CN106526235A - 一种低g值电容式MEMS加速度计及其模态局域化测量电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种低g值电容式MEMS加速度计及其模态局域化测量电路。电容式MEMS加速度传感器包括硅基质量块，弹簧，电容极板，X、Y、Z方向限位档块，电容极板电极，电容极板和质量块构成4个差分电容，通过第一引线孔、第二引线孔和电容极板电极，将差分电容信号引入到模态局域化电路中。所述的电容测量系统包含ASIC模态局域化电路，参考电压源，多相时钟源，ASIC模态局域化电路输出电流与电容变化近似呈线性关系，当频率分析和数据采集/保持模块采样得到模态局域化电路的模态频率，响应电流信号，经低通滤波后输入到DSP中缓存计算。本发明设计了一种新型差分电容式MEMS加速度传感器及检测微弱电容变化的模态局域化测量电路，实现高精度微弱加速度变化检测。

Description

一种低g值电容式MEMS加速度计及其模态局域化测量电路

【技术领域】

本发明涉及一种加速度传感器技术领域，特别涉及一种超低g值MEMS电容式加速度传感器及电容测量方法。

【背景技术】

加速度传感技术广泛应用于地震监测，煤炭开采以及航空航天领域，传统的动圈式加速度传感器由于体积大、能耗高、精度不足已经渐渐无法满足生产生活的需求，微机电系统(MEMS)加速度传感器具有体积小、精度高、集成度高、稳定性好的特点，具有取代传统加速度传感器成为主流的趋势。

MEMS加速度传感器按照原理可包括电容式、压阻式、谐振式以及隧道电流式等，其中电容式加速度传感器技术相对更加成熟，工艺结构设计相对灵活。

Yazdi等人利用体硅加工技术设计了分辨率可以达到微重力加速度(μg)级别的电容式加速度传感器；周再发等人在其基础上使用表面加工和部分体加工工艺来降低加工难度，并且将传感器与测量电路集成在同一硅片上，提高了测量精度和测量范围，然而由于结构设计限制，横向灵敏度较高，精度受到影响。

车录锋等人使用体硅微机械方法，制作出的一种三明治结构电容式微加速度传感器，与现有工艺相比避免了繁琐的键合工艺，但其灵敏度及精度较低。

高成臣等人使用采用SOI工艺，采用上下玻璃基板作为固定电极，采用键合使中间质量块和玻璃极板形成三明治结构差分电容式传感器。其原理上采用平行板电容差分结构，输出电压与加速度线性度差，对于后续电路设计以及电容读取而言难度较大，并且工艺复杂，成品率低。

全硅三明治结构对称差分变面积电容式加速度计，具有低噪声，高灵敏度，宽动态范围的特点，设计接口电路较为容易。

通常对于10pF以下的电容，由于PCB电路板所产生的寄生电容已到达这个量级，不能使用传统的方法测量，由于微纳加工尺度限制，MEMS电容式加速度计的电容在1g的重力加速度下，电容变化在10^-18-10^-12F左右，而一些特定领域，如重力场监测，其加速度变化在10^-5g以下，对应电容变化在10^-21-10^-15F左右，已超出了目前电容读取技术的限制，故而小于10^-5g的微重力电容式加速度传感器，对于电容读取及电路降噪滤波的要求更加严苛。

对于电容式微重力加速度计，准确高效读取微弱电容变化成为电容式加速度计的研究重心。电容读取技术原理上包括：基于运算放大电路的连续时间电压读出电路：将所检测到的静电电容的变化在电荷读取单元中转换为电荷，且将在电荷读取单元中读取到的电荷传输到积分器进行积分，由此转换为电压信号。但原始信号经过电荷读取、积分，包含大量噪声，导致电路设计相对复杂。

使用调制/解调的放大电路技术，其难点在于运算放大器输入端共模偏置电压的实现；开关电容电荷读出电路缺点为电路中放大采样与保持过程，使得连续的电流信号变为离散信号，并且带入一定的高频噪声，限制了开关电容读出精度。这两种检测方式最小检测精度在pF(10^-15F)级别，对于微重力加速度计而言都稍显不足。

木代雅巳所设计的电容读取电路，采用差分输出后，经电荷放大器得到检测电容值。在前人的基础上，加入了载波信号调整电路，实现了虚设信号相位反转，同时调整增益时减小虚设电容值，实现减小噪声增益作用。然而采用PCB电路焊接虚设电容的方式，难以克服电容选择误差以及电路噪声的影响。

尾屋隼一郎提出的电容检测装置，具有可变电容元件，采用半导体加工工艺一体加工而成。将调整用电容元件的电容值设为半导体工艺上的最小值Cmin，则由偏移调整电路能够近似地实现Cmin×(N/M)的分辨率。但在原理上需要去除由所述可变电容元件所致的偏移误差，导致电路设计相对复杂。

金湘亮等人发明的MEMS加速度传感器伺服读出电路，将离散信号转换为携带加速度信号的数字比特流输出，通过相关双采样技术消除了失调电压，同时集成了数模转换器，杂散电容补偿阵列，可以抵消重力加速度的影响。由于其MEMS电容式加速度计结构的限制，输出的电容变化有限，对于超低g值的重力场检测显然不足。总的说来，传统电容式加速度计结构和电容读取技术都较难满足微重力测量的需求。

本发明采用一种新型接口电路，设计出一种差分变面积电容式MEMS加速度传感器和一种模态局域化原理的电容读取电路。

【发明内容】

本发明的目的是设计一种超低g值检测、高灵敏度的MEMS加速度传感器，并使用模态局域化原理读取极小电容变化的ASIC电路。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种低g值电容式MEMS加速度计，包括弹簧质量系统和一对底座，所述弹簧质量系统封装在一对底座之间，所述弹簧质量系统包括硅基底，硅基底的上表面和下表面分别设置有两组一侧电容极板，所述底座在与一侧电容极板对应的位置分别设置有另一侧电容极板，硅基底表面的一侧电容极板与底座上的一侧电容极板共同构成差分电容结构。

所述硅基底表面的一侧电容极板为硅基底上下表面对称氧化为二氧化硅薄膜后制作镀层而成。最终在两侧表面各形成2个互不连通的电容极板，最终与底座形成4对差分电容结构。

所述弹簧质量系统设置有一对弹簧，硅基底被一对弹簧分割为三部分，分别为：位于两端的质量块固定端以及位于中间的质量块，弹簧位于其中一个质量块固定端和质量块之间，形成质量块固定端/弹簧/质量块/弹簧/质量块固定端的结构。

所述弹簧为蛇形弹簧，所述质量块悬空布置，并通过蛇形的弹簧支撑。

所述底座上设置的差分电容极板是将底座对应部分向下刻蚀后制作镀层而成。

位于两侧底座上的差分电容极板之间形成Z方向挡块，所述底座进一步在X方向和Y方向形成有X方向挡块和Y方向挡块，所述Z方向为差分电容的两个极板的连线方向。

所述底座为玻璃制成。

所述底座为无顶的立方体结构，所述差分电容的一侧电容极板设置在弹簧质量块上，另一侧电容极板设置在底座上。

一种基于上述的低g值电容式MEMS加速度计的模态局域化测量电路，包括通过耦合电容C₃耦合的第一环路和第二环路，第一环路均包括串联连接的电阻R₁、电容C₁和电感L₁，第二环路均包括串联连接的电阻R₂、电容C₂和电感L₂，电容式MEMS加速度计的差分电容输出与电容C₂并联，将MEMS加速度计的电容变化转化为模态局域化电路的电流变化，电路两个环路的响应电流与电容变化近似呈线性变化关系。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：在本发明中，差分电容的一个电容极板设置在质量块上，另外一个电容极板在底座上，这样，当质量块在外力的作用下运动时，4对电容形成差分电容，既可以保证静态电容具有足够大的电容值，又能使相同扰动下电容的变化量至少增大一倍。

【附图说明】

图1是本发明电容式MEMS加速度传感器三维结构示意图；

图2是本发明电容式MEMS加速度传感器的内部结构示意图；

图3是图2的俯视图；

图3-1是图3的全剖视图；

图4是本发明的玻璃基底结构示意图；

图4-1是图4的全剖视图；

图5是本发明MEMS电容式加速度传感器弹簧质量系统示意图；

图5-1是图5的正视图及局部放大图；

图6是本发明MEMS电容式加速度传感器差分电容输出原理图；

图7是本发明差分电容有效降低横向灵敏度原理图；

图8是本发明与所用ASIC模态局域化测量电路接线原理图；

图9是本发明ASIC电路测量结果图。

图中，1.质量块，2.弹簧，3.弹簧质量系统固定端，5.Z方向限位块，6.玻璃底座，8.Y方向限位挡块，9.第一引线孔，10.Si基底，11.SiO₂氧化层，13.X方向限位块，14.质量块镀金层。图2中Y方向为该MEMS加速度传感器敏感轴方向。

【具体实施方式】

本发明所采用的技术方案是：一种MEMS电容式加速度传感器。所述的加速度传感芯片包括弹簧质量系统和一对由玻璃制成的底座6，所述弹簧质量系统封装在一对底座之间且悬空设置。

所述弹簧质量系统为一体加工而成，包括质量块1和弹簧2，所述质量块1由硅基底10加工而成，硅基厚度为30μm，硅基底10被一对弹簧2分割为三部分，分别为：位于两端的质量块固定端3以及位于中间的质量块，弹簧2位于其中一个质量块固定端和质量块之间，形成质量块固定端/弹簧/质量块/弹簧/质量块固定端的结构。

所述弹簧2为蛇形弹簧，所述质量块1悬空布置，并通过蛇形弹簧2支撑，可进行三个方向的自由运动。所述弹簧2用于提供回复力和支撑悬空的质量块1。

对位于中间的质量块硅基底上下表面分别对称氧化得到一层2μm厚度SiO₂薄膜，在SiO₂薄膜上分别镀金形成第一金层14，该第一金层14厚度为2μm，该第一金层14共计四块。

每一个第一金层14形成为电容的一侧电容极板，该结构有效的增加了质量块的质量及强度，并且由于SiO₂的绝缘特性，其在上下表面各形成2个互不连通的电容极板，最终与底座形成4对差分电容结构，增大了电容式加速度计的灵敏度。

一对由玻璃制成的基底6结构完全相同，分别位于弹簧质量系统的上部和下部，将弹簧质量系统封装在其中。该底座6为无顶的立方体结构，底面中心的部分保留作为Z方向挡块5，与其相邻的两侧分别向下刻蚀后进行镀金，形成第二金层。所述基底6分别沿着X方向和Y方向朝向第二金层的上方延伸形成有X方向挡块13和Y方向挡块8。所述X方向挡块13和Y方向挡块8均是通过对玻璃的基底进行刻蚀而成。装配后，上下底座的X方向挡块13之间的距离为50μm。

所述质量块的第一金层14与基底的第二金层构成差分电容，该差分电容的两个极板之间的距离为30μm。在玻璃基底上开设有第一引线孔9，所述第一金层的信号通过该第一引线孔9引入到模态局域化电路中，所述基底侧面开设有第二引线孔，所述第二金层的信号通过该第二引线孔引入到模态局域化电路中。

所述的电容测量系统包含ASIC电路，参考电压源，多相时钟源，输出接口，模态局域化电路，其中模态局域电路右环路固定电容与加速度传感器输出电容并联，多相时钟源与模态局域化电路、数据采集/保持模块相连，为模态局域化电路提供扫频正弦激励电压，同时为数据采集/保持模块提供参考基频，当频率分析和数据采集/保持模块采样得到模态局域化电路的模态频率，响应电流信号，经低通滤波后输入到DSP中缓存计算。

该结构有效的增长了质量块质量及强度，并且由于SiO₂绝缘特性，与两侧极板形成对称差分电容极板结构，增大了电容式加速度计的灵敏度。

如图6所示，本发明所述的MEMS电容式加速度传感器采用双端差分电容输出设计，当质量块在外力作用下沿敏感轴Y方向产生位移，两侧的4个差分电容C_d1,C_d4增大，C_d3,C_d2减小，采用差分电容输出接口模型：

其中ΔV＝V₀₊-V₀-即为差分电容接口的输出电容，V_res+，V_res-为为参考电压源提供的调制电压，C₀为无外力作用下平衡位置时单个电容的等效电容值，ΔC为外力作用下单个电容的电容变化值。由此可知，本发明可以对超低g值电容式MEMS加速度计的电容值进行检测。

如图7所示，为了有效减小横向灵敏度，即保证质量块只在敏感方向(Y轴)运动，在玻璃底座6上设计限位挡块5，可限定Z轴方向位移；所设计的差分电容输出机构亦可抵消非感应方向(Z轴)产生位移输出电容。当质量块在Z轴受力导致电容变化，差分电容接口的电压输出可表示为：

由于X方向微小位移并不改变输出电容值，故只需合理设计蛇形梁结构弹簧2，使之X方向上刚度略大，并且设置X方向限位挡块，可降低X方向上位移对灵敏度影响。

如图8所示，本发明的ASIC电路采用模态局域化原理，包括上下的第一和第二环路，两个环路通过耦合电容C₃耦合而成，第一环路包括串联连接的电阻R₁、电容C₁和电感L₁，第二环路包括串联连接的电阻R₂、电容C₂和电感L₂。所述的MEMS电容式传感器差分电容输出与固定电容C₂并联，将MEMS传感器电容变化转化为模态局域化电路的电流变化，电路上下环路的响应电流与电容变化近似呈线性变化关系。

常规状态下模态局域化电路上下环路可得微分方程：

上式中，L₁＝L₂＝L表示ASIC电路上下环路的电感值，R₁＝R₁＝R表示ASIC电路上下环路的电阻值，C_c表示两个环路之间耦合电容值(即电容C₃的值)，C表示上下环路的参考电容值，q₁，q₂为ASIC电路两个回路i₁,i₂的积分，v_s是下环路输入的扫描电压值。经过拉斯变换可得：

由上式解得Q₁，Q₂取值，并取反拉斯变化可得：

其中w_d1和w_d2为模态局域化电路的谐振角频率，u(t)为模态局域化电路的特征向量。S代表经拉斯变换后时域时间t对应的复频率，Q₁和Q₂分别对应q₁、q₂经过拉斯变化后的值。

在谐振角频率w_d1和w_d2上，q₁,q₂取峰值，其值随ΔC变化而变化，w_d1和w_d2同样随着ΔC变化而改变，由此，可以通过计算得到w_d1和w_d2下的q₁,q₂对应的峰值，而q₁，q₂为ASIC电路两个回路i₁,i₂的积分，即可以得到谐振频率下i₁,i₂随着ΔC变化的关系，进而得到i₁,i₂与加速度扰动的关系。

通过对电路左右两回路的谐振频率检测以及i₁/i₂采样，可以完成对加速度变化的测量。

本发明所述的弹簧质量系统模态频率如表1所示：

表1：弹簧质量系统模态频率

频率阶数	1阶	2阶	3阶	4阶	5阶
						频率(Hz)	18.43009	18.43009	44.66086	44.66086	64.21929

由表1可得，为了避开弹簧质量系统的共振区间，应使得测量环境频率低于15Hz，并且对采样信号进行低通滤波处理以降低噪底。

当敏感轴方向与重力方向平行，当敏感轴方向上重力加速度发生变化，其电容变化计算公式为：

其中∈为介电常数，w为X方向电容宽度，l为无外力下一对电容极板重合部分长度，x为外力下质量块在Y轴方向的位移。

根据上式可以计算，当敏感轴方向上加速度在±1g内变化，输出的电容变化，谐振频率f_d1，f_d2，模态局域化电路的左右回路响应电流比如表2所示：

表2：±1g下电容式加速度计引起模态局域化电路响应

根据表2参数，本发明的MEMS电容式加速度传感器输出的电流信号与加速度变化近似呈线性放大关系。图9为上表中同相/反相谐振电流(in phase/out of phase)|i₂/i₁-i₂₀/i₁₀|、共振频率相对变化与电容变化的关系，其中i₂₀/i₁₀为电容变化在13.281pF时的同相/反相谐振电流之比，为谐振频率变化与电容变化在13.281pF时的谐振频率之比。通过曲线易知，本发明所设计的模态局域化电路的电流响应检测灵敏度远高于采用同样结构的频率响应检测的方式。

本发明电容式MEMS加速度计，其弹簧质量系统采用整体加工制成，采用蛇形梁结构，其上下电容极板采用玻璃刻蚀工艺，可极大减小两极板间距，从而增大电容容量，并有效降低边缘效应。两侧极板分别刻蚀有两个电容区域，当质量块加载外力运动，两侧极板形成差分电容，既保证静态电容的电容足够大，又能使相同扰动下电容变化量至少增大1倍。

基于模态局域化分析方法的ASIC电路，将由输入扰动引起的电容变化量转换为左右环路电流响应，测得的灵敏度是采用同样结构的频率检测方式的3倍以上。上述是对本发明一种实施方式的描述，在本发明的范围内可以经行各种改变、变化实施例，在不改变本发明实质内容的前提下所做出的各种改变，均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种低g值电容式MEMS加速度计，其特征在于：包括弹簧质量系统和一对底座(6)，所述弹簧质量系统封装在一对底座之间，所述弹簧质量系统包括硅基底(10)，硅基底(10)的上表面和下表面分别设置有两组一侧电容极板，所述底座在与一侧电容极板对应的位置分别设置有另一侧电容极板，硅基底(10)表面的一侧电容极板与底座上的一侧电容极板共同构成4个电容，形成差分电容结构。

2.根据权利要求1所述的一种低g值电容式MEMS加速度计，其特征在于：所述硅基底(10)表面的一侧电容极板由硅基底(10)上下表面对称氧化为二氧化硅薄膜后，制作镀层而成。

3.根据权利要求1所述的一种低g值电容式MEMS加速度计，其特征在于：所述弹簧质量系统设置有一对弹簧(2)，硅基底(10)被一对弹簧(2)分割为三部分，分别为：位于两端的质量块固定端(3)以及位于中间的质量块，弹簧(2)位于其中一个质量块固定端和质量块之间，形成质量块固定端/弹簧/质量块/弹簧/质量块固定端的结构。

4.根据权利要求3所述的一种低g值电容式MEMS加速度计，其特征在于：所述弹簧(2)为蛇形弹簧，所述质量块(1)悬空布置，并通过蛇形的弹簧(2)支撑。

5.根据权利要求1所述的一种低g值电容式MEMS加速度计，其特征在于：所述底座上设置的差分电容的另一侧电容极板是将底座对应部分向下刻蚀后制作镀层而成。

6.根据权利要求5所述的一种低g值电容式MEMS加速度计，其特征在于：位于底座上的差分电容与另一侧电容极板之间形成Z方向挡块，所述底座(6)进一步在X方向和Y方向形成有X方向挡块(13)和Y方向挡块(8)，所述Z方向为差分电容的两个极板的连线方向。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的一种低g值电容式MEMS加速度计，其特征在于：所述底座为玻璃制成。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的一种低g值电容式MEMS加速度计，其特征在于：所述底座为无顶的立方体结构，所述差分电容的一侧电容极板设置在弹簧质量块上，另一侧电容极板设置在玻璃底座上。

9.一种基于权利要求1所述的低g值电容式MEMS加速度计的模态局域化电路，其特征在于：包括通过耦合电容C₃耦合的第一环路和第二环路，第一环路均包括串联连接的电阻R₁、电容C₁和电感L₁，第二环路均包括串联连接的电阻R₂、电容C₂和电感L₂，电容式MEMS加速度计的差分电容输出与电容C₂并联，将MEMS加速度计的电容变化转化为模态局域化电路的电流变化，电路两个环路的响应电流与电容变化呈线性变化关系。