[发明专利]一种超高灵敏度的微机械谐振式静电计

说明书

本发明公开了一种超高灵敏度的微机械谐振式静电计的设计方法，属于微机电系统(MEMS)领域。该方法包含静电计表头的机械结构设计方法和测试电路的设计方法。机械结构的设计相对于现有技术采用可动的谐振器电荷输入极板，提高静电力到轴向应力的转换效率，增加微机械杠杆放大静电力以提高机械灵敏度，当有外部电荷输入时，谐振器Ⅰ受到的刚度扰动更大，模态局部化现象则更剧烈；同时本结构设计方法所提出的两种不同结构的谐振器均可采用差分检测结构，借助差分放大电路在检测谐振器振幅的同时可有效去除馈通信号，提高了检测信号的信噪比。测试电路的设计采用闭环测试方案：检测电极上的信号依次经过跨阻放大器、减法器、带通滤波器和比较器后加载到交流驱动电极上形成闭环回路；将两路减法器的输出分别进行整流滤波并相除即可得到反映两个谐振器振幅比的直流电压信号。闭环驱动检测电路可降低谐振器的幅值和频率噪声。

一、所属领域：

本发明涉及一种超高灵敏度的微机械谐振式静电计，用于测量电荷量，属于微机电系统(MEMS)领域。

二、背景技术：

静电计作为一种电学传感器被广泛应用于纺织工业、核工业、太空探测及化学分析等领域。目前已报道的且被公认为精度最高的静电计是基于超低温冷却的单电子晶体管制成的双结点静电计，其分辨率可达到但由于该静电计工作温度极低(1K)，无法普及应用。而微机械静电计可以在室温条件下工作，并且具有灵敏度高、动态测量范围大的特点，同时它具有精度高、体积小、重量轻、功耗小、成本低、易集成、可批量生产等优点，已成为MEMS领域一大研究热点。

目前，多数微机械静电计基于电容充放电原理(Q＝CU)，利用可变电容器敏感输入电荷量，并采用电容检测方式，通过外围检测电路放大并测量电容器两端电势差，从而推算出输入电荷量的大小；但是这类微机械电容式静电计受寄生效应、机械结构噪声、电路噪声等影响，检测精度受限。微机械谐振式静电计是一种潜在的、具有更高精度的微型静电计。其通常包括一个可加载电荷的门电极、谐振器单元以及检测电路三部分；当有外部电荷输入时，门电极和谐振器之间由于静电吸引作用会在谐振器的弹性梁上产生轴向应力，该轴向应力会改变谐振梁的刚度，从而改变谐振器的谐振频率，通过检测谐振频率的变化量可以得到此时加载在门电极上的电荷量；但是传统微机械谐振式静电计的灵敏度和分辨率都不够高。

2010年P.Thiruvenkatanathan等人在“Ultrasensitive Mode-LocalizedMicromechanical Electrometer”一文中首次将模态局部化机理应用于微机械谐振式静电计中，取得了相比于传统谐振式静电计更高的灵敏度。2016年，西北工业大学张和民等人在“A High-Sensitive Resonant Electrometer Based on Mode Localization of theWeakly Coupled Resonators”一文中，通过优化弱耦合谐振器的结构、增加调节电极等方法设计出一款基于模态局部化的超高灵敏度静电计，其灵敏度比先前基于模态局部化机理的静电计高200多倍。

模态局部化现象是指在一个全对称双自由度谐振器系统(两个相同的谐振器通过弹性梁或静电力弱耦合)中，当其中一个谐振器的物理性质(刚度或质量)受到微弱干扰时，两个谐振器的振幅比会发生明显变化，且振幅比变化率远大于谐振频率变化率。具体可解释为，在如图1所示的一个双自由度振动系统中，101表示谐振器Ⅰ的弹性梁，其刚度为k₁，102表示谐振器Ⅰ的质量块，其质量为m₁，103表示谐振器Ⅱ的弹性梁，其刚度为k₂，104表示谐振器Ⅱ的质量块，其质量为m₂，105表示耦合弹性梁，其刚度为k_c。假设两个谐振器结构对称、质量相等且各自弹性梁的刚度系数相等，即m₁＝m₂＝m，k₁＝k₂＝k。当谐振器Ⅱ的刚度受到干扰Δk时，根据牛顿第二定律，可得到该双自由度振动系统的动力学方程为：