一種矽微電容式二維集成加速度傳感器的製作方法

2023-10-05 08:58:34

專利名稱：一種矽微電容式二維集成加速度傳感器的製作方法
技術領域：
本發明屬 於MEMS傳感器技術領域，尤其涉及一種矽微電容式二維集成加速度傳感器。
背景技術：
目前，單軸微型加速度傳感器的技術比較成熟。但在一些特殊的應用場合，如飛行器姿態控制、飛彈制導、戰場機器人等，往往需要檢測兩個方向的加速度。如果僅僅採用早期的組合方式，即將兩隻單軸微型加速度傳感器相互正交裝配在一起，不僅傳感器性能受裝配精度的影響極大，而且存在集成度低、體積大、一致性差等問題。因此，二維集成式微型加速度傳感器成為研究熱點。現有的二維集成式微型加速度傳感器，無論是在同一基片上製作兩個獨立的加速度傳感器，還是採用單敏感質量元實現對兩個方向加速度的檢測，都存在交叉幹擾嚴重的問題。因此，抑制交叉幹擾是二維集成式微型加速度傳感器研製中需要重點解決的問題。

發明內容
針對二維集成式微型加速度傳感器研製的關鍵技術問題，本發明提供了一種能有效抑制交叉幹擾的矽微電容式二維集成加速度傳感器。本發明採用了如下技術方案一種矽微電容式二維集成加速度傳感器，包括基底、 固定支撐、橫截面為「工」字形的內慣性質量塊、中空結構的外慣性質量塊、固定齒樞、固定梳齒、可動梳齒、Z方向主變形的「U」字形摺疊梁、7方向主變形的「U」字形摺疊梁和止擋；
所述外慣性質量塊的內孔橫截面為「工」字形，基底上設有四根豎直向上的固定支撐， 四根固定支撐分布在靠近外慣性質量塊內孔的四角處；以「工」字形內孔的左右為I軸方向，前後為/軸方向；「工」字形的內孔的四角處內分別設有沿I軸方向布置、且開口向外的 /方向主變形的「U」字形摺疊梁和沿7軸方向布置、且開口向內的I方向主變形的「U」字形摺疊梁；
四根7方向主變形的「U」字形摺疊梁的一端固定在對應側的固定支撐上，另一端固定在外慣性質量塊的內壁上，外慣性質量塊通過四根/方向主變形的「U」字形摺疊梁懸空連接在基底上方；
四根I方向主變形的「U」字形摺疊梁的一端固定在對應側的固定支撐上，另一端固定在內慣性質量塊上，內慣性質量塊通過四根I方向主變形的「U」字形摺疊梁懸空連接在基底的上方、且位於外慣性質量塊的內孔中；
靠近所述內慣性質量塊的左右兩側的內凹壁分別沿/軸方向各設有兩個固定齒樞，左右兩側的固定齒樞的底部固定在基底上，左右兩側的固定齒樞沿/軸方向均布設有數個伸向外側的固定梳齒；所述外慣性質量塊的內孔左右兩側的凸壁上沿/軸方向均布設有數個伸向內側的可動梳齒；靠近左後側和靠近右後側的固定齒樞上的固定梳齒分別從一側插入對應側的可動梳齒內，並與對應側的可動梳齒交叉分布構成電容器G,，靠近左前側和靠近右前側的固定齒樞上的固定梳齒分別從另一側插入對應側的可動梳齒內，並與對應側的可動梳齒交叉分布構成電容器；
靠近所述外慣性質量塊的內孔前後兩側的內壁分別沿Z軸方向各設有兩個固定齒樞， 前後兩側的固定齒樞的底部固定在基底上；前後兩側的固定齒樞上沿X軸方向均布設有數個伸向內側的固定梳齒，所述內慣性質量塊的前後兩側的外壁上沿I軸方向均布設有數個伸向外側的可動梳齒；靠近後左側和靠近前左側的固定齒樞上的固定梳齒分別從一側插入對 應側的可動梳齒內，並與對應側的可動梳齒交叉分布構成電容器Qy;靠近後右側和靠近前右側的固定齒樞上的固定梳齒分別從另一側插入對應側的可動梳齒內，並與對應側的可動梳齒交叉分布構成電容器Q作為本發明的一種優選方案，所述可動梳齒與對應側的固定梳齒形成定齒偏置結構。作為本發明的又一種優選方案，所述內慣性質量塊的四角處分別設有在Z軸方向與固定支撐對應的止擋，所述內慣性質量塊上的四個止擋分別靠近對應側的固定支撐，並與對應側的固定支撐之間的距離小於前後兩側的固定梳齒與對應側相鄰可動梳齒之間的最小距離；所述外慣性質量塊的內孔四角處分別設有在/軸方向與固定支撐對應的止擋， 所述外慣性質量塊的內孔壁上的四個止擋分別靠近對應側的固定支撐，並與對應側的固定支撐之間的距離小於左右兩側的固定梳齒與對應側相鄰可動梳齒之間的最小距離。本發明提供的一種矽微電容式二維集成加速度傳感器，與現有技術相比，具有如下優點
1、電容器Cbx和Cax構成Z方向的差分電容以檢測Z方向的加速度，並通過Z方向的止檔結構實現過載保護；電容器CAr和CBy構成7方向的差分電容以檢測7方向的加速度，並通過7方向的止檔結構實現過載保護久、7方向的加速度分別由各自的敏感結構所感知，能有效抑制交叉幹擾。2、該傳感器通過微機械加工技術製作在一個晶片上，兩個敏感結構巧妙集成，節省晶片面積。3、以定齒偏置梳齒結構形成差分電容，可實現高的檢測靈敏度，並具有很好的工藝性。


圖1為矽微電容式二維集成加速度傳感器的橫截面的結構示意圖； 圖2為Z方向的等效電學模型圖3為7方向的等效電學模型圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細地說明。圖1為矽微電容式二維集成加速度傳感器的橫截面的結構示意圖，如圖所示。矽微電容式二維集成加速度傳感器包括基底1、固定支撐2、橫截面為「工」字形的內慣性質量塊3、 中空結構的外慣性質量塊4、固定齒樞5、固定梳齒6、可動梳齒7、Z方向主變形的「U」字形摺疊梁8、7方向主變形的「U」字形摺疊梁9和止擋10。其中，外慣性質量塊4的內孔橫截面為「工」字形，基底1上設有四根豎直向上的固定支撐2，四根固定支撐2的頂部分布在靠近外慣性質量塊4內孔的四角處。以「工」字形內 孔的左右為I軸方向，前後為7軸方向。「工」字形的內孔的四角處內分別設有沿I軸方向布置、且開口向外的7方向主變形的「U」字形摺疊梁9和沿7軸方向布置、且開口向內的Z方向主變形的「U」字形摺疊梁8。四根7方向主變形的「U」字形摺疊梁9的一端固定在對應側的固定支撐2上，另一端固定在外慣性質量塊4的內壁上，外慣性質量塊4通過四根7方向主變形的「U」字形摺疊梁9懸空連接在基底1上方。四根I方向主變形的「U」字形摺疊梁8的一端固定在對應側的固定支撐2上，另一端固定在內慣性質量塊3上，內慣性質量塊3通過四根I方向主變形的「U」字形摺疊梁8懸空連接在基底1的上方、且位於外慣性質量塊4的內孔中。靠近外慣性質量塊4的內孔前後兩側的內壁分別沿Z軸方向各設有兩個固定齒樞 5 (即前側的兩個固定齒樞52、54，後側的兩個固定齒樞51、53)，前後兩側的固定齒樞5的底部固定在基底1上；前後兩側的固定齒樞5上沿Z軸方向均布設有數個(圖1中共畫出二十七個)伸向內側的固定梳齒6，內慣性質量塊3的前後兩側的外壁上沿Z軸方向均布設有數個(圖1中共畫出二十七個)伸向外側的可動梳齒7。靠近後左側和靠近前左側的固定齒樞5 (即圖1中靠近後左側的固定齒樞51和靠近前左側的固定齒樞52)上的固定梳齒6 (圖1中為十三個)分別從一側(圖1中從右側)插入對應側的可動梳齒7內，並與對應側的可動梳齒7交叉分布構成電容器6^。靠近後右側和靠近前右側的固定齒樞5 (即圖1中靠近後右側的固定齒樞53和靠近前右側的固定齒樞54)上的固定梳齒6 (圖1中為十四個) 分別從另一側(圖1中從左側)插入對應側的可動梳齒7內，並與對應側的可動梳齒7交叉分布構成電容器CAx。電容器&和電容器Cbx構成Z方向的差分電容以檢測Z方向的加速度，其等效電學模型如圖2所示。靠近內慣性質量塊3的左右兩側的內凹壁分別沿7軸方向各設有兩個固定齒樞5 (即左側的兩個固定齒樞55、57，右側的兩個固定齒樞56、58)，左右兩側的固定齒樞5的底部固定在基底1上，左右兩側的固定齒樞5沿7軸方向均布設有數個(圖1中共畫出十九個) 伸向外側的固定梳齒6。外慣性質量塊4的內孔左右兩側的凸壁上沿7軸方向均布設有數個(圖1中共畫出十九個)伸向內側的可動梳齒7。靠近左後側和靠近右後側的固定齒樞5 (即圖1中靠近左後側的固定齒樞55和靠近右後側的固定齒樞56)上的固定梳齒6 (圖1 中為十個固定梳齒)分別從一側(圖1中為從前側)插入對應側的可動梳齒7內，並與對應側的可動梳齒7交叉分布構成電容器G,。靠近左前側和靠近右前側的固定齒樞5 (即圖1 中靠近左前側的固定齒樞57和靠近右前側的固定齒樞58)上的固定梳齒6 (圖1中為九個固定梳齒)分別從另一側(圖1中為從後側)插入對應側的可動梳齒7內，並與對應側的可動梳齒7交叉分布構成電容器Cb廣電容器Q和電容器CBr構成7方向的差分電容以檢測 /方向的加速度，其等效電學模型如圖3所示。內慣性質量塊3的四角處分別設有在Z軸方向與固定支撐2對應的止擋10，內慣性質量塊3上的四個止擋10分別靠近對應側的固定支撐2，並與對應側的固定支撐2之間的距離小於前後兩側的固定梳齒6與對應側相鄰可動梳齒7之間的最小距離，因此，固定支撐2和內慣性質量塊3上的四個止擋10構成了 Z方向的止擋結構，實現了對內慣性質量塊 3 (亦即可動梳齒7)在I方向的運動限位，可防止在I方向較強衝擊下I方向主變形的「U」 字形摺疊梁8斷裂，並避免因可動梳齒7和固定梳齒6發生接觸而導致傳感器失效。外慣性質量塊4的內孔四角處分別設有在7軸方向與固定支撐2對應的止擋10，外慣性質量塊 4的內孔壁上的四個止擋10分別靠近對應側的固定支撐2，並與對應側的固定支撐2之間的距離小於左右兩側的固定梳齒6與對應側相鄰可動梳齒7之間的最小距離。固定支撐2 和外慣性質量塊4上的止擋11構成了 7方向的止擋結構，實現了對外慣性質量塊4 (亦即可動梳齒7)在7方向的運動限位，可防止在7方向較強衝擊下7方向主變形的「U」字形摺疊梁9斷裂，並避免因可動梳齒7和固定梳齒6發生接觸而導致傳感器失效。

本實施例中，可動梳齒7與對應側的固定梳齒6形成定齒偏置結構。以定齒偏置梳齒結構形成差分電容，可實現高的檢測靈敏度，並具有很好的工藝性。當內慣性質量塊3和外慣性質量塊4受到I方向的加速度時，由於7方向主變形的「U」字形摺疊梁9在Z方向剛度相對較大，所以外慣性質量塊4相對於基底1沿Z方向的運動被限制。而I方向主變形的「U」字形摺疊梁8在I方向剛度小而7方向剛度相對較大，所以內慣性質量塊3相對於基底1沿I方向運動，導致I方向電容器&和電容器Q的電容值一個增大，一個減小。通過檢測電容器Gi和電容器Ci的差分電容變化即可檢測I 方向的加速度。同理，當內慣性質量塊3和外慣性質量塊4受到7方向的加速度時，由於I方向主變形的「U」字形摺疊梁8在7方向剛度相對較大，所以內慣性質量塊3相對於基底1沿7 方向的運動被限制。而/方向主變形的「U」字形摺疊梁9在7方向剛度小而I方向剛度相對較大，所以外慣性質量塊4相對於基底1沿7方向運動，導致7方向電容器CAr和電容器 Cby的電容值一個增大，一個減小。通過檢測電容器和電容器Q7的差分電容變化即可檢測/方向的加速度。該加速度傳感器通過微機械加工技術製作在一個晶片上，傳感器晶片的製作工藝
以N型(100)雙面拋光矽片作為襯底材料，基於體矽工藝加工矽微電容式二維集成加速度傳感器晶片。主要工藝步驟包括
(1)雙面熱氧化矽片；
(2)光刻，採用HF腐蝕液，去掉傳感器可動結構區域的SiO2,形成腐蝕窗口；
(3)溼法腐蝕Si，形成鍵合固定支撐，並採用HF腐蝕液去除熱氧化SiO2層；
(4)採用剝離法在玻璃上製作Ti/Pt/Au電極引線；
(5)矽一玻璃靜電鍵合；
(6)溼法減薄Si至所需結構層厚度；
(7)蒸發Al，光刻、腐蝕形成深刻蝕掩膜；
(8)ICP深刻蝕釋放結構。最後說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換， 而不脫離本發明技術方案的宗旨和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。
權利要求
1.一種矽微電容式二維集成加速度傳感器，其特徵在於包括基底(1)、固定支撐(2)、 橫截面為「工」字形的內慣性質量塊(3)、中空結構的外慣性質量塊(4)、固定齒樞(5)、固定梳齒(6)、可動梳齒(7)、Z方向主變形的「U」字形摺疊梁(8)、7方向主變形的「U」字形摺疊梁(9)和止擋(10)；所述外慣性質量塊(4)的內孔橫截面為「工」字形，基底(1)上設有四根豎直向上的固定支撐(2)，四根固定支撐(2)分布在靠近外慣性質量塊(4)內孔的四角處；以「工」字形內孔的左右為I軸方向，前後為7軸方向；「工」字形的內孔的四角處內分別設有沿I軸方向布置、且開口向外的7方向主變形的「U」字形摺疊梁(9)和沿7軸方向布置、且開口向內的 I方向主變形的「U」字形摺疊梁(8)；四根7方向主變形的「U」字形摺疊梁(9)的一端固定在對應側的固定支撐(2)上，另一端固定在外慣性質量塊(4)的內壁上，外慣性質量塊(4)通過四根7方向主變形的「U」字形摺疊梁(9 )懸空連接在基底(1)上方；四根I方向主變形的「U」字形摺疊梁(8)的一端固定在對應側的固定支撐(2)上，另一端固定在內慣性質量塊(3)上，內慣性質量塊(3)通過四根I方向主變形的「U」字形摺疊梁 (8)懸空連接在基底(1)的上方、且位於外慣性質量塊(4)的內孔中；靠近所述內慣性質量塊(3)的左右兩側的內凹壁分別沿7軸方向各設有兩個固定齒樞 (5)，左右兩側的固定齒樞(5)的底部固定在基底(1)上，左右兩側的固定齒樞(5)沿7軸方向均布設有數個伸向外側的固定梳齒(6)；所述外慣性質量塊(4)的內孔左右兩側的凸壁上沿/軸方向均布設有數個伸向內側的可動梳齒(7)；靠近左後側和靠近右後側的固定齒樞(5)上的固定梳齒(6)分別從一側插入對應側的可動梳齒(7)內，並與對應側的可動梳齒 (7)交叉分布構成電容器；靠近左前側和靠近右前側的固定齒樞(5)上的固定梳齒(6) 分別從另一側插入對應側的可動梳齒(7)內，並與對應側的可動梳齒(7)交叉分布構成電容器靠近所述外慣性質量塊(4)的內孔前後兩側的內壁分別沿Z軸方向各設有兩個固定齒樞(5)，前後兩側的固定齒樞(5)的底部固定在基底(1)上；前後兩側的固定齒樞(5)上沿 X軸方向均布設有數個伸向內側的固定梳齒(6)，所述內慣性質量塊(3)的前後兩側的外壁上沿X軸方向均布設有數個伸向外側的可動梳齒(7)；靠近後左側和靠近前左側的固定齒樞(5)上的固定梳齒(6)分別從一側插入對應側的可動梳齒(7)內，並與對應側的可動梳齒 (7)交叉分布構成電容器Gx ；靠近後右側和靠近前右側的固定齒樞(5)上的固定梳齒(6) 分別從另一側插入對應側的可動梳齒(7)內，並與對應側的可動梳齒(7)交叉分布構成電各器CAxo
2.根據權利要求1所述的矽微電容式二維集成加速度傳感器，其特徵在於所述可動梳齒(7)與對應側的固定梳齒(6)形成定齒偏置結構。
3.根據權利要求1或2所述的矽微電容式二維集成加速度傳感器，其特徵在於所述內慣性質量塊(3)的四角處分別設有在Z軸方向與固定支撐(2)對應的止擋(10)，所述內慣性質量塊(3)上的四個止擋(10)分別靠近對應側的固定支撐(2)，並與對應側的固定支撐(2)之間的距離小於前後兩側的固定梳齒(6)與對應側相鄰可動梳齒(7)之間的最小距離；所述外慣性質量塊(4)的內孔四角處分別設有在7軸方向與固定支撐(2)對應的止擋 (10)，所述外慣性質量塊(4)的內孔壁上的四個止擋(10)分別靠近對應側的固定支撐(2)，並與對應側的固定支撐(2)之間的距離小於左右兩側的固定梳齒(6)與對應側相鄰可動梳 齒(7)之間的最小距離。
全文摘要
本發明公開了一種矽微電容式二維集成加速度傳感器，包括基底、內慣性質量塊、外慣性質量塊、固定齒樞、固定梳齒和可動梳齒；內慣性質量塊通過四根摺疊梁懸空設在外慣性質量塊的內孔中；左後側和右後側的固定梳齒與對應的可動梳齒構成電容器CAy；左前側和右前側的固定梳齒與對應的可動梳齒構成電容器CBy；後左側和前左側的固定梳齒與對應的可動梳齒構成電容器CBx；後右側和前右側的固定梳齒與對應的可動梳齒構成電容器CAx。電容器CBx和CAx構成X方向差分電容以檢測X方向的加速度；電容器CAy和CBy構成Y方向差分電容以檢測Y方向的加速度；X、Y方向的加速度分別由各自的電容器敏感結構所感知，能有效抑制交叉幹擾。
文檔編號G01P15/18GK102435777SQ201110341469
公開日2012年5月2日 申請日期2011年11月2日 優先權日2011年11月2日
發明者劉妤 申請人:重慶理工大學