一种V形梁扭摆式单轴微机械加速度计及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种V形梁扭摆式单轴微机械加速度计及其制备方法，加速度计包括连接为一体的硅敏感结构和玻璃基板，硅敏感结构包括固定框架以及和固定框架形成一体的支撑梁以及敏感质量块组件，支撑梁的横截面为V形，敏感质量块组件通过支撑梁固定于固定框架上，玻璃基板上设有电容板组件和引线电极，电容板组件设于敏感质量块组件下方且与敏感质量块组件间隙布置，引线电极和电容板组件相连；制备方法包括对硅圆片进行两次光刻、两次腐蚀制备硅敏感结构，再将硅敏感结构与玻璃基板键合得到V形梁扭摆式单轴微机械加速度计。本发明专利技术具有加工工艺简单、加工质量高、加工鲁棒性好、交叉轴耦合误差小、温度特性好、稳定性好的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及微机械传感器领域，具体涉及一种V形梁扭摆式单轴微机械加速度计及其制备方法。
技术介绍
加速度计主要用于测量运动物体相对惯性空间的运动参数。与传统的加速度相比，MEMS微加速度计技术，具有体积小、功耗低、易于批量化加工等特点，因而迅速成为研究的热点，其性能也在不断的提高，广泛应用于军事民用领域。目前，国外的单轴微加速度计产品已经成熟并且得到了广泛的应用，国内对于单轴微加速度计的研究和开发力度也在不断的增大，已经有部分实验室研制出性能较高的工程样机，但如何结合现有的设计工艺制造探索结构简单、制造高效、性能卓越的单轴微加速度计具有重要的现实意义。硅微扭摆式加速度计具有体积小、可靠性高、耐冲击等一系列优点，因而受到各国的普遍重视，竞相研制，目前逐步在制导和汽车检测等领域中应用。但工艺复杂、噪声大、温度特性与鲁棒性受到自身结构的限制。专利申请号为201410825011.3的中国专利文献公开了一种微机械加速度计，但是该技术方案中敏感质量块组件的支撑梁的横截面为六边形，存在加工步骤繁琐，加工鲁棒、温度特性、电容灵敏度有待提高等问题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题:针对现有技术的上述问题，提供一种加工工艺简单、加工质量高、加工鲁棒性好、交叉轴耦合误差小、温度特性好、稳定性好的V形梁扭摆式单轴微机械加速度计及其制备方法。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为: 一种V形梁扭摆式单轴微机械加速度计，包括连接为一体的硅敏感结构和玻璃基板，所述硅敏感结构包括固定框架以及和固定框架形成一体的支撑梁以及敏感质量块组件，所述支撑梁的横截面为V形，所述敏感质量块组件通过支撑梁固定于固定框架上；所述玻璃基板上设有电容板组件和引线电极，所述电容板组件设于敏感质量块组件下方且与敏感质量块组件间隙布置，所述引线电极和电容板组件相连。优选地，所述硅敏感结构由硅圆片采用双面湿法腐蚀加工工艺制成，所述支撑梁的内槽为通过双面湿法腐蚀加工工艺的一块掩膜板进行湿法腐蚀加工形成，所述支撑梁两侧的蚀空位为通过双面湿法腐蚀加工工艺的另一块掩膜板进行湿法腐蚀加工形成。优选地，所述敏感质量块组件包括两对敏感质量块，每一对敏感质量块包括质量不同且相对支撑梁对称布置的第一敏感质量块和第二敏感质量块，且所述两对敏感质量块中一对敏感质量块的第一敏感质量块和另一对敏感质量块的第二敏感质量块位于支撑梁的同一侧；所述电容板组件包括两个第一固定电容板和两个第二固定电容板，所述第一固定电容板和第一敏感质量块的相对面积、第二固定电容板和第二敏感质量块的相对面积之间大小相等，所述第一固定电容板分别布置于第一敏感质量块的下方，所述第二固定电容板分别布置于第二敏感质量块的下方，所述引线电极包括第一电极和第二电极，所述两个第一固定电容板通过导线相连构成一组检测电容且共用第一电极引出，所述两个第二固定电容板通过导线相连构成另一组检测电容且共用第二电极引出，两组所述检测电容差分得到V形梁扭摆式单轴微机械加速度计的输出电容。优选地，所述第一敏感质量块和第二敏感质量块分别通过悬臂梁和支撑梁相连，每一对敏感质量块中第一敏感质量块的悬臂梁和第二敏感质量块的悬臂梁相对支撑梁对称布置。优选地，所述悬臂梁的横截面形状为梯形。 优选地，所述第一敏感质量块通过一个侧边的中点和悬臂梁相连，所述第二敏感质量块通过一个侧边的中点和悬臂梁相连。优选地，所述第一敏感质量块和第二敏感质量块均为四棱锥状结构，所述四棱锥状结构上面积较小的顶面布置于靠电容板组件的一侧，所述第二敏感质量块上位于四棱锥状结构上面积较大的底面上设有凹槽。优选地，所述玻璃基板上设有一对键合凸台，所述固定框架上设有一对键合锚点，所述键合凸台和键合锚点之间采用阳极键合方式进行键合连接，所述一对键合锚点以支撑梁为中线对称布置于固定框架的两侧的中部。优选地，所述娃敏感结构相对玻璃基板的一侧以结构中心呈全对称分布。本专利技术还提供一种前述V形梁扭摆式单轴微机械加速度计的制备方法，步骤包括:1)采用双面湿法腐蚀加工工艺将硅圆片制成硅敏感结构；2)将硅敏感结构与带有电容板组件和引线电极的玻璃基板采用阳极键合方式进行键合，得到V形梁扭摆式单轴微机械加速度计；其中所述步骤I)中采用双面湿法腐蚀加工工艺将硅圆片制成硅敏感结构的详细步骤包括: 1.1)准备表面覆盖有二氧化硅层的硅圆片； 1.2)在硅圆片的正面放置正面掩膜板，进行光刻并腐蚀二氧化硅层，在硅圆片的正面形成预埋层掩膜图案，所述正面掩膜板对应的图案位置的二氧化硅层的厚度剩余为第一厚度； 1.3)在硅圆片的反面放置反面掩膜板，进行光刻并腐蚀至露出硅表面，在硅圆片的反面形成掩膜图案； 1.4)将硅圆片去除全部光刻胶后置于腐蚀溶液中，当反面掩膜板对应的图案位置的硅表面被腐蚀至第一深度后从腐蚀溶液中取出； 1.5)将硅圆片表面上的二氧化硅层整体去除第一厚度，使得正面掩膜板对应的图案位置被打开露出娃表面； 1.6)将硅圆片再次置于腐蚀溶液中，当反面掩膜板对应的图案位置的硅表面被腐蚀穿透； 1.7)将硅圆片表面的二氧化硅全部去除后得到硅敏感结构。本专利技术V形梁扭摆式单轴微机械加速度计具有下述优点:(I)本专利技术的硅敏感结构包括固定框架以及和固定框架形成一体的支撑梁以及敏感质量块组件，且支撑梁的横截面为V形，使支撑梁的惯性主轴方向由与结构平面呈一定的夹角转化为垂直于结构表面，可减小由结构本身因素所引起的机械蠕变造成的输出变化，从而能够有效提升加速度计稳定性；(2)本专利技术的硅敏感结构包括固定框架以及和固定框架形成一体的支撑梁以及敏感质量块组件，且支撑梁的横截面为V形，横截面为V形的支撑梁易于加工，通过两次光刻和两次腐蚀即可完成加工，相对采用横截面为六边形的支撑梁而言，加工工艺步骤更加简单。本专利技术V形梁扭摆式单轴微机械加速度计的制备方法能够制备得到本专利技术V形梁扭摆式单轴微机械加速度计，具有下述优点:(I)本专利技术V形梁扭摆式单轴微机械加速度计的制备方法仅使用两块掩膜板(正面掩膜板和反面掩膜板)即可完成加工，包括采用一次正面光刻、一次反面光刻，并且由于单晶硅在各向异性湿法腐蚀中面相交时腐蚀发生自停止，因此内侧支撑梁结构的加工鲁棒性好，加工精度高，工艺简单。(2)本专利技术V形梁扭摆式单轴微机械加速度计的制备方法中，硅敏感结构的两对敏感质量块的正面均使用正面掩膜板加工、反面均使用反面掩膜板加工而成，使得产品的加工形状和结构设计完全一致，加工当前第1页1 2 3 4 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种V形梁扭摆式单轴微机械加速度计，其特征在于：包括连接为一体的硅敏感结构（2）和玻璃基板（1），所述硅敏感结构（2）包括固定框架（20）以及和固定框架（20）形成一体的支撑梁（21）以及敏感质量块组件（22），所述支撑梁（21）的横截面为V形，所述敏感质量块组件（22）通过支撑梁（21）固定于固定框架（20）上；所述玻璃基板（1）上设有电容板组件（11）和引线电极（12），所述电容板组件（11）设于敏感质量块组件（22）下方且与敏感质量块组件（22）间隙布置，所述引线电极（12）和电容板组件（11）相连。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：肖定邦，吴学忠，侯占强，陈志华，李青松，刘高，夏德伟，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43