[發明專利]一種微結構位移幅度的測量方法

在審

• 申請號: 202211717239.1
• 申請日: 2022-12-29
• 公開（公告）號: CN116046148A
• 公開（公告）日: 2023-05-02
• 發明（設計）人: 劉恒;付勝華;余茂考;程思遠
• 申請（專利權）人: 南京蘇試廣博環境可靠性實驗室有限公司
• 主分類號: G01H11/06
• 分類號: G01H11/06;G01H13/00;G01R27/26
• 代理公司: 北京智行陽光知識產權代理事務所(普通合伙) 11738
• 代理人: 劉明曜

本發明公開了一種微結構位移幅度的測量方法，屬于微/納機械電子系統M/NEMS中的結構位移測量技術，該方法不需要改變靜電驅動的微納結構的工作條件，測量結果不依賴于接口電路的電學參數及調制電壓的幅度參數，能提高測量的可靠性。該方法也可以拓展測量微納機械結構中的動靜態微弱電容和微納結構的固有諧振頻率。采用了單邊帶比的測量技術，操作方法簡單，易于實現；能夠在同頻干擾下測得微納機械結構的諧振幅度，不需要后續的高通濾波器、解調、低通濾波等環節，減少了硬件的開銷；測量的結果不依賴于接口電路的電學參數及調制電壓的幅度，提高了測量方法的可靠性。

技術領域

本發明涉及屬于微/納機械電子系統M/NEMS中的結構位移測量技術，特別是一種微納機械結構振動幅度的電學測量方法。

背景技術

微納機械諧振式傳感器是通過檢測機械諧振器諧振頻率的變化來實現外部物理或化學量的測量，其特點是穩定性好、精度高，其突出的優勢是直接輸出頻率信號，傳輸過程不易失真，易與數字電路接口。

為了減小微納機械諧振式傳感器的驅動功耗及保護微納結構不被測量環境中的固體顆粒或液體所損壞，需要對微納機械諧振器進行封裝。一般多采取常壓或真空封裝，封裝的蓋板或封帽一般多用塑料、玻璃、金屬等材料。

在微納機械諧振式傳感器設計及應用中，總需要評估測量微納結構的振動幅度，振動幅度與諧振頻率相互耦合，太大的振動幅度會導致諧振頻率漂移，難以判斷到底諧振頻率的變化是由外部信息量還是振動幅度引起。目前，對微納機械結構的幅度檢測主要是通過計算機視覺結合干涉條紋來完成的，通過機械力或靜電力等激勵微結構振動，通過檢測微納結構特定位置的對應干涉條紋的移動距離來確定結構的位移。計算機視覺結合干涉條紋的測量方法一般在潔凈間完成，將待測試結構固定在封裝基座上，微結構沒有蓋板或封帽，這主要是由于無論是透明的還是不透明的蓋板及封帽，均影響干涉條紋的顯示。這樣的測量環境要求與目前的微結構封裝振動條件不一致，主要表現在品質因數不同，所以基于計算機視覺結合干涉條紋的測試方法難以達到不失真測試要求。

靜電激勵廣泛應用于微納結構的驅動中，在驅動微納結構諧振時，總是要求品質因數盡可能大，減小驅動功耗，同時在同等靜電驅動力下，希望振動的幅度越大，減小信號拾取電路設計的難度，所以目前多采用真空封裝。在靜電驅動真空封裝的微納機械諧振式傳感器中，微納結構總處在諧振狀態，需要評估高速振動結構的諧振位移。目前基于電學方法的諧振位移測量主要是通過靜電力激勵微納結構，微納結構在靜電力作用下做正余弦振動，在振動過程中，檢測電容由開始時的靜態變換為動態，接口電路將電容轉換為電流或電壓，通過檢測的電流或電壓結合相關電學參數來確定微納結構諧振幅度。南京信息工程大學劉恒(劉恒、劉清惓、張加宏、李敏電容式MEMS器件微弱電容檢測裝置南京信息工程大學CN：202502163U)設計了一種動靜態微弱電容檢測裝置，在考慮了驅動端到檢測端的同頻干擾條件下，通過電荷放大器將電容信號轉換為電壓信號，再利用高頻方波對動靜態電容信號進行調制，經過高通濾波器后接著利用同頻方波和模擬開關進行解調，后續再經過低通濾波器得到動靜態電容對應的電壓信號。根據電壓信號幅度、接口電路電學參數并結合檢測電容微結構的尺寸參數就可以得到微結構的諧振幅度。在測試過程中，諧振幅度的計算受電荷放大器、高通濾波器、低通濾波器及模擬開關等參數的影響，在上電后，模塊中的電阻、電容等參數會隨溫度發生變化，計算結果的準確性受到嚴重影響。

分析可知，基于計算機視覺和干涉條紋結合的測試方法由于封裝蓋板或封帽的影響，難以實現封裝下的微納機械結構的諧振幅度測量。基于調制解調的電學測量方法雖然能達到評估諧振幅度的作用，但測量的結果受電學參數變化的影響性比較大。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是：針對現有的微納機械結構諧振幅度測量方法的不足，提出了一種新型的基于單邊帶比的振動幅度電學測量方法，該方法不需要改變靜電驅動的微納結構的工作條件，測量結果不依賴于接口電路的電學參數及調制電壓的幅度參數，能提高測量的可靠性，該方法也可以拓展測量微納機械結構中的動靜態微弱電容和微納結構的固有諧振頻率。