一种敏感结构初始电容测量电路及初始电容测量方法与流程

1.本发明涉及硅微机电加速度计检测技术领域，尤其涉及一种敏感结构初始电容测量电路及初始电容测量方法。


背景技术：

2.新一代武器的发展和现役武器的升级对小微化、低功耗加速度计的需求更加迫切，硅微机电加速度因其具有灵敏度高、温漂小、阻尼特性好、集成度高等优点被大量用于导航系统中，是目前武器系统实现小型化的最优选择。
3.硅微机电加速度计采用体硅加工的方式对敏感结构进行制造，此种工艺的精度较低，导致结构的一致性较差，而目前绝大部分对硅微机电加速度计功能完整性的判断，都是在贴片键线甚至是封装完成之后进行的，这导致加速度计的整体成品率较低，因此在进行后续工艺步骤之前对敏感结构的性能进行中测十分重要。目前，对于微机电加速度计有两种较为主流的中测方案：一种是利用特制的卡具配合自动或者半自动的工作平台，按照器件摆放的坐标顺序，对裸芯片进行逐一的功能测试，筛选出合格的产品进入键线贴片的环节；另外一种是通过激光测试系统，利用反射和散射理论对器件的缺陷进行光学层面上的放大，对硅mems器件的缺陷进行无损检测。但是前者操作过程复杂，不能满足大批量检测的需求，而后者需要复杂昂贵的检测设备，检测成本较高。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的问题之一，本发明提供了一种敏感结构初始电容测量电路及初始电容测量方法。
5.根据本发明的一方面，提供了一种敏感结构初始电容测量电路，敏感结构包括固定结构梳齿和可动质量梳齿，测量电路包括测试探针、载波发生电路、电荷放大电路、解调电路和滤波输出电路，测试探针包括输入探针和输出探针，输入探针和输出探针分别与固定结构梳齿和可动质量梳齿连接，载波发生电路的输出端分别与输入探针和解调电路的输入端连接，电荷放大电路的输入端与输出探针连接，解调电路的输入端还与电荷放大电路的输出端连接，滤波输出电路的输入端与解调电路的输出端连接；
6.载波发生电路用于产生具有预设频率的载波，电荷放大电路用于对输出探针输出的原始信号进行放大处理以得到放大信号，解调电路用于以载波为参考信号对放大信号进行解调以得到解调信号，滤波输出电路用于对解调信号进行滤波处理以输出表征电容的直流电压信号。
7.进一步地，载波发生电路包括agc模块以及依次连接的石英晶振模块、前置放大模块、半波整流模块和pi校正模块，agc模块的输入端与前置放大模块的输出端连接，agc模块的输出端与pi校正模块的输出端连接，石英晶振模块产生的激振信号通过前置放大模块、半波整流模块、pi校正模块和agc模块进行放大、整流、相位校正和幅值控制后形成具有预设频率的载波。
8.进一步地，电荷放大电路包括第一运算放大器、反馈电阻以及至少一个反馈电容支路，每个反馈电容支路均包括一个反馈电容和一个与之串联的控制开关，反馈电阻和至少一个反馈电容支路并联设置在第一运算放大器的两端。
9.进一步地，解调电路包括反相模块和模拟开关，反相模块的输入端与电荷放大电路的输出端连接，反相模块的输出端、电荷放大电路的输出端以及载波发生电路的输出端均与模拟开关的控制端连接，模拟开关的输出端与滤波输出电路连接。
10.进一步地，反相模块包括第二运算放大器以及阻值相等的第一电阻和第二电阻，第一电阻一端与电荷放大电路的输出端连接，另一端与第二运算放大器的反相输入端连接，第二电阻并联设置在第二运算放大器反相输入端和输出端之间，第二运算放大器的输出端与模拟开关的控制端连接。
11.进一步地，解调电路还包括比较器，载波发生电路的输出端通过比较器与模拟开关的控制端连接。
12.进一步地，滤波输出电路包括二阶无限增益低通滤波器。
13.进一步地，预设频率为30khz～100khz，反馈电阻的阻值不低于100mω。
14.进一步地，敏感结构的初始电容为其中，c
x
表示敏感结构的初始电容，c1表示反馈电容，v
fin
表示滤波输出电路输出的表征电容的直流电压信号，v
ref
表示载波幅值。
15.根据本发明的另一方面，提供了一种敏感结构初始电容测量方法，敏感结构包括固定结构梳齿和可动质量梳齿，测量方法包括：
16.将输入探针和输出探针分别与固定结构梳齿和可动质量梳齿连接；
17.利用载波发生电路产生具有预设频率的载波并且通过输入探针输入敏感结构；
18.通过电荷放大电路对输出探针输出的原始信号进行放大处理以得到放大信号；
19.通过解调电路以载波为参考信号对放大信号进行解调以得到解调信号；
20.通过滤波输出电路对解调信号进行滤波处理以输出表征电容的直流电压信号。
21.应用本发明的技术方案，提供了一种敏感结构初始电容测量电路及初始电容测量方法，该测量电路通过测试探针将敏感结构接入到测量电路中，利用载波发生电路生成具有预设频率的载波并通过输入探针输入至敏感结构中，再利用电荷放大电路对输出探针输出的原始信号进行放大处理，进而经过解调电路和滤波输出电路进行解调和滤波后输出表征电容的直流电压信号，使用时仅需利用测试探针将待测敏感结构接入电路即可快速测量出表征电容的直流电压值，根据该电压值能够计算得到相应的电容值，即敏感结构的初始电容，该电路体积小，成本低，精度高，测量速度快，操作简单，并且以这种调制解调的方式能够通过控制载波频率实现频谱迁移，避免低频噪声干扰，使测量结果更加准确，非常适合对加速度计敏感结构进行初步筛选，既能够满足大批量测量需求，又能够满足测量精度要求。
附图说明
22.所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。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。
23.图1示出了根据本发明的具体实施例提供的敏感结构初始电容测量电路的示意图；
24.图2示出了现有硅微机电加速度计敏感结构的示意图；
25.图3示出了根据本发明的具体实施例提供的测试探针与敏感结构的连接方式示意图；
26.图4示出了根据本发明的具体实施例提供的载波发生电路的示意图；
27.图5示出了根据本发明的具体实施例提供的电荷放大电路的示意图；
28.图6示出了根据本发明的具体实施例提供的解调电路的示意图；
29.图7示出了根据本发明的具体实施例提供的反相模块的示意图；
30.图8示出了根据本发明的具体实施例提供的敏感结构与电荷放大电路的连接关系示意图。
具体实施方式
31.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。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一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。
32.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
33.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
34.如图1所示，根据本发明的具体实施例提供了一种敏感结构初始电容测量电路，敏感结构包括固定结构梳齿和可动质量梳齿，测量电路包括测试探针、载波发生电路、电荷放大电路、解调电路和滤波输出电路，测试探针包括输入探针和输出探针，输入探针和输出探针分别与固定结构梳齿和可动质量梳齿连接，载波发生电路的输出端分别与输入探针和解调电路的输入端连接，电荷放大电路的输入端与输出探针连接，解调电路的输入端还与电荷放大电路的输出端连接，滤波输出电路的输入端与解调电路的输出端连接；
35.载波发生电路用于产生具有预设频率的载波，电荷放大电路用于对输出探针输出的原始信号进行放大处理以得到放大信号，解调电路用于以载波为参考信号对放大信号进行解调以得到解调信号，滤波输出电路用于对解调信号进行滤波处理以输出表征电容的直流电压信号。
36.请参考图2现有硅微机电加速度计敏感结构示意图，包括固定结构10和可动质量20，这两部分均具有一定数量的梳齿结构，梳齿长度和数量根据具体结构确定，敏感结构电容的两个极板由固定结构梳齿11和可动质量梳齿21构成。利用本发明提出的测量电路测量其初始电容时，将两个测试探针分别与固定结构梳齿和可动质量梳齿连接即可。载波的波形根据实际情况进行选用，例如可以选用正弦波、方波、三角波等波形。载波的预设频率根据待测量的敏感结构进行确定，为了避免低频噪声的干扰，本发明实施例中，载波的预设频率高于敏感结构的本振频率，例如可以选用高频载波，作为本发明的一个具体实施例，预设频率为30khz～100khz，这样能够实现频谱迁移，避免低频噪声的干扰，提升测量精度。
37.应用此种配置方式，提供了一种敏感结构初始电容测量电路，该测量电路通过测试探针将敏感结构接入到测量电路中，利用载波发生电路生成具有预设频率的载波并通过输入探针输入至敏感结构中，再利用电荷放大电路对输出探针输出的原始信号进行放大处理，进而经过解调电路和滤波输出电路进行解调和滤波后输出表征电容的直流电压信号，使用时仅需利用测试探针将待测敏感结构接入电路即可快速测量出表征电容的直流电压值，根据该电压值能够计算得到相应的电容值，即敏感结构的初始电容，该电路体积小，成本低，精度高，测量速度快，操作简单，并且以这种调制解调的方式能够通过控制载波频率实现频谱迁移，避免低频噪声干扰，使测量结果更加准确，非常适合对加速度计敏感结构进行初步筛选，既能够满足大批量测量需求，又能够满足测量精度要求。与现有技术相比，本发明的技术方案能够解决现有技术中敏感结构中测方案操作过程复杂、检测设备昂贵、不能满足大批量检测需求的技术问题。
38.作为本发明的一个具体实施例，如图3所示，待测敏感结构固定在水平面上，测试探针30的输入探针31和输出探针32均采用金属钨针，两个探针的固定端通过焊接方式固连在pcb测试板40上，测试端与待测敏感结构的上表面垂直放置并通过压力与待测结构压紧。具体地，输入探针31的尖端(测试端)与固定结构梳齿11相接触，输出探针32的尖端与可动质量梳齿21相接触，或者输入探针31的尖端与可动质量梳齿21相接触，输出探针32的尖端与固定结构梳齿11相接触。通过改变测试探针的尺寸以及测试探针之间的间隙可以同时兼容多种结构的测量任务，简单高效，此外，也可以通过在pcb测试板上焊接多个等间距或不等间距的测试探针，进一步提升对待测试结构间距的适应性，大幅提升测量效率。
39.请参考图4，本发明实施例中，载波发生电路采用完整的石英晶振闭环激振电路产生振荡正弦波，即载波发生电路包括agc模块以及依次连接的石英晶振模块、前置放大模块、半波整流模块和pi校正模块，agc模块的输入端与前置放大模块的输出端连接，agc模块的输出端与pi校正模块的输出端连接，石英晶振模块产生的激振信号通过前置放大模块、半波整流模块、pi校正模块和agc模块进行放大、整流、相位校正和幅值控制后形成具有预设频率的载波。
40.其中，前置放大模块也就是前置放大器，agc模块也就是自动增益控制器，也就是说，石英晶振模块的输出端与前置放大模块相连，放大后的信号经过半波整流模块整流，再
通过pi校正模块进行相位校正，同时通过agc模块进行幅值控制，最终输出频率和幅值固定的正弦载波，该正弦载波的固定频率为预设频率。这种通过无源晶振自激振荡的方式生成的正弦载波，其频率与石英晶体q值直接相关，频率更加稳定，通过自动增益控制器完成幅值控制，能够使载波幅度稳定。因此，可以长时间对待测敏感结构进行监测，测量误差几乎不随时间变化。
41.基于上述实施例，本发明另一实施例中，通过在载波发生电路中增加比较器、相位调节器等器件将正弦波形转换为其他波形，例如方波、三角波等，作为载波输入，以适应不同的测试需求。其中波形转换方式为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。
42.进一步地，本发明实施例中，电荷放大电路包括第一运算放大器、反馈电阻以及至少一个反馈电容支路，每个反馈电容支路均包括一个反馈电容和一个与之串联的控制开关，反馈电阻和至少一个反馈电容支路并联设置在第一运算放大器的两端。
43.请参考图5的实施例，电荷放大电路包括三个反馈电容支路，每个支路上包括一个反馈电容和一个与之串联的用于控制该支路通断的控制开关，形成包括c1、c2、c3三个反馈电容的反馈电容阵列和包括s1、s2、s3三个控制开关的控制开关阵列，三个反馈电容支路相互并联，且均一端与第一运算放大器的输入端阴极连接，另一端与第一运算放大器的输出端连接，r1为反馈电阻，也是一端与第一运算放大器的输入端阴极连接，另一端与第一运算放大器的输出端连接，测量时s1、s2、s3三个控制开关有且仅有一个为闭合状态。输出探针通过第一运算放大器的输入端阴极输入原始信号，经电荷放大电路处理后从第一运算放大器的输出端输出放大信号。其中，c1、c2、c3三个反馈电容的电容值根据测量实际情况确定，通常三者的电容值不同，这样，即可针对不同的待测敏感结构对三个反馈电容进行匹配性选用，也就是选择闭合其中一个反馈电容支路上的控制开关，从而确保测量电路正常工作，提高测量电路的通用性。通过切换反馈电容即可测量不同电容的敏感结构，操作简单，极大地提升了敏感结构的电容测量速度与精度，适用于大批量敏感结构初筛工作。此外，作为本发明的一个具体实施例，反馈电阻的阻值不低于100mω。
44.进一步地，请参考图6的实施例，载波为方波，解调电路包括反相模块和模拟开关，反相模块的输入端与电荷放大电路的输出端连接，反相模块的输出端、电荷放大电路的输出端以及载波发生电路的输出端均与模拟开关的控制端连接，模拟开关的输出端与滤波输出电路连接。作为本发明的另一个具体实施例，利用乘法器代替图6中的模拟开关，电荷放大电路输出的放大信号与载波发生电路产生的方波形载波在乘法器中相乘之后输入滤波输出电路中，其中，放大信号的频率与方波的频率相同。
45.为了适应更多形式的载波形式，如图6所示，本发明实施例中，解调电路还包括比较器，载波发生电路的输出端通过比较器与模拟开关的控制端连接。其中，模拟开关可以采用单刀双掷开关，通过此种配置方式，正弦波、三角波等形式的载波均能够通过比较器转换为方波，通过方波控制模拟开关以实现通路的选择。
46.进一步地，如图7所示，本发明实施例中，反相模块包括第二运算放大器以及阻值相等的第一电阻和第二电阻，第一电阻一端与电荷放大电路的输出端连接，另一端与第二运算放大器的反相输入端连接，第二电阻并联设置在第二运算放大器反相输入端和输出端之间，第二运算放大器的输出端与模拟开关的控制端连接。
47.此外，滤波输出电路的器件根据实际情况选用，作为本发明的一个具体实施例，滤
波输出电路包括二阶无限增益低通滤波器。可以用电压表或示波器对二阶无限增益低通滤波器的输出进行测量，获得表征电容值的直流电压值，利用该电压值即可计算出敏感结构的电容值。
48.进一步地，以图8的电荷放大电路为例说明根据直流电压值计算电容值的方法，图中c
x
表示待测敏感结构的电容，也就是敏感结构的初始电容，c1表示反馈电容，载波从待测敏感结构的in口(输入探针)输入，载波v
in
的形式为v
in
＝v
ref sinωt，电荷放大电路输出的放大信号v0为方波信号vac的泰勒展开式为开关解调或方波乘法解调后输出的解调信号v
out
为滤波后输出的直流电压信号v
fin
为由此，可以计算得出，敏感结构的初始电容为其中，c
x
表示敏感结构的初始电容，c1表示反馈电容，v
fin
表示滤波输出电路输出的表征电容的直流电压信号，v
ref
表示载波幅值。
49.根据本发明的另一方面，提供了一种敏感结构初始电容测量方法，敏感结构包括固定结构梳齿和可动质量梳齿，测量方法包括：
50.将输入探针和输出探针分别与固定结构梳齿和可动质量梳齿连接；
51.利用载波发生电路产生具有预设频率的载波并且通过输入探针输入敏感结构；
52.通过电荷放大电路对输出探针输出的原始信号进行放大处理以得到放大信号；
53.通过解调电路以载波为参考信号对放大信号进行解调以得到解调信号；
54.通过滤波输出电路对解调信号进行滤波处理以输出表征电容的直流电压信号。
55.对于本方法的相关示例性描述可以参考前述关于敏感结构初始电容测量电路的相关示例性描述，在此不再赘述。利用该方法，能够简单快速地对加工后的硅微机电加速度计敏感结构进行检测和筛选，该方法检测精度高，能够准确评估敏感结构的加工质量，提高后续工艺的成品率。
56.综上所述，本发明提供了一种敏感结构初始电容测量电路及初始电容测量方法，该测量电路通过测试探针将敏感结构接入到测量电路中，利用载波发生电路生成具有预设频率的载波并通过输入探针输入至敏感结构中，再利用电荷放大电路对输出探针输出的原始信号进行放大处理，进而经过解调电路和滤波输出电路进行解调和滤波后输出表征电容的直流电压信号，使用时仅需利用测试探针将待测敏感结构接入电路即可快速测量出表征电容的直流电压值，根据该电压值能够计算得到相应的电容值，即敏感结构的初始电容，该电路体积小，成本低，精度高，测量速度快，操作简单，并且以这种调制解调的方式能够通过控制载波频率实现频谱迁移，避免低频噪声干扰，使测量结果更加准确，非常适合对加速度计敏感结构进行初步筛选，既能够满足大批量测量需求，又能够满足测量精度要求。与现有技术相比，本发明的技术方案能够解决现有技术中敏感结构中测方案操作过程复杂、检测设备昂贵、不能满足大批量检测需求的技术问题。
57.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
58.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
59.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。