专利名称：悬臂梁－质量块结构的吸合时间式数字加速度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种数字式加速度传感器，更确切地说提供一种悬臂梁-质量块结构的吸合时间式数字加速度传感器，属传感器领域。
背景技术：
加速度传感器用于检测加速度，是一种重要的惯性传感器，在防撞气囊、工业控制、惯性导航等领域有不可替代的应用。采用微机电技术(Micro ElectroMechanical System，MEMS)制作的微加速度传感器有便于集成、价格低廉、体积小、重量轻等优点，获得了广泛的应用，被认为是MEMS领域的三大支柱产品之一(另两个支柱产品为压力传感器和微镜芯片DMD)。
微机电加速度传感器大致沿两个方向发展，一个方向是向高精度发展，而另一个方向则是通过不断降低成本、减小体积和重量来拓宽传感器的应用领域。
由于微机电技术采用类似于集成电路工艺的平面工艺，降低成本的一个重要途径是减小芯片的面积，提高集成度。表面微机械加速度传感器顺应了这样的发展趋势，取得了很大的成功[N.Yazdi，F.Ayazi，K.Najafi，Micromachined inertialsensors，Proceedings of IEEE，Vol.86，Issue 8，Aug.1998，pp.1640-1659.]。表面微机械加速度传感器可以实现传感器与接口电路的单片集成，传感器结构的厚度一般在1-10μm，占用的芯片面积一般在10-2到102mm2之间。
另一方面，在现有技术方案的基础上要进一步缩小表面微机械加速度传感器尺寸以提高集成度已很困难。这是因为表面微机械加速度传感器一般采用电容检测技术。目前典型的表面微机械加速度传感器的敏感电容值一般小于1pF，灵敏度一般在fF/g的量级，而寄生电容也在pF量级，测量已非常困难。如果进一步缩小尺寸，敏感电容值和灵敏度都会降低而寄生电容不会显著减小，器件性能将迅速恶化。
另外，电容检测方式本身产生的负面效应-吸合效应-的影响会随着结构的缩小而迅速增大。吸合效应是由于激励信号引起的静电力产生的，其机理可对照图1所示的加速度传感器结构模型进行分析。加速度传感器结构可以简化为如图2所示的弹簧-质量块模型，即质量块1由弹簧12支撑并与框架13相连，质量块11的位移与加速度成正比，测量质量块1的位移就可以得到加速度。电容检测方法的原理是利用质量块1作为一个电极，在质量块下方放置一固定电极14，两电极组成敏感电容，电容值与两电极间距d成反比，C∝1/d。利用接口电路15测量敏感电容值就可以得到电极间距，也就测得了加速度。为了测量得到的敏感电容值，必须在质量块与固定电极间施加一激励电压，该激励电压会产生静电力。由于静电力与激励电压的平方成正比，所以无论激励电压为交流或直流电压，均会产生一直流的静电力分量，Fd0=ϵϵ0AVd022d2,]]>式中ε为相对介电常数，ε0为真空介电常数，A为电极面积，d为极板间距。直流静电力分量会使质量块发生位移，由于Fd0与Vd0、d间均为非线性关系，造成Vd0与质量块的位移间存在非线性关系。在质量块与固定电极间施加一从0V(零伏，电压为零)缓慢增加的电压然后再缓慢减小至0V(电压为零)，记录质量块位移的变化会得到图2所示的曲线。当驱动电压由0V缓慢增加时，质量块的位移先是逐渐增大，当驱动电压达到吸合电压(Pull-in Voltage)Vpull-in时质量块迅速被吸到固定电极上(也就是达到吸合位置)，此后继续增大电压不会引起位移的进一步改变。当驱动电压从Vpull-in逐渐减小时，质量块会一直保持在吸合位置直到驱动电压减小到释放电压(Pull-off Voltage)Vpull-off，当驱动电压减小到Vpull-off后，质量块迅速脱离吸合位置，此后稳定地逐渐减小。图2所示的这种电压与位移间的非线性现象就称为吸合效应[M.Bao，M.H.Bao，Micro Mechanical Transducers，ELSEVIER，2000.]。吸合效应是电容式加速度传感器设计必须考虑的重要问题[M.Bao，H.Yang，H.Yin，S.Shen，Effects of electrostatic forces generated by the driving signaland capacitive sensing devices，Sensors and Actuators，84(2000)，pp.213-219.]，因为一旦结构发生了吸合，质量块就不会随加速度运动了。一般敏感电容的激励电压必须远小于吸合电压Vpull-in。吸合电压随结构缩小而降低，目前表面微机械加速度传感器的吸合电压一般在10V以内。如果继续缩小器件尺寸，将使吸合电压进一步下降，也就意味着必须使用更低的激励电压，而传感器的分辨率一般是与激励电压成正比的，降低激励电压意味着降低传感器的性能。
另外传统加速度传感器输出的是模拟信号，需要使用模拟接口电路进行测量，所以是模拟式器件。实现传感器与模拟接口电路的单片集成的难度较高。为突破瓶颈需要采用新型检测方式。1994年W.C.Tang提出了一种新型检测方式并申请了专利[1、W.C.Tang，Digital Capacitive Accelerometer，US Patent5353641，Oct.11，1994；2、W.C.Tang，Digital Capacitive Accelerometer，US Patent5447068，Sep.5，1995.]，该方式通过检测吸合电压随加速度的变化来测量加速度。采用该方式的传感器中，只有驱动电压产生部分需要采用模拟电路，其它接口电路均为数字电路，是一种准数字式加速度传感器。该工作方式的传感器的尺寸可以远小于电容式传感器。但是该工作方式也存在问题。由于每次检测过程中质量块的初始运动状态是不确定的，也就是说测量的初始条件是不确定的，测量精度和带宽都会有很大的影响。
杨恒等人在2002年提出了另一种新型数字式加速度传感器工作原理，称为吸合时间检测方式[H.Yang，L.Pakula，P.J.French.A novel operation mode foraccelerometers.Pacific rim workshop on transducers and micro/nano technologies，July 22-24，2002，Xiamen，China，pp.303-306.]。吸合时间式加速度传感器通过测量加速度引起的吸合时间的变化来测量加速度，其结构原理图如图3所示。质量块1由弹簧12支撑，在质量块1的左右两边有驱动电极5和6、停靠电极19与20。在驱动电极5和6上施加脉冲信号β1和β2，两信号的峰值电压V大于结构的吸合电压Vp，相位差为180°。在β1和β2的作用下，质量块在停靠电极19与20间作往复运动。质量块从一个停靠电极运动到另一个停靠电极的时间称为吸合时间。当没有外加加速度时，质量块从左停靠电极19运动到右停靠电极20的吸合时间T1等于从20运动到19的吸合时间T2，T1＝T2。当有沿图中坐标x方向的加速度时，T1减小而T2增加，ΔT＝T2-T1与加速度a成正比，ΔT称为差动吸合时间。测量T1和T2并进而计算出ΔT就可以得到加速度。理论分析可以证明，吸合时间式加速度传感器的灵敏度与加速度成正比，非线性为三阶无穷小量，均与电容式加速度传感器相当。
吸合时间式加速度传感器与W.C.Tang提出的吸合电压式加速度传感器在工作原理方面有显著不同，并且吸合时间式加速度传感器每次测量时质量块的初始条件是确定的，因此测量精度较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用悬臂梁-质量块结构的吸合时间式数字加速度传感器。该传感器利用了吸合电压随器件尺寸缩小而降低的特点，利用结构侧面电极就可以实现驱动，该器件可以突破现有技术瓶颈，核心部分面积比现有器件减小1到2个数量级，其极限尺寸由空气阻尼引起的热噪声决定。另外，该传感器利用了悬臂梁-质量块结构的运动特点，可以在现有光刻精度条件下实现较高的灵敏度和较低的非线性。该传感器可以用纯数字电路制作接口电路而不需要任何模拟部分，因此是一种数字式传感器。该传感器的灵敏度和非线性与电容式加速度传感器相当，采用一般的TTL(晶体管-晶体管逻辑)电路就可以达到表面微机械电容式加速度传感器的分辨率。
作为一种数字式器件，本发明提出的悬臂梁-质量块结构吸合时间式加速度传感器对寄生电容不敏感，可以灵活地制作成多芯片模块混合集成(MCM)、单片集成等多种形式。采用单片集成设计时，由于传感器结构与数字电路的集成在技术上的难度比与高灵敏度模拟电路集成要小很多，开发风险大大降低。吸合时间式数字加速度传感器无疑为今后进一步研制集成加速度传感器提供了一条捷径。
本发明提供的悬臂梁-质量块结构吸合时间式加速度传感器的基本结构(如图4所示)，用于敏感图示的y方向的加速度。质量块1由悬臂梁2支撑，组成悬臂梁-质量块结构，仅通过锚点3与衬底4连接。在质量块两侧对称分布了左右驱动电极6、5和左右敏感电极7、8。悬臂梁-质量块结构的有效的运动为在x-y平面内绕锚点运动，如图5所示。图5中实线图形所示为悬臂梁-质量块结构相对于右驱动电极5的吸合位置，图5中虚线图形所示为悬臂梁-质量块结构相对于左驱动电极6的吸合位置。
传感器工作时，在右驱动电极5和左驱动电极6上分别施加方波信号φ1和φ2，φ1和φ2如图6所示。方波信号φ1和φ2的高电平VH应高于悬臂梁-质量块结构的吸合电压Vpull-in，方波信号φ1和φ2的低电平VL应低于悬臂梁-质量块结构的释放电压Vpull-off。
在方波信号φ1和φ2的作用下，质量块1在敏感电极7和8间往复运动。质量块1在方波信号φ1和φ2作用下脱离一个敏感电极(如左敏感电极7)运动到顶端接触到另一个敏感电极(如右敏感电极8)的时间称为吸合时间。由右敏感电极8运动到左敏感电极7的吸合时间为吸合时间Tp1，由左敏感电极7运动到右敏感电极8的吸合时间为吸合时间Tp2。两者的时间差称为差动吸合时间ΔTp，ΔTp＝Tp2-Tp1。吸合时间Tp1和Tp2均与加速度信号成正比，其非线性相比于加速度信号为二阶无穷小量。定义差动吸合时间ΔTp＝Tp2-Tp1。差动吸合时间ΔTp与加速度成正比，而非线性相比于加速度信号为三阶无穷小量。测量吸合时间Tp1和Tp2，如计算出差动吸合时间即可测得加速度。当对非线性要求不高时，仅测量吸合时间Tp1或Tp2也可测得加速度。
传感器是通过测量吸合时间或差动吸合时间来检测加速度。而通过分别检测质量块1与敏感电极7、8的接触状态曲线S1和S2来测量吸合时间，如图6所示。质量块1与敏感电极接触为状态A，质量块不与敏感电极接触为状态B。状态A与B可以用数字电路中的0和1(或者1和0)表示。接触状态S1和S2与驱动信号φ1和φ2间的关系如图6所示。当φ1保持为高电平VH，而φ2由低电平VL跳变为高电平VH时，质量块1停靠在敏感电极8上，速度为0，S2处于状态A而S1处于状态B。当φ1由高电平VH跳变为低电平VL时，质量块脱离敏感电极8向敏感电极7运动，S2由状态A跳变为状态B而S1保持于状态B。经时间Tp1后，质量块1运动到敏感电极7，并与敏感电极7发生碰撞。由于质量块1与敏感电极7间的碰撞一般不是完全非弹性碰撞，质量块1不会立刻停靠在敏感电极7上而是会与敏感电极7发生多次碰撞，使S1在状态A与B间来回变化。经过时间Tv1后，质量块1完全停靠在敏感电极7上，此时S1稳定于状态B。时间Tp1就是质量块1由敏感电极8至敏感电极7的吸合时间。在接下来的半个周期里，质量块1由敏感电极7吸合到敏感电极8，吸合时间为Tp2。
为保证传感器正常工作，方波信号φ1和φ2的脉冲宽度WH，周期WH+WL和φ2比φ1滞后时间WD应满足关系WH＞WD＞WL＞TPmax，其中TPmax为y方向为满量程加速度时的最大吸合时间。滞后时间WD还应满足WD≥TPmax+Ts，其中Ts是为了保证质量块下一次运动前质量块停靠在敏感电极7或8上并且速度为0的安全时间。
接触状态曲线S1和S2可以通过多种方式测量，例如光学方法、电容检测方法和接触测量方法等。其中接触测量是最易于实现的方法，并且可以使用全数字接口电路。
接触测量方法要求质量块与敏感电极接触时质量块与敏感电极间的接触电阻小。因此，敏感电极7、8和质量块1应直接由接触电阻小的材料制作，也可以首先使用一般材料制作结构，然后在表面覆盖一层接触电阻很小的涂层，涂层可通过溅射、电镀等多种方式制作。接触电阻小的材料包括贵金属金、铂等。
接触测量的原理是将质量块1连接到低电平，而分别将敏感电极7和8通过电阻连接到高电平上，如图7所示。当质量块1不与敏感电极接触时，敏感电极的电平为高电平。当质量块1与敏感电极接触时，敏感电极通过质量块接地，为低电平。敏感电极8的电平输出即为S1曲线，敏感电极7的电平输出即为S2曲线。
通过数字接口电路对S1、S2、φ1和φ2进行处理即可求得吸合时间Tp1、Tp2和差动吸合时间ΔTp，从而测得加速度。数字接口电路有多种实现方法。
相比之下，吸合时间式加速度传感器的优点有(1)本发明提供的是一种纯数字式传感器。由于时间是准数字量，接口电路可以采用纯数字电路实现而不需要任何模拟部分。如果说W.C.Tang提出的加速度传感器是准数字式加速度传感器，那么吸合时间式传感器就是纯数字式传感器。
(2)理论分析表明，该工作方式的灵敏度和非线性与传统电容式传感器相当。
(3)接口电路易于制作。众所周知，研制数字接口电路的难度远低于模拟接口电路。理论分析表明，利用普通数字电路就可以实现一般表面微机械电容传感器的分辨率。
(4)可以实现超微小型化。由于不存在电容传感器中因检测灵敏度和吸合效应引起的尺寸限制，传感器的尺寸可以远小于电容式器件。
图1为弹簧-质量块模型，质量块1由弹簧12支撑并与框架13相连。当采用电容检测方式时，质量块11作为一个电极，在质量块下方放置一固定电极14，两电极组成敏感电容，利用接口电路15测量敏感电容值。
图2所示为弹簧-质量块结构在电压驱动下位移与电压间的关系曲线。当驱动电压由0V缓慢增加时，质量块的位移先是逐渐增大，当驱动电压达到吸合电压(Pull-in Voltage)Vpull-in时质量块迅速被吸到固定电极上(也就是达到吸合位置)，此后继续增大电压不会引起位移的进一步改变。当驱动电压从Vpull-in逐渐减小时，质量块会一直保持在吸合位置直到驱动电压减小到释放电压(Pull-offVoltage)Vpull-off，当驱动电压减小到Vpull-off后，质量块迅速脱离吸合位置，此后稳定地逐渐减小。
图3为吸合时间式加速度传感器工作原理图。吸合时间式加速度传感器的质量块1由弹簧12支撑，在质量块左右两侧对称分布驱动电极5和6以及停靠电极19和20。驱动电极17和18上分别施加驱动信号β1和β2，β1和β2为方波信号、相位相差180°。
图4为本发明提供的悬臂梁-质量块结构吸合时间式数字加速度传感器的基本结构，用于敏感图示的y方向的加速度。图1a为悬臂梁-质量块结构的剖面图，图1b为传感器的俯视图。图1a中x坐标轴为水平向右，y坐标轴为垂直纸面向内，z坐标轴为垂直向上。图1b中x坐标轴为水平向右，y坐标轴为垂直向上，z坐标轴为垂直纸面向外。
图5为本发明提供的悬臂梁-质量块结构运动示意图。
图6为驱动信号φ1和φ2与质量块相对敏感电极7、8接触状态S1和S2的关系图。
图7为接触测量原理。
图8为处理电路的一个例子。图中与非门D1和D2组成消抖动电路，输出为Vo2和Vo1，经非门D3、D5和与门D4、D6得到脉宽调制信号Vp1和Vp2。Vp1和Vp2的脉冲宽度等于吸合时间Tp1和Tp2。
图9为图8实例中φ1、φ2、S1、S2、Vo1、Vo2、Vp1和Vp2间的关系图。
具体实施例方式
下面通过附图的详细说明和具体实施方式
，以进一步阐明本发明的实质性特点和显著的进步。
如图4所示，本发明提供的悬臂梁-质量块结构的吸合时间式数字加速度传感器的基本结构，其特征在于悬臂梁-质量块结构由质量块1和悬臂梁2组成，仅通过锚点3与衬底4连接。在质量块两侧对称分布了左右驱动电极6、5和左右敏感电极7、8。悬臂梁-质量块结构的运动为绕锚点按箭头方向运动如图5所示，图中实线图形所示为悬臂梁-质量块结构相对于右驱动电极5的吸合位置，图5中虚线图形所示为悬臂梁-质量块结构相对于左驱动电极6的吸合位置。
从图6所示的驱动信号中φ1和φ2与质量块相对敏感电极7、8接触状态S1和S2的关系图可知，质量块1与敏感电极接触为状态A，质量块不与敏感电极接触为状态B。时间Tp1就是质量块1由敏感电极8至敏感电极7的吸合时间。Tv1为质量块1撞击敏感电极7后发生多次反弹和撞击的时间段。Tr1时间段内质量块1停靠在敏感电极7上。时间Tp2是质量块1由敏感电极7至敏感电极8的吸合时间。Tv2为质量块1撞击敏感电极8后发生多次反弹和撞击的时间段。Tr2时间段内质量块1停靠在敏感电极8上。
又从图7所示的接触测量原理可以知道，将质量块1连接到低电平，而分别将敏感电极7和8通过电阻连接到高电平上。当质量块1不与敏感电极接触时，敏感电极的电平为高电平。当质量块1与敏感电极接触时，敏感电极通过质量块接地，为低电平。敏感电极8的电平输出即为S1曲线，敏感电极7的电平输出即为S2曲线。
图8作为一个实例，首先采用与非门D1和D2组成的消抖动电路获得不含Tv1和Tv2时间段内抖动信号的输出信号Vo1和Vo2，Vo1和Vo2与S1、S2、φ1、φ2间的关系如图9所示。对φ1进行“非”运算得φ1，然后将φ1与Vo1进行“与”运算即得吸合时间Tp1的脉宽调制信号Vp1，Vp1的脉冲宽度等于吸合时间Tp1。对φ2进行“非”运算得φ2，然后将φ2与Vo2进行“与”运算即得吸合时间Tp2的脉宽调制信号Vp2，Vp2的脉冲宽度等于吸合时间Tp2。
进一步测量脉宽调制信号Vp1和Vp2的脉冲宽度的方法在数字电路中非常常见。可以将一个脉冲时钟信号接到两个计数器的输入端，将Vp1和Vp2分别接到两个计数器的“使能端”，使计数器1在Vp1为高电平时计数，而计数器2在Vp2为高电平时计数，因此计数器1和2分别在Vp1和Vp2每个脉冲过程中计数，每次计数值就对应于Vp1和Vp2的脉冲宽度值，也就是Tp1和Tp2。两个计数器均完成一次计数后，将两计数器的计数值相减就得到了差动吸合时间ΔTp。由于上述电路是数字电路中的常用技术，在此就不绘图演示了，也显示出了本发明的优点。
权利要求
1.悬臂梁-质量块结构的吸合时间式数字加速度传感器其特征在于质量块由悬臂梁支撑，组成悬臂梁-质量块结构，通过锚点与衬底连接；在质量块两侧对称分布了一对左、右驱动电极和一对左、右敏感电极；所述传感器用纯数字电路制作接口电路。
2.按权利要求1所述的悬臂梁-质量块结构的吸合时间式数字加速度传感器，其特征在于所述的悬臂梁-质量块结构在X-Y平面内绕锚点运动。
3.按权利要求1所述的悬臂梁-质量块结构的吸合时间式数字加速度传感器，其特征在于质量块与敏感电极接触为状态A，质量块不与敏感电极接触为状态B，状态A与B可以用数字电路中的0和1或者1和0表示。
4.按权利要求3所述的悬臂梁-质量块结构的吸合时间式数字加速度传感器，其特征在于在左、右驱动电极上施加方波信号φ1和φ2高电平高于悬臂梁-质量块结构的吸合电压，方波信号的低电平低于悬臂梁-质量块结构的释放电压。
5.按权利要求4所熟的悬臂梁-质量块结构的吸合时间式数字加速度传感器，其特征在于方波信号φ1和φ2的脉冲宽度WH，周期WH+WL和φ2比φ1滞后时间WD应满足关系WH＞WD＞WL＞TPmax，其中TPmax为y方向为满量程加速度时的最大吸合时间；滞后时间WD还应满足WD≥TPmax+Ts，其中Ts是为了保证质量块下一次运动前质量块停靠在敏感电极(7)或(8)上，且速度为0的安全时间。
6.按权利要求1所述的悬臂梁-质量块结构的吸合时间式数字加速度传感器，其特征在于通过测量吸合时间或差动吸合时间检测加速度，而吸合时间是通过分别检测质量块与左、右敏感电极的接触状态曲线测定的。
7.按权利要求6所述的悬臂梁-质量块结构的吸合时间式数字加速度传感器，其特征在于接触测量是将质量块连接到低电平，而左、右敏感电极分别通过电阻连接到高电平上；当质量块不与敏感电极接触时，敏感电极的电平为高电平，当质量块与敏感电极接触时，敏感电极通过质量块接地，为低电平，敏感电极的电平输出即为接触状态曲线。
8.按权利要求6所述的悬臂梁-质量块结构的吸合时间式数字加速度传感器，其特征在于接触状态曲线通过光学方法、电容检测方法或接触测量方法中一种方法测量的。
9.按权利要求1所述的悬臂梁-质量块结构的吸合时间式数字加速度传感器，其特征在于敏感电极和质量块由接触电阻小的贵金属材料制作，或在材料的表面涂覆一层接触电阻小的贵金属材料。
全文摘要
本发明涉及一种悬臂梁－质量块结构的吸合时间式数字加速度传感器其特征在于(1)质量块由悬臂梁支撑，组成悬臂梁－质量块结构，通过锚点与衬底连接；在质量块两侧对称分布了一对左、右驱动电极和一对左、右敏感电极；所述传感器用纯数字电路制作接口电路；(2)所述的悬臂梁－质量块结构在X－Y平面内绕锚点运动；(3)质量块与敏感电极接触为状态A，质量块不与敏感电极接触为状态B。状态A与B可以用数字电路中的0和1(或者1和0)表示；本发明提供的是一种纯数字式传感器，接口电路易于制又可实现超微小型化而灵敏度和非线性与传流电容或传感器相当。
文档编号G01P15/02GK1786718SQ20051003094
公开日2006年6月14日 申请日期2005年11月1日 优先权日2005年11月1日
发明者杨恒, 庞洁, 李昕欣, 王跃林 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所