CN111137838A - 一种mems容栅式角位移传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种MEMS容栅式角位移传感器及其制造方法，其包括机械外壳、敏感结构和处理ASIC电路；所述机械外壳采用凹槽型结构，位于凹槽边缘处设置有阶梯状结构，用于嵌设所述敏感结构，所述敏感结构的背部设置有所述处理ASIC电路及对外连接的接口，在所述机械外壳的凹槽底部设置有用于连线通孔；所述敏感结构包括转子和定子；所述转子设置在所述定子的上部，且所述转子与所述定子敏感面正对，并具有距离。本发明实现微传感器的高度集成，同时达到低功耗小体积的目的。

Description

一种MEMS容栅式角位移传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种电子技术领域，特别是关于一种面向微小型机器人、机械臂的MEMS容栅式角位移传感器及其制造方法。

背景技术

电容式角位移传感器运用广泛，随着近年来自主导航微终端、小型无人艇、各种无人机、机器人等技术的快速发展，这些应用对超小型角度传感器的年需求量在百万只以上，普通角度传感器在体积、成本和功耗上都难于满足这些应用的迫切需求，因此微型低成本高精度电容式角度传感器具有很大的市场发展前景。

目前市场上常用的角位移传感器主要是光栅和感应同步器等，这类传感器精度高，但是具有体积大、加工复杂、成本高，功耗严重等缺点，很难运用到无人机机器人等领域，针对这些缺点，目前的较小体积的角位移传感器普遍采用PCB工艺来制造敏感结构、采用分离器件来进行信号处理。PCB工艺加工主要的问题就是体积很难减小，目前的PCB工艺能力(过孔尺寸7mil,最小线宽5mil,最小间距5mil)，如果要实现在有限体积内的加工是极其困难的，而且PCB工艺的敏感结构温度特性差，多层压缩导致极板平整度差，细分的电周期内测量信号一致性差等一系列问题；处理电路中采用分离器件实现，存在功耗高、成本高、体积大等缺点，而且对于前段的电荷放大器分离器件的寄生参数大，容易受环境干扰。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种MEMS容栅式角位移传感器及其制造方法，实现了电容式角位移传感器的敏感结构的高精度加工，传感器的小型化和低功耗。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种MEMS容栅式角位移传感器，其特征在于：包括机械外壳、敏感结构和处理ASIC电路；所述机械外壳采用凹槽型结构，位于凹槽边缘处设置有阶梯状结构，用于嵌设所述敏感结构，所述敏感结构的背部设置有所述处理ASIC电路及对外连接的接口，在所述机械外壳的凹槽底部设置有用于连线通孔；所述敏感结构包括转子和定子；所述转子设置在所述定子的上部，且所述转子与所述定子敏感面正对，并具有距离。

进一步，所述转子采用四层结构，依次为：转子基底层、金属层、绝缘层和耐磨层；所述转子基底层底部中央位置处设置有转轴，所述转子基底层顶部由下至上依次设置有所述金属层、绝缘层和耐磨层；在所述金属层上通过MEMS工艺加工得到所需要的敏感电极图案，形成敏感面。

进一步，所述定子采用六层结构，依次为：定子基底层、预处理层、金属走线层、氧化绝缘层、电极金属层和绝缘保护层；所述定子基底层的上部设置有所述预处理层，所述预处理层上部由下至上依次设置有所述金属走线层、氧化绝缘层和电极金属层，所述氧化绝缘层用于隔离所述金属走线层和电极金属层，所述金属走线层用于所述电极金属层各交叉电极的连接，所述电极金属层用于刻画出与所述转子上敏感电极图案正对的采集电极和激励电极，形成敏感面。

进一步，所述定子基底层和转子基底层都采用半导体材料多晶硅或者玻璃制成。

进一步，所述定子采用圆形结构，所述电极金属层上的采集电极由正极性正弦采集电极C_S+、负极性正弦采集电极C_S-、正极性余弦采集电极C_C+和负极性余弦采集电极C_C-共四对电极构成，该四对电极间隔设置在圆周处，位于圆心位置设置有所述激励电极。

进一步，所述处理ASIC电路包括前端模拟电路和数模转换电路，所述前端模拟电路和数模转换电路均包括正弦信号测量通道和余弦信号测量通道两路；所述前端模拟电路的输入端与所述敏感结构中转子和定子形成的等效电路连接，所述前端模拟电路的输出端与所述数模转换电路连接。

进一步，所述前端模拟电路的正弦信号测量通道和余弦信号测量通道均包括直流电容对消阵列、C-V转换模块和增益调节模块；差分振荡器输出频率可调的两路差分信号exc、/exc，信号/exc作用于所述直流电容对消阵列和C-V转换模块，信号exc作用于所述定子的激励电极，在采集电极的正极性正弦采集电极C_S+、负极性正弦采集电极C_S-、正极性余弦采集电极C_C+和负极性余弦采集电极C_C-上获得调制有角位移信息的输出信号；所述正极性正弦采集电极C_S+、负极性正弦采集电极C_S-的输出信号传输至正弦信号测量通道中的所述直流电容对消阵列，经过所述直流电容对消阵列后抵消直流量后，依次进入所述C-V转换模块和增益调节模块，转换为成比例的电压信号，传输至所述数模转换电路的正弦信号测量通道；所述余弦信号测量通道的结构及信号处理流程与所述正弦信号测量通道相同。

进一步，所述数模转换电路的正弦信号测量通道和余弦信号测量通道均包括Σ-Δ调制器和抽取滤波器；所述前端模拟电路输出的电压信号进入所述Σ-Δ调制器，转换成位流信号后经所述抽取滤波器输出。

一种角位移传感器的制造方法，其包括转子和定子的加工方法，所述转子加工方法包括以下步骤：

1.1)在转子基底层上溅射金属金，通过标准MEMS工艺加工得到所需要的敏感电极图案，得到金属层；

1.2)采用低压化学气相沉积的方法在金属层上生长一层SiO₂作为绝缘层，并对绝缘层进行掩膜光刻、刻蚀处理；

1.3)通过沉积工艺在绝缘层上生长一层耐磨层；

1.4)在转子基底层背面加工装配转轴，完成装配；

所述定子加工方法包括以下步骤：

2.1)在半导体材料定子基底层上经行热氧处理，形成定子基底层上的预处理层；

2.2)通过蒸镀/溅射方式在预处理层上面生长电极金属层，掩膜光刻后通过湿法刻蚀的去除没有被胶覆盖的区域，得到金属走线层；

2.3)采用化学气相沉积的方法在电极金属层上生长一层SiO₂作为氧化绝缘层，光刻曝光后通过湿法刻蚀的去除没有被胶覆盖的区域，得到金属走线层和电极金属层之间的互联通孔；

2.4)重复上述步骤2.2)，完成电极金属层的加工；

2.5)再溅射一层SiO₂钝化层作为起敏感结构保护作用的绝缘保护层；

2.6)通过划片机械将整片硅片裂成所需要的单个定子敏感结构。

进一步，所述转子加工过程中使用标准尺寸硅片进行，采用激光加工完成对硅片的切割，得到圆形的转子；所述转子背面采用硅硅键合工艺。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明微敏感结构的设计制造摆脱了传统采用的PCB工艺，基于标准的MEMS加工流程，具有加工精度高，批量生产成本低的特点。2、本发明在MEMS结构设计中，采用多层互联结构，以保证敏感结构的寄生参数小，明确了微角位移传感器的加工流程。3、本发明在前段处理电路中使用抵消电容设计，以保证得到高的输入电容输出电压比，采用了CRFC双端运放以实现低功耗设计，采用了开关解调的方式来去除载波，以减轻后端的AD采集电路要求，这些设计使得该集成电路能够实现10^-19F的电容检测。4、本发明基于MEMS工艺加工敏感结构、采用ASIC做前级处理电路的超小型角位移传感器，在实现一定测量精度的同时，满足市场上对精度、体积、功耗越发严格的要求。5、本发明采用的MEMS和ASIC，为实现电容式角位移传感器的小型化、低功耗、高精度的提供了有力的支撑。

附图说明

图1是本发明的敏感结构和处理电路集成剖面图；

图2是本发明的敏感结构模型图；

图3是本发明的转子多层结构剖面图；

图4是本发明的转子俯视图；

图5是本发明的定子多层互联剖面图；

图6是本发明的定子俯视图；

图7是本发明的处理ASIC电路框图；

图8是本发明的转子微结构加工流程图；

图9是本发明的定子微结构加工流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。

如图1所示，本发明提供一种MEMS容栅式角位移传感器，其包括机械外壳1、敏感结构和处理ASIC电路2。机械外壳1采用凹槽型结构，位于凹槽边缘处设置有阶梯状结构，用于嵌设敏感结构，敏感结构的背部设置有处理ASIC电路2及对外连接的接口3。在机械外壳1的凹槽底部设置有用于连线通孔4。装配好的敏感结构和处理ASIC电路2封装于机械外壳1中形成一体化封装，形如硬币。

如图2所示，敏感结构包括转子5和定子6；转子5设置在定子6的上部，且转子5与定子6敏感面正对，安装时需保持一预先设定的安装距离d。其中：

如图3、图4所示，转子5采用四层结构，依次为：转子基底层7、金属层8、绝缘层9和耐磨层10。转子基底层7底部中央位置处设置有转轴11，转子基底层7顶部由下至上依次设置有金属层8、绝缘层9和耐磨层10；其中，在金属层8上通过MEMS工艺加工得到所需要的敏感电极图案，形成敏感面。转子基底层7采用半导体材料多晶硅或者玻璃制成，其中如图4所示，内部的圆形为耦合电极26，工作中与定子6的激励电极19正对，外部的花瓣状环形结构表示敏感电极25，工作中与定子6的采集电极18正对。

如图5、图6所示，定子6采用六层结构，依次为：定子基底层12、预处理层13、金属走线层14、氧化绝缘层15、电极金属层16和绝缘保护层17。定子基底层12的上部设置有预处理层13，预处理层13上部由下至上依次设置有金属走线层14、氧化绝缘层15和电极金属层16，氧化绝缘层15用于隔离金属走线层14和电极金属层16，金属走线层14用于电极金属层16各交叉电极的连接，电极金属层16用于刻画出与转子5上敏感电极图案正对的采集电极18和激励电极19，形成敏感面20。定子基底层12采用导体材料多晶硅或者玻璃制成。定子基底层12上设置有通过TSV工艺形成的孔21，通过该孔21与处理ASIC电路2连接。

上述实施例中，电极金属层16上的采集电极18由正极性正弦采集电极C_S+、负极性正弦采集电极C_S-、正极性余弦采集电极C_C+和负极性余弦采集电极C_C-共四对电极构成，该四对电极间隔设置在圆周处，位于圆心位置设置有激励电极19。

使用时，一路激励信号作用于定子6的激励电极19，通过电容的耦合在转子5的耦合电极上获得频率相同的电压信号，通过与耦合电极相连的敏感电极电压信号再反馈耦合到采集电极18上，根据电容耦合原理采集电极18上的电压大小与采集电极18和敏感电极构成的电容大小成正相关，当转子5和定子6旋转时，电容值大小改变，将角度信息编码到电容值大小上。

上述实施例中，转子5、定子6和机械外壳1均采用圆形结构。

如图7所示，处理ASIC电路2包括前端模拟电路22和数模转换电路23，前端模拟电路22和数模转换电路23均包括正弦信号测量通道和余弦信号测量通道两路，以实现对正交容栅信号的测量。前端模拟电路22的输入端与敏感结构中转子5和定子6形成的等效电路24连接，前端模拟电路22的输出端与数模转换电路23连接。其中：

前端模拟电路22的正弦信号测量通道和余弦信号测量通道均包括直流电容对消阵列27、C-V转换模块28和增益调节模块29。差分振荡器输出频率可调的两路差分信号exc、/exc，信号/exc作用于直流电容对消阵列和C-V转换模块，信号exc作用于定子6的激励电极19，在采集电极18的正极性正弦采集电极C_S+、负极性正弦采集电极C_S-、正极性余弦采集电极C_C+和负极性余弦采集电极C_C-上获得调制有角位移信息的输出信号。正极性正弦采集电极C_S+、负极性正弦采集电极C_S-的输出信号传输至正弦信号测量通道中的直流电容对消阵列，经过直流电容对消阵列后抵消直流量C₀后，依次进入C-V转换模块和增益调节模块，转换为成比例的电压信号，传输至数模转换电路23的正弦信号测量通道。余弦信号测量通道的结构及信号处理流程与正弦信号测量通道相同，只是正极性余弦采集电极C_C+和负极性余弦采集电极C_C-的输出信号传输至余弦信号测量通道中的直流电容对消阵列。

数模转换电路23的正弦信号测量通道和余弦信号测量通道均包括Σ-Δ调制器和抽取滤波器。余弦信号测量通道的结构及信号处理流程与正弦信号测量通道相同：前端模拟电路22输出的电压信号进入Σ-Δ调制器，转换成位流信号后经抽取滤波器输出。

本发明还提供一种MEMS容栅式角位移传感器制造方法，其包括转子5和定子6的加工方法，具体为：

如图8所示，转子5采用MEMS工艺完成加工，包括以下步骤：

1.1)在转子基底层7上溅射金属金，通过光刻刻蚀等标准MEMS工艺加工得到所需要的敏感电极图案，得到金属层8；

1.2)采用低压化学气相沉积的方法在金属层8上生长一层SiO₂作为绝缘层9，并对绝缘层9进行掩膜光刻、刻蚀处理；

1.3)通过沉积工艺在绝缘层9上生长一层耐磨层10；

1.4)在转子基底层7背面加工装配转轴11，完成装配。

上述步骤中，转子5最后的外形为圆形，加工过程中使用标准尺寸硅片进行，应当采用但不限于激光加工的工艺手段，完成对硅片的切割，得到圆形的转子。在本实施例中，转子5背面采用硅硅键合工艺，完成对转轴11的高精度加工及装配。

如图9所示，定子6采用MEMS工艺完成加工，主要通过溅射/沉积，光刻，刻蚀，剪薄等标准MEMS工艺流程来实现每一层的加工，重复上述过程，可以实现所需定子的结构加工，实现多层互联。具体包括以下步骤：

2.1)在硅或玻璃等半导体材料定子基底层12上经行热氧处理，形成定子基底层12上的预处理层13；

2.2)通过蒸镀/溅射等方式在预处理层13上面生长电极金属层16，掩膜光刻后通过湿法刻蚀的去除没有被胶覆盖的区域，得到定子6的金属走线层14；

2.3)采用化学气相沉积的方法在电极金属层16上生长一层SiO₂作为氧化绝缘层15，光刻曝光后通过湿法刻蚀的去除没有被胶覆盖的区域，得到金属走线层14和电极金属层16之间的互联通孔；

2.4)重复上述步骤2.2)，完成电极金属层16的加工；

2.5)再溅射一层SiO₂钝化层作为起敏感结构保护作用的绝缘保护层17；

2.6)通过划片机械将整片硅片裂成所需要的单个定子敏感结构。

上述各步骤中，采用微工艺在定子基底层上加工一个凸台环形止挡结构，实现与转子的同心和平行安装。

综上，本发明敏感结构的转子5、定子6制造摆脱了传统采用的PCB工艺，基于标准的MEMS加工流程，具有加工精度高，批量生产成本低的特点。在MEMS结构设计中，采用多层互联结构，以保证了敏感结构的寄生参数小，明确了MEMS角位移传感器的加工流程；在处理ASIC电路中使用了抵消电容设计以保证得到高的输入电容输出电压比，采用了CRFC双端运放以实现低功耗设计，通过SDM设计，实现10^¹⁹F的电容检测；采用硅和玻璃材料，提高温度特性，TSV通孔互联，集成度高，寄生参数小，微加工工艺，具有易于安装的有点；本发明集成MEMS和ASIC两种技术为实现电容式角位移传感器的小型化、低功耗、高精度的提供了有力的支撑。

本发明完成对容栅式角位移传感器的电容检测，通过对两路正交信号解调活动转角信息，本发明可广泛应用于各种量程大小的角位移传感器测量中。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种MEMS容栅式角位移传感器，其特征在于：包括机械外壳、敏感结构和处理ASIC电路；所述机械外壳采用凹槽型结构，位于凹槽边缘处设置有阶梯状结构，用于嵌设所述敏感结构，所述敏感结构的背部设置有所述处理ASIC电路及对外连接的接口，在所述机械外壳的凹槽底部设置有用于连线通孔；

所述敏感结构包括转子和定子；所述转子设置在所述定子的上部，且所述转子与所述定子敏感面正对，并具有距离。

2.如权利要求1所述角位移传感器，其特征在于：所述转子采用四层结构，依次为：转子基底层、金属层、绝缘层和耐磨层；所述转子基底层底部中央位置处设置有转轴，所述转子基底层顶部由下至上依次设置有所述金属层、绝缘层和耐磨层；在所述金属层上通过MEMS工艺加工得到所需要的敏感电极图案，形成敏感面。

3.如权利要求2所述角位移传感器，其特征在于：所述定子采用六层结构，依次为：定子基底层、预处理层、金属走线层、氧化绝缘层、电极金属层和绝缘保护层；所述定子基底层的上部设置有所述预处理层，所述预处理层上部由下至上依次设置有所述金属走线层、氧化绝缘层和电极金属层，所述氧化绝缘层用于隔离所述金属走线层和电极金属层，所述金属走线层用于所述电极金属层各交叉电极的连接，所述电极金属层用于刻画出与所述转子上敏感电极图案正对的采集电极和激励电极，形成敏感面。

4.如权利要求2或3所述角位移传感器，其特征在于：所述定子基底层和转子基底层都采用半导体材料多晶硅或者玻璃制成。

5.如权利要求3所述角位移传感器，其特征在于：所述定子采用圆形结构，所述电极金属层上的采集电极由正极性正弦采集电极C_S+、负极性正弦采集电极C_S-、正极性余弦采集电极C_C+和负极性余弦采集电极C_C-共四对电极构成，该四对电极间隔设置在圆周处，位于圆心位置设置有所述激励电极。

6.如权利要求5所述角位移传感器，其特征在于：所述处理ASIC电路包括前端模拟电路和数模转换电路，所述前端模拟电路和数模转换电路均包括正弦信号测量通道和余弦信号测量通道两路；所述前端模拟电路的输入端与所述敏感结构中转子和定子形成的等效电路连接，所述前端模拟电路的输出端与所述数模转换电路连接。

7.如权利要求6所述角位移传感器，其特征在于：所述前端模拟电路的正弦信号测量通道和余弦信号测量通道均包括直流电容对消阵列、C-V转换模块和增益调节模块；差分振荡器输出频率可调的两路差分信号exc、/exc，信号/exc作用于所述直流电容对消阵列和C-V转换模块，信号exc作用于所述定子的激励电极，在采集电极的正极性正弦采集电极C_S+、负极性正弦采集电极C_S-、正极性余弦采集电极C_C+和负极性余弦采集电极C_C-上获得调制有角位移信息的输出信号；所述正极性正弦采集电极C_S+、负极性正弦采集电极C_S-的输出信号传输至正弦信号测量通道中的所述直流电容对消阵列，经过所述直流电容对消阵列后抵消直流量后，依次进入所述C-V转换模块和增益调节模块，转换为成比例的电压信号，传输至所述数模转换电路的正弦信号测量通道；所述余弦信号测量通道的结构及信号处理流程与所述正弦信号测量通道相同。

8.如权利要求6所述角位移传感器，其特征在于：所述数模转换电路的正弦信号测量通道和余弦信号测量通道均包括Σ-Δ调制器和抽取滤波器；所述前端模拟电路输出的电压信号进入所述Σ-Δ调制器，转换成位流信号后经所述抽取滤波器输出。

9.一种如权利要求1至8所述角位移传感器的制造方法，其包括转子和定子的加工方法，其特征在于：

所述转子加工方法包括以下步骤：

1.1)在转子基底层上溅射金属金，通过标准MEMS工艺加工得到所需要的敏感电极图案，得到金属层；

1.2)采用低压化学气相沉积的方法在金属层上生长一层SiO₂作为绝缘层，并对绝缘层进行掩膜光刻、刻蚀处理；

1.3)通过沉积工艺在绝缘层上生长一层耐磨层；

1.4)在转子基底层背面加工装配转轴，完成装配；

所述定子加工方法包括以下步骤：

2.1)在半导体材料定子基底层上经行热氧处理，形成定子基底层上的预处理层；

2.2)通过蒸镀/溅射方式在预处理层上面生长电极金属层，掩膜光刻后通过湿法刻蚀的去除没有被胶覆盖的区域，得到金属走线层；

2.3)采用化学气相沉积的方法在电极金属层上生长一层SiO₂作为氧化绝缘层，光刻曝光后通过湿法刻蚀的去除没有被胶覆盖的区域，得到金属走线层和电极金属层之间的互联通孔；

2.4)重复上述步骤2.2)，完成电极金属层的加工；

2.5)再溅射一层SiO₂钝化层作为起敏感结构保护作用的绝缘保护层；

2.6)通过划片机械将整片硅片裂成所需要的单个定子敏感结构。

10.如权利要求9所述制造方法，其特征在于：所述转子加工过程中使用标准尺寸硅片进行，采用激光加工完成对硅片的切割，得到圆形的转子；所述转子背面采用硅硅键合工艺。

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