I2形MEMS諧振器的電阻差分檢測方法*

熊 壯,唐 彬

(中國工程物理研究院電子工程研究所,四川 綿陽 621999)

?

I2形MEMS諧振器的電阻差分檢測方法*

熊 壯*,唐 彬

(中國工程物理研究院電子工程研究所,四川 綿陽 621999)

為克服I2形MEMS諧振器輸入端(熱執(zhí)行)與輸出端(壓阻敏感)直接耦合所造成的輸出信號品質(zhì)較差的缺點,設計并制作了一種電阻差分檢測電路。該電路通過外接電阻的方法,產(chǎn)生與輸出信號中耦合成分幅值相同、相位相反的差分信號。將差分信號與諧振器輸出信號相組合,從而實現(xiàn)解耦的目的。實驗結果表明,電阻差分檢測可有效消除了輸出信號中的耦合成分,使頻譜響應曲線得到更直觀的體現(xiàn)。與其他消除耦合信號的技術方案相比(混頻檢測電路、惰性諧振器等),電阻差分檢測法電路設計簡單,無需改動器件的加工工藝,有利于滿足未來器件小型化要求。

MEMS諧振器;差分檢測;熱執(zhí)行;壓阻敏感

熱執(zhí)行是微機電傳感器領域中主要使用的執(zhí)行方式之一。與靜電執(zhí)行與壓電執(zhí)行相比,熱執(zhí)行具有較大的執(zhí)行力、低驅(qū)動電壓以及加工工藝簡單等優(yōu)勢而成功應用于慣性傳感、流量傳感以及紅外傳感等領域[1-5]。近年來,Rahafrooz等人將熱執(zhí)行與壓阻敏感原理相結合,成功突破了熱執(zhí)行器件諧振頻率低的難題,研制出了諧振頻率可達60 MHz的MEMS諧振器,為該類器件在射頻(RF)領域的應用打下基礎[4-9]。作者曾利用文獻[8]中所提出的I2形諧振器高諧振頻率、高品質(zhì)因數(shù)(Q值)以及橫向振動幅度穩(wěn)定等特點,成功將I2形諧振器改造成原子力顯微鏡的探針,并實現(xiàn)了成像實驗[10]。

然而,受I2形諧振器結構限制,輸入信號與輸出信號直接耦合,導致其輸出信號品質(zhì)較差,諧振特性無法通過直接測量獲得?，F(xiàn)階段消除耦合現(xiàn)象,主要可采用軟解耦(De-Embedding)、混頻檢測電路[11]或者“惰性”諧振器(Inactive Cesonator)[12]等技術手段。然而,軟解耦需要對實驗數(shù)據(jù)進行復雜的運算,且容易引入誤差?；祛l檢測電路采用頻譜搬移的設計方法,把包含在高頻信號中的有效信息搬移到低頻端來進行信號處理,可完整的過濾耦合信號。然而該方法需要較多的電子元件,不利于對檢測電路噪聲的控制?！岸栊浴敝C振器方法采用差分原理,在器件層面上對耦合信號進行消除。然而該方法需要在硅片上針對每一個I2形諧振器加工額外的惰性諧振器,增加了器件制作的難度,不利于器件的小型化。

基于以上考慮,本文提出一種設計和操作均簡單的電阻差分檢測方法,以求實現(xiàn)消除耦合成分的目標。論文第1部分介紹I2形諧振器的工作原理;第2部分介紹作者提出的電阻差分檢測電路設計思路與工作原理。第3部分介紹直接檢測方法與壓阻差分檢測方法的對比試驗研究。

1 I2形諧振器工作原理

I2形諧振器由兩根平行的驅(qū)動梁與兩塊正方形熱容器組成(圖1(a)),振動模式為沿驅(qū)動梁長度方向的伸縮模式,支撐點位于振動節(jié)點處。需指出,圖1(a)所示諧振器包含針尖部分,用于滿足AFM成像需求,針尖部分不會對諧振器工作原理產(chǎn)生影響。I2形諧振器采用熱執(zhí)行與壓阻敏感的換能方法(圖1(b))。熱執(zhí)行的原理是在諧振器支撐點兩端施加電壓,產(chǎn)生回路電流。驅(qū)動梁有較大的電阻和熱阻,電流通過時產(chǎn)生的電阻熱使其溫度升高,產(chǎn)生的熱量將流向溫度較低的熱容器。當施加信號為交流激勵信號時,驅(qū)動梁與熱容器之間將產(chǎn)生周期性熱量對流效應,從而激發(fā)驅(qū)動梁的伸縮振動模式。另一方面,驅(qū)動臂的伸縮形變會造成其電阻率的周期性變化(單晶硅材料的壓阻效應),進而產(chǎn)生時變輸出電流。

圖1 I2形諧振器

2 電阻差分檢測電路的設計思路與工作原理

由于I2形諧振器的熱執(zhí)行與壓阻敏感過程共同使用由驅(qū)動梁構成的電路回路(圖1(b)),因此施加在諧振器兩端的激勵信號(VAC)會在輸出端產(chǎn)生耦合信號IAC0。該信號與壓阻輸出信號IAC疊加,影響了有用信號IAC的品質(zhì)?？紤]到諧振器的電阻值可通過測量獲得,為此本研究提出差分檢測原理,通過利用反相激勵信號-VAC與外接電阻(該電阻具有與諧振器電阻相同的阻值)的方法產(chǎn)生振幅相同、相位相反的耦合信號-IAC0,從而與諧振器輸出信號中的耦合信號IAC0相互抵消,實現(xiàn)去除耦合的思路,力求檢測電路的設計簡單有效。

差分檢測電路由信號發(fā)生器、組合放大器、鎖相環(huán)以及電阻構成(圖2)。首先在支撐點兩端施加直流偏壓VDC。其次信號發(fā)生器產(chǎn)生振幅相同,相位相反的激勵信號±VAC(為控制信號源中可能產(chǎn)生的相位誤差,±VAC在實驗前均通過示波器進行校正)。其中VAC用于激勵諧振器,產(chǎn)生了壓阻輸出信號IAC和耦合信號IAC0。反相信號-VAC則通過一段具有與諧振器阻值相同的電阻Rp,進而產(chǎn)生反相耦合信號-IAC0。兩路信號通過組合放大模塊后,耦合信號相互抵消,壓阻輸出信號IAC被轉(zhuǎn)換成電壓信號后流向鎖相環(huán)。整個檢測系統(tǒng)通過計算機控制完成,由信號發(fā)生器處采集頻率信息,并從鎖相環(huán)中收集有效振幅以及相位信號。

圖2 I2形諧振器的電阻差分檢測方法

3 直接檢測方法與壓阻差分檢測方法的對比試驗研究

圖1(a)所示I2形諧振器,分別采用直接檢測方法與電阻差分檢測方法,進行對比試驗研究。該諧振器(硅材料)驅(qū)動梁長200 μm,寬10 μm,正方形熱容器長100 μm,探針長150 μm,寬10 μm。通過ANSYS仿真分析可獲得該諧振器的伸縮模態(tài)諧振頻率,約為5.4 MHz。

3.1 I2形諧振器的直接檢測方法

I2形諧振器的直接檢測方法如圖3所示。支撐點兩端施加的直流偏壓(VDC)用于在諧振器中產(chǎn)生直流電流(IDC)。網(wǎng)絡分析儀輸出端產(chǎn)生的交流激勵信號(VAC)可通過熱效應將諧振器激發(fā)到振動模態(tài)。驅(qū)動臂的伸縮形變使電阻率產(chǎn)生變化,造成直流電流IDC的周期性浮動(壓阻信號IAC),并最終流向網(wǎng)絡分析儀的輸入端。

圖3 I2形諧振器的直接檢測方法

圖4 通過直接檢測方法獲得的I2形諧振器輸入功率為10 dBm(相當于1.4 V VAC),直流偏壓VDC為3 V

圖4為該諧振器在空氣中直接測量所得的頻譜響應曲線。輸入功率為10 dBm(VAC為1.4 V),直流偏壓為3 V。由于耦合信號IAC0的干擾,導致諧振峰反向,相位曲線失真。僅可從曲線中獲取該器件的諧振頻率(5.47 MHz),而無法直接計算器件的Q值。根據(jù)耦合信號的輸出功率,可推導出耦合電流約為1.1 mA。通過計算VAC和IAC0的比值,可得出該諧振的電阻值Rp,約為1.3 kΩ。

為獲取I2形諧振器準確的頻譜響應曲線,需采用軟解耦(De-Embedding)計算方法對輸出信號的數(shù)據(jù)進行處理。具體方法為:根據(jù)圖4中的振幅與相位數(shù)據(jù),計算輸出信號的實部與虛部;根據(jù)理想的頻譜響應曲線的特性,采用在諧振峰處虛部為零、離諧振峰最遠處實部最小的校正方案對數(shù)據(jù)進行處理,進而得到該器件真實的諧振特性曲線。圖5為經(jīng)過軟解耦計算后的頻率響應曲線,可大致計算處該器件的Q值,約為4000。

圖5 通過De-Embedding計算輸入功率為10 dBm(相當于1.4 V VAC),直流偏壓VDC為3 V

3.2 I2形諧振器的電阻差分檢測方法

根據(jù)圖2所示原理,使用信號發(fā)生器、組合放大器、鎖相環(huán)以及外接電阻(根據(jù)3.1節(jié)中采取的測量方法,該電阻值為1.3 kΩ)構成的差分檢測電路與I2形諧振器連接,進行測試。圖6為利用電阻差分方法獲得的頻譜響應曲線,其中激勵信號VAC為0.9 V,直流偏壓VDC為3 V?？梢?振幅與相位中的耦合信號IAC0被有效消除,輸出信號的品質(zhì)得到有效提高,無需采用軟解耦計算便可獲取該器件的諧振特性。根據(jù)圖6(a)所示,該器件的Q值為4000,與直接檢測并通過軟解耦計算后的結果一致。需指出,軟解耦的方法雖然不用對檢測電路進行改進,但需要對實驗數(shù)據(jù)進行后期處理,增加了實驗工作的難度,并且難以估計計算過程中所產(chǎn)生的誤差。電阻差分檢測法使器件的頻譜響應得到更為直觀的體現(xiàn),測量數(shù)據(jù)更為可靠。另外,與混頻電路檢測方法相比,電阻差分檢測法的電路設計較為簡單,有利于對輸出信號中噪聲的控制;與“惰性”諧振器方法相比,電阻差分檢測法不會增加器件的工藝加工難度,有利于進一步實現(xiàn)器件的小型化。

圖6 通過差分檢測方法獲得的I2形諧振器激勵信號VAC為0.9 V,直流偏壓VDC為3 V

4 結論

①電阻差分方法可有效消除I2形諧振器在實際應用中輸出信號和輸入信號間的耦合現(xiàn)象,使器件的頻譜響應特性得到更為直觀的體現(xiàn)。

②與軟解耦方法相比,電阻差分法避免了計算過程中誤差的產(chǎn)生,實驗數(shù)據(jù)更為可靠;與混頻電路與“惰性諧振器”方法相比,電阻差分方法電路的結構與操作均簡單,更適合器件小型化要求。

③電阻差分方法可為基于熱執(zhí)行/壓阻敏感一類MEMS諧振器提供簡單有效的檢測手段。

[1] Dauderstadt U A,de Vries P H S,Hiratsuka R,et al. Silicon Accelerometer Based on Thermopiles[J]. Sensors Actuators A,1995,46:201-204.

[2]Chen J,Liu C. Development and Characterization of Surface Micromachined,Out-of-Plane Hot-Wire Anemometer[J]. Journal of Microelectromechanical System,2003,12(6):979-988.

[3]Zhao Y,Mao M,Horowitz R,et al. Optomechanical Uncooled Infrared Imaging System:Design,Microfabrication,and Performance[J]. Journal of Microelectromechanical System,2002,11(2):136-146.

[4]沈桂芬,張宏慶,姚朋軍. 微機電系統(tǒng)的研究與分析[J]. 傳感技術學報,2004,3(1):168-171.

[5]楊勇,常洪龍,謝中建,等. 基于間斷性腐蝕法的鉑熱敏傳感器的研制[J]. 傳感技術學報,2012,25(10):1365-1369.

[6]Rahafrooz A,Pourkamali S. Fabrication and Characterization of Thermally Actuated Micromechanical Resonators for Airborne Particle Mass Sensing:Ⅰ. Resonator Design and Modeling[J]. Journal of Micromechanics and Microengineering,2010,20(12):125018,1-10.

[7]Hajjam A,Wilson J C,Rahafrooz A,et al. Fabrication and Characterization of Thermally Actuated Micromechanical Resonators for Airborne Particle Mass Sensing:Ⅱ. Device Fabrication and Characterization[J]. Journal of Micromechanics and Microengineering,2010,20(12):125019,1-10.

[8]Rahafrooz A,Pourkamali S. High-Frequency Thermally Actuated Electromechanical Resonators with Piezoresistive Readout[J]. Transactions on Electron Devices,2011,58(4):1205-1214.

[9]Rahafrooz A,Pourkamali S. Active Self-Q-Enhancement in High Frequency Thermally Actuated M/NEMS Resonators[C]//Proceedings of IEEE/International Conference on Micro Electro Mechanical Systems,Cancun,MEXICO,2011:760-763.

[10]Xiong Z,Mairiaux E,Walter B,et al. 5. 4 MHz Dog-Bone Oscillating AFM Probe with Thermal Actuation and Piezoresistive Detection[C]//Proceedings of IEEE/International Conference on Micro Electro Mechanical Systems,Taipei,2013:592-595.

[11]Bargatin I,Kozinsky I,Roukes M L. Efficient Electrothermal Actuation of Multiple Modes of High-Frequency Nanoelectro-mechanical Resonators[J]Applied Physics Letters,2007,90:093116,1-3.

[12]Chen C C,Yu H T,Li S S. A Balanced Measurement and Chara-cterization Technique for Thermal-Piezoresistive Micromechanical Resonators[C]//Proceedings of IEEE/International Conference on Micro Electro Mechanical Systems,Paris,FRANCE,2012:377-380.

熊壯(1984-),男,黑龍家哈爾濱人,助理研究員,博士,主要從事MEMS諧振器的設計和加工技術研究,xiong.zhuang@caep.cn。

ADifferentialMeasurementforI2ShapedMEMSResonator*

XIONGZhuang*,TANGBin

(Institude of Electronic Engineering,China Academy of Engineering Physics,Mianyang Sichuan 621999,China)

In order to eliminate the strong coupling effect between the thermal driving and the piezoresistive sensing and to satisfy the requirement of component miniaturization,a simple and easy-operating differential measurement circuit was designed and produced for I2shaped MEMS resonator. The measurement circuit consisted of a signal generator,a combiner and amplifier,a lock-in amplifier and a resistor. An experiment was carried out. Evidence showed that the coupling effect was effectively eliminated,and the output signal quality was obviously improved by using the differential measurement circuit. A clear resonance peak and phase rotation was also observed. Comparing with other methods of eliminating the coupling effect(e.g.frequency mixing technique or inactive resonator technique),the differential measurement requires neither complicated electronic circuit design nor demanding micro-fabrication effort,which will favor the device downscaling process for future applications.

MEMS resonator;differential measurement;thermal driving;piezoresistive sensing

項目來源:國家青年自然科學基金項目(61404121)

2014-06-04修改日期:2014-07-23

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.09.004

TB115;TB125

:A

:1004-1699(2014)09-1174-04