一種基於soi的三軸電容式微加速度計的製作方法
2023-09-23 17:38:10 2
一種基於soi的三軸電容式微加速度計的製作方法
【專利摘要】基於SOI的三軸電容式微加速度計包括SOI基片、帶阻尼孔的單一質量塊、蛇形彈性梁、固定梳齒、與質量塊相連的可動梳齒。使用SOI表面加工技術，使製造工藝能與普通的集成電路工藝兼容，降低成本。結構為中心對稱圖形，通過單一質量塊感知三個正交方向的加速度，極大縮小了器件結構，增大了器件的集成度。通過Z軸方向上不等高垂直梳齒電極的設計，Z軸方向的線性度提高了至少10倍，同時工藝簡單。每個軸向都由4組梳齒電極構成差分檢測電容，消除交叉幹擾並大大提高了靈敏度。4對中心對稱的蛇形支撐梁，使加速度計有很大的量程。
【專利說明】
一種基於SO I的三軸電容式微加速度計
技術領域
[0001]本實用新型涉及慣性傳感器技術領域，具體涉及一種基於SOI的三軸電容式微加速度計。
【背景技術】
[0002]微機電系統(MEMS)是20世紀80年代隨著矽微機械加工技術的發展而逐漸成長起來的，是微電子平面加工技術和娃微機械加工技術發展相結合的產物。MEMS的特徵尺寸在微米量級，集傳感技術、制動技術、和控制技術於一體。採用MEMS技術實現的微型電容式加速度計，以其小型化、可集成性、高精度、低噪聲、低溫漂和低價格等優點，廣泛應用於軍事、汽車工藝、消費類電子產品等領域。
[0003]目前絕大多數梳齒電容式微加速度計採用體矽微機械技術加工製造的，這種製造工藝不能很好地與集成電路製造工藝兼容，造成成本的增加和資源的浪費。
[0004]採用S0I(Silicon-0n-1nsulator，絕緣襯底上的娃)技術能使集成電路工藝與MEMS加工工藝兼容，但電容式加速計在Z軸方向需要上下兩個極板，而在SOI片上製造兩個極板是很困難的。
【發明內容】
[0005]針對上述現有技術，本實用新型目的在於提供一種基於SOI的三軸電容式微加速度計，其旨在解決現有技術與集成電路工藝兼容性差，還存在交叉幹擾、靈敏度低且線性度不好等技術問題。
[0006]為達到上述目的，本實用新型採用的技術方案如下:
[0007]一種基於SOI的三軸電容式微加速度計，包括SOI基片；質量塊，設置有可動梳齒電極;六對固定錨點，安裝於SOI基片，均設置有固定梳齒電極，其中四對中每兩對固定錨點分別按X軸和Y軸呈軸對稱分布，剩餘兩對固定錨點安裝於質量塊內，其固定梳齒電極通過可動梳齒電極與質量塊匹配安裝，可動梳齒電極和固定梳齒電極分別構成三軸向十二組相對於與空間坐標軸原點重合的質量塊重心呈中心對稱分布的差分檢測電容;至少兩個支撐錨點，每個支撐錨點通過兩根彈性蛇形梁安裝於質量塊內。
[0008]上述方案中，採用SOI表面加工工藝，與集成電路工藝很好地兼容，大大降低成本。
[0009]上述方案中，所述的質量塊呈日字型結構，剩餘兩對固定錨點設置於質量塊內的中部梁兩側，構成Z軸向四組差分檢測電容。
[0010]上述方案中，所述的支撐錨點，選為四個支撐錨點。
[0011 ]上述方案中，所述的質量塊塊體設置有阻尼孔結構。
[0012]上述方案中，所述的質量塊內還設置有用於限制慣性過衝的阻擋塊。
[0013]上述方案中7軸方向上的固定梳齒電極採用不等高定齒均置式垂直梳齒電極。
[0014]上述方案中，X軸和Y軸方向上的固定梳齒電極採用等高定齒均置式水平梳齒電極。
[0015]上述方案中，每個軸向由4組梳齒電極構成差分檢測電容，以增大靈敏度並消除交叉幹擾。
[0016]上述方案中，通過單一質量塊來檢測三個軸向的加速度，極大地縮小了器件結構，更利於集成。
[0017]上述方案中，Z軸方向採用定齒均置不等高垂直梳齒電極，採用變面積型檢測原理，正對面積大，較一般平板型線性度提高至少10倍，並且工藝簡單。
[0018]上述方案中，與Z軸不同，水平方向梳齒電極採用等高定齒均置式，採用變間距型檢測原理，以獲得更高的靈敏度。
[0019]上述方案中，採用4對中心對稱的蛇形支撐梁，使三個軸向都有很好的彈性係數，大大提高了量程。
[0020]上述方案中，質量塊上的阻尼孔用來釋放質量塊下的犧牲層(Si02)，使工藝精簡同時減少z軸向的壓膜阻尼大大提高了 Z軸向的靈敏度。
[0021]與現有技術相比，本實用新型的有益效果:
[0022]I)採用SOI表面加工技術，與集成電路製造工藝兼容，大大降低成本；
[0023]2)Z軸向採用定齒均置不等高垂直梳齒，變面積型檢測原理，線性度提高至少10倍；
[0024]3)單一感應質量塊，極大地縮小了器件結構，更有利於器件的集成；
[0025]4)4對中心對稱的蛇形支撐梁，具有很高的彈性係數，大大提高了量程。
【附圖說明】
[0026]圖1為本實用新型基於SOI的三軸電容式微加速度計結構示意圖；
[0027]圖2為本實用新型基於SOI的三軸電容式微加速度計縱剖面圖。
【具體實施方式】
[0028]本說明書中公開的所有特徵，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特徵和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
[0029]下面結合附圖對本實用新型做進一步說明:
[0030]實施例1
[0031]如圖1所示的一種基於SOI的三軸電容式微加速度計，包括:12組可動梳齒固定在單一帶有阻尼孔的質量塊上，通過8根蛇形彈性梁與4個錨點相連。12組固定梳齒1-12分別固定在12個錨點上。
[0032]如圖2所示水平方向梳齒為定齒偏置等高梳齒，垂直方向為定齒均置不等高梳齒且分為I類梳齒和2類梳齒。
[0033]通過敏感質量塊將加速度轉化為慣性力，慣性力是敏感質量塊發生位移，可動梳齒與質量塊相連，可動梳齒的位移使梳齒間電容極板的間距或正對面積發生變化，通過測量梳齒間電容量的變化推算出被測加速度。在水平方向上，固定梳齒1-4與相應可動梳齒構成y軸加速度檢測電容，其中2和4、1和3通過引線相連，2、4與1、3構成差分電極;固定梳齒5-8與相應可動梳齒構成X軸加速度檢測電容，其中5和7、6和8通過引線相連，5、7與6、8構成差分電極。當XY平面內有加速度存在時，活動極板有所偏移，導致極板間間隙有所改變，最終表現為電容量的變化。在Z軸方向上，固定梳齒9-12與相應可動梳齒構成Z軸加速度檢測電容。其中梳齒9、12為I類梳齒，1、11為2類梳齒，這樣保證了重心的穩定。9和12、1和11通過引線相連，9、12與10、11構成差分電極。當Z軸方向有加速度存在時，活動極板在Z軸方向有所偏移，導致極板間正對面積有所改變，最終表現為電容量的變化。通過後續的讀出電路顯示電容量的變化，進而轉化為加速度的變化，以達到檢測加速度的目的。
[0034]以上所述，僅為本實用新型的【具體實施方式】，但本實用新型的保護範圍並不局限於此，任何屬於本技術領域的技術人員在本實用新型揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本實用新型的保護範圍之內。
【主權項】
1.一種基於SOI的三軸電容式微加速度計，其特徵在於，包括 SOI基片; 質量塊，設置有可動梳齒電極； 六對固定錨點，安裝於SOI基片，均設置有固定梳齒電極，其中四對中每兩對固定錨點分別按X軸和Y軸呈軸對稱分布，剩餘兩對固定錨點安裝於質量塊內，其固定梳齒電極通過可動梳齒電極與質量塊匹配安裝，可動梳齒電極和固定梳齒電極分別構成三軸向十二組相對於與空間坐標軸原點重合的質量塊重心呈中心對稱分布的差分檢測電容； 至少兩個支撐錨點，每個支撐錨點通過兩根彈性蛇形梁安裝於質量塊內。2.根據權利要求1所述的一種基於SOI的三軸電容式微加速度計，其特徵在於，所述的質量塊呈日字型結構，剩餘兩對固定錨點設置於質量塊內的中部梁兩側，構成Z軸向四組差分檢測電容。3.根據權利要求2所述的一種基於SOI的三軸電容式微加速度計，其特徵在於，所述的支撐錨點，選為四個支撐錨點。4.根據權利要求1所述的一種基於SOI的三軸電容式微加速度計，其特徵在於，所述的質量塊塊體設置有阻尼孔結構。5.根據權利要求1所述的一種基於SOI的三軸電容式微加速度計，其特徵在於，所述的質量塊內還設置有用於限制慣性過衝的阻擋塊。6.根據權利要求1所述的一種基於SOI的三軸電容式微加速度計，其特徵在於，Z軸方向上的固定梳齒電極採用不等高定齒均置式垂直梳齒電極。7.根據權利要求1所述的一種基於SOI的三軸電容式微加速度計，其特徵在於，X軸和Y軸方向上的固定梳齒電極採用等高定齒均置式水平梳齒電極。
【文檔編號】G01P15/125GK205720299SQ201620679970
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年6月29日
【發明人】戴麗萍, 宋文平, 夏萬順, 許龍來, 王姝婭, 鍾志親, 張國俊
【申請人】電子科技大學