5]作为双端固定音叉谐振器4的一种优选实施方式，双端固定音叉谐振器4呈上下两个工字型组合结构，所述的驱动电极2分别设置于双端固定音叉谐振器4两侧，感应电极3分别设置于两个工字型结构的四个空腔中。
[0026]作为电荷输入极板9的一种优选实施方式，电荷输入极板9呈C型结构，其两侧末端与柔性微杠杆输入端7相对，电荷输入极板9上连接输入电极。
[0027]作为一种优选实施方式，微驱动器可动部分13 —侧与电荷输入极板9呈梳齿状親合。
[0028]作为一种优选实施方式，MEMS谐振式电荷传感器材料为单晶硅或多晶硅。
[0029]传感器的等效电路原理：
[0030]如图4所示，器件电荷输入端等效电路端口，其中8为固定电容，10为调节电容。当器件所接受的电荷量一定时，可以认为等效电容8和10上所带的电荷总数是一样的，此时调节固定梳齿电极12上的电压差，即可改变调节电容10的大小，从而改变器件内部的电压。由于控制电压与电容值在实验中表现出一一对应的关系，所以此时通过一定的计算可以获得电荷的数量。
[0031]传感器的控制方法：
[0032]1)按照图5所示电路连接方式连接电路。
[0033]2)按照图6所示框图，构建控制系统。其中谐振电路m能够捕捉并跟踪器件的固有频率，输出的电流信号经过跨阻放大器e变成了电压信号通过滤波器滤掉高频杂波后将信号输入到单片机i中，单片机获取输入的频率，与标准频段进行对比，并且恰当地控制输出二进制通过DACk转换为电压信号通过MEMS电荷传感器c的固定梳齿电极12以调整电荷传感器内部的电荷分布，使传感器所产生的电压与输出的谐振频率均在一个合适的水平。
[0034] 3)测量流程如图7所示。第一步：按照上述要求完成系统连接；第二步：需要释放电荷并将调节电容10最大值；第三步：加入待测电荷，系统通过闭环控制调节电容10的大小使系统内的电压和输出的谐振频率均处于合适的范围；第四步：将电荷传感器输出的频率和当前调节电容10的电容值经过换算即可获得所需要测量的电荷量。
[0035] 一种使用所述MEMS谐振式电荷传感器的电荷检测方法，包括如下步骤：
[0036] 谐振器固定端1、柔性微杠杆支点6、电荷输入极板9、固定梳齿电极12、支撑梁固定端17和固定电极15固定于基底；谐振器固定端1与固定电极15接地；直流偏置电压与交流驱动信号与驱动电极2连接，以驱动双端固定音叉谐振器4在谐振频率下振动；待测电荷由电荷输入极板9输入；感应信号由感应电极3输出；控制电压由固定梳齿电极12输入，用于控制微驱动器可动部分13的位置；
[0037]当电荷输入到电荷输入极板9时，在固定电容8和调节电容10之间形成电势差，根据公式V=Q/C，改变调节电容10的大小，会改变柔性微杠杆输入端7与电荷输入极板9之间的电势差。
[0038]测量的初期在固定梳齿电极12处输入最大的电压，使调节电容10处于最大值状态，将待测电荷输入电荷输入极板9,器件中所产生的电压最小，再通过调整固定梳齿电极12处的控制电压，使柔性微杠杆输入端7与电荷输入极板9之间的电势差处于预设值，从而得到足够强度的感应信号。
[0039]本实用新型所述传感器创新点在于能够调整器件的动态测量范围以获得在同等条件下较高的测量精度。所述电荷传感器的结构材料是单晶硅或多晶硅，可以基于多种加工工艺，如利用SOI (Silicon on Insulator)晶片作为衬底，在一片晶片上完成电荷传感器的结构层，降低生产成本，制作流程简单。
【主权项】
1.一种高分辨率和宽动态范围的MEMS谐振式电荷传感器，其特征在于，双端固定音叉谐振器(4)一端与谐振器固定端(1)相连，并与驱动电极(2)、感应电极(3)相耦合，另一端通过柔性微杠杆输出端(5)与柔性杠杆臂(16)相连，柔性杠杆臂(16)末端两侧末端均设有柔性微杠杆输入端(7)，柔性微杠杆支点(6)设置于柔性杠杆臂(16)上；电荷输入极板(9)一侧与柔性微杠杆输入端(7)親合形成固定电容(8);微驱动器可动部分(13) —侧与电荷输入极板(9)耦合形成调节电容(10)，另一侧设有固定电极(15)，中部两侧均设有梳齿状结构，并与驱动梳齿(14)耦合，驱动梳齿(14)与固定梳齿电极(12)相连，微驱动器可动部分(13 )的梳齿两侧均设有支撑梁(11)，靠近电荷输入极板(9 ) 一侧的支撑梁(11)上设有支撑梁固定端(17)。2.如权利要求1所述的MEMS谐振式电荷传感器，其特征在于，双端固定音叉谐振器(4)呈上下两个工字型组合结构，所述的驱动电极(2)分别设置于双端固定音叉谐振器(4)两侧，感应电极(3)分别设置于两个工字型结构的四个空腔中。3.如权利要求1所述的MEMS谐振式电荷传感器，其特征在于，电荷输入极板(9)呈C型结构，其两侧末端与柔性微杠杆输入端(7)相对，电荷输入极板(9)上连接输入电极。4.如权利要求1所述的MEMS谐振式电荷传感器，其特征在于，微驱动器可动部分(13)一侧与电荷输入极板(9)呈梳齿状耦合。5.如权利要求1所述的MEMS谐振式电荷传感器，其特征在于，MEMS谐振式电荷传感器材料为单晶硅或多晶硅。
【专利摘要】本实用新型公开了一种高分辨率和宽动态范围的MEMS谐振式电荷传感器。它包括微谐振器单元、柔性微杠杆、电荷输入极板和微驱动器四个模块，微谐振器单元一端固定，另一端与柔性微杠杆相连，柔性微杠杆与电荷输入极板间形成小电容值的固定电容，微驱动器与电荷输入极板间形成调节电容，所述的调节电容通过微驱动器的移动实现，微驱动器的移动部分与微谐振器单元共地。在输入电荷量大小不同的情况下，通过反馈控制改变调节电容值的大小，从而使电荷输入极板与柔性微杠杆之间始终保持大小合理的电势差，保证微谐振器单元输出信号强度的同时，避免了电压过高对器件的损坏，实现了高分辨率和宽动态范围的电荷测量。
【IPC分类】G01D5/24
【公开号】CN205066783
【申请号】CN201520690372
【发明人】谢金, 赵久烜, 倪晟, 丁弘, 傅立峰
【申请人】浙江大学
【公开日】2016年3月2日
【申请日】2015年9月8日