CN103344785A - 带自我标定的电容式微惯性传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带自我标定功能的微惯性传感器。现有的带自我标定功能的传感器标定范围小。本发明中敏感器质量块为刻蚀有栅条形井的矩形硅片，两对应端通过硅支撑梁与锚点连接，另两个对应端分别设置有矩形硅条。驱动器质量块设置在敏感器质量块的两侧，中间刻有环形槽，两侧设置有可动质量块驱动硅条和驱动器驱动硅条，敏感器质量块连接的硅条与对应的质量块驱动硅条组成质量块驱动电容。固定驱动硅条的梳齿条与可动驱动器驱动硅条组成驱动器驱动电容。敏感器质量块连接的梳型硅条与固定检测硅条，以及栅形电极和衬底表面的叉指铝电极组成检测电容。本发明增大了质量块驱动电容，从而减小了驱动电压；增大了振子质量，减小了布朗噪声。

Description

带自我标定的电容式微惯性传感器

技术领域

本发明属于微电子机械技术领域，涉及一种微惯性传感器，具体涉及一种含自我标定功能的高精度微惯性传感器。

背景技术

最近十几年来，用微机械技术制作的加速度计得到了迅速的发展，主要有光加速度计、电磁加速度计、电容加速度计等。在这些传感器中，电容式加速度传感器，由于具有温度系数小，灵敏度高，稳定性好等优点，是目前研制的最多的一类加速度传感器。随着加速度传感器的发展，加速度传感器的标定方法也得到了迅速的发展。对加速度传感器的常用标定方法有1g动态翻滚试验、高g值离心机试验、振动冲击试验等。传统标定加速度传感器时需要使传感器收到已知的惯性力的作用，观察记录传感器输出信号与外界加速度的关系。这种标定方法往往需要高精度的仪器提供加速度信号，费用比较昂贵，而且操作复杂，后来陆续有人研究用静电力对传感器进行自我标定，代替外界加速度产生的惯性力，可以降低成本，但产生静电力时所施加的电压易超过加速度传感器的工作电压。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含自我标定功能的高精度微惯性传感器。

本发明提供的电容式微惯性传感器包括玻璃衬底、敏感器质量块、驱动器质量块、固定驱动硅条、固定检测硅条和驱动导线。

敏感器质量块分为条形敏感器质量块和一对栅形敏感器质量块。条形敏感器质量块由矩形块和条形敏感器质量块矩形凸起组成，条形敏感器质量块的两对应端通过敏感器U型硅支撑梁与敏感器锚点连接，敏感器锚点固定设置在玻璃衬底上。一对栅形敏感器质量块分别位于条形敏感器质量块两侧，每个栅形敏感器质量块由纵向等间距、横向平行的栅形电极以及栅型敏感器质量块矩形凸起组成，其纵向长度和条形敏感器质量块的主体长度相同；栅形敏感器质量块矩形凸起和条形质量块矩形凸起相对，形成电容调整间隙。栅形敏感器质量块的两个对应端分别设置有两组矩形硅条组，每组硅条组包括平行设置的m条硅条，m≥2，栅形敏感器质量块两端的硅条数目相同、位置对应，硅条与栅形敏感器质量块侧边垂直；栅形敏感器质量块的另两个对应端分别设置有两组梳型硅条组，每组硅条组由n个等间距的梳齿和连接梳齿的矩形硅条组成，n≥2，梳齿与矩形硅条垂直设置，栅形敏感器质量块两端的梳齿数目相同、位置对应，矩形硅条与栅形敏感器质量块侧边垂直；栅形敏感器质量块对应玻璃衬底一面刻蚀有与矩形硅条平行的矩形栅条形井。栅形敏感器质量块和条形敏感器质量块通过两对位于栅形敏感器质量块和条形敏感器质量块之间的U形敏感器连接梁相连，该两对U形敏感器连接梁沿着条形敏感器质量块的横向中心线对称设置。

敏感器质量块的两侧分别设置有两个驱动器质量块；所述的驱动器质量块为矩形硅片，驱动器质量块的两对应端通过驱动器U形支撑梁与锚点连接，驱动器锚点固定设置在玻璃衬底上，驱动器质量块与玻璃衬底平行设置；每个驱动器质量块的一侧设置有m个驱动器驱动硅条，另一侧设置有m个质量块驱动硅条，所述的质量块驱动硅条为梳齿状，齿上刻蚀有凹形阻尼条，质量块驱动硅条与敏感器质量块连接的矩形硅条平行、位置对应，敏感器质量块连接的矩形硅条与对应的质量块驱动硅条组成质量块驱动电容；驱动器质量块中间刻有方环形槽。

两个梳齿状的固定驱动硅条固定设置在玻璃衬底上，每个固定驱动硅条的梳齿条与驱动器驱动硅条位置对应；固定驱动硅条的梳齿条与对应的驱动器驱动硅条的组成驱动器驱动电容；两个固定驱动硅条通过玻璃衬底表面上的引线与驱动器外部连接锚点连接。

四个梳齿状的固定检测硅条固定设置在玻璃衬底上，固定检测硅条由梳齿条及连接梳齿条的矩形硅条组成，每个固定检测硅条的梳齿条与敏感器质量块连接的梳齿状硅条组上的梳齿条位置对应，固定检测硅条的梳齿条与梳齿状硅条组上的梳齿条形成检测电容；四个固定检测梳齿条通过玻璃衬底上的引线与外部连接锚点连接。

驱动导线共有两根，分别纵向设置于相应的栅形敏感器质量块的内侧边框上，每根驱动导线的一端通过沿对应的敏感器连接梁和敏感器U型硅支撑梁上所铺设的金属导线引出电极连接。驱动导线以及连接驱动导线与电极之间的连接线与敏感器栅质量块对应部分之间设置有电绝缘层。

玻璃衬底表面对应两个敏感器锚点位置设置有两个敏感器质量块锚点，敏感器质量块焊点与敏感器锚点连接；玻璃衬底表面对应敏感器质量块设置有叉指铝电极，敏感器质量块上刻蚀的栅条形井的长条边与叉指铝电极中的每对叉指相对应。

本发明基本的构思是设计带有自我标定功能的高精度微惯性传感器，同时增大传感器的标定范围。传感器质量块驱动电容的初始设计间距较大，从而解决深反应离子刻蚀深宽比小于30:1对传感器振子的质量不能做厚的限制，而后通过驱动器减小了电容极板间距，从而增大了传感器的初始质量块驱动电容以增大传感器的标定范围，再在驱动器上施加电压，产生静电力驱动敏感质量块，使敏感质量块在敏感方向上产生偏移，等效于施加外界加速度，实现自我标定功能。同时，通过磁场驱动栅形敏感器质量块，减小检测电容间距，从而增大传感器的初始检测电容，提高传感器精度，降低检测电路噪声。本发明还在敏感器质量块上刻蚀栅形条井，并和衬底上的叉指铝电极组成差分检测电容降低了电路噪声，且栅条形井和玻璃衬底上叉指间的差动表现为滑膜阻尼特性，从而也减小了布朗噪声。本发明通过在驱动器的质量块驱动硅条上刻蚀凹形阻尼条来减小压膜空气阻尼从而减小机械噪声。另外，通过改变支撑梁和质量块的尺寸还可以改变传感器的量程和响应特性。

本发明提供的微惯性传感器大大增大了振子质量，从而减小了布朗噪声，而通过驱动器减小了电容极板间距，并在驱动器的质量块驱动硅条上刻蚀阻尼条，增大了质量块驱动电容，减少了质量块驱动电压，增大了标定范围，同时减小了压膜空气阻尼，从而降低了机械噪声和电路噪声，而变面积式的梳齿对和敏感器质量块上新增的栅形条井电容差分运动时空气阻尼表现为滑膜阻尼，从而降低了布朗噪声，同时也增大了检测电容。

本发明涉及的高精度微惯性传感器结构新颖，分辨率和灵敏度高，制作工艺简单，有利于降低成本和提高成品率，是一种可以实际应用的微惯性传感器。

附图说明

图1为发明的玻璃衬底及表面上的结构示意图；

图2为本发明结构俯视图；

图3为本发明的栅条形井的剖面图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明进一步说明，但本发明决非仅限于所介绍的实施例。

本发明提供一种带自我标定结构的高精度微惯性传感器，采用体硅微机械加工工艺可以提高传感器芯片的质量，从而降低噪声，改善稳定性，提高灵敏度。缺点是体积稍大，但可以制作出高精度的微机械惯性传感器。为了减小驱动敏感质量块时的驱动电压，使驱动电压不超过传感器的工作电压，可以通过增大传感器的静态驱动电容的方法，从而减小机械噪声和电路噪声。而对于用体硅工艺如深反应粒子刻蚀（Deep RIE）加工的梳齿状的电容式传感器，其极板电容的深宽比一般小于30:1，这就限制了电容极板间距的减小。而对于小间距极板电容，其压膜空气阻尼较大，增大了传感器的机械噪声。减小该机械噪声可以通过在极板上刻蚀阻尼条。

如图1、2和3所示，一种带自我标定的微惯性传感器包括玻璃衬底1、敏感器质量块20、驱动器质量块14、固定驱动硅条16、固定检测硅条27和驱动导线35。

敏感器质量块分为条形敏感器质量块41和一对栅形敏感器质量块20。条形敏感器质量块41由矩形块40和条形敏感器质量块矩形凸起37组成，条形敏感器质量块41的两对应端通过敏感器U型硅支撑梁18与敏感器锚点19连接，敏感器锚点19固定设置在玻璃衬底1上。一对栅形敏感器质量块20分别位于条形敏感器质量块41两侧，每个栅形敏感器质量块41由纵向等间距、横向平行的栅形电极（21,22）以及栅型敏感器质量块矩形凸起38组成，其纵向长度和条形敏感器质量块的主体长度相同；栅形敏感器质量块矩形凸起38和条形质量块矩形凸起37相对，形成电容调整间隙39。栅形敏感器质量块20的两个对应端分别设置有两组矩形硅条组，每组矩形硅条组包括平行设置的两条硅条23，栅形敏感器质量块20两端硅条23的数量相同、位置对应，硅条23与栅形敏感器质量块20的侧边垂直；栅形敏感器质量块20的另两个对应端分别设置有两组梳型硅条组，每组硅条组由两个等间距的梳齿30和连接梳齿的矩形硅条31组成，梳齿30与矩形硅条31垂直设置，栅形敏感器质量块20两端的梳齿数目相同、位置对应，矩形硅条31与栅形敏感器质量块20侧边垂直；栅形敏感器质量块20对应玻璃衬底一面等间距刻蚀有与硅条23平行的12个矩形栅条形井22；敏感器质量块和外部封装的连接通过玻璃衬底1上的敏感器质量块焊点5来实现，栅形敏感器质量块20下表面的栅条形井的长条边21位于衬底叉指铝电极9组成的电极对的正上方。栅形敏感器质量块20和条形敏感器质量块41通过两对位于栅形敏感器质量块20和条形敏感器质量块41之间的U形敏感器连接梁36相连，该两对U形敏感器连接梁36沿着条形敏感器质量块41的横向中心线对称设置。

敏感器质量块的两侧分别设置有两个驱动器质量块14，驱动器质量块14为矩形硅片，驱动器质量块14的两对应端通过驱动器U形硅支撑梁10与驱动器锚点17连接，驱动器锚点17固定设置在玻璃衬底1上，驱动器质量块14与玻璃衬底1平行设置；每个驱动器质量块14的一侧设置有两个驱动器驱动硅条11，另一侧设置有两个质量块驱动硅条25，其中质量块驱动硅条25上刻蚀有凹形阻尼条24，以降低压膜空气阻尼，质量块驱动硅条25与敏感器质量块20连接的矩形硅条23平行、位置对应，敏感器质量块连接的矩形硅条23与对应的质量块驱动硅条25组成质量块驱动电容；驱动器质量块14与矩形孤岛13之间形成方形环槽12。敏感器质量块两侧对应的驱动器质量块14通过玻璃衬底1表面上的引线8与焊点4连接。

两个梳齿状的固定驱动硅条16固定设置在玻璃衬底1上，每个固定驱动硅条16的梳齿条15与驱动器驱动硅条11位置对应；固定驱动硅条16的梳齿条15与对应的驱动器驱动硅条11的组成驱动器驱动电容；两个固定驱动硅条16通过玻璃衬底1表面上的引线3与焊点2连接。驱动器质量块上的方形环槽槽宽小于驱动器驱动硅条11与固定驱动硅条16的梳齿条15之间的间距，驱动器驱动硅条11与固定驱动硅条16的梳齿条15之间的间距小于硅条23与质量块驱动硅条25之间的间距。传感器电容的起始驱动间距是硅条23和质量块驱动硅条25之间的间距与方环形槽槽宽的差值。

两组梳齿状的固定检测硅条27固定设置在玻璃衬底1上，固定检测硅条27由梳齿条26及连接梳齿条26的矩形硅条28组成，每个固定检测硅条27的梳齿条26与敏感器质量块20连接的硅条30位置对应；固定检测硅条27的梳齿条26与对应的敏感器质量块连接的硅条30的组成检测电容；两个固定检测硅条27通过玻璃衬底1表面上的引线7与焊点6连接。

驱动导线35共有两根，分别纵向设置于相应的栅形敏感器质量块20的内侧边框上，每根驱动导线的一端通过沿对应的敏感器连接梁36和敏感器U型硅支撑梁18上所铺设的金属导线34引出电极（32，33）连接。驱动导线以及连接驱动导线与电极之间的连接线与敏感器栅质量块对应部分之间设置有电绝缘层。

玻璃衬底1表面对应两个敏感器锚点19位置设置有两个敏感器质量块焊点5，敏感器质量块焊点5与敏感器锚点19连接。玻璃衬底1表面对应敏感器质量块20位置设置有叉指铝电极9，叉指铝电极9通过铝焊点6接入测试信号电压。

结合图1、图2、图3对传感器原理进行说明。本传感器的自我标定功能是在驱动器质量块14上施加电压，使驱动器驱动硅条11与敏感质量块上矩形硅条23产生的静电力等效于外界所要施加的加速度，使敏感质量块在敏感方向上产生偏移，变面积式的梳齿对和敏感器质量块上新增的栅形条井电容差分运动进行检测敏感质量块的偏移量。

驱动器质量块14上方环形槽的槽宽12用d1表示，固定驱动硅条15和驱动器驱动硅条11的间距用d2表示，敏感器质量块连接的矩形硅条23和质量块驱动硅条24的间距用d3表示，且d3>d2>d1。用外部金丝球焊技术用金线把固定驱动硅条焊点和封装管壳引脚连接，施加直流偏置电压，用Vd1表示，产生的静电力驱动驱动器质量块，使驱动器质量块14与环形槽13发生吸合，敏感质量块上矩形硅条23与质量块驱动硅条24的间距为d3-d1；驱动器的焊点和封装壳引脚连接，施加电压用Vd2表示（Vd2<<Vd1，不影响驱动器和固定驱动硅条的吸合），上下驱动器可施加不同的电压信号，使驱动敏感质量块在敏感方向上受到静电力作用发生偏移，从而达到代替外界加速度的效果，实现自我标定功能。当Vd2为静态电压信号时，可实现传感器的静态标定；当Vd2为动态电压信号时，可模拟振动台标定及频率特性的标定等。同时，通过驱动器减小了质量块驱动电容极板间距，增大了传感器的初始质量块驱动电容以减小质量块的驱动电压，增大传感器标定范围。

条形敏感器质量块矩形凸起37和栅形敏感器质量块矩形凸起38之间的电容调整间隙39用d4表示，固定检测硅条和与敏感质量块连接的梳型硅条30的间隙29用d5表示。把位于条形敏感器质量块左侧的驱动导线，用外部金丝球焊技术，用金线把驱动导线左侧引出电极32分别连接到封装管壳引脚上，并接入恒流源。把位于条形敏感器质量块右侧的驱动导线，用外部金丝球焊技术，用金线把驱动导线右侧引出电极33分别连接到封装管壳引脚上，并接入和左侧的驱动导线相反相位的恒流源。敏感器外部引出电极5和6分别连接到封装管壳引脚，并分别用V1和V2表示。在传感器结构正上方的封装管壳帽内设置合适方向的匀强磁场，使在两根金属驱动导线上产生的安培力的方向均指向条形敏感器质量块的纵向中心线，并与条形敏感器质量块的纵向中心线垂直。两根驱动导线上的安培力使条形敏感器质量块矩形凸起37和栅形敏感器质量块矩形凸起38之间的电容调整间隙39减小至零，此时，传感器初始检测电容间距为d5-d4，由于电容的间距大大减小，从而传感器的初始检测电容大大增加。再在V1、V2端分别加电载波信号，敏感器质量块通过锚点连接至地。当敏感方向上有加速度信号时，由于惯性力的作用，产生位移，从而引起栅形敏感器质量块20上的栅形电极21和检测用交叉梳齿状固定对电极9a和9b组成的差分电容的叠加面积变化以及对应固定检测硅条27和与敏感器质量块连接的梳型硅条30对应组成的差分电容的叠加面积变化，进而引起电容较大的变化，该变化电容和外部惯性信号的大小成线性关系，通过检测电容变化便可以得到敏感方向上加速度的大小，而且由于传感器结构设计的特点，检测电容为差分变化，这增大了传感器的线性范围和量程。

本发明设计的高精度微惯性传感器，由于梳齿电容间距可用驱动器质量块减小，且驱动器质量块的质量块驱动硅条上刻蚀凹形阻尼条，这些因素使传感器的机械噪声和电路噪声大大减小，从而使敏感质量块的驱动电压大大减小；且敏感器质量块上有滑膜阻尼的栅形条井电容和变面积式的梳齿对对电容进行检测，从而使传感器可以达到很高的精度；本发明在驱动器质量块上刻蚀出防吸合短路的矩形孤岛，防止电容间发生短路和永久吸合。同时本发明采用为机械技术制作，工艺简单，有利于提高成品率和降低制造成本。

Claims (1)

1. 带自我标定的电容式微惯性传感器，包括玻璃衬底、敏感器质量块、驱动器质量块、固定驱动硅条、固定检测硅条和驱动导线，其特征在于：

敏感器质量块分为条形敏感器质量块和一对栅形敏感器质量块；条形敏感器质量块由矩形块和条形敏感器质量块矩形凸起组成，条形敏感器质量块的两对应端通过敏感器U型硅支撑梁与敏感器锚点连接，敏感器锚点固定设置在玻璃衬底上；一对栅形敏感器质量块分别位于条形敏感器质量块两侧，每个栅形敏感器质量块由纵向等间距、横向平行的栅形电极以及栅型敏感器质量块矩形凸起组成，其纵向长度和条形敏感器质量块的主体长度相同；栅形敏感器质量块矩形凸起和条形质量块矩形凸起相对，形成电容调整间隙；栅形敏感器质量块的两个对应端分别设置有两组矩形硅条组，每组硅条组包括平行设置的m条硅条，m≥2，栅形敏感器质量块两端的硅条数目相同、位置对应，硅条与栅形敏感器质量块侧边垂直；栅形敏感器质量块的另两个对应端分别设置有两组梳型硅条组，每组硅条组由n个等间距的梳齿和连接梳齿的矩形硅条组成，n≥2，梳齿与矩形硅条垂直设置，栅形敏感器质量块两端的梳齿数目相同、位置对应，矩形硅条与栅形敏感器质量块侧边垂直；栅形敏感器质量块对应玻璃衬底一面刻蚀有与矩形硅条平行的矩形栅条形井；栅形敏感器质量块和条形敏感器质量块通过两对位于栅形敏感器质量块和条形敏感器质量块之间的U形敏感器连接梁相连，该两对U形敏感器连接梁沿着条形敏感器质量块的横向中心线对称设置；

敏感器质量块的两侧分别设置有两个驱动器质量块；所述的驱动器质量块为矩形硅片，驱动器质量块的两对应端通过驱动器U形支撑梁与锚点连接，驱动器锚点固定设置在玻璃衬底上，驱动器质量块与玻璃衬底平行设置；每个驱动器质量块的一侧设置有m个驱动器驱动硅条，另一侧设置有m个质量块驱动硅条，所述的质量块驱动硅条为梳齿状，齿上刻蚀有凹形阻尼条，质量块驱动硅条与敏感器质量块连接的矩形硅条平行、位置对应，敏感器质量块连接的矩形硅条与对应的质量块驱动硅条组成质量块驱动电容；驱动器质量块中间刻有方环形槽；

两个梳齿状的固定驱动硅条固定设置在玻璃衬底上，每个固定驱动硅条的梳齿条与驱动器驱动硅条位置对应；固定驱动硅条的梳齿条与对应的驱动器驱动硅条的组成驱动器驱动电容；两个固定驱动硅条通过玻璃衬底表面上的引线与驱动器外部连接锚点连接；

四个梳齿状的固定检测硅条固定设置在玻璃衬底上，每个固定检测硅条的梳齿条与敏感器质量块连接的梳齿状硅条组上的梳齿条位置对应，固定检测硅条的梳齿条与梳齿状硅条组上的梳齿条形成检测电容；四个固定检测梳齿条通过玻璃衬底上的引线与外部连接锚点连接；

驱动导线共有两根，分别纵向设置于相应的栅形敏感器质量块的内侧边框上，每根驱动导线的一端通过沿对应的敏感器连接梁和敏感器U型硅支撑梁上所铺设的金属导线引出电极连接；驱动导线以及连接驱动导线与电极之间的连接线与敏感器栅质量块对应部分之间设置有电绝缘层；

玻璃衬底表面对应两个敏感器锚点位置设置有两个敏感器质量块锚点，敏感器质量块焊点与敏感器锚点连接；玻璃衬底表面对应敏感器质量块设置有叉指铝电极，敏感器质量块上刻蚀的栅条形井的长条边与叉指铝电极中的每对叉指相对应。

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