[发明专利]高分辨率和宽动态范围的MEMS谐振式电荷传感器及检测方法

说明书

技术领域

本发明属于微机电系统（MEMS）技术领域中的传感器与执行器领域，特别是涉及一种高分辨率和宽动态范围的MEMS谐振式电荷传感器及检测方法。

背景技术

电荷传感器在科学研究、工业生产以及日常生活中发挥着巨大的作用，比如在生物医学领域中电荷传感器常常用于检验生化反应发生的速率，而在航空航天领域中则常常被用来检测射线强度，甚至在我们每天使用的手机中也有用到电荷传感器来获取电池的电量信息等等。在众多类型的电荷传感器中MEMS谐振式电荷传感器以其体积小、精度高、CMOS兼容性强等等优点占据了市场中非常重要的一部分。

目前谐振式传感器的研究热点主要集中在如何提高器件的检测精度和扩大器件的检测范围这两块领域。对于前者根据理论研究可以发现该类型的传感器的分辨率主要是由材料本身的性质和输入电极的宽度两个因素决定。但是考虑到加工生产与应用方面的实际问题，在现实设计与生产过程中往往采用减小输入电极的宽度的方法来获得较高的分辨率。

然而分辨率提高的同时也带来诸多问题，比如量程范围减小、极间电压升高等等。对于这一问题，目前市面上的产品对此没有较好的解决方案,亟需一种具有高分辨率和宽动态范围的MEMS谐振式电荷传感器。

发明内容

为了同时获得较高的分辨率和较宽的测量范围，本发明提供了一种高分辨率和宽动态范围的MEMS谐振式电荷传感器及检测方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种具有高分辨率和宽动态范围的MEMS谐振式电荷传感器，双端固定音叉谐振器一端与谐振器固定端相连，并与驱动电极、感应电极相耦合，另一端通过柔性微杠杆输出端与柔性杠杆臂相连，柔性杠杆臂末端两侧末端均设有柔性微杠杆输入端，柔性微杠杆支点设置于柔性杠杆臂上；电荷输入极板一侧与柔性微杠杆输入端耦合形成固定电容；微驱动器可动部分一侧与电荷输入极板耦合形成调节电容，另一侧设有固定电极，中部两侧均设有梳齿状结构，并与驱动梳齿耦合，驱动梳齿与固定梳齿电极相连，微驱动器可动部分的梳齿两侧均设有支撑梁，靠近电荷输入极板一侧的支撑梁上设有支撑梁固定端。

作为优选，双端固定音叉谐振器呈上下两个工字型组合结构，所述的驱动电极(2)分别设置于双端固定音叉谐振器两侧，感应电极分别设置于两个工字型结构的四个空腔中。

作为优选，电荷输入极板呈C型结构，其两侧末端与柔性微杠杆输入端相对，电荷输入极板上连接输入电极。

作为优选，微驱动器可动部分一侧与电荷输入极板呈梳齿状耦合。

作为优选，MEMS谐振式电荷传感器材料为单晶硅或多晶硅。

本发明的另一目的是提供一种使用所述MEMS谐振式电荷传感器的电荷检测方法，包括如下步骤：

谐振器固定端、柔性微杠杆支点、电荷输入极板、固定梳齿电极、支撑梁固定端和固定电极固定于基底；谐振器固定端与固定电极接地；直流偏置电压与交流驱动信号与驱动电极连接，以驱动双端固定音叉谐振器在谐振频率下振动；待测电荷由电荷输入极板输入；感应信号由感应电极输出；控制电压由固定梳齿电极输入，用于控制微驱动器可动部分的位置；

测量时，首先在固定梳齿电极处输入最大的电压，使调节电容处于最大值状态，将待测电荷输入电荷输入极板，器件中所产生的电压最小，再通过调整固定梳齿电极处的控制电压，使柔性微杠杆输入端与电荷输入极板之间的电势差处于预设值，从而得到足够强度的感应信号。

本发明的有益效果是该传感器通过减小输入电极的宽度的方法，使微传感器获得了更高的分辨率，同时微位移执行机构和输入电极之间耦合电容，通过调节该电容的大小调整极间电压的大小以弥补分辨率提高所带来的极间电压过高的影响。同时还具有结构简单，控制方便，容易检测输出信号的特点。

附图说明

图1是高分辨率和宽动态范围的MEMS谐振式电荷传感器的立体结构示意图；

图2是高分辨率和宽动态范围的MEMS谐振式电荷传感器的平面结构示意图；

图3是本发明的支撑梁可选结构示意图；

图4是本发明的电荷输入等效电路原理；

图5是本发明的电路连接图；

图6是本发明的控制框图；

图7是本发明的测量流程图。