CN101216498A - 一种双轴差动电容式微机械加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双轴差动电容式微机械加速度计，属于微机电系统中的惯性传感器领域；该速度计包括一个由硅片，设置在该硅片上的四个方形可动电极和将各可动电极隔离开的绝缘层构成的敏感质量元件，与该硅片水平相对的基片，设置在该基片上的与四个方形可动电极相对应的四个方形固定电极，设置在该硅片两端固定该硅片的两个横向折叠梁；固定该横向折叠梁的两个纵向折叠梁；将该两个纵向折叠梁固定有该基片上的立柱；使四个可动电极平面相对基片悬空平行。本发明具有结构简单、灵敏度高的特点，可实现高精度的二维加速度测量。

Description

一种双轴差动电容式微机械加速度计

技术领域

本发明属于微机电系统(MEMS)中的惯性传感器领域，特别涉及一种双轴差动电容式微机械加速度计，它作为微惯性器件广泛应用于汽车电子、航空航天、武器装备的运动状态测量与控制。

背景技术

MEMS是尺寸从微米到毫米级的将电子元件和机械元件集成到一起的系统，可以对微小尺寸进行敏感、控制、驱动，单独地或配合地完成特定的功能。具有体积和质量小、成本和能耗低、集成度和智能化程度高等一系列特点。作为其中典型性、代表性成果，以集成电路工艺和微机械加工工艺为基础制作的微机械加速度计以其体积小、重量轻、功耗小、成本低、易集成、过载能力强和可批量生产等特点，不仅成为微型惯性测量组合的核心元件，也迅速扩大到其他民用领域。

市场上现有的微机械加速度计产品大多是单轴的，而在实际应用中常常需要双轴或三轴加速度计来测量加速度矢量。美国AD(Analog Devices)公司于1989年开始微硅梳齿式电容加速度计的研究，1993年投产形成系列产品。1998年AD公司成功推出了它的双轴加速度计产品系列。量程从±2g到±1000g，在一块IC芯片上集成了双轴加速度敏感元件、信号调理和脉宽调制信号输出电路。中国目前的双轴加速度计(中国发明专利：CN1844934A)主要以梳齿电容的形式实现差动的静电驱动、电容检测，以中心对称的结构通过一个质量块敏感两个正交方向的加速度。图1所示为梳齿结构的双轴微机械加速度计敏感结构，包括基片1、质量块2、由固支梁3和斜置梁4组成的弹性支撑、驱动电极、检测电极及齿枢7、锚点8。整个结构为中心对称图形，通过一个质量块敏感两个正交方向的加速度，质量块2居于结构的中心，外围是弹性支撑、驱动电极和检测电极，弹性支撑由四个双端固支梁3和四个斜置梁4构成，四个双端固支梁构成正方形，正方形的四个角是锚点8，每个斜置梁的一端与质量块2固连，另一端与其对应的双端固支梁中间固连；驱动电极和检测电极的活动极板6与质量块2固连，电极的固定极板5与齿枢7固连，以梳齿偏置结构实现差动的静电驱动和电容检测。上述结构采用体硅加工工艺实现。

在这种斜置梁结构的弹性刚度很大，使系统无阻尼自振角频率较高，降低了微机械加速度计的灵敏度，不易实现高精度的加速度测量。另外，斜置梁结构的微机械加速度计交叉耦合较大，容易带来较大的测量误差。

在上述梳齿结构中，为了在质量块四周分别形成一组梳状差动电容，质量块被刻蚀掉很多部分，导致在有限体积下的敏感质量大幅下降，加速度转化为惯性力的效率低，降低了微机械加速度计的分辨率和灵敏度，不易实现高精度的加速度测量。为了实现双轴结构，弹性支撑由四个固支梁和四个悬臂梁组成，这种结构刚性大，使质量块在感知加速度变化时运动幅度和反应灵敏度受到限制，极大制约了加速度计的性能。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术弹性支撑刚性和交叉耦合过大的不足之处，提供一种双轴差动电容式微机械加速度计，采用平面加工工艺制作，具有结构简单，成本低廉、加工工艺简单，可重复性强、成品率高、易于批量生产的特点。

本发明一种双轴差动电容式微机械加速度计，其特征在于：包括一个由硅片，设置在该硅片上的四个方形可动电极和将各可动电极隔离开的绝缘层构成的敏感质量元件(敏感质量元件的主体为硅片，即质量块)，与该硅片水平相对的基片，设置在该基片上的与四个方形可动电极相对应的四个方形固定电极，设置在该硅片两端固定该硅片的两个横向折叠梁，与硅片构成横向运动检测机构；固定该横向折叠梁的两个纵向折叠梁，使硅片(质量块)和横向折叠梁作为整体形成纵向敏感质量，构成了纵向运动检测机构；将该两个纵向折叠梁固定有该基片上的立柱；使四个可动电极平面相对基片悬空平行。

该四个方形可动电极可以方形阵列置于硅片上，电极阵列中心与硅片中心重合；四个方形固定电极可组成方形阵列与该可动电极方形阵列同中心，静止状态时，各方形固定电极的内侧角可位于对应的方形可动电极的中心位置，在两个相互正交的方向上各形成两组差动电容。

在上述结构的基础上，本发明在横向折叠梁和纵向折叠梁的两端均可设置双向防冲击止档，可有效地实现过载保护，防止在较强的纵向或横向冲击下造成折叠梁结构断裂。

此外，在基片上可设置有一个防吸合止档，在施加测量电压或高频干扰作用下，当敏感质量元件和基片之间产生很强的静电吸合力时，可以防止固定电极和可动电极吸合而造成的短路，并防止敏感质量元件结构的损坏。

所述可动电极可由集成电路加工工艺形成在所述硅片表面上。

本发明与现有技术相比的优势：

(1)采用双向折叠梁结构，敏感结构弹性刚度较小，提高微机械加速度计的灵敏度和分辨率；

(2)正交结构的折叠梁交叉耦合小，可提高微机械加速度计的测量精度；

(3)采用传统的集成电路平面加工工艺在硅片表面(质量块)实现方形电极，无需使用体硅加工工艺将硅片加工成三维梳齿型立体结构，降低微机械加速度计的加工成本，简化加工工艺，提高加工效率，易批量生产；

(3)横向折叠梁和纵向折叠梁的两端分别设置防冲击止档，有效防止纵向、横向冲击或过载；

(4)在基片上设置防吸合止档，有效防止电极短路造成的微机械加速度计损坏。

附图说明

图1是已有的一种双轴梳齿电容式微机械加速度计平面结构示意图；

图2是本发明的横截面结构示意图；

图3是本发明的俯视结构示意图；

图4是本发明的仰视结构示意图

具体实施方式

本发明提出的一种双轴差动电容式微机械加速度计结合附图及实施例详细说明如下：

本发明的结构如图2、图3、图4所示，包括质量块9、绝缘层10、可动电极11、基片12、固定电极13、凸状防吸合止档14、立柱15、可动电极引线16、横向折叠梁17、纵向折叠梁18、凸形防冲击止档19。质量块9由硅片做主体采用整体正方形构成，在硅片上以方形阵列布置四个方形可动电极11组成的方形阵列，电极阵列中心与硅片中心重合，各可动电极11之间用绝缘层10隔离，质量块9水平方向两端固定在纵向折叠梁18上，构成纵向弹性支撑，作为纵向运动检测机构，纵向折叠梁18又固定在横向折叠梁17上，使质量块和横向折叠梁作为整体形成横向敏感质量，构成了横向运动检测机构；横向折叠梁17通过立柱15与基片12连接，使可动电极11平面与基片12平行，基片12实施例采用玻璃衬底作材料，在基片12上按照与可动电极方阵中心重合方阵布置四个固定电极13，固定电极13和可动电极11尺寸相同，每个固定电极13上方重叠一个可动电极11，静止状态时各方形固定电极13的内侧角位于对应可动电极11的中心位置，这样固定电极13和可动电极11重叠面积相等，为四分之一电极面积，同一行、列方向上的可动电极11和固定电极13对构成差动电容，在两个正交的方向上各有两组差动电容。在基片12中间设置防吸合止档14，防吸合止档14由绝缘材料制成，在实施例中可动电极11与固定电极13间距离为4μm，防吸合止档14高出固定电极平面1μm，可以防止可动电极11和固定电极13可能发生的吸合。横向折叠梁和纵向折叠梁的两端分别设置的凸状防冲击止档19可以实现两个正交方向的过载保护，防止较强的冲击导致折叠梁结构断裂。

上述可动电极可采用传统的集成电路平面加工工艺形成在敏感质量硅片表面上。

本实施例的微机械结构具体尺寸为：

总体平面尺寸：3mm×3mm；敏感质量元件：2mm×mm；可动电极尺寸：800μm×800μm；固定电极尺寸：800μm×800μm；折叠梁尺寸：长400μm，宽3μm。

本实施例的主要工艺过程为：

使用体硅加工工艺在硅片上形成敏感质量块、折叠梁和防冲击止档结构，采用集成电路制造中的氧化工艺制备绝缘层，使硅片与氧化剂在高温下进行反应，在硅片表面生长出一层二氧化硅膜(绝缘层)。在二氧化硅膜上溅射覆盖铬、金、铂金属层，采用光刻工艺形成可动电极。在玻璃基片上溅射覆盖铬、金、铂金属层，采用剥离工艺形成固定电极。使用键合工艺将纵向折叠梁两端的立柱与玻璃基片上的可动电极引线粘接在一起。

本发明的工作原理：当双轴差动电容式微机械加速度计感受到横方和纵向的加速度变化时，通过敏感质量块将加速度转化为惯性力，惯性力使质量块发生位移，可动电极随着质量块也发生位移，可动电极与固定电极相对面积随即发生变化，使反应横向和纵向的输出差动电容量改变，通过检测差动电容量的变化可实现两个正交方向的加速度的检测。

综上所述，本发明设计的一种正交折叠梁结构的双轴微机械加速度计，降低了敏感结构的弹性刚度和交叉偶合，它可实现比常规的梳齿式微机械加速度计高的检测灵敏度和测量精度，而且可在高冲击、高过载条件下使用，并具有非常好的工艺性和可靠性。

Claims (5)

1.一种双轴差动电容式微机械加速度计，其特征在于：包括一个由硅片，设置在该硅片上的四个方形可动电极和将各可动电极隔离开的绝缘层构成的敏感质量元件，与该硅片水平相对的基片，设置在该基片上的与四个方形可动电极相对应的四个方形固定电极，设置在该硅片两端固定该硅片的两个横向折叠梁，与硅片构成横向运动检测机构；固定该横向折叠梁的两个纵向折叠梁，使硅片和横向折叠梁作为整体形成纵向敏感质量，构成了纵向运动检测机构；将该两个纵向折叠梁固定有该基片上的立柱；使四个可动电极平面相对基片悬空平行。

2.如权利要求1所述的双轴差动电容式微机械加速度计，其特征在于，该四个方形可动电极以方形阵列置于硅片上，电极阵列中心与硅片中心重合；四个方形固定电极组成方形阵列与该可动电极方形阵列同中心，静止状态时，各方形固定电极的内侧角位于对应的方形可动电极的中心位置，在两个相互正交的方向上各形成两组差动电容。

3.如权利要求1所述的双轴差动电容式微机械加速度计，其特征在于，所述可动电极由集成电路加工工艺形成在所述硅片表面上。

4.如权利要求1所述的双轴差动电容式微机械加速度计，其特征在于，所述横向折叠梁和纵向折叠梁均设置有防冲击止档。

5.如权利要求1所述的双轴差动电容式微机械加速度计，其特征在于，在所述基片上设置有防电极吸合止档。

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