[发明专利]一种高频响大量程的MEMS摩阻传感器

权利要求书

1.一种高频响大量程的MEMS摩阻传感器，其特征在于，所述的MEMS摩阻传感器由封装盖板（1）、表头结构、接口电路（5）和封装管座（6）构成；封装盖板（1）和封装管座（6）为上下叠放的圆柱体，封装盖板（1）和封装管座（6）的中心空腔安装有表头结构和接口电路（5）；

所述的表头结构是MEMS摩阻传感器的主要构件，由浮动元件（2）、硅微结构（3）和电极基板（4）构成，用来感应飞行器模型表面的摩阻并转化为差分电容信号；

所述的浮动元件（2）由浮动单元（9）、支杆（10）和定位台阶（11）构成，浮动单元（9）与模型表面平齐以感应摩阻，浮动单元（9）与封装盖板（1）之间的间隙为浮动单元（9）的移动间隙（7）；支杆（10）将摩阻转化为摩阻力矩并传递给由硅微结构（3）和电极基板（4）构成的平板电容元件；定位台阶（11）用来确定浮动元件（2）在硅微结构（3）垂直方向上的位置；

所述的硅微结构（3）由振动极板（14）、弹性梁（13）和支撑框体（12）构成，振动极板（14）是敏感电容元件（18）的振动极板；弹性梁（13）是扭转刚度小于法向刚度的两端固支梁，在MEMS摩阻传感器感应摩阻时产生扭转变形；支撑框体（12）通过弹性梁（13）支撑浮动元件（2）和振动极板（14）；

所述的电极基板（4）由金属电极（16）、引线电极（15）和玻璃凸台（17）构成，金属电极（16）是电容元件的固定极板，与硅微结构（3）的振动极板（14）共同构成敏感电容元件（18）元件；引线电极（15）与封装管座（6）接线柱引线连接；玻璃凸台（17）与硅微结构（3）的支撑框体（12）进行阳极键合，同时构成敏感电容元件（18）的电容间隙h₀；

所述的接口电路（5）包括高频微电容检测芯片Pcap01（19）、高频单片机STM32F411CEU6（20）、FPC座子（21）以及外围电路，接口电路（5）的电路板侧面设置有封装定位凸台（8）；高频微电容检测芯片Pcap01（19）将差分电容信号转化为数字信号；高频单片机STM32F411CEU6（20）的工作频率达100KHz，高频单片机STM32F411CEU6（20）控制Pcap01的工作状态和接收Pcap01实时采集的电容值，并将电容值发送给上位机进行后续处理；上位机采用Labview编程；接口电路（5）的更新速率大于3KHz，电容分辨力小于等于0.001pF；

所述的高频微电容检测芯片Pcap01（19）的外围电路包括降低电路噪声的去耦电容C1、C2、C3、C4、C8、C9、参考电容C5和提供固定电平信号的下拉电阻R1；高频微电容检测芯片Pcap01（19）的引脚PC0端口连接参考电容C5，高频微电容检测芯片Pcap01（19）的引脚PC1、PC2端口连接MEMS摩阻传感器的待测差分电容；

所述的高频单片机STM32F411CEU6（20）的外围电路包括降低电路噪声的去耦电容C6、C7、C10、C11、C12、C13、C14；高频单片机STM32F411CEU6（20）的PA9、PA10引脚分别作为信号接收与发送线RX、TX与FPC座子（21）的5、6引脚连接；高频单片机STM32F411CEU6（20）的PA13、PA14引脚作为仿真的硬件接口SWDIO（数据线）、SWCLK（时钟线）与FPC座子（21）的3、4引脚连接，FPC座子（21）的1、2引脚为整体电路提供VDD与GND；

所述的高频微电容检测芯片Pcap01（19）与高频单片机STM32F411CEU6（20）建立4线硬件SPI通信；

所述的MEMS摩阻传感器的表头结构的响应频率ω：

式中，为弹性梁（13）的扭转弹性系数，J_xx为表头结构的扭转惯量，G为硅微结构（3）的材料剪切弹性模量；β为弹性梁（13）矩形横截面的扭转系数，；w为弹性梁（13）的宽度，h为弹性梁（13）的厚度，为弹性梁（13）的长度，ρ₁为硅微结构（3）的材料密度，w₁为振动极板（14）与弹性梁（13）之间的距离，w₂为振动极板（14）的宽度，为振动极板（14）的长度，ρ₂为浮动元件（2）的材料密度，r₁为支杆（10）的直径，h₁为支杆（10）的长度，r₂为浮动单元（9）的直径，h₂为浮动单元（9）上表面与弹性梁（13）的距离，h₂-h₁为浮动单元（9）的厚度。