基于峰值检测的MEMS器件微弱电容检测电路

针对MEMS器件研制中微弱信号的检测问题,提出了一种适用于电容式MEMS器件的微弱电容检测电路.此电路采用峰值检测技术,原理及结构简单;只检测待测电容的变化量,既可用于差分式检测,也可应用于单一待测电容的情况.首先利用正弦载波信号和微分电路对电容量进行载波调制,再通过减法电路得到幅值与电容变化量成比例的正弦信号,最后采用峰值检测方法解调信号,得到直流量输出.利用微小可调电容进行标定,结果表明检测电路的线性度良好,灵敏度约为3.631V/pF,精度达到0.2%.利用该检测电路检测MEMS陀螺上振动频率为2.85kHz的梳齿驱动器的电容量变化,输出信号频率为（2.85±0.02）kHz,误差低于0.7%,说明该电路能够应用于MEMS器件的微弱电容检测.     

考虑边缘效应的MEMS梳齿谐振器的静动力学特性分析

MEMS梳齿谐振器是一种高精度微机械电子元件,广泛应用在航天航空、精密测量、国防军事、通讯等领域,其静动力学问题受到研究人员的广泛关注。静电激励力是研究MEMS动力学的基础,但由于梳齿高纵深比的结构特性,其静电力存在很强的边缘效应现象。采用最小二乘法拟合了在边缘效应基础上梳齿结构静电力的模型,分析了边缘效应对MEMS梳齿谐振器动力学行为的影响。探讨了梳齿微谐振器的横向稳定性、谐振频率、软硬特性的区分标准以及线性过渡现象的参数表达式。结果表明:边缘效应模型导致系统稳定区间减小,经典模型高估了微梳齿谐振器的振动稳定性;边缘效应会导致系统固有频率的减小,软化行为增强,线性过渡电压减小;随着梳齿初始间距的增大,系统的线性过渡下的最优设计电压逐渐变大,对应谐振频率逐渐减小。     

扭摆式高g值微机械加速度计的设计优化与冲击校准

设计实现了一种扭摆式高g值微机械加速度计。微结构采用十字形扭梁减小横向效应,摆片两侧使用梳齿结构作为止档和阻尼器,6个敏感单元并联的方式提高基础电容量。有限元仿真得到表头谐振频率约为56kHz,前两阶模态分离比大于4,高过载能力10万g,微结构灵敏度为8.94E-6pF/g,基于SOG工艺流片后单侧基础电容约为3.6pF。分析了环形二极管电容检测电路的检测带宽问题,并设计了高g值加速度计的检测电路。搭建了霍普金森杆实验系统进行高g值的冲击校准,2万g范围内非线性度2%,5V供电下标度因数约为24.5μV/g。     

静电力平衡式MEMS电容薄膜真空计检测电路研究

静电力平衡式MEMS电容薄膜真空计量程宽、稳定性高,具有广阔的应用前景。测量电路是保证静电力平衡式MEMS电容薄膜真空计性能的关键因素。采用交流激励式检测方法,设计了一种微小电容检测电路,并利用软件仿真和实验测试进行验证。结果表明,该电路能够快速检测微小电容并将其转换为直流电压信号,分辨率为0.33 V/pF。此外,抗驱动电压干扰测试表明,该电路能够在1～100 V范围的直流驱动电压下正常工作,电容测量的输出电压最大标准差为0.010 249 V,并且具有优异的稳定性。     

基于梳齿矫直法的电解电容引脚矫直技术

目的由于电解电容等元器件本身的特性,在实际生产物流和包装装箱过程中容易遇到冲击和碰撞导致引脚折弯,影响产品的包装与使用,因此设计一种全自动的电容引脚矫直机构代替人工矫直,以提高生产质量和效率。方法提出一种新型的引脚梳齿矫直方法,根据梳齿矫直机构工作特性以及弹塑性矫直理论,得到引脚矫直后的中性层曲率半径以及回弹角的影响因素,并通过其参数的仿真结果对矫直机构关键部件进行设计,最后得出完整的电解电容引脚矫直机构设计方案。结果根据弹塑性理论分析及其仿真结果可知,最合适的梳齿矫直参数为梳齿间隙1 mm、梳齿厚度6 mm、摩擦因数0.1。结论此电容引脚矫直机构的矫直合格率和矫直效率均达到了实际加工生产要求。     

大位移MEMS静电梳齿驱动器的设计及制作

文章提出了一种大位移低驱动电压的MEMS静电梳齿驱动器,对器件进行了设计、模拟、制作以及测试.梳齿驱动器的侧向不稳定性即侧向吸合现象限制了梳齿驱动器的最大驱动位移,发现侧向稳定因子S,随支撑梁刚度比ky/kx以及梳齿间隙g的增加而增加,随梳齿交叠长度的增加而减小;而驱动器的驱动电压随梳齿间隙的增加而升高.在以上研究的基础上,提出了一种采用小间隙无初始交叠、长度线性递增梳齿结构和高纵/横向刚度比的预弯曲支撑梁结构的梳齿驱动器.器件测试结果表明,驱动电压71V时,可以达到100μm的驱动位移,进一步测试表明,驱动器的基模共振频率为573Hz,Q值为35.88.     

一种新型MEMS开关微驱动器研究与仿真

介绍了一种基于光致形变聚合物材料的MEMS开关微驱动器。光致形变聚合物材料在光驱动型微执行器上的应用具有体积小、结构简单、易实现遥控等特点。根据MEMS的尺寸及性能要求建立开关及微驱动器模型,并得到所需最大驱动力。通过计算得出具有一定尺寸光致形变薄膜的等效弯曲行为,并将其应用到MEMS开关微驱动器上。运用ANSYS对微驱动器及闭锁机构仿真分析,根据仿真结果对结构进行改进,确定了采用多层薄板结构的方案,以满足最大驱动力要求。     

NIM新一代二端对电容电桥装置

基于一种交流电桥自动辅助平衡方法,中国计量科学研究院(NIM)研制了新一代二端对电容电桥装置。电桥采用固定比率的感应耦合比率臂电桥,通过复用比率,用单一电桥即实现了计算电容过渡和电容10:1传递;采用一种改进的靴带法实现电桥感应比率臂比率的精确校验。该装置用于电容单位的量值复现和标准电容器的高准度量值传递。利用新一代二端对电容电桥装置,可从计算电容装置复现1 pF电容值,并实现电容 1~100 pF的十进制量值传递,电容量值传递相对标准不确定度可达5×10^-9(1592 Hz)。采用该电桥参加了10 pF和100 pF电容国际关键比对(CCEM.K4-2017),中国比对成绩优异,数据均非常接近关键比对参考值(KCRV),其中100 pF的结果最接近KCRV,与KCRV取得了很好的一致性,从而获得国际互认。     

基于非线性介电薄膜的电调滤波器优化设计

采用脉冲激光沉积(PLD)法在(001)MgO基片上制备出高质量的SrTiO3(STO)薄膜,构建了Au/STO/MgO结构的叉指电容.在77K、10KHz条件下,对叉指电容的特性进行了测试,结果表明:在40kV/cm的直流电场作用下,电容值从1.75 pF减小为1.25 pF,电容值的相对变化率为28.5%.在此基础上,根据多层介质叉指电容保角变换模型.定量计算和仿真了STO薄膜的介电常数和微波频率下叉指电容的性能参数,并由此设计了一个三阶带通滤波器,该滤波器可实现13.50%的中心频率移动.     

电容式电子测压器的边缘效应分析

为克服电容式传感器的边缘效应问题,提高电容式电子测压器的测量精度,将测压器简化成同轴柱状电容,利用Ansoft Maxwell软件对同轴柱状电容的结构参数进行仿真,主要包括内外筒的轴向长度、外筒厚度、内筒厚度、内外筒间距4个参数,通过Matlab进行数据处理,分析在不同参数下电容传感器电容的变化情况,为后续对电容式电子测压器的结构参数优化提供依据。仿真结果表明:对传感器测试性能影响较大的是内外筒的轴向长度和内外筒的间距,内外筒轴向长度越长、筒间距越小边缘效应越小;内、外筒的厚度对测量精度也有一定影响,厚度越大边缘效应影响越大。     

基于MEMS技术可植入微压力传感器的检测电路设计（英文）

为实现体内压力（如：血压、颅内压等）的实时监测,采用微机电系统（MEMS）技术制造出植入式微压力传感器.由于它是电容式传感器,在信号读取系统中,首先通过集成电路CAV414将电容信号转换为电压信号.通过理论计算和实际试验测试,微压力传感器初始电容值为15 pF.CAV414检测范围是10 pF~2 nF,检测精度为电容初始值的5%,因此在该系统中可检测到的电容最小变化量为0.75 pF,其输出电压范围为0~5 V,该电压信号可以直接作为模拟/数字转换器（ADC）的输入信号.选用ADC0809实现模拟信号向数字信号的转换.ADC0809为一款8通道8位模数转换器,通过FPGA实现对ADC0809的驱动控制.ADC0809的8位输出信号直接作为数字信号的输入,在本文试验中数字信号处理通过FPGA编程实现.     

Experimental study of the voltage coefficient of precisecompressed-gas capacitors

A study of the voltage coefficient of precise compressed-gas capacitors is described. A series of measuring methods based on the formula for calculating the voltage coefficient is presented: measuring the variations of capacitance when the capacitor is tilted in various directions to a specific angle; measuring the variations in capacitance when the capacitor is tilted in a specific direction to various angles; and measuring the variations in the coordinates of the electrodes when these electrodes are subjected to various mechanical forces, etc. These methods were used to test a 350 kV, 50 pF capacitor, and its voltage coefficient was found to be less than one part in a million from 0 kV up to 350 kV     

A New High-Speed Method of Testing Capacitors

A new high-speed method of determining the capacitance and a quantity which the writers call the pulse series resistance (PSR) of an unknown capacitor is presented. The unknown capacitor is assumed to consist of an ideal capacitor and a series resistor. The test circuit consists of a low-impedance driver, a low-loss coupling capacitor, and a wide-band high-input/low-output impedance video-type amplifier. The unknown capacitor is placed in a negative feedback loop of this amplifier. The input waveform is a trapezoid. The output waveform contains information that is indicative of the capacitance and PSR of the unknown capacitor. The information is obtained by measuring two voltages, one of which is completely independent of the other. Capacitors were measured from approximately 2 pf to 2 ?f with an accuracy of ±5 per cent. The PSR was not available for capacitors less than 100 pF because of test-circuit limitations. The capacitance and PSR of an unknown capacitor could be made available within 500 ?sec with modern voltage-measuring and calculating techniques.     

Tunable MEMS capacitors using vertical carbon nanotube arrays grown on metal lines

In this work, tunable MEMS capacitors are realized using a vertically grown carbon nanotube array. The vertical CNT array forms an effective CNT membrane, which can be electrostatically actuated like the conventional metal plates used in MEMS capacitors. The CNT membrane is grown on titanium nitride metal lines, with a Al/Fe bi-layer as buffer layer and catalyst material respectively, using chemical vapor deposition process. Two different anchor configurations are investigated. A maximum capacitance of 400 fF and maximum tunability of 5.8% is extracted from the S-parameter measurements. Using the tunable MEMS vertical array capacitor a voltage controlled oscillator (VCO) is demonstrated showing promise for integrating CNTs for communications applications.     

基于MEMS平面弹簧的微小载荷测试方法

本文提出一种微小载荷测量方法,搭建了基于MEMS平面弹簧的测量装置,主要由支撑臂、MEMS平面弹簧和激光位移探测器组成.通过激光位移探测器测量MEMS平面弹簧的微小变形,换算得到所施加的微小载荷.采用深反应离子刻蚀(DRIE)等微加工工艺制作了平面微弹簧,并对其进行理论计算和仿真模拟,给出了刚度范围,最后通过实际测量的方式进行了实验标定.结果显示:MEMS平面弹簧的标定刚度为7.88 mN/μm,其结果与理论及仿真结果较接近,测量精度可达0.08 mN.使用该装置和精密电子天平分别对10组微小质量试块进行测量,其平均误差率为5.75%.     

电容器级钽粉关键技术与开发研究

引述了Ta电容器与Al电容器、多层陶瓷电容器相比突出的性能与应用特征，分析了Ta电容器片式化、小型化促进电容器级Ta粉高比容化发展的新趋势，叙述了航空、航天和军工领域对高压电容器高可靠性能的需求，以及对中高压Ta粉向更高电压、更低SER方向发展的引领，回顾了电容器用高比容Ta粉、中高压Ta粉发展应用进程，介绍了经典氟钽酸钾（K2TaF7）金属Na还原法、电子束熔炼法、球磨片式化法生产的高比容Ta粉、高压Ta粉、中压（片状）Ta粉的性能、产品品级及关键技术，分析了30～80kμFV／gTa粉耐压性能影响因素，介绍了Ta粉高比容化、高压化新技术、装置、产品形貌、性能及优缺点，在此基础上提出了电容器级Ta粉高比容化、高压化创新进步的思路。     

用于芯片电容精确测量的在片开路方法研究

为实现芯片电容参数测量过程中的有效开路,提高在片电容测量的准确性及一致性,针对在片电容开路方法开展了研究工作。通过对标准电容器及开路器原理结构进行分析,结合半导体芯片工艺测试实际需求,设计并制作了在片开路器。在完成在片电容测试系统搭建基础上,分别利用传统悬空开路法和在片开路法对1pF量值的在片电容进行了测量。实验数据显示,同悬空开路法相比,在片开路法电容测量结果的准确性及一致性有显著提升,测量重复性可达0.01%,为芯片电容计量测试工作提供了有效开路手段。