对称倾斜折叠梁结构电容式微加速度传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种对称倾斜折叠梁结构电容式微加速度传感器。所述的加速度传感器由一个对称的中心质量块、外部支撑框架、中心质量块与外部支撑框架相连接的八根对称倾斜折叠梁结构以及上、下盖板组成。对称的中心质量块由顶端质量块和底端质量块键合组成，每根倾斜折叠梁的内脚连接在中心质量块侧面的顶端或底端，外脚连接在外部支撑框架内侧面，整个结构上下对称。本加速度传感器的特点是弹性梁采用对称倾斜折叠梁结构，同时具有一定的对称性，有效的抑制了传感器的交叉轴灵敏度。微加速度传感器采用微电子机械系统技术制作，使器件能够形成更大尺寸的敏感质量块，使器件具有高的分辨率和灵敏度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及对称倾斜折叠梁结构电容式微加速度传感器，属于微电子机械系统领 域。
技术介绍
微加速度传感器是非常重要的微惯性器件，按照敏感原理，微机械加速度传感器 大致有以下几种压阻式、压电式、电磁式、谐振式和电容式等等。其中，电容式微加速度传 感器因具有分辨率高、动态范围大、稳定性好、温度特性好等优点，所以可广泛应用在各种 领域，如各种制导和测控系统、机器人、医疗仪器、微重力测量及高精度勘探等。电容式微加速度传感器的基本原理是质量块作为可变电容的一个可动电极，在加 速度作用下产生的微小位移而引起的可动电极和固定电极之间电容量的变化，用外围电路 检测出电容的变化量就可以测量加速度的大小。目前研究最多的一种加速度传感器采用差 分电容式结构，即质量块在惯性力作用下，使一个电容增大，同时另一个电容减小，使差动 电容并联，两电容相加，总输出电容变化量就可以近似认为与电容极板间距变化量成正比， 可以得到较高的测量灵敏度和增加输出信号的线性度。从结构形式上，电容式微加速度传感器可分为两类表面硅微加速度传感器和体 硅微加速度传感器。表面硅微加速度传感器通过对硅表面层的加工及牺牲层的腐蚀来获得 微机械部件，虽然工艺简单、成本低，与集成电路工艺兼容。但是，所制得的器件的惯性质量 和检测电容都很小。而体硅微加速度传感器则通过体硅微机械加工制作，可以制得具有较 大惯性质量的器件。本专利技术拟提出的对称倾斜折叠梁结构电容式加速度传感器为体硅微加 速度传感器，所涉及的加速度传感器的结构能够使器件形成更大尺寸的敏感质量块，检测 电容量加大，进一步提高了器件的分辨率和灵敏度等性能，从而满足了高性能检测精度的 要求。另外，所涉及的加速度传感器的弹性梁为对称倾斜折叠梁结构，同时具有一定的对称 性，有效的抑制了传感器的交叉轴灵敏度，使传感器的性能进一步提高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种对称倾斜折叠梁结构电容式微加速度传感器，是一种 能抑制交叉灵敏度、具有高分辨率和灵敏度的微机械加速度传感器。本专利技术提供的对称倾斜折叠梁结构电容式微加速度传感器，包括一个对称的中心 质量块、外部支撑框架、中心质量块与外部支撑框架相连接的八根对称倾斜折叠梁结构以 及上、下盖板，其特征在于(1)对称的中心质量块由顶端质量块和底端质量块组成，对称倾斜折叠梁结构由 四根顶端倾斜折叠梁和四根底端倾斜折叠梁组成；(2)每根倾斜折叠梁的内脚连接在中心质量块侧面的顶端或底端，外脚连接在外 部支撑框架内侧面；(3)中心质量块上、下表面电极分别与上盖板下表面电极、下盖板上表面电极构成电容，构成差分电容式微加速度传感器；(4)微加速度传感器为四片硅片键合成的整体式结构。所述的每根倾斜折叠梁内脚连接在中心质量块侧面的顶端或底端，外脚连接在外 部支撑框架内侧面，并且中心质量块上、下两面的倾斜折叠梁对称分布。所述的八根倾斜折叠梁的形状、尺寸一致。所述的倾斜折叠梁可连接在中心质量块顶端、底端侧面和外部支撑框架内侧面的 任意位置，并且每根倾斜折叠梁两个连接位置呈对称分布。所述的中心质量块的上、下表面分别与上、下盖板表面相互平行，并且中心质量块 上表面和下表面是长方形或正方形。所述的中心质量块和上、下盖板之间通过绝缘层实现电绝缘。本专利技术涉及的微加速度传感器采用体微机械加工的方法制作，制作工艺相对于表 面微机械加工工艺较复杂，但能够使器件形成更大尺寸的敏感质量块，进一步提高了器件 的分辨率和稳定性，从而满足了高性能检测精度的要求。本专利技术提出的一种对称倾斜折叠 梁结构电容式加速度传感器的制作是将两块硅片分别单面腐蚀质量块图形后再进行硅硅 对准键合，双面刻蚀形成双面都有倾斜折叠梁的中心质量块，然后再与下盖板硅片和上盖 板硅片分别键合构成差分电容式微加速度传感器(请参阅201010181131. 6)，本专利技术制作 的器件可靠性以及稳定性更好，是一种高性能的电容式微加速度传感器。总而言之，本专利技术提供了对称倾斜折叠梁结构电容式微加速度传感器结构，器件 的弹性梁采用对称倾斜折叠梁结构，并且八根倾斜折叠梁的形状、尺寸一致，整个结构具有 对称性的特点，与非倾斜折叠梁结构相比，倾斜折叠梁结构的高阶模态频率与一阶模态频 率之比有显著的提高，因此，进一步提高了器件的稳定性及降低了器件的交叉轴灵敏度，提 高了器件的性能。本专利技术提供的加速度传感器结构使器件能够形成更大尺寸的敏感质量 块，进一步提高了器件的分辨率，从而满足了高性能检测精度的要求，使加速度传感器的性 能更加稳定，并且可以根据需要，设计不同的梁长度、梁宽度、梁厚度和电容间隙，中心质量 块的大小也可以根据需求灵活选择，改变加速度传感器的量程和灵敏度，使加速度传感器 的应用范围更广。附图说明图1为本专利技术提出的一种传感器中心质量块、倾斜折叠梁、外部支撑框架结构俯 视图，倾斜折叠梁可连接在中心质量块侧面和外部支撑框架内侧面的任意位置，并且每根 倾斜折叠梁两个连接位置呈对称分布，从倾斜折叠梁内脚和外脚延伸的两部分倾斜梁呈一 定角度对称分布。其中，倾斜折叠梁外侧面与中心质量块侧面及外部支撑框架内侧面平行，如图 1(a)所示，越接近倾斜折叠梁中间部分，梁的宽度变得越窄，也可如图1(b)所示，越接近倾 斜折叠梁中间部分，梁的宽度变得越宽；也可第二种情况，倾斜折叠梁内侧面与中心质量块侧面及外部支撑框架内侧面平 行，如图1(c)所示，越接近倾斜折叠梁中间部分，梁的宽度变得越窄，也可如图1(d)所示， 越接近倾斜折叠梁中间部分，梁的宽度变得越宽；也可第三种情况，倾斜折叠梁内、外侧面与中心质量块侧面及外部支撑框架内侧面均不平行，如图1(e)所示，越接近倾斜折叠梁中间部分，梁的宽度变得越窄，也可如图 1(f)所示，越接近倾斜折叠梁中间部分，梁的宽度变得越宽；图2是本专利技术提出的第二种传感器中心质量块、倾斜折叠梁、外部支撑框架结构 俯视图，倾斜折叠梁可连接在中心质量块侧面和外部支撑框架内侧面的任意位置，并且每 根倾斜折叠梁两个连接位置呈对称分布，倾斜折叠梁的宽度不变。其中，倾斜折叠梁内、外侧面与中心质量块侧面及外部支撑框架内侧面均不平行， 从倾斜折叠梁内脚和外脚延伸的两部分倾斜梁呈一定角度对称分布，如图2(a)所示，越接 近倾斜折叠梁中间部分，两部分倾斜梁的间隙变得越窄，也可如图2(b)所示，越接近倾斜 折叠梁中间部分，两部分倾斜梁的间隙变得越宽；也可第二种情况，两部分倾斜梁的间隙不变，整个倾斜折叠梁与中心质量块侧面 及外部支撑框架内侧面呈一定角度分布，如图2(c)所示，倾斜折叠梁整体向外部支撑框架 方向倾斜一定角度，也可如图2(d)所示，倾斜折叠梁整体向内部中心质量块方向倾斜一定 角度。图3是本专利技术提出的对称倾斜折叠梁结构微加速度传感器剖面图。图中各数字代表的含义为1倾斜折叠梁、2中心质量块、3外部支撑框架、4顶端质 量块、5底端质量块、6顶端支撑框架、7底端支撑框架、8顶端倾斜折叠梁、9底端倾斜折叠 梁、10上电容间隙、11下电容间隙、12顶端过载保护限位块、13底端过载保护限位块、14上 盖板绝缘层、15下盖板绝缘层、16上盖板硅片、17下盖板硅片、18上盖板电极引线金属块、 19下盖板电极引线金属块、20中心质量块电极引线金属块、21中心质量块电极引出间隙、 22本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种对称倾斜折叠梁结构电容式微加速度传感器，其特征在于所述的加速度传感器包括一个对称的中心质量块、外部支撑框架、中心质量块与外部支撑框架相连接的八根对称倾斜折叠梁结构以及上、下盖板，其中：（１）对称的中心质量块由顶端质量块和底端质量块组成，对称倾斜折叠梁结构由四根顶端倾斜折叠梁和四根底端倾斜折叠梁组成；（２）每根倾斜折叠梁的内脚连接在中心质量块侧面的顶端或底端，外脚连接在外部支撑框架内侧面；（３）中心质量块上、下表面电极分别与上盖板下表面电极、下盖板上表面电极构成电容，构成差分电容式微加速度传感器。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：车录锋，李伟，林友玲，王跃林，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：31