CN102564398B - 一种微机械电容式顷角传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微机械电容式顷角传感器包括半导体片和设置在半导体片上的外围电极、第一半圆形电极及第二半圆形电极，第一半圆形电极和第二半圆形电极对称设置在外围电极内；外围电极与第一半圆形电极及第二半圆形电极之间的槽内填充有绝缘液体介质，外围电极的上方设有用于对绝缘液体介质进行密封的密封装置；第一半圆形电极与外围电极组成第一电容，第二半圆形电极与外围电极组成与第一电容对称的第二电容。本发明的第一电容与第二电容相对称，电容差分输出，分辨率高且可排除寄生电容的影响；本发明体积小、工艺简单，灵敏度高。

Description

一种微机械电容式顷角传感器
技术领域
本发明涉及一种倾角传感器，具体涉及一种微机械电容式顷角传感器。
背景技术
水平传感器广泛应用于工程、建筑以及实验室等各种环境。传统的水泡型的水平仪分测量一维水平误差的长水泡和测量二维水平面的圆水泡。一维结构测量精度高，但做二维测量时需要相互垂直的两个,占用体积大且不能实现自动测量系统。二维测量的圆水泡精度较差，同样也不能和测量电路集成。
由顷角传感器实现水平测量是目前测量系统的主要构成方式。传统的顷角传感器体积较大。顷角传感器从工作原理上可分为“固体摆”式、“液体摆”式、“气体摆”三种，它们各有所长。在重力场中，固体摆的敏感质量是摆锤质量，液体摆的敏感质量是电解液，而气体摆的敏感质量是气体。气体摆顷角传感器具有较强的抗振动或冲击能力，但气体运动控制较为复杂，制造工艺复杂，影响其运动的因素较多，其精度难以提高。固体摆倾角传感器有明确的摆长和摆心，其机理基本上与加速度传感器相同。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种体积小、制造工艺简单、灵敏度高的微机械电容式顷角传感器。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
本发明包括半导体片和设置在半导体片上的外围电极、第一半圆形电极及第二半圆形电极，第一半圆形电极和第二半圆形电极对称设置在外围电极内；外围电极与第一半圆形电极及第二半圆形电极之间的槽内填充有绝缘液体介质，外围电极的上方设有用于对绝缘液体介质进行密封的密封装置；第一半圆形电极与外围电极组成第一电容，第二半圆形电极与外围电极组成与第一电容对称的第二电容。由于第一电容和第二电容的对称性和一致性，电容差分输出可有效抑制寄生效应。
上述外围电极、第一半圆形电极及第二半圆形电极上分别设有外围电极引线、第一半圆形电极引线及第二半圆形电极引线；密封装置上设有外围电极引线孔、第一半圆形电极引线孔及第二半圆形电极引线孔；外围电极引线、第一半圆形电极引线及第二半圆形电极引线分别贯穿外围电极引线孔、第一半圆形电极引线孔及第二半圆形电极引线孔与外部电容大小检测装置相连接。
上述半导体片采用的是SOI硅片。采用SOI硅片是因为外围电极、第一半圆形电极和第二半圆形电极构成电容的电极必须相互绝缘，因此在封装前必须有支撑体，采用SOI可以解决此问题，SOI硅片称为绝缘体上的硅，它的结构是硅/绝缘体/硅，为商用材料。本发明做在第一层硅上，中间的绝缘体作为隔离，后面的硅作为支撑。
上述密封装置采用的是玻璃板或有机基板。
本发明的第一电容与第二电容相对称，电容差分输出，分辨率高且可排除寄生电容的影响；本发明体积小、工艺简单，灵敏度高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中各标号：半导体片1，外围电极2，第一半圆形电极3，第二半圆形电极4，绝缘液体介质5，槽6。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
参见图1，本发明包括半导体片1和设置在半导体片1上的外围电极2、第一半圆形电极3及第二半圆形电极4。
其中，第一半圆形电极3和第二半圆形电极4对称设置在外围电极2内。
在外围电极2与第一半圆形电极3及第二半圆形电极4之间的槽6内充少量介电常数较大的绝缘液体介质5，在外围电极2的上方安装有用于对绝缘液体介质5进行密封的密封装置（图中未画出）。
其中，第一半圆形电极3与外围电极2组成半圆形的第一电容，第二半圆形电极4与外围电极2组成与第一电容对称半圆形的第二电容（本实施例中，外围电极2左、右两侧的半圆形形状分别与第一半圆形电极3的半圆形形状及第二半圆形电极4半圆形形状相一致，从而构成了两个半圆形的电容）。
外围电极2、第一半圆形电极3和第二半圆形电极4为同一种材料，通过一次刻蚀分离，保证了由上述材料构成的第一电容和第二电容的对称性和一致性。由于第一电容和第二电容的对称性和一致性，电容差分输出分辨率高且可有效抑制寄生效应。
在外围电极2、第一半圆形电极3及第二半圆形电极4上分别刻有外围电极引线（图中未画出）、第一半圆形电极引线（图中未画出）及第二半圆形电极引线（图中未画出）。
在密封装置上凿有外围电极引线孔（图中未画出）、第一半圆形电极引线孔（图中未画出）及第二半圆形电极引线孔（图中未画出）。
外围电极引线、第一半圆形电极引线及第二半圆形电极引线分别贯穿外围电极引线孔、第一半圆形电极引线孔及第二半圆形电极引线孔与外部电容大小检测装置相连接。
本实施例中，半导体片1采用的是SOI硅片；密封装置采用的是玻璃板或有机基板。
本发明的工作过程及原理如下：
工作中，将本发明的传感器垂直放置，则绝缘液体介质5将流动到槽6的底部。
当系统存在倾斜时，将使绝缘液体介质5向倾斜方流动，使倾斜侧的电容中的绝缘液体介质5增加，另一侧的绝缘液体介质5减少（第一电容与第二电容中填充的绝缘液体介质5的量就不同）。
由于绝缘液体介质5的介电常数远大于空气，因此第一电容和第二电容的大小主要由绝缘液体介质5填充的一段电容间隙长度决定（第一电容和第二电容的差值与倾斜角有关，差值越大，则倾斜越大）。
通过测量第一电容的电容大小及第二电容的电容大小，可得出电容差，然后通过常规的标定法，就可反映出倾斜的角度。
本实施例中，由于电容极板均为半圆形，因此在接近90度倾销角内，第一电容和第二电容的差值与倾斜角的大小近似线性变化。
本发明通过在硅片上一次刻槽6形成两个对称的电容，制造工艺简单，在一定范围内绝缘液体介质5填充的数量变化仅使初始电容的大小有所变化，不影响电容差。因此本发明的传感器灵敏度高，线性好且稳定。
本发明的制作过程如下：
首先，选取一SOI硅片，要求表面硅材料为低掺杂，厚度根据设计电容结构决定，一般尽量厚些。
然后，光刻表面硅材料，并用各向异性刻蚀工艺（如深反应离子刻蚀等）刻蚀该材料，直到界面氧化硅时停止，形成如图1所示的结构。
接下来，氧化整个硅片，再通过光刻在外围电极2、第一半圆形电极3和第二半圆形电极4上分别开外围电极引线、第一半圆形电极引线和第二半圆形电极引线。
最后，填充绝缘液体介质5，并用玻璃板对外围电极2进行密封，在玻璃板上开外围电极引线孔、第一半圆形电极引线孔和第二半圆形电极引线孔。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种微机械电容式顷角传感器，其特征在于，包括半导体片（1）和设置在半导体片（1）上的外围电极（2）、第一半圆形电极（3）及第二半圆形电极（4），所述第一半圆形电极（3）和第二半圆形电极（4）对称设置在外围电极（2）内；
所述外围电极（2）与第一半圆形电极（3）及第二半圆形电极（4）之间的槽（6）内填充有绝缘液体介质（5），外围电极（2）的上方设有用于对绝缘液体介质（5）进行密封的密封装置；
所述第一半圆形电极（3）与外围电极（2）组成第一电容，所述第二半圆形电极（4）与外围电极（2）组成与第一电容对称的第二电容；
所述外围电极（2）、第一半圆形电极（3）及第二半圆形电极（4）上分别设有外围电极引线、第一半圆形电极引线及第二半圆形电极引线；
所述密封装置上设有外围电极引线孔、第一半圆形电极引线孔及第二半圆形电极引线孔；
所述外围电极引线、第一半圆形电极引线及第二半圆形电极引线分别贯穿外围电极引线孔、第一半圆形电极引线孔及第二半圆形电极引线孔与外部电容大小检测装置相连接。
2.根据权利要求1所述的微机械电容式顷角传感器，其特征在于，所述半导体片（1）采用的是SOI硅片。
3.根据权利要求1所述的微机械电容式顷角传感器，其特征在于，所述密封装置采用的是玻璃板或有机基板。
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