CN102901520A - 一种用于提高电容式微机械传感器温度稳定性的方法及微机械传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于提高电容式微机械传感器温度稳定性的方法及微机械传感器，该方法为：直接将电容式微机械传感器中敏感结构的输出接口电容与电荷放大器的负输入端相连，并在电容式微机械传感器中制作固定电容作为电荷放大器的反馈电容。该微机械传感器可以为三明治结构的微加速度计、扭摆式微加速度计、或微机械陀螺结构，其均是通过内置电容电极和内置电容极板构成电荷放大器的内置电容。本发明可以提高微加速度传感器的输出电容与信号检测电路中电荷放大器积分电容与敏感结构接口电容的温度特性的一致性，进而提高微加速度计的整体性能。

Description

一种用于提高电容式微机械传感器温度稳定性的方法及微机械传感器

技术领域

本发明主要涉及到微电子机械中微机械传感器的设计领域，特指一种用于提高电容式微机械传感器温度稳定性的方法。

背景技术

目前，随着微机电系统（MEMS）技术的发展，微机械传感器在军用和民用领域的应用越来越广。微机械传感器的机电转换接口包括压阻、压电、电容等方式，其中采用电容接口的电容式微机械传感器由于具有加工工艺简单、测量分辨率高、稳定性好等优点，成为国内外很多单位的研究和开发重点。

微机械传感器通常包括采用微机械加工技术制作的敏感元件和与之相适应的测控电路两部分。敏感结构将外界物理量转变为电容的变化量，测控电路则负责检测敏感结构的电容变化，并输出与外界物理量成比例的电压信号或数字量。电容式微机械传感器的电容变化量很小，通常在fF量级，因此其对微弱电容检测电路的信噪比和稳定性要求很高。微弱电容检测电路主要包括电流检测和电压检测两种，其中基于调制解调技术的电荷放大器检测方式具有噪声小的优点，应用最为广泛。

电荷放大器中需要一个积分电容，该积分电容的稳定性直接决定了电容检测电路的稳定性。如图1所示，为基于电荷放大器的传统微弱电容检测方案示意图，其中电容式微机械传感器的敏感结构101的输出接口电容与电荷放大器102的负输入端相连，在电荷放大器102的输出端与负输入端之间外接反馈电容Ci1（作为积分电容），形成负反馈。此时电荷放大器102的输出为：                                                

。由此可见，电荷放大器102的反馈电容Ci1会直接影响电容式微机械传感器的输出。在现有的电容式微机械传感器中，积分电容通常是CMOS专用芯片内部的电容或者外置分立电容器，其特性与敏感结构101的接口电容不同，受温度改变产生的变化也不一致，因此电荷放大器的输出会随着外界温度的变化产生较大偏移。这种现象对电容检测电路的温度稳定性影响很大，限制了电容式微机械传感器温度稳定性的提升。

由上可知，温度稳定性是高性能微机械传感器的关键性能指标之一，微机械传感器的温度漂移会降低传感器的准确度。工程应用领域中，微机械传感器的使用环境温度一般为-40℃～+70℃之间，在实际工作环境中微传感器的温度漂移会大大限制其应用领域。

目前解决传感器温度漂移问题一般采用两种方法。一种方法是对传感器的工作环境进行恒温控制，这种方法的缺点是传感器功耗增大、成本提高。另一种方法是建立传感器的温度漂移模型，检测外界温度变化，并通过处理器对其实时进行补偿。这种方法的缺点是需要准确建立传感器的温度模型，同时要求传感器的温度漂移必须具有重复性。上述两种方法均没有从根本上解决温度稳定性的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、制作方便、能从根本上减小温度漂移的影响、增强电容检测电路的温度稳定性的用于提高电容式微机械传感器温度稳定性的方法及微机械传感器。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种用于提高电容式微机械传感器温度稳定性的方法，直接将电容式微机械传感器中敏感结构的输出接口电容与电荷放大器的负输入端相连，并在电容式微机械传感器中制作固定电容作为电荷放大器的反馈电容。

作为本发明方法的进一步改进：

反馈电容连接于电荷放大器的输出端与负输入端之间。

本发明进一步提供一种基于上述方法的微机械传感器，它为三明治结构的微加速度计，包括通过键合依次相连的第一基板、中基板以及第二基板，所述第一基板和第二基板上均固连有检测电极、检测电极的电极引线、内置电容电极和内置电容电极的电极引线，所述中基板上设有加速度计的敏感质量块、内置电容极板以及用来与第一基板和第二基板进行键合的凸台，所述内置电容电极位于内置电容极板的下方。

本发明进一步提供一种基于上述方法的微机械传感器，它为扭摆式微加速度计，包括通过键合连接在一起的第一基板和第二基板，所述第一基板上设置有多个检测电极、多个检测电极的电极引线、多个内置电容电极、多个内置电容电极的电极引线以及用来实现第一基板与第二基板键合的凸台；所述第二基板上设置有两个质量不相等的敏感质量块、内置电容极板以及用来支撑敏感质量块的悬臂梁，所述内置电容电极位于内置电容极板的下方。

本发明进一步提供一种基于上述方法的微机械传感器，它为微机械陀螺结构，包括通过键合连接在一起的第一基板和第二基板，所述第一基板上设置有驱动电极、驱动电极的电极引线、检测电极、检测电极的电极引线、内置电容电极、内置电容电极的电极引线以及用来与第二基板进行锚接的凸台；所述第二基板上设置有敏感质量块、内置电容极板以及用来支撑敏感质量块的悬臂梁，所述内置电容电极位于内置电容极板的下方。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明用于提高电容式微机械传感器温度稳定性的方法及微机械传感器，原理简单、制作方便，通过在电容式微机械传感器中制作固定电容作为电荷放大器的反馈电容，令作为积分电容的反馈电容的极板材料、介电常数以及工作环境与敏感结构的输出接口电容完全相同，从而使电荷放大器的积分电容与被检测的敏感结构的输出接口电容的温度特性一致，进而从根本上减小了由电荷放大器积分电容温度一致性所导致的温度漂移的影响，最终增强了电容检测电路的温度稳定性，提高了电容式微机械传感器的整体温度特性。

附图说明

图1是传统基于电荷放大器的微弱电容检测原理示意图。

图2是采用本发明方法后的微弱电容检测原理示意图。

图3是本发明具体应用实施例1的结构示意图。

图4是本发明具体应用实施例1中第一基板的结构示意图。

图5是本发明具体应用实施例2的结构示意图。

图6是本发明具体应用实施例2中第一基板的结构示意图。

图7是本发明具体应用实施例2中第二基板的结构示意图。

图8是本发明具体应用实施例3的结构示意图。

图9是本发明具体应用实施例3中第一基板的结构示意图。

图10是本发明具体应用实施例3中第二基板的结构示意图。

图例说明：

1、第一基板；2、中基板；3、第二基板；4a、检测电极；4b、检测电极的电极引线；5a、内置电容电极；5b、内置电容电极的电极引线；6、凸台；7、敏感质量块；8、内置电容极板；9a、驱动电极；9b、驱动电极的电极引线；10、悬臂梁；101、敏感结构；102、电荷放大器。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

参见图2所示的具体应用原理示意图，本发明的用于提高电容式微机械传感器温度稳定性的方法，就是直接将电容式微机械传感器中敏感结构101的输出接口电容（Cs1和Cs2）与电荷放大器102的负输入端相连，并在电容式微机械传感器中制作固定电容（Ci1）作为电荷放大器102的反馈电容。这样，作为积分电容的反馈电容的极板材料、介电常数以及工作环境与敏感结构101的输出接口电容完全相同，从而使电荷放大器102的积分电容与被检测的敏感结构101的输出接口电容的温度特性一致，进而从根本上减小了由电荷放大器102积分电容温度一致性所导致的温度漂移的影响，最终增强了电容检测电路的温度稳定性，提高了电容式微机械传感器的整体温度特性。

具体应用实施例1：如图3和图4，为采用本发明上述方法后的具体应用实施例1，它为三明治结构的微加速度计。它包括三层结构，即选用绝缘材料制作的第一基板1和第二基板3、位于第一基板1和第二基板3之间的由硅片构成的中基板2。本实施例中，绝缘材料可以使用玻璃基板但并不局限于玻璃基板，如还可以选用表面有热氧化层的硅片作为基板。中基板2与第一基板1和第二基板3通过键合锚接在一起。

参见图4，为第一基板1的结构示意图，第二基板3与第一基板1的结构基本一致。第一基板1上固连有检测电极4a、检测电极的电极引线4b、内置电容电极5a和内置电容电极的电极引线5b。中基板2上设有用来与第一基板1和第二基板3进行锚接的凸台6、加速度计的敏感质量块7、以及内置电容极板8，内置电容极板8位于敏感元件的不动端。参见图3，三层基板通过键合锚接在一起，内置电容电极5a位于内置电容极板8的下方。由上可知，本发明正是通过在第一基板1和第二基板3上添加与内置电容极板8对应的内置电容电极5a，从而构成本发明方法中的内置式固定电容作为积分电容。本发明正是通过内置电容电极5a和中基板2上的敏感元件内置电容极板8构成电荷放大器的内置电容，可以提高微加速度传感器的输出电容与信号检测电路中电荷放大器积分电容与敏感结构接口电容的温度特性一致性，进而提高微加速度计性能。

在使用时，上述三明治结构微加速度计采用电容检测方式，即通过感应由加速度引起的敏感质量块7的位移，解算角速度。由于敏感质量块7与第一基板1和第二基板3上的检测电极4a构成可变电容对，因此当检测到敏感质量块7运动时会引起检测输出电容变化，进而通过测量差分输出电容的变化就可以得到外界加速度的大小。需要指出的是，本发明为在原加速度计结构中增加内置电容极板8和内置电容电极5a，而非对原加速度计结构的设计。

具体应用实施例2：如图5、图6和图7所示，为采用本发明上述方法后的具体应用实施例2，它为扭摆式微加速度计。它为两层结构，包括绝缘材料构成的第一基板1以及由硅片构成的第二基板3。本实例中，绝缘材料使用玻璃基板但并不局限于玻璃基板，例如也可以选用表面有热氧化层的硅片作为基板。

参见图6，第一基板1上设置有多个检测电极4a、多个检测电极的电极引线4b、多个内置电容电极5a、多个内置电容电极的电极引线5b以及用来实现第一基板1与第二基板3键合的凸台6。参见图7，第二基板3上设置有扭摆式微加速度计的两个质量不相等的敏感质量块7、内置电容极板8以及用来支撑敏感质量块7的悬臂梁10。第一基板1与第二基板3通过键合锚接在一起，其中内置电容电极5a位于内置电容极板8的下方。本发明正是通过内置电容电极5a和第二基板3上的敏感元件内置电容极板8构成电荷放大器的内置电容，可以提高微加速度传感器的输出电容与信号检测电路中电荷放大器积分电容与敏感结构接口电容的温度特性一致性，进而提高微加速度计性能。

在使用时，本发明扭摆式微加速度计使用电容检测方式，通过由第一基板1上的检测电极4a检测扭摆式微加速度计中敏感质量块7的角度变化。由于微加速度计包含两个质量不相等的敏感质量块7，当外界施加一定的加速度时，会造成悬臂梁10的产生一定的扭转角度，悬臂梁10扭转角度可以通过敏感质量块7与检测电极4a之间的电容检测出来，由此即可以解算外界加速度大小。需要指出的是本发明为在原加速度计结构中增加内置电容基板和电极，而非对原加速度计结构的设计。

具体应用实施例3：如图8、图9和图10所示，为采用本发明上述方法后的具体应用实施例3，它为微机械陀螺结构，其为两层结构，具体包括由绝缘材料构成的第一基板1以及由硅片构成的第二基板3。本实例中，绝缘材料使用玻璃基板但并不局限于玻璃基板，例如还可以选用表面有热氧化层的硅片作为基板。

参见图9，第一基板1上设置有驱动电极9a、驱动电极的电极引线9b、检测电极4a、检测电极的电极引线4b、内置电容电极5a、内置电容电极的电极引线5b以及用来与第二基板3进行锚接的凸台6。

参见图10，第二基板3上设置有敏感质量块7、内置电容极板8以及用来支撑敏感质量块7的悬臂梁10。两基板通过键合锚接在一起，第一基板1与第二基板3通过键合锚接在一起，其中内置电容电极5a位于内置电容极板8的下方。本发明正是通过内置电容电极5a和第二基板3上的敏感元件内置电容极板8构成电荷放大器的内置电容，可以提高微加速度传感器的输出电容与信号检测电路中电荷放大器积分电容与敏感结构接口电容的温度特性一致性，进而提高微加速度计性能。

使用时，本发明采用使用静电驱动电容检测的方式，在驱动电极9a上施加一定频率的交直流电压，使敏感质量块7与检测电极4a之间产生交变的静电驱动力。由于悬臂梁10采用的是倾斜式悬臂梁，因此在静电力的作用下，敏感质量块7将沿X方向作相向谐振运动，当有沿着Y方向的角速度输入时，在哥氏力作用下，敏感质量块7将沿Z方向上下振动。由于敏感质量块7与检测电极4a之间构成检测电容Cs1、Cs2，检测质量块的位移会使敏感质量块7与检测电极4a之间距离发生变化，从而引起检测电容Cs1、Cs2的变化，因此通过测量差分检测电容的变化，就可以得到外界角速度的大小。需要指出的是本发明为在原加速度计结构中增加内置电容基板和电极，而非对原加速度计结构的设计。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于提高电容式微机械传感器温度稳定性的方法，其特征在于：直接将电容式微机械传感器中敏感结构的输出接口电容与电荷放大器的负输入端相连，并在电容式微机械传感器中制作固定电容作为电荷放大器的反馈电容。

2.根据权利要求1所述的用于提高电容式微机械传感器温度稳定性的方法，其特征在于：反馈电容连接于电荷放大器的输出端与负输入端之间。

3.一种基于权利要求1或2所述方法的微机械传感器，它为三明治结构的微加速度计，包括通过键合依次相连的第一基板（1）、中基板（2）以及第二基板（3），其特征在于：所述第一基板（1）和第二基板（3）上均固连有检测电极（4a）、检测电极的电极引线（4b）、内置电容电极（5a）和内置电容电极的电极引线（5b），所述中基板（2）上设有加速度计的敏感质量块（7）、内置电容极板（8）以及用来与第一基板（1）和第二基板（3）进行键合的凸台（6），所述内置电容电极（5a）位于内置电容极板（8）的下方。

4.一种基于权利要求1或2所述方法的微机械传感器，它为扭摆式微加速度计，包括通过键合连接在一起的第一基板（1）和第二基板（3），其特征在于：所述第一基板（1）上设置有多个检测电极（4a）、多个检测电极的电极引线（4b）、多个内置电容电极（5a）、多个内置电容电极的电极引线（5b）以及用来实现第一基板（1）与第二基板（3）键合的凸台（6）；所述第二基板（3）上设置有两个质量不相等的敏感质量块（7）、内置电容极板（8）以及用来支撑敏感质量块（7）的悬臂梁（10），所述内置电容电极（5a）位于内置电容极板（8）的下方。

5.一种基于权利要求1或2所述方法的微机械传感器，它为微机械陀螺结构，包括通过键合连接在一起的第一基板（1）和第二基板（3），其特征在于：所述第一基板（1）上设置有驱动电极（9a）、驱动电极的电极引线（9b）、检测电极（4a）、检测电极的电极引线（4b）、内置电容电极（5a）、内置电容电极的电极引线（5b）以及用来与第二基板（3）进行锚接的凸台（6）；所述第二基板（3）上设置有敏感质量块（7）、内置电容极板（8）以及用来支撑敏感质量块（7）的悬臂梁（10），所述内置电容电极（5a）位于内置电容极板（8）的下方。

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