一種嵌入可動電極的微慣性傳感器的製作方法

2023-05-06 18:58:41

專利名稱：一種嵌入可動電極的微慣性傳感器的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於微電子機械技術領域，涉及一種嵌入可動電極的微慣性 傳感器。
背景技術：
最近十幾年來，用微機械技術製作的加速度計得到了迅速的發展。其主 要的加速度檢測技術有壓阻檢測、壓電檢測、熱檢測、共振檢測、電磁檢測、 光檢測、隧道電流檢測和電容檢測等。此外，還有一些基於別的檢測技術的 加速度計，如光加速度計、電磁加速度計、電容加速度計等。光加速度計的 發展主要是為了結合光和微機械的優點，製作高電磁屏蔽或者好線性度的傳 感器。在這些傳感器中，電容式加速度傳感器，由於具有溫度係數小，靈敏 度高，穩定性好等優點，是目前研製得最多的一類加速度傳感器。
微機械電容式傳感器的製作方法有表面微機械加工方法和體矽微機械加 工方法。採用表面微機械加工工藝可以和集成電路工藝兼容，從而集成傳感 器的外圍電路，成本低，但是傳感器的噪聲大、穩定性差，量程和帶寬小。 採用體矽微機械加工工藝可以提高傳感器晶片的質量，從而降低噪聲，改善 穩定性，提高靈敏度，可以製作出超高精度的微機械慣性傳感器。缺點是體 積稍大。為了得到較高的測量靈敏度和減小外圍電路的複雜性，可以通過增 加傳感器振子的質量和增大傳感器的靜態測試電容的方法，從而減小機械噪
聲和電路噪聲。而對於用體矽工藝如深反應粒子刻蝕(De印RIE)加工的梳 齒狀的電容式傳感器，其極板電容的深寬比一般小於30:1，這就限制了傳感 器振子的質量增加和極板間距的減小。而對於小間距極板電容，其壓膜空氣 阻尼較大，增大了傳感器的機械噪聲。減小該機械噪聲的方法一是可以通過 在極板上刻蝕阻尼條， 一是把電容改為變面積的方式，使阻尼表現為滑膜阻 尼，而減小電子噪聲的方法之一便是通過增大檢測電容。 發明內容
本實用新型的目的就是針對現有技術的不足，提供一種嵌入可動電極的 微慣性傳感器。
3本實用新型的嵌入可動電極的微慣性傳感器包括玻璃襯底、 一個可動敏 感器質量塊、四個固定質量塊。
可動敏感器質量塊為矩形，由可動敏感器質量塊的邊沿向中心對稱開有 三對通槽，其中一對通槽位於可動敏感器質量塊的中部，另外兩對分別位於 接近可動敏感器質量塊的兩個端部的位置，三對通槽將可動敏感器質量塊分 為四個部分，分別是兩端的兩個固定部分和中間的兩個可動部分。可動敏感 器質量塊的兩個固定部分通過U形矽支撐梁與敏感器錨點連接，每個敏感器 錨點上設置有兩個焊點。可動敏感器質量塊的可動部分的兩側對稱設置有可
動矽條組，每組可動矽條包括平行設置的n條可動矽條，n》l，可動矽條與可 動敏感器質量塊側邊垂直。可動敏感器質量塊的可動部分刻蝕有與可動矽條 平行的柵條。兩個可動部分連接處開有工字形槽，沿可動部分與固定部分之 間的四個通槽的邊沿開有U形槽，相對的兩個U形槽通過直線槽連通。
四個固定質量塊分別對稱設置在可動敏感器質量塊的可動部分的兩側， 一個可動部分的兩側的兩個固定質量塊通過設置在玻璃襯底表面上的引線連 接。每個固定質量塊包括n根平行設置的梳齒狀檢測矽條，梳齒狀檢測矽條 通過固定梁連接，n根梳齒狀檢測矽條與對應的n條可動矽條交叉設置。
可動敏感器質量塊可動部分的U形槽與柵條之間設置有金屬驅動導線。 金屬導線的一端與焊點連接，另一端與金屬驅動導線的一端連接。金屬導線 沿U形矽支撐梁、可動敏感器質量塊固定部分的邊沿、U形槽的邊沿設置。
玻璃襯底表面對應可動敏感器質量塊設置有叉指鋁電極，鋁電極焊點分 別與叉指鋁電極連接，可動敏感器質量塊上刻蝕的每條柵形條與叉指鋁電極 中的每對叉指相對應；在玻璃襯底上對應敏感器錨點的位置上設置有金屬敏 感器焊點，實現敏感器和外部封裝的連接。
本實用新型基本構思是傳感器檢測電容的初始設計間距較大，從而解決 深反應粒子刻蝕深寬比小於30:1對傳感器振子的質量不能做厚的限制，而後 通過磁場驅動金屬驅動導線，產生的洛侖茲力驅動可動敏感器質量塊，從而 減小檢測電容間距，進而增大傳感器的初始檢測電容以降低檢測電路噪聲。
本實用新型還在可動敏感器質量塊上刻蝕柵形槽，並和襯底上的叉指鋁 電極組成差分檢測電容進一步降低電路噪聲，且柵形條和玻璃襯底上叉指間 的差動表現為滑膜阻尼特性，從而也減小了布朗噪聲。
本實用新型可以通過在檢測矽條上刻蝕褶鈹狀阻尼條來減小壓膜空氣阻尼從而可以減小機械噪聲。另外，通過改變支撐梁和固定質量塊的尺寸還可 以改變傳感器的量程和響應特性。
本實用新型提供的電磁驅動嵌入可動梳齒和柵形電極的微慣性傳感器大 大增大了振子質量，從而減小了布朗噪聲，而通過磁場驅動減小了電容極板 間距，並在檢測矽條上刻蝕褶皺狀阻尼條，增大了檢測電容，減小了壓模空氣 阻尼，從而降低了機械噪聲和電路噪聲，而可動敏感器質量塊上新增的柵形 條電容差分運動時空氣阻尼表現為滑膜阻尼，從而降低了布朗噪聲，同時也 增大了檢測電容。本實用新型不需要額外的驅動器，減小了傳感器的整體尺 寸。本實用新型涉及的高精度微慣性傳感器結構新穎，解析度和靈敏度高， 製作工藝簡單，有利於降低成本和提高成品率，是一種可以實際應用的微慣 性傳感器。

圖1為本實用新型的結構示意圖2為圖1中玻璃襯底表面示意圖。
具體實施方式
以下結合實施例和附圖對本實用新型進一步說明。
如圖1和圖2所示， 一種嵌入可動電極的微慣性傳感器包括玻璃襯底17、 一個可動敏感器質量塊、四個固定質量塊l。
可動敏感器質量塊為矩形，由可動敏感器質量塊的邊沿向中心對稱開有 三對通槽14，其中一對通槽14位於可動敏感器質量塊的中部，另外兩對分別 位於接近可動敏感器質量塊的兩個端部的位置，三對通槽將可動敏感器質量 塊分為四個部分，分別是兩端的兩個固定部分10和中間的兩個可動部分13。 可動敏感器質量塊的兩個固定部分10通過U形矽支撐梁2與敏感器錨點4連 接，每個敏感器錨點4上設置有兩個焊點11。可動敏感器質量塊的可動部分 13的兩側對稱設置有可動矽條組，每組可動矽條包括平行設置的三條可動矽 條7，可動矽條7與可動敏感器質量塊側邊垂直。可動敏感器質量塊的可動部 分13刻蝕有與可動矽條7平行的柵條8。兩個可動部分13連接處開有工字形 槽，沿可動部分13與固定部分10之間的四個通槽的邊沿開有U形槽12，相 對的兩個U形槽12通過直線槽9連通。
四個固定質量塊10分別對稱設置在可動敏感器質量塊的可動部分13的 兩側， 一個可動部分13的兩側的兩個固定質量塊通過設置在玻璃襯底表面上的引線16連接。每個固定質量塊包括三根平行設置的梳齒狀檢測矽條15，梳 齒狀檢測矽條15通過固定梁1連接，三根梳齒狀檢測矽條15與對應的三條 可動矽條7交叉設置。
可動敏感器質量塊可動部分13的U形槽與柵條8之間設置有金屬驅動導 線5。金屬導線3的一端與焊點11連接，另一端與金屬驅動導線5的一端連 接。金屬導線3沿U形矽支撐梁2、可動敏感器質量塊固定部分10的邊沿、U 形槽12的邊沿設置。
玻璃襯底17表面對應可動敏感器質量塊設置有叉指鋁電極20,鋁電極悍 點18分別與叉指鋁電極20連接，可動敏感器質量塊上刻蝕的每條柵形條與 叉指鋁電極中的每對叉指相對應；在玻璃襯底上對應敏感器錨點的位置上設 置有金屬敏感器焊點19，實現敏感器和外部封裝的連接。
製作該微慣性傳感器的方法包括以下工藝步驟
a. 低阻矽氧化後形成氧化矽掩膜層；
b. 氫氟酸腐蝕矽片一面的氧化矽形成腐蝕懸浮窗口，保留另一面的氧化
娃；
c. 用氧化矽作掩膜，用鹼性溶液如氫氧化鉀溶液腐蝕傳感器質量塊和驅 動器質量塊的懸浮區域，從而形成差分電容間距；
d. 用氫氟酸去除氧化矽，保留矽另一面的氧化矽；
e. 選用熱膨脹係數與矽相近的絕緣極板如Pyrex7740玻璃片作為襯底， 並在該襯底上通過蒸發或者濺射形成鋁材料的叉指電極、連接線及其各外部 連接錨點；
f. 用酸性溶液如濃磷酸腐蝕鋁電極；
g. 採用溫度380攝氏度，電壓800V，矽片的有凹槽面和玻璃片上有鋁電 極面鍵合；
h. 矽片光刻，形成可動質量塊和外部錨點間的連接孔；
i. 在矽片上濺射鋁，並光刻形成外部電流驅動導線及其外部焊點，用光 刻膠作為掩膜層，用濃磷酸溶液腐蝕鋁，形成電極形狀，然後用氫氟酸緩衝 液漂去裸露的氧化矽；
j.利用深反應離子刻蝕工藝(De印RIE)刻蝕矽，形成懸浮在絕緣襯底上 的可動敏感器質量塊，固定在絕緣襯底上的錨點，U形矽支撐梁，固定梳齒，
6可動敏感器質量塊上的等間距柵形條及其可動矽條，檢測矽條以及褶鈹狀阻 尼條。
可動敏感器質量塊可動部分和固定部分的間距小於可動敏感器質量塊連 接的可動矽條和檢測矽條的間距。
結合圖1對傳感器原理進行說明。直線槽的槽寬用dl表示，可動敏感器
質量塊連接的可動矽條和檢測矽條的間距用d2表示，且d2〉dl。
把可動敏感器質量塊一端的外部驅動電流焊點，用金絲球焊技術連接到 對應的封裝管殼引腳上，並接入恆流源，把可動敏感器質量塊對應端的外部 驅動電流悍點也分別連接到對應的封裝管殼引腳上，並接入和上端驅動器相 反相位的恆流源。玻璃襯底上的鋁電極焊點連接到封裝管殼引腳，用VI表示， 玻璃襯底上的另一個鋁電極焊點也連接到封裝管殼引腳，用V2表示。敏感器 焊點也連接到封裝管殼引腳，並連接到地。在用微機械工藝加工傳感器時， d2， dl較大，可以加工出較厚的傳感器質量塊，因而質量塊質量較大。在封 裝管殼帽內設置合適的勻強磁場，且磁場在金屬驅動導線上產生的洛倫茲力 驅動可動敏感器質量塊時，檢測電容間距分別減小，此時，測試傳感器靜態 初始電容間距為d2-dl，從而傳感器的檢測電容大大增加。再在V1、 V2端分 別加載波信號，可動質量塊通過錨點連接至地。當敏感方向上有加速度信號 時，由於慣性力的作用，產生位移，從而引起可動敏感器上柵條和叉指鋁電 極組成的差分電容的疊加面積變化以及可動敏感器質量塊連接的可動矽條和 檢測矽條的間距變化，進而引起電容較大的變化，該變化電容和外部慣性信 號的大小成線性關係，通過檢測電容變化便可以得到敏感方向上加速度的大 小。
本實用新型涉及的高精度微慣性傳感器，由於梳齒電容間距可用洛侖茲 力驅動減小，檢測梳齒電容上刻蝕有阻尼條，可動敏感器質量塊上有滑膜阻 尼的柵形條電容，這些因素使傳感器的機械噪聲和電路噪聲大大減小，從而 使傳感器可以達到很高的精度，本發不需要額外的驅動器，減小了傳感器的
整體尺寸。同時本實用新型採用微機械技術製作，工藝簡單，有利於提高成 品率和降低製造成本。
權利要求1、一種嵌入可動電極的微慣性傳感器，包括玻璃襯底、一個可動敏感器質量塊、四個固定質量塊，其特徵在於可動敏感器質量塊為矩形，由可動敏感器質量塊的邊沿向中心對稱開有三對通槽，其中一對通槽位於可動敏感器質量塊的中部，另外兩對分別位於接近可動敏感器質量塊的兩個端部的位置，三對通槽將可動敏感器質量塊分為四個部分，分別是兩端的兩個固定部分和中間的兩個可動部分；可動敏感器質量塊的兩個固定部分通過U形矽支撐梁與敏感器錨點連接，每個敏感器錨點上設置有兩個焊點；可動敏感器質量塊可動部分的兩側對稱設置有可動矽條組，每組可動矽條包括平行設置的n條可動矽條，n≥1，可動矽條與可動敏感器質量塊側邊垂直；可動敏感器質量塊的可動部分刻蝕有與可動矽條平行的柵條；兩個可動部分連接處開有工字形槽，沿可動部分與固定部分之間的四個通槽的邊沿開有U形槽，相對的兩個U形槽通過直線槽連通；四個固定質量塊分別對稱設置在可動敏感器質量塊的可動部分的兩側，一個可動部分的兩側的兩個固定質量塊通過設置在玻璃襯底表面上的引線連接；每個固定質量塊包括n根平行設置的梳齒狀檢測矽條，梳齒狀檢測矽條通過固定梁連接，n根梳齒狀檢測矽條與對應的n條可動矽條交叉設置；可動敏感器質量塊可動部分的U形槽與柵條之間設置有金屬驅動導線；金屬導線的一端與焊點連接，另一端與金屬驅動導線的一端連接；金屬導線沿U形矽支撐梁、可動敏感器質量塊固定部分的邊沿、U形槽的邊沿設置；玻璃襯底表面對應可動敏感器質量塊設置有叉指鋁電極，鋁電極焊點分別與叉指鋁電極連接，可動敏感器質量塊上刻蝕的每條柵形條與叉指鋁電極中的每對叉指相對應；在玻璃襯底上對應敏感器錨點的位置上設置有金屬敏感器焊點，實現敏感器和外部封裝的連接。
專利摘要本實用新型涉及一種電磁驅動嵌入可動梳齒和柵形電極的微慣性傳感器及其製作方法。本實用新型包括玻璃襯底、一個可動敏感器質量塊、四個固定質量塊。可動敏感器質量塊邊沿向中心對稱開有三對通槽，三對通槽將可動敏感器質量塊分兩個固定部分和中間的兩個可動部分。可動部分的兩側對稱設置矽條，梳檢測矽條與對應的三條可動矽條交叉設置。可動敏感器質量塊可動部分的U形槽與柵條之間設置有金屬驅動導線，玻璃襯底表面對應可動敏感器質量塊設置有叉指鋁電極。本實用新型製作工藝簡單，有利於降低成本和提高成品率。
文檔編號B81B7/02GK201376893SQ200920117240
公開日2010年1月6日 申請日期2009年4月7日 優先權日2009年4月7日
發明者董林璽, 顏海霞 申請人:杭州電子科技大學