CN102128953B

CN102128953B - 对称倾斜折叠梁结构电容式微加速度传感器

Info

Publication number: CN102128953B
Application number: CN201010583972A
Authority: CN
Inventors: 车录锋; 李伟; 林友玲; 王跃林
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2010-12-10
Filing date: 2010-12-10
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2030-12-10
Also published as: CN102128953A

Abstract

本发明涉及一种对称倾斜折叠梁结构电容式微加速度传感器。所述的加速度传感器由一个对称的中心质量块、外部支撑框架、中心质量块与外部支撑框架相连接的八根对称倾斜折叠梁结构以及上、下盖板组成。对称的中心质量块由顶端质量块和底端质量块键合组成，每根倾斜折叠梁的内脚连接在中心质量块侧面的顶端或底端，外脚连接在外部支撑框架内侧面，整个结构上下对称。本加速度传感器的特点是弹性梁采用对称倾斜折叠梁结构，同时具有一定的对称性，有效的抑制了传感器的交叉轴灵敏度。微加速度传感器采用微电子机械系统技术制作，使器件能够形成更大尺寸的敏感质量块，使器件具有高的分辨率和灵敏度。

Description

对称倾斜折叠梁结构电容式微加速度传感器

技术领域

本发明涉及对称倾斜折叠梁结构电容式微加速度传感器，属于微电子机械系统领域。

背景技术

微加速度传感器是非常重要的微惯性器件，按照敏感原理，微机械加速度传感器大致有以下几种：压阻式、压电式、电磁式、谐振式和电容式等等。其中，电容式微加速度传感器因具有分辨率高、动态范围大、稳定性好、温度特性好等优点，所以可广泛应用在各种领域，如各种制导和测控系统、机器人、医疗仪器、微重力测量及高精度勘探等。

电容式微加速度传感器的基本原理是质量块作为可变电容的一个可动电极，在加速度作用下产生的微小位移而引起的可动电极和固定电极之间电容量的变化，用外围电路检测出电容的变化量就可以测量加速度的大小。目前研究最多的一种加速度传感器采用差分电容式结构，即质量块在惯性力作用下，使一个电容增大，同时另一个电容减小，使差动电容并联，两电容相加，总输出电容变化量就可以近似认为与电容极板间距变化量成正比，可以得到较高的测量灵敏度和增加输出信号的线性度。

从结构形式上，电容式微加速度传感器可分为两类：表面硅微加速度传感器和体硅微加速度传感器。表面硅微加速度传感器通过对硅表面层的加工及牺牲层的腐蚀来获得微机械部件，虽然工艺简单、成本低，与集成电路工艺兼容。但是，所制得的器件的惯性质量和检测电容都很小。而体硅微加速度传感器则通过体硅微机械加工制作，可以制得具有较大惯性质量的器件。本发明拟提出的对称倾斜折叠梁结构电容式加速度传感器为体硅微加速度传感器，所涉及的加速度传感器的结构能够使器件形成更大尺寸的敏感质量块，检测电容量加大，进一步提高了器件的分辨率和灵敏度等性能，从而满足了高性能检测精度的要求。另外，所涉及的加速度传感器的弹性梁为对称倾斜折叠梁结构，同时具有一定的对称性，有效的抑制了传感器的交叉轴灵敏度，使传感器的性能进一步提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对称倾斜折叠梁结构电容式微加速度传感器，是一种能抑制交叉灵敏度、具有高分辨率和灵敏度的微机械加速度传感器。

本发明提供的对称倾斜折叠梁结构电容式微加速度传感器，包括一个对称的中心质量块、外部支撑框架、中心质量块与外部支撑框架相连接的八根对称倾斜折叠梁结构以及上、下盖板，其特征在于：

(1)对称的中心质量块由顶端质量块和底端质量块组成，对称倾斜折叠梁结构由四根顶端倾斜折叠梁和四根底端倾斜折叠梁组成；

(2)每根倾斜折叠梁的内脚连接在中心质量块侧面的顶端或底端，外脚连接在外部支撑框架内侧面；

(3)中心质量块上、下表面电极分别与上盖板下表面电极、下盖板上表面电极构成电容，构成差分电容式微加速度传感器；

(4)微加速度传感器为四片硅片键合成的整体式结构。

所述的每根倾斜折叠梁内脚连接在中心质量块侧面的顶端或底端，外脚连接在外部支撑框架内侧面，并且中心质量块上、下两面的倾斜折叠梁对称分布。

所述的八根倾斜折叠梁的形状、尺寸一致。

所述的倾斜折叠梁可连接在中心质量块顶端、底端侧面和外部支撑框架内侧面的任意位置，并且每根倾斜折叠梁两个连接位置呈对称分布。

所述的中心质量块的上、下表面分别与上、下盖板表面相互平行，并且中心质量块上表面和下表面是长方形或正方形。

所述的中心质量块和上、下盖板之间通过绝缘层实现电绝缘。

本发明涉及的微加速度传感器采用体微机械加工的方法制作，制作工艺相对于表面微机械加工工艺较复杂，但能够使器件形成更大尺寸的敏感质量块，进一步提高了器件的分辨率和稳定性，从而满足了高性能检测精度的要求。本发明提出的一种对称倾斜折叠梁结构电容式加速度传感器的制作是将两块硅片分别单面腐蚀质量块图形后再进行硅硅对准键合，双面刻蚀形成双面都有倾斜折叠梁的中心质量块，然后再与下盖板硅片和上盖板硅片分别键合构成差分电容式微加速度传感器(请参阅201010181131.6)，本发明制作的器件可靠性以及稳定性更好，是一种高性能的电容式微加速度传感器。

总而言之，本发明提供了对称倾斜折叠梁结构电容式微加速度传感器结构，器件的弹性梁采用对称倾斜折叠梁结构，并且八根倾斜折叠梁的形状、尺寸一致，整个结构具有对称性的特点，与非倾斜折叠梁结构相比，倾斜折叠梁结构的高阶模态频率与一阶模态频率之比有显著的提高，因此，进一步提高了器件的稳定性及降低了器件的交叉轴灵敏度，提高了器件的性能。本发明提供的加速度传感器结构使器件能够形成更大尺寸的敏感质量块，进一步提高了器件的分辨率，从而满足了高性能检测精度的要求，使加速度传感器的性能更加稳定，并且可以根据需要，设计不同的梁长度、梁宽度、梁厚度和电容间隙，中心质量块的大小也可以根据需求灵活选择，改变加速度传感器的量程和灵敏度，使加速度传感器的应用范围更广。

附图说明

图1为本发明提出的一种传感器中心质量块、倾斜折叠梁、外部支撑框架结构俯视图，倾斜折叠梁可连接在中心质量块侧面和外部支撑框架内侧面的任意位置，并且每根倾斜折叠梁两个连接位置呈对称分布，从倾斜折叠梁内脚和外脚延伸的两部分倾斜梁呈一定角度对称分布。

其中，倾斜折叠梁外侧面与中心质量块侧面及外部支撑框架内侧面平行，如图1(a)所示，越接近倾斜折叠梁中间部分，梁的宽度变得越窄，也可如图1(b)所示，越接近倾斜折叠梁中间部分，梁的宽度变得越宽；

也可第二种情况，倾斜折叠梁内侧面与中心质量块侧面及外部支撑框架内侧面平行，如图1(c)所示，越接近倾斜折叠梁中间部分，梁的宽度变得越窄，也可如图1(d)所示，越接近倾斜折叠梁中间部分，梁的宽度变得越宽；

也可第三种情况，倾斜折叠梁内、外侧面与中心质量块侧面及外部支撑框架内侧面均不平行，如图1(e)所示，越接近倾斜折叠梁中间部分，梁的宽度变得越窄，也可如图1(f)所示，越接近倾斜折叠梁中间部分，梁的宽度变得越宽；

图2是本发明提出的第二种传感器中心质量块、倾斜折叠梁、外部支撑框架结构俯视图，倾斜折叠梁可连接在中心质量块侧面和外部支撑框架内侧面的任意位置，并且每根倾斜折叠梁两个连接位置呈对称分布，倾斜折叠梁的宽度不变。

其中，倾斜折叠梁内、外侧面与中心质量块侧面及外部支撑框架内侧面均不平行，从倾斜折叠梁内脚和外脚延伸的两部分倾斜梁呈一定角度对称分布，如图2(a)所示，越接近倾斜折叠梁中间部分，两部分倾斜梁的间隙变得越窄，也可如图2(b)所示，越接近倾斜折叠梁中间部分，两部分倾斜梁的间隙变得越宽；

也可第二种情况，两部分倾斜梁的间隙不变，整个倾斜折叠梁与中心质量块侧面及外部支撑框架内侧面呈一定角度分布，如图2(c)所示，倾斜折叠梁整体向外部支撑框架方向倾斜一定角度，也可如图2(d)所示，倾斜折叠梁整体向内部中心质量块方向倾斜一定角度。

图3是本发明提出的对称倾斜折叠梁结构微加速度传感器剖面图。

图中各数字代表的含义为：1倾斜折叠梁、2中心质量块、3外部支撑框架、4顶端质量块、5底端质量块、6顶端支撑框架、7底端支撑框架、8顶端倾斜折叠梁、9底端倾斜折叠梁、10上电容间隙、11下电容间隙、12顶端过载保护限位块、13底端过载保护限位块、14上盖板绝缘层、15下盖板绝缘层、16上盖板硅片、17下盖板硅片、18上盖板电极引线金属块、19下盖板电极引线金属块、20中心质量块电极引线金属块、21中心质量块电极引出间隙、22电极引出槽、23顶端质量块硅片、24底端质量块硅片、1-1为倾斜折叠梁的外脚、1-2为倾斜折叠梁的内脚。

具体实施方式

以下实施例阐述本发明涉及的微加速度传感器的实质性特点和显著进步，但本发明决非仅限于介绍的实施例。

实施例

本发明的实施例涉及微加速度传感器结构，结合附图1、2和3说明。

如图1和2所示，倾斜折叠梁1的一端连接在中心质量块2的侧面顶端或底端，另一端连接在外部支撑框架3的内侧面。微加速度传感器结构剖面图如图3所示，微加速度传感器包括一个对称的中心质量块2、外部支撑框架3、中心质量块2与外部支撑框架3相连接的倾斜折叠梁1以及上盖板硅片16、下盖板硅片17。中心质量块2由顶端质量块4和底端质量块5组成，倾斜折叠梁1由顶端倾斜折叠梁8和底端倾斜折叠梁9组成，外部支撑框架3由顶端支撑框架6和底端支撑框架7组成。顶端或底端过载保护限位块12、13分别制作在上盖板16的下表面和下盖板17的上表面。上电容间隙10、下电容间隙11分别在上盖板硅片16的下表面、下盖板硅片17的上表面。上电容间隙和下电容间隙分别为1-10μm。上盖板电极引线金属块18位于上盖板硅片16的上表面，下盖板电极引线金属块19位于下盖板硅片17的下表面。中心质量块电极引线金属块20在电极引出槽22正下方的外部支撑框架3表面的中心质量块电极引出间隙21内，外部支撑框架3和上盖板硅片16、下盖板17之间分别通过绝缘层14、15实现电绝缘。该加速度传感器的敏感方向为法向，当有外部法向加速度作用时，中心质量块电极分别与上盖板电极、下盖板电极构成的电容一个增大、一个减小，电容的变化量与外部加速度信号成比例关系，通过测量该变化量来检测加速度值的大小。

Claims

1.一种对称倾斜折叠梁结构电容式微加速度传感器，其特征在于所述的加速度传感器包括一个对称的中心质量块、外部支撑框架、中心质量块与外部支撑框架相连接的八根对称倾斜折叠梁结构以及上、下盖板，其中：

(1)对称的中心质量块由顶端质量块和底端质量块组成，八根对称倾斜折叠梁结构由四根顶端倾斜折叠梁和四根底端倾斜折叠梁组成；

(3)中心质量块上、下表面电极分别与上盖板下表面电极、下盖板上表面电极构成电容，构成差分电容式微加速度传感器。

2.根据权利要求1所述的微加速度传感器，其特征在于八根对称倾斜折叠梁的形状、尺寸一致。

3.根据权利要求1所述的微加速度传感器，其特征在于倾斜折叠梁可连接在中心质量块侧面的顶端或底端，连接在外部支撑框架内侧面的任意位置，并且每根倾斜折叠梁两个连接位置呈对称分布。

4.根据权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于中心质量块的上、下表面分别与上盖板的下表面、下盖板的上表面相互平行，且中心质量块的上表面或下表面为长方形或正方形。

5.根据权利要求1所述的微加速度传感器，其特征在于中心质量块和上、下盖板之间通过绝缘层实现电绝缘。

6.根据权利要求1或3所述的微加速度传感器，其特征在于倾斜折叠梁内脚和外脚延伸的两部分呈一定角度对称分布。

7.根据权利要求6所述的微加速度传感器，其特征在于

a)倾斜折叠梁外侧面与中心质量块侧面和外部支撑框架内侧面平行时，越接近倾斜折叠梁中间部分，梁的宽度变得越窄；或越接近倾斜折叠梁中间部分，梁的宽度变得越宽；

b)倾斜折叠梁内侧面与中心质量块侧面及外部支撑框架内侧面平行时，越接近倾斜折叠梁中间部分，梁的宽度变得越窄，或越接近倾斜折叠梁中间部分，梁的宽度变得越宽；

c)倾斜折叠梁内、外侧面与中心质量块侧面及外部支撑框架内侧面均不平行时，越接近倾斜折叠梁中间部分，梁的宽度变得越窄，或越接近倾斜折叠梁中间部分，梁的宽度变得越宽。

8.根据权利要求1所述的微加速度传感器，其特征在于倾斜折叠梁连接在中心质量块侧面和外部支撑框架内侧面的任意位置，并且每根倾斜折叠梁两个连接位置呈对称分布，倾斜折叠梁的宽度不变。

9.根据权利要求7所述的微加速度传感器，其特征在于：

a)倾斜折叠梁内、外侧面与中心质量块侧面及外部支撑框架内侧面均不平行，从倾斜折叠梁内脚和外脚延伸的两部分倾斜梁呈一定角度对称分布时，越接近倾斜折叠梁中间部分，两部分倾斜梁的间隙变得越窄，或越接近倾斜折叠梁中间部分，两部分倾斜梁的间隙变得越宽；

b)两部分倾斜梁的间隙不变，整个倾斜折叠梁与中心质量块侧面及外部支撑框架内侧面呈一定角度分布，倾斜折叠梁整体向外部支撑框架方向倾斜一定角度，或倾斜折叠梁整体向内部中心质量块方向倾斜一定角度。

10.根据权利要求1所述的微加速度传感器，其特征在于所述的微加速度传感器为四片硅片键合成的整体结构。

11.根据权利要求1所述的微加速度传感器，其特征在于：

①上电容间隙和下电容间隙分别在上盖板硅片的下表面、下盖板硅片的上表面；

②过载保护限位块分别制作在上盖板的下表面和下盖板的上表面；

③上盖板电极引线金属块位于上盖板硅片的上表面，下盖板电极引线金属块位于下盖板硅片的下表面；

④中心质量块电极引线金属块在电极引出槽正下方的外部支撑框架表面的中心质量块电极引出间隙内。

12.根据权利要求11所述的微加速度传感器，其特征在于所述的上电容间隙或下电容间隙为1-10μm。