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用于高场不对称波形离子迁移谱仪的MEMS振簧式静电计研究

作　者: 李庄
导　师: 孔德义
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: 高场不对称波形离子迁移谱微弱电荷检测振簧式静电计 MEMS 谐振器 ASIC
分类号: TP211.4
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

高场不对称波形离子迁移谱技术利用待检测物质离子迁移率随电场强度改变而变化的特征规律实现物质的分离及检测,其继承了常规离子迁移谱仪在大气压下工作的优点,并作出了以下重要改进：进一步简化了迁移管结构,十分适合便携式检测等应用；通过合理设计高场不对称分离电压波形可以大大增强离子迁移谱分辨率；迁移管中离子流连续,可以采用合适的分离电压、补偿电压实现特定离子的选择性通过,非常适合与质谱仪等分析仪器连用,并可对微弱离子流进行长时间积分以大大增强电荷检测精度。常温常压下微弱直流电荷信号的检测受到常规检测电路低频1/f噪声的严重影响,目前商用的基于半导体集成电路的静电计的电荷分辨能力为l0fC左右,严重制约了离子迁移谱仪的检测精度。本文的研究目标就是设计实现一种常温常压下微弱直流电荷信号的高精度、低功耗测量装置。本文采用基于MEMS 谐振器的周期变化电容将直流电荷信号调制到kHz左右的较高频率,由于该频段内检测电路的噪声较低,可以达到较高的电荷检测精度。该类电荷检测方法不需要高真空或者低温等极端条件,因此不需要笨重且功耗极大的真空或者低温设备,非常适合用于便携式检测仪器。本文开展的研究工作主要为MEMS振簧式静电计的MEMS芯片设计以及相关ASIC设计研究,具体包括：通过理论计算以及相关仿真确定了静电计各机械组件的设计参数,包括可变电容、谐振器驱动以及谐振子速度检测模块、用于清除可变电容中电荷的放电开关等组件的机械参数；针对MEMS芯片需求设计了基于SOI硅片的工艺,并进行了初步的工艺试验；、针对MEMS芯片需求,设计了ASIC测控电路芯片,实现MEMS可变电容输出信号的放大、解调等信号读出功能,以及对MEMS谐振器进行闭环驱动控制；搭建了ASIC测试系统,通过模拟MEMS芯片对ASIC芯片进行了功能以及性能测试。仿真以及初步实验表明,采用基于MEMS可变电容的MEMS振簧式静电计在1Hz检测带宽下分辨率可以达到100单位电荷量级。本文的创新点主要包括：1.针对高场不对称波形离子迁移谱仪的迁移管中离子流连续、可以对微弱离子流进行长时间积分的特点,提出了采用MEMS振簧式静电计对离子流的直流电荷信号进行检测的方案。由于直流电荷信号被调制到较高频率进行检测,避免了常规检测电路低频1/f噪声对检测精度的严重影响。2.设计了一种可以对谐振子进行闭环驱动控制的MEMS振簧式静电计结构,该闭环驱动结构适用于真空封装下谐振器品质因数较高的环境；针对静电计电荷输入极板上电荷释放的需求，设计了基于MEMS热驱动器的放电开关,相比以前文献中报道的基于MEMS静电驱动器的设计,其驱动力以及回复力大大增强,可有效避免放电开关触点与电荷输入极板粘连的情况。由于采用了电容耦合的交流驱动方案,放电开关不需要隔离触点与开关主体的机械结构,尤其适用于SOI工艺。3.设计了用于MEMS静电计的ASIC测控电路芯片,采用电荷输入极板通过电容耦合至读出电路的方案,在电路输入端增加了缓冲器,以避免读出电路低频噪声混入电荷信号调制频段。同时,在缓冲器中增加了电平移位电路,从而有效增加了其输出摆幅,使得该缓冲器结构适用于较低电源电压的深亚微米工艺。在此基础上,提出了改进的ASIC测控电路芯片设计方案,采用自举电路的形式,基本消除了缓冲器输入端直流偏置二极管带来的输入端寄生电容,可有效增加MEMS可变电容的增益。

全文目录

摘要  6-8
ABSTRACT  8-10
目录  10-12
第一章绪论  12-22
  1.1 高场不对称波形离子迁移谱仪检测原理  12-13
  1.2 常见微弱电荷检测方法  13-17
    1.2.1 低温下工作的微弱电荷检测器  13
    1.2.2 高真空下工作的微弱电荷检测器  13-14
    1.2.3 常温常压下工作的微弱电荷检测器  14-17
  1.3 MEMS振簧式静电计  17-19
  1.4 本文工作及创新点  19-22
第二章影响MEMS静电计电荷分辨率因素分析  22-34
  2.1 MEMS芯片噪声源  22-24
    2.1.1 驱动电压容性耦合干扰  22-23
    2.1.2 振簧机械噪声  23-24
  2.2 读出电路噪声源  24-31
    2.2.1 闪烁噪声  24-27
    2.2.2 热噪声  27-28
    2.2.3 散弹噪声  28
    2.2.4 低频噪声上混  28-30
    2.2.5 失配  30-31
  2.3 本章小结  31-34
第三章 MEMS静电计机械设计  34-64
  3.1 可变电容设计  34-40
    3.1.1 常见可变电容设计  34-37
    3.1.2 本文所用可变电容设计  37-40
  3.2 振簧及驱动器设计  40-45
    3.2.1 常见MEMS驱动器类型  40-41
    3.2.2 本文所用振簧及驱动器设计  41-45
  3.3 放电开关设计  45-51
  3.4 MEMS芯片版图设计  51-60
    3.4.1 本文SOI工艺流程  51-54
    3.4.2 SOI工艺中常见非理想因素  54-58
    3.4.3 本文版图设计方法及结果讨论  58-60
  3.5 牺牲层释放简易方法  60-62
    3.5.1 装置介绍  60-61
    3.5.2 释放结果  61-62
  3.6 本章小结  62-64
第四章静电计ASIC测控电路设计  64-88
  4.1 g_m/I_D设计方法  64-66
  4.2 ASIC结构设计  66
  4.3 低噪声输入缓冲器设计  66-73
    4.3.1 缓冲器原理分析  67-69
    4.3.2 缓冲器设计  69-71
    4.3.3 缓冲器仿真结果  71-73
  4.4 单端输出运算放大器设计  73-79
    4.4.1 放大器设计  73-77
    4.4.2 放大器仿真结果  77-79
  4.5 锁相放大器设计  79-82
    4.5.1 锁相放大器原理  80-81
    4.5.2 锁相放大器仿真结果  81-82
  4.6 ASIC读出电路整体仿真结果  82-84
  4.7 谐振器闭环驱动电路设计  84-87
    4.7.1 闭环驱动电路设计  84-86
    4.7.2 闭环驱动电路仿真结果  86-87
  4.8 本章小结  87-88
第五章实验及结果讨论  88-94
  5.1 ASIC测试结果  88-93
  5.2 本章小结  93-94
第六章总结与展望  94-96
  6.1 主要工作总结  94
  6.2 本文的创新点  94-95
  6.3 未来工作展望  95-96
附录A 单端输出放大器版图设计  96-112
  A.1 影响CMOS模拟集成电路性能的机理  96-106
    A.1.1 模拟CMOS工艺中常见元器件类型  96-98
    A.1.2 影响电路匹配的若干机理  98-103
    A.1.3 电路失效机理  103-106
  A.2 版图设计实例  106-112
参考文献  112-116
在读期间发表的学术论文与取得的研究成果  116-118
致谢  118

用于高场不对称波形离子迁移谱仪的MEMS振簧式静电计研究

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