專利名稱：力反饋式真空微電子加速度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于加速度傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種力反饋式集成真空微電子加速度傳感器。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中的加速度傳感器種類很多，由力平衡叉指式電容式、扭擺式電容式、懸臂梁電容式、隧道擊穿式、壓阻式、壓電式等各種結(jié)構(gòu)和原理的加速度傳感器。壓阻式加速度傳感器的特點(diǎn)是加工工藝簡(jiǎn)單、線性度好，但溫度效應(yīng)嚴(yán)重、工作狀態(tài)不穩(wěn)定、靈敏度較低；電容式加速度傳感器的特點(diǎn)是溫度效應(yīng)小、靈敏度相對(duì)較高、噪聲特性好、漂移低、功耗低，但小電容測(cè)試方法復(fù)雜、受分布電容和電磁干擾的影響；隧道式加速度傳感器的特點(diǎn)是高靈敏度、電流檢測(cè)，抗干擾能力很強(qiáng)、溫度效應(yīng)小、線性度高，但加工難度大，成品率不高，低頻噪聲高。以上各種加速度傳感器很難同時(shí)滿足抗輻射、高靈敏、高分辨率等要求。所以，研究高靈敏、高分辨率、高過(guò)載能力、抗惡劣環(huán)境等高性能的新型集成化微型加速度傳感器一直是世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種抗輻射、高靈敏、高分辨率、帶閉環(huán)控制的力反饋式集成真空微電子加速度傳感器。
本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案加以實(shí)現(xiàn)力反饋式真空微電子加速度傳感器，主要由動(dòng)極板、陽(yáng)極板、襯底、真空微腔和信號(hào)處理電路組成，陽(yáng)極板、動(dòng)極板及襯底鍵合在一起，在動(dòng)極板中央形成真空微腔。其中動(dòng)極板具有陰極基板，陰極基板通過(guò)懸臂梁將質(zhì)量塊支撐在中央，質(zhì)量塊上有陰極錐尖陣列、反饋電極I，懸臂梁上有反饋電極引線I，陰極基板上有陰極引線I。反饋電極I與反饋電極引線I相連通，并與質(zhì)量塊、懸臂梁、陰極基板之間用絕緣層隔離。錐尖陣列通過(guò)質(zhì)量塊、懸臂梁、陰極基板與陰極引線相連接。陽(yáng)極板具有陽(yáng)極基板，陽(yáng)極基板上有與陰極錐尖陣列相對(duì)設(shè)置的陽(yáng)極電流收集區(qū)，形成工作電極對(duì)，與反饋電極I相對(duì)設(shè)有反饋電極II，形成反饋電極對(duì)，并分別引出陽(yáng)極引線和反饋電極引線II；有反饋電極引線III、陰極引線II分別與動(dòng)極板上的反饋電極引線I、陰極引線相對(duì)應(yīng)。陽(yáng)極板的反饋電極引線III、陰極引線II分別與動(dòng)極板上的反饋電極引線I、陰極引線鍵合在一起。反饋電極I通過(guò)反饋引線I、反饋引線III接地；反饋電極II通過(guò)反饋電極引線II接進(jìn)反饋電路。錐尖陣列通過(guò)質(zhì)量塊、懸臂梁、陰極基板、陰極引線、陰極引線II接進(jìn)電流-電壓轉(zhuǎn)換電路；陽(yáng)極電流收集區(qū)經(jīng)過(guò)陽(yáng)極引線接進(jìn)電流-電壓轉(zhuǎn)換電路。
力反饋式集成真空微電子加速度傳感器的工作原理是，在反饋電極對(duì)之間施加一定的控制電壓，反饋電極之間將產(chǎn)生靜電力，使質(zhì)量塊向陽(yáng)極板產(chǎn)生偏移；在反饋電極對(duì)之間的靜電力及懸臂梁的彈力作用下，質(zhì)量塊在偏離中心位置處達(dá)到平衡。當(dāng)在陰極錐尖陣列與陽(yáng)極電流收集區(qū)之間施加一定的電壓，在陰極錐尖陣列處將產(chǎn)生一定的場(chǎng)強(qiáng)，當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到足夠大時(shí)，陰極錐尖表面的電子將在場(chǎng)強(qiáng)的作用下溢出表面，并在場(chǎng)強(qiáng)作用下“渡越”到陽(yáng)極電流收集區(qū)，從而形成場(chǎng)致發(fā)射電流。在陰極錐尖陣列與陽(yáng)極電流收集區(qū)之間施加恒定的電壓時(shí)，就可以形成穩(wěn)定的場(chǎng)致發(fā)射電流。
下面按加速度的方向分兩種情況進(jìn)行說(shuō)明。當(dāng)傳感器在向上的加速度作用時(shí)，懸臂梁發(fā)生彎曲引起質(zhì)量塊產(chǎn)生向上的位移，導(dǎo)致陰極錐尖陣列與陽(yáng)極電流收集區(qū)之間的距離減小，增大了錐尖陣列附近的場(chǎng)強(qiáng)，進(jìn)而引起場(chǎng)致發(fā)射電流增大，此電流經(jīng)I-V轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)后，與信號(hào)處理電路提供的參考電壓進(jìn)行比較(差分放大器)，由于電壓信號(hào)大于參考電壓，則輸出的誤差信號(hào)err為負(fù)，誤差信號(hào)經(jīng)輸出放大和濾波后，與外部提供的控制電壓合成，并施加到反饋電極上，此電壓小于開始時(shí)施加的控制電壓。反饋電極上的電壓減小，二者之間的靜電力也相應(yīng)減小，質(zhì)量塊在懸臂梁的彈力作用下向下偏移，如此往復(fù)并達(dá)到平衡。
反之，當(dāng)傳感器受到受到向下的加速度時(shí)，質(zhì)量塊將向下偏移，場(chǎng)致發(fā)射電流減小，差分放大器輸出的誤差信號(hào)為正，經(jīng)輸出放大和濾波后與控制電壓疊加，并施加在反饋電極上。反饋電極上的電壓的增大使二者之間的靜電力增大，質(zhì)量塊在靜電力的作用下向上偏移，如此往復(fù)達(dá)到平衡。
加速度的大小可以通過(guò)檢測(cè)反饋電壓來(lái)獲得。參考電壓選取的依據(jù)是，參考電壓等于傳感器不受加速度作用時(shí)的輸出電壓信號(hào)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1、該加速度傳感器的工作依靠冷陰極發(fā)射，工作“媒質(zhì)”是真空，電子在“真空”中渡越，輻照和高低溫對(duì)其沒(méi)有影響，因而不會(huì)象半導(dǎo)體那樣易受溫度或輻照等影響致使器件性能變壞。
2、電子在真空中傳輸，真空中的電子速度比Si中的電子速度要快100倍，比速度最快的現(xiàn)代半導(dǎo)體材料(Gdh，Inp)還要快20倍，因而其響應(yīng)速度快。
3、由于采用場(chǎng)發(fā)射原理，器件不需要預(yù)熱，功率低。
4、由于采用反饋工作方式，質(zhì)量塊的偏移很小，可以降低橫向靈敏度的影響；同時(shí)極板間的距離也可以做得很小，這樣可以提高陰極錐尖陣列處的電場(chǎng)強(qiáng)度，增加場(chǎng)致發(fā)射電流，大幅度提高傳感器的靈敏度和分辨率，改善傳感器的線性度和穩(wěn)定性。
因此，本發(fā)明是一種抗輻射、溫度穩(wěn)定性好、快響應(yīng)、高靈敏、高分辨率的集成真空微電子加速度傳感器，具有極為廣泛的用途。


圖1是本傳感器的截面圖(不含信號(hào)處理電路部分)；圖2是本傳感器的動(dòng)極板頂視圖；圖3是本傳感器的陽(yáng)極板頂視圖；圖4是本傳感器的爆炸視圖；圖5是本傳感器包含信號(hào)處理電路部分的電路圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案中進(jìn)一步說(shuō)明圖中1為陰極基板、2為四個(gè)懸臂梁、3為質(zhì)量塊、4為陰極錐尖陣列、5為反饋電極I、6為真空微腔、7為襯底、8為反饋電極引線I、9為陽(yáng)極基板、10為陽(yáng)極電流收集區(qū)、11為反饋電極II、12為陽(yáng)極引線、13為反饋電極引線II、14為陰極引線1、15為陰極引線II、16為反饋引線III、17為電流-電壓轉(zhuǎn)換電路、18為比較器、19為輸出放大與濾波電路、20為反饋電路。
結(jié)合圖1、圖2和圖3，力反饋式真空微電子加速度傳感器，主要包括動(dòng)極板、陽(yáng)極板、襯底7、真空微腔6和信號(hào)處理電路。陽(yáng)極板、動(dòng)極板及襯底7鍵合在一起，在動(dòng)極板中央形成真空微腔6。動(dòng)極板具有陰極基板1，陰極基板1通過(guò)四根懸臂梁2將質(zhì)量塊3支撐在真空微腔6中央，質(zhì)量塊3上分布有陰極錐尖陣列4，陰極錐尖陣列4上覆蓋有金剛石薄膜。懸臂梁上有反饋電極引線I5，陰極基板上有陰極引線I14。反饋電極I與反饋電極引線I相連通，并與質(zhì)量塊3、懸臂梁2、陰極基板1之間用絕緣層隔離。錐尖陣列4通過(guò)質(zhì)量塊3、懸臂梁2、陰極基板1與陰極引線相連接。陽(yáng)極板具有陽(yáng)極基板9，陽(yáng)極基板9上有與陰極錐尖陣列4相對(duì)設(shè)置的陽(yáng)極電流收集區(qū)10，它們形成工作電極對(duì)。還有與反饋電極I5相對(duì)設(shè)置反饋電極II11，它們形成反饋電極對(duì)。并分別引出陽(yáng)極引線12和反饋電極引線II11；有反饋電極引線III16、陰極引線II15分別與動(dòng)極板上的反饋電極引線I8、陰極引線14相對(duì)應(yīng)。陰陽(yáng)極板鍵合后，陽(yáng)極板的反饋電極引線III16、陰極引線II15分別與動(dòng)極板上的反饋電極引線I8、陰極引線14鍵合在一起。反饋電極I5通過(guò)反饋引線I8、反饋引線III16接地；反饋電極II11通過(guò)反饋電極引線II13接進(jìn)反饋電路20。錐尖陣列4通過(guò)質(zhì)量塊3、懸臂梁2、陰極基板1、陰極引線、陰極引線II接進(jìn)電流-電壓轉(zhuǎn)換電路17；陽(yáng)極電流收集區(qū)經(jīng)過(guò)陽(yáng)極引線接工作電壓。
設(shè)置反饋電極引線III16和陰極引線II15的目的是為了將動(dòng)極板上的反饋引線I8和陰極引線14引到陽(yáng)極板，以便于將傳感器的信號(hào)引出。
信號(hào)處理電路參見(jiàn)圖4，電流信號(hào)由動(dòng)極板的反饋電極I5獲得，進(jìn)入由電流-電壓轉(zhuǎn)換電路17，經(jīng)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，進(jìn)入比較器18和比較放大與濾波電路19，最后經(jīng)反饋電路20將電壓施加到反饋電極II11上。
權(quán)利要求
1.力反饋式真空微電子加速度傳感器，其特征在于主要由動(dòng)極板、陽(yáng)極板、襯底、真空微腔和信號(hào)處理電路組成，陽(yáng)極板、動(dòng)極板及襯底鍵合在一起，在動(dòng)極板中央形成真空微腔(6)；其中動(dòng)極板具有陰極基板(1)，陰極基板(1)通過(guò)懸臂梁(2)將質(zhì)量塊(3)支撐在中央，質(zhì)量塊上有陰極錐尖陣列(4)、反饋電極I(5)、反饋電極引線I(8)、陰極引線I(14)；陽(yáng)極板具有陽(yáng)極基板(9)，陽(yáng)極基板(9)上有與陰極錐尖陣列(4)相對(duì)設(shè)置的陽(yáng)極電流收集區(qū)(10)，形成工作電極對(duì)，與反饋電極I(5)相對(duì)設(shè)有反饋電極II(11)，形成反饋電極對(duì)，并分別引出陽(yáng)極引線(12)和反饋電極引線II(13)；另有反饋電極引線III(16)、陰極引線II(15)分別與動(dòng)極板上的反饋電極引線I(8)、陰極引線I(14)相對(duì)應(yīng)，陰陽(yáng)極板鍵合后，陽(yáng)極板的反饋電極引線III(16)、陰極引線II(15)分別與動(dòng)極板上的反饋電極引線I(8)、陰極引線I(14)鍵合在一起，反饋電極I(5)通過(guò)反饋電極引線I(8)、反饋電極引線III(16)接地；反饋電極II(11)通過(guò)反饋電極引線II(13)接進(jìn)反饋電路20，錐尖陣列(4)通過(guò)質(zhì)量塊(3)、懸臂梁(2)、陰極基板(1)、陰極引線I(8)、陰極引線II((15)接進(jìn)電流-電壓轉(zhuǎn)換電路(17)；陽(yáng)極電流收集區(qū)(10)經(jīng)過(guò)陽(yáng)極引線接工作電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的力反饋式真空微電子加速度傳感器，其特征在于陰極錐尖陣列(4)上覆蓋有金剛石薄膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的力反饋式真空微電子加速度傳感器，其特征在于信號(hào)處理電路由電路-電壓轉(zhuǎn)換電路(17)、比較器(18)、比較放大與濾波電路(19)及反饋電路(20)依次線路連接而構(gòu)成。
全文摘要
力反饋式真空微電子加速度傳感器，主要由動(dòng)極板、陽(yáng)極板、襯底、真空微腔和信號(hào)處理電路組成，陽(yáng)極板、動(dòng)極板及襯底鍵合在一起，在動(dòng)極板中央形成真空微腔。其中動(dòng)極板的陰極基板通過(guò)懸臂梁將質(zhì)量塊支撐在中央，質(zhì)量塊上有陰極錐尖陣列、反饋電極I，懸臂梁上有反饋電極引線I，陰極基板上有陰極引線I。陽(yáng)極板具有陽(yáng)極基板，陽(yáng)極基板上有與陰極錐尖陣列相對(duì)設(shè)置的陽(yáng)極電流收集區(qū)，形成工作電極對(duì)，與反饋電極I相對(duì)設(shè)有反饋電極II，形成反饋電極對(duì)，并分別引出陽(yáng)極引線和反饋電極引線II。本發(fā)明具有抗輻射、靈敏度高、分辨率高、帶閉環(huán)控制等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01P15/00GK1544950SQ20031011104
公開日2004年11月10日 申請(qǐng)日期2003年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月27日
發(fā)明者溫志渝, 溫中泉, 潘銀松 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)