CN102101637A - 嵌入横向可动电极的微惯性传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种嵌入横向可动电极的微惯性传感器。现有的传感器的噪声大、稳定性差，量程和带宽小。本发明包括第一基板及其上表面的检测用交叉梳齿状固定对电极、固定于第一基板上的敏感器锚点、固定质量块锚点、第二基板的悬于第一基板上方的条形敏感器质量块、将敏感器锚点和条形敏感器质量块相连的U形敏感器支撑梁、外侧连接梳形可动电极的双栅形振子对、将条形敏感器质量块和双栅形振子对相连的U形敏感器连接梁、固定质量块上的梳形固定电极、敏感器外部引出电极、电绝缘层、驱动导线和驱动导线引出电极。本发明的微惯性传感器结构新颖，分辨率和灵敏度高。

Description

嵌入横向可动电极的微惯性传感器

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，具体涉及一种含双栅形振子对且振子上嵌入了横向可动电极的高分辨率微惯性传感器。

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，还有一些基于这些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，是目前研制的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27:1，这就限制了传感器振子的质量增加和电容极板间距的减小。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。减小该机械噪声可以通过在极板上刻蚀阻尼条，或把电容改为变面积的方式，使阻尼表现为滑膜阻尼，而减小电路噪声的方法之一便是通过增大检测电容。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含双栅形振子对且振子上嵌入了横向可动电极的高分辨率微惯性传感器。

嵌入横向可动电极的微惯性传感器包括第一基板及其上表面的检测用交叉梳齿状固定对电极、固定于第一基板上的敏感器锚点、固定质量块锚点、第二基板的悬于第一基板上方的条形敏感器质量块、将敏感器锚点和条形敏感器质量块相连的U形敏感器支撑梁、外侧连接梳形可动电极的双栅形振子对、将条形敏感器质量块和双栅形振子对相连的U形敏感器连接梁、固定质量块上的梳形固定电极、敏感器外部引出电极、电绝缘层、驱动导线和驱动导线引出电极。

所述的条形敏感器质量块位于第二基板中心，条形敏感器质量块由矩形块和条形敏感器质量块矩形凸起组成，沿着条形敏感器质量块的横向中心线对称设置有条形敏感器质量块矩形凸起。

所述的双栅形振子对包含两个敏感器栅质量块，敏感器栅质量块分别位于条形敏感器质量块的两侧，每个敏感器栅质量块由纵向等间距、横向平行的栅形电极、连接栅形电极的边框以及敏感器栅质量块矩形凸起组成。敏感器栅质量块的纵向长度和条形敏感器质量块的纵向长度相同；敏感器栅质量块矩形凸起和条形敏感器质量块矩形凸起相对，形成电容调整间隙。每个敏感器栅质量块和条形敏感器质量块之间通过两根U形敏感器连接梁相连，该两根U形敏感器连接梁沿着条形敏感器质量块的横向中心线对称设置，该两根U形敏感器连接梁沿着条形敏感器质量块的纵向中心线与位于条形敏感器质量块另一侧的另两根U形敏感器连接梁对称设置。所述的每根U形敏感器连接梁始于敏感器栅质量块的边框的一角，终于矩形块的对应角，其U形底部靠近条形敏感器质量块的横向中心线。

所述的梳形可动电极由n个等间距的梳形可动电极梳齿和连接梳形可动电极梳齿的梳形可动电极矩形条组成，n≥1，梳形可动电极梳齿与梳形可动电极矩形条垂直设置，梳形可动电极矩形条与敏感器栅质量块侧边垂直设置。m条梳形可动电极平行设置组成一组硅条组，m≥2。每个敏感器栅质量块边框外侧分别对应设置两组硅条组。

敏感器栅质量块边框外侧每组的梳形可动电极沿条形敏感器质量块的横向中心线对称设置；边框两侧硅条组中的梳形可动电极沿条形敏感器质量块的纵向中心线对称设置。

所述的敏感器锚点沿条形敏感器质量块的纵向中心线分别设置在条形敏感器质量块的两端，并通过U形敏感器支撑梁与条形敏感器质量块连接，敏感器外部引出电极设置在敏感器锚点上。

所述的固定质量块包括固定质量块锚点和m条梳形固定电极，所述的固定质量块锚点将固定质量块固定于第一基板上，每个固定质量块与每组硅条组对应设置。所述的梳形固定电极由n个等间距的梳形固定电极梳齿和连接n个梳形固定电极梳齿的梳形固定电极矩形条组成。梳形固定电极和硅条组中的梳形可动电极位置相对，梳形固定电极梳齿与梳形可动电极梳齿对应交叉设置。

所述的驱动导线共有两根，分别纵向设置于相应的敏感器栅质量块的内侧边框上，每根驱动导线的一端通过沿对应的U形敏感器连接梁、矩形块边角端和U形敏感器支撑梁上所铺设的金属导线与对应的驱动导线引出电极连接。在驱动导线、金属导线、矩形块边角端和敏感器栅质量块上的金属连接线、驱动导线引出电极组成的金属层与敏感器栅质量块对应部分之间设置有电绝缘层。

所述的电容调整间隙比对应梳形可动电极和梳形固定电极上的对应梳齿间的横向间距小一微米以上。

所述的检测用交叉梳齿状固定对电极有两组，每一组分别由相对交叉的梳齿电极和引出电极组成，各相邻梳齿电极间的间隙不小于一微米，交叉的梳齿电极对应组成梳齿电极对。

所述的栅形电极位于对应的梳齿电极对的正上方。

本发明涉及的微惯性传感器包含有可横向移动的双栅形振子对，可以设计传感器检测电容的初始间距较大，从而解决深反应粒子刻蚀深宽比小于27:1对传感器振子的质量不能做厚的限制，而后通过磁场驱动敏感器栅质量块，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，而传感器做厚增大了振子质量，从而也降低了传感器的机械噪声，而且含有两个敏感器栅质量块加倍增加了检测电容。此外，通过改变敏感器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。

同时，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（a）为本发明的第一基板及其上的检测用交叉梳齿状固定对电极示意图；

图1（b）为图1（a）中沿A-A^’向的器件结构的分解断面图；

图2（a）为本发明的在第二基板上的结构示意图；

图2（b）为图2（a）中沿B-B^’向的器件结构的分解断面图；

图3为图1（b）和图2（b）的断面图组合；

图4为本发明的一对梳形可动电极和梳形固定电极的放大图。

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。

参考图1（a）、图1（b）、图2（a）、图2（b）、图3和图4，在第一基板1上形成两组中心对称的检测用交叉梳齿状固定对电极，对应固定质量块间的连接耦合电极2，以及连接耦合电极2与引出电极4之间的连接线，检测用交叉梳齿状固定对电极由沿横向相对交叉的梳齿电极3和引出电极组成；在第二基板上形成固定于第一基板1上的敏感器锚点13、第二基板的悬于第一基板1上方条形敏感器质量块25、将敏感器锚点13和条形敏感器质量块25相连的两根U形敏感器支撑梁9、组成双栅形振子对的两个敏感器栅质量块20、将敏感器栅质量块和条形敏感器质量块相连的U形敏感器连接梁17、固定质量块6上的梳形固定电极、敏感器外部引出电极12、金属层29下的电绝缘层28、电绝缘层上的驱动导线27和驱动导线右侧引出电极14。如图2(a)、2(b)、图3和图4所示，形成对应梳形可动电极梳齿15和梳形固定电极梳齿7间的横向间距G₄，第一基板1与敏感器栅质量块20之间的间隙32，如图3中的G₁所示；形成敏感器栅质量块与第一基板上的检测用交叉梳齿状固定对电极之间的间隙30；梳齿电极对内的两个梳齿电极之间的间隙31，每个梳齿电极对内的间隙相同。对应的一个梳形可动电极和一个梳形固定电极组成一对梳齿电容对，形成相邻梳齿电容对的纵向间距，其值不小于三十微米。

结合图1（a）、图1（b）、图2（a）、图2（b）、图3和图4，对本发明的结构进行说明。

参考图2(a)、2(b)，条形敏感器质量块位于第二基板中心，条形敏感器质量块由矩形块23和条形敏感器质量块矩形凸起21组成，沿着条形敏感器质量块的横向中心线对称设置有条形敏感器质量块矩形凸起。

参考图2(a)、2(b)，双栅形振子对包含两个敏感器栅质量块20，敏感器栅质量块分别位于条形敏感器质量块的两侧，每个敏感器栅质量块由纵向等间距、横向平行的栅形电极26、连接栅形电极的边框24以及敏感器栅质量块矩形凸起22组成，敏感器栅质量块的纵向长度和条形敏感器质量块的纵向长度相同；敏感器栅质量块矩形凸起和条形敏感器质量块矩形凸起相对，形成电容调整间隙18。每个敏感器栅质量块和条形敏感器质量块之间通过两根U形敏感器连接梁17相连，该两根U形敏感器连接梁沿着条形敏感器质量块的横向中心线对称设置，该两根U形敏感器连接梁沿着条形敏感器质量块的纵向中心线与位于条形敏感器质量块另一侧的另两根U形敏感器连接梁对称设置。每根U形敏感器连接梁始于敏感器栅质量块的边框24的一角，终于矩形块的对应角，其U形底部靠近条形敏感器质量块的横向中心线。

参考图2(a)、2(b)，梳形可动电极由六个等间距的梳形可动电极梳齿15和连接梳形可动电极梳齿的梳形可动电极矩形条16组成，梳形可动电极梳齿与梳形可动电极矩形条垂直设置，梳形可动电极矩形条与敏感器栅质量块侧边垂直设置。三条梳形可动电极平行设置组成一组硅条组。每个敏感器栅质量块边框外侧分别对应设置两组硅条组。

参考图2(a)、2(b)，敏感器栅质量块边框外侧每组的梳形可动电极沿条形敏感器质量块的横向中心线对称设置；边框两侧硅条组中的梳形可动电极沿条形敏感器质量块的纵向中心线对称设置。

参考图2(a)、2(b)，敏感器锚点沿条形敏感器质量块的纵向中心线分别设置在条形敏感器质量块的两端，并通过U形敏感器支撑梁与条形敏感器质量块连接，敏感器外部引出电极12设置在一个敏感器锚点上。

参考图2(a)、2(b)，固定质量块6包括固定质量块锚点和三条梳形固定电极，固定质量块锚点将固定质量块固定于第一基板上，每个固定质量块与每组硅条组对应设置。梳形固定电极由六个等间距的梳形固定电极梳齿7和连接六个梳形固定电极梳齿的梳形固定电极矩形条8组成。梳形固定电极和硅条组中的梳形可动电极位置相对，梳形固定电极梳齿与梳形可动电极梳齿对应交叉设置，梳形固定电极梳齿和梳形可动电极梳齿形成间隙19。

参考图2(a)、图2(b)、图3，驱动导线27共有两根，分别纵向设置于相应的敏感器栅质量块的内侧边框上，每根驱动导线的一端通过沿对应的U形敏感器连接梁、矩形块边角端和U形敏感器支撑梁上所铺设的金属导线10与对应的驱动导线引出电极连接。在驱动导线、金属导线、矩形块边角端和敏感器栅质量块上的金属连接线、驱动导线引出电极组成的金属层29与敏感器栅质量块对应部分之间设置有电绝缘层。

参考图2(a)和图4，电容调整间隙比对应梳形固定电极梳齿和梳形可动电极梳齿形成间隙的横向间距G₄小一微米以上，传感器电容的起始检测间距是电容调整间隙与横向间距G₄之间的差值。

参考图1(a)、图1(b)，检测用交叉梳齿状固定对电极有两组，每一组分别由沿横向相对交叉的梳齿电极3和引出电极4组成，交叉的梳齿电极对应组成梳齿电极对5。

参考图3，两个栅形电极分别对应位于两个梳齿电极对内两个梳齿电极之间的间隙31的正上方。

结合图1（a）、图1（b）、图2（a）、图2（b）、图3和图4，形成的敏感器栅质量块上栅形电极的厚度小于第二基板厚度。

为了更明确的描述检测电容的各个间距，结合图3和图4进一步描述，梳齿电极对两侧之间的距离如图3中的箭头所示，用G₀表示，其值大于栅形电极的宽度；敏感器栅质量块上的梳形可动电极梳齿15与固定质量块6上的梳形固定电极梳齿7之间的间隙用G₄表示，如图4中的相应箭头所示，取值范围为十微米到五十微米；敏感器栅质量块上的梳形可动电极梳齿与固定质量块上的梳形固定电极梳齿之间的叠加的纵向尺寸，如图4中的相应箭头所示，用G₂表示，其值不小于一微米；每对梳齿电容对中的梳形可动电极梳齿与对应的梳形固定电极矩形条之间的间距，如图4中的相应箭头所示，用G₃表示，其值不小于十微米。每个栅形电极的下表面和对应的检测用交叉梳齿状固定对电极之间的间隙30大于四微米，不大于栅形电极的宽度；栅形电极的宽度大于间隙31。

条形敏感器质量块矩形凸起21和敏感器栅质量块矩形凸起22之间的电容调整间隙18用d1表示，梳形固定电极梳齿7和梳形可动电极梳齿15形成间隙19用G₄表示，且G₄=(d1+x)，( x为传感器静态初始电容间距，x≥1，单位：微米)。把位于条形敏感器质量块左侧的驱动导线，用外部金丝球焊技术，用金线把驱动导线左侧引出电极11分别连接到封装管壳引脚上，并接入恒流源。把位于条形敏感器质量块右侧的驱动导线，用外部金丝球焊技术，用金线把驱动导线右侧引出电极14分别连接到封装管壳引脚上，并接入和左侧的驱动导线相反相位的恒流源。敏感器外部引出电极连接到封装管壳引脚，并连接到地，引出电极4分别连接到封装管壳引脚，并分别用V1和V2表示，在用微机械工艺加工传感器时，G₄、d1可以设置较大值，加工出较厚的传感器质量块，因而质量块质量较大。在传感器结构正上方的封装管壳帽内设置合适方向的匀强磁场，使在两根金属驱动导线上产生的安培力的方向均指向条形敏感器质量块的纵向中心线，并与条形敏感器质量块的纵向中心线垂直。两根驱动导线上的安培力使条形敏感器质量块矩形凸起21和敏感器栅质量块矩形凸起22之间的电容调整间隙18减小至零，此时，测试传感器静态初始电容间距为G₄-d1，由于电容的间距大大减小，从而传感器的初始检测电容大大增加。再在V1、V2端分别加电载波信号，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，从而引起敏感器栅质量块20上的栅形电极26和检测用交叉梳齿状固定对电极的梳齿电极对5组成的差分电容的叠加面积变化以及对应梳形固定电极梳齿7和梳形可动电极梳齿15对应组成的差分电容的叠加面积变化，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，而且由于传感器结构设计的特点，检测电容为差分变化，这增大了传感器的线性范围和量程。

本发明涉及的高精度微惯性传感器，由于可用安培力驱动驱动导线导致梳齿电容间距减小，从而在不增加横向尺寸的情况下增大了振子质量和检测电容，且双栅形振子对含有两个敏感器栅质量块加倍增加了检测电容，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，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.嵌入横向可动电极的微惯性传感器，包括第一基板及其上表面的检测用交叉梳齿状固定对电极、固定于第一基板上的敏感器锚点、固定质量块锚点、第二基板的悬于第一基板上方的条形敏感器质量块、将敏感器锚点和条形敏感器质量块相连的U形敏感器支撑梁、外侧连接梳形可动电极的双栅形振子对、将条形敏感器质量块和双栅形振子对相连的U形敏感器连接梁、固定质量块上的梳形固定电极、敏感器外部引出电极、电绝缘层、驱动导线和驱动导线引出电极，其特征在于：

所述的条形敏感器质量块位于第二基板中心，条形敏感器质量块由矩形块和条形敏感器质量块矩形凸起组成，沿着条形敏感器质量块的横向中心线对称设置有条形敏感器质量块矩形凸起；

所述的双栅形振子对包含两个敏感器栅质量块，敏感器栅质量块分别位于条形敏感器质量块的两侧，每个敏感器栅质量块由纵向等间距、横向平行的栅形电极、连接栅形电极的边框以及敏感器栅质量块矩形凸起组成；敏感器栅质量块的纵向长度和条形敏感器质量块的纵向长度相同；敏感器栅质量块矩形凸起和条形敏感器质量块矩形凸起相对，形成电容调整间隙；每个敏感器栅质量块和条形敏感器质量块之间通过两根U形敏感器连接梁相连，该两根U形敏感器连接梁沿着条形敏感器质量块的横向中心线对称设置，该两根U形敏感器连接梁沿着条形敏感器质量块的纵向中心线与位于条形敏感器质量块另一侧的另两根U形敏感器连接梁对称设置；所述的每根U形敏感器连接梁始于敏感器栅质量块的边框的一角，终于矩形块的对应角，其U形底部靠近条形敏感器质量块的横向中心线；

所述的梳形可动电极由n个等间距的梳形可动电极梳齿和连接梳形可动电极梳齿的梳形可动电极矩形条组成，n≥1，梳形可动电极梳齿与梳形可动电极矩形条垂直设置，梳形可动电极矩形条与敏感器栅质量块侧边垂直设置；m条梳形可动电极平行设置组成一组硅条组，m≥2；每个敏感器栅质量块边框外侧分别对应设置两组硅条组；

敏感器栅质量块边框外侧每组的梳形可动电极沿条形敏感器质量块的横向中心线对称设置；边框两侧硅条组中的梳形可动电极沿条形敏感器质量块的纵向中心线对称设置；

所述的敏感器锚点沿条形敏感器质量块的纵向中心线分别设置在条形敏感器质量块的两端，并通过U形敏感器支撑梁与条形敏感器质量块连接，敏感器外部引出电极设置在敏感器锚点上；

所述的固定质量块包括固定质量块锚点和m条梳形固定电极，所述的固定质量块锚点将固定质量块固定于第一基板上，每个固定质量块与每组硅条组对应设置；所述的梳形固定电极由n个等间距的梳形固定电极梳齿和连接n个梳形固定电极梳齿的梳形固定电极矩形条组成；梳形固定电极和硅条组中的梳形可动电极位置相对，梳形固定电极梳齿与梳形可动电极梳齿对应交叉设置；

所述的驱动导线共有两根，分别纵向设置于相应的敏感器栅质量块的内侧边框上，每根驱动导线的一端通过沿对应的U形敏感器连接梁、矩形块边角端和U形敏感器支撑梁上所铺设的金属导线与对应的驱动导线引出电极连接；在驱动导线、金属导线、矩形块边角端和敏感器栅质量块上的金属连接线、驱动导线引出电极组成的金属层与敏感器栅质量块对应部分之间设置有电绝缘层；

所述的电容调整间隙比对应梳形可动电极和梳形固定电极上的对应梳齿间的横向间距小一微米以上；

所述的检测用交叉梳齿状固定对电极有两组，每一组分别由相对交叉的梳齿电极和引出电极组成，各相邻梳齿电极间的间隙大于等于一微米，交叉的梳齿电极对应组成梳齿电极对；

所述的栅形电极位于对应的梳齿电极对的正上方。

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