一種固體擺錘式傾角傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種固體擺錘式傾角傳感器，擺錘自由懸吊在頂部電極上，左/右側(cè)電極在擺錘下放對(duì)稱放置，擺錘通過(guò)頂部電極和左/右側(cè)電極分別構(gòu)成兩個(gè)對(duì)稱的電容；當(dāng)傳感器傾斜時(shí)，兩個(gè)電容變化趨勢(shì)相反，通過(guò)測(cè)量這對(duì)差分電容可反映傾角大小。本發(fā)明提供的傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、安裝方便、成本低，無(wú)溫度漂移，可和集成電路集成制造。
【專利說(shuō)明】一種固體擺錘式傾角傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種固體擺錘式傾角傳感器，是一種基于微機(jī)械加工技術(shù)制造的具有轉(zhuǎn)動(dòng)部件的傾角傳感器結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]傾角傳感器在生活中的應(yīng)用隨處可見(jiàn)，比如建筑、工程以及各種實(shí)驗(yàn)中。應(yīng)用較早的是水泡型傾角傳感器，又稱水平儀，多用于建筑。水泡型結(jié)構(gòu)有長(zhǎng)水泡和圓水泡兩種類型。長(zhǎng)水泡主要用于一維測(cè)量，精度高，用于二維測(cè)量時(shí)要用相互垂直的兩個(gè)，占用空間較大。圓水泡用于二維測(cè)量，精度不夠。這兩種水平儀都不能和測(cè)量電路集成，不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量。目前測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成主要利用傾角傳感器。傾角傳感器主要分為“固體擺”式、“液體擺”式、“氣體擺”三種。隨著微加工工藝的發(fā)展,傳統(tǒng)的傾角傳感器體積較大，隨著微加工技術(shù)的發(fā)展，采用微加工技術(shù)降低器件的尺寸是目前技術(shù)革新的努力方向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種固體擺錘式傾角傳感器，結(jié)構(gòu)小巧、反應(yīng)迅速。
[0004]技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0005]一種固體擺錘式傾角傳感器，包括豎直設(shè)置的襯底和擺錘，定義一個(gè)豎直平面S，在豎直平面S內(nèi)定義一條豎直線I ;
[0006]在所述擺錘為一體結(jié)構(gòu)，包括圓形凸頭、錘柄和重錘三部分，且擺錘相對(duì)錘柄的中軸線左右對(duì)稱，所述重錘的下沿為圓弧形，記該圓弧形位于圓O1上；
[0007]在襯底上設(shè)置有絕緣層，在絕緣層上設(shè)置有頂部電極、左側(cè)電極和右側(cè)電極，所述頂部電極、左側(cè)電極、右側(cè)電極和擺錘位于豎直平面S內(nèi)，且左側(cè)電極、右側(cè)電極位于頂部電極的下方并與頂部電極之間存在間隙；
[0008]在頂部電極上設(shè)置有一凹孔，所述圓形凸頭安裝在凹孔內(nèi)，所述頂部電極的形狀相對(duì)豎直線I左右對(duì)稱，所述豎直線I與錘柄的中軸線重合，所述擺錘可以以圓形凸頭的圓心為中心在所述豎直平面內(nèi)左右擺動(dòng)；
[0009]所述左側(cè)電極和右側(cè)電極相對(duì)豎直線I左右對(duì)稱且彼此間存在間隙，所述左側(cè)電極和右側(cè)電極相對(duì)重錘的下沿的圓弧形部分同樣為圓弧形，且左側(cè)電極和右側(cè)電極的圓弧形位于同一個(gè)圓O2上,所述圓O1和圓O2的圓心相同，圓O1的半徑小于圓O2的半徑；初始狀態(tài)，擺錘分別與左側(cè)電極和右側(cè)電極形成兩個(gè)完全一樣的電容，所述左側(cè)電極和右側(cè)電極均不與擺錘接觸；
[0010]所述頂部電極、左側(cè)電極和右側(cè)電極的材質(zhì)相同，均為導(dǎo)體材料，比如高摻雜硅；所述擺錘要求為導(dǎo)體材料。更為優(yōu)選的，所述頂部電極、左側(cè)電極、右側(cè)電極和擺錘的材質(zhì)均相同。
[0011]優(yōu)選的，還包括蓋板，所述蓋板蓋在凹孔上，在蓋板上設(shè)置有對(duì)應(yīng)圓形凸頭的凹槽，以防止圓形凸頭從凹孔內(nèi)脫落。
[0012]在左側(cè)電極上設(shè)置有左引線焊盤(pán)，在右側(cè)電極上設(shè)置有右引線焊盤(pán)，在頂部電極上設(shè)置有頂部引線焊盤(pán)，以方便電連接。
[0013]本發(fā)明提出的固體擺捶式傾角傳感器是利用擺錘和固定電極之間構(gòu)成的電容對(duì)的大小發(fā)生變化而反映整個(gè)傳感器傾角的變化，可采用硅微機(jī)械加工技術(shù)制造，以硅為襯底，在襯底上設(shè)置一層氧化硅絕緣層，然后在絕緣層上再設(shè)置一層硅材料，利用微機(jī)械加工工藝對(duì)該層硅材料進(jìn)行刻蝕，同時(shí)制作出左/右側(cè)電極、頂部電極等傳感器部件；圓形凸頭和凹孔之間采用松配合，以保證擺錘的自由擺動(dòng)。
[0014]傳感器豎直放置并保持左右水平時(shí)，擺錘由于重力的作用自由懸吊，以它為電極和左/右側(cè)電極構(gòu)成的兩個(gè)電容的大小也相同。當(dāng)左右方向發(fā)生傾斜時(shí)，由于擺錘始終保持豎直，因此左/右側(cè)電極和頂部電極之間的電容就會(huì)發(fā)生不同的變化。導(dǎo)致兩個(gè)電容出現(xiàn)差值。測(cè)量該電容差，其值與傾斜角度成正比，從而能反映傾斜角的變化。
[0015]有益效果:本發(fā)明提供的固體擺錘式傾角傳感器，采用擺錘結(jié)構(gòu)，可以快速反應(yīng)環(huán)境傾斜角度變化，響應(yīng)速度快；采用電容差分原理進(jìn)行測(cè)量，能夠有效去除零點(diǎn)漂移，減少寄生電容的影響且無(wú)溫漂；可采用體硅微機(jī)械加工技術(shù)，工藝可靠、批量制造容易且成本低；以硅為襯底，且加工方法和半導(dǎo)體工藝兼容，便于與測(cè)量電路集成，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量和較高的精度。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2為蓋板的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0019]如圖1所示為一種固體擺錘式傾角傳感器，包括豎直設(shè)置的襯底I和擺錘9，定義一個(gè)豎直平面S，在豎直平面S內(nèi)定義一條豎直線I ;
[0020]在所述擺錘9為一體結(jié)構(gòu)，包括圓形凸頭11、錘柄和重錘三部分，且擺錘9相對(duì)錘柄的中軸線左右對(duì)稱，所述重錘的下沿為圓弧形，記該圓弧形位于圓O1上；
[0021]在襯底I上設(shè)置有絕緣層2，在絕緣層2上設(shè)置有頂部電極8、左側(cè)電極4和右側(cè)電極3，所述頂部電極8、左側(cè)電極4、右側(cè)電極3和擺錘9位于豎直平面S內(nèi)，且左側(cè)電極
4、右側(cè)電極3位于頂部電極8的下方并與頂部電極8之間存在間隙；
[0022]在頂部電極8上設(shè)置有一凹孔，所述圓形凸頭11安裝在凹孔內(nèi)，所述頂部電極8的形狀相對(duì)豎直線I左右對(duì)稱，所述豎直線I與錘柄的中軸線重合，所述擺錘9可以以圓形凸頭11的圓心為中心在所述豎直平面內(nèi)左右擺動(dòng)；在凹孔上蓋有一蓋板7，以防止圓形凸頭11從凹孔中脫落，在蓋板上設(shè)置有對(duì)應(yīng)圓形凸頭11的凹槽；
[0023]所述左側(cè)電極4和右側(cè)電極3相對(duì)豎直線I左右對(duì)稱且彼此間存在間隙，所述左側(cè)電極4和右側(cè)電極3相對(duì)重錘的下沿的圓弧形部分同樣為圓弧形，且左側(cè)電極4和右側(cè)電極3的圓弧形位于同一個(gè)圓O2上,所述圓O1和圓O2的圓心相同，圓O1的半徑小于圓O2的半徑；所述左側(cè)電極4和右側(cè)電極3均不與擺錘9接觸；[0024]所述頂部電極8、左側(cè)電極4、右側(cè)電極3和擺錘9的材質(zhì)均為硅；在左側(cè)電極4上設(shè)置有左引線焊盤(pán)6，在右側(cè)電極3上設(shè)置有右引線焊盤(pán)5，在頂部電極8上設(shè)置有頂部引線焊盤(pán)10。
[0025]如圖1所示，該傳感器豎直安裝。在左右方向無(wú)傾斜時(shí)，擺錘9保持豎直向下，擺錘9的圓弧部分和左側(cè)電極4、右側(cè)電極3的正對(duì)面積相同，因此頂部電極8通過(guò)擺錘9和左側(cè)電極4、右側(cè)電極3之間構(gòu)成的電容(假設(shè)擺錘9和左側(cè)電極4、右側(cè)電極3構(gòu)成的電容分別為Cl、C2)大小相同，其電容差A(yù)C=C1-C2=0。當(dāng)整個(gè)傳感器發(fā)生左右傾斜時(shí)，擺錘9和左側(cè)電極4、右側(cè)電極3的正對(duì)面積發(fā)生不同的變化:傳感器從左向右傾斜，則頂部電極8和左側(cè)電極4之間的電容Cl減小，頂部電極8和右側(cè)電極3之間的電容C2增大，導(dǎo)致兩電容差A(yù)C=C1-C2負(fù)向增大；如果反方向傾斜，則電容差A(yù)C=C1-C2為正向增大。因此根據(jù)測(cè)量的電容差A(yù)C=C1-C2的大小和符號(hào)就可判斷傾斜方向和角度。
[0026]本案的固體擺錘式傾角傳感器制作過(guò)程如下:
[0027]第一步、選取普通氧化硅片作為襯底I和另一高摻雜硅片進(jìn)行硅/硅熱鍵合形成SOI結(jié)構(gòu)，以兩硅片中間的氧化硅作為絕緣層2 ;(亦可接購(gòu)買(mǎi)上層硅厚度符合要求的SOI硅片)。
[0028]第二步、在高摻雜硅片上采用磁控濺射工藝淀積一層金屬鋁，然后通過(guò)光刻將左引線焊盤(pán)5、右引線焊盤(pán)6和引線焊盤(pán)10保留，其他部分的金屬通過(guò)磷酸腐蝕液腐蝕掉。
[0029]第三步、另取一個(gè)硅片，采用光刻工藝將淺槽部分的光刻膠顯影掉，其他部分保留；然后采用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)對(duì)硅進(jìn)行刻蝕形成淺槽；再通過(guò)砂輪劃片技術(shù)切割成一個(gè)小片，即蓋板7。
[0030]第四步、對(duì)第二步結(jié)束的硅片進(jìn)行光刻，將右側(cè)電極3、左側(cè)電極4、頂部電極8、擺錘9部分保留，其他部分的光刻膠顯影掉；然后采用深反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)對(duì)高摻雜硅進(jìn)行刻蝕，一直刻蝕到中間的絕緣層2停止；為了加快腐蝕釋放，可在重力錘半圓形區(qū)域以適當(dāng)?shù)拿芏乳_(kāi)孔(見(jiàn)附圖擺錘半圓部分)。
[0031]第五步、將第三步完成的蓋板7粘貼在凸頭11部分上方；然后將傳感器放入氟化氨和乙酸的混合液對(duì)氧化硅絕緣層2進(jìn)行腐蝕，以釋放出擺錘結(jié)構(gòu)。
[0032]擺錘9的圓形凸頭11和錘柄部分較細(xì)小，而重錘部分可以通過(guò)開(kāi)孔加快腐蝕，相對(duì)來(lái)說(shuō)三個(gè)電極部分較大，因此通過(guò)工藝設(shè)計(jì)，可以使得第五步僅釋放出擺錘9，而電極依然保持位置固定。當(dāng)然擺錘9還可以采用其他的材料進(jìn)行制備，制備完成后再安裝在凹孔內(nèi)即可。
[0033]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出:對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種固體擺錘式傾角傳感器，其特征在于:包括豎直設(shè)置的襯底(I)和擺錘(9)，定義一個(gè)豎直平面S，在豎直平面S內(nèi)定義一條豎直線I ; 在所述擺錘(9)為一體結(jié)構(gòu)，包括圓形凸頭(11)、錘柄和重錘三部分，且擺錘(9)相對(duì)錘柄的中軸線左右對(duì)稱，所述重錘的下沿為圓弧形，記該圓弧形位于圓O1上； 在襯底(I)上設(shè)置有絕緣層(2 )，在絕緣層(2 )上設(shè)置有頂部電極(8 )、左側(cè)電極(4 )和右側(cè)電極(3)，所述頂部電極(8)、左側(cè)電極(4)、右側(cè)電極(3)和擺錘(9)位于豎直平面S內(nèi)，且左側(cè)電極(4)、右側(cè)電極(3)位于頂部電極(8)的下方并與頂部電極(8)之間存在間隙； 在頂部電極(8)上設(shè)置有一凹孔，所述圓形凸頭(11)安裝在凹孔內(nèi)，所述頂部電極(8)的形狀相對(duì)豎直線I左右對(duì)稱，所述豎直線I與錘柄的中軸線重合，所述擺錘(9)可以以圓形凸頭(11)的圓心為中心在所述豎直平面內(nèi)左右擺動(dòng)； 所述左側(cè)電極(4)和右側(cè)電極(3)相對(duì)豎直線I左右對(duì)稱且彼此間存在間隙，所述左側(cè)電極(4)和右側(cè)電極(3 )相對(duì)重錘的下沿的圓弧形部分同樣為圓弧形，且左側(cè)電極(4)和右側(cè)電極(3)的圓弧形位于同一個(gè)圓O2上,所述圓O1和圓O2的圓心相同，圓O1的半徑小于圓O2的半徑； 所述頂部電極(8)、左側(cè)電極(4)和右側(cè)電極(3)的材質(zhì)相同，均為導(dǎo)體材料；所述擺錘(9)為導(dǎo)體材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體擺錘式傾角傳感器，其特征在于:所述擺錘(9)的材質(zhì)與頂部電極(8)的材質(zhì)相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體擺錘式傾角傳感器，其特征在于:還包括蓋板(7)，所述蓋板(7)蓋在凹孔上，在蓋板(7)上設(shè)置有對(duì)應(yīng)圓形凸頭(11)的凹槽。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體擺錘式傾角傳感器，其特征在于:在左側(cè)電極(4)上設(shè)置有左引線焊盤(pán)(6)，在右側(cè)電極(3)上設(shè)置有右引線焊盤(pán)(5)，在頂部電極(8)上設(shè)置有頂部引線焊盤(pán)(10)。
【文檔編號(hào)】G01C9/12GK103542838SQ201310529668
【公開(kāi)日】2014年1月29日 申請(qǐng)日期:2013年10月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月31日
【發(fā)明者】秦明, 朱阿娟, 高迪 申請(qǐng)人:東南大學(xué)