一种基于微机电系统的振动测量IC芯片的制作方法

一种基于微机电系统的振动测量ic芯片
技术领域
1.本技术涉及振动测量技术领域，尤其涉及一种基于微机电系统的振动测量ic芯片。


背景技术：

2.在传统机械结构振动检测、建筑结构振动检测、往复式动力设备振动检测、旋转动力设备振动检测中所采用的振动传感器是基于压电陶瓷的加速度传感器，其工作原理是将一个或多个重量块固定在压电陶瓷表面，重块在外力作用下产生的运动在压电陶瓷表面形成压力，压电陶瓷在外压力作用下产生的应变通过其压电效应转换成电压信号输出，输出的电压信号跟重量块的运动加速度成正比。基于压电陶瓷的加速度传感器的重块、信号放大电路、屏蔽罩等部件都是分散的零部件，而且需要手工装配，因此导致压电陶瓷加速度传感器成本高，体积大。目前最常用的工业用振动检测压电陶瓷加速度传感器采用两线制的iepe 24伏，2-4毫安恒流源供电方式供电，耗电量大。其优点是频响宽，量程大，信噪比高。在目前工业设备在线振动监测应用中仍然占据绝对的优势。
3.近年来出现的基于微机电系统(mems)的加速度传感器具有体积小，集成度高，供电电压低(3.3v直流电)，耗电量小等优点。但是跟传统的压电陶瓷加速度传感器相比较，还存在频响窄，量程小，信噪比低等不足。目前在工业领域中主要用于电机、水泵、通风机和简单的定转速设备的无线振动监测装置。常见的mems加速度传感器有三种类型，1)硅微电容式加速度传感器；2)硅微压阻式加速度传感器；3)硅微热电耦式加速度传感器。
4.硅微电容式加速度传感器是基于电容原理的极距变化型的电容传感器，其中一个电极是固定的，另一变化电极是弹性膜片，弹性膜片在外力作用下发生位移，使电容量发生变化。电容量的变化和弹性膜的位移可以根据传感器内部的结构设计参数关联，而弹性膜的位移则跟弹性膜质量在惯性力作用下的加速度构成一定的数学关系，这就是硅电容式加速度传感器的基本原理。硅微电容式加速度传感器的运动部件和静止部件的空隙是决定电容大小的参数，这个空隙的大小有一定的限制，因而影响了量程。
5.硅微压阻式加速度传感器的原理：半导体单晶硅在受到外力作用时，会产生极微小的应变，其原子结构内部的电子能级状态发生变化，从而导致其电阻率变化，该材料制成的电阻也就出现压阻效应，硅微压阻式加速度传感器依次原理制作。
6.硅微热电耦式加速度传感器式基于热交换原理，介质是气体。在传感器内部，热源处于硅片的中央，硅片悬在空穴中间，在热源的四周均匀分布有热电耦堆(铝/多晶硅)。在没有加速度的情况下，热源的温度梯度均匀分布，对四周的热电耦而言，温度是一样的，输出的电压也是一样的。当加速度不为零时，热传导平衡被打破，四周的热电耦的温度出现差异，输出的电压也将随之改变，热电耦输出的电压差和加速度成正比例。


技术实现要素：

7.本技术所要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述不足，提出一种基于微机
电系统的振动测量ic芯片。
8.本技术提出了一种基于微机电系统的振动测量ic芯片，所述振动测量ic芯片包括封装基板，以及设置在所述封装基板上的传感单元(10)和输出引脚(40)；所述传感单元(10)包括：
9.相对设置的第一表面(11)和第二表面(12)，所述第一表面(11)和所述第二表面(12)均喷涂有磁粉材料，使第一表面(11)和第二表面(12)之间的空间中产生磁场；
10.设置在第一表面(11)和第二表面(12)之间的悬臂梁(13)，所述悬臂梁(13)自由端的端面(13a)上设置有导电材料；
11.封装基板振动时，悬臂梁(13)产生与之对应的振动，使自由端的导电材料能够感应生成包含有封装基板振动信息的电信号。
12.在一些技术方案中，第一表面(11)和所述第二表面(12)均为平坦表面。
13.在一些技术方案中，悬臂梁(13)采用硅片制作，其上制作有信号积分ic(20)，所述信号积分ic(20)与输出引脚(40)电连接；
14.悬臂梁(13)振动时，悬臂梁(13)上的导电材料中产生感应电动势，并输入所述信号积分ic(20)使所述信号积分ic(20)产生输出电压信号至输出引脚(40)。
15.在一些技术方案中，悬臂梁(13)上还制作有信号放大ic(30)；所述信号放大ic(30)连接在导电材料与信号积分ic(20)之间。
16.在一些技术方案中，悬臂梁(13)振动时，悬臂梁(13)上的导电材料中产生感应电动势e(t)为：
17.e(t)＝blc
·a·
ω
·
cos(ωt)；
18.所述输出引脚(40)产生的输出电压信号u(t)为：
19.u(t)＝blc
·a·
sin(ωt)；
20.其中，a为测量加速度，t为时间变量，blc为灵敏度系数，ω为振动参数。
21.在一些技术方案中，电信号所包含的封装基板振动信息包括：振动速度、振动加速度、或振动位移。
22.在一些技术方案中，导电材料为导电涂层或导电薄膜。
23.本技术提出了一种基于电磁感应的微机电加速度传感器将振动信息转换成电信号的硅微磁电式加速度传感器，其优点是频响高、信噪比高，且量程不受现有传感器物理量转换机制的限制。
附图说明
24.图1是本技术实施例中传感单元的结构示意图。
25.图2是本技术实施例中振动测量ic芯片的示意框图。
26.图3是本技术实施例中振动测量ic芯片工作原理的示意图。
具体实施方式
27.以下是本技术的具体实施例并结合附图，对本技术的技术方案作进一步的描述，但本技术并不限于这些实施例。在下面的描述中，提供诸如具体的配置和组件的特定细节仅仅是为了帮助全面理解本技术的实施例。因此，本领域技术人员应该清楚，可以对这里描
述的实施例进行各种改变和修改而不脱离本技术的范围和精神。另外，为了清楚和简洁，省略了对已知功能和构造的描述。
28.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。
29.参考图1至图2，本技术提出了一种基于微机电系统的振动测量ic芯片，所述振动测量ic芯片包括封装基板，以及设置在所述封装基板上的传感单元10和输出引脚40。输出引脚40用于输出测量信号。引脚50用于供电。
30.本技术所提出的振动测量ic芯片基于微机电系统，微机电系统mems是一个独立的智能系统，可大批量生产，其系统尺寸在几毫米乃至更小，其内部结构一般在微米甚至纳米量级。例如，常见的mems产品尺寸一般都在3mm
×
3mm
×
1.5mm，甚至更小。
31.传感单元10包括相对设置的第一表面11和第二表面12、以及设置在第一表面11和第二表面12之间的悬臂梁13。第一表面11和所述第二表面12均喷涂有磁粉材料，使第一表面11和第二表面12之间的空间中产生磁场。参考图1，第一表面11为n极、第二表面12为s极，磁感线p由n极指向s极。在一些实施方式中，第一表面11和所述第二表面12均为平坦表面。
32.悬臂梁13自由端的端面13a上设置有导电材料。在一些实施方式中，导电材料为导电涂层或导电薄膜，采用纳米薄膜喷涂/覆膜制造工艺制作。测量时，振动测量ic芯片安装在被测物体表面，随着被测物体一起振动，而内部的悬臂梁13跟随封装基板做同频振动。封装基板振动时，悬臂梁13产生与之对应的振动，使自由端的导电材料能够感应生成包含有封装基板振动信息的电信号，所述电信号所包含的封装基板振动信息包括：振动速度、振动加速度、或振动位移。此处的电信号用于生成最终输出的测量信号，以供输出引脚40输出。具体地，悬臂梁13振动时，其自由端的导电材料在第一表面11和第二表面12之间的空间中切割磁感线，在内部感应出电动势，且感应电动势的变化与振动相关联，从而能够用于获得振动信息，实现振动信息的测量。
33.参考图2，悬臂梁13采用硅片制作，其上制作有信号积分ic20，所述信号积分ic20与输出引脚40电连接；悬臂梁13振动时，悬臂梁13上的导电材料中产生感应电动势，并输入所述信号积分ic20使所述信号积分ic20产生输出电压信号至输出引脚40。在一些实施方式中，悬臂梁13上还制作有信号放大ic30；所述信号放大ic30连接在导电材料与信号积分ic20之间。
34.进一步地，悬臂梁13振动时，悬臂梁13上的导电材料中产生感应电动势e,对应输出引脚40产生的输出电压信号u(t)为：
35.u(t)＝blc
·a·
sin(ωt)；
36.其中，a为测量加速度，t为时间变量，b是磁感应强度，l是导体长度，ω为振动角频率参数，c为常数。
37.基于以上的测量结构，下面对振动测量ic芯片进行具体说明。
38.参考图3，当一段导体做切割磁力线运动时，其两端的感应电动势∈为：
39.∈＝blv
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
40.其中b是磁感应强度，l是导体长度，v是导体运动速度。式中各参数还可参考图3。
41.当传感器外壳，即封装基板在垂直方向以一个加速度a作频率为ω/2π的简谐振动a*sin(ωt)时，传感器内的微悬臂梁也随之产生对应的简谐振动，其末端的振动速度也是
一个简谐振动v*cos(ωt)。而悬臂梁末端端面喷涂的导体涂层以一个对应的振动速度v*cos(ωt)作切割磁力线运动，从而产生感应电动势∈*sin(ωt)。
42.感应电动势e是加速度a的一个复杂函数，其控制方程是一个均匀质量分布的悬臂梁的受迫振动响应，为高阶偏微分方程。
43.在任意边界条件下的方程式如下：
[0044][0045]
式(2.2)所表示的是一个随着梁轴向(x方向)的外力分布方程式，其中e是硅的弹性模量，i是梁的截面惯性矩，ρ是材料密度，a是梁的横截面面积，w(x,t)是梁的振动位移沿轴向的分布函数，q(x,t)是分布式作用力。当传感器外壳振动时，沿着悬臂梁轴向均匀分布的质量所受到的惯性力a(δm)就是这种分布式的作用力,故：
[0046][0047]
是沿悬臂梁轴向的离散作用力，此处不存在,而因不存在外加力矩，所以也不存在。
[0048]
更新后的(2.2)式为：
[0049]
f(x,t)＝aρlh
·
sin(ωt)l
ꢀꢀꢀ
(2.4)
[0050]
在悬臂梁末端处的导体的受迫振动是一个跟壳体振动频率相同的振动，其运动位移可以表示为：
[0051][0052]
式中的ωn是悬臂梁的第n阶模态的自振角频率，在设计悬臂梁时，需要保证传感器的有效频宽远远低于悬臂梁的所有自振频率，从而保证ωn对传感器输出的影响可以忽略不计。
[0053]
由此可见，当传感器外壳的振动频率远小于悬臂梁的自振频率是，悬臂梁因自身质量所受的惯性力作用下的受迫振动而产生的末端位移可以近似地简化为：
[0054][0055]
式中保留了悬臂梁的3低阶自振频率，更高阶的自振频率的影响可以忽略不计，c为一个常数。
[0056]
速度是位移的1阶导数，故悬臂梁末端的速度可以表达为：
[0057][0058]
由此，由悬臂梁末端导体以速度v(t)切割磁力线而产生的感应电动势可以表达为：
[0059]
∈(t)＝bl
·
v(t)＝blc
·a·
ω
·
cos(ωt)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0060]
将感应电动势信号经过一个积分电路，则积分电路的输出电压信号可以表示为：
[0061][0062]
根据以上推导，当传感器外壳的振动加速度为a
·
sin(ωt)时传感器输出电压为：
[0063]
u(t)＝blc
·a·
sin(ωt)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0064]
式(8)中的常数项blc是传感器的灵敏度系数，可以通过振动台架测试获得。
[0065]
积分电路是很常用的信号处理电路，可以很方便地在传感器的硅微悬臂梁上构造。在对感应电动势信号作积分前，可以增加一个信号放大电路，其作用是对信号做一定的放大(衰减)，同时可以实现低通滤波的作用，将悬臂梁的自振信号过滤掉。该信号放大/低通滤波电路也在硅微悬臂梁上构造。
[0066]
本技术提出了一种基于电磁感应的微机电加速度传感器将振动信息转换成电信号的硅微磁电式加速度传感器，基于电磁感应的硅微电机加速度传感器采用现代纳米薄膜喷涂/覆膜制造工艺、硅微电机制造工艺、和硅集成电路制造工艺，实现了将振动速度、振动加速度、振动位移转换成电信号的硅微磁电式加速度传感器，其优点是频响高、信噪比高(电磁感应的特性)，且量程不受传感器物理量转换机制的限制，比如硅微电容式加速度传感器的运动部件和静止部件的空隙是决定电容大小的参数，这个空隙的大小有一定的限制，因而影响了量程。
[0067]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。
[0068]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0069]
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本技术精神作举例说明。本技术所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本技术的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。