CN101531334B - 一种磁驱动增大检测电容的微惯性传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁驱动增大检测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栅形条的矩形硅片，两端通过硅支撑梁与锚点连接，两侧边分别设置硅条，驱动器质量块中间刻有环行槽，其与敏感器质量块对应的一侧设置有检测硅条，在驱动器质量块靠近U形梁的外侧锚点位置上设置有驱动器焊点，驱动器焊点与驱动器锚点连接，驱动器相对的两个锚点上设置有外部电流驱动焊点，并在该对应外部驱动电流焊点间设置有金属驱动导线。玻璃衬底表面设置有叉指铝电极，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

一种磁驱动增大检测电容的微惯性传感器及其制作方法

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，具体涉及一种磁驱动增大检测电容的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，而减小电子噪声的方法之一便是通过增大检测电容。

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磁驱动增大检测电容的微惯性传感器，同时提供该传感器的制作方法。该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。

敏感器质量块主体为矩形硅片，敏感器质量块的两端通过U形敏感器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；敏感器质量块的两侧边分别对称设置有n组硅条组，每组硅条组包括平行设置的m条硅条，n≥1、m≥1，每组硅条组的硅条的数量相同，每条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。

n个驱动器质量块对应n组硅条组设置，对应每个驱动器质量块的四个角的位置设置有驱动器锚点，驱动器锚点固定设置在玻璃衬底上，U形驱动器硅支撑梁的一个端点与驱动器锚点连接、另一个端点与驱动器质量块的一角连接；每个驱动器质量块和敏感器质量块对应的一侧设置有m条检测硅条，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侧边的硅条平行、位置对应，敏感器质量块连接的硅条与对应的检测硅条交叉设置，组成检测电容；驱动器质量块中间刻有方环形槽，方环行槽的槽宽小于敏感器质量块的硅条和对应检测硅条的间距；每个驱动器质量块对应U形驱动器硅支撑梁的侧边上设置有金属驱动导线，金属导线和驱动器质量块间设置有绝缘层。

敏感器质量块的两端的两个敏感器锚点上分别设置有敏感器质量块焊点；每个驱动器质量块设置有金属驱动导线的一边对应的两个驱动器锚点设置有外部电流驱动焊点，U形驱动器硅支撑梁表面设置有金属导线，金属导线的一端与外部电流驱动焊点连接，另一端与金属驱动导线的一端连接；每个驱动器质量块另外两个驱动器锚点中的一个上设置有驱动器焊点，另一个与敏感器质量块另一侧对应的驱动器质量块的驱动器锚点通过铝连接线连接。

玻璃衬底表面对应敏感器质量块位置设置有叉指铝电极，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，叉指铝电极通过铝焊点接入测试信号电压。

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，形成叉指铝电极和铝连接线；

(2)选取双面抛光的低电阻率的硅片，氧化后，在一面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，然后去除掉该面的氧化硅，同时保留另一面的氧化层作为质量块和驱动导线的绝缘层；

(3)硅片的有凹槽面和玻璃片上有铝电极面键合，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；

(4)在硅片上有氧化硅的一面进行光刻，形成可动质量块与外部连接锚点间的接触孔；

(5)在硅片上溅射铝，并光刻形成质量块焊点，外部电流驱动导线及其外部焊点，驱动器外部焊点，用光刻胶作为掩膜层，用浓磷酸溶液腐蚀铝，然后用氢氟酸缓冲液漂去裸露的氧化硅；

(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，而后通过磁场驱动的微驱动器，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。

本发明还在敏感器质量块上刻蚀栅形条，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褶皱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U形硅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。

本发明提供的磁驱动增大检测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，而通过磁场驱动的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褶皱状阻尼条，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为本发明微惯性传感器的结构示意图；

图2为本发明玻璃衬底表面示意图；

图3为本发明微惯性传感器制作工艺流程图。

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和图2所示，一种磁驱动增大检测电容的微惯性传感器包括玻璃衬底19、敏感器质量块15、驱动器质量块4。

敏感器质量块15主体为矩形硅片，敏感器质量块15的两端通过U形敏感器硅支撑梁5与敏感器锚点7连接，敏感器锚点7固定设置在玻璃衬底19上；敏感器质量块15的两侧边分别对称设置有两组硅条组，每组硅条组包括平行设置的三条硅条11，每条硅条11与敏感器质量块15侧边垂直；敏感器质量块15上刻蚀有与硅条平行的栅形条14。

四个驱动器质量块4在敏感器质量块15的两侧对称设置，对应每个驱动器质量块4的四个角的位置设置有驱动器锚点8，驱动器锚点8固定设置在玻璃衬底19上，U形驱动器硅支撑梁13的一个端点与驱动器锚点8连接、另一个端点与驱动器质量块4的一角连接。每个驱动器质量块4的一侧设置有三条检测硅条9，检测硅条9为梳齿状，齿间为阻尼条；检测硅条9与敏感器质量块侧边的硅条11平行，硅条11与对应的检测硅条9交叉设置，组成检测电容。驱动器质量块4中间刻有方环形槽10，方环行槽10的槽宽小于敏感器质量块的硅条和对应检测硅条的间距。每个驱动器质量块4对应U形驱动器硅支撑梁13的侧边上设置有金属驱动导线12，金属导线和驱动器质量块间设置有绝缘层。

敏感器质量块15的两端的两个敏感器锚点7上分别设置有敏感器质量块焊点6。每个驱动器质量块4设置有金属驱动导线12的一边对应的两个驱动器锚点8设置有外部电流驱动焊点1，U形驱动器硅支撑梁13表面设置有金属导线2，金属导线2的一端与外部电流驱动焊点1连接，另一端与金属驱动导线12的一端连接；每个驱动器质量块4另外两个驱动器锚点中的一个上设置有驱动器焊点3，另一个与敏感器质量块15另一侧对应的驱动器质量块4的驱动器锚点通过铝连接线17连接。

玻璃衬底表面对应敏感器质量块位置设置有叉指铝电极18，敏感器质量块上刻蚀的每条栅形条14与叉指铝电极中的每对叉指相对应，叉指铝电极通过铝焊点16接入测试信号电压。

本实施例涉及的磁驱动增大检测电容的微惯性传感器的制作方法，参考图3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.氢氟酸腐蚀硅片一面的氧化硅形成腐蚀悬浮窗口，保留另一面的氧化硅；

c.用氧化硅作掩膜，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；

d.用氢氟酸去除氧化硅，保留硅另一面的氧化硅；

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，硅片的有凹槽面和玻璃片上有铝电极面键合；

h.硅片光刻，形成可动质量块和外部锚点间的连接孔；

i.在硅片上溅射铝，并光刻形成质量块焊点，外部电流驱动导线及其外部焊点，驱动器外部焊点，用光刻胶作为掩膜层，用浓磷酸溶液腐蚀铝，形成电极形状，然后用氢氟酸缓冲液漂去裸露的氧化硅；

j.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可动敏感器质量块，固定在绝缘衬底上的锚点，U形硅支撑梁，固定梳齿，可动敏感器质量块上的等间距栅形条及其可动硅条，检测硅条以及褶皱状阻尼条。

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对传感器原理进行说明。敏感器质量块的硅条和检测硅条的间距大于驱动器质量块上环行槽的槽宽。

把位于敏感器质量块两侧对应上端的驱动器，通过金丝球焊技术用金线把引入外部驱动电流焊点分别连接到封装管壳引脚上，并接入恒流源。把位于敏感器质量块两侧对应下端的驱动器，其引入外部驱动电流焊点分别连接到封装管壳引脚上，并接入和上端驱动器相反相位的恒流源。驱动器焊点连接到封装管壳引脚，用V1表示，位于敏感器质量块对角线，并与该驱动器焊点对应的焊点也连接到封装管壳引脚，用V2表示。敏感器焊点也连接到封装管壳引脚，并连接到地。在用微机械工艺加工传感器时，环行槽槽宽(d1)和硅条与对应检测硅条的间距(d2)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。在封装管壳帽内设置合适的匀强磁场，在金属驱动导线上产生的洛伦兹力驱动驱动器质量块并使其吸合在环形块上，去吸合方向保证使初始检测电容间距减小。此时，测试传感器静态初始电容间距为d2-d1，从而传感器的检测电容大大增加。再在V1、V2端分别加载波信号敏感器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洛仑兹力驱动驱动器减小，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有褶皱状阻尼条，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 (2)

1.一种磁驱动增大检测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，其特征在于：

敏感器质量块主体为矩形硅片，敏感器质量块的两端通过U形敏感器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；敏感器质量块的两侧边分别对称设置有n组硅条组，每组硅条组包括平行设置的m条硅条，n≥1、m≥1，每组硅条组的硅条的数量相同，每条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；

n个驱动器质量块对应n组硅条组设置，对应每个驱动器质量块的四个角的位置设置有驱动器锚点，驱动器锚点固定设置在玻璃衬底上，U形驱动器硅支撑梁的一个端点与驱动器锚点连接、另一个端点与驱动器质量块的一角连接；每个驱动器质量块和敏感器质量块对应的一侧设置有m条检测硅条，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侧边的硅条平行、位置对应，敏感器质量块连接的硅条与对应的检测硅条交叉设置，组成检测电容；驱动器质量块中间刻有方环形槽，方环行槽的槽宽小于敏感器质量块的硅条和对应检测硅条的间距；每个驱动器质量块对应U形驱动器硅支撑梁的侧边上设置有金属驱动导线，金属导线和驱动器质量块间设置有绝缘层，所述的金属驱动导线设置在驱动器质量块的与其他驱动器质量块相邻一侧的侧边上；

敏感器质量块的两端的两个敏感器锚点上分别设置有敏感器质量块焊点；每个驱动器质量块设置有金属驱动导线的一边对应的两个驱动器锚点设置有外部电流驱动焊点，U形驱动器硅支撑梁表面设置有金属导线，金属导线的一端与外部电流驱动焊点连接，另一端与金属驱动导线的一端连接；每个驱动器质量块另外两个驱动器锚点中的一个上设置有驱动器焊点，另一个与敏感器质量块另一侧对应的驱动器质量块的驱动器锚点通过铝连接线连接；

玻璃衬底表面对应敏感器质量块位置设置有叉指铝电极，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，叉指铝电极通过铝焊点接入测试信号电压。

2.制作如权利要求1所述的磁驱动增大检测电容的微惯性传感器的方法，其特征在于该方法的具体步骤是：

(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，形成叉指铝电极和铝连接线；

(2)选取双面抛光的低电阻率的硅片，氧化后，在一面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，然后去除掉该面的氧化硅，同时保留另一面的氧化层作为质量块和驱动导线的绝缘层；

(3)硅片的有凹槽面和玻璃片上有铝电极面键合，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；

(4)在硅片上有氧化硅的一面进行光刻，形成可动质量块与外部连接锚点间的接触孔；

(5)在硅片上溅射铝，并光刻形成质量块焊点，外部电流驱动导线及其外部焊点，驱动器外部焊点，用光刻胶作为掩膜层，用浓磷酸溶液腐蚀铝，然后用氢氟酸缓冲液漂去裸露的氧化硅；

(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。

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