一种mems器件电容检测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微机电领域，具体而言，涉及一种MEMS器件电容检测方法。
【背景技术】
[0002]微机电(MEMSmicro-electro-mechanical system)器件具有体积小、寿命长、能耗低、易于集成以及成本低廉等特点，因而在工业、信息、航空航天、国防等领域得到了广泛的应用。
[0003]根据检测方法的不同，MEMS器件可以分为压阻式、压电式、电容式、热电偶式、光纤式、电磁式、谐振式等，其中，压阻式、压电式和电容式是目前的主流方向，而电容式MEMS器件因具有测量范围大、灵敏度高、动态响应快、稳定性好等突出优点，得到了最为广泛的应用，成为国内外各大公司和科研机构的研究重点。
[0004]电容式MEMS器件体积小的特点决定了其敏感电容的电容值非常小，一般为pF量级，而由待测物理量引起的电容变化量则更加微小，一般为fF量级甚至更小。如此小的待测量决定了电容检测方法的重要性，其灵敏度和抗干扰能力对于电容式MEMS器件的性能具有决定性的作用。在一个MEMS器件中，内部干扰一般是远大于外部干扰的。通过消灭传感器内部的干扰源，获得更高的性能，远比屏蔽它外部的干扰重要。
[0005]当待测物理量引起的电容变化的主频率比较低时，将该电容变化量调制到一个高频载波上。这样可以有效的避免电路中的Ι/f噪声对低频信号的影响。一般地，可以直接使用电信号调制该电容变化量，我们称为电调制方法，也可以使用驱动结构在与电容变化方向正交的方向上周期性往复运动的方式来使用机械信号调制，我们称为机械调制方法。电调制方法对于结构设计要求低，但存在调制波的稳定性问题；机械调制方法对于结构设计有相关的要求，但可以通过搭建自动增益控制回路来解决调制稳定性问题。就机械调制方法而言，常用的驱动方式有升频驱动，半频驱动与等频驱动等。本申请中，升频驱动指的是用于产生驱动力的驱动电压的主频率高于驱动力的主频率，半频驱动指的是用于产生驱动力的驱动电压的主频率等于驱动力主频率的一半，等频驱动指的是用于产生驱动力的驱动电压的主频率与驱动力主频率相等。
[0006]目前，电容式MEMS器件电容测量多使用交流检测方法或直流检测方法。
[0007]利用交流检测方法进行电容检测时，通常是在输入正弦激励源的作用下，利用载波调制的方法将待测电容的变化调制为正弦信号的峰值变化，再将调制后的正弦信号解调为直流信号输出。待测电容的变化由驱动控制，常用的驱动方式有等频驱动，升频驱动，半频驱动等。当采用等频驱动时，如果交流检测频率比等频驱动频率高，等频驱动的频率会被检出来，需要在后续电路处理中专门地去除，交流检测的载波需要特别地产生，载波的频率、幅值、相位稳定性难于保证。如果交流检测频率比等频驱动的频率低或者相等，那么根据香农定理，检测到的电容变化信号有效带宽也低，信号延时明显，无法作为等频驱动的依据，误差也会较大。为了分离驱动电压频率和信号频率，专利CN102136830A提出了一种升频驱动方法，专利CN1299427C提出了一种半频驱动方法。以上两种方法虽然分离了驱动电压频率和信号频率，但一方面无法避免交流检测本身的问题，交流检测的载波需要特别地产生，载波的频率、幅值、相位稳定性难于保证，从而直接影响了灵敏度；为防止对静电力有过大的影响，载波的幅值也不能做的很大，从而进一步限制了灵敏度的提升；另一方面，上述两种方法仅限于谐振式器件，未能将该驱动用于机械调制电容变化量。
[0008]利用直流检测方法进行电容检测时，虽然直流载波的幅值可以做得很大，稳定性也可以做得很高，从而避免了交流检测的弊端。但是在等频驱动的情况下，检测出的信号与驱动频率相等，同时有同频的驱动信号对检测信号进行干扰，检测信号的可靠性会非常低。同样，使用半频驱动的话，虽然抑制了常规谐振频率式驱动所带来的电信号耦合，但是，这种方法还是会将低频段的Ι/f噪声调制到谐振频率半频处，使得低频段噪声增大。
【发明内容】
[0009]本发明提供一种MEMS器件电容检测方法，通过将升频驱动和直流检测结合起来，升频驱动在频域上分离了驱动电压(高频)和信号电压(低频)，从而大大降低了驱动信号对检测信号的干扰；直流检测电压可以做的很高而不用担心对静电力的影响，其稳定性也可以做的很闻，从而极大地提闻了灵敏度。
[0010]为达到上述目的，本发明提供了一种MEMS器件电容检测方法，包括以下步骤:
[0011]提供一个或多个可变电容，每个所述可变电容包括两块平行的固定极板和位于两块所述固定极板之间的中心可动部分，所述中心可动部分平行于所述固定极板，所述固定极板平行于X轴，所述固定极板法线方向平行于Y轴，所述中心可动部分法线方向平行于Y轴；
[0012]所述可变电容中的一个或多个受静电力驱动而发生周期性变化，其中所述静电力由升频驱动方法产生，所述中心可动部分可在X轴和/或Y轴方向移动；
[0013]使用直流电压偏置检测方法检测所述可变电容中一个或多个的电容变化。
[0014]优选的，所述可变电容还受其他力驱动而发生变化。
[0015]优选的，所述其他力与所述静电力相互正交。
[0016]优选的，所述其他力的主频率不大于所述静电力的主频率的1/2。
[0017]优选的，所述其他力为以下任意一种:
[0018]引力、惯性力、压强力、静电力、热膨胀力、电磁力和机械力。
[0019]优选的，上述方法兼容梳齿硅电容式加速度计或硅微陀螺的常见方案。
[0020]本发明将升频驱动和直流检测方法结合起来，应用于MEMS器件电容测量。通过在使用驱动电压对电容测量中传感器施加的静电力时，使用升频驱动方法使得驱动电压仅存在于高频，避免干扰频率落入和检测信号相同的频带内对信号进行干扰，而在施加偏置电压来检测电容变化时，使用直流偏置检测方法，从而能够避免交流偏置检测方法所需要的高精度高带宽低噪声电路系统。通过将升频驱动和直流检测结合起来，既可以有效的避免各种交流检测的弊端，如驱动电压与检测电压之间的相互干扰，交流检测幅度、频率的稳定性对检测信号的干扰等，又可以避免等频驱动、半频驱动与直流检测结合起来的缺点。通过将升频驱动的驱动方法和直流检测的检测方法结合起来，将电容测量系统在频域上实现了驱动电压和检测信号电压的分离，从而极大的降低了 MEMS器件内部的电气干扰，并同时通过采样稳定程度极高的直流电压偏置检测方法，极大的提升了电容测量方法的测量精度。
【附图说明】
[0021]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获得其他的附图。
[0022]图1是本发明一种能实现本发明所述测量方法的基本结构及原理示意图；
[0023]图2是图1实施例中各物理量之间的变化关系示意图；
[0024]图3是将图1实施例的基本结构应用于测量引力或惯性力的示意图；
[0025]图4是将图1实施例的基本结构应用于测量压强差的示意图；
[0026]图5是将图1实施例的基本结构应用于测量电场强度的不意图；
[0027]图6是将图1实施例的基本结构应用于测量磁场强度的示意图；
[0028]图7是将图1实施例的基本结构应用于测量温度改变的示意图；
[0029]图8是图7实施例中温敏梁301的结构示意图；
[0030]图9是将图1实施例的基本结构应用于测量机械位移的不意图；
[0031]图10是另一种能实现本发明所述测量方法的基本结构及原理示意图；
[0032]图11是图10实施例中各物理量之间的变化关系；
[0033]图12是又一种能实现本发明所述测量方法的基本结构及原理示意图。
【具体实施方式】
[0034]下面将结合本发明的具体应用，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付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。
[0035]如图1所示，所述可变电容由两块固定极板101和中心可动部分102组成。所述固定极板平行于X轴，其法线方向平行于Y轴。所述中心可动部分102平行于所述固定极板，其法线方向平行于Y轴。所述中心可动部分与图中左边固定极板在Y轴方向上的距离记为dl，所述中心可动部分与图中左边固定极板在垂直于Y轴的平面上的重合面积记为SI(图中未标出)。所述中心可动部分与图中右边固定极板在Y轴方向上的距离记为d2，所述中心可动部分与图中右边固定极板在垂直于Y轴的平面上的重合面积记为S2(图中未标出)。所述中心可动部分可以在X轴方向和Y轴方向移动，其中，所述中心可动部分在Y轴方向上的移动是由待测量的改变所产生的其他力控制的，所述中心可动部分在X轴方向上的移动是由升频驱动装置401与402所产生的静电力控制的，并且其驱动频率大于所述中心可动部分在Y轴方向上的移动的主频率的两倍。所述可变电容极板上所加电位VO是由恒压源201与恒压源202 (其中一个恒压源可以设置为地电位)提供的，从而是直流检测的。整个过程中各物理量之间的变化关系如图2所示。图中Vi为所述升频驱动的驱动电压，该驱动电压Vi产生静电驱动力F，该驱动力F与所述其他力共同驱动所述可变电容产生位移X，所述位移X产生电容的变化AC，所述可变电容变化AC产生输出电压信号V0.优选的，所述输出电压信号Vo可以用来控制Vi，从而形成闭环。所述驱动电压Vi的主频率是高于所述驱动力F的主频率的，从而在整个电容测量系统中，驱动电压Vi和信号电压Vo在频域上是分离的。
[0036]从图中可以看出，(dl+d2)是不随所述中心可动部分运动而改变的常量，记为2d，同样的，(S1+S2)也是不随所述中心可动部分运动而改变的常量，记为2S。
[0037]优选的，为了理论计算的方便，当外界待测量所产生的其他力为O的时候，我们令dl=d2=d0
[0038]优选的，为了理论计算的方便，当升频驱动驱动力为O的时候，我们令S1=S2=S。
[0039]简单的电学计算可得，所述可变电容的电容可以表达为
[0040]C=K* (Sl/dl+S2/d2)(I)
[0041]式中K是一个包含了介电常数，恒压源电压VO等系统参数的带量纲的常数。<