專利名稱：一種電容式微加速度計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于MEMS微慣性儀表領(lǐng)域。特別涉及采用體硅加工微機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 和集成電路設(shè)計(jì)的一種電容式微加速度計(jì)。
技術(shù)背景電容式微加速度計(jì)被廣泛應(yīng)用于民用工業(yè)控制和軍事等領(lǐng)域，電容式微加速 度計(jì)，具有低功耗、高靈敏度、結(jié)構(gòu)簡單、固有的低溫度敏感性等優(yōu)點(diǎn)。機(jī)械傳 感器與信號(hào)讀出、處理電路的接口是電容式微加速度計(jì)設(shè)計(jì)的主要問題，很多情 況下，接口電路在一定程度上決定了微加速度計(jì)的分辨率。傳統(tǒng)的信號(hào)讀出、處 理電路由分立元件制作，不但體積大，分辨率低，而且還存在重復(fù)性、可靠性等 方面的問題，與微機(jī)械傳感器形成很大的反差，使微傳感器的優(yōu)勢大為打折；現(xiàn) 有的微加速度計(jì)大多采用傳感器與信號(hào)處理電路在印刷電路板(printed circuit board簡稱PCB)上組成系統(tǒng)，不但體積大、電路復(fù)雜而且采用手工制 作，因此存在成本高、成品率低的問題。因此，信號(hào)處理電路的集成化、微加速 度計(jì)的系統(tǒng)化、小型化、封裝化是必然的趨勢。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種電容式微加速度計(jì)， 使其較之以往的加速度計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡單、低成本、低功耗、集成化、批量化； 本發(fā)明的技術(shù)方案本發(fā)明的采用微機(jī)械傳感器和信號(hào)處理電路兩塊芯片分別集成，整體封裝， 最終實(shí)現(xiàn)封裝系統(tǒng)內(nèi)結(jié)構(gòu)(system in package簡稱SIP);所述微機(jī)械傳感器 1采用全差分的微機(jī)械結(jié)構(gòu)敏感元件；所述信號(hào)處理電路為信號(hào)讀出和處理的集 成電路，該信號(hào)處理電路包括全差分SC電荷放大器2 (增益可調(diào)整的全差分開關(guān)電容(switched-capacitor簡稱SC)電荷放大器前端電路模塊)，一階電容低 通濾波器(SC low-passed filter簡稱SC LPF) 3,儀表放大器4，偏置電壓、 電流產(chǎn)生電路5，自測電路6以及時(shí)鐘產(chǎn)生電路7組成；上述微機(jī)械傳感器1的 全差分輸出通過電氣接口MEMS — IC接口與其兼容的后續(xù)電路全差分SC電荷放大 器2的輸入端連接;所述全差分SC電荷放大器2的輸出與一階電容低通濾波器3 輸入連接，同時(shí)連接到儀表放大器4的輸入；自測電路6的輸入、還同時(shí)分別與 參考電壓、偏置電流產(chǎn)生電路5和儀表放大器4的連接點(diǎn)、系統(tǒng)時(shí)鐘產(chǎn)生電路7 和儀表放大器4的連接點(diǎn)連接。上述信號(hào)讀出、處理電路包括由一個(gè)全差分SC電荷放大器2 (增益可調(diào)整 的全差分開關(guān)電容(switched-c即acitor簡稱SC)電荷放大器)組成前端電路 模塊和由一階開關(guān)電容低通濾波器(SCLPF) 3與一個(gè)儀表放大器4組成的后端 級聯(lián)電路模塊及一個(gè)由參考電壓、偏置電流產(chǎn)生電路5、自測電路6和時(shí)鐘產(chǎn)生 電路7組成的輔助電路模塊。本發(fā)明系統(tǒng)級設(shè)計(jì)采取兩芯片方案，分別集成，整 體封裝，最終實(shí)現(xiàn)封裝內(nèi)系統(tǒng)(SIP)。本發(fā)明特點(diǎn)是具有片載時(shí)鐘發(fā)生器，為整個(gè)芯片提供符合要求的工作時(shí)序。 片載參考電壓發(fā)生器和偏置電路發(fā)生器分別為芯片提供參考電壓和偏置電流。自 測電路用來實(shí)現(xiàn)芯片工作狀態(tài)的自我標(biāo)定。本發(fā)明的敏感質(zhì)量元件可以沿齒樞軸向運(yùn)動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)主要是敏感距離小的 一側(cè)形成的電容量，可忽略距離大的一側(cè)的電容量。若干對動(dòng)齒和固定齒形成總 體差動(dòng)檢測電容和差動(dòng)加力電容。本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明為一開環(huán)系統(tǒng)，簡化了系統(tǒng)復(fù)雜度，降低了加 工成本和難度，提高了性能和成品率，又與后續(xù)用PCB板實(shí)現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)兼容，為 進(jìn)一步提高性能提供了可行性。系統(tǒng)中的全差分SC電荷放大器具有增益可編程調(diào)整的特點(diǎn)，全差分結(jié)構(gòu)可以消除共模噪聲，提高電源電壓抑制比、消除偶次諧 波。本發(fā)明作為一種新穎的電容式微加速度計(jì)，廣泛應(yīng)用于民用工業(yè)控制和軍事 等領(lǐng)域本發(fā)明主要包含微機(jī)械傳感器和信號(hào)處理電路兩塊芯片，采用兩芯片方 案，分別集成，系統(tǒng)封裝，有效的減小了體積，提供了穩(wěn)定性、可靠性，降低了成本，提高成品率。


圖1電容式微加速度計(jì)系統(tǒng)框圖； 圖2電容式微加速度計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)詳圖； 圖3微機(jī)械敏感元件電氣接口設(shè)計(jì)示意圖； 圖4增益可調(diào)整的全差分SC電荷放大器前端電路模塊； 圖5 —階SC LPF與一個(gè)儀表放大器組成的后端電路模塊； 圖6兩相不交迭時(shí)鐘示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理、結(jié)構(gòu)和具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步的說明。 如圖l、圖2所示的電容式微加速度計(jì)的系統(tǒng)框圖和實(shí)現(xiàn)詳圖，主要包含微機(jī)械傳感器和信號(hào)處理電路兩塊芯片，采用兩芯片方案，分別集成，系統(tǒng)封裝。 本發(fā)明中的微機(jī)械傳感器采用全差分式微機(jī)械結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)兩對差動(dòng)電容，敏感元件、電氣接口的高交叉耦合抑制設(shè)計(jì)，達(dá)到微機(jī)械傳感器和信號(hào)處理電路兼容。本發(fā)明中的信號(hào)讀出、處理電路，包含增益可調(diào)整的全差分SC電荷放大器 2，作為信號(hào)讀出、處理電路的前端電路模塊(如圖4所示)、 一個(gè)由一階開關(guān)電 容低通濾波器(SCLPF) 3與一個(gè)儀表放大器4組成的后端級聯(lián)電路模塊(如圖 5所示)及一個(gè)由參考電壓、偏置電流產(chǎn)生電路5、自測電路6和時(shí)鐘產(chǎn)生電路7組成的輔助電路模塊。在圖4、 5中，C^和G^都是微加速度計(jì)的敏感電容； 其中Gw是片內(nèi)放大電容。輸出共模電平(output common mode voltage簡稱 D由共模反饋(common-mod feedback簡稱CMFB)電路確定在O. 5&，輸入 共模電平有傳感器敏感電容確定在0.5^。同時(shí)，放大電容為一個(gè)采用二進(jìn)制權(quán) 重(binary-weighted)的4位數(shù)字可編程電容陣列(PCA)。全差分的電路拓?fù)?結(jié)構(gòu)有助于減小襯底噪聲之類的共模噪聲。采用CM0S開關(guān)，不需要不交迭時(shí)鐘 的延時(shí)相，在本電路結(jié)構(gòu)中，只用到兩相不交迭時(shí)鐘(如圖6所示)。本發(fā)明中的中微機(jī)械傳感器主要用來敏感外界加速度計(jì)，并轉(zhuǎn)換為等量電 容。敏感元件是一個(gè)微機(jī)械的全差分結(jié)構(gòu)(圖3)。其電氣接口方式專為后續(xù)電 路設(shè)計(jì)。這種電氣接口方式的優(yōu)選方案，其基本原理與優(yōu)勢在于如圖3 (a)所示，由于微機(jī)械結(jié)構(gòu)敏感元件的質(zhì)量片運(yùn)動(dòng)的模態(tài)為一階模 態(tài)上下平動(dòng)，二階模態(tài)扭擺。為提高系統(tǒng)的分辨率，保證模型理想性，降低交叉 耦合靈敏度，應(yīng)通過圖3 (a)的電氣連接方式保證在檢測電路的原理上對二階 扭擺模態(tài)不響應(yīng)。如圖3 (a)所示，為保證開環(huán)微加速度計(jì)系統(tǒng)的微機(jī)械結(jié)構(gòu)在敏感質(zhì)量片 上下平動(dòng)時(shí)，兩側(cè)定電極的電位不對中間電極的電位形成干擾，應(yīng)采用圖3(a) 所示的電極連接方式，以保證定電極的電位在質(zhì)量片上下運(yùn)動(dòng)時(shí)對敏感質(zhì)量片上 的電位干擾可以抵消或自補(bǔ)償。如圖3(b)所示，"為第l對電容的上電極引出焊盤，仏為第2對電容的上 電極引出焊盤，A為第l對電容的下電極引出焊盤，必為第2對電容的下電極引 出焊盤，M是敏感質(zhì)量片即電容對中間電極，S是環(huán)繞微機(jī)械結(jié)構(gòu)一周的作為保護(hù)環(huán)的導(dǎo)電襯底摻雜單晶硅材料。按照如圖3 (a)所示的電氣接口方式，采用如圖3 (b)所示的兩端分別引出焊盤安排方式，有利于保證在鍵線時(shí)兩個(gè)電容對相關(guān)電路的對稱性和一致性, 為在外封裝和后續(xù)電容檢測電路間引入基準(zhǔn)電壓R帶來了便利，從而為降低系 統(tǒng)噪聲提供了保證。本發(fā)明中的增益可調(diào)整的全差分sc電荷放大器前端電路模塊主要是把微機(jī) 械傳感器差分變化電容轉(zhuǎn)換為差分電壓，同時(shí)，該全差分sc電荷放大器的放大電容為一個(gè)采用二進(jìn)制權(quán)重的4位數(shù)字可編程電容陣列。通過編程實(shí)現(xiàn)微加速度 計(jì)的放大倍數(shù)在線調(diào)整。前端電路的工作原理如下為采樣相時(shí)(0尸高電平，^尸低電平)，C和Gu被充電至0. 5ra/ ，放大 電容G^被放電只零電位；同時(shí)，相關(guān)雙采樣(correlated-double-sampling 簡稱CDS)電容d積累和保存及時(shí)低頻噪聲。為放大相時(shí)(0H氐電平，^ 高電平)，積累在C和Gw上的電荷傳送到 Gw上，而C.抵償了緩慢變化的失調(diào)和及時(shí)低頻噪聲。CMOS開關(guān)的使用有助于 改善電荷注入和時(shí)鐘饋通效應(yīng)。消除了敏感質(zhì)量塊上開關(guān)的翻轉(zhuǎn)有助減小時(shí)鐘噪 聲并降低功耗。為簡單起見，認(rèn)為原先充電電容Gw和C上的初始電壓為直流 電壓源與電容串聯(lián)在一起，同時(shí)認(rèn)為跨導(dǎo)放大器(operational transconductance簡稱OTA)的開環(huán)增益非常大，因此放大器的輸入節(jié)點(diǎn)(K,， 為虛地點(diǎn)(隔離節(jié)點(diǎn))。從采樣相到放大相在虛地節(jié)點(diǎn)K,， ^使用電荷重分配可 以得到下式& ( —^)_&^=& (K廠^)........................ (1)& (K朋-^)-dC^ (H》.........................(2)由于K;， ^為虛地節(jié)點(diǎn)，所以K尸K^K ，又G尸C G; ....... (3)所以^尸U5^和rOT+0. 5r。。 .................. (4)上式可以寫成差模和共模電壓形式0,5(G+AG) (XD-0.5(G-AG) d L+0.5r。)…..(5)0. 5(G-AC嵐"-。-0. 5(G+AG) d K5r。)……(6)因此，有上式可以解出輸入共模電平r皿和差分輸出電壓(AK/cm =-=-= U.5r朋=Koca/. 、. / JA Fo = Fo41 - F"tt42 = "^^" r朋.(.8 )可以看出，差分輸出電壓正比于敏感電容變化量AG與可編程放大電容G 的比值。也可以由加速度計(jì)系統(tǒng)測量輸出噪聲電壓通過這個(gè)線性方程來反計(jì)算出 電容分辨率。本發(fā)明中后端電路模塊包含SC LPF和儀表放大器。 一階低通濾波器是最基 本的濾波器，有兩個(gè)參數(shù)比較主要DC增益和-3dB帶寬。離散時(shí)間集成濾波器 廣泛采用SC積分器。該濾波器在S域的傳輸函數(shù)如下<formula>formula see original document page 9</formula>其中，/:,為采用時(shí)鐘頻率，A為前向電容a,與積分電容c的比值，&為反饋電容&C比上積分電容C的系數(shù)。濾波器的直流增益為一 (7^1)，通過改變采 用時(shí)鐘頻率可以調(diào)整期-3dB帶寬。濾波器輸出端的積分電容C要足夠大來確保能夠執(zhí)行采樣和保持功能。這里的儀表放大器額外提供兩倍的直流增益并把差分輸出轉(zhuǎn)換成單端對地輸出。圖2中y 為儀表放大器輸入和放大電阻，^為系統(tǒng) 共模電平，&， ^為前端模塊輸出，Kw為系統(tǒng)輸出。0,， <^為兩相不交迭時(shí) 鐘，^和a^為電源電壓和零電位。此外，可以采用額外的離片RC濾波器來對 輸出信號(hào)進(jìn)行附加帶限濾波。
權(quán)利要求
1. 一種電容式微加速度計(jì)，其特征在于，采用微機(jī)械傳感器和信號(hào)處理電路兩塊芯片分別集成，整體封裝，最終實(shí)現(xiàn)封裝系統(tǒng)內(nèi)結(jié)構(gòu)；所述微機(jī)械傳感器(1)采用全差分的微機(jī)械結(jié)構(gòu)敏感元件；所述信號(hào)處理電路為信號(hào)讀出和處理的集成電路，該信號(hào)處理電路包括全差分SC電荷放大器(2)，一階電容低通濾波器(3)，儀表放大器(4)，偏置電壓、電流產(chǎn)生電路(5)，自測電路(6)以及時(shí)鐘產(chǎn)生電路(7)組成；上述微機(jī)械傳感器(1)的全差分輸出通過電氣接口MEMS-IC接口與其兼容的后續(xù)電路全差分SC電荷放大器(2)的輸入端連接；所述全差分SC電荷放大器(2)的輸出與一階電容低通濾波器SC LPF(3)輸入連接，同時(shí)連接到儀表放大器(4)的輸入；自測電路(6)的輸入、還同時(shí)分別與參考電壓、偏置電流產(chǎn)生電路(5)和儀表放大器(4)的連接點(diǎn)、系統(tǒng)時(shí)鐘產(chǎn)生電路(7)和儀表放大器(4)的連接點(diǎn)連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述電容式微加速度計(jì)，其特征在于，所述微機(jī)械敏感 元件采用全差分式微機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)兩對差動(dòng)電容，敏感元件電氣接口采用高交叉 耦合抑制設(shè)計(jì)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述電容式微加速度計(jì)，其特征在于，所述SC電荷放大 器為信號(hào)處理電路芯片前端電路模塊，采用全差分開關(guān)電容電荷放大器結(jié)構(gòu)，通 過編程調(diào)整放大電容大小，實(shí)現(xiàn)了本級電路的增益可調(diào)功能。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種電容式微加速度計(jì)，其特征在于，所述一階電容 低通濾波器的直流增益通過改變時(shí)鐘頻率調(diào)整其-3dB帶寬，實(shí)現(xiàn)本級電路的帶寬可調(diào)功能。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述電容式微加速度計(jì)，其特征在于，所述儀表放大器電 路采用兩運(yùn)放構(gòu)成儀表放大器，把差分輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端輸出并額外提供兩倍 的直流增益。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述電容式微加速度計(jì)，其特征在于，所述的自測電路通 過編程開關(guān)實(shí)現(xiàn)片載電容的自測功能，用來完成加速度計(jì)系統(tǒng)本身功能的自我標(biāo) 定，提供自測功能。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述電容式微加速度計(jì)，其特征在于，所述參考電壓產(chǎn)生 電路、偏置電流產(chǎn)生電路能夠產(chǎn)生符合加速度計(jì)系統(tǒng)要求的基準(zhǔn)電壓和偏置電 流。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述電容式微加速度計(jì)，其特征在于，所述系統(tǒng)時(shí)鐘產(chǎn)生 電路內(nèi)含片載振蕩器，能夠?qū)崿F(xiàn)片載時(shí)鐘，為加速度計(jì)系統(tǒng)提供各相符合要求的 工作時(shí)序；同時(shí)通過調(diào)整片外偏置電阻的大小，實(shí)現(xiàn)了時(shí)鐘頻率可調(diào)功能。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述電容式微加速度計(jì)，其特征在于，所述系統(tǒng)時(shí)鐘產(chǎn)生電路采用兩相不交迭時(shí)鐘，從而簡化了電路，提高可靠性和穩(wěn)定性。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于MEMS微慣性儀表領(lǐng)域，涉及采用體硅加工微機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和集成電路設(shè)計(jì)的一種電容式微加速度計(jì)。該電容式微加度速計(jì)采用微機(jī)械傳感器和信號(hào)處理電路兩塊芯片分別集成，整體封裝，最終實(shí)現(xiàn)封裝系統(tǒng)內(nèi)結(jié)構(gòu)；本發(fā)明中的微機(jī)械傳感器采取全差分式微機(jī)械結(jié)構(gòu)敏感元件以匹配后續(xù)電路；信號(hào)處理電路包括增益可調(diào)整的全差分開關(guān)電容電荷放大器前端電路模塊、一個(gè)由一階開關(guān)電容低通濾波器與一個(gè)儀表放大器組成的后端級聯(lián)電路模塊及一個(gè)由參考電壓、偏置電流產(chǎn)生電路、自測電路和時(shí)鐘產(chǎn)生電路組成的輔助電路模塊。本發(fā)明系統(tǒng)的兩芯片方案，分別集成，整體封裝，簡化了系統(tǒng)復(fù)雜度，降低了加工成本和難度，提高了性能和成品率。
文檔編號(hào)G01P15/125GK101271125SQ20081010636
公開日2008年9月24日 申請日期2008年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月12日
發(fā)明者萬蔡辛, 劉云峰, 劉民杰, 董景新 申請人:清華大學(xué)