一种谐振式微悬臂梁自激振荡自检测传感器

摘要

一种谐振式微悬臂梁自激振荡自检测传感器，属于微机电系统悬臂梁传感器技术领域，其特征在于，含有一个由选频网络、滤波放大电路、相位补偿电路及驱动电路依次串联构成的一闭环电路，该选频网络由含有压电驱动结构的微悬臂梁、补偿电路、第一运算放大电路、第一反馈电路和第二反馈电路构成，该悬臂梁结构的下电极与第一运算放大电路的负输入端相连，而上电极经补偿电路连接到第一运算放大电路的正输入端。微悬臂梁在压电效应作用下谐振，当外部环境的物理量或化学量发生变化时其谐振频率的偏移量经反馈放大后由选频网络输出。本发明把激励结构和检测结构合为一体，提高了稳定性，成品率，并降低了成本。

说明书

技术领域

本发明是关于谐振式微机电系统(MicroElectroMechanical System)悬臂梁传感器领域的，具体涉及谐振频率检测式的MEMS微悬臂梁传感器技术，以及相关的MEMS微悬臂梁自激振荡自检测谐振频率的技术和方法。

背景技术

随着MEMS技术的发展，MEMS微传感器有着体积小、重量轻、响应快、功耗低、成本低、易于阵列化集成等特点，在生产、生活各领域中的应用越来越广泛。有一大类MEMS传感器是属于谐振式传感器，MEMS结构在固有频率的激励下进入谐振状态，而外部环境物理量的变化会改变系统的固有频率，从而使得谐振频率偏移，通过对谐振频率偏移量的检测得到外部环境物理量的变化。

谐振式微悬臂梁传感器就是一种谐振式MEMS传感器，在已有技术中，一般谐振式传感器都是驱动与检测两组结构分开独立工作的：谐振器需要一套电路通过激励器件来驱动激励，产生谐振；同时又需要另一套电路通过检测结构来实现测量谐振频率，输出信号。例如JohannMertens等人2004年采用压电激励/光学拾振检测的方法检测HF气体。(Johann Mertens，EricFinot，Marie-Hélène Nadal，Vincent Eyraud，Olivier Heintz，Eric Bourillot，Detection of gas trace ofhydrofluoric acid using microcantilever，Sensors and Actuators B 99(2004)58-65)复旦大学周嘉等人也研制了PZT压电/光学拾振检测的气体传感器(周嘉，黎坡，黄宜平，张松，周峰，杨芃原，鲍敏航，压电谐振式微悬臂梁气体传感器，压电与声光，2003年10月，第25卷，第5期)。Sarah S.Bedair等人研究的谐振式气体传感器是采用一组梳齿电容激励谐振，另一组梳齿电容检测的方法实现的。(Sarah S.Bedairl，Gary K.Fedder，CMOS MEMS Oscillator for GasChemical Detection，2004 IEEE)另外，微陀螺领域也有谐振式传感器的应用，如采用梳齿电容激励谐振，另一梳齿电容检测的方法。

使用驱动和检测两组独立结构，使得传感器结构变得复杂，工艺流程也随之增加，对于尚未商业化的MEMS工艺技术而言，这就降低了系统的稳定性以及微结构的成品率，大大增加了成本；另一方面，由电信号转变为机械频率信号，再由机械频率信号转变为电信号两次能量转换，增加了系统的损耗，降低了系统可靠性。总之，造成传感器系统复杂、易受干扰、损耗增加，严重影响了传感器系统的性能和稳定性，并且加大了传感器制造的难度和成本，阻碍了谐振式MEMS微传感器的应用和发展。而如果驱动和激励两组独立结构合二为一，就可以很好的避免以上问题，目前尚未有这方面的报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对MEMS谐振式传感器提供了一种自激振荡自检测的方法，并提供了一种谐振式MEMS微悬臂梁自激振荡自检测传感器。本发明无需使用激励和测量两组独立的结构，仅需要一个激励结构和相应的自激励自检测闭环电路，这样MEMS微结构得到简化，系统能量的损耗得到降低，从而提高了系统的性能和可靠性，抗干扰能力也得到了加强。传感器结构简化的同时，MEMS微结构的工艺流程也随之相应减少，这样系统的稳定性就提高了，而且能够有效的提高成品率，降低设计制作成本。

本发明的特征在于：

含有选频网络、滤波放大电路、相位补偿电路和驱动电路，其中：

选频网络，含有微悬臂梁、补偿电路、第一运算放大器、第一反馈电路和第二反馈电路，其中：

微悬臂梁是微机电系统(MEMS)悬臂梁结构的谐振器，用于感知外部环境的变化，把外部环境中的被测物理量或化学量转换为频率变化量，所述微悬臂梁包括：硅基底、悬臂梁结构和敏感材料层，其中：

硅基底，是用于制造微悬臂梁的硅衬底和支撑结构；

悬臂梁结构，是在所述硅基底上，使用MEMS工艺制造的一根微悬臂梁，在所述微悬臂梁的一端上沉积氧化锌压电层，在该氧化锌压电层上下分别是上电极和下电极，该氧化锌压电层和上、下电极以及悬臂梁本身共同构成悬臂梁结构，在外部环境高频噪声输入到该上下电极时，该悬臂梁结构在压电效应的作用下振动；

敏感材料层，由涂敷或沉积在所述微悬臂梁的硅基底另一端的对被检测的外部环境中的物理量或化学量起感知作用的敏感材料构成，

补偿电路，由电容C3和电阻R2依次串联构成，该电容C3但另一端接所述悬臂梁结构的上电极；

第一运算放大器，正输入端与所述补偿电路中电阻R2的另一端相连，而负输入端与所述悬臂梁结构的下电极相连，除此之外，该第一运算放大器还设有电源输入端；

第一反馈电路，由电容C2A、电阻R3A并联构成，并联后的两端分别与该第一运算放大器的选频网络输出端以及所述悬臂梁结构的下电极相连；

第二反馈电路，由电容C2B、电阻R3B并联构成，在数值上，C2A＝C2B，R3A＝R3B，并联后的两端分别接地，以及所述第一运算放大器的正输入端；

滤波放大电路，含有第二运算放大电路，其正输入端接地，所述选频网络的输出信号经过一个由电阻R4、电容C4串联构成的阻容滤波电路后，在串联一个电阻R5与该第二运算放大器的负输入端相连，该电阻R5的两端分别经过电阻R4、电容C5后共同链接到该第二运算放大电路的输出端，除此以外该第二运算放大电路还有电源输入端；

相位补偿电路，含有第三运算放大器，所述滤波放大电路的输出信号经过一个有电容C6、电阻R6串联组成的阻容滤波电路的串接点送入该第三运算放大器的正输入端，电阻R6的另一端接地，所述滤波放大电路的输出信号同时经电阻R7后送入该第三运算放大器的负输入端，该第三运算放大器的输出端还经过一个反馈电阻R8连接到该第三运算放大器的负输入端；

驱动电路，含有第四运算放大电路和限幅电路，所述相位补偿电路的输出信号经过一个由电容C7、电阻R9串联的支路后送入第四运算放大电路的正输入端，该第四运算放大电路的输出端经过一个反馈电阻R10后连接到该第四运算放大电路的负输入端，所述限幅电路由三条串联支路以及向该三条串联支路供电的电池E组成，在三条串联支路中，第一条含有相互串联的电阻R11，以及由电阻R12、电容C8组成的并联支路，第二条由电阻R13、电阻R14相串联组成，第三条由电阻R15以及由电阻R16、电容C9并联的并联支路相互串联构成，电池E的正极连接电阻R11、R13、R15，而负极和电阻R16、电容C9、电阻R14、电阻R12、电容C8相连后接地，所述第二条支路的串接点VinDC是所述限幅电路的输入端，与所述电阻R9、电容C7的串接点相连，而第一条支路的串接点VH，第三条支路的串接点VL分别于第四运算放大电路的高限位信号输入端VH、低限位信号输入端VL相连。

所述的微悬臂梁结构，也可以在所述的硅基底上先沉积下电极，然后使用MEMS工艺制造的一根微悬臂梁，在所述的微悬臂梁上再沉积上电极，该悬臂梁结构在静电力的作用下振动。

本发明经过实验证明，可实现性能优异的高灵敏度传感器，采用三乙醇胺(TEA)作为敏感材料检测二氧化硫气体，可达到10ppb(0.0029mg/m3)的超高灵敏度。

附图说明

图1是谐振式MEMS微悬臂梁自激振荡自检测传感器工作流程示意图。

图2是传感器系统结构原理示意图。

图3是传感器的MEMS微悬臂梁结构的示意图：其中5是硅结构基座；6是使用MEMS工艺制造的微悬臂梁；7是上电极，对应图4和图7中的11；8是氧化锌压电层；9是下电极，对应图4和图7中的12；10是敏感材料层。

图4是微悬臂梁谐振器的等效电路模型。

图5是微悬臂梁谐振器的等效电路模型的频率-阻抗特性曲线。

图6是传感器中用于小信号分析的差分共模原理图。

图7是按照差分供模原理搭建的选频网络，其中包含了谐振器的等效电路模型，补偿电路，偏置电路。

图8是滤波电路。

图9是相位补偿电路图。

图10是驱动电路图。

具体实施方式

一种谐振式MEMS微悬臂梁自激振荡自检测传感器，由MEMS谐振结构和相应的闭环自激振荡电路部分组成。所述的MEMS谐振结构为只有一套自激振荡自检测结构的微悬臂梁。所述的微悬臂梁是传感器感知外部环境变化的敏感结构，功能是环境中的被测物理量或者化学量，比如气体分子、环境阻尼、加速度等，转化为频率变化量。所述的闭环自激振荡电路，其特征在于包括：差模补偿网络，滤波电路，放大电路，相移电路和驱动限幅电路。

所述的闭环自激振荡回路工作时，在整个系统供电后，环境中会存在一些噪声信号，对于自激网络的一点扰动，都会使得系统很快就进入了谐振状态。在放大部分的电路后面可以引出频率信号，作为输出。由此得到了微悬臂梁的固有频率。当环境中的物理化学量改变，此如被测气体分子被敏感材料吸附，从而改变悬臂梁的质量；环境流体粘度影响阻尼状态；加速度产生应力变化等等，都能改变悬臂梁的固有频率。选频网络是一个只对谐振频率敏感的电路。采用过差分方法，当系统处于非谐振状态时，输出为零的信号。当悬臂梁进入了谐振状态，使得差分电路一支阻抗降低，因此输出了固有频率信号。选频网络的选频效果是有限的，主要是对包含谐振频率的一个此较窄的频带进行选频，还需要一个单独的有源滤波电路。然后对于这一信号进行放大。电路中的频率信号由于阻容元件的作用，相位肯定发生改变，因此要增加相移电路，保证反馈信号与固有频率相位一致，再反馈回振荡网络，系统中的信号强度要求在100mV，因此增加一个限幅环节。这样悬臂梁一直振荡在固有频率下，实现了自激振荡，同时得到的频率信号直接反应了环境的变化。

在图2中，共有4个部分。

第1部分为选频网络，包含谐振机构与补偿电路。

采用MEMS微加工技术制作的谐振机构，如前文所述有许多应用。图3所示的悬臂梁机构就是典型的并有广泛应用的谐振机构。本发明就以悬臂梁结构谐振器为例进行实施。其频率与结构关系为：

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