CN103543292A - 一种基于电容效应和隧道效应的复合式加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电容效应和隧道效应的复合式加速度计，包括：键合基板、垫衬框体、支撑框体、悬臂梁、质量块、质量块下表面中心设置有隧尖。本发明的有益效果在于采用电容检测与隧道效应检测集成的方式，兼具电容检测与隧道检测的优点，可实现加速度的低检测阈值、宽范围、高灵敏检测；同时可用于已知加速度值环境的加速度精确测量，采用一体化设计，结构合理，灵敏度高,检测电路简单，使用方便、可靠性好、适合微型化。

Description

一种基于电容效应和隧道效应的复合式加速度计

技术领域

本发明涉及微惯性导航技术相关领域，具体而言，涉及一种基于电容效应和隧道效应的复合式的微机械加速度计。

 

背景技术

随着微机械***(MEMS)技术的发展，其具备成本低、体积小、易批量化生产和可集成性好等特点，越来越受到人们的关注，在民用及军事领域得到了广泛的应用。但由于关键性能指标的限制，微机械传感器在军事、航天、航空等尖端领域还没有得到充分的应用。其中，灵敏度及量程是微机械传感器有待提高的关键指标，利用主流原理制造的传感器，高灵敏度通常伴随着小量程、低过载。

随着科技的发展，特殊领域对微加速度的测量精度要求日益严格，微加速度的测量已由理论层面到应用层面，从战略应用到战术应用的发展，对国民经济及军事的发展有着重要的意义，并受到世界各国的重视。微加速度的精确测量，对地震的预测、微重力科学试验、卫星遥感等有重要意义。此领域达国家已有相对成熟的产品，而我国起步较晚。由于其振动幅度和频率跨度大，要求传感器具有极低的检测阈值，具备微弱振动的超灵敏检测能力和宽量程，现有检测方案检测存在困难。

利用电容器的原理，可将非电量转化为电容量，进而实现非电量到电量的转化，具有温度系数小、稳定性好、灵敏度高等有点，电容式的检测方式目前已在微机械***传感器中得到广泛应用。但是，由于边缘效应、分布电容、极板面积等的影响，其精度已不能满足检测需求，且其存在较高的检测阈值，对微弱加速度检测存在困难。

从量子力学理论可知，由于电子的隧道效应，导体中的电子并不完全局限于表面边界之内，电子密度并不在表面处突变为零，而是在表面以外呈指数形式衰减，衰减的长度约1nm。因此。只要将原子线度的极细探针以及被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离接近时（<1um），它们的表面电子云就可能重叠。若在样品与针尖之间加一微小电压U_b，电子就会穿过两个电极之间的势垒，流向另一个电极，形成隧道电流。其隧道电流Is与针尖和极板之间的距离x之间满足                                                

。由此可见，隧道电流I_s对针尖与极板表面之间的距离x非常敏感，如果x减小0.1nm，隧道电流Is就会增加一个数量级，灵敏度极高，检测阈值极低。但是，由于工作时隧尖与极板间距必须为纳米级，其量程有限，抗过载能力差，高过载时隧尖容易损坏。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

有鉴于此，本发明需要提供微机械加速度计，该微机械加速度计为电容检测与隧道效应检测集成的方式的微机械加速度计，至少可以提高微机械加速度计的检测精度和检测范围。

本发明提供了一种基于约瑟夫逊效应的微机械加速度计，包括：键合基板，键合基板中心刻蚀凹槽，凹槽底面布置，隧道极板与隧道电极负极相连，隧道凹槽周围分别布置检测电容下极板和控制电容下极板，所述检测电容下极板和控制电容下极板分别与检测电极负极和控制电极负极相连；垫衬框体，垫衬框体设在键合基板上方并与键合基板相连接；支撑框体，支撑框体设在垫衬框体的上方并与垫衬框体相连接，且下方设有隧道电极正极、检测电极正极和控制电极正极；悬臂梁，悬臂梁两端分别与支撑框体和质量块相连接，用于支撑质量块；质量块，质量块下表面中心设置有隧尖，隧尖与隧道电极正极相连接，隧尖周围分别布置检测电容上极板和控制电容上极板，检测电容上极板和控制电容上极板分别与检测电极正极和控制电极正极相连。

根据本发明实施例的一种基于电容效应和隧道效应的复合式加速度计,，采用一体化设计，结构合理，灵敏度高,检测电路简单，使用方便、可靠性好、适合微型化。可实现针对不同领域的加速度精确测量。

根据本发明的一个实施例，所述的键合基板较垫衬框体面积大，上表面布置的检测电容下极板和控制电容下极板成方框型且由内而外排布，检测电极负极和控制电极负极,位于键合基板边缘，与支撑框体上布置的检测电极正极和控制电极正极相对应，所述的隧道极板位于键合基板中心方形凹槽底面。

所述检测电容下极板和控制电容下极板成方框型所指方框型并非闭合方框型。根据本发明的一个实施例，所述的悬臂梁宽度大于厚度，其下表面与支撑框体和质量块下表面相平行,且其厚度小于支撑框体或质量块厚度。

根据本发明的一个实施例，所述的质量块由悬臂梁支撑于支撑框体中心，且能由于力的作用上下运动。

所述的质量块下表面中心设置有隧尖，其隧尖长度小于键合基板中心刻蚀的凹槽深度，但当质量块与键合基板接触后，隧尖尖端与凹槽底面布置的隧道电极负极的距离应小于1nm，以实现高过载时对隧尖的有效保护，以实现高过载时对隧尖的有效保护。

根据本发明的一个实施例，所述的凹槽、隧道极板、隧尖组成的隧道效应敏感结构可以不是一组，可以是多组组成的阵列结构，实际应用时可选用一组或多组，以增加成品率或检测精度。

所述的质量块下表面布置的检测电容上极板和控制电容上极板，其结构大小形状与检测电容下极板和控制电容下极板相同，位置相对。本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

本发明通过智能调节控制电容下极板与控制电容上极板间的电压,由于静电效应拉下质量块，当隧道式敏感结构信号正常输出时，即隧尖与凹槽极板间间距达到纳米级时保持电压，此时可应用电子隧道效应有效检测微弱加速度信号，具有极低的检测阈值和极高的灵敏度，当加速度输入达到预定阈值，控制电极切断电压，此时加速度计采用电容式检测原理，以避免损坏器件并实现宽检测范围的目的。

 

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：   

图1为本发明实施例的整体结构图；

图2为本发明实施例的整体结构的侧视图；

图3为本发明实施例的拆分结构图；

图4为本发明实施例的键合基板与垫衬框体组合体的正面图；

图5为本发明实施例的支撑框体、悬臂梁与质量块组合体的反面试图；

图6为本发明实施例的大量程检测时的原理图；

图7为本发明实施例的微加速度计检测时隧尖的局部放大图；

图8为本发明实施例的微加速度计应用隧道阵列时的透视图。

图中所示，附图标记清单如下：

1、键合基板2、垫衬框体3、支撑框体4、悬臂梁5、质量块6、隧道极板7、隧尖8、检测电容下极板9、检测电容上极板10、控制电容下极板11、控制电容上极板12、隧道电极负极13、隧道电极正极14、检测电极负极15、检测电极正极16、控制电极负极17、控制电极正极。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语 “相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

利用电容器的原理，可将非电量转化为电容量，进而实现非电量到电量的转化，具有温度系数小、稳定性好、灵敏度高等有点，电容式的检测方式目前已在微机械***传感器中得到广泛应用。但是，由于边缘效应、分布电容、极板面积等的影响，其精度以不能满足检测需求，且其存在较高的检测阈值，对微弱加速度检测存在困难。

从量子力学理论可知，由于电子的隧道效应，导体中的电子并不完全局限于表面边界之内，电子密度并不在表面处突变为零，而是在表面以外呈指数形式衰减，衰减的长度约1nm。因此。只要将原子线度的极细探针以及被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离接近时（<1um），它们的表面电子云就可能重叠。若在样品与针尖之间加一微小电压U_b，电子就会穿过两个电极之间的势垒，流向另一个电极，形成隧道电流。其隧道电流Is与针尖和极板之间的距离x之间满足

。由此可见，隧道电流I_s对针尖与极板表面之间的距离x非常敏感，如果x减小0.1nm，隧道电流Is就会增加一个数量级，灵敏度极高，检测阈值极低。但是，由于工作时隧尖与极板间距必须为纳米级，其量程有限，抗过载能力差，高过载时隧尖容易损坏。

隧道式加速度计基于量子隧穿效应，分辨率能达到量子级，非常适合微弱加速度检测，电容式加速度计技术成熟，应用广泛。本方发明用电容检测与隧道效应检测集成的方式，可实现加速度的低检测阈值、宽范围、高灵敏检测。同时可用于已知加速度值环境的加速度精确测量，能够满足地震检测和卫星遥感的精确测量需求。同时，也可用于精密位置定位、微重力科学试验、精确导航等。

以下结合附图对本发明做进一步说明：

如图1-3所示，根据本发明的实施例的基一种基于电容效应和隧道效应的复合式的微机械加速度计，包括：键合基板1，键合基板1中心刻蚀凹槽，凹槽底面布置，隧道极板6与隧道电极负极12相连，隧道凹槽周围分别布置检测电容下极板8和控制电容下极板10并分别与检测电极负极14和控制电极负极16相连；垫衬框体2，垫衬框体2设在键合基板1上方并与键合基板1相连接；支撑框体3，支撑框体3设在垫衬框体的上方并与垫衬框体3相连接，且下方设有隧道电极正极13、检测电极正极15和控制电极正极17；悬臂梁4，悬臂梁4两端分别与支撑框体3和质量块5相连接，用于支撑质量块5；质量块5，质量块5中心设置有隧尖7，隧尖7与隧道电极正极13相连接，隧尖7与隧道电极正极13相连接，隧尖7周围分别布置检测电容上极板9和控制电容上极板11，检测电容上极板9和控制电容上极板11且分别与检测电极正极15和控制电极正极17相连。

如图4所示，根据本发明的实施例的一种基于电容效应和隧道效应的复合式微机械加速度计，键合基板1较垫衬框体2面积大，上表面布置的检测电容下极板8和控制电容下极板10成方框型且由内而外排布，检测电极负极14和控制电极负极16,位于键合基板1边缘，与支撑框体3上布置的检测电极正极15和控制电极正极17相对应，所述的隧道极板6位于键合基板1中心方形凹槽底面。

需要说明的是电容下极板8和控制电容下极板10成方框型所指方框型并非闭合方框型，由于隧道极板6与隧道电极负极12间的连接线，检测电容下极板8左侧为非闭合，同样，由于隧道极板6与隧道电极负极12间的连接线、检测电容下极板8和检测电极负极14间的连接线，检测电容下极板8左侧也为非闭合。

如图5所示，根据本发明的实施例的一种基于电容效应和隧道效应的复合式微机械加速度计，悬臂梁4宽度大于厚度，其下表面与支撑框体3和质量块4下表面相平行,且其厚度小于支撑框体3或质量块5厚度；质量块5由悬臂梁4支撑于支撑框体3中心，且能由于力的作用上下运动，质量块5下表面布置的检测电容上极板9和控制电容上极板11，其结构大小形状与检测电容下极板8和控制电容下极板10相同，位置相对。

如图6-7所示，根据本发明的实施例的一种基于电容效应和隧道效应的复合式微机械加速度计，质量块5的运动空间由垫衬框体2提供，非工作状态时，质量块5与垫衬框体间2间的距离为垫衬框体厚度h。质量块5的下表面中心设置有隧尖7，其隧尖长度小于键合基板1中心刻蚀的凹槽深度，但当质量块5与键合基板1接触后，隧尖7尖端与凹槽底面布置的隧道电极负极(12)的距离d应小于1nm，以实现高过载时对隧尖7的有效保护。

具体而言，加速度计开始工作时，控制电容下极板10与控制电容上极板11间施加控制电压，由于静电效应拉下质量块5。当隧道式敏感结构信号正常输出时，即质量块5中心的隧尖7与凹槽底面布置的隧道电极负极12间距d达到纳米级时保持电压，此时质量块达到受力平衡，加速度计工作在高灵敏状态，当有微小加速度输入时由质量块5感知加速度大小，使隧尖7与凹槽底面布置的隧道电极负极12间的距离d发生变化，距离的变化将导致隧穿电流急剧变化，通过电流的变化可推导出加速度的大小。

如图6所示，根据本发明的实施例的一种基于电容效应和隧道效应的复合式微机械加速度计，质量块5的运动空间由垫衬框体2提供，在非工作状态时，质量块5与垫衬框体间2间的距离为垫衬框体厚度h，当输入加速度足够大时，可以是检测极板相接触或隧道电流达到预定阈值，控制电容下极板10与控制电容上极板11间停止施加电压，释放质量块（5），加速度计此时处在电容检测状态时，加速度导致两极板间距离h发生变化，进而得到加速度大小。

如图8所示，根据本发明的实施例的一种基于电容效应和隧道效应的复合式的微机械加速度计，凹槽、隧道极板6、隧尖7组成的隧道效应敏感结构可以不是一组，可以是多组组成的阵列结构，实际应用时可选用一组或多组，以增加成品率或检测精度。

需要说明的是，此发明的实施例也可用于已知加速度值环境的加速度精确测量，根据已知加速度大小调节控制电压值，使在此加速度作用下隧尖7与隧道电极负极12间距d刚好达到纳米级，即可应用隧道效应实现加速度的精确测量。

本发明通过智能调节控制电容下极板10与控制电容上极板11间的电压,由于静电效应拉下质量块，当隧道式敏感结构信号正常输出时，即隧尖与凹槽极板间间距达到纳米级时保持电压，此时可应用电子隧道效应有效检测微弱加速度信号，具有极低的检测阈值和极高的灵敏度，当加速度输入达到预定阈值，控制电极切断电压，此时加速度计采用电容式检测原理，以避免损坏器件并实现宽检测范围的目的。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解，在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。 

Claims (8)

1.一种基于电容效应和隧道效应的复合式加速度计，其特性在于，包括：

键合基板(1)，键合基板(1)中心刻蚀凹槽，凹槽底面布置，隧道极板(6)与隧道电极负极(12)相连，隧道凹槽周围分别布置检测电容下极板(8)和控制电容下极板(10)，所述检测电容下极板(8)和控制电容下极板(10)分别与检测电极负极(14)和控制电极负极(16)相连；

垫衬框体(2)，垫衬框体(2)设在键合基板(1)上方并与键合基板(1)相连接；

支撑框体(3)，支撑框体(3)设在垫衬框体（2）的上方并与垫衬框体(2)相连接，且下方设有隧道电极正极(13)、检测电极正极(15)和控制电极正极(17)；

悬臂梁(4)，悬臂梁(4)两端分别与支撑框体(3)和质量块(5)相连接，用于支撑质量块（5）；

质量块(5)，质量块(5) 下表面中心设置有隧尖(7)，隧尖（7）与隧道电极正极（13）相连接，隧尖（7）周围分别布置检测电容上极板（9）和控制电容上极板（11），检测电容上极板（9）和控制电容上极板（11）分别与检测电极正极（15）和控制电极正极（17）相连。

2.根据权利要求1所述的复合式加速度计，其特征在于，所述的键合基板（1）较垫衬框体(2)面积大，上表面布置的检测电容下极板(8)和控制电容下极板(10)成方框型且由内而外排布，检测电极负极(14)和控制电极负极(16),位于键合基板（1）边缘，与支撑框体(3)上布置的检测电极正极(15)和控制电极正极(17)相对应，所述的隧道极板(6)位于键合基板(1)中心方形凹槽底面。

3.根据权利要求2所述的复合式加速度计，其特征在于，所述检测电容下极板(8)和控制电容下极板(10)成方框型为非闭合方框型。

4.根据权利要求1所述的复合式加速度计，其特征在于，所述的悬臂梁(4)宽度大于厚度，其下表面与支撑框体(3)和质量块(4)下表面相平行，且其厚度小于支撑框体(3)或质量块(5)厚度。

5.根据权利要求1所述的复合式加速度计，其特征在于，所述的质量块(5)由悬臂梁(4)支撑于支撑框体(3)中心，且能由于力的作用上下运动。

6.根据权利要求1所述的复合式加速度计，其特征在于，隧尖长度小于键合基板(1)中心刻蚀的凹槽深度，但当质量块（5）与键合基板（1）接触后，隧尖（7）尖端与凹槽底面布置的隧道电极负极(12)的距离应小于1nm，以实现高过载时对隧尖（7）的有效保护。

7.根据权利要求1所述的复合式加速度计，其特征在于，检测电容上极板(9)和控制电容上极板(11)，其结构大小形状与检测电容下极板(8)和控制电容下极板(10)相同，位置相对。

8.根据权利要求1-7之一所述的复合式加速度计，其特征在于，通过智能调节控制电容下极板(10)与控制电容上极板(11)间的电压,由于静电效应拉下质量块，当隧道式敏感结构信号正常输出时，即隧尖与凹槽极板间间距达到纳米级时保持电压，此时可应用电子隧道效应有效检测微弱加速度信号，具有极低的检测阈值和极高的灵敏度，当加速度输入达到预定阈值，控制电极切断电压，此时加速度计采用电容式检测原理，以避免损坏器件并实现宽检测范围的目的。

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