一种低g值电容式MEMS加速度计及其模态局域化测量电路制造技术

本发明专利技术公开一种低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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种加速度传感器
，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。
技术介绍
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。金湘亮等人专利技术的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。本专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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，本专利技术至少具有以下有益效果：在本专利技术中，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是本专利技术电容式MEMS加速度传感器三维结构示意图；图2是本专利技术电容式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是本专利技术的玻璃基底结构示意图；图4-1是图4的全剖视图；图5是本专利技术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是本专利技术MEMS电容式加速度传感器差分电容输出原理图；图7是本专利技术差分电容有效降低横向灵敏度原理图；图8是本专利技术与所用ASIC模态局域化测量电路接线原理图；图9是本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：韦学勇，张宏才，兰海，翁寅生，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61