[发明专利]一种超高灵敏度的微机械谐振式静电计

摘要

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。

主权项

一种超高灵敏度的微机械谐振式静电计，包含了器件表头和测试电路，其特征在于，所述静电计的器件表头包含一对门电极，一组机械杠杆，两个谐振器，机械耦合梁，直流驱动电极，交流驱动电极以及检测电极；所述门电极为静电计用于输入待检测电荷的端口，所述杠杆用于放大输入电荷所产生的静电力，所述两个谐振器通过机械耦合梁相连；所述直流驱动电极和交流驱动电极为谐振器提供驱动电压；所述检测电极分别用于检测两个谐振器的振幅；所述静电计的测试电路为闭环测试，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实现检测。