专利名称：Mems器件微流量流速检测中寄生电容干扰信号的抑制方法
技术领域：
本发明涉及MEMS器件微流量测量技术领域，更具体的说是涉及一种针对MEMS器件微流量流速检测中寄生电容干扰信号的抑制方法。
背景技术：
MEMS器件是在硅等半导体基底材料上制作而成的微小结构腔体，可形成基于压电、静电、磁致伸缩及热电等效应工作的微传感器和微驱动器，它兼具信号处理功能、对外部世界的感知功能和作用功能，被广泛用作压力传感器、温度传感器、加速度计、微泵、微阀、微开关及药物微喷等多个领域。随着MEMS加工中硅-硅或硅-玻璃键合工艺的不断成熟与发展，推动了MEMS器件微结构的研究，即利用上、下腔体键合构成微结构，其中上腔膜可形成微驱动结构，下腔体内可具有各种能形成射流的槽道结构，上腔膜的振动迫使微腔内的流体沿下腔槽道流动形成微射流，该微射流的流量及流速可由设置于腔体适当位置的检测丝如热敏铂丝来测量。该类MEMS器件在流量传感器、加速度计等方面已有应用，它占用面积很小，使用方便，但容易在检测丝与半导体基底之间形成寄生电容，干扰待测信号的有效输出，甚至导致检测失败。寄生电容的影响随MEMS微腔体结构中电极之间的窄小化以及应用频率的高频化将愈加显著。为能获得更为有效、更精确的检测结果，必须要抑制寄生电容的干扰。MEMS器件流量检测中寄生电容的产生及影响往往取决于基底及检测丝的材料以及信号检测丝的设置位置及设置方式等。目前，有关MEMS微腔体结构流量测量中的寄生电容分析及抑制方法尚未见诸报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题提供一种MEMS器件微流量流速检测中寄生电容干扰信号的抑制方法。
本发明采用的技术方案一种针对MEMS器件微流量流速检测中寄生电容干扰信号的抑制方法，适于两腔键合的压电驱动硅基微流量传感结构，通过对所述结构中Si-Pt平行板电容分析及其对交变方波驱动的输出响应分析，确定寄生电容产生于两腔键合处的上腔基质硅与检测热敏铂丝之间，找出通过压电驱动电极的适当连接来抑制寄生电容的有效方法，包括下列步骤 a.基于Si-Pt平行板电容分析寄生电容，其计算式为 式中，ε0-真空介电常数， εr-绝缘层SiO2的相对介电常数， d-绝缘层SiO2的厚度，亦即上腔基质硅与热敏检测丝间距， S-热敏铂丝与下腔硅基质间有效正对面积； b.基于等效电路、叠加原理及微分电路分析寄生电容对交变方波驱动的输出响应，寄生电容对交变方波驱动的输出响应Uout为 式中，Udrive-方波输入的驱动电压， τ-电路时间常数τ，可根据下式计算 其中，RPt-热敏检测丝的电阻， R1、R2、R3-输出桥路的三个固定电阻； 通过上述计算可知，所述寄生电容的干扰波形主要由所述电路时间常数τ及驱动方波脉冲宽度T/2的大小决定若τ＞＞T/2，电容器充、放电很慢，驱动电压主要加在热敏电阻两端，则响应波形与驱动源方波很相近；若τ＜＜T/2，电容器充放电很快，故在热敏电阻两端形成正负尖脉冲输出； 针对所述的Si-Pt寄生电容，使压电上电极与驱动电源正极相连，压电下电极与驱动电源接地负极相连，可有效地抑制所述的寄生电容。
本发明的有益效果分析可知压电驱动硅基微流量传感结构寄生电容的干扰波形主要由电路的时间常数τ及驱动方波脉冲宽度T/2的大小决定若τ＞＞T/2，电容器充、放电很慢，驱动电压主要加在热敏电阻两端，则响应波形与驱动源方波很相近；若τ＜＜T/2，电容器充放电很快，故在热敏电阻两端形成正负尖脉冲输出。所以，本发明将压电上电极与驱动电源正极相连，压电下电极与驱动电源接地负极相连，可基本避免Si-Pt寄生电容的形成，有效抑制寄生电容的影响。
图1是压电驱动硅基微流量传感结构示意图及寄生电容的形成示意图； 图2是下腔Si基质-热Pt铂丝平行板电容示意图； 图3是热敏铂丝的形状及尺寸示意图； 图4是寄生电容的形成条件及其等效电路示意图； 图5是寄生电容的等效叠加电路示意图； 图6是寄生电容干扰的方波响应仿真结果示意图； 图7是实测获得的方波输出响应信号图； 图8是寄生电容的抑制方法示意图； 图9是采用抑制连接后的实测方波输出响应信号图。
图1的编号名称对应表 图2的编号名称对应表 图4和图8的编号名称对应表
具体实施例方式 下面通过附图和实施例对本发明进一步详细描述，如图1针对压电驱动硅基微流量传感示意结构，其在流量检测过程中的寄生电容干扰产生于上、下两腔键合处，即上腔硅基质4和热敏铂丝6之间所形成的以SiO2为绝缘介质5的平行板寄生电容，所述的Si-Pt平行板电容如图2所示，因此，所述寄生电容计算式为 式中，ε0-真空介电常数； εr-绝缘层SiO2的相对介电常数； d-绝缘层SiO2的厚度； S-热敏铂丝与下腔硅基质间有效正对面积。
根据等效电路、叠加原理及微分电路等，分析所述寄生电容对交变方波驱动的输出响应。获得计算方法中所述的电路时间常数τ为 式中，RPt-热敏铂丝的电阻； R1、R2、R3-输出桥路的三个固定电阻，均取与热敏铂电阻相同的阻值。
计算方法中所述寄生电容对交变方波驱动的输出响应Uout为 式中，Udrive-方波输入的驱动电压。
通过上述计算可知，压电驱动硅基微流量传感示意结构寄生电容的干扰波形主要由所述电路时间常数τ及驱动方波脉冲宽度T/2的大小决定 1、若τ＞＞T/2，电容器充、放电很慢，驱动电压主要加在热敏电阻两端，则响应波形与驱动源方波很相近； 2、若τ＜＜T/2，电容器充放电很快，故在热敏电阻两端形成正负尖脉冲输出。
基于上述分析，本发明针对压电驱动硅基微流量传感示意结构流量检测中寄生电容采取的抑制方法如图8所示，是将压电上电极11与驱动电源正极相连，压电下电极12与驱动电源接地负极相连，采用所述连接方法可基本避免Si-Pt寄生电容的形成，有效抑制寄生电容的影响。
实施例 图1用于说明压电驱动硅基微流量传感示意结构的流量检测中寄生电容的产生及区域，该流量传感示意微结构是基于硅-玻璃键合工艺构成的，其中上腔膜的振动采用压电膜片进行驱动，下腔体内具有能形成射流的槽道结构，因与寄生电容分析无关，此处没有给出具体槽道结构。上腔膜的振动迫使微腔内的流体沿下腔槽道流动形成微射流，射流流速的热敏检测铂丝6设置于上、下腔体键合处，其寄生电容主要产生于上、下腔体键合处的上腔基质硅4与检测热敏铂丝6之间，考虑到如下特点 (1)压电驱动的下电极3与上腔硅膜4间无绝缘层，施加于压电片上的交变电压可传导至上腔硅基质中； (2)上腔硅基质4与热敏铂丝6相互平行设置； (3)微传感结构上腔内壁覆有SiO2绝缘涂层5，且绝缘层很薄，仅有
因此，当沿压电片法线方向施加交变驱动电压时，在上、下两腔体键合处，上腔硅基质和热敏铂丝之间可能会形成以SiO2为绝缘介质的平行板寄生电容。图2用于寄生电容的具体分析及计算，其中上腔基质硅8为寄生电容上极板，热敏铂丝10为下极板。则根据平行板电容的定义可知所述压电驱动硅基微流量传感示意结构的寄生电容C为 式中，ε0-真空介电常数； εr-绝缘层SiO2的相对介电常数； d-绝缘层SiO2的厚度； S-热敏铂丝与下腔硅基质之间的有效正对面积，主要取决于热敏铂丝的形状及尺寸。
本发明实施实例所涉及的微结构中检测铂丝的形状及尺寸如图3所示，热敏铂丝与下腔硅基质间的正对面积为2(a0×b)，而每一a0×b面积是由十根等间距分布的细铂丝组成，细铂丝间距与细铂丝宽度相同，因此实际有效正对面积S为 将实施实例的具体材料常数及材料几何参数ε0＝8.85×10-12F/m、εr＝3.9、
a＝1500μm、a0＝965μm、b＝380μm等代入式(1)中，可计算获得实施实例寄生电容
由式(1)可知，若两极板间距亦即所述SiO2绝缘层9的厚度d很微小时，将形成电容效应。在压电驱动硅基微流量传感示意结构中，SiO2绝缘层9的厚度d仅为
因此会受到较大寄生电容的干扰。
另外该微结构密封腔体内用于敏感气体流动效应的裸漏铂丝与其上腔硅膜4间距离为10μm，其值远远大于绝缘层SiO2的厚度，因此可忽略裸漏铂丝与所述上腔硅膜4间的寄生电容。
图4及图5采用等效电路及叠加原理分析寄生电容的形成条件及方波驱动的输出响应。在图1压电驱动硅基微流量传感示意结构中外加电场的方向决定着寄生电容存在与否。若将压电下电极12与驱动电源正极相连，压电上电极11与驱动电源接地负极即相连，则外加交变电压的周期性变化将传导至上腔硅基质，于是硅与热敏铂丝间构成平行板电容，驱动电源的周期性交变经由硅基质通过寄生电容耦合于热敏铂丝电阻两端，经电桥输出驱动源信号的干扰响应。
为获得寄生电容对交变方波驱动的响应，根据叠加原理对如图4所示的寄生电容等效电路进行分析。寄生电容的等效叠加分析如图5所示。根据图4及图5可知，交变方波驱动的最终响应输出Uout为 Uout＝Uout1+Uout2(2) 对于单臂直流桥式电路，其供电电源为Usupply，则有相应输出Uout1 式中，RPt-热敏铂丝的电阻； R1、R2、R3-输出桥路的三个固定电阻，均取与热敏铂电阻相同的阻值。
将R1＝R2＝R3＝RPt＝R＝245Ω，Usupply＝12V代入式(3)可得，此处Uout1＝0。
若暂不考虑热敏铂丝上的气体流动效应影响，根据微分电路分析可知，相应于交变方波输入Udrive，热敏铂丝两端电压UPt为 式中，τ-电路时间常数，可由下式计算获得 故交变方波输出响应Uout2为 于是由式(3)及式(6)有最终输出响应Uout 将所计算的实施实例寄生电容C实代入式(5)可计算电路时间常数τ为
由式(7)可获得实施实例寄生电容对交变方波驱动的输出响应Uout为 根据计算结果可知，实施实例寄生电容等效电路的时间常数τ仅为18.6ns，对于驱动频率为105kHz以下的方波输入，其输出均为正负尖脉冲响应。
图6是根据实施实例寄生电容的分析及计算结果，对驱动电压幅值为10V、驱动频率为500Hz的方波驱动响应进行的仿真，该方波脉冲宽度为1ms，τ＜＜T/2，实施实例形成的寄生电容器充放电很快，因此在热敏电阻两端应形成正负尖脉冲输出，输出响应的仿真波形，与如图7所示的实际检测到的方波驱动输出响应的波形完全相符，两者在量值上存在一定偏差，实测的方波驱动输出响应脉冲峰值较仿真的方波驱动输出响应脉冲峰值要小，可能是实测电路中存在一定的幅值衰减等原因。实施实例计算与实测结果的对比表明，在压电驱动硅基微流量传感示意结构的流量检测中，所检测到与方波驱动信号同频的正负向周期交变尖脉冲主要由该内部结构的寄生电容所引起，所进行的寄生电容分析方法正确，计算结果合理。
图8更具体的说明了本发明抑制寄生电容的方法，将压电上电极11与驱动电源正极相连，压电下电极12与驱动电源接地负极相连，所述微结构由于工艺原因在其压电下电极12与上腔基质硅之间无绝缘层，相当于上腔基质硅也与驱动电源接地负极相连，同时热敏电阻有一端在输出桥路中与桥路供电电源接地负极相连，所以理论上热敏电阻与上腔基质硅之间不能构成平行板电容。
图9是依据如图8所示的寄生电容抑制方法连接屏蔽寄生电容后检测到的方波驱动输出响应信号，该实施实例的正负尖脉冲输出响应的峰值从3.92V降为0.96V，所分析的寄生电容得到了有效抑制。
所述内容仅为本发明构思下的基本说明，而依据本发明的技术方案所作的任何等效变换，均应属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种针对MEMS器件微流量流速检测中寄生电容干扰信号的抑制方法，适于两腔键合的压电驱动硅基微流量传感结构，通过对所述结构中Si-Pt平行板电容分析及其对交变方波驱动的输出响应分析，确定寄生电容产生于两腔键合处的上腔基质硅与检测热敏铂丝之间，找出通过压电驱动电极的适当连接来抑制寄生电容的有效方法，包括下列步骤
a.基于Si-Pt平行板电容分析寄生电容，其计算式为
式中，ε0-真空介电常数，
εr-绝缘层SiO2的相对介电常数，
d-绝缘层SiO2的厚度，亦即上腔基质硅与热敏检测丝间距，
S-热敏铂丝与下腔硅基质间有效正对面积；
b.基于等效电路、叠加原理及微分电路分析寄生电容对交变方波驱动的输出响应，寄生电容对交变方波驱动的输出响应Uout为
式中，Udrive-方波输入的驱动电压，
τ-电路时间常数τ，可根据下式计算
其中，RPt-热敏检测丝的电阻，
R1、R2、R3-输出桥路的三个固定电阻；
通过上述计算可知，所述寄生电容的干扰波形主要由所述电路时间常数τ及驱动方波脉冲宽度T/2的大小决定若τ＞＞T/2，电容器充、放电很慢，驱动电压主要加在热敏电阻两端，则响应波形与驱动源方波很相近；若τ＜＜T/2，电容器充放电很快，故在热敏电阻两端形成正负尖脉冲输出；
针对所述的Si-Pt寄生电容，使压电上电极与驱动电源正极相连，压电下电极与驱动电源接地负极相连，可有效地抑制所述的寄生电容。
全文摘要
本发明公开了一种针对MEMS器件微流量流速检测中寄生电容干扰信号的抑制方法是将压电上电极与驱动电源正极相连，压电下电极与驱动电源接地负极相连，可基本避免Si-Pt寄生电容的形成。在实施例中采用本发明所述寄生电容抑制方法连接屏蔽寄生电容后检测到的方波驱动输出响应信号正负尖脉冲输出响应的峰值从3.92V降为0.96V，寄生电容得到了有效抑制。
文档编号G01F1/56GK101329190SQ20081004082
公开日2008年12月24日 申请日期2008年7月22日 优先权日2008年7月22日
发明者李丽伟, 荣 朱, 周兆英, 任建兴 申请人:上海电力学院