一種帶自標(biāo)定振動(dòng)臺(tái)的電容式加速度傳感器的制作方法

本發(fā)明屬于微電子機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種微慣性傳感器，具體涉及一種帶自標(biāo)定振動(dòng)臺(tái)的電容式加速度傳感器。

背景技術(shù)：

在各類檢測(cè)原理的微機(jī)械傳感器中，電容式加速度傳感器由于具有溫度系數(shù)小、靈敏度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，是目前研制得最多的一類加速度傳感器。目前研發(fā)的電容式加速度傳感器可以用于石油勘探、橋梁振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。電容式加速度傳感器在使用以前，通常采用傳統(tǒng)的校準(zhǔn)方法如振動(dòng)臺(tái)標(biāo)定系統(tǒng)等進(jìn)行校準(zhǔn)，以確定其幅頻響應(yīng)特性、相頻響應(yīng)特性等。但是在傳感器用于石油勘探，或者安裝在跨海大橋等結(jié)構(gòu)上后，當(dāng)傳感器發(fā)生性能變化如比例因子漂移、靈敏度隨時(shí)間退化等，傳感器采集到的振動(dòng)數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生很大的檢測(cè)誤差。而把振動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)搬運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)或者把傳感器拆下進(jìn)行一個(gè)個(gè)校準(zhǔn)又不現(xiàn)實(shí)。若設(shè)計(jì)微機(jī)械傳感器時(shí)，把校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)到傳感器結(jié)構(gòu)當(dāng)中去便是解決方法之一。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種帶自標(biāo)定振動(dòng)臺(tái)的電容式加速度傳感器，可以實(shí)現(xiàn)電容式傳感器的現(xiàn)場(chǎng)敏感方向驅(qū)動(dòng)校準(zhǔn)功能和交叉軸驅(qū)動(dòng)校準(zhǔn)功能，本發(fā)明集成了校準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)測(cè)試傳感器，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)基準(zhǔn)信號(hào)的測(cè)量，同時(shí)節(jié)省了再額外安裝振動(dòng)臺(tái)測(cè)試傳感器的成本。

本發(fā)明包括第一基板及其上表面的檢測(cè)電極對(duì)、固定于第一基板上的敏感器錨點(diǎn)、驅(qū)動(dòng)器錨點(diǎn)、振動(dòng)臺(tái)吸合固定孤島、吸合器錨點(diǎn)、傳感器固定電極錨點(diǎn)、第二基板的懸于第一基板上方的可橫向和縱向運(yùn)動(dòng)的敏感振動(dòng)臺(tái)、4根將敏感器錨點(diǎn)和敏感振動(dòng)臺(tái)相連的振動(dòng)臺(tái)支撐梁、縱向敏感加速度電容式傳感器、2個(gè)將縱向敏感加速度電容式傳感器和敏感振動(dòng)臺(tái)相連的傳感器錨點(diǎn)、2根傳感器縱向敏感支撐梁、第二基板的懸于第一基板上方的橫向驅(qū)動(dòng)固定梳齒、縱向驅(qū)動(dòng)固定梳齒、橫向驅(qū)動(dòng)可動(dòng)梳齒、縱向驅(qū)動(dòng)可動(dòng)梳齒、吸合固定梳齒、吸合可動(dòng)梳齒、傳感器可動(dòng)梳齒、傳感器固定梳齒、可動(dòng)吸合塊。位于固定驅(qū)動(dòng)電極上的驅(qū)動(dòng)端引出電極、位于敏感器錨點(diǎn)上的敏感振動(dòng)臺(tái)引出電極、位于吸合器錨點(diǎn)上的吸合端引出電極、傳感器固定電極上的傳感器固定引出電極。

所述的第二基板的懸于第一基板上方的可橫向運(yùn)動(dòng)和縱向運(yùn)動(dòng)的敏感振動(dòng)臺(tái)由橫向敏感硅條、縱向敏感硅條、橫向外側(cè)驅(qū)動(dòng)梳齒、縱向外側(cè)驅(qū)動(dòng)梳齒、內(nèi)側(cè)吸合保持梳齒、部件連接框架組成。橫向敏感硅條由n個(gè)等間距縱向放置的長(zhǎng)條形硅條組成，n≥1,其長(zhǎng)度方向跟縱向平行。縱向敏感硅條由m個(gè)等間距橫向放置的長(zhǎng)條硅條組成，m≥1，其長(zhǎng)度方向跟縱向垂直。橫向外側(cè)驅(qū)動(dòng)梳齒固定于部件連接框架的橫向左側(cè)、橫向右側(cè)，縱向外側(cè)驅(qū)動(dòng)梳齒固定于部件連接框架的縱向上側(cè)、縱向下側(cè)，橫向左側(cè)和橫向右側(cè)的橫向外側(cè)驅(qū)動(dòng)梳齒長(zhǎng)度方向同橫向平行放置，每組的梳齒間縱向等間距排列，部件連接框架的左側(cè)、右側(cè)分別有兩組?？v向上側(cè)和縱向下側(cè)的縱向外側(cè)驅(qū)動(dòng)梳齒長(zhǎng)度方向同橫向垂直放置，每組的梳齒間橫向等間距排列，部件連接框架的上側(cè)、下側(cè)分別有兩組。內(nèi)側(cè)吸合保持梳齒位于敏感振動(dòng)臺(tái)內(nèi)側(cè)，位置與吸合固定梳齒對(duì)應(yīng)設(shè)置。橫向敏感硅條和縱向敏感硅條懸浮在第一基板表面上的檢測(cè)電極上方，且位置一一對(duì)應(yīng)設(shè)置。

所述的第一基板上表面的檢測(cè)電極對(duì)由自檢測(cè)引出電極、電極連接線、叉指電極組成，共有4組檢測(cè)電極對(duì)，每組檢測(cè)電極對(duì)在第一基板上與懸于第一基板上的敏感振動(dòng)臺(tái)上的橫向敏感硅條、縱向敏感硅條對(duì)應(yīng)放置，以形成變面積檢測(cè)電容對(duì)。

所述的敏感器錨點(diǎn)上的兩個(gè)沿敏感器振動(dòng)臺(tái)的縱向中心線分別對(duì)稱設(shè)置在敏感振動(dòng)臺(tái)的左右兩端，另兩個(gè)沿敏感器振動(dòng)臺(tái)的橫向中心線分別對(duì)稱設(shè)置在敏感振動(dòng)臺(tái)的上下兩端，并通過(guò)四根振動(dòng)臺(tái)支撐梁分別同敏感振動(dòng)臺(tái)相連。

所述的驅(qū)動(dòng)器錨點(diǎn)共有八個(gè)，每?jī)蓚€(gè)一組,共四組，分別對(duì)應(yīng)放置在敏感振動(dòng)臺(tái)一側(cè)，其中敏感器振動(dòng)臺(tái)左右兩端對(duì)應(yīng)的每組驅(qū)動(dòng)器錨點(diǎn)沿縱向中心線對(duì)稱放置，敏感器振動(dòng)臺(tái)上下兩端對(duì)應(yīng)的每組驅(qū)動(dòng)器錨點(diǎn)沿橫向中心線對(duì)稱放置。多個(gè)驅(qū)動(dòng)固定梳齒固定在對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器錨點(diǎn)上，分布在敏感振動(dòng)臺(tái)左右兩側(cè)驅(qū)動(dòng)器錨點(diǎn)相固定的驅(qū)動(dòng)固定梳齒與橫向平行，且沿縱向均勻放置。分布在敏感振動(dòng)臺(tái)上下兩側(cè)驅(qū)動(dòng)器錨點(diǎn)相固定的驅(qū)動(dòng)固定梳齒與橫向垂直，且沿橫向向均勻放置。

所述的振動(dòng)臺(tái)吸合固定孤島位于敏感振動(dòng)臺(tái)的內(nèi)側(cè)，并與敏感振動(dòng)臺(tái)相連，與可動(dòng)吸合塊位置對(duì)應(yīng)設(shè)置。

所述的縱向敏感加速度電容式傳感器由傳感器質(zhì)量塊、傳感器可動(dòng)梳齒、矩形塊組成，并通過(guò)兩個(gè)矩形塊分別與兩根縱向敏感支撐梁連接，縱向敏感支撐梁通過(guò)傳感器錨點(diǎn)與敏感振動(dòng)臺(tái)相連。

所述的縱向驅(qū)動(dòng)固定梳齒、橫向驅(qū)動(dòng)固定梳齒同對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器錨點(diǎn)相連，并沿對(duì)應(yīng)方向均勻排列，并與驅(qū)動(dòng)可動(dòng)梳齒一一對(duì)應(yīng)設(shè)置。

所述的縱向驅(qū)動(dòng)可動(dòng)梳齒、橫向驅(qū)動(dòng)可動(dòng)梳齒同敏感振動(dòng)臺(tái)外側(cè)相連，并沿對(duì)應(yīng)方向均勻排列，并同驅(qū)動(dòng)固定梳齒的位置一對(duì)一對(duì)應(yīng)設(shè)置。

所述的吸合可動(dòng)梳齒同敏感振動(dòng)臺(tái)內(nèi)側(cè)相連，并沿對(duì)應(yīng)方向均勻排列，并同吸合固定梳齒位置一一對(duì)應(yīng)設(shè)置。

所述的吸合固定梳齒同吸合器錨點(diǎn)相連，并沿對(duì)應(yīng)方向均勻排列，并同吸合可動(dòng)梳齒位置一一對(duì)應(yīng)設(shè)置。

所述的吸合可動(dòng)梳齒與吸合固定梳齒間的間距比可動(dòng)吸合塊與振動(dòng)臺(tái)吸合固定孤島之間的間距大一微米以上。

所述的驅(qū)動(dòng)器可動(dòng)電極與驅(qū)動(dòng)器固定電極間的間距大于吸合可動(dòng)梳齒與吸合固定梳齒間的間距。

所述的傳感器可動(dòng)電極與傳感器固定電極間的間距大于吸合可動(dòng)梳齒與吸合固定梳齒間的間距。

本發(fā)明的有益效果是：把校準(zhǔn)用振動(dòng)臺(tái)同傳感器本身設(shè)計(jì)為一體，當(dāng)傳感器在現(xiàn)場(chǎng)工作前，可以實(shí)時(shí)的通過(guò)振動(dòng)臺(tái)對(duì)其敏感方向校準(zhǔn)，以確認(rèn)其敏感方向的工作性能，同時(shí)還設(shè)計(jì)了交叉軸驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，實(shí)時(shí)測(cè)試得到其交叉軸特性，通過(guò)設(shè)計(jì)外圍處理電路便可對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確補(bǔ)償，從而克服傳感器在出廠后，其性能變化后不能實(shí)時(shí)獲知的弊端。同時(shí)本發(fā)明集成了敏感振動(dòng)臺(tái)性能自測(cè)傳感器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)臺(tái)性能的準(zhǔn)確測(cè)試，從而節(jié)省了額外安裝測(cè)試傳感器的成本，同時(shí)提高了振動(dòng)臺(tái)測(cè)試的精度。

附圖說(shuō)明

圖1(a)為本發(fā)明的第一基板及其上表面的檢測(cè)電極對(duì)、自檢測(cè)引出電極示意圖；

圖1（b）為圖1（a）沿aa1的分解斷面圖；

圖2為本發(fā)明的第二基板的結(jié)構(gòu)及其表面上電極的示意圖；

圖3為本發(fā)明中的圖2方框中的縱向敏感傳感器結(jié)構(gòu)放大后的示意圖；

圖4（a）為圖1（a）和圖（2）對(duì)應(yīng)放置組合后的示意圖；

圖4（b）為圖4（a）中的沿bb1的分解斷面圖；

圖4（c）為圖4（a）中的沿cc1的分解斷面圖；

圖5為敏感振動(dòng)臺(tái)的變面積檢測(cè)電容對(duì)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為固定梳齒和可動(dòng)梳齒形成的電容對(duì)示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明：

本發(fā)明的實(shí)例涉及一種帶自標(biāo)定振動(dòng)臺(tái)的電容式加速度傳感器，如圖1（a）和圖1（b）所示，在第一基板1上形成檢測(cè)電極對(duì)，包括叉指電極6、7，電極連接線4、5和自檢測(cè)引出電極2、3，共有4組檢測(cè)電極對(duì)，每組檢測(cè)電極對(duì)在第一基板上與懸于第一基板上的敏感振動(dòng)臺(tái)上的橫向敏感硅條、縱向敏感硅條對(duì)應(yīng)放置，以形成圖5所示的變面積檢測(cè)電容對(duì)。

如圖2、圖3所示，在第二基板上形成固定于第一基板1上的敏感器錨點(diǎn)8、驅(qū)動(dòng)器錨點(diǎn)16、振動(dòng)臺(tái)吸合固定孤島25、吸合器錨點(diǎn)21、傳感器固定電極錨點(diǎn)27。第二基板的懸于第一基板1上方的可橫向和縱向運(yùn)動(dòng)的敏感振動(dòng)臺(tái)的橫向敏感硅條18、縱向敏感硅條18a、橫向外側(cè)驅(qū)動(dòng)梳齒15、縱向外側(cè)驅(qū)動(dòng)梳齒12、內(nèi)側(cè)吸合保持梳齒19、部件連接框架13、傳感器固定梳齒30。其中，橫向敏感硅條18由6個(gè)等間距縱向放置的長(zhǎng)條形硅條組成,其長(zhǎng)度方向跟縱向平行?？v向敏感硅條18a由6個(gè)等間距橫向放置的長(zhǎng)條硅條組成，其長(zhǎng)度方向跟縱向垂直。橫向外側(cè)驅(qū)動(dòng)梳齒15如圖所示，固定于部件連接框架13的橫向左側(cè)、橫向右側(cè)，縱向外側(cè)驅(qū)動(dòng)梳齒12固定于部件連接框架13的縱向上側(cè)、縱向下側(cè)，橫向左側(cè)和橫向右側(cè)的橫向外側(cè)驅(qū)動(dòng)梳齒15長(zhǎng)度方向同橫向平行放置，每組的梳齒間縱向等間距排列，部件連接框架13左側(cè)、右側(cè)分別有兩組?？v向上側(cè)和縱向下側(cè)的縱向外側(cè)驅(qū)動(dòng)梳齒12長(zhǎng)度方向同橫向垂直放置，每組的梳齒間橫向等間距排列，部件連接框架上側(cè)、下側(cè)分別有兩組。內(nèi)側(cè)吸合保持梳齒19位于敏感振動(dòng)臺(tái)內(nèi)側(cè)，位置與吸合固定梳齒20對(duì)應(yīng)設(shè)置。橫向敏感硅條18和縱向敏感硅條18a位于第一基板1表面上的檢測(cè)電極上方，且位置一一對(duì)應(yīng)設(shè)置。形成第二基板的懸于第一基板1上方的縱向敏感加速度電容式傳感器，其中包括傳感器質(zhì)量塊31、傳感器可動(dòng)梳齒29、矩形塊32，同時(shí)形成縱向敏感支撐梁23、傳感器錨點(diǎn)24。通過(guò)兩個(gè)矩形塊32分別與兩根縱向敏感支撐梁23連接，縱向敏感支撐梁23通過(guò)傳感器錨點(diǎn)24與敏感振動(dòng)臺(tái)相連。

其中形成的橫向驅(qū)動(dòng)固定梳齒14和橫向驅(qū)動(dòng)可動(dòng)梳齒15形成縱向驅(qū)動(dòng)梳齒電容對(duì)，其電容間距為d1微米，縱向驅(qū)動(dòng)固定梳齒11和縱向驅(qū)動(dòng)可動(dòng)梳齒12形成橫向驅(qū)動(dòng)梳齒電容對(duì)，其電容間距為d2微米，d1=d2?？v向驅(qū)動(dòng)電容對(duì)位于在敏感器左右兩側(cè)，橫向電容對(duì)位于敏感上下兩端，并對(duì)稱分布，如圖2所示，每邊的兩組驅(qū)動(dòng)梳齒電容對(duì)形成差分結(jié)構(gòu)，以達(dá)到對(duì)敏感振動(dòng)臺(tái)的推挽驅(qū)動(dòng)。

形成的內(nèi)側(cè)吸合可動(dòng)梳齒19與吸合固定梳齒20間形成吸合電極對(duì)，共6對(duì)，每對(duì)電容間距為d3微米，形成的可動(dòng)吸合塊26與振動(dòng)臺(tái)吸合固定孤島25之間的間距為（d3+2）微米。

形成的傳感器可動(dòng)梳齒29與傳感器固定梳齒30組成檢測(cè)梳齒電容對(duì)，差分電容初始間距分別為g1和g2，初始位置為g1=g2，因而初始電容相等，而當(dāng)有外界加速度信號(hào)作用在傳感器上，一個(gè)測(cè)電容間距變大，而另一個(gè)對(duì)應(yīng)的檢測(cè)電容間距變小，從而形成電容的差分變化，根據(jù)電容式傳感器檢測(cè)原理，便可對(duì)外界加速度信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。

形成的第一基板1和第二基板上的結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)放置后，如圖4（a）所示，其對(duì)應(yīng)的分解斷面圖如圖4（b）、圖4（c）所示。其中橫向敏感硅條18由6個(gè)等間距縱向放置的長(zhǎng)條形硅條組成,其長(zhǎng)度方向跟縱向平行?？v向敏感硅條18a由6個(gè)等間距橫向放置的長(zhǎng)條硅條組成，其長(zhǎng)度方向跟縱向垂直。而敏感硅條同第一基板1上的叉指電極對(duì)，位置對(duì)應(yīng)放置，形成變面積的敏感振動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)電容，其示意圖如圖5所示。

結(jié)合上述描述，以及根據(jù)示意圖1至圖6，當(dāng)需要對(duì)傳感器進(jìn)行敏感方向上的實(shí)時(shí)校準(zhǔn)時(shí)，在橫向驅(qū)動(dòng)固定梳齒14和橫向驅(qū)動(dòng)可動(dòng)梳齒15形成的兩組縱向驅(qū)動(dòng)梳齒電容對(duì)上加入合適的驅(qū)動(dòng)電壓，并使敏感振動(dòng)臺(tái)縱向運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)信號(hào)傳遞到縱向敏感傳感器上，對(duì)其檢測(cè)檢測(cè)電容的變化進(jìn)行檢測(cè)，便可得到敏感傳感器的輸出信號(hào)。而敏感振動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)信號(hào)大小可以通過(guò)對(duì)圖5所示的對(duì)應(yīng)位置的變面積的敏感振動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)電容的檢測(cè)得到，敏感振動(dòng)臺(tái)的變面積檢測(cè)電容輸出信號(hào)和加速度電容式傳感器的變間距電容的輸出信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，從而得到縱向敏感傳感器的特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)其校準(zhǔn)。而當(dāng)對(duì)傳感器進(jìn)行交叉響應(yīng)特性測(cè)試時(shí)，可以在縱向驅(qū)動(dòng)固定梳齒11和縱向驅(qū)動(dòng)可動(dòng)梳齒12形成橫向驅(qū)動(dòng)梳齒電容加入對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電壓，并通過(guò)圖5所示的對(duì)應(yīng)位置的變面積的敏感振動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)電容檢測(cè)驅(qū)動(dòng)輸入的大小，通過(guò)信號(hào)對(duì)比，確定縱向敏感加速度電容式傳感器在橫向驅(qū)動(dòng)下的信號(hào)輸出大小，從而實(shí)時(shí)的確定加速度電容式傳感器在非敏感的橫向上的輸出特性，確定其輸出誤差，可以通過(guò)外加處理電路進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。

而當(dāng)加速度電容式傳感器在實(shí)際工作時(shí)，在吸合固定梳齒20和吸合可動(dòng)梳齒19間加入較大的電壓，并導(dǎo)致可動(dòng)吸合塊26和振動(dòng)臺(tái)吸合固定孤島25吸合，實(shí)現(xiàn)了敏感振動(dòng)臺(tái)固定在振動(dòng)臺(tái)吸合固定孤島25上，由于吸合可動(dòng)梳齒19與吸合固定梳齒20間形成的電容間距d3比橫向驅(qū)動(dòng)固定梳齒14和橫向驅(qū)動(dòng)可動(dòng)梳齒15形成的縱向驅(qū)動(dòng)梳齒電容間距d1大1微米以上，因而吸合發(fā)生時(shí)，不會(huì)有短路發(fā)生。而敏感振動(dòng)臺(tái)在固定后，外界的慣性信號(hào)將完全作用在縱向敏感加速度電容式傳感器上，從而實(shí)現(xiàn)傳感器的正常工作。