专利名称：力反馈式真空微电子加速度传感器的制作方法
技术领域：
本发明属于加速度传感器技术领域，特别涉及一种力反馈式集成真空微电子加速度传感器。
背景技术：
现有技术中的加速度传感器种类很多，由力平衡叉指式电容式、扭摆式电容式、悬臂梁电容式、隧道击穿式、压阻式、压电式等各种结构和原理的加速度传感器。压阻式加速度传感器的特点是加工工艺简单、线性度好，但温度效应严重、工作状态不稳定、灵敏度较低；电容式加速度传感器的特点是温度效应小、灵敏度相对较高、噪声特性好、漂移低、功耗低，但小电容测试方法复杂、受分布电容和电磁干扰的影响；隧道式加速度传感器的特点是高灵敏度、电流检测，抗干扰能力很强、温度效应小、线性度高，但加工难度大，成品率不高，低频噪声高。以上各种加速度传感器很难同时满足抗辐射、高灵敏、高分辨率等要求。所以，研究高灵敏、高分辨率、高过载能力、抗恶劣环境等高性能的新型集成化微型加速度传感器一直是世界各国研究的热点。

发明内容
本发明的目的是提供一种抗辐射、高灵敏、高分辨率、带闭环控制的力反馈式集成真空微电子加速度传感器。
本发明通过以下技术方案加以实现力反馈式真空微电子加速度传感器，主要由动极板、阳极板、衬底、真空微腔和信号处理电路组成，阳极板、动极板及衬底键合在一起，在动极板中央形成真空微腔。其中动极板具有阴极基板，阴极基板通过悬臂梁将质量块支撑在中央，质量块上有阴极锥尖阵列、反馈电极I，悬臂梁上有反馈电极引线I，阴极基板上有阴极引线I。反馈电极I与反馈电极引线I相连通，并与质量块、悬臂梁、阴极基板之间用绝缘层隔离。锥尖阵列通过质量块、悬臂梁、阴极基板与阴极引线相连接。阳极板具有阳极基板，阳极基板上有与阴极锥尖阵列相对设置的阳极电流收集区，形成工作电极对，与反馈电极I相对设有反馈电极II，形成反馈电极对，并分别引出阳极引线和反馈电极引线II；有反馈电极引线III、阴极引线II分别与动极板上的反馈电极引线I、阴极引线相对应。阳极板的反馈电极引线III、阴极引线II分别与动极板上的反馈电极引线I、阴极引线键合在一起。反馈电极I通过反馈引线I、反馈引线III接地；反馈电极II通过反馈电极引线II接进反馈电路。锥尖阵列通过质量块、悬臂梁、阴极基板、阴极引线、阴极引线II接进电流-电压转换电路；阳极电流收集区经过阳极引线接进电流-电压转换电路。
力反馈式集成真空微电子加速度传感器的工作原理是，在反馈电极对之间施加一定的控制电压，反馈电极之间将产生静电力，使质量块向阳极板产生偏移；在反馈电极对之间的静电力及悬臂梁的弹力作用下，质量块在偏离中心位置处达到平衡。当在阴极锥尖阵列与阳极电流收集区之间施加一定的电压，在阴极锥尖阵列处将产生一定的场强，当场强达到足够大时，阴极锥尖表面的电子将在场强的作用下溢出表面，并在场强作用下“渡越”到阳极电流收集区，从而形成场致发射电流。在阴极锥尖阵列与阳极电流收集区之间施加恒定的电压时，就可以形成稳定的场致发射电流。
下面按加速度的方向分两种情况进行说明。当传感器在向上的加速度作用时，悬臂梁发生弯曲引起质量块产生向上的位移，导致阴极锥尖阵列与阳极电流收集区之间的距离减小，增大了锥尖阵列附近的场强，进而引起场致发射电流增大，此电流经I-V转换电路转化为电压信号后，与信号处理电路提供的参考电压进行比较(差分放大器)，由于电压信号大于参考电压，则输出的误差信号err为负，误差信号经输出放大和滤波后，与外部提供的控制电压合成，并施加到反馈电极上，此电压小于开始时施加的控制电压。反馈电极上的电压减小，二者之间的静电力也相应减小，质量块在悬臂梁的弹力作用下向下偏移，如此往复并达到平衡。
反之，当传感器受到受到向下的加速度时，质量块将向下偏移，场致发射电流减小，差分放大器输出的误差信号为正，经输出放大和滤波后与控制电压叠加，并施加在反馈电极上。反馈电极上的电压的增大使二者之间的静电力增大，质量块在静电力的作用下向上偏移，如此往复达到平衡。
加速度的大小可以通过检测反馈电压来获得。参考电压选取的依据是，参考电压等于传感器不受加速度作用时的输出电压信号。
本发明的优点是1、该加速度传感器的工作依靠冷阴极发射，工作“媒质”是真空，电子在“真空”中渡越，辐照和高低温对其没有影响，因而不会象半导体那样易受温度或辐照等影响致使器件性能变坏。
2、电子在真空中传输，真空中的电子速度比Si中的电子速度要快100倍，比速度最快的现代半导体材料(Gdh，Inp)还要快20倍，因而其响应速度快。
3、由于采用场发射原理，器件不需要预热，功率低。
4、由于采用反馈工作方式，质量块的偏移很小，可以降低横向灵敏度的影响；同时极板间的距离也可以做得很小，这样可以提高阴极锥尖阵列处的电场强度，增加场致发射电流，大幅度提高传感器的灵敏度和分辨率，改善传感器的线性度和稳定性。
因此，本发明是一种抗辐射、温度稳定性好、快响应、高灵敏、高分辨率的集成真空微电子加速度传感器，具有极为广泛的用途。


图1是本传感器的截面图(不含信号处理电路部分)；图2是本传感器的动极板顶视图；图3是本传感器的阳极板顶视图；图4是本传感器的爆炸视图；图5是本传感器包含信号处理电路部分的电路图。
具体实施例方式
以下结合附图对本发明的技术方案中进一步说明图中1为阴极基板、2为四个悬臂梁、3为质量块、4为阴极锥尖阵列、5为反馈电极I、6为真空微腔、7为衬底、8为反馈电极引线I、9为阳极基板、10为阳极电流收集区、11为反馈电极II、12为阳极引线、13为反馈电极引线II、14为阴极引线1、15为阴极引线II、16为反馈引线III、17为电流-电压转换电路、18为比较器、19为输出放大与滤波电路、20为反馈电路。
结合图1、图2和图3，力反馈式真空微电子加速度传感器，主要包括动极板、阳极板、衬底7、真空微腔6和信号处理电路。阳极板、动极板及衬底7键合在一起，在动极板中央形成真空微腔6。动极板具有阴极基板1，阴极基板1通过四根悬臂梁2将质量块3支撑在真空微腔6中央，质量块3上分布有阴极锥尖阵列4，阴极锥尖阵列4上覆盖有金刚石薄膜。悬臂梁上有反馈电极引线I5，阴极基板上有阴极引线I14。反馈电极I与反馈电极引线I相连通，并与质量块3、悬臂梁2、阴极基板1之间用绝缘层隔离。锥尖阵列4通过质量块3、悬臂梁2、阴极基板1与阴极引线相连接。阳极板具有阳极基板9，阳极基板9上有与阴极锥尖阵列4相对设置的阳极电流收集区10，它们形成工作电极对。还有与反馈电极I5相对设置反馈电极II11，它们形成反馈电极对。并分别引出阳极引线12和反馈电极引线II11；有反馈电极引线III16、阴极引线II15分别与动极板上的反馈电极引线I8、阴极引线14相对应。阴阳极板键合后，阳极板的反馈电极引线III16、阴极引线II15分别与动极板上的反馈电极引线I8、阴极引线14键合在一起。反馈电极I5通过反馈引线I8、反馈引线III16接地；反馈电极II11通过反馈电极引线II13接进反馈电路20。锥尖阵列4通过质量块3、悬臂梁2、阴极基板1、阴极引线、阴极引线II接进电流-电压转换电路17；阳极电流收集区经过阳极引线接工作电压。
设置反馈电极引线III16和阴极引线II15的目的是为了将动极板上的反馈引线I8和阴极引线14引到阳极板，以便于将传感器的信号引出。
信号处理电路参见图4，电流信号由动极板的反馈电极I5获得，进入由电流-电压转换电路17，经转换成电压信号，进入比较器18和比较放大与滤波电路19，最后经反馈电路20将电压施加到反馈电极II11上。
权利要求
1.力反馈式真空微电子加速度传感器，其特征在于主要由动极板、阳极板、衬底、真空微腔和信号处理电路组成，阳极板、动极板及衬底键合在一起，在动极板中央形成真空微腔(6)；其中动极板具有阴极基板(1)，阴极基板(1)通过悬臂梁(2)将质量块(3)支撑在中央，质量块上有阴极锥尖阵列(4)、反馈电极I(5)、反馈电极引线I(8)、阴极引线I(14)；阳极板具有阳极基板(9)，阳极基板(9)上有与阴极锥尖阵列(4)相对设置的阳极电流收集区(10)，形成工作电极对，与反馈电极I(5)相对设有反馈电极II(11)，形成反馈电极对，并分别引出阳极引线(12)和反馈电极引线II(13)；另有反馈电极引线III(16)、阴极引线II(15)分别与动极板上的反馈电极引线I(8)、阴极引线I(14)相对应，阴阳极板键合后，阳极板的反馈电极引线III(16)、阴极引线II(15)分别与动极板上的反馈电极引线I(8)、阴极引线I(14)键合在一起，反馈电极I(5)通过反馈电极引线I(8)、反馈电极引线III(16)接地；反馈电极II(11)通过反馈电极引线II(13)接进反馈电路20，锥尖阵列(4)通过质量块(3)、悬臂梁(2)、阴极基板(1)、阴极引线I(8)、阴极引线II((15)接进电流-电压转换电路(17)；阳极电流收集区(10)经过阳极引线接工作电压。
2.根据权利要求1所述的力反馈式真空微电子加速度传感器，其特征在于阴极锥尖阵列(4)上覆盖有金刚石薄膜。
3.根据权利要求1或2所述的力反馈式真空微电子加速度传感器，其特征在于信号处理电路由电路-电压转换电路(17)、比较器(18)、比较放大与滤波电路(19)及反馈电路(20)依次线路连接而构成。
全文摘要
力反馈式真空微电子加速度传感器，主要由动极板、阳极板、衬底、真空微腔和信号处理电路组成，阳极板、动极板及衬底键合在一起，在动极板中央形成真空微腔。其中动极板的阴极基板通过悬臂梁将质量块支撑在中央，质量块上有阴极锥尖阵列、反馈电极I，悬臂梁上有反馈电极引线I，阴极基板上有阴极引线I。阳极板具有阳极基板，阳极基板上有与阴极锥尖阵列相对设置的阳极电流收集区，形成工作电极对，与反馈电极I相对设有反馈电极II，形成反馈电极对，并分别引出阳极引线和反馈电极引线II。本发明具有抗辐射、灵敏度高、分辨率高、带闭环控制等优点。
文档编号G01P15/00GK1544950SQ20031011104
公开日2004年11月10日 申请日期2003年11月27日 优先权日2003年11月27日
发明者温志渝, 温中泉, 潘银松 申请人:重庆大学