一種帶有柔性杠桿的mems諧振式電荷傳感器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種帶有柔性杠桿的MEMS諧振式電荷傳感器。它包括錨點(diǎn)、雙端固定音叉諧振單元、驅(qū)動電極、感應(yīng)電極、兩個(gè)柔性杠桿、電荷輸入端，雙端固定音叉諧振單元的一端與錨點(diǎn)相連，另一端與兩個(gè)柔性杠桿相連，所述的柔性杠桿包括相互連接的柔性杠桿支點(diǎn)、柔性杠桿輸入端、柔性杠桿輸出端，雙端固定音叉諧振單元與驅(qū)動電極、感應(yīng)電極相耦合，柔性杠桿與電荷輸入端相耦合。采用雙端固定音叉作為諧振單元，諧振時(shí)的能量損失??；通過柔性杠桿放大由輸入電荷引起的靜電力，增大諧振頻率的改變量，得到較高的分辨率，能夠測得微小的電荷量；器件的結(jié)構(gòu)簡單，可以在室溫環(huán)境下工作，易于實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。
【專利說明】一種帶有柔性杠桿的MEMS諧振式電荷傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)【技術(shù)領(lǐng)域】中的傳感器領(lǐng)域，特別是涉及一種帶有柔性杠桿的MEMS諧振式電荷傳感器。

【背景技術(shù)】
[0002]基于MEMS的電荷傳感器能夠檢測到微小電荷，有著較高分辨率，并且能夠在室溫環(huán)境下使用，因此有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，包括生物醫(yī)學(xué)、太空探索、質(zhì)譜分析以及空氣中的微粒檢測等。
[0003]MEMS諧振器是指通過外加一個(gè)頻率值與其固有頻率相同的驅(qū)動信號，使器件在諧振頻率下振動，其諧振頻率值與器件所用材料以及幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)?；贛EMS的諧振器已被廣泛地用于物理量的測量，包括壓力、質(zhì)量、溫度和加速度等，同時(shí)MEMS諧振器也廣泛用作濾波器。
[0004]MEMS諧振器能夠測量微小信號，有著較高的穩(wěn)定性，并且MEMS工藝與IC技術(shù)兼容，可以實(shí)現(xiàn)MEMS器件與IC電路的同一芯片集成，因此，MEMS諧振器越來越受到人們的關(guān)注。
[0005]由于MEMS器件加工制造中裝配技術(shù)的不足，MEMS器件中的杠桿無法達(dá)到與宏觀杠桿相同的結(jié)構(gòu)，因此MEMS中通常采用柔性結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)杠桿的放大作用。
[0006]目前，世界上對MEMS電荷傳感器的研究已取得較大進(jìn)展，美國加州大學(xué)伯克利分校的Patrick S.Riehl等人設(shè)計(jì)了基于時(shí)間調(diào)制電容的電荷檢測計(jì)【I】,有著較高的分辨率，但其實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，測試結(jié)果受噪聲和寄生電容的影響明顯。英國劍橋大學(xué)的JoshuaE.-Y.Lee等人設(shè)計(jì)了基于諧振頻率輸出的電荷檢測傳感器【2】，其結(jié)構(gòu)簡單，有效地避免了寄生電容，但其分辨率較低。
[0007]因此，有必要提供一種輸出信號穩(wěn)定、易于實(shí)現(xiàn)且分辨率高的MEMS電荷傳感器。
[0008]引用文獻(xiàn):
[0009]【I】P.S.Riehl, K.L.Scott, R.S.Muller, R.T.Howe, J.A.Yasaitis,Electrostatic charge and field sensors based on micromechanical resonators, J.MicroeIectromech.Syst.Vol.12，pp.557-589，2003
[0010][2]J.E.-Y.Lee, B.Bahreynij A.A.Seshiaj An axial strain modulated doubleended tuning fork electrometer, Sens.Actuators A，vol.148，pp.395—400，2008。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]為了克服現(xiàn)有MEMS電荷傳感器或信號輸出不穩(wěn)定、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜或分辨率低的不足，本實(shí)用新型提供了一種帶有柔性杠桿的MEMS諧振式電荷傳感器，該電荷傳感器不僅具有高的分辨率，而且結(jié)構(gòu)簡單，容易檢測輸出信號。
[0012]本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0013]帶有柔性杠桿的MEMS諧振式電荷傳感器包括錨點(diǎn)、雙端固定音叉諧振單元、驅(qū)動電極、感應(yīng)電極、兩個(gè)柔性杠桿、電荷輸入端，雙端固定音叉諧振單元的一端與錨點(diǎn)相連，另一端與兩個(gè)柔性杠桿相連，所述的柔性杠桿包括相互連接的柔性杠桿支點(diǎn)、柔性杠桿輸入端、柔性杠桿輸出端，雙端固定音叉諧振單元與驅(qū)動電極、感應(yīng)電極相耦合，柔性杠桿與電荷輸入端相f禹合。
[0014]所述兩個(gè)柔性杠桿對稱布置，相互抵消沿柔性杠桿臂方向產(chǎn)生的力，柔性杠桿的動力臂大于阻力臂，柔性杠桿用于放大由電荷輸入引起的靜電力。
[0015]所述的帶有柔性杠桿的MEMS諧振式電荷傳感器的結(jié)構(gòu)材料是單晶硅或多晶硅。
[0016]所述的帶有柔性杠桿的MEMS諧振式電荷傳感器中驅(qū)動電極、錨點(diǎn)和兩柔性杠桿支點(diǎn)的布置保證了雙端固定音叉諧振單元兩齒在平面內(nèi)反相運(yùn)動，避免了平面外的運(yùn)動。
[0017]電荷的輸入端與柔性杠桿的輸入端形成電容，有電荷輸入時(shí)產(chǎn)生靜電力，吸引杠桿的輸入端，根據(jù)杠桿的放大原理，輸出端得到一個(gè)放大的力輸出，引起諧振頻率的變化。諧振頻率的變化量與輸入電荷量呈一定的關(guān)系。
[0018]從上述的技術(shù)方案可以看出，本實(shí)用新型的有益效果是:采用雙端固定音叉作為諧振單元，具有較高的諧振頻率，諧振時(shí)的能量損失小，能夠保證較高的品質(zhì)因數(shù)；通過柔性杠桿放大由輸入電荷引起的靜電力，增大諧振頻率的改變量，得到較高的分辨率，能夠測得微小的電荷量；器件的結(jié)構(gòu)簡單，可以在室溫環(huán)境下工作，工作穩(wěn)定；結(jié)構(gòu)材料可以采用單晶硅或多晶硅。
[0019]

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是帶有柔性杠桿的MEMS諧振式電荷傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021 ] 圖2是本實(shí)用新型的電路連接圖；
[0022]圖3是本實(shí)用新型中柔性杠桿的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖4是本實(shí)用新型的系統(tǒng)方塊圖；
[0024]圖5是ANSYS仿真得到的輸入電荷量與諧振頻率變化量的關(guān)系圖；
[0025]圖中:錨點(diǎn)I,雙端固定音叉諧振單元2,驅(qū)動電極3,感應(yīng)電極4,柔性杠桿支點(diǎn)5,柔性杠桿輸入端6，柔性杠桿輸出端7，電荷輸入端8。

【具體實(shí)施方式】
[0026]為使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖，對本實(shí)用新型進(jìn)一步詳細(xì)說明，其中:
[0027]在圖1中，帶有柔性杠桿的MEMS諧振式電荷傳感器包括錨點(diǎn)1、雙端固定音叉諧振單元2、驅(qū)動電極3、感應(yīng)電極4、兩個(gè)柔性杠桿、電荷輸入端8，雙端固定音叉諧振單元2的一端與錨點(diǎn)I相連，另一端與兩個(gè)柔性杠桿相連，所述的柔性杠桿包括相互連接的柔性杠桿支點(diǎn)5、柔性杠桿輸入端6、柔性杠桿輸出端7，雙端固定音叉諧振單元2與驅(qū)動電極3、感應(yīng)電極4相稱合,柔性杠桿與電荷輸入端8相f禹合。
[0028]所述兩個(gè)柔性杠桿對稱布置，相互抵消沿柔性杠桿臂方向產(chǎn)生的力，柔性杠桿用于放大由電荷輸入引起的靜電力，雙端固定音叉諧振單元2所受的軸向拉力是兩柔性杠桿輸出力的矢量和。
[0029]在圖2中，所述的帶有柔性杠桿的MEMS諧振式電荷傳感器的檢測方法包括如下步驟:
[0030]I)將錨點(diǎn)1、柔性杠桿支點(diǎn)5接地并固定于基底上，給驅(qū)動電極3施加偏置電壓和正弦交流信號，使雙端固定音叉諧振單元2諧振，給感應(yīng)電極4施加與驅(qū)動電極3相同的偏置電壓，感應(yīng)電極4與雙端固定音叉諧振單元2之間的距離發(fā)生改變，根據(jù)電容與其極板上電荷的關(guān)系式Q=CV (Q為電極板上的電荷量，C為極板間電容，V為極板間電壓)，以及電流的定義式I=dQ/dt (I為交變電流，t為時(shí)間)，得到交變的電流信號；
[0031 ] 2 )要檢測的電荷由電荷輸入端8輸入，輸入的電荷產(chǎn)生靜電力吸引柔性杠桿輸入端6，在圖3中由于柔性杠桿的動力臂大于阻力臂，使得柔性杠桿輸出端7得到一個(gè)放大的力輸出，該力輸出會對雙端固定音叉諧振單元2產(chǎn)生軸向拉伸，改變其諧振頻率；
[0032]3)雙端固定音叉諧振單元2諧振頻率改變時(shí)，交變的電流信號的頻率發(fā)生相應(yīng)的改變；
[0033]在圖4中，MEMS電荷傳感器通常放置在真空環(huán)境下進(jìn)行測量，可以通過真空封裝，或是放置于真空腔中，目的是消除諧振時(shí)空氣阻尼的影響，減少能量損失，提高諧振器的品質(zhì)因數(shù)。電荷輸入后引起交變電流，交變電流通過跨阻放大器轉(zhuǎn)化成交變電壓，再通過濾波器進(jìn)行濾波并輸出信號。
[0034]在圖5中，通過ANSYS有限元仿真得到了輸入電荷量與諧振器諧振頻率變化量的關(guān)系。在柔性杠桿的輸入端施加靜電-機(jī)械耦合單元，模擬由電荷的輸入而產(chǎn)生的靜電力，通過模態(tài)分析得到不同輸入電荷下的固有頻率。
[0035]所述的帶有柔性杠桿的MEMS諧振式電荷傳感器的結(jié)構(gòu)材料是單晶硅或多晶硅，可以基于多種加工工藝，如利用SOI (silicon on insulator)晶片作為襯底,在一片晶片上完成電荷傳感器的結(jié)構(gòu)層，降低生產(chǎn)成本，制作流程簡單。
【權(quán)利要求】
1.一種帶有柔性杠桿的MEMS諧振式電荷傳感器，其特征在于包括錨點(diǎn)(I)、雙端固定音叉諧振單元(2)、驅(qū)動電極(3)、感應(yīng)電極(4)、兩個(gè)柔性杠桿、電荷輸入端(8)，雙端固定音叉諧振單元(2)的一端與錨點(diǎn)(I)相連，另一端與兩個(gè)柔性杠桿相連，所述的柔性杠桿包括相互連接的柔性杠桿支點(diǎn)(5 )、柔性杠桿輸入端(6 )、柔性杠桿輸出端(7 )，雙端固定音叉諧振單元(2)與驅(qū)動電極(3)、感應(yīng)電極(4)相耦合，柔性杠桿與電荷輸入端(8)相耦合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有柔性杠桿的MEMS諧振式電荷傳感器，其特征在于所述兩個(gè)柔性杠桿對稱布置，相互抵消沿柔性杠桿臂方向產(chǎn)生的力，柔性杠桿的動力臂大于阻力臂，柔性杠桿用于放大由電荷輸入引起的靜電力。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有柔性杠桿的MEMS諧振式電荷傳感器，其特征在于所述的帶有柔性杠桿的MEMS諧振式電荷傳感器的結(jié)構(gòu)材料是單晶硅或多晶硅。
【文檔編號】G01R29/24GK203929902SQ201420237034
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年5月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月9日
【發(fā)明者】謝金, 趙久烜 申請人:浙江大學(xué)