CN103293337A - 无线无源电容式加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线无源电容式加速度计，其包括内设封闭空腔的衬底，质量块通过悬臂梁固定在封闭空腔内；封闭空腔内位于质量块上方的位置设有第一电容、位于质量块下方的位置设有第二电容；衬底的底面上设有平面螺旋电感；衬底和质量块上都通过TSV工艺打孔溅射有电连线，电连线将第一电容、第二电容和平面螺旋电感串联成闭合回路。本发明传感器设计巧妙，结构简单，灵敏度高，测试结果准确，无线无源，可以在恶劣环境中使用，而且测量时采用非接触式测量，大大的扩宽了该传感器的适用范围。

Description

无线无源电容式加速度计

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体是一种适用于恶劣环境中实现快速、密闭移动物体的非接触测量的无线无源电容式加速度计。

背景技术

电容式加速度计具有灵敏度高、过载能力强，对高温、辐射、强振等恶劣条件适应性好等优点，是加速度计研究领域的热点之一。但是在许多特殊场合，由于环境的限制，不宜连线，或者不宜更换电池，特别是在一些高温、高压的恶劣环境下，有线测量会产生电路失效和电引线高温退化等问题，这样就极大地限制了电容式加速度计的适用范围。

在欧美等一些发达国家，已经较早的开展了无源无线传感器的研究，并在此领域取得了一定的成绩。无源无线传感器特别适用于恶劣环境中的非接触测量，具有显著的优点，无源无线传感器已经被运用到许多高科技领域，比如高温环境中压力的测量、医学中眼压的测量、血压的测量、轮胎内部压力测量等。

那么结合无源无线传感器的优点，是否可以设计一种无源无线的电容式加速度计，使得电容式加速度计在自身优点的基础上可以实现在恶劣环境中的非接触测量，从而拓宽电容式加速度计的适用范围。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有电容式加速度计不能实现无缘无线的非接触式测量，而提供一种无线无源电容式加速度计，使得该加速度计可适用于恶劣环境中实现快速、密闭移动物体的非接触测量。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种无线无源电容式加速度计，包括衬底，衬底中设有封闭空腔，封闭空腔内设有质量块，质量块的四周分别固接有悬臂梁，悬臂梁的另一端固定在封闭空腔的腔壁上，质量块位于封闭空腔的中心位置；封闭空腔内位于质量块上方的位置设有第一电容、位于质量块下方的位置设有第二电容；第一电容的第一下极板连接在质量块的上表面、第一上极板连接在封闭空腔腔顶上正对质量块的位置处，第二电容的第二上极板连接在质量块的下表面、第二下极板连接在封闭空腔腔底上正对质量块的位置处；衬底的底面上设有平面螺旋电感（即同一个平面内的由内向外一圈一圈的螺旋线状）；衬底和质量块上都通过TSV工艺打孔溅射有电连线，电连线将第一电容、第二电容和平面螺旋电感串联成闭合回路。

使用时，将本发明加速度计置于测量载体中，当载体加速度运动时，本发明加速度计中的质量块与封闭空腔发生相对位移，第一、二电容的极板间距发生变化，电容值随之变化。当电容值发生变化时，第一、二电容与平面螺旋电感形成的串联闭合回路的谐振频率就发生变化。数据读取装置中有同样的电容电感闭合回路（数据读取装置为现有装置，其读取原理也为公知技术；数据读取装置包括信号发生器，阻抗分析仪和由等效电容、等效电感串联组成的发射线圈，其读取原理如图4所示），当数据读取装置中的信号发生器通过电容电感串联发射线圈发射信号，当电容电感串联发射线圈与本发明加速度计中的平面螺旋电感发生耦合时，电容电感串联发射线圈两端的阻抗相位在加速度计谐振频率处发生变化，这样就阻抗分析仪可以根据相位参数的变化得到本发明加速度计中平面螺旋电感与第一、二电容闭合电路的谐振频率的变化，进而得到电容值的变化。电容值的变化可以推导出极板间距的变化，极板间距的变化与悬臂梁的受力有关。悬臂梁和质量块连体相当于弹簧质量块，已知悬臂梁受力和质量块质量，就可以得到载体的加速度值。

此外，本发明加速度计的数据也可以通过图5所示的测量装置进行测量：该装置包括扫频信号源模块、测试天线端、混频模块、信号采集模块、中央处理模块以及显示模块；其中，扫频信号源模块的一个输出端与测试天线端的输入端连接、另一个输出端与混频信号模块的一个输入端连接，测试天线端的输出端与混频模块的另一输入端连接，混频模块的输出端与信号采集模块的输入端连接，信号采集模块的输出端与中央处理模块的输入端连接，中央处理模块的一个输出端与扫频信号源模块的输入端连接、另一个输出端与显示模块的输入端连接。测量时，将本发明加速度计置于所需环境中，将测量装置置于测量环境附近，在本发明加速度计未受到应变作用时，其谐振频率不变。当本发明加速度计受到应变作用后，本发明加速度计的电容和电感会发生变化，本发明加速度计的谐振频率也会发生变化，此时，由中央处理模块控制扫频信号源模块产生一定频率范围的扫频激励信号供给测试天线端，测试天线端在扫频过程中会实现与LC传感器线圈的耦合，此时测试天线端上有一个明显的电压降，这个电压降就是谐振频率点，最后将电压降转换成输出信号，将测试天线端的输出信号和扫频信号源模块产生的扫频激励信号通过混频模块进行混频，将经过混频后的模拟信号，通过信号采集模块转换为数字信号，然后再送入中央处理模块中处理，通过中央处理模块对数字信号进行处理，得到测试天线端的谐振频率以及幅频特性曲线，根据获得的测试天线端的谐振频率以及幅频特性曲线可以确定本发明加速度计的特征参数，并通过显示模块显示出本发明加速度计的特征参数以提供给用户。

进一步地，所述的衬底、质量块和悬臂梁都是采用SiC材料制作而成的。SiC材料具有化学性质稳定、耐高温、强度大、抗冲击性强、热导系数高、热膨胀系数小等优点，所以由SiC材料制作成的传感器适用于高温等恶劣的环境条件下。

本发明加速度计中，衬底、质量块、悬臂梁都是采用MEMS工艺加工而成的，第一、第二电容的极板和平面螺旋电感都是采用淀积溅射的方法连接在衬底和质量块表面上的，电连线是采用TSV工艺在衬底及质量块上打孔溅射而成的（TSV工艺为现有技术，属于半导体微电子领域，代表硅穿孔Through Si via。在3D IC封装及MEMS封装过程中，由于要使用到多层芯片互联，因此需要打穿整个芯片的孔来实现电学连接），本发明加速度计具体的制作步骤如下：

（1）衬底由上、中、下三层衬底键合而成，首先取上层衬底，利用MEMS工艺在上层衬底下表面开设顶层空腔，在顶层空腔的腔顶中心位置淀积金属作为第一电容的上极板，利用TSV工艺在上层衬底上打孔溅射电连线，电连线的一端与第一电容上极板连接；

（2）取中层衬底，利用MEMS工艺对中层衬底进行加工，将中层衬底加工成边框及质量块和悬臂梁结构，在质量块的上表面淀积金属作为第一电容的下极板，在质量块的下表面淀积金属作为第二电容的上极板，利用TSV工艺在质量块及边框上打孔溅射电连线，质量块上的电连线的两端分别与第一电容下极板和第二电容上极板连接，边框上的电连线的一端用于与上层衬底上电连线的端部连接；

（3）取下层衬底，利用MEMS工艺在下层衬底上表面开设底层空腔，在底层空腔的腔底中心位置淀积金属作为第二电容的下极板，在下层衬底的下表面上淀积金属形成平面螺旋电感，利用TSV工艺在下层衬底上打孔溅射电连线，一条电连线打在下层衬底的腔底上并且该条电连线的一端与第二电容的下极板连接、另一端与平面螺旋电感的一端连接，另一条电连线打在下层衬底的侧壁上并且该条电连线的一端用于与中层衬底边框上的电连线端部连接、另一端与平面螺旋电感的另一端连接；

（4）将上、中、下三层衬底键合在一起就制成了本发明所述的加速度计。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

（1）结构简单：只有衬底、悬臂梁、质量块、平面螺旋电感、电容等部分组成，就能实现加速度的测量；

（2）无线无源：本发明加速度计能置于极端恶劣环境下，无需外部电源，利用互感无线耦合电信号，敏感环境加速度变化量；

（3）非接触测量：该加速度计本身不带数据读取装置，数据读取装置为另外的单独装置，测量时，读取装置利用互感耦合原理实现对传感器的非接触式测量。

（4）测试灵敏度高，测试结果精度高，适用范围广。

附图说明

图1为本发明加速度计的结构剖视图。

图2为图1中的A-A剖视图。

图3为本发明加速度计的平面螺旋电感示意图。

图4为使用数据读取装置读取本发明加速度计时的原理简化电路图。

图5为另一种测量本发明加速度计的测量装置结构图。

图中：1-衬底、2-封闭空腔、3-质量块、4-悬臂梁、5-第一电容、5-1-第一下极板、5-2-第一上极板、6-第二电容、6-1-第二上极板、6-2-第二下极板、7-平面螺旋电感、8-电连线、9-数据读取装置、10-阻抗分析仪、11-信号发生器、12-等效电容、13-等效电感。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步地描述：

如图1至图3所示，一种无线无源电容式加速度计，包括衬底1，衬底1中设有封闭空腔2，封闭空腔2内设有质量块3，质量块3的四周分别固接有悬臂梁4，悬臂梁4的另一端固定在封闭空腔2的腔壁上，质量块3位于封闭空腔2的中心位置；封闭空腔2内位于质量块3上方的位置设有第一电容5、位于质量块3下方的位置设有第二电容6；第一电容5的第一下极板5-1连接在质量块3的上表面、第一上极板5-2连接在封闭空腔2腔顶上正对质量块3的位置处，第二电容6的第二上极板6-1连接在质量块3的下表面、第二下极板6-2连接在封闭空腔2腔底上正对质量块3的位置处；衬底1的底面上设有平面螺旋电感7；衬底1和质量块3上都通过TSV工艺打孔溅射有电连线8，电连线8将第一电容5、第二电容6和平面螺旋电感7串联成闭合回路。

具体实施时，所述的衬底1、质量块3和悬臂梁4都是采用SiC材料制作而成的。

本发明无源无线电容式加速度计的制作方法，包括如下步骤：

（1）衬底1由上、中、下三层衬底键合而成，首先取上层衬底，利用MEMS工艺在上层衬底下表面开设顶层空腔，在顶层空腔的腔顶中心位置淀积金属作为第一电容5的上极板，利用TSV工艺在上层衬底上打孔溅射电连线8，电连线8的一端与第一电容5上极板连接；

（2）取中层衬底，利用MEMS工艺对中层衬底进行加工，将中层衬底加工成边框及质量块3和悬臂梁4结构，在质量块3的上表面淀积金属作为第一电容5的下极板，在质量块3的下表面淀积金属作为第二电容6的上极板，利用TSV工艺在质量块3及边框上打孔溅射电连线，质量块3上的电连线8的两端分别与第一电容5下极板和第二电容6上极板连接，边框上的电连线8的一端用于与上层衬底上电连线8的端部连接；

（3）取下层衬底，利用MEMS工艺在下层衬底上表面开设底层空腔，在底层空腔的腔底中心位置淀积金属作为第二电容6的下极板，在下层衬底的下表面上淀积金属形成平面螺旋电感7，利用TSV工艺在下层衬底上打孔溅射电连线8，一条电连线8打在下层衬底的腔底上并且该条电连线8的一端与第二电容6的下极板连接、另一端与平面螺旋电感7的一端连接，另一条电连线8打在下层衬底的侧壁上并且该条电连线8的一端用于与中层衬底边框上的电连线8端部连接、另一端与平面螺旋电感7的另一端连接；

（4）将上、中、下三层衬底键合在一起就制成了本发明所述的加速度计。

Claims (3)

1.一种无线无源电容式加速度计，其特征在于：包括衬底（1），衬底（1）中设有封闭空腔（2），封闭空腔（2）内设有质量块（3），质量块（3）的四周分别固接有悬臂梁（4），悬臂梁（4）的另一端固定在封闭空腔（2）的腔壁上，质量块（3）位于封闭空腔（2）的中心位置；封闭空腔（2）内位于质量块（3）上方的位置设有第一电容（5）、位于质量块（3）下方的位置设有第二电容（6）；第一电容（5）的第一下极板（5-1）连接在质量块（3）的上表面、第一上极板（5-2）连接在封闭空腔（2）腔顶上正对质量块（3）的位置处，第二电容（6）的第二上极板（6-1）连接在质量块（3）的下表面、第二下极板（6-2）连接在封闭空腔（2）腔底上正对质量块（3）的位置处；衬底（1）的底面上设有平面螺旋电感（7）；衬底（1）和质量块（3）上都通过TSV工艺打孔溅射有电连线（8），电连线（8）将第一电容（5）、第二电容（6）和平面螺旋电感（7）串联成闭合回路。

2.根据权利要求1所述的无线无源电容式加速度计，其特征在于：所述的衬底（1）、质量块（3）和悬臂梁（4）都是采用SiC材料制作而成的。

3.根据权利要求1或2所述的无源无线电容式加速度计的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）衬底由上、中、下三层衬底键合而成，首先取上层衬底，利用MEMS工艺在上层衬底下表面开设顶层空腔，在顶层空腔的腔顶中心位置淀积金属作为第一电容的上极板，利用TSV工艺在上层衬底上打孔溅射电连线，电连线的一端与第一电容上极板连接；

（2）取中层衬底，利用MEMS工艺对中层衬底进行加工，将中层衬底加工成边框及质量块和悬臂梁结构，在质量块的上表面淀积金属作为第一电容的下极板，在质量块的下表面淀积金属作为第二电容的上极板，利用TSV工艺在质量块及边框上打孔溅射电连线，质量块上的电连线的两端分别与第一电容下极板和第二电容上极板连接，边框上的电连线的一端用于与上层衬底上电连线的端部连接；

（3）取下层衬底，利用MEMS工艺在下层衬底上表面开设底层空腔，在底层空腔的腔底中心位置淀积金属作为第二电容的下极板，在下层衬底的下表面上淀积金属形成平面螺旋电感，利用TSV工艺在下层衬底上打孔溅射电连线，一条电连线打在下层衬底的腔底上并且该条电连线的一端与第二电容的下极板连接、另一端与平面螺旋电感的一端连接，另一条电连线打在下层衬底的侧壁上并且该条电连线的一端用于与中层衬底边框上的电连线端部连接、另一端与平面螺旋电感的另一端连接；

（4）将上、中、下三层衬底键合在一起就制成了本发明所述的传感器。

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