[发明专利]低频振动测量装置

说明书

【技术领域】

本发明涉及一种振动测量装置，尤其是涉及一种低频振动测量装置。

【背景技术】

在某些领域，如大型旋转机器、大型工程结构、高层建筑、桥梁大坝等振 动的频率一般很低，一般要求测量仪器能测出0.5Hz左右的低频振动。对于低频 乃至超低频信号(≤0.1Hz)是许多国内外测量分析仪器的难点，对于≤0.01Hz甚 至到0.001Hz的极低频信号，它们的测量分析几乎是一个空白。对低频振动进行 监测和故障诊断，都需要高的灵敏度和高的可靠性来满足安全性的需要。如监 测的发电机组的振动为发电机组安全运行提供保证。桥梁自振特性测试为确定 桥梁运行状态提供依据，当桥梁长年负荷运行，或遭意外撞击，桥梁的工作状 态有可能发生改变。桥梁自振特性还可能导致影响车辆与桥梁发生共振。随着 勘探技术的发展，用于接受地震信号的检波器的需求量与日俱增，并提出了更 高的技术要求。目前，在地震勘探中普遍使用的振动传感器的频率有效范围在 5Hz～500Hz之间，5Hz以下的地震信号很难准确测量，而这些低频信息对反演 地层结构是非常有用的，但地震检波器却一直没有大的突破。由于该类传感器 得不到理想的原始信号，已成为石油物探的主要瓶颈之一。目前这类检波器的 最大弊端就是灵敏度低。二是低频段低的信噪比。由于在1Hz左右的振动频率 对惯性式传感器的低频特性提出了苛刻的要求，然而目前该类传感器由于其机 械结构的固有缺陷，在超低频段(1Hz及以下)，其输出信号完全“淹没”在噪声中， 难以实现对振动参数的准确测量。因此超低频绝对振动检测一直是工程测试领 域的一大难题。

【发明内容】

有鉴于此，有必要提供一种具有高灵敏度的低频振动测量装置。

一种低频振动测量装置，包括振动传感器和CMOS芯片，所述振动传感器 集成在所述CMOS芯片上，所述振动传感器包含敏感单元，所述敏感单元包括 含有浮栅的场效应管和嵌入了金属或多晶硅材料作栅极用于感应振动的质量 块，所述浮栅嵌入CMOS芯片的介质层中，所述质量块置于CMOS芯片介质层 的开口中，并与场效应管对应设置，所述质量块与场效应管之间是空气介质层 与CMOS芯片的氧化硅介质层，使得栅极与浮栅相对设置。

利用浮栅与漏极构成的交叠电容，而增大场效应管的跨导；栅极随质量块 的振动使栅极与浮栅构成的耦合电容发生改变，进而改变场效应管的输出电流 大小，从而可以测量低频振动，达到高灵敏度的效果。

在优选的实施例中，所述介质层中设有悬臂，所述质量块置于所述悬臂上， 使质量块可以自由振动。

在优选的实施例中，所述场效应管为厚氧晶体管，可以提高浮栅与漏极的 耦合电容在总电容的比例，从而进一步提高灵敏度。

在优选的实施例中，所述场效应管为自然场效应管，所述自然场效应管直 接内置于衬底上，其沟道掺杂浓度为3×10¹⁵/cm³-1×10¹⁶/cm³。低的掺杂浓度降低 了杂质散射，提高了信噪比。由于栅极悬空，从而降低单位面积的栅极氧化层 电荷波动导致的沟导迁移率的波动而造成的低频噪声，且降低了栅极泄漏电流 和亚阈值泄漏电流造成的噪声，从而提高输出电流并保持低的噪声。

【附图说明】

图1为低频振动测量装置的结构示意图；

图2为测量装置主要工作部分的结构示意图；

图3为图2所示的结构的等效电路图；

图4为振动位移-输出电流图；

图5为0.05g惯性加速度下传感器的幅频特性图；

图6为自然场效应管与常规场效应管的噪声-频率对比图。

下面结合附图进行进一步的说明。

【具体实施方式】

一种低频振动测量装置，包括振动传感器和CMOS芯片，所述振动传感器 集成在同一CMOS芯片上，所述振动传感器是包含敏感单元的微电子机械系统 (MEMS)，其中敏感单元为栅极浮置，即具有浮栅的场效应管，利用浮栅与漏 极的耦合电容增加跨导，从而提高灵敏度，达到测量振动的目的。