基于MEMS的微位移傳感器及其應用研究

孫鳳鳴，傅 星，朱振宇，高 賽，張 超

(1．天津大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室，天津300072;2．中航工業北京長城計量測試技術研究所，北京100095;3．物理技術研究院，德國不倫瑞克38116)

MEMS靜電梳齒傳感器具有低功耗、高靈敏度，高線性度和大批量生產帶來的低成本等特點，被廣泛地應用于力傳感器[1－2]、位置傳感器[3－4]，驅動器[5－6]，微加速度計[7－8]和微機械陀螺[9]、諧振器[10]等方面。

隨著大范圍掃描探針顯微鏡研究和應用的需要，很多研究團隊嘗試應用MEMS結構來實現SPM性能的提高。其中，一種基于MEMS技術的靜電梳齒陣列被提出[11]。這種測頭具有較大的縱向測量范圍和較高的靈敏度，能夠改進大范圍掃描探針顯微鏡的性能。

本文研究目的是利用靜電梳齒電容式MEMS傳感器，開發能夠用于微/納米尺度的幾何量測量微掃描探針測頭。為此設計了電容信號的提取電路，構建含有MEMS靜電梳齒傳感器，電容檢測電路和電控壓電陶瓷位移臺的測試系統。對該測頭的性能進行了測試，并搭建小型SPM系統，對臺階高度為108 nm的光柵結構進行了掃描。

1 測量原理

MEMS靜電梳齒傳感器的示意圖如圖1所示。其中主梁連接彈性梁結構和動齒，定齒分為上下兩個部分(U+和U－連接的結構，如圖1(b)所示)，與動齒形成差分結構以提高信號輸出的靈敏度。

圖1 MEMS微位移傳感器

連接在動齒上的主梁頂端可以固定AFM探針來感知樣品表面形貌的變化。如圖2所示主梁的面內位移帶來動齒和定齒間相對位移的變化，繼而導致動齒和定齒間的電容變化。齒間相對位移x帶來的電容變化為

其中 N 為梳齒對數，ε0=8．854×10－12Fm－1為介電常數，h為梳齒高度，d為梳齒間重疊部分的間距。

圖2 動齒定齒重疊部分示意圖

檢測出電容的變化量反映了位移變化量。該測頭齒間相對位移可以達到10 μm，能夠很好的改善現有AFM測頭縱向行程小的缺點。

2 測量電路

對于該傳感器，位移量的變化可以通過檢測電容變化量得知。對于整個測頭來說，梳齒間總電容變化量小于1 pF，電容檢測電路很大程度上決定了微位移傳感器的性能。本文采用交流激勵同步解調的方法[12－13]來檢測齒間電容的變化。

微位移測頭的電容為差分結構。如圖3所示，對于該類差分電容結構，需要提供兩路幅值相同，相位相反的交流激勵信號。交流激勵信號Vs幅值為10 V，頻率為100 kHz，由商用信號發生器提供。反相后信號為－Vs提供給另外一路。Vs和－Vs分別加載到MEMS測頭差分電容結構的兩個梳齒對上。

圖3 電容測量電路

CX1、CX2為MEMS傳感器的差分電容，設 CX1=C0+ΔC、CX2=C0－ΔC。將幅值和頻率相同，相位相差180°的兩個交流激勵信號Vs和－Vs加載到CX1、CX2的兩個極板，他們的公共端接運算放大器的反相輸入端。CX1和CX2為需要檢測差分電容對中的一組梳齒對電容，Rf，Cf為反饋電阻和反饋電容。

Vs為交流激勵信號 acos(ωt+δ)，VO為該梳齒在電容檢測電路中所對應的電壓，與Vs的關系為

其中為交流激勵信號的角頻率，上式中Rf足夠大以使|jωCfRf|?1，然后將 CX1=C0+ΔC、CX2=C0－ΔC 代入上式可知

上述電壓輸出經過相敏檢波和低通濾波器后，根據公式(1)，輸出電壓公式如下:

上式中除位移x外其余均為已知量或固定不變量。K為交流放大倍數，a為交流輸入激勵信號的幅值，θ為經過相移器所產生的相移。由上式可知，系統輸出電壓與微位移測頭的位移變化量關系為線性。

3 測頭的性能測試及靈敏度標定

為了驗證測頭的測量性能，搭建測試系統對其進行測試和標定。建立測頭電壓輸出與測量表面位移之間的關系，實驗系統的原理框圖如圖4所示。

圖4 測頭測試系統原理圖

在上圖中1為MEMS測頭，3為Z向壓電陶瓷位移臺，型號為NPS－Z－15A(Queensgate UK公司)，遲滯與非線性誤差小于0．01%，最大行程16 μm。實驗中通過計算機控制壓電位移臺的速度和步距，逐漸靠近測頭，模擬樣品表面的位移變化，改變測頭梳齒間相對位移。通過測頭可將位移變化轉換為電壓信號的輸出變化。

如圖5為測頭的進針測試結果，實驗中控制壓電位移臺逐漸靠近探針，在其與針尖接觸后繼續移動的過程中，探針的主梁由于壓電位移臺的推動而產生探針梳齒間電容的變化，進而引起電壓的變化。以進針數據為基礎對測頭進行標定，選取接觸區域進行線性擬合，所得結果如圖6所示，表征測頭的靈敏度為0．43 mV/nm。測頭非線性誤差為0．22%。

圖5 進針測試結果

圖6 測頭的標定

4 SPM系統搭建及掃描

利用該MEMS微位移傳感器做測頭，搭建了小型的SPM系統，進行微納米尺度的表面形貌測量。系統結構如圖7所示。

圖7 小型SPM結構圖

圖7中，進針過程由粗動機構1－手動位移臺和2－Z向壓電陶瓷位移臺NPS－Z－15A(Queensgate UK公司)組成。測頭如圖中3所示，4為所掃描的樣品，5為X向和Y向的二維壓電位移臺。該樣品為臺階高度為 108 nm，臺階寬度為 1．5 μm，間距為 1．5 μm的光柵結構，型號為TGZ02(Ultrasharp公司)。

利用上述系統對此光柵結構進行掃描，掃描行程為8 μm，掃描步進為10 nm，掃描結果如圖8所示。

圖8 光柵結構掃描結果

取上圖中左數第2個臺階進行計算，可知臺階頂部平均電壓與底部平均電壓的差值，又已知系統靈敏度為0．43 mV/nm，則可知實際測量的高度差。針對其中第2個臺階重復測量5次，結果如表1所示。

表1 108 nm臺階高度光柵測量結果

5 結語

本文基于新型的MEMS電容式靜電微位移傳感器開發了能用于微納米測量的微掃描探針測頭，測量范圍可達10 μm。搭建測試系統對該測頭進行了性能的測試。實驗表明，測頭的非線性誤差為0．22%，系統靈敏度為0．43 mV/nm。利用該測頭搭建SPM系統，對108 nm臺階高度的光柵結構進行了掃描。

[1]Sun Y，Nelson B J．MEMS Capacitive Force Sensors for Cellular and Flight Biomechanics[J]．Biomed Mater，2007，2(1):16－22．

[2]王玉朝，苑偉政，任森，等．靜電驅動MEMS諧振式壓力傳感器閉環拓撲研究[J]．傳感技術學報，2011，24(7):970－975．

[3]Kuijpers A A，Krijnen G J M，Wiegerink R J，et al．A Micromachined CapacitiveIncrementalPosition Sensor:Part1．Analysis and Simulations[J]．J．Micromech Microeng，2006，16(6):116－124．

[4]孫萍，秦明．一種可用于風速測量的CMOS光點位置檢測傳感器的設計[J]．傳感技術學報，2010，23(10):1431－1434．

[5]Xu Y，MacDonald N C，Miller S A．Integrated Micro-Scanning Tunneling Microscope[J]．Appl Phys Lett，1995，67(16):2305－2307．

[6]Gao S，Li Z，Herrmann K．Development of a Micro-Miniature Nanoindentation Instrument with a Force Resolution of 1 nN[J]．Optoelectron Instrum Data Process，2010，46(4):347－352．

[7]Liu Yu，Wen Zhiyu，Wen Zhongquan，et al．Design and Fabrication of a High-Sensitive Capacitive Biaxial Microaccelerometer[J]．J Micromech Microeng，2007，17(1):36－41．

[8]趙銳，石云波，唐軍，等．MEMS面內大量程加速度傳感器設計與分析[J]．傳感技術學報，2011，8:1118－1121．

[9]Guo Z Y，Yang Z C，Zhao Q C，et al．A Lateral-Axis Micromachined Tuning Fork Gyroscope with Torsional Z-Sensing and Electrostatic Force-Balanced Driving[J]．J Micromech Microeng，2010，20(2):025007(7pp)．

[10]Tang W C，Nguyen C H，Howe R T．Laterally Driven Polysilicon Resonant Microstructures[J]．Sensors ＆ Actuators A，1989，20:25－32．

[11]Gao S，Li Z，Herrmann K．A Micro-SPM Head Array for Large-Scale Topography Measurement[C]//Proc．SPIE 7718，2010:77181L－1－77181L－9．

[12]Yang W Q．Hardware Design of Electrical Capacitance Tomography Systems[J]．Measurement Science ＆ Technology，1996，7:225－232．

[13]Yang W Q．Further Developments in an Ac-Based Capacitance Tomography System[J]．Review of Scientific Instruments，2001，72(10):3902－3907．