CN1202984C - 微桥谐振器的一种新型温度补偿结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有温度自补偿功能的频率输出型复合微梁谐振器，该谐振器由在同一芯片上制作的微桥谐振器和微悬臂梁谐振器组成，微桥谐振器和微悬臂梁谐振器材料相同，厚度相等或相近，制作工艺相同且同时制作，因而二者对温度变化可以同步响应；微桥谐振器和微悬臂梁谐振器距离在微米量级，因而温敏元件可精确反映微桥谐振器的温度。通过数据融合技术，作为温敏元件的微悬臂梁谐振器的谐振频率能够实时补偿温度变化对微桥谐振器谐振频率的交叉灵敏度，从而减小微桥谐振器谐振频率的温度系数，提高谐振器工作温度范围。

Description

微桥谐振器的一种新型温度补偿结构

技术领域

本发明属于微电子机械***(MEMS)领域，涉及一种微机械桥型谐振器的温度补偿结构。

背景技术

基于硅微机械加工技术制造的具有力学谐振频率的微谐振式传感器是一类非常重要的传感器。这类微传感器具有准数字信号输出、抗干扰能力强、制作成本低、功耗小、体积小、重量轻的优点。微谐振式传感器利用微悬臂梁、微桥(双端固支梁)和方膜等谐振元件的振动频率、相位和振动幅值等作为敏感量来测量各种物理量，如压力、真空度、角速度、加速度、流量、温度、湿度和气体成分等。

相对于微悬臂梁谐振器，微桥谐振器在力学量测量方面具有独特的优势。但是微桥谐振器的谐振频率受温度的影响很大。温度变化引起桥谐振频率的变化有以下几个方面的原因：(1)组成桥谐振器的材料之间热膨胀系数的差异；(2)基底材料和组成桥谐振器的材料热膨胀系数的差异；(3)组成桥谐振器的材料的杨氏膜量和密度随温度变化；(4)桥长度和厚度随温度的变化；(5)其他原因。例如，电热激励/压阻检测的桥谐振器的激励电阻和压敏电阻的阻值随温度变化而变化，也会使谐振频率漂移。桥谐振器的谐振频率随温度变化的复杂原因使得结构上的补偿难以达到满意的结果。为了消除温度对被测的非温度参量的干扰，可采用一个测温传感器检测温度变化，然后据此对被测物理量进行温度补偿。但是，商用的温度传感器(如热电偶、热电阻，双金属片温度传感器等)体积较大、响应时间较长，很难保证与桥谐振器对温度变化同步响应。另外，当温度场不均匀时测温元件与桥谐振器之间距离也会给测量带来一定的影响。尽管薄膜温度传感器可以与桥谐振器集成在同一芯片，但薄膜电阻和桥谐振器的导热条件不同，其对温度的响应速率必然不同，这在某些温度变化较快的情况下必然带来较大的误差；另外，也增加了芯片制作工艺的难度。

发明内容

为了消除温度对微桥谐振器谐振频率的干扰，本发明设计了一种温度补偿结构，以补偿桥谐振器的温度漂移。

为实现上述目的，本发明的设计机理是：在制作微桥谐振器的芯片上集成作为温度传感器的微悬臂梁谐振器。悬臂梁在不同温度下的谐振频率不同。通过测量悬臂梁谐振器的谐振频率的数值可对微桥谐振器谐振频率的温度漂移进行温度补偿。

所采用的技术方案是：在同一芯片上通过微电子工艺和微机械加工技术制作的微桥谐振器和微悬臂梁谐振器。微桥谐振器和微悬臂梁谐振器材料相同，厚度相等或相近，制作工艺相同或兼容，在制作微桥谐振器的同时制作悬臂梁谐振器，二者对温度变化同步响应。

微悬臂梁谐振器的测温原理是：当温度变化时，组成悬臂梁的材料的杨氏模量和密度以及梁的结构尺寸发生变化，从而使梁的谐振频率变化。测量悬臂梁的谐振频率即可感知梁的温度。对长为L、厚为h的单层悬臂梁，谐振频率的温度系数为

$S=\frac{1}{f}\frac{\mathrm{df}}{\mathrm{dT}}=\frac{1}{2E}\frac{\mathrm{dE}}{\mathrm{dT}}-\frac{1}{2\mathrm{\ρ}}\frac{\mathrm{d\ρ}}{\mathrm{dT}}-\mathrm{\α}$

其中，E和ρ分别为材料的杨氏模量和密度，T为温度，α为线膨胀系数。

对双层微悬臂梁，谐振频率的温度系数：

$S=\frac{h_1}{2h_1+2h_2\frac{E_2}{E_1}}\frac{1}{E_1}\frac{{\mathrm{dE}}_1}{\mathrm{dT}}+\frac{h_2}{2h_2+2h_1\frac{E_1}{E_2}}\frac{1}{E_2}\frac{{\mathrm{dE}}_2}{\mathrm{dT}}-\frac{h_1}{2h_1+2h_2\frac{{\mathrm{\ρ}}_2}{{\mathrm{\ρ}}_1}}\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_1}\frac{d{\mathrm{\ρ}}_1}{\mathrm{dT}}$

$-\frac{h_2}{2h_2+2h_1\frac{{\mathrm{\ρ}}_1}{{\mathrm{\ρ}}_2}}\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_2}\frac{d{\mathrm{\ρ}}_2}{\mathrm{dT}}+{\mathrm{\α}}_1-{\mathrm{\α}}_2$

其中，下标1和2分别是指组成梁的两种材料。这样，如果测得悬臂梁谐振器在温度T₀的谐振频率f(T₀)，则可计算得温度T时的谐振频率：

             f(T)≈f(T₀)[1+S(T-T₀)]

微桥谐振器1和微悬臂梁谐振器2的激励方式可以为电磁激励、静电激励、逆压电激励、电热激励和光热激励。其检测方式可以为压电拾振、电容拾振、电磁拾振、光信号拾振以及压敏电阻拾振。

本发明的特点是：微桥谐振器1和作为温度传感器的微悬臂梁谐振器2材料相同，厚度相等或相近，距离很小，可对温度变化同步响应。

本发明的另一特点是微桥谐振器1和作为温敏元件的微悬臂梁谐振器2制作工艺相同或兼容，在制作微桥谐振器1的同时制作温度传感器2，因而制作温度传感器不会使桥谐振器的制作工艺复杂化。

本发明的第三个特点是温度传感器输出的是频率信号，在送入数据处理单元前不需要AD转换器。

附图说明

图1是本发明所涉及的微桥谐振器的温度补偿结构的示意图；

图2是作为本发明的一个实施例的电热激励/压敏电阻拾振的微桥谐振器、悬臂梁谐振器及其闭环检测电路的示意图；

图3作为本发明的实施例之一的电热激励/压敏电桥拾振的硅/二氧化硅双层谐振器的制作工艺流程。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但并不局限于该实施例。

实施例：参见图1，图2；本发明包括微桥谐振器1、微悬臂梁谐振器2、基片3、引线4、前置放大器9和14、带通滤波器10和15、移相器11和16、自动增益放大器12和17、加法器13和18，恒压源19和数据处理单元20。

在同一芯片上通过微电子工艺和微机械加工技术制作的电热激励/压敏电桥拾振的微桥谐振器1和作为温度传感器的微悬臂梁谐振器2。微桥谐振器1和微悬臂梁谐振器2材料相同，厚度相等或相近，制作工艺完全相同，在制作微桥谐振器1的同时制作温度传感器2。

微桥谐振器1的中部制作有激励电阻5以激励微桥谐振器1振动；固支端制作有压敏电桥6以拾取振动信号。同样在微悬臂梁谐振器的自由端制作有激励电阻7，固支端制作有压敏电桥8。

微桥谐振器1、放大器9、带通滤波器10、移相器11、自动增益放大器12和加法器13组成闭环谐振回路检测微桥谐振器1的谐振频率。微悬臂梁谐振器2、放大器14、带通滤波器15、移相器16、自动增益放大器17和加法器18组成闭环谐振回路检测微悬臂梁谐振器2的谐振频率。

前置放大器9、14分别对微桥谐振器1和微悬臂梁谐振器2的输出电压进行放大。

带通滤波器10、15分别滤除微桥谐振器1和微悬臂梁谐振器2输出信号中的高频和低频噪音。

自动增益放大器12和17和移相器11、16分别调整微桥谐振器1和微悬臂梁谐振器2谐振频率闭环检测回路的振幅和相位，使其满足闭环自激相位条件。

加法器13和18将直流偏置电压叠加在环路信号上。

恒压源19同时为桥谐振器1和悬臂梁谐振器2根部的压敏电桥6、8提供工作电压。

数据处理单元20对微桥谐振器1和悬臂梁谐振器2的谐振频率进行处理以补偿温度对微桥谐振器1谐振频率的交叉灵敏度。

参见图3，作为本发明的实施例之一的电热激励/压敏电桥拾振硅/二氧化硅双层谐振器可按照下述工艺制备：

1、对(100)向双面抛光的N型硅片双面氧化，该氧化层有多方面的作用，首先它是正面刻槽、扩硼、背腐蚀时的掩蔽膜，同时它还用来作为硅/二氧化硅双层谐振器件中的二氧化硅层；

2、正面光刻、扩硼形成激励电阻和压敏电阻。

3、正面光刻桥和悬臂梁。TMAH腐蚀正面，形成浅槽，深为20微米。

4、正面光刻并腐蚀接触孔，蒸铝，反刻铝，形成金属连线，合金化。

5、背面光刻，形成背腐蚀窗口，各向异性背腐蚀释放桥和悬臂梁。

6、封装，引出连线。

Claims (3)

1、一种微桥谐振器的温度补偿结构，其特征在于：在制作有微桥谐振器[1]同一芯片上集成了作为温度传感器的微悬臂梁谐振器[2]。

2、根据据权利要求1所述的微桥谐振器的温度补偿结构，其特征在于：所说的微桥谐振器[1]和微悬臂梁谐振器[2]的激励方式可以为电磁激励、静电激励、逆压电激励、电热激励和光热激励；其检测方式可以为压电拾振、电容拾振、电磁拾振、光信号拾振以及压敏电阻拾振。

3、根据据权利要求1所述的微桥谐振器的温度补偿结构，其特征在于：所说的微悬臂梁谐振器[2]在不同温度下谐振频率不同。

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