CN102156202A - 电极极板的固定结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电极极板的固定结构，包括衬底基板、质量块结构及其对应的固定电极结构，所述质量块结构包括框架状的质量块和可动电极极板，框架状的质量块由横梁和垂直于横梁并位于横梁两侧的大梁组成；所述固定电极结构包括固定电极极板；质量块、可动电极极板以及固定电极极板位于同一平面且间隔设置于衬底基板上方，可动电极极板以栅状分布在质量块上，且两端分别与大梁连接，每两个可动电极极板间均设有两个固定电极极板。本发明结构简单，成本低廉、加工制造工艺简单，可重复性强，易于批量生产且在使用过程中拥有极高的可靠性，可应用于电容式微机械加速度计结构中，有效提高其抗冲击能力、系统量程及在高负载下运行的可靠性。

Description

电极极板的固定结构

技术领域

本发明属于微机电系统（MEMS）惯性传感器领域，特别涉及一种可应用于电容式微机械加速度计中的带可动电极极板的质量块结构及其对应的固定电极结构。

背景技术

加速度计是一种惯性传感器，能够测量运动物体相对于惯性空间的运动参数。传统的加速度计受体积、重量、成本等多种因素的限制，难以大面积的推广应用。以集成电路（IC）工艺以及微机械加工工艺为基础设计制造的微机械加速度计具有体积小、重量轻、成本低、能耗小以及可靠性高等突出优点。

目前应用MEMS工艺加工制造的微机械加速度计大体上可分为四类：压电式、压阻式、电容式、热感式。其中，电容式微机械加速度计灵敏度高、温漂小、抗过载能力强，易于实现低成本的高精度测量。

传统的梳齿式电容式加速度计主要采用质量块-弹簧-阻尼系统，外界加速度通过敏感质量块形成惯性力作用于梳齿式可动电极极板上，通过改变可动电极极板与固定电极极板间的间距或二者的交叠面积，进而改变可动电极极板与固定电极极板间的电容值。

传统的梳齿式电容式微机械加速度计的可动电极极板一端连接于敏感质量块边缘，另一端悬空。在较大的加速度环境下，敏感质量块往往可经由止挡结构制动从而有效限制其偏移量，而可动电极极板自由端在没有任何有效约束的情况下，将会在惯性力的作用下沿着与所施加的加速度相反的方向作进一步偏移，与相邻的固定或可动电极相碰撞造成粘附，甚至引起结构的断裂。

同样的，传统的梳齿式电容式微机械加速度计的固定电极结构一端固定于衬底基板上，另一端悬空。在较大的加速度环境下，固定电极结构自由端将会在惯性力的作用下沿着与所施加的加速度相反的方向产生不可控的大量偏移，与相邻的可动或固定电极相碰撞造成粘附，甚至结构断裂。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有的电容式微机械加速度计在加速度较大的环境下，可动电极极板、固定电极极板均易发生偏移引起整个结构的断裂。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种电极极板的固定结构，包括衬底基板、质量块结构及其对应的固定电极结构，所述质量块结构包括框架状的质量块和可动电极极板，框架状的质量块由横梁和垂直于横梁并位于横梁两侧的大梁组成；所述固定电极结构包括固定电极极板；质量块、可动电极极板以及固定电极极板位于同一平面且间隔设置于衬底基板上方，可动电极极板以栅状分布在质量块上，且两端分别与大梁连接，每两个可动电极极板间均设有两个固定电极极板。

固定电极极板与可动电极极板之间交错配置，使每一片固定电极极板与对应的上下可动电极极板均可形成差动平板电容；可动电极极板两端分别固定于框架状质量块两根大梁上，可有效提高其刚度，减小大冲击下可动电极极板的偏移；可动电极极板由大梁支撑悬浮于衬底基板平面之上，其垂直于加速度计敏感轴向，且可与质量块一同作整体移动。所述敏感轴即测量时待测的X轴、Y轴或Z轴。

为进一步消除大冲击下电极极板间因偏移引起的碰撞、粘连，所述固定电极结构还包括位于固定电极极板两端的锚区，固定电极极板与衬底基板通过锚区连接。固定电极极板两端皆通过锚区固定安装于衬底基板上，有效提高固定电极极板刚度，避免出现在大冲击下的过度偏移甚至断裂现象，提高其在高冲击下的可靠性。

作为本发明的一种改进方案，衬底基板的厚度比质量块结构以及固定电极结构的厚度高出多个数量级。从而保证其刚度远大于悬空于其上的各个结构的刚度。

本发明的优点是：结构简单，与集成电路平面加工制造工艺相兼容，成本低廉、加工制造工艺简单，可重复性强，成品率高、易于批量生产且在使用过程中拥有极高的可靠性，可应用于电容式微机械加速度计结构中，有效提高其抗冲击能力，提高整个系统的量程及在高负载下运行的可靠性。

附图说明

图1 为本发明电极极板的结构示意图；

图2 为图1A-A面的纵向剖视图。

具体实施方案

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1-2所示，本发明包括大梁1、横梁2、可动电极极板3、固定电极极板4、衬底基板5以及连接固定电极极板4与衬底基板5的锚区6；其中大梁1、横梁2、可动电极极板3以及固定电极极板4结构应位于同一平面且间隔设置于衬底基板5之上；可动电极极板3两端分别连接于大梁1上，以增加其刚度，提高可靠性。大梁1与横梁2组成质量块，可在惯性力作用下带动连接于其上的可动电极极板3作整体移动。固定电极极板4与衬底基板通过位于固定电极极板4两端的锚区4连接，以增加固定电极极板4的刚度，进而获得高可靠性；固定电极极板4与连接在敏感质量块上的可动电极极板3构成差分电容结构。

衬底基板5的厚度比质量块结构以及固定电极结构的厚度高出多个数量级，从而保证其刚度远大于悬空于其上的各个结构的刚度。为减小整个结构排布的面积，每两个相邻的固定电极极板4相对设置，其两端位置对应的锚区6亦相对的交叉设置；可动电极极板3以栅状分布在质量块上。

上述结构可由MEMS微机械表面加工工艺在硅圆片上制作完成，首先在衬底基板5上生长一层氮化硅绝缘介质薄膜，然后在氮化硅绝缘介质薄膜生长第一层多晶硅，接着在第一层多晶硅上生长第一层二氧化硅作为牺牲层；其后进行第一次光刻并刻蚀第一层牺牲层形成生长锚区6所需的窗口；在第一层牺牲层上继续生长第二层多晶硅薄膜，然后进行第二次光刻并刻蚀第二层多晶硅形成框架状敏感质量块1，可动电极极板3、锚区6以及固定电极极板4；最后通过释放工艺腐蚀牺牲层，制作出完整的悬空结构。

当电容式微机械加速度计感受到敏感轴向的加速度变化时，通过质量块将加速度转换为惯性力，惯性力使质量块结构发生位移并带动可动电极极板3一同移动，可动电极极板3与固定电极极板4相对间距随即发生改变，使得输出差动电容量发生改变，通过检测差动电容改变量来实现对加速度的检测。其中必须指出的是，本发明通过分别将每一可动电极极板3的两端固定于敏感质量块上，提高了可动电极极板3的刚度，从而有效避免大冲击下的电极间的粘附现象，提高了整个系统的可靠性；同样，通过将每一固定电极极板4两端通过锚区6固定于衬底基板5表面，增大固定电极结构刚度，提高系统可靠性。

相对于传统的齿梳式电容式微机械加速度计，具有了更高的结构刚度，有效提高结构在大冲击下的可靠性。相比于传统的齿梳式电容式微机械加速度计，应用了本发明结构的电容式微机械加速度计系统在不损失灵敏度和分辨率的情况下，获得了更高的可靠性，可广泛应用于高冲击、高过载的环境中。

Claims (5)

1.一种电极极板的固定结构，包括衬底基板（5）、质量块结构及其对应的固定电极结构，其特征是，所述质量块结构包括框架状的质量块和可动电极极板（3），框架状的质量块由横梁（2）和垂直于横梁（2）并位于横梁（2）两侧的大梁（1）组成；所述固定电极结构包括固定电极极板（4）；质量块、可动电极极板（3）以及固定电极极板（4）位于同一平面且间隔设置于衬底基板（5）上方，可动电极极板（3）两端分别与大梁（1）连接，每两个可动电极极板（3）间均设有两个固定电极极板（4）。

2.根据权利要求1所述的电极极板的固定结构，其特征是，所述固定电极结构还包括位于固定电极极板（4）两端的锚区（6），固定电极极板（4）与衬底基板（5）通过锚区（6）连接。

3.根据权利要求2所述的电极极板的固定结构，其特征是，所述两个相邻的固定电极极板（4）相对设置，其两端位置对应的锚区（6）亦相对的交叉设置。

4.根据权利要求1或2所述的电极极板的固定结构，其特征是，衬底基板（5）的厚度比质量块结构以及固定电极结构的厚度高出多个数量级。

5.根据权利要求1或2所述的电极极板的固定结构，其特征是，可动电极极板（3）以栅状分布在质量块上。

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