[发明专利]基于多梳齿阵列的MEMS电容式微力传感器及去耦合测试方法

说明书

基于多梳齿阵列的MEMS电容式微力传感器及去耦合测试方法，传感器包括通过支撑梁固定在边框上的质量块，质量块、支撑梁悬空，质量块外侧布置运动限位结构；质量块前端设置有一个凸起的探针，质量块末端布置有动梳齿阵列组，与动梳齿阵列组配合构成差分梳齿电容阵列的定梳齿阵列组连接在边框上；质量块由x方向刚度高的支撑梁支撑，y方向为其工作敏感方向，动梳齿阵列组、定梳齿阵列组偏离质量块中心布置；去耦合测试时，将定梳齿阵列中具有相同间距/面积变化趋势的阵列进行电气连接，其与质量块上的动梳齿阵列接入到常规电容检测方法进行差分检测；同时驱动定梳齿阵列施加不同的交流电势调整传感器的检测量程；本发明用于亚nN‑μN量级微力的测量。

技术领域

本发明属于微力传感器技术领域，具体涉及一种基于多梳齿阵列的MEMS电容式微力传感器及去耦合测试方法。

背景技术

力学传感是探究微纳尺度材料机械特性的基础，是揭示微观力学现象的关键技术。例如，生物细胞调节生命体生长、增殖、分化和凋亡等一系列基本生命活动，现代医学表明人类众多疾病的发生与发展都和细胞特性变化有着密切的联系。研究细胞结构和功能缺陷造成的力学特性传感技术，对疾病快速检测和诊断、药物筛选和评估具有重要的理论和现实意义。同时，微纳组装、微旋转等多种微纳机器人操控技术也亟需高精度的力学传感技术，从而实现操控过程中力学信号的实时反馈，提高操作精度及效率。

微尺度环境下信号背景噪声强，材料响应信号尺度小，实现高精度的微纳材料力学检测难度较大。当前原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)被广泛应用于材料力学特性测试，然而AFM利用光电探测器接收来自探针背面的激光反射，其信号传导过程复杂，对测试环境要求较高，需要精密的光学对准和调试，且样品调整的操作空间较小，较难与其他细胞微操作工具集成。此外利用光镊、磁镊技术，通过可控的激光场或者磁场，操作聚焦激光束或者悬浮微磁球在目标样品上产生拖拽力，进而研究样品在受载时的响应，然而光镊、磁镊系统较难精确控制施加在样品上的力载荷，其检测的力学特性参数只能进行定性比较，无法获得定量的样品力学特性数值。

MEMS传感器具有微型化、结构简单、便于批量制造及集成、灵敏度高、稳定性好等特点，电容式微力传感器利用电容极距变化或者正对面积的变化将负载力变化转化为电容的变化，其输出与可动结构应力无关，同时其能够将多个梳齿电容极板阵列集成在单个芯片内，可以实现较高灵敏度和高精度的力学量检测；当前MEMS电容式力传感器大多采用梳齿阵列的形式，将动、定电容阵列组成差分阵列输出，以提升器件的灵敏度。然而当前主流设计采用的单差分梳齿阵列的设计无法实现小芯片尺寸条件下多梳齿阵列电容极板的布置，器件灵敏度有待进一步提升；同时当前MEMS电容式力传感器受寄生电容、电场、载荷耦合等多种干扰因素影响，因而当前器件分辨率局限在nN-μN量级，亚nN量级的MEMS微力传感器技术亟需突破。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提出一种基于多梳齿阵列的MEMS电容式微力传感器及去耦合测试方法，能够用于提升MEMS电容式微力传感器灵敏度以及实现亚nN量级微力的测量。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于多梳齿阵列的MEMS电容式微力传感器，包括通过支撑梁固定在边框上的质量块，质量块、支撑梁悬空，质量块外侧布置有运动限位结构；质量块前端设置有一个凸起的探针，探针受载时能够使质量块及支撑梁产生运动，探针的形状尺寸可以根据实际应用确定；质量块末端布置有两个以上的动梳齿阵列组，与动梳齿阵列组配合构成差分梳齿电容阵列的定梳齿阵列组通过锚点连接在边框上；所述的质量块由x方向刚度高的支撑梁支撑，y方向为其工作敏感方向，动梳齿阵列组、定梳齿阵列组偏离质量块中心布置在质量块末端，偏离位置根据质量块、探针、梳齿阵列长度进行确定。