【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于微力传感器，具体涉及一种混合传感-驱动阵列的电容微力传感器及闭环检测电路。
技术介绍
1、微机电系统(mems)是以微加工技术和微电子技术为依托，将微小机械结构和电子电气元件结合为一体的一种先进系统。随着mems技术的快速发展和应用的不断成熟，mems传感器的各项性能已经远超传统传感器，并且具有体积小、可批量制造、成本低、功耗低、易于集成等额外优势。mems电容式微力传感器可以实现微米或纳米尺度物体上皮牛到纳牛级别外力的高精度测量，因此在微纳材料力学特性检测、形貌测量、自动化微纳操控等领域广泛应用。
2、传统梳齿阵列结构的电容传感器多采用单一类型变面积型或变间距型梳齿阵列。其中变面积型梳齿阵列结构虽然具有较好的线性度，但其灵敏度较差，不适用于生物测量场景中对微小形变和微力的测量(el mansouri b,middelburg l m,poelma r h,etal.high-resolution mems inertial sensor combining large-displacement bucklingbehaviour with integrated capacitive readout[j].microsystems&nanoengineering,2019,5(1):60；zhang h,wei x,ding y,et al.a low noise capacitive memsaccelerometer with anti-spring structure[j].sensors
3、在表征精细样品时，微力传感器和样品的相对刚度起着至关重要的作用。在微力传感器自身刚度远超过被测样品时，传感器可能会对样品造成较大的变形而传感器自身无法产生可测量的变形，导致测量精度降低并增加损坏样品的风险。传感器的刚度由器件内部支撑结构的尺寸确定，通常以增大支撑结构长度并减小宽度以增大结构柔性，然而受到微纳制备工艺和结构强度的限制，可动结构尺寸存在一定限度而无法任意更改。
4、电容检测电路作为传感器与处理器之间的桥梁，其性能优劣直接影响传感器的性能。传统检测方式使用电容电压转换电路(zhang h,wei x,jiang z.comparison study ofthree readout methods for a capacitive mems accelerometer[c]//2018ieeesensors.ieee,2018:1-4.)、电容相位转换电路(aslam m z,tang t b.a high resolutioncapacitive sensing system for the measurement of water content in crude oil[j].sensors,2014,14(7):11351-11361.)、sigma-delta调制电路(li z,xiong x,liu x,et al.design of a high precision digital interface circuit for capacitivemems accelerometers with floating point adc[j].integration,2017,59:247-254.)对载荷引起的电容变化进行读取，通过电容容值解算出传感器可动结构的运动信息，但是此类方法存在动态响应慢、易受到噪声干扰等缺点。
技术实现思路
1、为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术提出一种混合传感-驱动阵列的电容微力传感器及闭环检测电路，通过变间距型梳齿阵列和变面积型梳齿阵列的混合使用与优化设计，实现电容微力传感器灵敏度、线性度、测量范围的协同提升；同时在传感器内部设置变面积型驱动阵列，通过调整可动结构的初始位置，改变器件内变间距型梳齿的静电力及静电刚度的数值，从而对器件的有效刚度进行调节与样本刚度进行匹配；再配合面向混合传感-驱动阵列的电容微力传感器提出的一种新型闭环检测电路，使用传感阵列检测传感器可动结构受载后的运动状态信号并进行反馈，在变面积型驱动阵列中产生最佳的驱动力，从而驱动可动结构迅速且平稳地回复到初始位置，使用平稳状态的驱动电压进行输出，可以大幅提升电容微力传感器动态检测性能和检测精度，并减少传感器内部噪声及电路噪声的对微力信号检测的干扰。
2、为了达到上述目的，本专利技术采取的技术方案为：
3、一种混合传感-驱动阵列的电容微力传感器，包括通过支撑梁悬空在传感器前部的可动的质量块，支撑梁另一端固定在边框上；质量块前端延伸一个细长探针，当力信号施加在探针上时，探针可带动质量块和支撑梁在工作敏感方向上运动，探针形状、尺寸根据应用需求确定；传感器中部布置有两个以上的变间距型梳齿阵列和两个以上的变面积型梳齿阵列，动梳齿阵列布置在质量块末端的动梳齿悬臂上，相对应的定梳齿阵列固定在边框上，变间距型梳齿阵列和变面积型梳齿阵列的尺寸、数量、布置位置、组合方式根据应用需求确定；传感器末端布置有两个以上的变面积型驱动梳齿阵列，动梳齿阵列布置在驱动悬臂上，相对应的定梳齿阵列固定在边框上，变面积型驱动梳齿阵列的尺寸、数量、布置方式根据应用需求确定。
4、所述的变间距型梳齿阵列由动梳齿阵列和定梳齿阵列构成，相邻两变间距型梳齿阵列构成变间距型差分梳齿阵列，各变间距型差分梳齿阵列中，动梳齿的极板偏离相邻两定梳齿极板中心，其中一个动梳齿的电极板和相邻两个定梳齿的电极板的间距为d1、d2，与其构成差分电容的一个动梳齿的电极板和相邻两个定梳齿的电极板的间距为d3、d4，初始状态下，d1＝d3≠d2＝d4，两相邻构成变间距型差分梳齿阵列的电极板呈中心对称结构；当传感器受工作敏感方向力加载时，各动梳齿和定梳齿的间距d1、d2、d3、d4发生变化，从而导致各变间距型差分梳齿阵列的总电容发生本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种混合传感-驱动阵列的电容微力传感器，其特征在于：通过支撑梁悬空在传感器前部的可动的质量块，支撑梁另一端固定在边框上；质量块前端延伸一个细长探针，当力信号施加在探针上时，探针可带动质量块和支撑梁在工作敏感方向上运动，探针形状、尺寸根据应用需求确定；传感器中部布置有两个以上的变间距型梳齿阵列和两个以上的变面积型梳齿阵列，动梳齿阵列布置在质量块末端的动梳齿悬臂上，相对应的定梳齿阵列固定在边框上，变间距型梳齿阵列和变面积型梳齿阵列的尺寸、数量、布置位置、组合方式根据应用需求确定；传感器末端布置有两个以上的变面积型驱动梳齿阵列，动梳齿阵列布置在驱动悬臂上，相对应的定梳齿阵列固定在边框上，变面积型驱动梳齿阵列的尺寸、数量、布置方式根据应用需求确定。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述的变间距型梳齿阵列由动梳齿阵列和定梳齿阵列构成，相邻两变间距型梳齿阵列构成变间距型差分梳齿阵列，各变间距型差分梳齿阵列中，动梳齿的极板偏离相邻两定梳齿极板中心，其中一个动梳齿的电极板和相邻两个定梳齿的电极板的间距为d1、d2，与其构成差分电容的一个动梳齿的电极板和相邻两个定梳齿的
3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述的变面积型梳齿阵列由动梳齿阵列和定梳齿阵列构成，相邻两变面积型梳齿阵列构成变面积型差分梳齿阵列，各变面积型差分梳齿阵列中，动梳齿的极板处于相邻两个定梳齿的极板的中心，间距为d0，重叠区域对应的长度相等，长度为l0,两相邻构成变面积型差分梳齿阵列的电极板呈中心对称结构；当传感器受y方向力加载时，各动梳齿和定梳齿的叠区域长度l0发生变化，从而使动梳齿和定梳齿的正对面积变化，导致各差分变面积型梳齿阵列的总电容发生变化。
4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述的变面积型驱动梳齿阵列与变面积型梳齿阵列具有相同的结构，在定梳齿阵列施加直流电压，在梳齿阵列上产生静电力，静电力驱动质量块在工作敏感方向上产生正\反方向的位移,改变传感器的有效刚度，同时实现微力的闭环原位测量。
5.权利要求1所述一种混合传感-驱动阵列的电容微力传感器的闭环检测电路，其特征在于：在质量块上施加电压V1，使所有动梳齿拥有相等电势；变间距型梳齿阵列中具有相同间距变化趋势的定梳齿阵列通过导线连接，接入差分电容检测电路测量出差分电容容值；变面积型梳齿阵列具有相同面积变化趋势的定梳齿阵列通过导线连接，接入差分电流检测电路测量出电流大小；控制器综合利用两被测量解算出位置和速度信息，给出控制量的输出信号，数字可调电源根据控制器输出信号，在变面积型驱动梳齿电容阵列面积变化趋势相同的定梳齿阵列上施加电压V2/V3,产生相对应的驱动静电力，实现微力信号的闭环测量。
6.根据权利要求5所述的电路，其特征在于：差分电容检测电路输入端与定梳齿阵列连接，接入两组由运算放大器构成的前级电荷放大电路，将电容容值转换为电压信号，电压信号与激励电压V1通过锁相放大器进行解调处理，两路解调信号通过仪表放大器进行差分处理，差分信号经过低通滤波器减少传感器噪声和电路噪声的影响，滤波信号输入控制器计算出位置信息。
7.根据权利要求5所述的电路，其特征在于：差分电流检测电路检测当变面积型梳齿阵列在激励电压V1下完成充电后，动梳齿和定梳齿的正对面积再次发生变化，产生与面积变化速度成正比的感应电流，电流信号通过电流电压转换电路转换为电压信号，两路电压信号分别通过采样示波器取样出变电容面积型梳齿阵列在电容满电情况下的信号范围，将取样出的两路信号做差分处理，差分信号输入控制器计算出速度信息。
8.根据权利要求5所述的电路，其特征在于：控制器使用差分电容检测电路，差分电流检测电路的输出信号解算出传感器质量块的位置信息和速度信息，并根据传感器使用方式，采用多种类型的控制器，输出控制信号，数字可调电源根据控制器输出信号，在变面积型驱动梳齿阵列面积变化趋势相同的定梳齿阵列上施加电压V2\V3,产生相对应的驱动静电力，实现微力信号的闭环测量。
9.根据权利要求5所述的电路，其特征在于：通过在传感器上布置不同的间距、厚度、长度、数量的变间距型梳齿阵列、变面积型梳齿阵列、变面积型驱动梳齿阵列和信号检测电路中采用不同的控制器，实现不同量程，不同灵敏度，不同响应速度的微力信号闭环检测。
...【技术特征摘要】
1.一种混合传感-驱动阵列的电容微力传感器，其特征在于：通过支撑梁悬空在传感器前部的可动的质量块，支撑梁另一端固定在边框上；质量块前端延伸一个细长探针，当力信号施加在探针上时，探针可带动质量块和支撑梁在工作敏感方向上运动，探针形状、尺寸根据应用需求确定；传感器中部布置有两个以上的变间距型梳齿阵列和两个以上的变面积型梳齿阵列，动梳齿阵列布置在质量块末端的动梳齿悬臂上，相对应的定梳齿阵列固定在边框上，变间距型梳齿阵列和变面积型梳齿阵列的尺寸、数量、布置位置、组合方式根据应用需求确定；传感器末端布置有两个以上的变面积型驱动梳齿阵列，动梳齿阵列布置在驱动悬臂上，相对应的定梳齿阵列固定在边框上，变面积型驱动梳齿阵列的尺寸、数量、布置方式根据应用需求确定。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述的变间距型梳齿阵列由动梳齿阵列和定梳齿阵列构成，相邻两变间距型梳齿阵列构成变间距型差分梳齿阵列，各变间距型差分梳齿阵列中，动梳齿的极板偏离相邻两定梳齿极板中心，其中一个动梳齿的电极板和相邻两个定梳齿的电极板的间距为d1、d2，与其构成差分电容的一个动梳齿的电极板和相邻两个定梳齿的电极板的间距为d3、d4，初始状态下，d1＝d3≠d2＝d4，两相邻构成变间距型差分梳齿阵列的电极板呈中心对称结构；当传感器受工作敏感方向力加载时，各动梳齿和定梳齿的间距d1、d2、d3、d4发生变化，从而导致各变间距型差分梳齿阵列的总电容发生变化。
3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述的变面积型梳齿阵列由动梳齿阵列和定梳齿阵列构成，相邻两变面积型梳齿阵列构成变面积型差分梳齿阵列，各变面积型差分梳齿阵列中，动梳齿的极板处于相邻两个定梳齿的极板的中心，间距为d0，重叠区域对应的长度相等，长度为l0,两相邻构成变面积型差分梳齿阵列的电极板呈中心对称结构；当传感器受y方向力加载时，各动梳齿和定梳齿的叠区域长度l0发生变化，从而使动梳齿和定梳齿的正对面积变化，导致各差分变面积型梳齿阵列的总电容发生变化。
4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述的变面积型驱动梳齿阵列与变面积型梳齿阵列具有相同的结构，在定梳齿阵列施加直流电压，在梳齿阵列上产生静电力，静电力驱动质量块在工作敏感方向上产生正\反方向的位移,改变传感器的...
【专利技术属性】
技术研发人员：高文迪，崔文骥，白云飞，杨宇杰，刘德华，王路，赵立波，蒋庄德，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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