CN100397085C - 悬臂梁-质量块结构的吸合时间式数字加速度传感器 - Google Patents

Abstract

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。

Description

悬臂梁-质量块结构的吸合时间式数字加速度传感器

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 ofIEEE，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

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， $F_{d0}=\frac{{\mathrm{\ϵ\ϵ}}_{0}A{V}_{d0}^2}{2d^2},$ 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F_d0与V_d0、d间均为非线性关系，造成V_d0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)V_pull-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V_pull-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)V_pull-off，当驱动电压减小到V_pull-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V_pull-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V_p，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V_H应高于悬臂梁-质量块结构的吸合电压V_pull-in，方波信号φ₁和φ₂的低电平V_L应低于悬臂梁-质量块结构的释放电压V_pull-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T_p1，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T_p2。两者的时间差称为差动吸合时间ΔT_p，ΔT_p＝T_p2-T_p1。吸合时间T_p1和T_p2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ΔT_p＝T_p2-T_p1。差动吸合时间ΔT_p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T_p1和T_p2，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T_p1或T_p2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V_H，而φ₂由低电平V_L跳变为高电平V_H时，质量块1停靠往敏感电极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V_H跳变为低电平V_L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T_p1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T_v1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T_p1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T_p2。

为保证传感器正常工作，方波信号φ₁和φ₂的脉冲宽度W_H，周期W_H+W_L和φ₂比φ₁滞后时间W_D应满足关系W_H＞W_D＞W_L＞T_Pmax，其中L_Pmax为y方向为满量程加速度时的最大吸合时间。滞后时间W_D还应满足W_D≥T_Pmax+T_s，其中T_s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T_p1、T_p2和差动吸合时间ΔT_p，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。

附图说明

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)V_pull-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V_pull-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)V_pull-off，当驱动电压减小到V_pull-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V_o2和V_o1，经非门D3、D5和与门D4、D6得到脉宽调制信号V_p1和V_p2。V_p1和V_p2的脉冲宽度等于吸合时间T_p1和T_p2。

图9为图8实例中φ₁、φ₂、S₁、S₂、V_o1、V_o2、V_p1和V_p2间的关系图。

具体实施方式

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T_p1就是质量块1由敏感电极8至敏感电极7的吸合时间。T_v1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。T_r1时间段内质量块1停靠在敏感电极7上。时间T_p2是质量块1由敏感电极7至敏感电极8的吸合时间。T_v2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。T_r2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T_v1和T_v2时间段内抖动信号的输出信号V_o1和V_o2，V_o1和V_o2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V_o1进行“与”运算即得吸合时间T_p1的脉宽调制信号V_p1，V_p1的脉冲宽度等于吸合时间T_p1。对φ₂进行“非”运算得φ₂，然后将φ₂与V_o2进行“与”运算即得吸合时间T_p2的脉宽调制信号V_p2，V_p2的脉冲宽度等于吸合时间T_p2。

进一步测量脉宽调制信号V_p1和V_p2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V_p1和V_p2分别接到两个计数器的“使能端”，使计数器1在V_p1为高电平时计数，而计数器2在V_p2为高电平时计数，因此计数器1和2分别在V_p1和V_p2每个脉冲过程中计数，每次计数值就对应于V_p1和V_p2的脉冲宽度值，也就是T_p1和T_p2。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ΔT_p。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。

Claims (8)

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；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。

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、右驱动电极上分别施加方波信号φ₁和φ₂，方波信号的高电平高于悬臂梁-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，其特征在于方波信号φ₁和φ₂的脉冲宽度W_H，周期W_H+W_L和φ₂比φ₁滞后时间W_D应满足关系W_H＞W_D＞W_L＞T_Pmax，其中T_Pmax为传感器加速度检测方向达满量程加速度时的最大吸合时间；滞后时间W_D还应满足W_D≥T_Pmax+T_S，其中T_S是为了保证质量块下一次运动前质量块停靠在左或右敏感电极上，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。

7.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。

8.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。

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