具有低噪声的微机械检测结构及设计方法与流程

1.本发明涉及mems传感器技术领域，具体地说，涉及一种具有低噪声的微机械检测结构及设计方法。


背景技术：

2.平板电容式微机械加速度计是一种应用最为广泛的惯性测量装置，该检测装置主要由微机械检测结构和信号调理电路组成。其中，微机械检测结构实现了加速度信号到响应位移信号的转换，信号调理电路将位移信号转换为电信号，并对电信号进行处理和输出。
3.相比于传统的加速度计，平板电容加速度计具有较大初始电容，能够获得较高检测灵敏度，并且由于其采用mems微机械加工工艺，具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、集成度高等优点，被广泛的应用于消费电子、汽车电子、通用航空、车辆控制等领域。
4.信号噪声是影响加速度计应用的关键因素之一，信号噪声过大会降低传感器的检测精度和信噪比，影响其整体性能。随着应用需求的增加，加速度计朝着低噪声、高精度的方向发展，因此必须运用有效的方法来降低信号噪声，提升检测精度。
5.信号噪声主要来源于电路噪声和敏感结构机械布朗噪声，其中电路噪声可以通过低噪声信号调理电路进行优化处理，而机械布朗噪声是传感器的本底噪声，来源于气体分子的布朗运动对加速度计的阻尼作用，无法通过提高传感器的灵敏度或电路信号处理的方法来降低，因此要降低加速度计的信号噪声，关键在于降低敏感结构的机械布朗噪声。
6.为了降低机械布朗噪声，现有技术通常采用真空封装方法来减小空气对加速度计的阻尼作用，但对于微型器件的真空封装，其工艺复杂、成本高。并且，真空封装难以长时间维持恒定的真空度，导致传感器性能随着使用时间的增加而发生漂移，使得传感器的可靠性降低，研究和发展降低加速度计机械布朗噪声的低成本、高可靠性方法具有重要意义。
7.因此，本发明提供了一种具有低噪声的微机械检测结构及设计方法。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有低噪声的微机械检测结构及设计方法，意在通过工艺技术，有效降低加速度计的信号噪声，提升传感器的整体性能。
9.为解决上述现有技术的问题，本发明提供了一种具有低噪声的微机械检测结构设计方法，所述方法包含以下步骤：
10.步骤一：分别确定影响微机械检测结构的机械布朗噪声以及灵敏度的影响参数；
11.步骤二：以减少机械布朗噪声，保证灵敏度不变或增加为原则，从所述影响参数中选择需要进行改变的改变参数以及针对所述改变参数的改变策略；
12.步骤三：考虑不同加工工艺的影响，在进行微机械检测结构加工时依据所述改变策略进行加工工艺改进。
13.根据本发明的一个实施例，通过以下公式确定微机械检测结构的机械布朗噪声：
[0014][0015]
其中，a
noise
表示机械布朗噪声，kb表示玻尔兹曼常数，t表示绝对温度，c表示阻尼系数，m表示敏感结构质量，rc表示敏感结构质心距离转轴位置。
[0016]
根据本发明的一个实施例，通过以下公式确定微机械检测结构的灵敏度：
[0017][0018]
其中，s表示灵敏度，c0表示初始电容值，s1表示电极距转轴距离，s2表示电极宽度，d表示平板电容间隙，m表示敏感结构质量，k表示结构刚度，rc表示敏感结构质心距离转轴位置。
[0019]
根据本发明的一个实施例，所述步骤一中具体包含以下步骤：
[0020]
依据微机械检测结构的机械布朗噪声计算表达式，确定阻尼系数、敏感结构质量以及敏感结构质心距离转轴位置作为影响机械布朗噪声的影响参数；
[0021]
依据微机械检测结构的灵敏度计算表达式，确定所述敏感结构质心距离转轴位置作为影响灵敏度的影响参数。
[0022]
根据本发明的一个实施例，所述步骤二中具体包含以下步骤：
[0023]
选择所述敏感结构质心距离转轴位置作为所述改变参数；
[0024]
增大所述敏感结构质心距离转轴位置作为所述改变策略。
[0025]
根据本发明的一个实施例，所述步骤三中具体包含以下步骤：
[0026]
对于体硅加工工艺，在进行微机械检测结构加工时不需要在偏心质量块上加工阻尼孔，仅需要在包含左右电极的对称质量块上加工第一尺寸等级的阻尼孔。
[0027]
根据本发明的一个实施例，所述步骤三中具体包含以下步骤：
[0028]
对于表面加工工艺，在进行微机械检测结构加工时需要在偏心质量块上加工第二尺寸等级的阻尼孔，在包含左右电极的对称质量块上加工第三尺寸等级的阻尼孔。
[0029]
根据本发明的一个实施例，所述第二尺寸等级的阻尼孔小于所述第三尺寸等级的阻尼孔。
[0030]
根据本发明的一个实施例，所述步骤三中具体包含以下步骤：
[0031]
在不同的加工工艺条件下，对于偏心质量上的阻尼孔，最小尺寸设计原则为能保证敏感结构下的氧化层被完全释放。
[0032]
在不同的加工工艺条件下，对于对称质量块上的阻尼孔，最大尺寸设计原则为不影响结构整体强度且不影响初始电容值。
[0033]
根据本发明的另一个方面，还提供了一种具有低噪声的微机械检测结构，其特征在于，通过如上任一项所述的方法设计得到。
[0034]
本发明提供的具有低噪声的微机械检测结构及设计方法能够在常压下进行圆片封装，避免了真空封装的复杂性和高成本，提高了器件的可靠性。此外，能够在保证灵敏度等重要指标不变的前提下，大幅降低加速度计的机械布朗噪声，提升传感器的整体性能。
[0035]
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
[0036]
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0037]
图1显示了根据本发明的一个实施例的具有低噪声的微机械检测结构设计方法流程图；
[0038]
图2显示了根据本发明的一个实施例的确定改变参数以及改变策略的方法流程图；
[0039]
图3显示了现有技术中的z轴检测结构示意图；以及
[0040]
图4显示了根据本发明的一个实施例的z轴检测结构示意图。
具体实施方式
[0041]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明实施例作进一步地详细说明。
[0042]
图1显示了根据本发明的一个实施例的具有低噪声的微机械检测结构设计方法流程图。
[0043]
如图1，在步骤s101中，分别确定影响微机械检测结构的机械布朗噪声以及灵敏度的影响参数。
[0044]
如图1，在步骤s102中，以减少机械布朗噪声，保证灵敏度不变或增加为原则，从影响参数中选择需要进行改变的改变参数以及针对改变参数的改变策略。
[0045]
如图1，在步骤s103中，考虑不同加工工艺的影响，在进行微机械检测结构加工时依据改变策略进行加工工艺改进。
[0046]
本技术的目的是提出一种具有低噪声的微机械检测结构，因此，需要考虑影响机械布朗噪声的影响因素。
[0047]
在一个实施例中，对于z轴平板电容式加速度计，通常采用“跷跷板”结构形式，该结构形式简单，加工方便。对于“跷跷板”式加速度计，通过以下公式确定微机械检测结构的机械布朗噪声：
[0048][0049]
其中，a
noise
表示机械布朗噪声，kb表示玻尔兹曼常数，t表示绝对温度，c表示阻尼系数，m表示敏感结构质量，rc表示敏感结构质心距离转轴位置。
[0050]
通过公式(1)可知，决定机械布朗噪声大小的因素包含玻尔兹曼常数kb，绝对温度t，阻尼系数c，敏感结构质量m，敏感结构质心距离转轴位置rc。在常温常压下，玻尔兹曼常数kb以及绝对温度t均为常量。
[0051]
因此，要减小机械布朗噪声，可以减小结构阻尼c、增大敏感结构质量m或者增大敏感结构质心距离转轴位置rc。但是，增大敏感结构质量m会使得结构面积增大，导致结构阻尼c增大，所以，降低机械布朗噪声最有效的办法是增大敏感结构质心距离转轴位置rc。
[0052]
灵敏度是评价加速度计性能最重要的指标之一，在一个实施例中，对于“跷跷板”式z轴加速度计，通过以下公式确定微机械检测结构的灵敏度：
[0053][0054]
其中，s表示灵敏度，c0表示初始电容值，s1表示电极距转轴距离，s2表示电极宽度，d表示平板电容间隙，m表示敏感结构质量，k表示结构刚度，rc表示敏感结构质心距离转轴位置。
[0055]
在公式(2)中，初始电容值c0、电极距转轴距离s1、电极宽度s2以及结构刚度k由设计决定，平板电容间隙d由加工工艺决定，在保持其他参数不变的情况下，可以通过增大敏感结构质量m以及敏感结构质心距离转轴位置rc来提高灵敏度。
[0056]
对比公式(1)和(2)可以可知，通过增大敏感结构质心距离转轴位置rc，能够在保证灵敏度不变的前提下，有效减小机械布朗噪声。
[0057]
在步骤s103中，还包含：对于体硅加工工艺，在进行微机械检测结构加工时不需要在偏心质量块上加工阻尼孔，仅需要在包含左右电极的对称质量块上加工第一尺寸等级的阻尼孔。
[0058]
在步骤s103中，还包含：对于表面加工工艺，在进行微机械检测结构加工时需要在偏心质量块上加工第二尺寸等级的阻尼孔，在包含左右电极的对称质量块上加工第三尺寸等级的阻尼孔。
[0059]
具体来说，第二尺寸等级的阻尼孔小于第三尺寸等级的阻尼孔。
[0060]
在步骤s103中，还包含：在不同的加工工艺条件下，对于偏心质量上的阻尼孔，最小尺寸设计原则为能保证敏感结构下的氧化层被完全释放。
[0061]
在步骤s103中，还包含：在不同的加工工艺条件下，对于对称质量块上的阻尼孔，最大尺寸设计原则为不影响结构整体强度且不影响初始电容值。虽然，较大的阻尼孔会对初始电容c0值造成一定影响，但阻尼孔周边的电容边缘效应会对电容进行补偿，此外，在设计时也可以预先对初始电容c0值进行补偿。
[0062]
通过加工不同尺寸的阻尼孔，敏感结构质量m会略微减小，但敏感结构质心距离转轴位置rc会大幅增加，敏感结构质量m与敏感结构质心距离转轴位置rc的乘积也会显著增大。
[0063]
并且，由于阻尼孔的制作，气体分子对加速度计的阻尼作用会显著降低，阻尼系数c会大幅减小。由公式(1)和(2)可知，通过对上述参数的调整，加速度计的机械布朗噪声a
noise
会显著减小，灵敏度s还能得到进一步的提升优化。
[0064]
综上，本发明通过在加速度计敏感结构上加工尺寸不同的阻尼孔来调整结构参数，能够在保证灵敏度等主要性能参数不变的前提下，显著降低加速度计的机械布朗噪声，提升传感器的整体性能。
[0065]
此外，根据设计方法设计得到的微机械检测结构能在常压下进行圆片封装，避免了真空封装的复杂性和高成本，提高了器件的可靠性，具有原理简单、加工方便、低成本、可靠性高等优点。
[0066]
图2显示了根据本发明的一个实施例的确定改变参数以及改变策略的方法流程图。
[0067]
如图2所示，在步骤s201中，依据微机械检测结构的机械布朗噪声计算表达式，确定阻尼系数、敏感结构质量以及敏感结构质心距离转轴位置作为影响机械布朗噪声的影响
参数。
[0068]
具体来说，通过公式(1)可知，阻尼系数c、敏感结构质量m以及敏感结构质心距离转轴位置rc能够影响机械布朗噪声的大小。减小结构阻尼c、增大敏感结构质量m或增大敏感结构质心距离转轴位置rc能够减小机械布朗噪声。
[0069]
如图2所示，在步骤s202中，依据微机械检测结构的灵敏度计算表达式，确定敏感结构质心距离转轴位置作为影响灵敏度的影响参数。
[0070]
具体来说，通过公式(2)可知，敏感结构质量m以及敏感结构质心距离转轴位置rc能够影响灵敏度的大小。增大敏感结构质量m以及敏感结构质心距离转轴位置rc能够提高灵敏度。
[0071]
如图2所示，在步骤s203中，选择敏感结构质心距离转轴位置作为改变参数。
[0072]
如图2所示，在步骤s204中，增大敏感结构质心距离转轴位置作为改变策略。
[0073]
具体来说，结合公式(1)以及公式(2)可知，以减少机械布朗噪声，保证灵敏度不变或增加为原则，选择敏感结构质心距离转轴位置作为改变参数，增大敏感结构质心距离转轴位置作为改变策略。
[0074]
图3显示了现有技术中的z轴检测结构示意图。
[0075]
如图3所示，现有技术中的z轴检测结构具备偏心质量块部分以及对称质量块部分，整个z轴检测结构的质心位于对称质量块区域内，对称质量块左右分别排布有电极1以及电极2。
[0076]
现有技术中的z轴检测结构机械布朗噪声较大，会降低传感器的检测精度和信噪比，影响其整体性能。
[0077]
图4显示了根据本发明的一个实施例的z轴检测结构示意图。
[0078]
如图4所示，本技术提出的z轴检测结构(具有低噪声的微机械检测结构)具备偏心质量块部分以及对称质量块部分，整个z轴检测结构的质心位于偏心质量块区域内，对称质量块左右分别排布有电极1以及电极2。在偏心质量块以及对称质量块均上加工有阻尼孔，偏心质量块上的阻尼孔小于对称质量块上的阻尼孔。
[0079]
如图4，本发明提出的z轴检测结构在敏感结构的不同位置上加工尺寸不同的阻尼孔，使得敏感结构质心距离转轴位置增大，在阻尼孔的综合影响下，气体分子对敏感结构的阻尼作用显著降低，通过对上述参数的调整，能够在保证灵敏度等主要性能参数不变的前提下，显著降低加速度计的机械布朗噪声。
[0080]
本发明还提供一种具有低噪声的微机械检测结构，其通过如上任一项所述的方法设计得到(如图4)。
[0081]
综上，本发明提供的具有低噪声的微机械检测结构及设计方法能够在常压下进行圆片封装，避免了真空封装的复杂性和高成本，提高了器件的可靠性。此外，能够在保证灵敏度等重要指标不变的前提下，大幅降低加速度计的机械布朗噪声，提升传感器的整体性能。
[0082]
应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。
[0083]
说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构
或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。
[0084]
虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。