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MEMS谐振式测量电路设计与应用
资料介绍
一、MEMS谐振式测量技术概述
MEMS即微机电系统，是融合了微电子加工与微机械加工技术的前沿领域，能够实现微型化、低功耗、高集成度的传感与执行器件。谐振式测量技术是MEMS传感领域中应用最广泛的测量原理之一，其核心思路是将被测物理量的变化转换为MEMS谐振结构谐振参数的变化，通过对谐振参数的检测与处理得到被测物理量的具体数值。相比其他类型的MEMS传感技术，谐振式测量具有精度高、稳定性好、灵敏度高、输出为准数字信号易于处理等突出优势，在压力、加速度、角速度、质量流量、生化分子检测等领域得到了广泛应用。
谐振式测量系统主要由MEMS谐振敏感结构、谐振驱动电路、谐振参数检测电路三个核心部分组成。其中，测量电路承担着维持MEMS谐振器稳定自激振荡、实时提取谐振频率、相位、幅值等参数变化的核心功能，是决定整个谐振式MEMS传感器测量精度、稳定性、响应速度的关键环节。不同应用场景对测量电路的性能要求差异较大，面向微型化、低功耗、集成化的需求，MEMS谐振式测量电路也逐步从传统的分离元件电路向ASIC集成芯片方向发展。
二、MEMS谐振器的电学特性与驱动原理
2.1 MEMS谐振器的等效电学模型
常见的MEMS谐振器根据驱动与检测方式的不同，可分为静电驱动电容检测、压电驱动压电检测、电热驱动压阻检测等类型，其中静电驱动电容检测是目前最成熟、应用最广泛的方案。从电学角度看，静电驱动MEMS谐振器可以等效为巴克豪森模型，在谐振频率附近，其等效电路可以用串联RLC模型来描述：静态电容C0并联一个由动态电阻Rx、动态电感Lx和动态电容Cx串联组成的支路，R、L、C参数由谐振器的机械参数、尺寸、材料决定，其中谐振频率f0=1/(2π√(Lx*Cx))，品质因数Q=(1/Rx)√(Lx/Cx)。
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