三轴差分加速度计及其制作方法
【技术领域】
本发明涉及一种检测加速度值的加速度计及其制作方法,尤其涉及一种能检测三个轴方向的差分加速度计及其制作方法。
【背景技术】
加速度计,既加速度感应器,是一种能够测量加速力的电子设备。加速度感应器主要应用在位置感应、位移感应或者运动状态感应等。如,在手机上使用加速度感应器,就可以探测到手机的放置状态,是平放还是倾斜等,根据状态启动不同的程序以达到某种效果,再如,可应用到笔记本电脑上,来探测笔记本的移动状况,并根据这些数据,系统会智能地选择关闭硬盘还是让其继续运行,这样可以最大程度的保护由于振动,比如颠簸的工作环境,或者不小心摔了电脑做造成的硬盘损害,最大程度的保护里面的数据。另外一个用处就是目前用的数码相机和摄像机里,也有加速度传感器,用来检测拍摄时候的手部的振动,并根据这些振动,自动调节相机的聚焦。
加速度计主要包括双轴加速度计和三轴加速度计,双轴加速度计检测X轴和Y轴方向的加速度值,三轴加速度计检测X轴、Y轴和Z轴三个方向的加速度值。相关三轴加速度计一般在一个硅晶片上生成,通过多次沉淀以生成所需的多个结构层。然而,多次沉淀将会增加工艺难度、而且会影响产品的性能。
【发明内容】
本发明需解决的技术问题是提供一种性能良好的三轴差分加速度计。
根据上述的技术问题,设计了一种三轴差分加速度计,其包括:
第一硅基底;
质量块,其通过与弹性元件相连而悬置于第一硅基底之上,且平行于第一硅基底以及被弹性元件支承在平行于第一硅基底的方向上运动,所述弹性元件与第一硅基底固定连接;
第一动电极,其由质量块周边延伸而出、呈梳齿状,分布于平行质量块、且相互垂直的第一轴方向和第二轴方向上,第一轴方向上的第一动电极相互平行,第二轴方向上的第一动电极相互平行;
第一固定块,其环绕第一动电极四周、并固定连接在第一硅基底上;
第一静电极,其由第一固定块延伸而出、呈梳齿状,每一第一静电极介于相邻的第一动电极之间,与第一动电极平行相对;
第二硅基底;
第二静电极,其固定于第二硅基底上;
第二动电极,其与第二静电极平行相对,且间隔一定距离;
第二固定框架,设有与第二动电极相连,以将第二动电极悬置于第二固定框架内的中间肋条;
绝缘层,其在垂直于第一轴方向和第二轴方向的第三轴方向上、位于第一固定块和第二固定框架之间;
第一固定块与第二固定框架均与绝缘层相连,且第二动电极与质量块平行相对且间隔一定距离。
作为本发明进一步改进,所述质量块为方形,第一动电极分布于方形质量块的四侧边。
作为本发明进一步改进,所述弹性元件为四个,分别连接质量决的四个角部。
作为本发明进一步改进,各弹性元件包括两个蜿蜒状的弹性臂,其弹性变形方向分别平行第一轴方向和第二轴方向。
本发明需解决的另一技术问题是提供一种工艺简单、制作方便的制作上述三轴差分加速度计的方法,该制作方法包括:
提供一SOI硅晶片,该SOI硅晶片包括硅衬底层、中间氧化层和掺杂硅顶层;
在掺杂硅顶层刻蚀,以生成质量块、第一动电极、弹性元件、第一固定块和第一静电极;
释放出部分中间氧化层,以使质量块、第一动电极、弹性元件和第一静电极与硅衬底层间隔一定空隙;
在第一固定块上沉淀一绝缘层以作键合使用;
提供一单硅晶片;
在单硅晶片上沉淀一绝缘层,再在绝缘层上沉淀一电极层;
刻蚀掉电极层的边缘以生成所需形状的第二静电极;
在第二静电极上沉淀一牺牲层;
再在牺牲层上沉淀一电极层,刻蚀此电极层,以生成第二固定框架、中间肋条和第二动电极;
释放牺牲层,以使第二动电极及中间肋条与第二静电极间隔一定的空间;
在第二固定框架上沉淀一金属材料层以作键合使用;
第二固定框架和绝缘层通过金属材料层键合相连。
本发明三轴差分加速度计通过两个硅晶片生成各必需的结构层,然后再键合相连而集成在一起,具有灵敏度高、性能良好的优点,且其制作方法也简单方便。
【附图说明】
图1是本发明三轴差分加速度计的立体组合示意图;
图2是本发明三轴差分加速度计的剖视立体图;
图3是本发明三轴差分加速度计的立体分解示意图;
图4是本发明三轴差分加速度计另一视角的立体分解示意图;
图5是本发明第一硅基底及其第一动电极及第一静电极的正面示意图;
图6是本发明第二固定框架及第二动电极的正面示意图;
图7是本发明第二硅基底及第二静电极的正面示意图;
图8是牺牲层的示意图;
图9是本发明三轴差分加速度计制作方法的流程图。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
如图1、图2、图3、图4所示,为本发明三轴差分加速度计1,其可用于检测三个方向的加速度值,三个方向分别为三维空间的X轴、Y轴和Z轴,X轴和Y轴相互垂直,Z轴垂直X轴和Y轴。
该三轴差分加速度计1由两块硅晶片通过键合方式组合而成。其中一硅晶片是SOI硅晶片,另一硅晶片是单硅晶片。在SOI硅晶片上生成X-Y轴向动、静电极,以检测X-Y轴向加速度;在硅单晶片上生成Z向动、静电极,以检测Z轴向加速度。
SOI硅晶片包括三层,底层为硅衬底层、中间为氧化层和顶层为掺杂硅层。中间氧化层在制作过程中部分被释放掉,部分未刻释放掉的氧化层和硅衬底层即作为第一硅基底10。掺杂硅层作为结构层,用于生成各元器件,结构层包括质量块11,弹性元件12、第一动电极13、第一静电极14和第一固定块15。质量块11与第一硅基底10平行相对,通过与弹性元件12相连而悬置于第一硅基底10之上,弹性元件12支承质量块11在平行于第一硅基底的方向上运动,即质量块被限制在其表面的方向上运动,用以检测X轴方向和Y轴方向的加速度。
如图5所示,该质量块11为方形,包括四侧边,相邻两侧边的方向即为第一轴方向和第二轴方向,第一轴方向和第二轴方向即为我们通俗理解的X轴方向和Y轴方向。
该弹性元件12分别连接方形质量块11的四个角,每个角对应的各弹性元件包括两个蜿蜒状的弹性臂120、121,其弹性变形方向分别平行第一轴方向和第二轴方向,弹性臂一端与质量块的角部相连,一端被固定、连接在第一硅基底上,或固定连接在位于第一硅基底上的固定件122上。
第一动电极13分别由质量块的四侧边延伸而出、呈梳齿状。各侧边呈梳齿状的第一动电极13相互平行且垂直侧边。
第一固定块15固定于第一硅基底上,其环绕第一动电极四周,与质量块四侧边的第一动电极13相对,即第一固定块14包括四个,以分别与质量决11的四侧边相对应。
与第一动电极13形成电容效应的第一静电极14,由第一固定块延伸而出,各个固定块上的第一静电极呈梳齿状,每一第一静电极14介于每两相邻的第一动电极之间,且与第一动电极13平行相对。
该三轴差分加速度计还包括检测Z轴方向(即第三轴方向)的第二动电极、第二静电极、以及其他辅助元件。各元件在单硅晶片上生成。如图4、图6、图7和图8所示,单硅晶片即作为第二硅基底20,在该单硅晶片上分别生成第二静电极21、第二动电极22、第二固定框架23。第二静电极21固定于第二硅基底20上,第二动电极22与第二静电极21平行相对且相隔一定距离,他们之间可通过一牺牲层环24间隔开。第二动电极22悬置于第二固定框架23内,第二固定框架内设有中间肋条230,与第二动电极22相连以将其悬置于第二固定框架23内,并支承第二动电极22在Z轴向方向运动。
为使两个硅晶片在Z轴方向上集成在一起,在第一固定块15及固定件122上增设一绝缘层30,然后,第二固定框架23与绝缘层30键合相连。同样,也可先在第二固定框架23上增设一绝缘层30,第一固定块15再与绝缘层键合相连。
在Z轴方向上,第二动电极22与质量块11平行相对且间隔一定距离。为形成Z轴向电容的差分效应,质量块作为Z轴方向的又一个静电极(另一个静电极为第二静电极),从而,第二动电极22作为Z轴方向的动电机,位于第二静电极和以质量作11作为第三静电极之间。
本发明在质量块和第二动电机还设有释放孔,以用来中间氧化层和牺牲层,释放孔还有阻尼效应。
如图9所示,上述三轴差分加速度计的制作方法:
提供一SOI硅晶片,该SOI硅晶片包括硅衬底层、中间氧化层和掺杂硅顶层;
在掺杂硅顶层刻蚀,以生成质量块、第一动电极、弹性元件及固定件、第一固定块和第一静电极;
释放出部分中间氧化层,以使质量决、第一动电极、弹性元件和第一静电极与硅衬底层间隔出空隙;
在第一固定块上沉淀一绝缘层以被键合使用;
提供一单硅晶片;
在单硅晶片上沉淀一绝缘层,再在绝缘层上沉淀一电极层;
刻蚀掉电极层的边缘以生成所需形状的第二静电极;
在第二静电极上沉淀一牺牲层;
再在牺牲层上沉淀一电极层,刻蚀此电极层,以生成第二固定框架、中间肋条和第二动电极;
释放牺牲层,以使第二动电极及中间肋条与第二静电极间隔一定的空间;
在第二固定框架上沉淀一金属材料层以作键合使用;
第二固定框架与第一固定块上的绝缘层通过金属材料层键合相连。
本发明三轴差分加速度计通过两个硅晶片生成各必需的结构层,然后再键合相连而集成在一起,具有灵敏度高、性能良好的优点,且其制作方法也简单方便。
以上所述的仅是本发明的实施方式,在此应当指出,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明创造构思的前提下,还可以做出改进,但这些均属于本发明的保护范围。