来源：厦门大学微纳制造工程研究中心
近期，厦门大学2023级智能仪器与装备研究生刘辉在萨本栋微米纳米科学技术研究院航空航天大楼275会议室分享了题为“MEMS电容检测式传感器检测技术研究”的研究报告。
图1 智能仪器与装备研究生刘辉汇报研究进展
本次报告从四个角度展开，首先对MEMS电容式传感器进行了主要介绍，其常见结构主要为两类：平行板式电容和梳齿电容，参考图2。
图2 常见电容式传感器结构以及敏感机理
MEMS电容式传感器的应用场景十分宽广，包括惯性传感器、压力传感器、摩阻传感器等。针对此类应用，电容式方案较压电式和压阻式对温度变化更不敏感，不会有冲击零位漂移，灵敏度往往更高。但仍有以下缺点：对于平行板电容式结构，其设计和加工制备流程简单，但由于极板变形影响的边缘效应导致的电容变化非线性程度较高，无法应用于大量程测量。梳齿电容将电容极板排列成一系列齿状结构，大大降低了其非线性度，但结构设计较前者更加复杂，需要设计的要素也更多。
接着从课题组已开发设计的三类具体传感器来介绍。一是高精度谐振压力传感器，采用的是梳齿结构，只需测量压力变化的频率而不用解算具体电容变化，其变化量级为fF级；二是摩阻传感器，也是采用梳齿结构，对于浮动单元受摩阻力产生的应变转化为电容变化，其变化量也是fF量级；三是惯性传感器，其原理结构类似摩阻传感器，但所需精度更高，变化在aF量级。
对于此类fF级信号如何有效获取是此类传感器的统一难点。主要包括有微弱信号的提取、寄生电容的干扰、物理噪声的减弱。针对以上问题，计划从电路设计和结构设计入手，寻找解决方案。
图3 两类提升传感器性能的电路设计方案
通过调研文献中和市面上采用的模拟电路电容检测和数字电路电容检测方案，再主要参考了中科院微电子所薄膜真空计和清华大学静电加速度计，如图3。我们分别对摩阻传感器和电容真空计提出两套电路方案进行性能验证。
对于摩阻传感器我们采用数字检测方案，其电容检测芯片AD7747及高速数模转换器AD5621能满足comsol仿真的电容最小变化大小（约4pf），此外，由于其受寄生电容影响较大，我们创新性提出无引线封装方案，通过可伸缩金属针尖引出电信号，从而提升信噪比。
针对电容真空计，其结构为平板电容式，故测量的非线性度较高，因此我们设计一种线性化电路，利用乘法器产生高阶次信号，最后与原信号相加，补偿各种非线性影响。其具体电路图见图4。通过调节高阶信号补偿得到线性化改良的仿真结果。
图4 真空电容计电路设计方案与仿真结果
此类方案对以上电容检测问题得到了有效的解决，但仍有许多扩展改进空间，在老师的指导环节我们收获了许多宝贵意见，并将从这些方向开展进一步研究。
出席本次会议的厦门大学教师有：吴德志教授、陈松月副教授、陈沁楠副教授以及丁政茂助理教授。此外，萨本栋微米纳米科学技术研究院传感技术研究团队低年级博士、硕士研究生参加了本次会议。
