基于MEMS的微位移传感器及其应用研究

孙凤鸣，傅 星，朱振宇，高 赛，张 超

(1．天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津300072;2．中航工业北京长城计量测试技术研究所，北京100095;3．物理技术研究院，德国不伦瑞克38116)

MEMS静电梳齿传感器具有低功耗、高灵敏度，高线性度和大批量生产带来的低成本等特点，被广泛地应用于力传感器[1－2]、位置传感器[3－4]，驱动器[5－6]，微加速度计[7－8]和微机械陀螺[9]、谐振器[10]等方面。

随着大范围扫描探针显微镜研究和应用的需要，很多研究团队尝试应用MEMS结构来实现SPM性能的提高。其中，一种基于MEMS技术的静电梳齿阵列被提出[11]。这种测头具有较大的纵向测量范围和较高的灵敏度，能够改进大范围扫描探针显微镜的性能。

本文研究目的是利用静电梳齿电容式MEMS传感器，开发能够用于微/纳米尺度的几何量测量微扫描探针测头。为此设计了电容信号的提取电路，构建含有MEMS静电梳齿传感器，电容检测电路和电控压电陶瓷位移台的测试系统。对该测头的性能进行了测试，并搭建小型SPM系统，对台阶高度为108 nm的光栅结构进行了扫描。

1 测量原理

MEMS静电梳齿传感器的示意图如图1所示。其中主梁连接弹性梁结构和动齿，定齿分为上下两个部分(U+和U－连接的结构，如图1(b)所示)，与动齿形成差分结构以提高信号输出的灵敏度。

图1 MEMS微位移传感器

连接在动齿上的主梁顶端可以固定AFM探针来感知样品表面形貌的变化。如图2所示主梁的面内位移带来动齿和定齿间相对位移的变化，继而导致动齿和定齿间的电容变化。齿间相对位移x带来的电容变化为

其中 N 为梳齿对数，ε0=8．854×10－12Fm－1为介电常数，h为梳齿高度，d为梳齿间重叠部分的间距。

图2 动齿定齿重叠部分示意图

检测出电容的变化量反映了位移变化量。该测头齿间相对位移可以达到10 μm，能够很好的改善现有AFM测头纵向行程小的缺点。

2 测量电路

对于该传感器，位移量的变化可以通过检测电容变化量得知。对于整个测头来说，梳齿间总电容变化量小于1 pF，电容检测电路很大程度上决定了微位移传感器的性能。本文采用交流激励同步解调的方法[12－13]来检测齿间电容的变化。

微位移测头的电容为差分结构。如图3所示，对于该类差分电容结构，需要提供两路幅值相同，相位相反的交流激励信号。交流激励信号Vs幅值为10 V，频率为100 kHz，由商用信号发生器提供。反相后信号为－Vs提供给另外一路。Vs和－Vs分别加载到MEMS测头差分电容结构的两个梳齿对上。

图3 电容测量电路

CX1、CX2为MEMS传感器的差分电容，设 CX1=C0+ΔC、CX2=C0－ΔC。将幅值和频率相同，相位相差180°的两个交流激励信号Vs和－Vs加载到CX1、CX2的两个极板，他们的公共端接运算放大器的反相输入端。CX1和CX2为需要检测差分电容对中的一组梳齿对电容，Rf，Cf为反馈电阻和反馈电容。

Vs为交流激励信号 acos(ωt+δ)，VO为该梳齿在电容检测电路中所对应的电压，与Vs的关系为

其中为交流激励信号的角频率，上式中Rf足够大以使|jωCfRf|≫1，然后将 CX1=C0+ΔC、CX2=C0－ΔC 代入上式可知

上述电压输出经过相敏检波和低通滤波器后，根据公式(1)，输出电压公式如下:

上式中除位移x外其余均为已知量或固定不变量。K为交流放大倍数，a为交流输入激励信号的幅值，θ为经过相移器所产生的相移。由上式可知，系统输出电压与微位移测头的位移变化量关系为线性。

3 测头的性能测试及灵敏度标定

为了验证测头的测量性能，搭建测试系统对其进行测试和标定。建立测头电压输出与测量表面位移之间的关系，实验系统的原理框图如图4所示。

图4 测头测试系统原理图

在上图中1为MEMS测头，3为Z向压电陶瓷位移台，型号为NPS－Z－15A(Queensgate UK公司)，迟滞与非线性误差小于0．01%，最大行程16 μm。实验中通过计算机控制压电位移台的速度和步距，逐渐靠近测头，模拟样品表面的位移变化，改变测头梳齿间相对位移。通过测头可将位移变化转换为电压信号的输出变化。

如图5为测头的进针测试结果，实验中控制压电位移台逐渐靠近探针，在其与针尖接触后继续移动的过程中，探针的主梁由于压电位移台的推动而产生探针梳齿间电容的变化，进而引起电压的变化。以进针数据为基础对测头进行标定，选取接触区域进行线性拟合，所得结果如图6所示，表征测头的灵敏度为0．43 mV/nm。测头非线性误差为0．22%。

图5 进针测试结果

图6 测头的标定

4 SPM系统搭建及扫描

利用该MEMS微位移传感器做测头，搭建了小型的SPM系统，进行微纳米尺度的表面形貌测量。系统结构如图7所示。

图7 小型SPM结构图

图7中，进针过程由粗动机构1－手动位移台和2－Z向压电陶瓷位移台NPS－Z－15A(Queensgate UK公司)组成。测头如图中3所示，4为所扫描的样品，5为X向和Y向的二维压电位移台。该样品为台阶高度为 108 nm，台阶宽度为 1．5 μm，间距为 1．5 μm的光栅结构，型号为TGZ02(Ultrasharp公司)。

利用上述系统对此光栅结构进行扫描，扫描行程为8 μm，扫描步进为10 nm，扫描结果如图8所示。

图8 光栅结构扫描结果

取上图中左数第2个台阶进行计算，可知台阶顶部平均电压与底部平均电压的差值，又已知系统灵敏度为0．43 mV/nm，则可知实际测量的高度差。针对其中第2个台阶重复测量5次，结果如表1所示。

表1 108 nm台阶高度光栅测量结果

5 结语

本文基于新型的MEMS电容式静电微位移传感器开发了能用于微纳米测量的微扫描探针测头，测量范围可达10 μm。搭建测试系统对该测头进行了性能的测试。实验表明，测头的非线性误差为0．22%，系统灵敏度为0．43 mV/nm。利用该测头搭建SPM系统，对108 nm台阶高度的光栅结构进行了扫描。

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