一种具有柔性铰链结构的MEMS扭摆式加速度计制造技术

本发明专利技术公开了一种具有柔性铰链结构的MEMS扭摆式加速度计，包含至少4个位于硅材料衬底上呈两排排列的敏感单元；每排中相邻的两个敏感单元的质量块经H形柔性铰链连接形成机械耦合，由H形柔性铰链连接的两相邻敏感单元关于H形柔性铰链的转轴呈对称分布，两质量块作同向转动运动；两排之间相邻的两个敏感单元的质量块经X形柔性铰链连接形成机械耦合，由X形柔性铰链连接的两相邻敏感单元关于X形柔性铰链的转轴呈对称分布，两质量块作反向转动运动。本发明专利技术的具有柔性铰链结构的MEMS扭摆式加速度计，其优点是易于实现大质量扭摆式敏感结构、降低敏感结构对热应力和衬底变形的敏感性，同时避免了大尺寸质量块平板柔度带来的问题。

A MEMS torsional pendulum acceleration with flexible hinge structure.

The invention discloses a MEMS torsional pendulum acceleration with flexible hinge structure, containing at least 4 silicon substrate is sensitive to unit two rows; mass two sensitive adjacent cells in each row with H shaped hinge connection is formed by mechanical coupling, H - two adjacent flexible sensitive element hinge shaft on H shaped flexible hinge is symmetrical, two mass for rotation in the same direction of movement; two mass sensitive units in two adjacent rows between the X shaped flexible hinge formed by mechanical coupling, X - two adjacent sensitive unit of flexible hinge axis flexure hinge is about X symmetric distribution, two mass as reverse rotation motion. The present invention has MEMS torsional pendulum acceleration flexible hinge structure, the utility model has the advantages of easy to realize high quality sensitive structure and reduce the torsional pendulum sensitive structure stress and substrate deformation sensitivity to heat, and avoid large size mass plate flexibility problem.

【技术实现步骤摘要】
一种具有柔性铰链结构的MEMS扭摆式加速度计
本专利技术属于硅微机械传感器
，尤其涉及一种具有柔性铰链结构的MEMS扭摆式加速度计。
技术介绍
MEMS(微机电系统)加速度计自问世以来，以其体积小、成本低、可靠性高、功耗低、抗恶劣环境能力强、易集成等优点受到了广泛的关注。MEMS电容式加速度计更以其灵敏度高、稳定性好、温度系数低等优良特性，成为当下研制最多、应用最广的MEMS器件之一。目前MEMS加速度计的敏感结构主要有三种结构：三明治摆式加速度计、梳齿式平动式加速度计和扭摆式加速度计。随着MEMS微惯性测量领域的发展，对MEMS加速度计的精度要求也越来越高。进一步提高MEMS加速度计精度时，首先需要大幅降低机械噪声，机械噪声的主要来源是布朗热噪声，其计算公式为：TNEA＝√(4kBTωr/Q/M)，其中kB是波尔兹曼常数，ωr是谐振频率，M是敏感结构的有效质量，Q是品质因数，T是绝对温度。实际情况限制了谐振频率、温度、Q值的可改变设计范围，因此降低布朗噪声较为可行的方法是增大敏感质量块的质量；其次，为进一步提高MEMS加速度计的性能，需降低各种应力、变形对敏感结构带来的影响。扭摆式加速度计，因其敏感质量块绕弹性梁的扭转形似跷跷板而得名，当存在垂直于质量块的加速度输入时，质量块绕弹性梁扭转，从而使敏感质量块下方相应的一对差动电容一个增大一个减小，通过测量差动电容的变化即可得到沿敏感轴输入的加速度。扭摆式加速度计具有单一锚点、灵敏度高等优点，其典型结构为单支点扭摆式结构，为降低布朗噪声，增大敏感质量块的质量有增加质量块厚度和增大质量块尺寸两种方式。增大质量块厚度存在刻蚀深宽比、材料选择比等问题，增加了工艺制作难度。而增大质量块尺寸对于单支点扭摆式结构则存在以下缺点：(1)尺寸较大的敏感质量块因相对较“薄”会带来平板柔度问题，即很难再将质量块理想化为刚性体，平板柔度问题在扭摆式加速度计的闭环力平衡模式中，会导致质量块平板出现两端下沉式的弯曲变形，影响加速度计的闭环非线性；(2)源自材料热膨胀系数不匹配产生的热应力对传感器芯片造成的弯曲变形在所难免，而扭摆式加速度计的敏感下电极通常附着于芯片衬底之上，随芯片一起产生弯曲变形，质量块尺寸越大，分布在其下方的敏感下电极离扭转弹性梁的距离也越大，对热应力造成的变形也更为敏感。
技术实现思路
专利技术目的：为解决单支点扭摆式结构在增大质量块尺寸后带来的上述问题，本专利技术提出了一种可行的方案为具有柔性铰链结构的多敏感单元耦合结构。多个敏感单元通过柔性铰链耦合成一个面阵质量块整体，其中单个敏感单元即为典型的单支点扭摆结构。面阵质量块通过同频同幅的反向转动来敏感待测加速度。带有柔性铰链结构的多敏感单元耦合结构通过“分而合之”的方式，有效增大了敏感结构的尺寸(质量)，同时避免了大尺寸单支点扭摆结构的上述两个缺点。技术方案：一种具有柔性铰链结构的MEMS扭摆式加速度计，其特征是，包含至少4个位于硅材料衬底上呈两排排列的敏感单元；每排中相邻的两个敏感单元的质量块经H形柔性铰链连接形成机械耦合，由H形柔性铰链连接的两相邻敏感单元关于H形柔性铰链的转轴呈对称分布，两质量块作同向转动运动；两排之间相邻的两个敏感单元的质量块经X形柔性铰链连接形成机械耦合，由X形柔性铰链连接的两相邻敏感单元关于X形柔性铰链的转轴呈对称分布，两质量块作反向转动运动。所述敏感单元为单支点扭摆式结构，包含质量块、弹性梁、中心锚点以及位于质量块下方的第一下电极、第二下电极；所述质量块经两弹性梁悬挂于中心锚点上，质量块的一侧设有凹腔，使质量块位于弹性梁的两侧具有质量差；所述中心锚点固定于所述衬底上。所述第一下电极、第二下电极附着于衬底上，第一下电极、第二下电极关于弹性梁呈对称分布；第一下电极、第二下电极与质量块之间存有一间隙，形成用于敏感加速度的一对差动电容。所述间隙的值为1～3μm。各个敏感单元的第一下电极、第二下电极分别连接在一起形成电学连接。所述X形柔性铰链包括外连端、中心动支点、相互垂直的第一柔性梁和第二柔性梁；X形柔性铰链为关于中心动支点的对称结构；所述外连端用于与质量块相连，所述第一柔性梁的一端与外连端相连，另一端与第二柔性梁的一端相连，第二柔性梁的另一端连接至中心动支点。所述H形柔性铰链包括连接端、第三柔性梁和中心连接点；H形柔性铰链为关于中心连接点的对称结构，所述连接端用于与质量块相连，所述第三柔性梁的一端与连接端相连，另一端连接至中心连接点。所述敏感单元的数量为4个、6个或8个。有益效果：本专利技术的具有柔性铰链结构的MEMS扭摆式加速度计，其优点是易于实现大质量扭摆式敏感结构、降低敏感结构对热应力和衬底变形的敏感性，同时避免了大尺寸质量块平板柔度带来的问题。附图说明图1为本专利技术所述一种具有柔性铰链结构的MEMS扭摆式加速度计的整体示意图。图2为本专利技术所述一种具有柔性铰链结构的MEMS扭摆式加速度计的四敏感单元耦合结构示意图。图3为本专利技术所述一种具有柔性铰链结构的MEMS扭摆式加速度计的敏感单元结构示意图。图4为本专利技术所述一种具有柔性铰链结构的MEMS扭摆式加速度计的H形柔性铰链结构示意图。图5为本专利技术所述一种具有柔性铰链结构的MEMS扭摆式加速度计的X形柔性铰链结构示意图。图6为本专利技术所述一种具有柔性铰链结构的MEMS扭摆式加速度计的反向转动模态图。图7为本专利技术所述一种具有柔性铰链结构的MEMS扭摆式加速度计的同向转动模态图。图8为本专利技术所述一种具有柔性铰链结构的MEMS扭摆式加速度计的八敏感单元耦合结构示意图。图中，1为四敏感单元耦合结构，3为衬底。1e为第一敏感单元，2e为第二敏感单元，3e为第三敏感单元，4e为第四敏感单元。11为质量块，12为弹性梁，13为中心锚点，14为凹腔；25a为第一下电极，25b为第二下电极；3x为X形柔性铰链，37为外连端，33为第一柔性梁，35为第二柔性梁，39为中心“动支点”。4h为H形柔性铰链，47为连接端，45为第三柔性梁，49为中心连接点；16为压焊座。具体实施方式以下结合附图以一种具有柔性铰链结构的MEMS扭摆式加速度计为例对本专利技术进行详细说明。一种具有柔性铰链结构的MEMS扭摆式加速度计，整体示意图如图1所示，其含有一衬底3，所述衬底3通常为半导体硅材料，可选用SOI(绝缘层上硅)硅片的底层硅作为该衬底3，衬底3厚度380μm左右。衬底3上制作有四个敏感单元，按照直角坐标系四个象限分别为第一敏感单元1e、第二敏感单元2e、第三敏感单元3e、第四敏感单元4e，四个敏感单元呈矩形分布。所述敏感单元如图3所示，为单支点扭摆式结构，由质量块11、弹性梁12、中心锚点13、以及位于质量块11下方的第一下电极25a、第二下电极25b组成。第一下电极25a、第二下电极25b、中心锚点13附着在衬底3上，由SOI硅片的顶层硅经两次刻蚀形成，顶层硅厚度5μm，第一次刻蚀形成中心锚点13形貌，刻蚀深度即为下电极与质量块11之间的间隙，第二次刻蚀形成下电极形貌。SOI硅片的顶层硅与底层硅之间存有2μm左右的二氧化硅埋氧层，该埋氧层作为介质绝缘层，将第一下电极25a、第二下电极25b、中心锚点13与衬底3之间形成电绝缘。第一下电极25a、第二下电极25b关于弹性梁12本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有柔性铰链结构的MEMS扭摆式加速度计，其特征是，包含至少4个位于硅材料衬底上呈两排排列的敏感单元；每排中相邻的两个敏感单元的质量块经H形柔性铰链连接形成机械耦合，由H形柔性铰链连接的两相邻敏感单元关于H形柔性铰链的转轴呈对称分布，两质量块作同向转动运动；两排之间相邻的两个敏感单元的质量块经X形柔性铰链连接形成机械耦合，由X形柔性铰链连接的两相邻敏感单元关于X形柔性铰链的转轴呈对称分布，两质量块作反向转动运动。

【技术特征摘要】
1.一种具有柔性铰链结构的MEMS扭摆式加速度计，其特征是，包含至少4个位于硅材料衬底上呈两排排列的敏感单元；每排中相邻的两个敏感单元的质量块经H形柔性铰链连接形成机械耦合，由H形柔性铰链连接的两相邻敏感单元关于H形柔性铰链的转轴呈对称分布，两质量块作同向转动运动；两排之间相邻的两个敏感单元的质量块经X形柔性铰链连接形成机械耦合，由X形柔性铰链连接的两相邻敏感单元关于X形柔性铰链的转轴呈对称分布，两质量块作反向转动运动。2.根据权利要求1所述的一种具有柔性铰链结构的MEMS扭摆式加速度计，其特征是，所述敏感单元为单支点扭摆式结构，包含质量块、弹性梁、中心锚点以及位于质量块下方的第一下电极、第二下电极；所述质量块经两弹性梁悬挂于中心锚点上，质量块的一侧设有凹腔，使质量块位于弹性梁的两侧具有质量差；所述中心锚点固定于所述衬底上。3.根据权利要求2所述的一种具有柔性铰链结构的MEMS扭摆式加速度计，其特征是，所述第一下电极、第二下电极附着于衬底上，第一下电极、第二下电极关于弹性梁呈对称分布；第一下电极、第二下电极与质量块之间存有一间隙，形成用于敏感加速度...

【专利技术属性】
技术研发人员：周铭，郭述文，
申请(专利权)人：北方电子研究院安徽有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽,34