CN102156201A

CN102156201A - 一种基于soi工艺及微组装技术的三轴电容式微加速度计

Info

Publication number: CN102156201A
Application number: CN 201010564371
Authority: CN
Inventors: 徐利梅; 陈敏; 朱波杰; 王金林; 李安静
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2010-11-30
Filing date: 2010-11-30
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2030-11-30
Also published as: CN102156201B

Abstract

三轴电容式微加速度计包括SOI基片、质量块、挠性梁、齿枢、固定电极和活动电极。结构为中心对称图形，通过XY平面、Z轴方向的质量块分别感知三个正交方向的加速度。通过XY平面上的回形梁和Z轴方向上的挠性梁的设计，使得三个正交方向上的加速度灵敏度和分辨率都有所提高。除外，SOI工艺的应用，使本发明具有寄生电容小、短沟道效应小、速度快、集成度高、功耗低、耐高温、抗辐射等优点。最后，通过微组装技术这种新颖的方式有效的解决了微器件封装的难题。

Description

一种基于SOI工艺及微组装技术的三轴电容式微加速度计

技术领域

本发明涉及一种三轴电容式微加速度计，属于微机电系统领域。它作为微惯性器件广泛应用于汽车电子、航空航天、武器装备等高端领域。

背景技术

微加速度计是近些年发展起来的，它的技术和市场都未成熟，但有着广阔的发展空间和市场。微加速度计的研究始于20世纪70年代，并在80年代形成单轴的微加速度计，90年代末出现双轴或三轴的微加速度计。市场上最常见的是美国AD公司ADXL系列微加速度计。微加速度计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。根据这些检测技术制造的微加速度计中，电容式微加速度计传感器，具有温度系数小，灵敏度高，稳定性好等优点。目前电容式微加速度计在国外发展已经较为成熟，并成功产业化，在国内还处在实验室样机阶段，距产业化还有一定距离。到目前为止，市面上的微加速度计产品大多都是中低精度的，在某些高端领域无法满足精度要求，而且大多都是单轴微加速度计，多轴微加速度计很少，因此目前微加速度计的研究方向主要集中于高精度、多轴集成和数字化输出方面。提高加速度计性能就是要实现多轴的高灵敏度、低噪声、低漂移和大动态范围加速度的测量。

发明内容

本发明提供了一种三轴电容式微加速度计的实现方式。它采用SOI工艺制备，相比普通硅加工工艺技术具有寄生电容小、短沟道效应小、速度快、集成度高、功耗低、耐高温、抗辐射等优点。在此基础上，通过微组装技术使得三轴加速度测试结构得以集成，并借此解决了加速度计的封装问题。相比传统的单轴微加速度计，它能同时检测三个正交方向上的加速度，并且在每个轴方向上的灵敏度都有所提高。

本发明的技术方案：

首先，本发明所有器件均采用SOI工艺制备。SOI基片由一个硅基底层、一个绝缘层、一个硅器件层组成。首先对硅基底层和硅器件层表面单独氧化，并采用直接键合技术键合在一起，其中硅器件层采用硅片抛光减薄技术减薄到所需SOI的材料的器件层厚度，硅基底层则直接作为器件结构的基底，最终获得以二氧化硅为埋氧层的SOI三层释放结构。

故基于SOI工艺制备的本发明相比普通硅加工工艺技术具有以下三个优点：1、在灵敏度和分辨率方面上，比以往的微加速度计提高了100倍；2、由于SOI基片的材料性质，使得本发明能更好的适应较恶劣的环境，尤其在高温环境下；3、利用SOI工艺来制备本发明，使得其加工周期大大缩短。

三轴电容式微加速度计，整体包括两部分，固定器件全部集中在一部分，活动器件全部集中在另一部分之上，这两部分分别称为下基片和上基片，且整个结构中心对称。本发明结构特点在于：包括SOI基片(上、下基片)、质量块、齿梳、回形梁(XY平面)、挠性梁(Z轴)、固定电极及活动电极。每个基片被一个回形槽分为内层结构和外层结构。下基片的内层结构上包括上下左右对称分布的齿梳和平面固定极板，外层结构包括Z轴固定极板。上基片的内层结构包括上下左右对称分布的平面质量块和活动极板，回形梁的设计使它们借助锚点悬架在上基片的内层结构上，而在它和外层结构之间，Z轴质量块通过连接在外层结构四角锚点的挠性梁悬架在槽中。

X轴和Y轴方向上，由上基片的平面质量块所延伸出来的活动极板和下基片的齿梳延伸出来的固定极板交错对应，并留有一定的间隙，从而构成XY平面内检测电容对。当XY平面内有加速度存在时，活动极板有所偏移，导致极板间间隙改变，最终表现为由电容量变化导致的输出电压变化。由该电压可检测出X轴和Y轴方向上的加速度。

Z轴方向上，由上基片的Z轴质量块所延伸出来的活动极板和下基片的Z轴固定极板相对，并留有一定的间隙，从而构成Z轴检测电容对。当Z轴方向有加速度存在时，活动极板偏移，导致极板间间隙改变，最终表现为电容量的变化。通过后续的读出电路显示出电容量的变化值，进而转化为加速度的变化，以达到检测加速度的目的。

本发明的创新点在于：首先，检测X、Y方向加速度的平面固定极板的Z向高度大于活动极板的Z向高度，使得在Z向有加速度的情况下，检测X、Y方向加速度的电容对相对面积保持不变，消除了Z轴加速度对X、Y轴加速度检测的影响；其次，同时实现X、Y、Z轴加速度检测；最后，上、下基片通过微组装技术实现结构的严格对准，并通过粘结剂粘合，解决了封装问题。

附图说明

图1示出了三轴电容式微加速度计总体结构；

图2示出了三轴电容式微加速度计下基片部分的三维图；

图3示出了三轴电容式微加速度计上基片部分的三维图；

具体实施方式

下面通过附图和具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图1所示，本发明包括：下基片12、上基片13(为观测方便，上基片省略了其封装盖，为局部剖视图)，每个基片分为内层结构和外层结构，槽1位于内层结构和外层结构之间。在上基片13中，悬架在槽1内的Z轴质量块6通过四个挠性梁5锚接在外层结构四角的锚点11上。Z轴活动极板7由Z轴质量块6四侧向外伸出。平面质量块8通过回形梁10锚接在上基片13内层结构的锚点11上。平面活动极板9由平面质量块8向外伸出。在下基片12中，Z轴固定极板2对称分布在外层结构内侧的四边，齿梳3成对上下左右对称分布在下基片12的内层结构上，平面固定极板4由齿梳3向外伸出。最后，本发明通过微组装技术将上基片13和下基片12对位组装，形成一个完整的检测体系。

通过敏感质量块将加速度转化为惯性力，惯性力使敏感质量块发生位移，电容的活动极板与质量块固连，活动极板的位移使电容极板间间距发生变化，通过测量电容量变化推算出被测加速度。在X轴和Y轴方向上，由上基片13的平面质量8块所延伸出来的活动极板9和下基片12的齿梳3延伸出来的固定极板4交错对应，并留有一定的间隙，从而构成XY平面内检测电容对。当XY平面内有加速度存在时，活动极板有所偏移，导致极板间间隙有所改变，最终表现为电容量的变化。在Z轴方向上，由上基片13的Z轴质量块6所延伸出来的活动极板7和下基片12的Z轴固定极板2相对，并留有一定的间隙，从而构成Z轴检测电容对。当Z轴方向有加速度存在时，活动极板有所偏移，导致极板间间隙有所改变，最终表现为电容量的变化。通过后续的读出电路显示出电容量的变化，进而转化为加速度的变化，以达到检测加速度的目的。

Claims

1.一种三轴电容式微加速度计，其特征在于：由下基片12、上基片13组成；每个基片分为内层结构和外层结构；槽1位于内层结构和外层结构之间；在上基片13中，悬架在槽1内的Z轴质量块6通过四个挠性梁5锚接在外层结构四角的锚点11上；Z轴活动极板7由Z轴质量块6四侧向外伸出；平面质量块8通过回形梁10锚接在上基片13内层结构的锚点11上；平面活动极板9由平面质量块8向外伸出；在下基片12中，Z轴固定极板2对称分布在外层结构内侧的四边，齿梳3成对上下左右对称分布在下基片12的内层结构上，平面固定极板4由齿梳3向外伸出；通过微组装技术将上基片13和下基片12对位组装，形成一个完整的检测体系。

2.如权利要求1所述的三轴电容式微加速度计，其特征是集成了三个正交的加速度检测方向。

3.如权利要求1所述的三轴电容式微加速度计，其工艺特征在于：采用SOI工艺制备，使得器件具有高灵敏度、低功耗、耐高温等优点。

4.根据权利要求1所述的三轴电容式微加速度计，其特征在于：采用微组装技术，在一个整体上实现三轴集成及微加速度计的封装。

5.如权利要求1所述的三轴电容式微加速度计，其特征在于：检测X、Y方向加速度的平面固定极板的Z向高度大于活动极板的Z向高度，使得在Z向有加速度的情况下，检测X、Y方向加速度的电容对相对面积保持不变，消除了Z轴加速度对X、Y轴加速度检测的影响。