[发明专利]具有单自由端的弯曲梁微谐振式静电计及电荷检测方法

说明书

本发明公开了一种具有单自由端的弯曲梁微谐振式静电计及电荷检测方法。传感器中设有接地电极、基底、谐振子、驱动电极、感应电极、输入电极和锚端。谐振子上所设的两个弯曲梁的两端相互连接构成固定端和检测端；固定端与接地电极连接；检测端通过柔性支撑梁与锚端连接；检测端与输入电极构成平板式输入电容；弯曲梁上平板电极的两侧分别与驱动电极和感应电极构成驱动电容和感应电容。本发明提出了新型的具有单自由端的弯曲梁的设计使谐振器工作在弹性变形模态，基于弹性变形模态提出新型电荷感应机制，具有高灵敏度的优势；并且有效的消除谐振器的非线性影响和降低频率的温漂系数。

技术领域

本发明属于微机电系统(MEMS)技术领域中的传感器领域，特别是涉及一种基于单自由端弯曲梁、具有低非线性的高灵敏度微型谐振式静电计。

背景技术

现代微机电系统(MEMS)技术提供了基于微纳米尺度设计传感器的思路。微型的传感器对比宏观传感器具有小尺寸、低成本和低功耗的优势。并且与传统的微电子电路集成工艺兼容，可以实现单片化集成整个传感器以及外围信号处理电路。现有相关报道的微型静电计是基于静电式双端固支的柔性梁谐振器[1-2]，通过梁感应电荷的静电力产生轴向或者侧向的力进行检测。这类谐振器依靠直流和交流电压拉伸梁进行驱动输出谐振频率，具有明显的频率非线性使传感器不能工作在材料极限，从而限制了传感器的稳定性和功率处理能力。本发明所设计的具有微谐振式静电计，通过带有单自由端弯曲梁的设计使得梁在谐振的时候降低拉伸变形，释放梁谐振时的内部应力从而降低非线性，提高其频率稳定性和功率处理能力。与传统的拉伸变形模态不一样，本发明所设计的具有单自由端的弯曲梁微谐振式静电计工作在弹性变形模态，可以有效的降低频率的温漂系数。基于弹性变形模态，本发明提出新型的高灵敏电荷感应机制，利用电荷产生的静电力干扰谐振器的弹性模态引起谐振频率偏移。本发明的微谐振式静电计具有尺寸小、功耗和成本低、易于实现批量生产等优势。

引用文献：

[1]Chen D,Zhao J,Wang Y,et al.An electrostatic charge sensor based onmicro resonator with sensing scheme of effective stiffness perturbation[J].Journal of Micromechanics and Microengineering,2017,27(6):065002.

[2]Lee J E Y,Bahreyni B,Seshia A A.An axial strain modulated double-ended tuning fork electrometer[J].Sensors and Actuators A:Physical,2008,148(2):395-400.

发明内容

本发明提出一种具有单自由端的弯曲梁微谐振式静电计，通过提出了新型的具有单自由端的弯曲梁的设计消除谐振器的非线性影响，提高其频率稳定性和功率处理能力；通过使谐振器工作在弹性变形模态，可以有效的降低频率的温漂系数。本发明提出新型电荷感应机制，利用电荷产生的静电力干扰谐振器的弹性模态引起谐振频率偏移，具有高灵敏度的优势。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

具有单自由端的弯曲梁微谐振式静电计，设有接地电极、基底、谐振子、驱动电极、感应电极、输入电极和锚端；谐振子上所设的两条弯曲梁的两端相互连接，连接后的两端分别构成固定端和检测端；固定端与接地电极连接；检测端通过柔性支撑梁与锚端连接，实现平行于基底平面且垂直于支撑梁方向的单自由度；检测端与输入电极构成平板式输入电容，待检测电荷从输入电极输入；两条弯曲梁的外圆中部处均设有平板电极；平板电极的两侧分别与驱动电极和感应电极构成驱动电容和感应电容；驱动电容用于加载电信号驱动谐振子进行平面内谐振；感应电容用于感应谐振运动输出谐振电流；接地电极、驱动电极、感应电极、输入电极和锚端均与基底固定连接；基底上设有掏空区域，谐振子悬浮于该掏空区域，由接地电极与锚端提供谐振子的支撑。