電容C2是隔直電容。A1、A2為圖I所示電容式MEMS器件微弱電容檢測(cè)電路原理圖的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。波信號(hào)發(fā)生芯片LTC1799輸出的方波為有直流偏置的方波。有直流偏置的方波經(jīng)過(guò)隔直電容C2后與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)Al連接，同時(shí)有直流偏置的方波信號(hào)直接與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)A2連接。小型可編程方波信號(hào)發(fā)生芯片LTC1799也可以用其他同功能芯片替代。電容式MEMS器件的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，包括一個(gè)振動(dòng)梁、一個(gè)驅(qū)動(dòng)端和一個(gè)檢測(cè)端。其中振梁采用雙端固定支梁，驅(qū)動(dòng)端和檢測(cè)端相對(duì)振梁均等效為驅(qū)動(dòng)極板和檢測(cè)極板。振梁的一端與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)Al相連，檢測(cè)極板與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)A4相連，驅(qū)動(dòng)極板與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)A3相連。振梁在垂直方向振動(dòng)。激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器如圖4所示，包括交流電壓源AC、直流電壓源DC、第二電阻R2、第三電容C3。直流電壓源DC與第二電阻R2相連，第二電阻R2為限流作用；交流電壓源AC與第三電容C3相連，第三電容C3起隔直作用。激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)A3與圖3中電容式MEMS器件的驅(qū)動(dòng)極板連接。電荷放大器如圖5所示，包括低噪聲精密運(yùn)算放大器0P37、第三電阻R3、第四電容C4和直流偏置電壓源DCl。第四電容C4采用的是精密小電容，第三電阻R3阻值較大。直流偏置電壓源DCl主要是為了通過(guò)調(diào)節(jié)振梁的等效剛度來(lái)改善振梁的諧振頻率。在工藝制造比較理想時(shí)，也可以去掉直流偏置電壓源DC1，0P37的引腳3接地。電荷放大器是輸入端·通過(guò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)A4與圖3所示是電容式MEMS器件檢測(cè)極板連接。隔直放大器如圖6所示，由運(yùn)算放大器AD823和第五電容C5、第四電阻R4、第五電阻R5組成。電容C5隔直，調(diào)節(jié)第四電阻R4和第五電阻R5可以改變隔直放大器的低通濾波截止頻率。隔直放大器的輸入端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)A5與電荷放大器的輸出端連接。高通濾波器如圖7所示，包括運(yùn)算放大器AD823、第六電容C6、第七電容C7、第八電容CS、第六電阻R6、第七電阻R7。所示高通濾波器是一個(gè)典型的二階無(wú)限增益多路負(fù)反饋高通濾波電路，增益可以無(wú)限大，輸出與輸入相位相差180°，可以通過(guò)改變電容和電阻值來(lái)改變截止頻率和相應(yīng)增益大小。高通濾波器的輸入端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)A6與隔直放大器的輸出端連接。模擬開(kāi)關(guān)模塊如圖8所示，由一片模擬開(kāi)關(guān)芯片MAX4544、運(yùn)算放大器AD823、第八電阻R8、第九電阻R9構(gòu)成。運(yùn)算放大器AD823、第八電阻R8、第九電阻R9組成一個(gè)簡(jiǎn)單模擬反相器，第八電阻R8和第九電阻R9選用相同標(biāo)稱阻值和容差的電阻，對(duì)經(jīng)過(guò)模擬反相器一路輸入信號(hào)進(jìn)行反相使得模擬開(kāi)關(guān)在關(guān)斷的過(guò)程中始終有正向解調(diào)信號(hào)輸出。模擬開(kāi)關(guān)MAX4544的引腳I為模擬開(kāi)關(guān)的關(guān)斷控制引腳，關(guān)上導(dǎo)通電阻典型值為33 Q，開(kāi)關(guān)最大時(shí)間值為150ns，遠(yuǎn)小于調(diào)制方波周期。由于采用單電源供電，可以通過(guò)帶有直流偏置的方波來(lái)控制開(kāi)關(guān)的關(guān)斷，MAX4544引腳6通過(guò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)A2與調(diào)制方波發(fā)生器的帶直流偏置的輸出端相連。MAX4544引腳4為一個(gè)待解調(diào)信號(hào)的輸入引腳，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)A7與高通濾波器的輸出端連接。MAX4544引腳5為解調(diào)信號(hào)輸出。由于MAX4544是一個(gè)單刀雙擲模擬開(kāi)關(guān)，該模塊實(shí)現(xiàn)的是全波解調(diào)。低通濾波器如圖9所示，包括運(yùn)算放大器AD823、第九電容C9、第十電容C10、第十電阻R10、第十一電阻R11。該低通濾波器是一個(gè)典型的壓控電壓源低通濾波電路，其幅頻曲線過(guò)渡平緩，不出現(xiàn)“尖峰”。低通濾波器的輸入端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)AS與模擬開(kāi)關(guān)模塊的輸出端連接，低通濾波器的輸出端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)輸出帶直流偏置的正弦交流電壓信號(hào)，即圖I中的VO。低通濾波器輸出的直流偏置電壓反映了電容式MEMS器件靜態(tài)電容的大小，正弦交流電壓信號(hào)則反映了動(dòng)態(tài)電容的大小。[0033]本實(shí)用新型所涉及的電容式MEMS器件微弱電容檢測(cè)裝置的工作原理為激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器差生的激勵(lì)信號(hào)加在電容式MEMS器件的驅(qū)動(dòng)端；調(diào)制方波發(fā)生器輸出的沒(méi)有直流偏置的方波作用在電容式MEMS器件的振梁上，同時(shí)調(diào)制方波發(fā)生器輸出的帶有直流偏置的方波作用在模擬開(kāi)關(guān)模塊的關(guān)斷控制端口 ；電荷放大器對(duì)電容式MEMS器件檢測(cè)端的電荷放大得到檢測(cè)電壓，檢測(cè)端對(duì)應(yīng)的電荷量包括激勵(lì)交流電壓頻率對(duì)應(yīng)的電荷、調(diào)制方波變化電容對(duì)應(yīng)的電荷、調(diào)制方波頻率靜態(tài)電容對(duì)應(yīng)的電荷；隔直放大器對(duì)檢測(cè)電壓的幅值進(jìn)一步放大；高通濾波器濾去MEMS器件檢測(cè)端直接耦合得到電荷對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)；模擬開(kāi)關(guān)模塊調(diào)制高通濾波器的輸出信號(hào)得到直流偏置電壓分量、振梁振動(dòng)頻率對(duì)應(yīng)的電壓分量、調(diào)制方波中的高次諧波分量；低通濾波器根據(jù)振梁振動(dòng)頻率對(duì)應(yīng)的電壓分量(振梁的振動(dòng)幅度和頻率)得到帶有直流偏置的正弦交流電壓信號(hào)。直流偏置電壓大小與檢測(cè)的初始靜態(tài)電容有關(guān)，正弦交流信號(hào)的幅度和頻率與振梁的振動(dòng)幅度和頻率有關(guān)，通過(guò)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)相對(duì)地的電壓信號(hào)就可以獲得對(duì)MEMS諧振式器件電容的檢測(cè)?？梢?jiàn)，本實(shí)用新型涉及的電容式MEMS器件微弱電容檢測(cè)裝置電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電 路實(shí)現(xiàn)方式多，輸出響應(yīng)的諧波小，信噪比高，在同頻干擾下同時(shí)測(cè)量動(dòng)靜態(tài)微弱電容以及靜態(tài)電容。
權(quán)利要求1.電容式MEMS器件微弱電容的檢測(cè)裝置，其特征在于包括激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器、電荷放大器、隔直放大器、高通濾波器、模擬開(kāi)關(guān)模塊、低通濾波器、調(diào)制方波發(fā)生器，其中 所述激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器的輸出端與電容式MEMS器件的驅(qū)動(dòng)端連接，所述調(diào)制方波發(fā)生器的第一輸出端與電容式MEMS器件振梁的一端連接，調(diào)制方波發(fā)生器的第二輸出端與模擬開(kāi)關(guān)模塊的第一輸入端連接，所述電荷放大器的輸入端與電容方式MEMS器件的檢測(cè)端連接后依次與隔直放大器、高通濾波器連接，所述高通濾波器的輸出端與模擬開(kāi)關(guān)模塊的第二輸入端連接，所述模擬快關(guān)模塊的輸出 端與低通濾波模塊的輸入端連接，所述低通濾波器的輸出端輸出帶直流偏置的交流電壓信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電容式MEMS器件微弱電容的檢測(cè)裝置，其特征在于所述調(diào)制方波發(fā)生器包括LTC1799芯片、去耦電容、隔直電容、可調(diào)電阻；其中所述去耦電容的正極與LTC1799芯片的正輸入端連接，去耦電容的負(fù)極接地，所述可調(diào)電阻的兩端分別與LTC1799芯片的正輸入端、設(shè)置端連接，所述隔直電容的一端與LTC1799芯片的輸出端連接，隔直電容的另一端輸出調(diào)制方波信號(hào)。
3..根據(jù)權(quán)利要求I所述的電容式MEMS器件微弱電容的檢測(cè)裝置，其特征在于所述電荷放大器包括0P37芯片、直流偏置電壓源、精密小電容、大阻抗電阻；其中所述直流偏置電壓源與0P37芯片的正輸入端連接，所述精密小電容的兩端分別與0P37芯片的負(fù)輸入端、輸出端連接；所述大阻抗電阻的兩端分別與0P37芯片的負(fù)輸入端、輸出端連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電容式MEMS器件微弱電容的檢測(cè)裝置，其特征在于所述模擬開(kāi)關(guān)模塊包括模擬反相器和MAX4544芯片,所述模擬反相器的輸入端、MAX4544芯片的一個(gè)待調(diào)節(jié)信號(hào)輸入端分別與高通濾波器的輸出端連接，模擬反相器的輸出端與MAX4544芯片的另一個(gè)待調(diào)節(jié)信號(hào)輸入端連接，所述MAX4544芯片的關(guān)斷控制引腳與調(diào)制方波發(fā)生器的輸出端連接。
專利摘要本實(shí)用新型涉及電容式MEMS器件微弱電容的檢測(cè)裝置。所述微弱電容檢測(cè)裝置包括激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器、電荷放大器、隔直放大器、高通濾波器、模擬開(kāi)關(guān)模塊、低通濾波器、調(diào)制方波發(fā)生器。電荷放大器將MEMS器件檢測(cè)端得到的電荷分量轉(zhuǎn)換為檢測(cè)電壓，隔直放大器方法檢測(cè)電壓幅值后，高通濾波器濾去檢測(cè)電壓中由于電容效應(yīng)耦合得到的電壓分量，模擬開(kāi)關(guān)模塊對(duì)處理后的檢測(cè)電壓進(jìn)行解調(diào)得到靜態(tài)電容對(duì)應(yīng)的直流電壓分量，低通濾波器對(duì)模擬開(kāi)關(guān)模塊的輸出信號(hào)低通濾波得到動(dòng)態(tài)電容對(duì)應(yīng)的交流電壓分量。所述電容式MEMS器件微弱電容的檢測(cè)裝置電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸出響應(yīng)的諧波小，信噪比高，在同頻干擾下同時(shí)測(cè)量動(dòng)靜態(tài)微弱電容以及靜態(tài)電容。
文檔編號(hào)G01R27/26GK202502163SQ201220117420
公開(kāi)日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2012年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月27日
發(fā)明者劉恒, 劉清惓, 張加宏, 李敏 申請(qǐng)人:南京信息工程大學(xué)