专利名称：基于三相电容的感测的制作方法
基于三相电容的感测
背景技术：
采用电容微机电系统(MEMQ感测位置和加速度可能由于顺从部件(compliant components)的不必要的运动以及这样的部件的有限的运动范围的原因而缺乏灵敏度和精确度。此外，传感器的动态范围(即，最大信号与最小信号的比值)可能受到用于将电容变化转换成位置或加速度的方法的限制。
参考下述附图本发明的很多方面能够得到更透彻的理解。附图中的部件未必是按比例绘制的，相反，附图的重点在于清晰地表现出本发明的原理。此外，在附图中，各个图采用类似的附图标记表示对应部分。图1是根据本发明实施例的传感器的示意图；图2是根据本发明实施例的图1所示的传感器中所采用的电极阵列的图示；图3是根据本发明实施例的图1所示的传感器中的对应电极之间的电气耦合的示意图；图4是示出了根据本发明实施例的图1所示的传感器中的第一和第二电极阵列之间的交叉电容的等效电路的示意图；图5是根据本发明实施例的被具体化为生成解调输出电压的图1所示的传感器的示意图；图6和图7是根据本发明的实施例的图5所示的解调输出电压中的变化的图解表示；图8是根据本发明的实施例的包括用于以解调输出电压为基础的反馈的控制器的图5所示的传感器的示意图；图9示出了根据本发明实施例的图8所示的控制器的示范性实施例的操作；图10是根据本发明实施例的图8所示的传感器的示范性实施例的示意图；图11示出了根据本发明实施例的图9所示的控制器所采用的示范性32位位置字；以及图12是示出了根据本发明的实施例的用于确定图8所示的传感器的第二电极阵列相对于第一电极阵列的位移的方法的流程图。
具体实施例方式参考图1，其示出了根据本发明实施例的传感器100。例如，可以采用传感器100检测加速度，将对此予以说明。传感器100包括三个层或“晶圆”。具体而言，传感器100包括电子装置晶圆103、检测质量(proof mass)晶圆106和帽盖晶圆109。CMOS电子装置113 位于电子装置晶圆100中，CMOS电子装置113可以电气耦合至检测质量晶圆106和帽盖晶圆109中的各种电气部件。而且，CMOS电子装置113可以提供用于耦合至传感器100外的电子部件的输出端子，这一点是可以意识到的。对于某些应用而言，CMOS电子装置113内产生的热可能是无法接受的，在这种情况下所述CMOS电子装置可以位于分离但接近的电子装置管芯等内。检测质量晶圆106包括机械耦合到检测质量块119的支座116。尽管示出了传感器100的截面图，但是根据一个实施例，作为检测质量晶圆106的部分的支座116仍然围绕所述检测质量块119。因此，在一个实施例中，电子装置晶圆103、支座116和帽盖晶圆109 形成了使检测质量块119悬置于其内的腔室。根据本发明的各实施例，电子装置晶圆103、支座116和帽盖晶圆109—起提供了支撑结构，检测质量块119通过顺从耦合附着至所述支撑结构。就此而言顺从耦合可以包括高展弦比的挠曲悬置元件123。所述高展弦比挠曲悬置元件123可以是在(例如)2005 年4月19日授权的发明名称为“Moveable Micro-Electromechanical Device”的美国专利No. 6882019中讨论的元件。传感器100还包括设置在检测质量块119上的第一电极阵列126。在一个实施例中，第一电极阵列126位于检测质量块119的与电子装置晶圆103的上表面相对的表面上。 检测质量块119的在其上设置了第一电极阵列126的表面是基本平坦的表面，这一点是可以意识到的。第二电极阵列1 设置在电子装置晶圆103的朝向与设置在检测质量块119上的第一电极阵列126相反的表面上。由于检测质量块1 悬置于电子装置晶圆103之上的方式的原因，在第一电极阵列1 和第二电极阵列1 之间形成了基本均勻的缝隙133。缝隙 133的尺寸由距离d表示。例如，距离d可以包括1到3微米之间的任何值，或者其可以是任何其他的被认为适当的距离。检测质量块119以使得第一电极阵列1 和第二电极阵列1 基本落在相互平行的平面内的方式悬置于电子装置晶圆103之上，使得缝隙133沿着第一和第二电极阵列126 和139之间的整个重叠区域都是基本均勻的。或者，如果认为适当，可以将电极阵列126、 129放置到电子装置晶圆103或检测质量块119的其他表面或结构上。所述高展弦比挠曲悬置元件123提供了一定程度的顺从性，其允许检测质量块 119相对于传感器100的支撑结构移动。由于挠曲悬置元件123的设计的原因，检测质量块 119从定位位置发生的位移基本局限于与设置在电子装置晶圆103的上表面上的第二电极阵列1 基本平行的方向。挠曲悬置元件123被配置为允许检测质量块119沿平行于第二电极阵列1 的方向发生预定量的移动，从而使缝隙133随着整个运动过程最大可能程度地保持基本均勻。挠曲悬置元件123的设计实现了检测质量块119沿与第二电极阵列1 正交的方向具有最低的运动量，同时允许沿平行于第二电极阵列1 的方向具有预期的运动量。接下来，将提供传感器100在(例如)加速度感测方面的操作的简要讨论。具体而言，将传感器100固定到经历着希望定量测量的加速度的结构或交通工具上。将传感器 100固定到所述结构或交通工具上，从而使得加速度的方向与上文讨论的由挠曲悬置元件 123提供的允许检测质量块119移动的方向保持一致。一旦所述结构或交通工具经历加速度，检测质量块119就将如上文所述发生移动。由于将第一电极阵列1 和第二电极阵列 129设置到检测质量块119和电子装置晶圆103上的原因，第一和第二电极阵列1 和1 之间的一个或多个电容于是将随着所述阵列相对于彼此的移位而发生变化。
5
可以采用CMOS电子装置113和/或外部电子装置检测或感测电极阵列1 和1 之间的电容的变化的程度。这样的电路能够基于所述的电容变化生成适当的与传感器100 经历的加速度成比例的信号。或者，可以采用闭合回路使检测质量块119在加速过程中保持在预定位置上。这样的电路包括基于来自第一和第二电极阵列1 和129的位置反馈施加激励信号从而使检测质量块119停留在预定位置上的闭环，将对此予以说明。尽管检测质量块119的运动基本限制在与第二电极阵列1 基本平行的平面内， 但是如果给定挠曲悬置元件123实质上是顺从性的，那么检测质量块119有可能沿与第二电极阵列129正交的方向经历相对于第二电极阵列129的位移。换言之，检测质量块119 可能发生不希望出现的移动，从而导致缝隙133的不符合要求的变化。对于文中描述的方法而言，对平面内运动的准确的电容性感测基本不受不希望出现的改变缝隙133的平面外运动的影响。接下来，参考图2，其示出了根据本发明实施例的相应的第一和第二电极阵列1 和129的图示。如图所示，实际存在多个第一电极阵列1 和多个第二电极阵列129。例如，在所示的构造中，可以有四对第一和第二电极阵列1 和129。假定第一和第二电极阵列1 和1 具有如图2所示的取向，可以沿与第二电极阵列1 平行的平面内的两个维度感测检测质量块119的移动。因此，在一个实施例中，将挠曲悬置元件123配置为允许检测质量块119沿两个维度移动。或者，可以将挠曲悬置元件配置成允许单一维度内的移动， 其中，所述第一和第二电极阵列1 和1 位于单一取向内，从而感测这样的单维移动。每一个体电极阵列包括多个电极。具体而言，第一电极阵列1 每者由多个第一电极143构成，第二电极阵列129由多个第二电极146构成。对于第一电极阵列126中的每者而言，存在对应的第二电极阵列129。每一第一电极阵列1 的尺寸小于对应的第二电极阵列129，由此对第一电极阵列1 是可移动的这一事实做出解释。因此，即使第一电极阵列1 相对于相应的第二电极阵列1 移动，也总是贯穿检测质量块119的整个运动范围在对应的第一和第二电极阵列对1 之间存在基本相似的重叠。第一和第二电极143和146中的每者包括彼此相邻设置的矩形导体。将相应的电极阵列的电极143和146中的每者中的公共点之间的距离称为电极阵列的“间距”。尽管将电极143和146示为矩形导体，但是应当理解可以结合文中描述的原理根据预期采用其他形状和尺寸的导体。而且，可以按照图示的矩形阵列以外的构造设置电极。例如，可以将电极设置到圆形阵列内，以供角加速度和位移的检测，这一点是能够认识到的。之后，参考图3，其示出了第一和第二电极阵列1 和129的部分的侧视图。此夕卜， 其还示出了相应的电极阵列1 和129中的相应的电极143和146之间的电气连接。考虑到所述电气连接，第一电极阵列126包括多个由电极143构成的第一图案153。每一图案 153包括电极143中的两个。每一图案153内的每一电极143与其他图案153中的在其相应的图案143中占据相同位置的其他电极143相对应。也就是说，当第一个第一图案153 内的第一个电极143和第二个第一图案153中的第二个电极143 二者在其相应的图案153 内占据相同的位置时，第一个第一图案153内的第一个电极143对应于第二个第一图案153 中的第二个电极143。每一图案153中的对应电极143相互电气耦合。而且，第一图案153 在第一电极阵列126内相对于彼此交错(interdigitated)。第二电极阵列1 包括多个由电极146构成的第二图案156。每一第二图案156包括至少三个第二电极146。每一图案156内的每一电极146与其他图案156中的在其相应的图案146中占据相同位置的其他电极146相对应。也就是说，当第一个第二图案156 内的第一个电极146和第二个第二图案156中的第二个电极146 二者在其相应的图案156 内占据相同的位置时，第一个第二图案156内的第一个电极146对应于第二个第二图案156 中的第二个电极146。第二图案156在第二电极阵列129内交错。每一第二图案156内的对应的第二电极146共同耦合。每一电极143和146在第一和第二电极阵列1 和129内均勻隔开。就此而言， 第一电极阵列126具有间距P1，其中，间距P1是第一电极阵列126内的指定电极上的点和下一相邻电极上的相同点之间的距离。类似地，第二电极阵列1 具有间距P2。在传感器 100的一个实施例的背景下，第一和第二电极阵列1 和1 具有组长度L，其中，L = 2Pi
—3Ρ2 ο根据本发明实施例，指定第一和第二电极阵列1 和129的间距Pi*P2，从而使第一电极阵列126的间距P1与第二电极阵列129的间距P2的比值基本等于1. 5。第一电极阵列1 的共同耦合的电极143要么形成第一相位θ a，要么形成第二相位9b。类似地，如图所示，共同耦合的电极146形成了相位ΘΑ、θ。。通过这一构造产生了第二电极阵列129的间隔120度的相位。接下来参考图4，其示出了说明第一电极阵列1 和第二电极阵列1 之间交叉电容的等效电路，所述交叉电容是第一电极阵列126相对于第二电极阵列129的位移δ的函数。尽管未示出，但是应当理解可能存在在图4的示意图中没有考虑的与第一和第二电极阵列1 和1 相关的包括寄生电容在内的恒定和可变电容。尽管图4所示的电容随着两个电极阵列126和129的相对位置发生变化，但是应当理解未示出的寄生电容可能不会经历显著的变化，或者可能是恒定的。接下来参考图5，其示出了三相传感器200的示意图，其提供了根据本发明的实施例的传感器100(图1)的一个例子。三相传感器200包括举出单个图案153作为例子(图 3)的第一电极阵列126(示出了两个电极)。此外，三相传感器200还包括举出单个图案 156(图3)作为例子的第二电极阵列129(示出了三个电极)。传感器200包括用于提供电压VA、VB和\的波形发生器210，所述电压是施加至第二电极阵列1 的共同耦合电极146 的正弦电压。在一个实施例中，电压VA、VjP Ve是单个参考电压Va。sin (on)的刻度表示， 其中，ω是角激励频率Qjifc)。将AC电压源Va。Sin(on)的频率指定为显著高于闭环带宽或者任何系统机械响应。在一个实施例中，可以通过相应的数字控制分压网络，例如但不限于R2R比值DAC(例如参考图10)由公共电压源生成电压VA、VjPVc。尽管图5的实施例示出了采用正弦电压，但是也可以利用其他周期波形。第一电极阵列126中的共同耦合电极143中的每者均耦合至微分积分器220。三相传感器200被配置成基于第一电极阵列1 和第二电极阵列1 之间的相到相电容生成解调输出电压Vp。通过第一电极阵列1 和第二电极阵列1 之间的交叉电容在第一电极 143处产生了施加至微分积分器220的信号。将微分积分器220的输出耦合至相应的同步解调器230的输入。此外，由波形发生器210将参考电压VaxSin(Cot)提供给同步解调器 230。在AC激励的条件下，进入同步解调器230的正弦信号的幅值随着由于电极阵列126和1 相对于彼此移动而产生的电容变化发生改变。同步解调器230基于微分积分器 220的输出和参考电压生成解调输出电压Vp。为了获得每单位位置变化的最大交叉电容变化(dC/dx)，将第一电极阵列126的间距与第一和第二电极阵列1 和1 之间的缝隙d的比值指定为基本等于1. 6，换言之， P1M= 1.6。在这种状况下，可以由周期等于组长度L的单分量傅里叶展开充分表示交叉电容的变化。但是，应当理解，第一电极阵列的间距与缝隙d的比值也可以采用其他值。对于处于大约1到5的范围内的P1M比值而言，电极阵列126和1 之间的针对三个相位A、 B、C的交叉电容项可以由下式表示C3a (d, δ，L, Ar) = Cs (d, L, Ar) sin (2 π δ /L+2 π /3) +C0 (d, L, Ar) (1)Cafi (d, δ，L, Ar) = Cs (d, L, Ar) sin (2 π δ /L+5 π /3) +C0 (d, L, Ar) (2)Cac (d，δ , L, Ar) = Cs (d, L, Ar) sin (2 π δ /L) +C0 (d, L, Ar)(3)CbA (d, δ，L, Ar) = Cs (d, L, Ar) sin (2 π δ/1+π) +C0 (d, L, Ar) (4)
CbB (d, δ，L，Ar) = Cs (d, L, Ar) sin (2 π δ /L—2 π /3) +C0 (d, L, Ar) (5)Cbc (d，δ , L, Ar) = Cs (d, L, Ar) sin (2 π δ /L+π /3)+C0 (d, L, Ar) (6)其中，Cs(d，L，Ar)是周期性的取决于位置的电容的幅值，Ctl(d，L，Ar)是与位置无关的电容项，该项取决于电极的间隔、缝隙d、组长度L和总阵列面积4。可以根据位置相位角θρ = 2π δ/L重写上述等式，所述位置相位角是第一电极阵列1 相对于第二电极阵列129的位移δ的函数。
激励时
例如，在第二电极阵列129的多个由电极146构成的第二图案156受到下述电压
Va = VacCos ( θ c+2 Ji /3) sin (ω t) (7) Vb = VacCos (θ c)sin(cot)以及(8)Vc = Vaccos ( θ c-2 Ji /3) sin (ω t) (9)其中，θ。是电相位角，解调输出电压Vp可以由下式给出Vp = VacCs (d, L, Ar) GdSin ( θ p+2 Ji /3) cos ( θ c+2 Ji /3) +VacCs (d, L, Ar) Gd sin ( θ p) cos ( θ c) +(10)
VacCs (d, L, Ar) Gd sin ( θ p-2 ji /3) cos ( θ p-2 ji /3)其中，(}d是微分积分器220和同步解调器230的增益，单位为伏/法。图6和图7 示出了位置相位角(θρ)和/或电相位角(Θ。)中的变化对解调输出电压(Vp)的影响。图6是在电相位角等于零(θ c = 0)时随着位置相位角从零弧度变为2 π弧度归一化解调输出电压的图解表示300。对于检测质量块119的任何给定位置而言，均存在解调输出电压为零的零值电压位置。如图6所示，第一电极阵列的零值电压位置位于θρ = 0 处，并且具有士rin的间隔，其中，η= 1，2，3...如公式(10)所推算的，第一电极阵列1 相对于第二电极阵列1 的位移(δ)使归一化解调输出电压在整个组长度(L)上正弦变化。可以通过改变所提供的电压\、Vb和\对电相位角进行电扫描，并监测解调输出电压来找到参考位置的零值电压位置。图7是在将电相位角调整到θ。= 0和士 0. 3弧度的情况下随着位置相位角从-π 弧度变化到+ η弧度时解调输出电压的另一图解表示310。如图7的曲线330所示，在Θ。 =0时，解调输出电压围绕位于9D = 0处的零值电压正弦变化。通过调整公式(10)中的θ。，可以通过调整θ。使零值电压位置左右移动。如图7的曲线320所示，可以使零值电压位置向左移动，从而与-0.3弧度的位置相位角一致。可以通过调整根据公式(7-9)提供给第二电极阵列129的电压(VA，％和&)的幅值实现这一零值电压位置的偏移。通过将Θ。 设置为预期的零值电压位置(例如，Θ。=-0.3弧度)，能够确定用于产生这一偏移的电压幅值。类似地，如图7的曲线340所示，可以通过调整根据公式(7-9)提供给第二电极阵列 129的电压(VA，VB*VC)使零值电压位置向左移动，从而与+0.3弧度的位置相位角一致。 这一对零位进行电气调整的能力允许调整由不严格的晶圆到晶圆键合对准引起的第一和第二电极阵列之间的失准。此外，如果动态完成了这一调整，就可以在仅由电极阵列1 和129的尺寸限定的任意动态范围内跟踪第一电极阵列1 相对于第二电极阵列 129的位置，进而跟踪检测质量块119相对于支撑结构的位置。在本公开文本中描述的一些实施例能够将所述动态范围从当前的接近140dB的限制提高到接近200dB的值。此外，能够贯穿所述动态范围保持位移的高准确度。一些示范性实施例能够使位置分辨率的改善达到< 10fm，加速度分辨率的改善达到低于InG。接下来参考图8，传感器250包括控制器M0，将其添加到图5的传感器200，以提供用于控制提供给第二电极阵列129的电压(VA，VB* V。)的幅值的反馈信号。反馈信号的更新速度应当足够快，以确保微分积分器220在其线性输出范围内工作。因而，能够在检测质量块119从初始零值电压位置开始移动超过士 π /2弧度之前对第一电极阵列的零值电压位置进行更新或调整。通过提供反�。佣捎枚缘缦辔唤堑牡髡仁刮⒎只制鞯氖涑龌疚�(即，在DAC分辨率允许的范围内尽可能近地移动零值电压位置)，可以在仅由电极阵列1 和129的尺寸限定的任意位移上跟踪检测质量块119的位置。参考图9，其示出了控制器MO的示范性实施例的操作。在图9的实施例中，控制器240是数字控制器。在方框M2中采用模数转换器(ADC)对解调输出电压(Vp)进行采样，从而提供第i个解调输出电压样本(Vp, 0。通过采用足够高的采样和更新频率，能够限制Vp的变化，从而利用ADC的满量程和分辨率。之后，在方框M4中根据Kv_p (微分积分器220和同步解调器230的增益，单位为位移/伏特)对Vp,i缩放，从而将解调输出电压转换成位移的单位。对于Vp,i而言，可以通过下式给出在第i个样本的时刻上第一电极阵列1 相对于第二电极阵列1 的位移
权利要求
1.一种传感器，包括设置在检测质量块(119)上的第一电极阵列(126)；设置在支撑结构(103，116)的平面表面上的第二电极阵列(129)；所述检测质量块经由顺从耦合(123)附着至所述支撑结构，使得所述第一电极阵列定位为基本平行于所述第二电极阵列并面对所述第二电极阵列，其中，所述检测质量块能够相对于所述支撑结构发生位移，所述检测质量块在与所述第二电极阵列基本平行的方向上发生位移；所述第一电极阵列包括多个由电极(14 构成的第一图案，每一所述第一图案包括至少两个第一电极；所述第二电极阵列包括多个由电极(146)构成的第二图案，每一所述第二图案包括至少三个第二电极，其中，第二图案中的对应的第二电极共同耦合；以及电路010)，被配置为向每一所述第二图案中的电极提供输入电压，从而为所述第一电极阵列生成零值电压位置。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述输入电压全都具有公共参考频率，每一输入电压具有可独立调整的幅值，其中，可以通过调整每一输入电压的幅值使所述零值电压位置发生偏移。
3.根据权利要求1和2所述的传感器，还包括被配置为生成输出信号的电路，所述输出信号对应于所述第一电极阵列相对于所述零值电压位置的位移。
4.根据权利要求3所述的传感器，其中，所述被配置为生成输出信号的电路包括耦合至多个第一图案中的电极的微分积分器O20)；以及耦合至所述微分积分器的同步解调器O30)，所述同步解调器被配置为从所述输出信号解调参考频率。
5.根据权利要求2和3所述的传感器，还包括电路040，210)，所述电路(M0，210)被配置为基于所述输出信号调整每一输入电压的幅值，从而使所述零值电压位置发生偏移。
6.根据权利要求5所述的传感器，其中，被配置为调整每一输入电压的幅值的电路包括查找表，所述查找表部分基于所述输出信号提供对应于每一输入电压的更新幅度值。
7.根据权利要求5和6所述的传感器，其中，所述更新幅度值是对应于每一输入电压的调整幅值的数字控制输入。
8.根据权利要求3和4所述的传感器，还包括被配置为基于所述输出信号确定所述第一电极阵列相对于所述第二电极阵列的位置的电路(MO)。
9.根据权利要求8所述的传感器，还包括被配置为基于所述第一电极阵列相对于所述第二电极阵列的位置确定所述检测质量块的加速度的电路(MO)。
10.根据权利要求1-8所述的传感器，其中，所述第一电极阵列(126)的间距(P1)与所述第二电极阵列(129)的间距(P2)的比值基本等于1.5。
11.一种用于采用传感器感测加速度的方法，所述传感器具有设置在检测质量块 (119)上的第一电极阵列(126)和设置在支撑结构(103，116)的平面表面上的第二电极阵列(1 )，所述检测质量块经由顺从耦合(123)附着至所述支撑结构，使得所述第一电极阵列定位为基本平行于所述第二电极阵列并面对所述第二电极阵列，其中，所述检测质量块能够相对于所述支撑结构发生位移，所述检测质量块在基本平行于所述第二电极阵列的方向上发生位移，所述方法包括如下步骤向所述第二电极阵列施加输入信号，从而为所述第一电极阵列生成零值电压位置，所述第二电极阵列包括多个由电极(146)构成的第二图案，每一所述第二图案包括至少三个第二电极；基于所述第一电极阵列和所述第二电极阵列之间的相到相交叉电容生成输出信号，所述第一电极阵列包括多个由电极(14 构成的第一图案，每一所述第一图案包括至少两个第一电极，其中，所述第一图案中的对应的第一电极共同耦合，其中，输出信号对应于所述第一电极阵列相对于零值电压位置的位移；以及基于所述输出信号和所述零值电压位置确定所述第一电极阵列相对于所述第二电极阵列的位移。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述输入信号包括针对每一所述第二图案中的电极的输入电压，所述输入电压全都具有公共参考频率，每一输入电压具有可独立调整的幅值，其中，可以通过调整每一输入电压的幅值使所述零值电压位置发生偏移。
13.根据权利要求11和12所述的方法，还包括基于所述输出信号调整每一输入电压的幅值，从而使所述零值电压位置发生偏移。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，通过部分基于所述输出信号提供对应于每一输入电压的更新幅度值，采用查找表调整每一输入电压的幅值。
15.根据权利要求11-13所述的方法，还包括基于所述第一电极阵列相对于所述第二电极阵列的位移确定所述检测质量块的加速度。
全文摘要
提供各种用于感测的系统和方法。在一个实施例中，提供了一种感测系统，其包括设置在检测质量块上的第一电极阵列和设置在支撑结构的平面表面上的第二电极阵列。所述检测质量块通过顺从耦合附着至所述支撑结构，从而将第一电极阵列定位为基本平行于第二电极阵列并面对所述第二电极阵列，所述检测质量块能够相对于所述支撑结构发生位移。所述第一电极阵列包括多个由电极构成的第一图案，所述第二电极阵列包括多个由电极构成的第二图案。所述感测系统还包括被配置为向每一第二图案中的电极提供输入电压从而为第一电极阵列生成零值电压位置的电路。
文档编号G01P15/08GK102356323SQ200980158198
公开日2012年2月15日 申请日期2009年3月19日 优先权日2009年3月19日
发明者R·G·沃姆斯利 申请人:惠普开发有限公司
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