CN101481084B - 一种可变间距电容的微惯性传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可变间距电容的微惯性传感器及其制作方法。现有产品限制了传感器振子的质量增加和极板间距的减小。本发明中敏感器质量块为刻蚀有与栅形条的矩形硅片，两对应端通过硅支撑梁与锚点连接，另两个对应端分别设置有数量相同、位置对应的硅条。驱动器质量块设置在驱动器质量块的两侧，中间刻有环行槽，两侧侧设置有可动驱动硅条和梳齿状的检测硅条，敏感器质量块连接的硅条与对应的检测硅条组成检测电容。固定驱动硅条的梳齿条与可动驱动硅条组成驱动电容。玻璃衬底表面对应敏感器质量块设置有叉指铝电极，敏感器质量块的每条栅形条与叉指铝电极中的每对叉指相对应。本发明工艺简单，有利于降低成本和提高成品率。

Description

一种可变间距电容的微惯性传感器

技术领域

本发明属于微电子机械技术领域，涉及一种微惯性传感器，具体涉及一种带栅形条电容和小阻尼可变间距电容的高精度微惯性传感器及其制作方法。

背景技术

最近十几年来，用微机械技术制作的加速度计得到了迅速的发展。其主要的加速度检测技术有压阻检测、压电检测、热检测、共振检测、电磁检测、光检测、隧道电流检测和电容检测等。此外，还有一些基于别的检测技术的加速度计，如光加速度计、电磁加速度计、电容加速度计等。光加速度计的发展主要是为了结合光和微机械的优点，制作高电磁屏蔽或者好线性度的传感器。在这些传感器中，电容式加速度传感器，由于具有温度系数小，灵敏度高，稳定性好等优点，是目前研制得最多的一类加速度传感器。微机械电容式传感器的制作方法有表面微机械加工方法和体硅微机械加工方法。采用表面微机械加工工艺可以和集成电路工艺兼容，从而集成传感器的外围电路，成本低，但是传感器的噪声大、稳定性差，量程和带宽小。采用体硅微机械加工工艺可以提高传感器芯片的质量，从而降低噪声，改善稳定性，提高灵敏度。缺点是体积稍大，但可以制作出超高精度的微机械惯性传感器。为了得到较高的测量灵敏度和减小外围电路的复杂性，可以通过增加传感器振子的质量和增大传感器的静态测试电容的方法，从而减小机械噪声和电路噪声。而对于用体硅工艺如深反应粒子刻蚀(Deep RIE)加工的梳齿状的电容式传感器，其极板电容的深宽比一般小于30∶1，这就限制了传感器振子的质量增加和极板间距的减小。而对于小间距极板电容，其压膜空气阻尼较大，增大了传感器的机械噪声。减小该机械噪声的方法一是可以通过在极板上刻蚀阻尼条，一是把电容改为变面积的方式，使阻尼表现为滑膜阻尼。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种超高分辨率的带栅形条电容和小阻尼可变间距电容的微惯性传感器，同时提供该传感器的制作方法。该双向微惯性传感器可以更加有效的测量X或Y方向上的微小加速度信号(或振动信号)。

本发明包括玻璃衬底、敏感器质量块、驱动器质量块和固定驱动硅条。

敏感器质量块为矩形硅片，敏感器质量块的两对应端通过敏感器U形硅支撑梁与敏感器锚点连接，敏感器锚点固定设置在玻璃衬底上，敏感器质量块与玻璃衬底平行设置；敏感器质量块的另两个对应端分别设置有n组硅条组，每组硅条组包括平行设置的m条硅条，n≥2、m≥1，敏感器质量块两端的硅条数量相同、位置对应，硅条与敏感器质量块侧边垂直；敏感器质量块上刻蚀有与硅条平行的栅形条。

敏感器质量块的两侧分别设置有n个驱动器质量块；所述的驱动器质量块为矩形硅片，驱动器质量块的两对应端通过驱动器U形硅支撑梁与驱动器锚点连接，驱动器锚点固定设置在玻璃衬底上，驱动器质量块与玻璃衬底平行设置；每个驱动器质量块的一侧设置有m个可动驱动硅条，另一侧设置有检测硅条，所述的检测硅条为梳齿状，齿间为阻尼条，检测硅条与敏感器质量块连接的硅条平行、位置对应，敏感器质量块连接的硅条与对应的检测硅条组成检测电容；驱动器质量块中间刻有环行槽。

两个梳齿状的固定驱动硅条固定设置在玻璃衬底上，每个固定驱动硅条的梳齿条与可动驱动硅条位置对应；固定驱动硅条的梳齿条与对应的可动驱动硅条组成驱动电容；两个固定驱动硅条通过玻璃衬底表面上的引线与驱动器外部连接锚点连接。

玻璃衬底表面对应两个敏感器锚点位置设置有两个敏感器质量块焊点，敏感器质量块焊点与敏感器锚点连接；玻璃衬底表面对应敏感器质量块设置有叉指铝电极，敏感器质量块上刻蚀的每条栅形条与叉指铝电极中的每对叉指相对应。

制作该微惯性传感器的具体步骤是：

(1)在玻璃衬底上通过蒸发或者溅射铝，并用光刻胶作为掩膜层，用浓磷酸溶液腐蚀铝，形成铝电极和铝连接线；

(2)选取双面抛光的低电阻率的硅片，氧化后光刻形成敏感器质量块和驱动器质量块的悬浮区域，并用氧化层作为掩膜层，用氢氧化钾溶液腐蚀硅片形成凹槽；

(3)用光刻胶做掩膜，用深反应粒子刻蚀工艺刻蚀驱动电容间距、检测电容间距和质量块上的栅形槽，其刻蚀深度决定了驱动器质量块上检测硅条上梳齿条的长度；

(4)硅片的有凹槽面和玻璃片键合，键合温度为T，键合电压为V，360℃≤T≤400℃，600v≤V≤1000v；

(5)用碱性溶液腐蚀硅片，利用腐蚀时间控制质量块的厚度；

(6)对硅片光刻形成质量块形状，并用厚光刻胶作为掩膜，用深反应离子刻蚀工艺在硅片上加工出传感器单元的形状。

本发明基本构思是传感器检测电容的初始设计间距较大，从而解决深反应粒子刻蚀深宽比小于30∶1对传感器振子的质量不能做厚的限制，而后通过微驱动器，减小检测电容间距，从而增大传感器的初始检测电容以降低检测电路噪声，本发明还在质量块上刻蚀栅形槽，并和衬底上的叉指铝电极组成差分检测电容进一步降低电路噪声，且栅形条和玻璃衬底上叉指间的差动表现为滑膜阻尼特性，从而也减小了布朗噪声。本发明可以通过在驱动器质量块的检测硅条上刻蚀梳齿状阻尼条来减小压膜空气阻尼从而可以减小机械噪声。另外，通过改变支撑梁和质量块的尺寸还可以改变传感器的量程和响应特性。

本发明提供的带栅形条电容和小阻尼可变间距电容的微惯性传感器大大增大了振子质量，从而减小了布朗噪声，而通过驱动器减小了电容极板间距，并在驱动器质量块的检测硅条上刻蚀梳齿状阻尼条，增大了检测电容，减小了压模空气阻尼，从而降低了机械噪声和电路噪声，而敏感器质量块上新增的栅形条电容差分运动时空气阻尼表现为滑膜阻尼，从而降低了布朗噪声，同时也增大了检测电容。本发明涉及的高精度微惯性传感器结构新颖，分辨率和灵敏度高，制作工艺简单，有利于降低成本和提高成品率，是一种可以实际应用的微惯性传感器。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中驱动器上检测硅条的结构示意图；

图3为玻璃衬底表面示意图；

图4为本发明制作工艺流程图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明进一步说明，但本发明决非仅限于所介绍的实施例。

如图1、2和3所示，一种可变间距电容的微惯性传感器包括玻璃衬底14、敏感器质量块3、驱动器质量块1和固定驱动硅条11。

敏感器质量块3为矩形硅片，敏感器质量块3的两对应端通过敏感器U形硅支撑梁2与敏感器锚点4连接，敏感器锚点4固定设置在玻璃衬底14上，敏感器质量块3与玻璃衬底14平行设置；敏感器质量块3的另两个对应端分别设置有两组硅条组，每组硅条组包括平行设置的三条硅条6，敏感器质量块3两端的硅条6的数量相同、位置对应，硅条6与敏感器质量块3的侧边垂直；敏感器质量块3上刻蚀有与硅条6平行的栅形条5；敏感器质量块和外部锚点的连接通过铝焊点15实现，敏感器质量块和外部锚点4的连接通过U形支撑梁2实现；敏感质量块上的栅形条电极5位于衬底金属电极20的正上方，质量块上的栅形条电极5上各个栅之间的距离相同。

敏感器质量块3的两侧分别设置有两个驱动器质量块1，驱动器质量块1为矩形硅片，驱动器质量块1的两对应端通过驱动器U形硅支撑梁12与驱动器锚点7连接，驱动器锚点7固定设置在玻璃衬底14上，驱动器质量块1与玻璃衬底14平行设置；每个驱动器质量块7的一侧设置有三个可动驱动硅条13，另一侧设置有检测硅条10，其中检测硅条10为梳齿状，齿间为阻尼条，以降低压模空气阻尼，检测硅条10与敏感器质量块连接的硅条6平行、位置对应。敏感器质量块连接的硅条6与对应的检测硅条10组成检测电容，驱动器质量块1中间刻有环行槽8。敏感器质量块3两侧对应的驱动器质量块1通过铝连接线19连接。

两个梳齿状的固定驱动硅条11固定设置在玻璃衬底14上，每个固定驱动硅条11的梳齿条9与可动驱动硅条13位置对应。固定驱动硅条的梳齿条9与对应的可动驱动硅条13组成驱动电容。两个固定驱动硅条11通过玻璃衬底14表面上的引线18与驱动器外部连接锚点17连接。驱动器质量块上的环行槽间距小于梳齿条9和敏感器质量块连接的硅条13的间距，梳齿条9和敏感器质量块连接的硅条13的间距小于敏感器质量块连接的硅条6和检测硅条10的间距。传感器电容的起始检测间距是梳齿条9和硅条13的间距和硅条6和检测硅条10的间距的差值。

玻璃衬底14表面对应两个敏感器锚点4位置设置有两个敏感器质量块焊点15，敏感器质量块焊点15与敏感器锚点4连接。玻璃衬底14表面对应敏感器质量块3位置设置有叉指铝电极20，敏感器质量块上刻蚀的每条栅形条5与叉指铝电极20中的每对叉指相对应，叉指铝电极20通过铝焊点16接入测试信号电压。

本实施例涉及的带栅形条电容和小阻尼可变间距电容的微惯性传感器的制作方法，参考图4所示的工艺流程图进行说明，包括以下工艺步骤：

a.低阻硅氧化后形成氧化硅掩膜层；

b.氢氟酸腐蚀氧化硅形成腐蚀悬浮窗口；

c.用二氧化硅作掩膜，用碱性溶液如氢氧化钾溶液腐蚀传感器质量块和驱动器质量块的悬浮区域，从而形成差分电容间距，并进一步掩膜腐蚀形成U形阻尼孔的支撑区域；

d.用氢氟酸去除氧化硅；

e.选用热膨胀系数与硅相近的绝缘极板如Pyrex7740玻璃片作为衬底，并在该衬底上通过蒸发或者溅射形成铝材料的叉指电极、连接线及其各外部连接锚点；

f.用酸性溶液如浓磷酸腐蚀铝电极；

g.采用温度380摄氏度，电压800V，阳极键合玻璃衬底和硅质量块；

h.用碱性溶液如氢氧化钾减薄硅至合适的厚度；

i.利用深反应离子刻蚀工艺(DeepRIE)刻蚀硅，形成悬浮在绝缘衬底上的敏感器质量块，固定在绝缘衬底上的支撑锚点，支撑梁，驱动器质量块，质量块上的等间距栅形条及其可动硅条，驱动器上的固定驱动硅条，检测硅条以及梳齿状阻尼条。

驱动器质量块上的环行槽间距小于梳齿条9和敏感器质量块连接的硅条13的间距，梳齿条9和敏感器质量块连接的硅条13的间距小于敏感器质量块连接的硅条6和检测硅条10的间距。传感器电容的起始检测间距是梳齿条9和硅条13的间距和硅条6和检测硅条10的间距的差值。

由以上工艺步骤制作出本发明涉及的高精度微惯性传感器。结合图1、图2和图3对传感器原理进行说明。驱动器质量块上环行槽的宽度用d1表示，梳齿条和敏感器质量块连接的硅条的间距用d2表示，敏感器质量块连接的硅条和检测硅条的间距用d3表示，且d3＞d2＞d1。用外部金丝球焊技术用金线把驱动器的焊点和封装管壳引脚连接，用Vd表示，焊点1和封装管壳引脚连接，用V1表示，焊点也连接到封装管壳引脚，用V2表示。在用微机械工艺加工传感器时，d3，d2，d1较大，可以加工出较厚的传感器质量块，因而质量块质量较大。驱动器的Vd端接地，在V1、V2端接入直流偏置电压，产生的静电力驱动驱动器质量块，减小驱动电容和梳齿检测电容的间距，若有吸合产生，测试传感器静态初始电容间距为d3-d1，从而传感器的检测电容大大增加。再在V1、V2端分别加载波信号可动质量块通过锚点连接至地。当敏感方向上有加速度信号时，由于惯性力的作用，产生位移，从而引起敏感器上栅形条电极和叉指铝电极组成的差分电容的叠加面积变化以及敏感器质量块连接的硅条和检测硅条的间距变化，进而引起电容较大的变化，该变化电容和外部惯性信号的大小成线性关系，通过检测电容变化便可以得到敏感方向上加速度的大小。

本发明涉及的高精度微惯性传感器，由于梳齿电容间距可用驱动器减小，可动质量块上有滑膜阻尼的栅形条电容，且驱动器质量块的检测硅条上刻蚀梳齿状阻尼条，这些因素使传感器的机械噪声和电路噪声大大减小，从而使传感器可以达到很高的精度，本发明在驱动器质量块上刻蚀出防吸合短路硅块，防止电容间发生短路和永久吸合。同时本发明采用微机械技术制作，工艺简单，有利于提高成品率和降低制造成本。

Claims (1)

1.一种可变间距电容的微惯性传感器，包括玻璃衬底、敏感器质量块、驱动器质量块和固定驱动硅条，其特征在于：

所述的敏感器质量块为矩形硅片，敏感器质量块的两对应端通过敏感器U形硅支撑梁与敏感器锚点连接，敏感器锚点固定设置在玻璃衬底上，敏感器质量块与玻璃衬底平行设置；敏感器质量块的另两个对应端分别设置有n组硅条组，每组硅条组包括平行设置的m条硅条，n≥2、m≥1，敏感器质量块两端的硅条数量相同、位置对应，硅条与敏感器质量块侧边垂直；敏感器质量块上刻蚀有与硅条平行的栅形条；

敏感器质量块的两侧分别设置有n个驱动器质量块；

所述的驱动器质量块为矩形硅片，驱动器质量块的两对应端通过驱动器U形硅支撑梁与驱动器锚点连接，驱动器锚点固定设置在玻璃衬底上，驱动器质量块与玻璃衬底平行设置；每个驱动器质量块的一侧设置有m个可动驱动硅条，另一侧设置有检测硅条；所述的检测硅条为梳齿状，齿间为阻尼条，检测硅条与敏感器质量块连接的硅条平行、位置对应，敏感器质量块连接的硅条与对应的检测硅条组成检测电容；驱动器质量块中间刻有环行槽；

两个梳齿状的固定驱动硅条固定设置在玻璃衬底上，每个固定驱动硅条的梳齿条与可动驱动硅条位置对应；固定驱动硅条的梳齿条与对应的可动驱动硅条组成驱动电容；两个固定驱动硅条通过玻璃衬底表面上的引线与驱动器外部连接锚点连接；

玻璃衬底表面对应两个敏感器锚点位置设置有两个敏感器质量块焊点，敏感器质量块焊点与敏感器锚点连接；玻璃衬底表面对应敏感器质量块设置有叉指铝电极，敏感器质量块上刻蚀的每条栅形条与叉指铝电极中的每对叉指相对应。

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