CN107651649B - 一种数字输出的无源阵列式mems传感器 - Google Patents

一种数字输出的无源阵列式mems传感器 Download PDF

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Abstract

本发明属于MEMS技术领域，涉及一种数字输出的无源阵列式MEMS传感器。所述的传感器包括硅微机械传感单元，所述的硅微机械传感单元包括重掺杂欧姆接触区(31、34)、硅悬臂梁(32)、硅接触块(33)，硅悬臂梁(32)的一侧固定有硅接触块(33)，硅悬臂梁(32)的一端和硅接触块(33)的一侧分别设置有重掺杂欧姆接触区，传感器的每个功能区内包括由硅微机械传感单元组成的陈列；传感器感受到外部环境变化后，每个功能区硅微机械传感单元阵列并行输出每个硅微机械传感单元中硅悬臂梁(32)与硅接触块(33)的接触状态。提出了一种数字输出的新型无源阵列式MEMS传感器，解决了MEMS传感器体积不易缩小、功耗难以降低的问题。

Description

一种数字输出的无源阵列式MEMS传感器
技术领域
本发明属于MEMS技术领域，涉及一种数字输出的无源阵列式MEMS传感器。
背景技术
微机电(MEMS)传感器是一类基于硅微加工技术新型传感器件，这类器件通常具有重量轻、体积小、成本低、便于大批量生产的优点。因此被广泛应用于汽车、手机、可穿戴设备等产品中。传统MEMS传感器包括硅微机械传感单元，机械信号-模拟信号转换电路，模拟信号-数字信号转换电路和其它控制电路等部分。这些电路均需要外接电源提供能量，因此传统MEMS传感器为有源器件，需要外接电源才能工作。而且受机械信号-电压信号转换电路性能限制，硅微机械传感单元中可变电容、可变电阻结构随机械运动所产生的电容、电阻变化值达到一定量级时才会被电路准确地检测放大。
目前业内通常采用增大硅微机械传感单元中相关区域面积、厚度等方法增大被测量环境变化时机械信号(电容、电阻值)的变化量，为机械信号-模拟信号转换电路提供可靠的输入信号。通常还会对MEMS传感器中的各个电路进行结构、性能优化，降低电路的工作电压、电流，降低MEMS传感器的功耗。
发明内容
本发明解决的技术问题：提出一种数字输出的新型无源阵列式MEMS传感器，解决MEMS传感器体积不易缩小、功耗难以降低的问题。
本发明的技术方案：
一种数字输出的无源阵列式MEMS传感器，所述的传感器包括硅微机械传感单元，所述的硅微机械传感单元包括重掺杂欧姆接触区(12、15)、硅可动结构(13)、硅接触块(14)，硅可动结构(13)的一侧固定有硅接触块(14)，硅可动结构(13)的一端和硅接触块(14)的一侧分别设置有重掺杂欧姆接触区(12、15)，传感器的每个功能区内包括由硅微机械传感单元组成的陈列；所述的传感器包括伏角子阵列、仰角子阵列、左倾角子阵列和右倾角子阵列四个功能子阵列；
当四个功能子阵列分别检测传感器X轴正向、X轴负向、Y轴正向、Y轴负向的加速度时，每个功能子阵列中有(m/n)*p个硅微加速度传感单元，各个功能子阵列的量程均为0-m，其中各列中硅微加速度传感单元的阈值间隔n分布，传感器分辨率为n，当传感器在X轴正向的加速度为x时，传感器中的硅微加速度传感单元受到X轴负向惯性力作用，X轴正向加速度检测功能子阵列(21)中开关转换阀值小于x的硅微加速度传感单元(22)中的硅可动结构(13)受惯性力作用向硅接触块(14)运动，二者互相接触，硅微加速度传感单元进入开关闭合状态，其它硅微加速度传感单元(23)中硅可动结构(13)所受惯性力不足，硅可动结构(13)与硅接触块(14)仍未接触，硅微加速度传感单元保持开关断开状态，当硅微加速度传感单元(22、23)中的重掺杂欧姆接触区(12)接高电平时，处于开关闭合状态的硅微加速度传感单元(22)中的重掺杂欧姆接触区(12)输出高电平信号，处于开关断开状态的硅微加速度传感单元(23)中的重掺杂欧姆接触区(12)输出低电平信号，此时功能子阵列中一列硅微加速度传感单元并行输出的输出信号为11……100……0，其中共有x/n个1，(m-x)/n个0，该信号可以作为数字信号表示检测到的加速度的值，功能子阵列共有p列，因此会有p个数字信号输出，由于加工工艺误差每个数字信号中1的个数会有不同，对这p个数值进行平均处理，可以得到更准确的输出值，减小工艺误差的影响，提高测量精度；
当四个功能子阵列分别检测传感器伏角、仰角、左倾角和右倾角时，每个功能子阵列中有(t/k)*r个硅微姿态传感单元，各个功能子阵列的量程均为0°-t，其中各列中硅微姿态传感单元的阈值间隔k角度分布，传感器分辨率为k，当传感器的仰角为f时，传感器中仰角检测功能子阵列的硅微姿态传感单元的硅可动结构(13)受到重力分力，仰角检测功能子阵列(21)中开关转换阀值小于f的硅微姿态传感单元(22)中的硅可动结构(13)受重力分力作用向硅接触块(14)运动，二者互相接触，硅微姿态传感单元进入开关闭合状态，其它硅微姿态传感单元(23)中重力分力不足以使硅可动结构(13)与硅接触块(14)接触，硅微姿态传感单元(23)保持开关断开状态，当硅微姿态传感单元(22、23)中的重掺杂欧姆接触区(12)接高电平时，处于开关闭合状态的硅微姿态传感单元(22)中的重掺杂欧姆接触区(12)输出高电平信号，处于开关断开状态的硅微姿态传感单元(23)中的重掺杂欧姆接触区(12)输出低电平信号，此时功能子阵列中一列硅微姿态传感单元并行输出的输出信号为11……100……0，其中共有f/k个1，(t-f)/k个0，该信号可以作为数字信号表示检测到的姿态仰角的值，功能子阵列共有r列，因此会有r个数字信号输出，由于加工工艺误差每个数字信号中1的个数会有不同，对这r个数值进行平均处理，可以得到更准确的输出值，减小工艺误差的影响，提高测量精度。
通过硅接触块(14)高度的调整，设置硅可动结构(13)与硅接触块(14)接触的阀值。
所述的伏角子阵列、仰角子阵列、左倾角子阵列和右倾角子阵列都包括a*b个硅微机械传感单元，每b个传感单元排列成1行，每行传感单元的开关阈值一致；每a个传感单元排成1列，列中各个传感单元的阈值在0°到90°之间线性排列，相邻传感单元之间的阈值之差为90/a。
本发明的有益效果：首先，本发明为无源阵列式MEMS传感器，当硅微机械传感单元中的部分机械结构为导体，电阻趋近于0时，传感器理论功耗趋近于0，可以大大降低传感器的功耗；其次，硅微机械传感单元只有开关打开/开关闭合两个状态，不需要测量可动结构构成的电阻/电容，因此硅微机械传感单元的体积可以更小，传感器的体积也可以更小；传感器的功能子矩阵中包含多列微机械传感单元，可以取输出数值的平均值，减小MEMS加工工艺误差带来的测量误差。
附图说明
图1为本发明一种具体的硅微机械传感单元的结构；
图2为本发明一种具体的功能子阵列行列规则与阵列输出值；
图3为本发明一种具体的传感器内功能子阵列分布方案。
具体实施方式
下面结合附图对本技术方案作进一步详细描述。
参见图3，一种数字输出的无源阵列式MEMS传感器31，包括多个硅微机械传感单元36，所述的硅微机械传感单元包括重掺杂欧姆接触区12、15、硅可动结构13、硅接触块14，硅可动结构13的一侧固定有硅接触块14，硅可动结构13的一端和硅接触块14的一侧分别设置有重掺杂欧姆接触区12、15与输入端、输出端连接。
所述硅接触块14的高度或其它硅微机械参量的可以设定为预设值，通过设置这些参量可以设置硅可动结构13与硅接触块14接触所需的环境变化量的阀值。
所述传感器31的每个功能子阵列32、33、34、35内包括由a*b个硅微机械传感单元11组成的阵列，每b个传感单元排列成1行，每行传感单元的开关阈值一致，每a个传感单元排成1列，列中各个传感单元的阀值在,量程最小值Lmin到量程最大值Lmax之间线性排列，相邻传感单元之间的阈值之差为(Lmax-Lmin)/a；所述功能子阵列中各个传感单元可以根据所检测环境参量的变化改变自身开关状态，并行输出这些信息，输出信息为数字信号，可以表征所检测的环境参量的值。
所述传感器的一种实现方案为基于硅微加速度传感单元阵列的无源阵列式加速度传感器。该传感器中共有4个功能子阵列，分别检测传感器X轴正向、X轴负向、Y轴正向、Y轴负向的加速度，每个功能子阵列中有30*10个硅微加速度传感单元，各个功能子阵列的量程均为0g-30g，其中各列中硅微加速度传感单元的阈值间隔1g分布，传感器分辨率为1g。当传感器在X轴正向的加速度为10g时，传感器中的硅微加速度传感单元受到大小为m*10g的X轴负向惯性力作用。X轴正向加速度检测功能子阵列21中开关转换阀值小于10g的硅微加速度传感单元22中的硅可动结构13受大小为m*10g的惯性力作用向硅接触块14运动，二者互相接触，硅微加速度传感单元进入开关闭合状态，其它硅微加速度传感单元23中硅可动结构13所受惯性力不足，硅可动结构13与硅接触块14仍未接触，硅微加速度传感单元保持开关断开状态。当硅微加速度传感单元22,23中的重掺杂欧姆接触区12接1高电平时，处于开关闭合状态的硅微加速度传感单元22中的重掺杂欧姆接触区12输出1(高电平)，处于开关断开状态的硅微加速度传感单元23中的重掺杂欧姆接触区12输出0(低电平)。此时功能子阵列中一列硅微加速度传感单元并行输出的输出信号为11……100……0，其中共有10个1，20个0，该信号可以作为数字信号表示检测到的加速度的值。功能子阵列共有10列，因此会有10个数字信号输出，由于加工工艺误差每个数字信号中1的个数会有不同，对这10个数值进行平均处理，可以得到更准确的输出值，减小工艺误差的影响，提高测量精度。
所述传感器的另一种实现方案为基于硅微姿态传感单元阵列的无源阵列式姿态传感器。该传感器中共有4个功能子阵列，分别检测传感器伏角、仰角、左倾角和右倾角，每个功能子阵列中有90*10个硅微姿态传感单元，各个功能子阵列的量程均为0°-90°，其中各列中硅微姿态传感单元的阈值间隔1°分布，传感器分辨率为1°。当传感器的仰角为10°时，传感器中仰角检测功能子阵列的硅微姿态传感单元的硅可动结构13受到大小为m*1g*sin10°的重力分力。仰角检测功能子阵列21中开关转换阀值小于10°的硅微姿态传感单元22中的硅可动结构13受大小为m*1g*sin10°的重力分力作用向硅接触块14运动，二者互相接触，硅微姿态传感单元进入开关闭合状态，其它硅微姿态传感单元23中重力分力不足以使硅可动结构13与硅接触块14接触，硅微姿态传感单元23保持开关断开状态。当硅微姿态传感单元22,23中的重掺杂欧姆接触区12接1(高电平)时，处于开关闭合状态的硅微姿态传感单元22中的重掺杂欧姆接触区12输出1(高电平)，处于开关断开状态的硅微姿态传感单元23中的重掺杂欧姆接触区12输出0(低电平)。此时功能子阵列中一列硅微姿态传感单元并行输出的输出信号为11……100……0，其中共有10个1，80个0，该信号可以作为数字信号表示检测到的姿态仰角的值。功能子阵列共有10列，因此会有10个数字信号输出，由于加工工艺误差每个数字信号中1的个数会有不同，对这10个数值进行平均处理，可以得到更准确的输出值，减小工艺误差的影响，提高测量精度。

Claims (3)

1.一种数字输出的无源阵列式MEMS传感器，其特征为：所述的传感器包括硅微机械传感单元，所述的硅微机械传感单元包括重掺杂欧姆接触区(12、15)、硅可动结构(13)、硅接触块(14)，硅可动结构(13)的一侧固定有硅接触块(14)，硅可动结构(13)的一端和硅接触块(14)的一侧分别设置有重掺杂欧姆接触区(12、15)，传感器的每个功能区内包括由硅微机械传感单元组成的陈列；所述的传感器包括伏角子阵列、仰角子阵列、左倾角子阵列和右倾角子阵列四个功能子阵列；
当四个功能子阵列分别检测传感器X轴正向、X轴负向、Y轴正向、Y轴负向的加速度时，每个功能子阵列中有(m/n)*p个硅微加速度传感单元，各个功能子阵列的量程均为0-m，其中各列中硅微加速度传感单元的阈值间隔n分布，传感器分辨率为n，当传感器在X轴正向的加速度为x时，传感器中的硅微加速度传感单元受到X轴负向惯性力作用，X轴正向加速度检测功能子阵列(21)中开关转换阀值小于x的硅微加速度传感单元(22)中的硅可动结构(13)受惯性力作用向硅接触块(14)运动，二者互相接触，硅微加速度传感单元进入开关闭合状态，其它硅微加速度传感单元(23)中硅可动结构(13)所受惯性力不足，硅可动结构(13)与硅接触块(14)仍未接触，硅微加速度传感单元保持开关断开状态，当硅微加速度传感单元(22、23)中的重掺杂欧姆接触区(12)接高电平时，处于开关闭合状态的硅微加速度传感单元(22)中的重掺杂欧姆接触区(12)输出高电平信号，处于开关断开状态的硅微加速度传感单元(23)中的重掺杂欧姆接触区(12)输出低电平信号，此时功能子阵列中一列硅微加速度传感单元并行输出的输出信号为11……100……0，其中共有x/n个1，(m-x)/n个0，该信号可以作为数字信号表示检测到的加速度的值，功能子阵列共有p列，因此会有p个数字信号输出，由于加工工艺误差每个数字信号中1的个数会有不同，对这p个数值进行平均处理，可以得到更准确的输出值，减小工艺误差的影响，提高测量精度；
当四个功能子阵列分别检测传感器伏角、仰角、左倾角和右倾角时，每个功能子阵列中有(t/k)*r个硅微姿态传感单元，各个功能子阵列的量程均为0°-t，其中各列中硅微姿态传感单元的阈值间隔k角度分布，传感器分辨率为k，当传感器的仰角为f时，传感器中仰角检测功能子阵列的硅微姿态传感单元的硅可动结构(13)受到重力分力，仰角检测功能子阵列(21)中开关转换阀值小于f的硅微姿态传感单元(22)中的硅可动结构(13)受重力分力作用向硅接触块(14)运动，二者互相接触，硅微姿态传感单元进入开关闭合状态，其它硅微姿态传感单元(23)中重力分力不足以使硅可动结构(13)与硅接触块(14)接触，硅微姿态传感单元(23)保持开关断开状态，当硅微姿态传感单元(22、23)中的重掺杂欧姆接触区(12)接高电平时，处于开关闭合状态的硅微姿态传感单元(22)中的重掺杂欧姆接触区(12)输出高电平信号，处于开关断开状态的硅微姿态传感单元(23)中的重掺杂欧姆接触区(12)输出低电平信号，此时功能子阵列中一列硅微姿态传感单元并行输出的输出信号为11……100……0，其中共有f/k个1，(t-f)/k个0，该信号可以作为数字信号表示检测到的姿态仰角的值，功能子阵列共有r列，因此会有r个数字信号输出，由于加工工艺误差每个数字信号中1的个数会有不同，对这r个数值进行平均处理，可以得到更准确的输出值，减小工艺误差的影响，提高测量精度。
2.根据权利要求1所述的一种数字输出的无源阵列式MEMS传感器，其特征为：通过硅接触块(14)高度的调整，设置硅可动结构(13)与硅接触块(14)接触的阀值。
3.根据权利要求2所述的一种数字输出的无源阵列式MEMS传感器，其特征为：所述的伏角子阵列、仰角子阵列、左倾角子阵列和右倾角子阵列都包括a*b个硅微机械传感单元，每b个传感单元排列成1行，每行传感单元的开关阈值一致；每a个传感单元排成1列，列中各个传感单元的阈值在0°到90°之间线性排列，相邻传感单元之间的阈值之差为90/a。
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