一种多功能集成化的MEMS传感器系统的制作方法

一种多功能集成化的mems传感器系统
技术领域
1.本发明属于射频微机电系统传感器技术领域，具体提供一种基于微机电技术的多功能集成化的多功能传感器系统。


背景技术：

2.微机电系统(micro-eletro-mechanical systems,mems)是一种将微型机械结构与电路集成的器件和系统，具有小型化、轻量化以及高度集成化的特点，广泛应用于航空航天、信息通信、生物化学、医疗、自动控制、消费电子等领域。mems谐振器是mems技术在射频领域的关键应用，与传统石英晶体谐振器相比，mems谐振器具有重量轻、功耗低、体积小以及能够与coms(complementary metal oxide semiconductor)工艺兼容等优点。
3.随着科学技术的发展，越来越多的领域需要完整而准确的反应多个物理量，多功能集成化传感器成为了传感器领域的一个重要研究方向；微机电系统可以在单个芯片上集成多个传感单元使得该技术成为了未来传感器发展的主流趋势。微机电传感器按照机电换能的方式可分为电容式换能、压阻式换能和压电式换能等；按照输出信号类型可以分为幅度信号输出和频率信号输出；压电式换能的换能效率高，能够显著降低整体电路的功耗，减小信号处理电路的设计难度。目前研究较多的压电谐振器主要有声表面波(saw，surface acoustic wave) 谐振器和体声波(baw，bulk acoustic wave)谐振器两类。saw谐振器具有高稳定性、小尺寸、低成本、工艺成熟等优点，而且能够在单片上加工多种频率；但是，由于saw相速度低和光刻技术的局限性，使得saw谐振器的工作频率较低；此外，品质因数(q)较低、加工工艺与互补金属氧化物半导体(cmos)工艺不兼容也是saw器件的缺点。baw谐振器是在器件内部传播，通常具有更高的相速度，因此相比于saw谐振器，baw谐振器具有更高的工作频率和更高的品质因素q；但是，baw谐振器的工作频率是由压电薄膜的厚度决定的，难以在单片上实现多种频率。
4.在此基础上，申请人发现在军事、智能检测、车辆导航、物联网等领域，总是需要进行磁场、温度物理量的同时测量，并且要求传感器具有微型化、集成化、多功能等特点；针对此需求，本发明提供一种多功能集成化的mems传感器系统，用以实现基于单一传感器的磁场与温度物理量测量。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种多功能集成化的mems传感器系统，采用角拍动方形谐振器 (corner-flapping square plate topology lfm)同时作为磁场(磁感应强度)传感器与温度传感器，通过两个二极管与门6构成的切换电路实现磁场传感电路与温度传感电路的切换，最终实现基于单一传感器的磁场与温度物理量的同时测量。
6.为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
7.一种多功能集成化的mems传感器系统，包括：多功能谐振式传感器1、跨阻放大器2、二阶rc滤波网络3、电压跟随器4、文氏电桥振荡电路5、第一二极管与门6、第二二极管与
门7及单片机中控模块8；其特征在于，
8.所述多功能谐振式传感器采用角拍动方形谐振器(corner-flapping square plate topology lfm)，其电极结构包括：上输出电极盘1-1与下输出电极盘1-2构成的一对输出电极、第一上输入电极盘1-3与第二上输入电极盘1-4构成的一对上输入电极、第一下输入电极盘1-5与第二下输入电极盘1-6构成的一对下输入电极、以及接地电极盘1-7，所述第一上输入电极盘 1-3与第一下输入电极盘1-5之间通过左侧环路导线1-8导通，所述第二上输入电极盘1-4与第二下输入电极盘1-6之间通过右侧环路导线1-9导通；
9.所述跨阻放大器2、二阶rc滤波网络3、电压跟随器4依次串联，跨阻放大器1的反相输入端连接多功能谐振式传感器的上输出电极盘1-1，电压跟随器4连接多功能谐振式传感器的下输出电极盘1-2与单片机中控模块8；所述文氏电桥振荡电路5的输出端连接多功能谐振式传感器的下输入电极；所述第一二极管与门6与第二二极管与门7构成切换电路，第一二极管与门6的输入端与第二二极管与门7的输入端分别连接单片机中控模块的io接口、且第一二极管与门输入低电平时第二二极管与门输入高电平、第一二极管与门输入高电平时第二二极管与门输入低电平，第一二极管与门6的输出端连接文氏电桥振荡电路5的输出端，第二二极管与门7的输出端连接多功能谐振式传感器的下输出电极盘1-2。
10.进一步的，所述单片机中控模块包括：io接口、波形转换模块、分频电路、频率测量模块、检波电路、ad转换模块、幅度测量模块及数据显示模块，所述波形转换模块、分频电路、频率测量模块依次连接构成温度测量支路，所述检波电路、ad转换模块、幅度测量模块依次连接构成磁感应强度测量支路，温度测量支路与磁感应强度测量支路的测量结果通过数据显示模块显示。
11.进一步的，所述多功能集成化的mems传感器系统进行磁感应强度测量时，第一二极管与门6由单片机中控模块的io接口输入低电平、第二二极管与门7由单片机中控模块的io 接口输入高电平，文氏电桥振荡电路5的输出信号作为激励信号输入至多功能谐振式传感器的下输入电极，激励信号分别通过左侧环路导线1-8与右侧环路导线1-9到达上输入电极后通过接地电极盘1-7到地(跳线连接)，多功能谐振式传感器在激励信号作用下产生谐振信号、并由上输出电极盘1-1输出，谐振信号依次经过跨阻放大器2、二阶rc滤波网络3、电压跟随器4后输入至单片机中控模块8。
12.进一步的，所述多功能集成化的mems传感器系统进行温度测量时，第一二极管与门6 输入高电平、第二二极管与门7输入低电平，多功能谐振式传感器1、跨阻放大器2、二阶rc 滤波网络3与电压跟随器4构成闭环振荡器，电压跟随器4的输出端输出闭环振荡器的振荡信号至单片机中控模块8。
13.本发明的有益效果在于：
14.本发明提供一种多功能集成化的mems传感器系统，创新的将现有磁场(磁感应强度) 传感器的角拍动方形谐振器(corner-flapping square plate topology lfm)作为多功能谐振式传感器、同时作为磁场传感器与温度传感器，并且，匹配设计切换电路与后端处理电路，共同构成多功能集成化的mems传感器系统；其中，切换电路采用两个输入端的二极管与门构成，且第一二极管与门输入低电平时第二二极管与门输入高电平、第一二极管与门输入高电平时第二二极管与门输入低电平，通过单片机中控模块的io接口对两个二极管与门的输出进行高、低电平的控制，实现磁场传感电路与温度传感电路的相互切换；并且，
磁场传感电路与温度传感电路中共用由跨阻放大器、二阶rc滤波网络、电压跟随器及单片机中控模块构成的后端处理电路；综上所述，本发明提供的多功能集成化的mems传感器系统能够基于单一传感器实现磁场与温度的同时测量，且具有低功耗，小体积，稳定性强的优点。
附图说明
15.图1为本发明提供的多功能集成化的mems传感器系统的原理框图；其中，1为多功能谐振式传感器，2为跨阻放大器，3为二阶rc滤波网络，4为电压跟随器，5为文氏电桥振荡电路，6为第一二极管与门，7为第二二极管与门，8为单片机中控模块。
16.图2为本发明提供的多功能谐振式传感器的结构示意图；其中，1-1为上输出电极盘，1-2 为下输出电极盘、1-3为第一上输入电极盘，1-4为第二上输入电极盘，1-5为第一下输入电极盘，1-6为第二下输入电极盘，1-7为接地电极盘，1-8为左侧环路导线，1-9为右侧环路导线。
17.图3为本发明提供的磁场传感外围电路图。
18.图4为本发明提供的温度传感外围电路图。
具体实施方式
19.为使本发明的目的、技术方案与有益效果更加清楚完整，下面结合附图和实施例对本发做进一步详细说明。
20.本实施例提供一种多功能集成化的mems传感器系统，如图1所示，具体包括：多功能谐振式传感器1、跨阻放大器2、二阶rc滤波网络3、电压跟随器4、文氏电桥振荡电路5、第一二极管与门6、第二二极管与门7及单片机中控模块8；更为具体的讲：
21.所述多功能谐振式传感器如图2所示，具体采用角拍动方形谐振器(corner-flapping square plate topology lfm)，其基本结构包括：soi衬底、通过固定支撑梁悬空固定于soi 衬底中心的主体谐振结构、以及电极结构；该多功能谐振式传感器的电极结构包括：上输出电极盘1-1与下输出电极盘1-2构成的一对输出电极、第一上输入电极盘1-3与第二上输入电极盘1-4构成的一对上输入电极、第一下输入电极盘1-5与第二下输入电极盘1-6构成的一对下输入电极、以及接地电极盘1-7，所述第一上输入电极盘1-3与第一下输入电极盘1-5之间通过左侧环路导线1-8导通，所述第二上输入电极盘1-4与第二下输入电极盘1-6之间通过右侧环路导线1-9导通；
22.所述跨阻放大器2、二阶rc滤波网络3、电压跟随器4依次串联，跨阻放大器1的反相输入端连接多功能谐振式传感器的上输出电极盘1-1，电压跟随器4连接多功能谐振式传感器的下输出电极盘1-2与单片机中控模块8；所述文氏电桥振荡电路5的输出端连接多功能谐振式传感器的下输入电极；所述第一二极管与门6与第二二极管与门7构成切换电路，第一二极管与门6的输入端与第二二极管与门7的输入端分别连接单片机中控模块的io接口、且第一二极管与门输入低电平时第二二极管与门输入高电平、第一二极管与门输入高电平时第二二极管与门输入低电平，第一二极管与门6的输出端连接文氏电桥振荡电路5的输出端，第二二极管与门7的输出端连接多功能谐振式传感器的下输出电极盘1-2；
23.所述单片机中控模块包括：io接口、波形转换模块、分频电路、频率测量模块、检波
电路、ad转换模块、幅度测量模块及数据显示模块，所述波形转换模块、分频电路、频率测量模块依次连接构成温度测量支路，所述检波电路、ad转换模块、幅度测量模块依次连接构成磁感应强度测量支路，温度测量支路与磁感应强度测量支路的测量结果通过数据显示模块显示。
24.上述多功能集成化的mems传感器系统进行磁感应强度测量时，第一二极管与门6的输入端由单片机中控模块的io接口输入低电平、输出端为低电平，文氏电桥振荡电路5输出信号；第二二极管与门7的输入端由单片机中控模块的io接口输入高电平、输出端为高电平，电压跟随器4与多功能谐振式传感器的下输出电极盘1-2之间关断；此时，文氏电桥振荡电路5 的输出信号作为激励信号输入至多功能谐振式传感器的下输入电极(第一下输入电极盘1-5与第二下输入电极盘(1-6)，激励信号通过多功能谐振式传感器的左侧环路导线1-8到达第一上输入电极盘1-3后通过接地电极盘1-7到地(跳线连接)，同时，激励信号通过多功能谐振式传感器的右侧环路导线1-9到达第二上输入电极盘1-4后通过接地电极盘1-7到地(跳线连接)，多功能谐振式传感器在激励信号作用下产生谐振信号、并由上输出电极盘1-1输出，谐振信号依次经过跨阻放大器2、二阶rc滤波网络3、电压跟随器4后输入至单片机中控模块8的磁感应强度测量支路；信号通过检波电路后进行ad转换、再通过幅度测量模块进行幅度测量，最后由数据显示模块显示磁感应强度测量结果；此过程中信号的变化为：多功能谐振式传感器的输出谐振信号为微安级别的交流电流，通过跨阻放大器后，微安级别的交流电流转化为伏特级别的交流电压，再经过二阶滤波网络和电压跟随器滤除除谐振频率外的杂波、增强交流电压的稳定性，交流电压经过检波电路后转化为直流电压信号，直流电压信号在模数转换下读出为数字信号。
25.上述多功能集成化的mems传感器系统进行温度测量时，第一二极管与门6的输入端由单片机中控模块的io接口输入高电平、输出端为高电平，文氏电桥振荡电路5关断；第二二极管与门7的输入端由单片机中控模块的io接口输入低电平、输出端为低电平，电压跟随器4 与多功能谐振式传感器的下输出电极盘1-2导通；此时，多功能谐振式传感器1、跨阻放大器2、二阶rc滤波网络3与电压跟随器4构成闭环振荡器，电压跟随器4的输出端输出闭环振荡器的振荡信号至单片机中控模块8的温度测量支路；信号经过波形转换后由分频电路进行分频处理，在经过频率测量模块进行频率测量，最后由数据显示模块显示温度测量结果；此过程中信号的变化为：由跨阻放大器、二阶滤波网络和电压跟随器组成振荡器，振荡器将闭环里的热噪声放大成一个频率稳定的正弦信号，正弦信号输出后经过波形转换电路被转换为相同频率的方波，方波信号经过分频电路后被分频，单片机读取分频后的方波信号计算信号的输出频率。
26.从工作原理上讲：
27.上述多功能谐振式传感器实现温度传感与磁场传感的工作原理为：
28.检测温度的原理为：因为谐振器采用的谐振腔为单晶硅材料，温度的变化导致材料中能级的变化，由于应变而使能级升高的电子转移到较低的能谷中，从而使晶体中的总自由能最小化；自由能的这种变化影响材料的弹性常数，从而导致谐振频率的变化；谐振器在振荡器中作为选频网络工作，谐振频率的变化会使选频网络的中心频率发生变化，从而使振荡器的输出信号的频率产生偏移，通过检测输出信号的频率就可以提取温度的信息。
29.检测磁场的原理为：当在第一下输入电极盘(1-5)和第二下输入电极盘(1-6)上加
载同相位交流电压时，第一上输入电极盘(1-3)和第二上输入电极盘(1-4)与接地电极盘(1-7) 通过跳线相连，信号流经左侧环路导线(1-8)和右侧环路导线(1-9)；当激励交流电流通过两条金属线时，环境磁场和电流产生洛伦兹力，作用在谐振器的两侧，使谐振器振动在角拍动模态；角拍动模态会在正方形谐振器的中心部分产生应力，并通过压电效应在电极上产生电荷，就可以在上输出电极盘(结构1-1)产生电流信号；当输入的谐振信号与谐振器的谐振频率一致时，谐振器的机械振幅达到最大，从而产生最大的输出电流；因为金属线中电流产生的洛伦兹力大小依赖于外界磁场的大小，所以器件的输出信号的幅度受磁场大小和方向控制，通过检测方形谐振器的输出信号幅度即可提取磁场信息。
30.基于上述多功能谐振式传感器，本发明实现磁感应强度传感的电路原理如图3所示，包括：文氏电桥振荡电路、多功能谐振式传感器及后端信号处理电路(跨阻放大器、二阶rc 滤波网络、电压跟随器、单片机中控模块)；其中，文氏电桥振荡电路产生100khz～300khz 频率范围内可调的正弦信号作为激励信号，以激励多功能谐振式传感器工作，并且保证文氏电桥振荡电路输出信号的频率与多功能谐振式传感器的谐振频率相匹配、以实现器件最大的磁场灵敏度；外界磁场改变会影响多功能谐振式传感器的输出电流大小，多功能谐振式传感器产生的谐振信号依次经过跨阻放大器、二阶rc滤波网络、电压跟随器后，由单片机中控模块进行幅度测量，得到磁感应强度测量数据。
31.基于上述多功能谐振式传感器，本发明实现温度传感的电路原理如图4所示，包括：多功能谐振式传感器及后端信号处理电路(跨阻放大器、二阶rc滤波网络、电压跟随器、单片机中控模块)；多功能谐振式传感器与跨阻放大器相连接，跨阻放大器和多功能谐振式传感器相互作用构成振荡器、输出一个频率稳定的正弦信号，外界温度的改变会影响多功能谐振式传感器的谐振频率，振荡器的输出频率也会产生对应的变化，进而通过单片机中控模块对振荡器的输出频率进行频率测量，得到温度测量数据。
32.综上，本发明提供的多功能集成化的mems传感器系统，通过切换电路的设计，能够实现基于单一传感器的磁感应强度与温度的测量。
33.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。