CN2338750Y

CN2338750Y - 栅结构电容式微型加速度传感器

Info

Publication number: CN2338750Y
Application number: CN 98224574
Authority: CN
Inventors: 李宝清; 陆德仁; 王渭源
Original assignee: Shanghai Institute of Metallurgy of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 1998-07-14
Filing date: 1998-07-14
Publication date: 1999-09-15
Anticipated expiration: 2008-07-14

Abstract

本实用新型是一种尺寸小至毫米量级的微型栅结构电容式加速度传感器,主要由兼作可动电极的栅状结构质量块、固定叉指式测量电极、质量块与测量电极构成的电容、支撑质量块的悬空弹性梁和限位锚点构成。其中,质量块仅沿X方向或Y方向运动,具有良好的选择性。此外,本传感器中电容可产生较大变化量,配上相应测量接口电路,不但灵敏度高,而且有利于信号处理。是一种结构简单,工艺易于实现,线性度好的实用微型加速度固态传感器。

Description

栅结构电容式微型加速度传感器

本实用新型涉及一种器件尺寸小至毫米量级的栅状结构电容式微型加速度传感器，属微电子机械领域。

随着微电子机械系统研究的深入及电子设备的智能化，各种微型传感器得到极大关注。其中，广泛应用于运动系统监测和控制的加速度传感器，如汽车安全气垫装置中的核心测量敏感器件加速度传感器已形成产品。加速度传感器的种类很多，尤以电容式微型固态加速度传感器为主要方向。国际上已开发的几类电容式加速度传感器除可测量运动系统加速度大小外，还可以测量加速度的方向。这些加速度传感器主要是通过质量块移动后，由敏感芯片中电容变化来测量加速度的大小和方向。然而，由于敏感芯片中电容的变化是质量块与测量电极间距离变化引起的，因此电容的变化是非线性的，即芯片输出信号与测量加速度大小之间存在非线性关系。这种非线性关系，可利用负反馈电路来限制质量块移动距离，然后根据小位移线性近似的原理予以消除。然而，质量块移动距离小，电容变化小，因而要求接口电路有很高的性能，给接口电路的设计与制作带来诸多麻烦。为了克服上述加速度传感器的不足，本实用新型改进设计成一种新结构加速度传感器，传感器芯片中电容相对变化量大，且电容的变化与所测量加速度大小成线性关系，从而有利于接口电路的设计与制作。

本实用新型的目的是加速度传感器中的质量块采用栅状结构，同时，该质量块也是一个可动电极，二个固定电极用于测量引线，不但有利于提高器件的灵敏度，更有利于信号处理。此外，质量块由悬空弹性梁支撑，仅能沿衬底面的X方向或Y方向运动，具有良好的选择性。

本实用新型栅结构电容式加速度传感器主要由敏感加速度变化的栅状惯性质量块、二个用于测量信号的固定叉指电极、支撑栅状惯性质量块的悬空弹性梁和电容测量接口电路组成。其中，悬空弹性梁支撑的栅状惯性质量块仅能沿衬底面的X方向或Y方向运动，具有良好的选择性，同时，栅状惯性质量块也是一个导电的可动电极。由于加速度传感器中质量块采用栅状结构，测量信号的固定电极为交叉放置的叉指式电极，因此可在小位移状态下产生大的电容变化，且电容变化ΔC与位移成正比关系，不但提高了传感器的灵敏度，而且更有利于输出信号的处理。加速度传感器中的悬空弹性梁支数按测量加速度的要求可以超过或少于两对。当传感器随运动系统作加速度运动时，传感器中质量块的惯性使其相对于它下面的固定测量电极发生位移，则两组测量电极分别与质量块构成的两个电容就会产生相反的变化：一个电容(C₁)变大，另一个电容(C₂)变小。由于两个测量电极采用了交叉排列结构，因此电容C₁变大的量还与测量电极的叉指数量成正比，因而通过增加叉指数量可以放大电容C₁的变化量。同样，对于电容C₂也是一样，通过增加叉指数量可以放大电容C₂的变化量。可见，对于相同的加速度，本实用新型加速度传感器电容变化量相对其它差分电容式加速度传感器变化量较大，即可增加信号的输出强度。此外，为防止质量块运动距离过大，出现非线性效应，传感器芯片中还设置了限位块以限定其运动范围。由于本实用新型加速度传感器中的质量块仅在动、定电极间的空气薄层上作平滑移动，故空气阻尼影响小。是一种有利于接口电路设计与制作的新结构加速度传感器。

本实用新型的优点是，由于采用了栅状质量块和叉指固定测量电极，因此可在质量块产生小位移时有很大电容变化，且电容变化ΔC与位移成正比，不但提高了器件的灵敏度，而且更有利于信号的处理。此外，本实用新型加速度传感器结构新颖、简单，工艺易于实现，测量精度高，线性好，是一种可实际应用的微型加速度固态传感器。

附图说明：

图1是本实用新型栅结构电容式微型加速度传感器的结构示意图。其中，1是两个互不相连的固定叉指测量电极的键合点；2是兼作可动电极的栅状惯性质量块的键合点；3是两组交叉放置的固定叉指测量电极；4是导电、限位的栅状质量块的支撑锚点；5是导电的支撑栅状质量块的悬空弹性梁；6是由导电的四根悬空弹性梁悬支于测量叉指电极上方的栅状质量块；7是衬底硅片。

图2是本实用新型加速度传感器栅状质量块与固定测量电极间初始电容状态图。

图3是本实用新型加速度传感器检测加速度时栅状质量块与固定叉指电极间电容状态图。

图4是本实用新型加速度传感器信号检测接口电路框图。其中，8是载波发生器；9是传感器芯片；10是阻抗变换器；11是高通滤波器；12是高频放大器；13是相敏解调电路；14是低通滤波器；15是直流放大器；16是输出端。

下面结合附图详细说明符合本实用新型发明主题的实施例。

实施例

制作本实用新型加速度传感器芯片采用微机械加工工艺。首先在衬底材料硅片7上生长金属材料层并光刻固定测量叉指电极3和锚点4下的锚区；然后在测量电极3和锚点区上方生长牺牲层材料，并在相应的锚点区位置开出窗口，使下层的锚点区暴露出来；再在牺牲层上方涂厚胶并利用深层曝光技术制作栅状质量块6的厚胶铸模；并利用铸模电镀金属镍、镍铁或铜材料的栅状质量块6和弹性梁5。栅状质量块6和弹性梁5位于牺牲层上方，且因牺牲层有对应锚点区窗口，故该结构层将有部分通过牺牲层窗口与锚点区下的衬底硅片7相连，形成支撑锚点4结构；采用腐蚀液将牺牲层除去，则栅状质量块6和弹性梁5被悬空释放，形成可动敏感部件，完成本实用新型加速度传感器芯片的制作。将芯片与本实用新型中的，由载波发生器8、阻抗变换器10、高通滤波器11、高频放大器12、相敏解调电路13、低通滤波器14、直流放大电路15和输出16组成的相应电容测量电路连接便形成本实用新型加速度传感器。当栅状敏感质量块6的尺寸为3000微米×3000微米，悬空弹性梁5的支数为2对，其长度为2000微米，宽为10微米，厚为20微米时，栅状敏感质量块6分别在9.8米/秒²或98米/秒²加速度作用下，沿X方向移动的距离分别为3.8微米和38微米，当测量电极3的叉指宽度为80微米时，相应的电容变化率为9.5％和95％。通过相应的高精度电容测量电路，可测量出对应的加速度大小及方向。如改变栅状敏感质量块6和悬空弹性梁5的尺寸结构参数，则可改变加速度传感器的测量范围，适应测量9.8×10^-3米/秒²或小于9.8×10²米/秒²的加速度量。

Claims

1、一种栅结构电容式微型加速度传感器，包括质量块、测量电极、质量块与电极构成的电容和电容测量接口电路，其特征在于有兼作可动电极的栅状结构质量块、叉指形测量固定电极、支撑栅状质量块的悬空弹性梁和限位锚点。

2、根据权利要求1所述的栅结构电容式微型加速度传感器，其特征在于栅状结构质量块的运动方向仅为X方向或Y方向。

3、根据权利要求1所述的栅结构电容式微型加速度传感器，其特征在于有按测量需要设置的少于或超过两对的悬空弹性梁。

4、根据权利要求1所述的栅结构电容式微型加速度传感器，其特征在于叉指固定测量电极由交叉设置的左右两组构成。

5、根据权利要求1所述的栅结构电容式微型加速度传感器，其特征在于电容变化与所测加速度呈线性关系。

6、根据权利要求1所述的栅结构电容式微型加速度传感器，其特征在于电镀栅状质量块和悬空弹性梁的材料为镍或镍铁或铜。