CN116164634A - 一种电容式mems结构电极间隙测量***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电容式MEMS结构电极间隙测量***及方法，该***包括：测量信号产生单元，用于产生反映电极间隙信息的电容信号；信号处理电路，用于对产生的电容信号进行处理，将电容信号转换为可读取、高信噪比的模拟电压信号；数据处理单元，用于对模拟电压信号进行数据处理，计算得到电极间隙值。本发明应用于MEMS结构领域，基于谐振的思想，使MEMS结构或可调电容器中一者处于动态变化状态，输出仅包含MEMS结构或可调电容器电容变化部分且是幅值最大状态下的信号，不仅能通过谐振放大获取高信噪比电容信号还可以避免寄生电容的影响，实现动态或静态电容式MEMS结构电极间隙的高精度、高分辨率测量。

Description

一种电容式MEMS结构电极间隙测量***及方法

技术领域

本发明涉及MEMS结构技术领域，具体是一种电容式MEMS结构电极间隙测量***及方法。

背景技术

MEMS(微机电***，Micro-Electro-Mechanical System)器件因为具有体积小、成本低、性能高、易批量化制造和集成等优点已经成为惯性测量领域中研究热点，广泛应用于消费电子、惯性导航、汽车工业等领域。按照检测方式分类，MEMS结构可以分为电容式、光纤式、压电式、压阻式和隧道效应式等，其中电容式结构具有检测灵敏度高、功耗小、温度稳定性好等优势而成为主要检测方式之一，尤其在目前的硅基MEMS结构中，其结构和工作特点的独特优势而被广泛应用。

电极是电容式MEMS结构的重要组成部分，针对它的研究主要集中在结构形式选用(如音叉式、平板式)、尺寸参数设计、误差分析和装配精度等方面，这些因素直接影响MEMS器件关键技术指标。但联系MEMS器件理论分析与实际性能的电极间隙却少有研究，目前常见的方式一种是采用光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM，scanning electronmicroscope)、原子力显微镜(AFM，Atomic Force Microscope)破坏MEMS结构来进行直接测量，对于微米级结构来说，结构的破坏可能引起变形或粘滞与颗粒污染造成测量精度受限，另一方面，仪器测量方式对仪器本身的精度和用户操作的熟练度要求较高，也影响测量精度进一步提升同时还带来耗时的不足。另一种是采用电学测量的方式，该方式不需要通过破坏结构来进行测量，一般通过测量静态电容来标定电极间隙，但该方法受限于寄生电容的影响，具有分辨率低的不足。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种电容式MEMS结构电极间隙测量***及方法，应用于电容式MEMS结构的电极间隙的测量，基于MEMS结构谐振原理，消除寄生电容的影响，实现电容式MEMS结构中电极间隙的高分辨率、高精度测量，还可以同时适应动态或静态MEMS结构的电极间隙测量，提高方法的通用性，不仅可用于MEMS结构机理与性能分析，还能为MEMS器件设计优化提供重要参考。

为实现上述目的，本发明提供一种电容式MEMS结构电极间隙测量***，包括：

测量信号产生单元，用于产生反映电极间隙信息的电容信号；

信号处理电路，用于对所述测量信号产生单元产生的电容信号进行处理，将所述电容信号转换为可读取、高信噪比的模拟电压信号；

数据处理单元，用于对所述模拟电压信号进行数据处理，计算得到电极间隙值。

在其中一个实施例，所述测量信号产生单元包括驱动调制模块、待测MEMS结构与可调电容器；

所述驱动调制模块用于产生包含直流、交流和高频载波三种不同信号的驱动电压，并通过所述驱动电压使所述待测MEMS结构与所述可调电容器产生电容信号，并对两者差分后的电容信号进行调制；

在其中一个实施例，所述可调电容器的电容大小可调，且所述可调电容器的电容调整原则和大小由待测MEMS结构决定，具体为：

当所述待测MEMS结构处于动态时，所述可调电容器的电容大小等于所述待测MEMS结构的静态电容；

当所述待测MEMS结构处于静态时，所述可调电容器的电容大小在所述待测MEMS结构的静态电容的上下波动。

在其中一个实施例，所述信号处理电路包括：

C/V转换模块，用于将被调制的微弱电容信号放大并转化为高频电压信号；

高通滤波与放大模块，用于过滤所述高频电压信号中的低频噪声，并对过滤后的高频电压信号进行放大；

解调模块，用于对过滤后的所述高频电压信号进行解调，得到低频电压信号；

相位补偿模块，用于对解调信号中的相位信息进行修正，以进一步提高包含电极间隙信息的信号精度；

低通滤波与放大模块，用于将所述低频电压信号中的高频噪声进行过滤并放大，得到高信噪比、包含电极间隙信息的电压信号；

其中，包含电极间隙信息的电压信号中，当待测MEMS结构处于动态时，电极间隙信息来自运动结构位移产生的电容变化量；当待测MEMS结构处于静态时，电极间隙信息来自可调电容器电容调整产生的电容变化量。

在其中一个实施例，当所述数据处理单元进行数据处理时，所述数据处理单元根据待测MEMS结构的动力学模型推导所述高信噪比、包含电极间隙信息的电压信号与电极间隙之间的数学关系，再基于数学关系利用已知结构、电路参数对电极间隙进行精确标定。

在其中一个实施例，所述数学关系的推导过程为：

根据输入的驱动电压大小和结构尺寸参数求施加的驱动力；

按照待测MEMS结构的动力学方程，求出该驱动力条件下的MEMS结构运动部分的位移变化量，或根据MEMS结构面积及可调电容器电容变化推算出的***位移变化量；

由于所述位移变化量与电容间隙相关，且所述位移变化量实际反映了经信号处理电路得到的输出信号，则基于电容计算公式可以建立所述高信噪比、包含电极间隙信息的电压信号与电极间隙之间的数学关系。

为实现上述目的，本发明还提供一种电容式MEMS结构电极间隙测量方法，采用上述的电容式MEMS结构电极间隙测量***，所述测量方法包括如下步骤：

步骤1，基于测量信号产生单元产生反映电极间隙信息的电容信号；

步骤2，基于信号处理电路对所述测量信号产生单元产生的电容信号进行处理，将所述电容信号转换为可读取、高信噪比的模拟电压信号；

步骤3，基于数据处理单元对所述模拟电压信号进行数据处理，计算得到电极间隙值。

在其中一个实施例，步骤1的过程具体为：

基于驱动调制模块产生包含直流、交流和高频载波三种不同信号的驱动电压；

将驱动电压分别作用于待测MEMS结构与可调电容器，使待测MEMS结构与所述可调电容器产生电容信号并对两者差分后的信号进行调制；

在所述驱动电压分别作用于待测MEMS结构与可调电容器后，待测MEMS结构处于动态且可调电容器的电容值等于MEMS结构静态电容值，或待测MEMS结构处于静态且可调电容器处于动态，其中，可调电容器处于动态时的电容值在待测MEMS结构的静态电容的上下波动。

在其中一个实施例，步骤2的过程具体为：

基于C/V转换模块将被调制的微弱电容信号放大并转化为高频电压信号；

基于高通滤波与放大模块过滤所述高频电压信号中的低频噪声，过滤所述高频电压信号中的低频噪声，并对过滤后的高频电压信号进行放大得到过滤并放大后的高频电压信号；

基于解调模块对过滤后的所述高频电压信号进行解调，得到低频电压信号；

基于相位补偿模块对解调信号中的相位信息进行修正，以进一步提高包含电极间隙信息的信号精度；

基于低通滤波与放大模块将所述低频电压信号中的高频噪声进行过滤并放大，得到高信噪比、包含电极间隙信息的电压信号；

其中，包含电极间隙信息的电压信号中，当待测MEMS结构处于动态时，电极间隙信息来自运动结构位移产生的电容变化量；当待测MEMS结构处于静态时，电极间隙信息来自可调电容器电容调整产生的电容变化量。

在其中一个实施例，步骤3的过程具体为：

根据输入的驱动电压大小和结构尺寸参数求施加的驱动力；

按照待测MEMS结构的动力学方程，求出该驱动力条件下的MEMS结构运动部分的位移变化量，或根据结构面积及可调电容器电容变化推算出的***位移变化量；

由于所述位移变化量与电容间隙相关，且所述位移变化量实际反映了经信号处理电路得到的输出信号，则基于电容计算公式可以建立所述高信噪比、包含电极间隙信息的电压信号与电极间隙之间的数学关系；

基于所述高信噪比、包含电极间隙信息的电压信号与电极间隙之间的数学关系，利用已知结构、电路参数对电极间隙进行精确标定。

相较于现有技术，本发明具有如下有益技术效果：

1、本发明提出了将可调电容器用于电极间隙测量中，与待测MEMS结构组合可视为一个可变电容器，当测量动态MEMS结构的电极间隙时，待测MEMS结构可视为可动极板，可调电容器可视为固定极板，而当测量静态MEMS结构的电极间隙时，待测MEMS结构可视为固定极板，而可调电容器可视为可动极板，那么测试时测量信号产生单元始终处于动态且放大的状态。采用这种动静自由转换的测量方式不仅可以使用一套***、一种方法对不同状态的MEMS结构进行电极间隙测量，拓宽电极测量***及方法的应用范围，还利用了谐振的思想对微弱电容信号进行放大，提高了***及方法的分辨率；

2、本发明基于谐振的思想，使待测MEMS结构处于动态或可调电容器处于动态，利用信号处理电路，输出仅包含待测MEMS结构或可调电容器电容变化部分且是幅值最大状态下的信号，避免了寄生电容对测试信号的影响，极大的提高了测量的精度；

3、可调电容器可以实现待测MEMS结构零位调整和信号放大。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例中电容式MEMS结构电极间隙测量***的结构框图；

图2为本发明实施例中示例的电极间隙检测电路示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1所示为本实施例公开的一种电容式MEMS结构电极间隙测量***，其主要包括测量信号产生单元、测量信号产生单元与数据处理单元，其中，测量信号产生单元用于产生反映电极间隙信息的电容信号，信号处理电路用于对测量信号产生单元产生的电容信号进行处理，将电容信号转换为可读取、高信噪比的模拟电压信号，数据处理单元用于对模拟电压信号进行数据处理，计算得到电极间隙值。

测量信号产生单元包括驱动调制模块、待测MEMS结构与可调电容器。驱动调制模块用于产生包含直流、交流和高频载波三种不同信号的驱动电压，并通过驱动电压使待测MEMS结构与可调电容器产生电容信号并对两者差分后的电容信号进行调制。可调电容器的电容大小可调，且可调电容器的电容调整原则和大小由待测MEMS结构决定，具体调整原则为：

当待测MEMS结构处于动态时，可调电容器的电容大小等于待测MEMS结构的静态电容；

当待测MEMS结构处于静态时，可调电容器的电容大小在待测MEMS结构的静态电容的上下波动。

信号处理电路包括C/V转换模块、高通滤波与放大模块、解调模块、相位补偿模块、低通滤波器与放大模块。其中，C/V转换模块用于将被调制的微弱电容信号放大并转化为高频电压信号；高通滤波与放大模块用于过滤高频电压信号中的低频噪声，并对过滤后的高频电压信号进行放大得到过滤放大后的高频电压信号；解调模块用于对过滤放大后的高频电压信号进行解调，得到低频电压信号；相位补偿模块用于对低频电压信号中的相位信息进行修正，进一步提高包含电极间隙信息的信号精度；低通滤波与放大模块用于将低频电压信号中的高频噪声进行过滤并放大，得到高信噪比、包含电极间隙信息的电压信号。其中，包含电极间隙信息的电压信号中，当待测MEMS结构处于动态时，电极间隙信息来自运动结构位移产生的电容变化量；当待测MEMS结构处于静态时，电极间隙信息来自可调电容器电容调整产生的电容变化量。

数据处理单元是根据待测MEMS结构动力学模型推导输出信号与电极间隙之间的数学关系，再将数学关系利用数据处理软件用编程的方式利用已知结构、电路参数对电极间隙进行精确标定。所述数学关系的推导流程为：根据输入的驱动电压大小和结构尺寸参数求施加的驱动力；按照待测MEMS结构的动力学方程，求出该驱动力条件下的MEMS结构运动部分的位移变化量，或根据结构面积及可调电容器电容变化推算出的***位移变化量；根据电容计算公式，该位移变化量与电容间隙相关，而该位移实际变化量实际反映了经信号处理电路得到的输出信号，则基于电容计算公式可以建立高信噪比、包含电极间隙信息的电压信号与电极间隙之间的数学关系。

下面结合具体的示例对本实施例中的电容式MEMS结构电极间隙测量***及其对应的测量方法作出进一步的说明。

以典型的“静电驱动-电容检测”的MEMS结构为例，采用图2所示的调制解调电极间隙检测电路。在图2中待测MEMS结构构成的电容器C_s及其寄生电容C_j和可调电容器C_P分别被施加驱动电压V_s+和驱动电压V_s-后产生包含待测MEMS结构电容间隙信息的测量信号。其中，待测MEMS结构及其寄生电容的总电容与可调电容器的电容视为一组差分电容，电压V_s+和V_s-含有调制信号对差分后的电容变化量ΔC信号进行调制。电容变化量ΔC信号进入基于电荷放大器的C/V转换电路被转化为高频电压信号V_c，经过高通滤波器(HPF)滤除低频噪声成分后，以倍数K_H放大过滤后的信号提高信噪比。然后采用与调制信号频率一致的载波信号进行乘法解调并进行相位补偿，解调后的低频电压信号经过低通滤波器(LPF)和倍数K_LP放大处理，进一步滤除信号中高频噪声和放大目标信号，并输出高精度电压信号V_cout。一方面，由于可调电容器的存在，待测MEMS结构包含初始电容和寄生电容的静态电容可以被可调电容器的基础电容差分消除，所以V_cout是待测MEMS结构间隙变化量或者可调电容器电容变化引起的电容变化量反映出来的电压值，该电容值仅反映包含电极间隙信息的可动电容；另一方面调制解调电极间隙检测电路基于谐振思想对输出信号进行放大且消除了寄生电容的影响，测量精度高。

在具体应用时，获得输出电压V_cout与电极间隙的关系是谐振式测量的基础。以“静电驱动-电容检测”MEMS结构为例，其模型可以等效为典型的二阶***，动力学方程可以写为：

式中，M是MEMS结构的质量，c_s是阻尼系数，k_s是弹性系数，F_c是外界对MEMS结构的激励力，x为MEMS结构在激励力作用下的位移。

为了使调制解调电路能够对基于谐振思想产生的电容变化量进行测量，在MEMS结构上施加驱动电压V_s+的同时，设置一个匹配的可调电容器C_P并施加驱动电压V_s-，则有：

式中，V_dc为直流电压幅值，V_ac为交流电压幅值，ω_s为***固有频率，t为时间，E_fssinω_fst为载波，E_fs为载波幅值，ω_fs为载波调制解调频率。

那么***的驱动力F_s为：

式中，C为***的静态电容值，ε为平行板间的介电常数，A_s为MEMS结构构成的电容器的面积，d₀为待测MEMS结构中的电极间隙。

那么***电容变化量ΔC为：

式中，Δy为待测MEMS结构电容间隙变化量或可调电容器电容调整量根据电容计算公式和A_s计算的位移变化值。

经过C/V转换放大、高通滤波与放大、解调与相位补偿以及低通滤波并放大的输出电压V_cout为：

式中，C_f为所述C/V转换电路的参考电容，K_H和K_LP分别为信号经高通和低通后的放大倍数，

为含误差的相位角，/>

为相位角修正值。

最后基于输出电压V_cout得到待测MEMS结构的电极间隙为：

基于谐振的思想，对信号进行相位补偿以及通过数学思想消除寄生电容影响的信号检测方式提高了MEMS结构电极间隙测量的精度。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种电容式MEMS结构电极间隙测量***，其特征在于，包括：

测量信号产生单元，用于产生反映电极间隙信息的电容信号；

信号处理电路，用于对所述测量信号产生单元产生的电容信号进行处理，将所述电容信号转换为可读取、高信噪比的模拟电压信号；

数据处理单元，用于对所述模拟电压信号进行数据处理，计算得到电极间隙值。

2.根据权利要求1所述的电容式MEMS结构电极间隙测量***，其特征在于，所述测量信号产生单元包括驱动调制模块、待测MEMS结构与可调电容器；

所述驱动调制模块用于产生包含直流、交流和高频载波三种不同信号的驱动电压，并通过所述驱动电压使所述待测MEMS结构与所述可调电容器产生电容信号，并对两者差分后的电容信号进行调制。

3.根据权利要求2所述的电容式MEMS结构电极间隙测量***，其特征在于，所述可调电容器的电容大小可调，且所述可调电容器的电容调整原则和大小由待测MEMS结构决定，具体为：

当所述待测MEMS结构处于动态时，所述可调电容器的电容大小等于所述待测MEMS结构的静态电容；

当所述待测MEMS结构处于静态时，所述可调电容器的电容大小在所述待测MEMS结构静态电容的上下波动。

4.根据权利要求3所述的电容式MEMS结构电极间隙测量***，其特征在于，所述信号处理电路包括：

C/V转换模块，用于将被调制的微弱电容信号放大并转化为高频电压信号；

高通滤波与放大模块，用于过滤所述高频电压信号中的低频噪声，并对过滤后的高频电压信号进行放大；

解调模块，用于对过滤后的所述高频电压信号进行解调，得到低频电压信号；

相位补偿模块，用于对解调信号中的相位信息进行修正，以进一步提高包含电极间隙信息的信号精度；

低通滤波与放大模块，用于将所述低频电压信号中的高频噪声进行过滤并放大，得到高信噪比、包含电极间隙信息的电压信号；

其中，包含电极间隙信息的电压信号中，当待测MEMS结构处于动态时，电极间隙信息来自运动结构位移产生的电容变化量；当待测MEMS结构处于静态时，电极间隙信息来自可调电容器电容调整产生的电容变化量。

5.根据权利要求4所述的电容式MEMS结构电极间隙测量***，其特征在于，当所述数据处理单元进行数据处理时，所述数据处理单元是根据待测MEMS结构的动力学模型推导的所述高信噪比、包含电极间隙信息的电压信号与电极间隙之间的数学关系，再基于数学关系利用已知结构、电路参数对电极间隙进行精确标定。

6.根据权利要求5所述的电容式MEMS结构电极间隙测量***，其特征在于，所述数学关系的推导过程为：

根据输入的驱动电压大小和结构尺寸参数求施加的驱动力；

按照待测MEMS结构的动力学方程，求出该驱动力条件下的MEMS结构运动部分的位移变化量，或根据MEMS结构面积及可调电容器电容变化推算出的***位移变化量；

由于所述位移变化量与电容间隙相关，且所述位移变化量实际反映了经信号处理电路得到的输出信号，则基于电容计算公式建立所述高信噪比、包含电极间隙信息的电压信号与电极间隙之间的数学关系。

7.一种电容式MEMS结构电极间隙测量方法，其特征在于，采用权利要求1至6任一项所述的电容式MEMS结构电极间隙测量***，所述测量方法包括如下步骤：

步骤1，基于测量信号产生单元产生反映电极间隙信息的电容信号；

步骤2，基于信号处理电路对所述测量信号产生单元产生的电容信号进行处理，将所述电容信号转换为可读取、高信噪比的模拟电压信号；

步骤3，基于数据处理单元对所述模拟电压信号进行数据处理，计算得到电极间隙值。

8.根据权利要求7所述的电容式MEMS结构电极间隙测量方法，其特征在于，步骤1的过程具体为：

基于驱动调制模块产生包含直流、交流和高频载波三种不同信号的驱动电压；

将驱动电压分别作用于待测MEMS结构与可调电容器，使待测MEMS结构与所述可调电容器产生电容信号并对两者差分后的信号进行调制；

在所述驱动电压分别作用于待测MEMS结构与可调电容器后，待测MEMS结构处于动态且可调电容器的电容值等于MEMS结构静态电容值，或待测MEMS结构处于静态且可调电容器处于动态，其中，可调电容器处于动态时的电容值在待测MEMS结构的静态电容的上下波动。

9.根据权利要求8所述的电容式MEMS结构电极间隙测量方法，其特征在于，步骤2的过程具体为：

基于C/V转换模块将被调制的微弱电容信号放大并转化为高频电压信号；

基于高通滤波与放大模块过滤所述高频电压信号中的低频噪声，对过滤后的高频电压信号进行放大得到过滤并放大后的高频电压信号；

基于解调模块对过滤后的所述高频电压信号进行解调，得到低频电压信号；

基于相位补偿模块对解调信号中的相位信息进行修正，以进一步提高包含电极间隙信息的信号精度；

基于低通滤波与放大模块将所述低频电压信号中的高频噪声进行过滤并放大，得到高信噪比、包含电极间隙信息的电压信号；

其中，包含电极间隙信息的电压信号中，当待测MEMS结构处于动态时，电极间隙信息来自运动结构位移产生的电容变化量；当待测MEMS结构处于静态时，电极间隙信息来自可调电容器电容调整产生的电容变化量。

10.根据权利要求9所述的电容式MEMS结构电极间隙测量方法，其特征在于，步骤3的过程具体为：

根据输入的驱动电压大小和结构尺寸参数求施加的驱动力；

按照待测MEMS结构的动力学方程，求出该驱动力条件下的MEMS结构运动部分的位移变化量，或根据结构面积及可调电容器电容变化推算出的***位移变化量；

由于所述位移变化量与电容间隙相关，且所述位移变化量实际反映了经信号处理电路得到的输出信号，则基于电容计算公式建立所述高信噪比、包含电极间隙信息的电压信号与电极间隙之间的数学关系；

基于所述高信噪比、包含电极间隙信息的电压信号与电极间隙之间的数学关系，利用已知结构、电路参数对电极间隙进行精确标定。

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