CN101069099A - 微机械加工的集成单片三轴加速度计 - Google Patents

微机械加工的集成单片三轴加速度计 Download PDF

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Abstract

一种单片集成三轴加速度计芯片，包括单晶基板，该基板包括至少一个单晶膜层部分。由单晶膜形成的单个传感器微结构感测全部三个正交方向的每个上的加速度。至少一个电子电路亦可设置在该芯片上，如用于驱动、检测、控制和信号处理的电路。

Description

微机械加工的集成单片三轴加速度计
技术领域
本发明涉及传感器，更具体而言涉及单片集成MEMS传感器。
背景技术
由于其集成具有感测元件、预期的多厂商可达性(multivendoraccessibility)以及短设计周期时间的高性能片上(on-chip)信号调节电路的能力，通过互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容的制造过程而制造的微机械加工的装置是吸引人的。目前，大多数CMOS兼容的微机械加工过程是基于多晶硅(polysilicon)或多晶的硅/锗(polycrystalline silicon/germanium)表面微机械加工过程的，其使用二氧化硅作为牺牲材料，并且典型地包含由于释放微机械结构的湿刻蚀步骤。即使HF蒸汽可被用于释放，在释放期间对集成电路的保护和粘附问题仍保持为主要的顾虑。
对于每个限制静电激励器和电容性传感器的设计灵活性的连续微结构，单个多晶硅微结构上的接线被约束到一个电极。而且，多晶硅过程中的相对大的寄生电容使电容性传感器设计的性能降级。例如，MUMP的多晶硅过程中具有30μm重叠的50-指梳状驱动具有大约28fF的感测电容。寄生电容是单独由于指的13fF，来自互连的14aF/μm和对于标准的78μm乘78μm的正方形接合垫的1.1pF。到外部电子器件的接合线或焊料凸块连接贡献了附加的寄生电容。
小型三轴加速度计常常是汽车、导航系统中所需要的，并且是一些医疗应用所需要的，如用于半身不遂(hemiplegic)病人。存在两种类型的微机械加工过程，即表面微机械加工和体微机械加工(bulk micromachining)。大多数现有微机械加工的加速度计是单轴或双轴的，并且是使用表面微机械加工过程来制造的。
一般而言，体微机械加工产生大的检验质量(proof mass)并且适合于制作具有电容性平行板或压阻性梁(piezoresistive beam)的z轴加速度计。然而，典型的是没有CMOS电路集成在传感器芯片上。另一方面，表面微机械加工可与CMOS过程兼容并且适合于制造具有电容性交叉梳指(combfinger)的横轴加速度计。通过组装并正交取向两个或三个分离的加速度计，可获得三轴加速度感测系统，但封装尺寸和成本二者都是高的。
一些3轴加速度计已有报导。其中体微机械加工的3轴加速度计通常具有大质量，但需要晶片接合、湿刻蚀和两侧对准。表面微机械加工的三轴加速度计可具有集成接口电路，但具有小质量。
Lemkin等披露了一种表面微机械加工的3轴加速度计[Lemkin等，“A3-Axis Force Balanced Accelerometer Using a Single Proof-Mass”，Transducer‘97，1997 International Conference on Solid-State Sensors and Actutors，Chicago，1997年6月16-19日，第1185-1188页]。Lemkin的加速度计使用单晶硅作为基板材料，但传感器微结构由薄膜多晶硅制成。Lemkin所披露的x和y轴感测元件是梳指，而z轴感测电容被形成为基板上的地多晶硅层(ground polysilicon layer)和检验质量之间的平行板对。这样，分离的固定电容器被用于实现用于z轴感测的差动电容性桥。值得注意的是，固有的大寄生电容大大减小可获得的信噪比。薄膜材料的残余应力亦限制检验质量的大小，这限制了Lemkin的加速度计的可获得的分辨率。
发明内容
单片集成3轴加速度计传感器“芯片”包括单晶基板，该基板包括至少一个单晶膜层部分。与单晶基板的标称厚度相比，膜层是薄的。基于电容性感测的单个传感器微结构是使用膜层形成的，并且感测三个正交的方向(x、y和z)的每个上的加速度。在一个实施例中，包括传感器微结构的所有部件都利用膜层。
如以上所使用的，术语“集成的”有两重意思。第一，3轴加速度传感器集成在单个芯片上。第二，所述传感器，以及一个优选实施例中的诸如信号调节电子器件的电路，亦集成在所述芯片上。尽管称为加速度传感器，所述传感器更广义地是运动传感器或振动传感器。所述芯片亦可用作倾斜传感器。
至少一个接口电子电路优选地提供在芯片上以便于处理传感器数据。传感器微结构优选地利用梳指组(comb finger set)，至少一个梳指组用于感测三个正交轴之一上的运动。接口电路可包括前置放大器、解调器、低通滤波器、A/D转换器和/或数字信号处理器(DSP)。单晶基板可被用于提供至少一个电极。单晶膜层优选地小于100μm厚，如60μm、50μm或40μm。
所述加速度计可包括单个检验质量，并且所述电子电路可设置在检验质量之上。用于x-感测和y-感测两者的梳指组可提供全差动电容性桥。相应梳指组优选地相互电隔离并且与芯片的其它部分电隔离。
所述加速度计可包括刚性框架，用于将x-y感测从z-感测去耦。在一个实施例中，用于z-感测的结构可设置在所述刚性框架内，其中所述框架连同所述z-感测结构是用于x-y感测的有效检验质量。用于x-y感测的结构可设置在所述框架内，其中所述框架加上x-y感测结构是用于z-感测的有效检验质量。
加速度计芯片可包括使用由CMOS层和单晶基板形成的侧壁电容器的差动z轴电容性感测。单晶基板可包括硅，而电子电路包括CMOS电路。收发器和集成天线亦可提供在芯片上以允许加速度计芯片和位于远程的系统之间的通信。
附图说明
基于对以下详述连同附图的回顾，将实现对本发明及其特征和其有利之处的较全面的理解，在附图中：
图1(A)-1(C)示出使用DRIE CMOS-MEMS过程获得的根据本发明一个实施例的中间结构的横截面，而图1(D)示出最终单片集成单晶硅(SCS)3轴加速度计结构的横截面。
图2(A)示出根据本发明一个实施例的横轴梳指传感器的设计。
图2(B)示出根据本发明另一个实施例的竖轴梳指传感器的设计。
图2(C)示出根据本发明另一个实施例的横轴梳指传感器的设计，其中SCS层用作有源电极(active eletrode)。
图2(D)示出根据本发明另一个实施例的竖轴梳指传感器的设计，其中SCS层用作有源电极。
图3(A)和(B)示出根据本发明实施例的在侧壁边缘具有电极以减小寄生电容的梳指的设计，分别具有一个和两个电极。
图3(C)示出图3(A)的单电极侧壁梳指的设计，其根据本发明一个实施例被修改成包括膜层的初始下切(undercut)以进一步减小寄生电容。
图3(D)示出图3(B)的二电极侧壁梳指的设计，其根据本发明一个实施例被修改成包括膜层的初始下切以进一步减小寄生电容。
图4(A)示出根据本发明另一个实施例的z轴弹簧设计。
图4(B)示出根据本发明一个实施例的包括中心板的x-y弹簧的顶视图。
图4(C)示出图4(B)所示的x-y弹簧的分支的侧视图。
图5(A)示出根据本发明另一个实施例的示例性集成3轴加速度计的拓扑。
图5(B)示出中心z轴加速度计的另一种设计的拓扑，其中该z轴加速度计包括SCS扭转梁和未平衡的检验质量。
图6(A)示出根据本发明一个实施例的用于x-y加速度计的NODAS模型，其中板表示质量的检验。
图6(B)示出根据本发明一个实施例的用于三轴加速度计的NODAS仿真得到的AC响应。
图7(A)是所释放的三轴加速度计的显微图；图7(B)是来自加速度计的x-y弹簧的显微图，而图7(C)是来自加速度计的y感测梳指的显微图，全部都依照本发明的实施例。
图8是一SEM，示出根据本发明一个实施例的多个梳指。
具体实施方式
单片集成3轴加速度计“芯片”包括单晶基板，该基板包括至少一个单晶膜层部分。传感器微结构使用电容性感测来感测三个正交方向的每个上的加速度，并且是使用单晶膜层形成的。至少一个电子电路优选地亦形成在芯片上。所述单晶基板优选为硅基的，但可以是与集成电路处理兼容的任何单晶基板材料，如Si/Ge或GaAs。在描述单晶硅基板时，这样的基板或其部分在此称为单晶硅(SCS)。
提供在芯片上的电子电路可包括前置放大器、解调器、低通滤波器、A/D转换器和DSP。收发器和集成的片上天线亦可被集成用于需要根据本发明的多个系统之间或根据本发明的系统和位于远程的系统之间的通信的应用。这样，本发明可将SCS基传感器微结构与CMOS电子器件集成在单个芯片上。先前工作已将电子器件与由多晶硅或其它多晶薄膜材料制成的传感器微结构集成。
包括传感器系统的单晶基微结构优选地全部使用SCS膜层来制成，除了z轴感测的一个披露的实施例，其包括z轴顺从的弹簧。因此，检验质量由SCS制成，并且可有利地比如Lemkin的多晶硅基微结构大得多。薄膜多晶硅过程中的固有残余应力限制多晶硅检验质量的面积和厚度以避免由检验质量的卷曲或翘曲导致的装置降级或故障。因此，本发明所提供的较大检验质量产生了对应的较大惯性，其导致高得多的灵敏度并使能较高的分辨率。另外，使用SCS基微结构提供了优于其它情况下类似多晶硅微结构的改善的鲁棒性和温度性能。
在优选的3轴加速度计实施例中，分离的梳指组被提供用于x、y和z轴加速度感测。本发明亦披露了一种用于加速度感测的新型且改进的梳指设计。在一个优选实施例中，梳指具有在单晶硅(SCS)膜层顶部上的金属/电介质复合薄膜层(“CMOS层”)。SCS层优选地具有与梳指的接合处(或固定件(anchor)))相邻的切口(cut)，从而导致在每个梳指下的SCS层与该SCS的其余部分电隔离，并且结果使梳指彼此电隔离。在一个实施例中，SCS层被用作有源电极。
由于SCS膜层(例如60μm厚)比设置在其上的CMOS层(＜5μm)厚得多，所得到的梳指有大得多的感测电容。另外，所述微结构的寄生电容很小，这是因为在基于SCS膜的结构下没有硅基板。因此，信噪比基本上得以改善。
接口和传感器信号调节电路可设置在检验质量的顶部上。将接口和信号调节电路设置在检验质量上可显著减小芯片尺寸，其可减小单片传感器的成本。所述装置可通过后CMOS微机械加工过程来制造，其仅利用干刻蚀，并且没有额外的掩模，材料沉积或晶片接合。1μg/Hz1/2的噪声基底(noisefloor)通常可以以2mm乘2mm的装置来提供。更低的噪声底层亦可以以较大的检验质量大小和低噪接口电路来实现。
单片单晶基传感器可使用深反应性离子刻蚀(DRIE)CMOS-MEMS过程来形成，所述过程可遵循标准的CMOS处理来实施，在此期间接口和信号调节电路亦可形成在芯片上。DRIE过程被描述于Xie等的论文中，题为“Post-CMOS Processing for High Aspect-Ratio Integrated SiliconMicrostructures”，Journal of Microelectromechanical Syetems，Vol.11，No.2，2002年4月，以及Fedder等的美国专利No.6,458,615中，题为“Method ofFabricating Micromachined Structures and Devices formed Therefrom”，两者在此均全部引入本申请作为参考。然而，本发明决不局限于使用DRIECMOS-MEMS过程来形成。
使用DRIE CMOS-MEMS过程的根据本发明的示例性过程流程连同中间结构和所得到的示例性加速度计装置分别在图1(A)-1(C)和图1(D)中示出。CMOS晶片从其背侧被刻蚀，如图1(A)所示在标记为微结构区160的区域中留下10到100μm厚的单晶硅(SCS)膜层110。微结构区160是将形成包括传感器微结构的传感器的地方。具有一个或多个CMOS装置125，如信号调节电子器件的标记CMOS区120的区域中的Si厚度保持晶片起始材料的Si厚度，典型地至少大约500μm。三个金属层在图1(A)中示出，即150、140和130，通过电绝缘层，如二氧化硅135而彼此分离并且与其它导电区分离。
CMOS区125可包括接口电路，如前置放大器、解调器、低通滤波器、A/D转换器和DSP，其可通信地连接到(例如金属迹线)在微结构区180中提供的传感器。在一个优选实施例中，CMOS区125亦包括收发器和集成的片上天线，从而允许从加速度计到一个或多个远距离地点的传感器数据的无线传输。
任选的多晶硅基区域170被示出包括在微结构区160内。区域170包括金属层130和多晶硅层155。多晶硅层155典型地仅大约0.2μm厚，比典型的氧化物层(1μm)和典型的金属层(0.5μm)薄。
接下来使用区域125和160中的顶部金属层作为刻蚀掩模从前侧执行各向异性电介质刻蚀，并且得到图1(B)所示的结构。然后，与其它过程相对照，各向异性而不是各向同性硅刻蚀被用于刻蚀SCS膜110的部分并释放微结构155和170以产生图1(C)所示的结构。厚且硬的单晶层110保持在整个微结构之下，从而得到相对平坦的释放结构，特别是当与多层薄膜CMOS-MEMS结构相比时。
如在此所使用的，应用于微结构的术语“释放”或术语“使自由”指的是可在一个、两个或甚至三个方向上移动的微结构部分。如以上所述的释放是通过首先在牺牲层，如硅层的顶部上形成微结构来实现的。在去除牺牲层之后，微结构可自由移动。尽管未示出，所述微结构在一个或多个固定点被固定于基板。
任选的各向同性定时Si刻蚀步骤可被用于下切包括区域160中的结构的硅，从而产生z-顺从的结构。如图1(D)所示，包括多晶硅层155的结构175使Si被总体下切(去除)。硅下切是小的(＜1μm)以使CMOS区120中的硅将保持，如在图1(D)中所示的微结构185之下的SCS膜110那样。该步骤既提供了z-顺从的结构并且也实现了包括微结构的相应感测部件之间的SCS膜110的电隔离。
根据本发明的各种梳的设计可被用于实现同一芯片上的至少三个梳组以提供两个横轴(x，y)以及竖直(z轴)上的基于电容的加速度感测，由此提供完整的全三轴感测。横轴和z轴电容性梳指感测的原理首先在图2(A)和2(B)中分别示出的横截面视图中说明。SCS层可以仅仅是图2(A)和2(B)中所示的机械支持层，或者是图2(C)和2(D)中所示支持和有源电极层二者。仅作为机械支持的SCS层
在该实施例中，包括每个指的SCS膜层212与设置在膜层212顶部上的金属/电介质堆叠213电隔离。如果定子205和转子210上的相应金属层206、207和208被分别电连接，如图2(A)所示，则CMOS梳状驱动起到类似于常规横轴多晶硅梳状驱动的作用。如果定子上的全部三个金属层206-208被电连接，而转子210上的金属层206和208被单独连接，如图2(B)所示，两个侧壁电容器C1和C2将基于转子210的竖直(z轴)运动在相反的方向上改变值。由于高的接线灵活性，全差动电容性桥可容易地形成。由于针对图1(D)示出和描述的单晶硅下切，图2(A)和(B)中所示的全部梳指具有“T”形横截面。
作为有源电极的SCS膜层(图2(C)和2(D))
在该实施例中，包括每个指的SCS膜层242可电连接于顶部金属/电介质堆叠243，如图2(C)所示，用于横轴加速度感测。这类似于图2(A)和2(B)中所示的情况，其中SCS膜层212仅提供机械支持。对于z轴加速度感测，定子指上的SCS膜层252被示出电连接于相应的顶部金属/电介质堆叠253上，而转子指262上的SCS层被示出与顶部金属/电介质堆叠263电隔离。类似于图2(B)，包括电容器C1和C2的差动电容器对由图2(C)和2(D)所示的设计来提供。
图3(A)和3(B)示出梳指的横截面视图，其中单个电极315和两个分离的电极317和318分别设置在侧壁边缘以减小对SCS梁320的寄生电容重叠。寄生效应可通过使SCS梁320变窄来进一步减小。SCS梁320的宽度由针对图1(D)所述的硅下切步骤来控制。SCS梁320不应制作得过窄(～2μm)，因为机械鲁棒性可变得受损害。初始硅下切可被用于进一步减小重叠寄生电容，如在图3(C)所示的单电极实施例中和在图3(D)中所示的双电极实施例中所示的。该初始硅下切应在图1(B)和图1(C)中所示的步骤之间执行。
与常规加速度计一样，梳指的运动由弹簧来控制。z轴顺从的弹簧410在图1(A)中示出，其可通过连接具有短桁架(truss)的多个梁并且使用在顶部具有金属-2或金属-3的梁来实现。在顶部具有金属-1的梁在z方向上甚至更顺从，但它们具有大的平面外卷曲。窄梁被用在弹簧中以保证硅的完整下切，从而形成z-顺从的薄膜结构。具有短桁架的多个梁可增加横向方向上的硬度以减小交叉-轴灵敏度。
x/y轴弹簧可通过绕中心板425对称设置四个子弹簧430来获得，如图4(B)所示。弹簧是使用固定件428来紧固的。所示的每个子弹簧由串联的矩形闭合的梁组成，其在x和y两方向上都是挠性的并且被固定于单个点。该x/y轴弹簧设计的优点是x和y方向上的弹簧常数相等。图4(C)示出一个x/y弹簧分支430的侧视图。图5(B)中所示并且在以下描述的用于z轴加速度计的扭转弹簧是使用具有矩形横截面的长SCS梁来构造的。
根据本发明一个实施例的示例性3轴加速度计的拓扑500在图5(A)示出。用于x轴感测的梳指510形成八个电容器，即四个Ci＝Ci1+Ci2，其中i＝1，2。由于对称性，Ci对一阶的y轴加速度不敏感，这是因为C1和C2形成差动电容性分压器(differential capacitive divider)，C3和C4也是这样。这样，使用四个Ci而获得全差动电容性桥。由于在用于x-y弹簧545的弹簧梁下有SCS膜，弹簧在z方向上比在x或y方向上硬得多(大约两个数量级)，这显著减小了z轴交叉灵敏度。相同的基本原理适用于y轴感测梳指520所提供的y轴加速度感测。弹簧545由固定件565来固定。
图5(A)中所示的3轴加速度计上的z轴加速度感测是通过在包括z感测梳指540的结构的中心嵌入z轴加速度计530来获得的。如图5(A)所示，z轴加速度计530设置在刚性框架560内。框架560连同加速度计530所提供的z感测结构是用于x-y感测的有效检验质量。尽管未在图5(A)中示出，本领域的普通技术人员将理解，用于x-y感测的结构可设置在所述框架中。在该设置中，所述框架加上x-y感测结构是用于z感测的有效检验质量。
z轴加速度计530的悬置优选地处于图4(A)所示的挠曲的形式，其在z方向上是挠性的。同样，交叉-轴加速度贡献受到差动电容性拓扑的抑制。应指出，z轴加速度计530中的差动电容器优选地竖直堆叠(如图2(B)所示)并且被分成组。
图5(B)示出中心z轴加速度计的可替换实施例。该z轴加速度计设计包括SCS扭转梁(弹簧)580、未平衡的检验质量585和z感测梳指590。在该设置中，z轴加速度将产生扭矩以使未平衡的检验质量585倾斜。该倾斜与z轴加速度成比例并且可由图2(B)所示的相同z轴感测梳指检测到。该z轴加速度计可直接取代图5(A)所示的z轴加速度计530而无需改变其它。该实施例的优点在于，整个3轴加速度计结构利用了SCS膜，其导致较为鲁棒且优良的温度性能。一个缺陷是感测电容对所述倾斜的非线性度。该非线性度可通过采用闭环控制的力平衡来克服。
本发明的示例性应用
如以上所指出的，在本发明之前，通常需要三个分离的常规单轴加速度计来监视运动，这是因为加速度是矢量量。尽管单轴加速度计典型的是小的，但组装三个单轴加速度计显著地增加了封装尺寸和成本。因此，在此披露的集成3轴加速度计更好地适合于许多加速度计有关的应用，特别是需要小尺寸、低功率、低成本和高分辨率的这样的应用。
在一些应用中，单点加速度检测可能不够。例如，如果给定应用需要同时知道个体的头、臂和腿的运动，则小尺寸是甚至更加重要的。单片3轴加速度计的紧凑尺寸和低成本由此使根据本发明的系统对于各种各样的应用具有吸引力。
在一个应用中，可通过在头盔中放置单片3轴加速度计来实时监视对足球运动员头部的冲击。在如以上指出的优选实施例中，基于所述单片3轴加速度计的系统包括无线发射器和片上信号处理，如在同一单片芯片上，用于将加速度数据发送给一个或多个位于远程的监视站。这样，当所测加速度被感测为处于某个预定阈值以上时，可向足球运动员警告可能的头部伤害。所获得的数据亦可帮助教练训练并且帮助头盔制造商制作更好的头盔来避免头部伤害。尽管三(3)个常规加速度计通常可用于该特定应用，如以上所指出的，组装三(3)个单轴加速度计极大地增加了成本和尺寸。
尽管三(3)个常规加速度计的总尺寸可能适合于足球运动员的头盔，它对于其它应用可能是过大的，如用于婴儿和老年人的活动监视。由于其小尺寸、低功率和无线通信能力，根据本发明的基于无线单片3轴加速度计的系统适于佩戴。所记录的运动数据可通过无线网络发送到位于远程的位置，如基站，或者直接发送给医生办公室。根据本发明的基于单片3轴加速度计的系统的应用可包括以下：
1.用于病人复原的运动监视。
2.用于运动员、婴儿和老年人的身体活动监视。
3.用于识别受伤的大动物的痛源的运动监视。
在以上示例性的应用中，传感器必须是可佩戴的。因此，传感器必须是小的，低功率的和无线的。如以上所指出的，这些所需特征的每个都由根据本发明的传感器来提供。
同一概念可适用于市政基础设施监视和保护。用于市政基础设施，如桥和建筑物的振动监视可检测潜在的机械故障。无线传感器网络可设置在摩天大楼中。当极端事件，如地震、飓风或恐怖袭击发生时，传感器网络可提供摩天大楼的不同位置处的损坏信息，其可引导建筑物内的人逃跑并帮助定位和营救被截留的幸存者。无线传感器亦可设置在战场或森林中以监视敌人的活动。石油勘探是另一种潜在的应用，其中油源可通过测量现场的冲击波传播来识别。在该应用中，具有高灵敏度和低功率的振动无线传感器网络是很有效且不贵的解决方案。
消费者电子器件和汽车亦是本发明的应用。例如，CD保持器的振动控制，用于碰撞保护的气囊，以及图像稳定化亦需要小尺寸、低功率和低成本的振动传感器。
三轴加速度计可与陀螺仪组合用于空间和军事应用的导航控制。便携式导航单元对于战场中的战士精确定位自身是极其有用的，即使是在GPS信号阻塞或不可用时。
实例
通过以下实例来进一步说明本发明。所述实例仅被提供用于说明的目的，而决不应理解为对本发明范围和内容的限制。
实例1：结构仿真
根据本发明一个实施例的单片集成三轴加速度计的结构仿真是使用Nodal Design of Actuators and Sensors(NODAS)软件来进行的。NODAS是一种用于行为模化的分级单元库，并且使用了MEMS的节点仿真[Q.Jing和G.K.Fedder，“A hierarchical circuit-level design methodology formicroelectromechanical systems”，IEEE Transactions on Circuits and SystemsII，Vol.46(1999)，第1309-1315页]。NODAS由通常内建于悬置MEMS设计中的元件的符号和模型组成，如固定件、梁、板和间隙。如图2(A)和2(B)所示，DRIE梁的横截面不是矩形的。DRIE梁具有在硅层顶部上的较宽CMOS层。该不规则横截面已被考虑和采用在MODAS库的DRIE梁模型中。
图6(A)示出用于x-y加速度计的NODAS模型，包括x/y弹簧610和检验质量620。板表示检验质量620。每个x-y弹簧610由一组梁组成。注意，与图5(A)所示的结构相比，图6所示的模型被旋转45度。
所获得的仿真结果在图6(B)中绘出。以下的表1列出所仿真的3轴加速度计的设计参数。x/y弹簧610的对称性产生x和y两轴的相同第一谐振(4.8kHz)。扭转力亦相对于y轴而施加，其产生6.3kHz的扭转模式。由于厚硅层，x/y弹簧的z硬度大得多。沿z轴的15.9kHz谐振从所述仿真获得。类似的NODAS模型被用于嵌入式z轴加速度计，其中发现z轴谐振处于4.2kHz。
表1.示例性3轴加速度计的设计参数
  X   Y   Z
 检验质量(μg)   73   73   40
 谐振(kHz)   4.8   4.8   4.2
实例2：制造结果
根据本发明一个实施例的经释放的示例性单片集成三轴加速度计700在图7(A)中示出，其包括x感测加速度计710、y轴加速度计720和z轴加速度计730，全部设置在同一芯片上。x轴加速度计710和y轴加速度计720相同并且被正交地取向，而z加速度计730嵌入在加速度计700的中心。所示的整个微结构的尺寸大约是1mm乘1mm。SCS膜层是大约60μm厚。z弹簧梁740下的硅被完全下切以使z顺从最大。x/y弹簧梁750下的硅仅被部分下切以维持整个结构的平坦度。具有小间隙的梳指上的硅下切由于已知的微加载效应而显著减小。
图7(B)示出x/y弹簧750的显微图，而图7(C)示出y轴加速度计720及其关联的y感测梳指725的显微图。图8示出了一SEM，其示出一侧剥离的示例性梳指800。
应理解，尽管已结合其特定优选实施例描述了本发明，以上描述以及所伴随的实例旨在说明而不是限制本发明的范围。本发明范围内的其它方面、优点和修改对于本发明所属领域的技术人员是显而易见的。

Claims (20)

1.一种单片集成3轴加速度计芯片，包括：
单晶基板，所述单晶基板包括至少一个单晶膜层部分，以及
单个传感器微结构，使用所述膜层形成，所述传感器微结构电容性地感测全部三个正交轴上的加速度。
2.权利要求1的加速度计，进一步包括至少一个电子电路，其被形成在所述芯片上，所述电子电路可通信地连接到所述加速度计。
3.权利要求1的加速度计，其中所述电子电路包括从由以下组成的组中选择的至少一个：前置放大器、解调器、低通滤波器、A/D转换器和DSP。
4.权利要求1的加速度计，其中包括所述传感器微结构的所有部件利用所述膜层。
5.权利要求1的加速度计，其中所述传感器微结构包括多个梳指组，所述多个梳指组包括至少一个用于所述三个正交轴的每个上的运动感测的梳指组。
6.权利要求5的加速度计，其中所述多个梳指组提供用于x感测和y感测两者的全差动电容性桥。
7.权利要求1的加速度计，其中所述多个梳指组包括设置在所述膜层上的金属/电介质复合薄膜层堆叠。
8.权利要求7的加速度计，其中所述梳指组的相应梳指组之下的所述膜层彼此电隔离。
9.权利要求1的加速度计，其中所述加速度计包括刚性框架，其设置在用于x-y感测的结构和用于z感测的结构之间，用于将x-y感测从z-感测去耦。
10.权利要求9的加速度计，其中用于z-感测的所述结构设置在所述刚性框架内，其中所述框架连同所述z-感测结构是用于x-y感测的所述结构的有效检验质量。
11.权利要求9的加速度计，其中用于x-y感测的所述结构设置在所述框架内，其中所述框架加上所述x-y感测结构是用于所述z-感测结构的有效检验质量。
12.权利要求1的加速度计，其中所述加速度计包括用于所述三个正交轴的至少一个上的差动电容性感测的结构。
13.权利要求1的加速度计，其中所述加速度计包括用于全部三个所述正交轴上的差动电容性感测的结构。
14.权利要求12的加速度计，其中所述用于差动电容性感测的结构包括设置在两个定子之间的转子，所述转子和所述定子由设置在所述膜层上的金属/电介质堆叠形成。
15.权利要求14的加速度计，其中所述金属/电介质堆叠部分中的所述金属与所述膜层电隔离。
16.权利要求14的加速度计，其中所述金属/电介质堆叠中的所述金属电连接到所述膜层，所述膜层包括用于差动电容性感测的所述结构的电极。
17.权利要求14的加速度计，其中所述金属/电介质堆叠中的所述金属设置在所述金属/电介质堆叠的侧壁中。
18.权利要求14的加速度计，其中所述膜层的横截面面积小于所述金属/电介质堆叠的横截面面积。
19.权利要求18的加速度计，其中接近于与所述金属/电介质堆叠的接口的所述膜层的横截面面积小于所述膜层的标称横截面面积。
20.权利要求1的加速度计，其中所述膜层小于100μm厚。
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