CN102401842A

CN102401842A - 不等高梳齿电容式三轴加速度传感器及其制作方法

Info

Publication number: CN102401842A
Application number: CN2011101909855A
Authority: CN
Inventors: 许高斌
Original assignee: SHANGHAI YASHANG ELECTRONIC TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: Shanghai Xin Xian Electronic Technology Co., Ltd.
Priority date: 2011-07-08
Filing date: 2011-07-08
Publication date: 2012-04-04
Anticipated expiration: 2031-07-08
Also published as: CN102401842B

Abstract

本发明公开一种不等高梳齿电容式三轴加速度传感器及其制作方法，所述传感器包括位于硅衬底上的X、Y轴向加速度的检测单元和Z轴向加速度的检测单元，其中：所述X、Y轴向加速度的检测单元包括：检测X、Y轴向加速度的敏感质量块、L型支撑弹簧梁、等高梳齿差分电容敏感可动梳齿电极对以及固定梳齿电极对；所述Z轴向加速度的检测单元包括：两个用于检测Z轴向加速度的敏感质量块、一字型支撑弹簧梁以及不等高梳齿差分电容敏感电极对。本发明使用三个独立的敏感单元和不等高梳齿差分电容电极结构实现对三轴加速度的无交叉干扰检测。采用MEMS体硅和浅刻蚀工艺，制备工艺的一致性和重复性好，有较高的检测灵敏度、可靠性和稳定性。

Description

不等高梳齿电容式三轴加速度传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体地说，涉及的是一种不等高梳齿电容式三轴加速度传感器及其制作方法。

背景技术

在汽车安全控制系统中，其关键技术在于高性能传感器的研制和应用程度。“没有传感器技术就没有现代汽车”已成为业内共识，这意味着汽车电子化越发达，自动化程度越高，对传感器的依赖性就越大。对此，业内专家认为，未来新型汽车应用系统将催生新的汽车传感器与之配套。传感器产业作为国内外公认的具有发展前途的高技术产业，以其技术含量高、经济效益好、渗透能力强、市场前景广等特点为世人瞩目。由于MEMS微型传感器在降低汽车电子系统成本及提高其性能方面的优势，它们已开始逐步取代基于传统机电技术的传感器，汽车 MEMS传感器将成为世界汽车电子的重要构成部分。在未来5年～7年内，包括发动机运行管理、废气与空气质量控制、刹车防抱死系统、车辆动力学控制、自适应导航、车辆行驶安全系统等在内的汽车电子系统应用将为MEMS技术提供广阔的市场。MEMS技术的日趋成熟完善，可满足汽车环境苛刻、可靠性高、精度准确、成本低的要求，极大地推动了MEMS传感技术在汽车电子上的应用。

随着MEMS加工技术的日渐成熟，MEMS加速度传感器在传感器市场中也占据了重要的地位。MEMS电容式加速度传感器以其小型化、可集成性、高精度、低噪声、低温漂、低价格等优点，逐渐成为微加速度计中的主流产品。MEMS电容加速度传感器也以这些优点被广泛的应用于汽车领域，MEMS加速度传感器可广泛用于安全气囊监测、翻转监测、ESC、GPS导航、防翻滚系统、胎压监测系统及电子悬挂控制系统等。近些年来，MEMS电容式加速度传感器也被用于笔记本电脑的硬盘保护装置和游戏中的运动感应装置。由于技术的进步和价格的下降，现在的MEMS电容加速度传感器也被用于手机中的重力感应装置等消费领域。

传统方案的三轴电容式加速度传感器很难解决加速度检测的三轴交叉干扰，且器件的制备多采用MEMS体硅深刻蚀工艺技术和复杂的CMOS后处理工艺，传感器的制备工艺复杂，芯片面积大，器件的一致性和重复性差，可靠性和稳定性低，交叉测试灵敏度低。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的上述不足，提供一种不等高梳齿电容式三轴加速度传感器及其制作方法，在同一芯片上集成三个独立的加速度敏感单元和不等高梳齿结构，采用MEMS体硅和浅刻蚀工艺，很好解决了制备工艺方面的难题，交叉测试灵敏度高。

为实现上述的目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供一种不等高梳齿电容式三轴加速度传感器，该传感器包括位于硅衬底上的X、Y轴向加速度的检测单元和Z轴向加速度的检测单元，其中：

所述X、Y轴向加速度的检测单元包括：检测X、Y轴向加速度的敏感质量块、L型支撑弹簧梁、等高梳齿差分电容敏感可动梳齿电极对以及固定梳齿电极对；所述检测X、Y轴向加速度的敏感质量块与四个L型支撑弹簧梁连接在一起，并通过锚体固定在硅衬底上；所述固定梳齿电极对通过锚体固定在所述硅衬底上，所述固定梳齿电极为单侧梳齿式结构；与所述固定梳齿电极对相对应的，在所述敏感质量块上设有分别检测X、Y轴向加速度的多组等高梳齿差分电容敏感可动梳齿电极对，每个所述可动梳齿电极与相邻两个所述固定梳齿电极交错配置；

所述Z轴向加速度的检测单元包括：两个用于检测Z轴向加速度的敏感质量块、两个一字型支撑弹簧梁以及不等高梳齿差分电容敏感电极对；所述检测Z轴方向加速度的敏感质量块和一字型支撑弹簧梁通过锚体分别固定在硅衬底上，所述硅衬底上设有不等高梳齿差分电容敏感电极对，该电极对中的固定梳齿电极对通过锚体固定在所述硅衬底上。

进一步的，所述X、Y轴向加速度的检测单元采用定齿偏置式，当有加速度时X、Y向质量块沿着平面左右或上下运动，梳齿间间距的发生变化则电容发生变化，以实现对X、Y轴向加速度的检测。

进一步的，所述X、Y轴向加速度的检测单元以所述敏感质量块的横、纵向对称轴为界，左右、上下结构对称，上下相对的固定梳齿电极是电连通的，且左侧固定梳齿电极的电极性与右侧固定梳齿电极的电极性相反。敏感元件的每一个等高梳齿差分电容敏感可动梳齿电极与相邻两个固定梳齿电极间的梳齿交错配置，结构整体是左右、上下对称，形成差分电容。当存在Z轴方向的加速度时，总的电容变化量一致，中间无信号输出。

进一步的，所述Z轴向加速度的检测单元的两块敏感质量块沿着平面的内外运动，两边的梳齿采用不等高处理，不等高梳齿采用MEMS湿法浅刻加工制备技术来实现。

进一步的，所述Z轴向加速度的检测单元敏感质量块设置于X、Y轴向加速度的检测单元敏感质量块内。

本发明提供上述不等高梳齿电容式三轴加速度传感器的制作方法，包括如下步骤：

（1）备片：准备一块双面抛光硅片。

（2）一次光刻：在硅背面上旋凃正胶，利用第一块掩模板对光刻胶进行光刻，形成背面浅槽。

（3）二次光刻：在硅背面上旋凃正胶，利用第二块掩模板对光刻胶进行光刻，形成背面梳齿浅槽。

（4）玻璃表面淀积铝层：对玻璃表面清洗后，淀积金属铝层。

（5）三次光刻：在铝层表面凃正胶，利用第三块掩模板对光刻胶进行光刻，形成金属走线及电极。

（6）硅玻键合：利用键合技术，进行下层硅与玻璃的键合，完成下盖板的封装。

（7）四次光刻：在硅正面上旋凃正胶，利用第四块掩模板对光刻胶进行光刻，形成正面梳齿浅槽。

（8）硅表面淀积铝层：对硅表面清洗后，淀积金属铝层，作为一会深层刻蚀的保护层。

（9）五次光刻：在铝层表面凃正胶，利用第五块掩模板对光刻胶进行光刻，形成结构释放时所需的图形。

（10）结构释放：利用上层金属作为保护层对硅片干法刻蚀，清除上层残留的金属铝，完成结构释放。

（11）上层盖板封装，完成结构制作。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明基于MEMS技术的不等高梳齿电容式三轴加速度传感器，使用三个独立的敏感单元和不等高梳齿电极结构实现对三轴加速度的无交叉干扰检测。器件制备的一致性和重复性好，有较高的检测灵敏度、可靠性和稳定性。采用MEMS体硅和浅刻蚀工艺，不仅很好解决了制备工艺方面的难题，而且器件性能也明显优于传统结构三轴电容式加速度传感器。

附图说明

图1是本发明实施例结构的俯视图。

图2是X、Y轴向等高梳齿电极对三维结构示意图。

图3是L形支撑梁三维结构示意图。

图4是Z轴向不等高梳齿电极对（高）三维结构局部示意图。

图5是Z轴不等高梳齿一字型梁与不等高梳齿电极（高）三维结构示意图。

图6是Z轴向不等高梳齿电极（低）三维结构局部示意图。

图7是Z轴不等高梳齿一字型梁与不等高梳齿电极（低）三维结构示意图。

图8是本发明实施例制作方法流程图，图8a—8g显示了整个制作的过程。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的解释，但是以下的内容不用于限定本发明的保护范围。

如图1-7所示，本实施例提供一种用于测量三轴向加速度的不等高梳齿电容式三轴加速度传感器，包括位于硅衬底上的X、Y轴向加速度的检测单元和Z轴向加速度的检测单元，其中：

检测X轴向加速度的敏感质量块17，四个L型支撑弹簧梁2与敏感质量块17连接在一起，并通过锚体1固定在硅衬底上，检测X轴向加速度四组等高梳齿差分电容敏感可动梳齿电极对7和固定梳齿电极对8，固定梳齿电极对8通过锚体6用于固定在硅衬底上。

检测Y轴向加速度的敏感质量块17，四个L型支撑弹簧梁2与敏感质量块17连接在一起，并通过锚体1固定在硅衬底上，检测Y轴向加速度四组等高梳齿差分电容敏感可动梳齿电极对3和固定梳齿电极对4，固定梳齿电极对4通过锚体5用于固定在硅衬底上。

检测Z轴向加速度的两个敏感质量块11、两个一字型支撑弹簧梁9，两个相同的敏感质量块11和一字支撑梁9通过两个锚体10分别固定在衬底上，不等高梳齿差分电容敏感电极对12（高）、13（低）和15（低）、16（高），固定梳齿电极对13和16分别通过两个相同的锚体14固定在硅衬底上。

本实施例中，X、Y轴向加速度的检测单元采用定齿偏置式，当有加速度时X、Y向敏感质量块17沿着平面左右或上下运动，梳齿间间距的发生变化则电容发生变化，以实现对X、Y轴向加速度的检测。

本实施例中，X、Y轴向加速度的检测单元的固定梳齿电极对为单侧梳齿式结构而不是定齿均置结构。以敏感质量块17的横、纵向对称轴为界，左右、上下结构对称。上下相对的固定梳齿电极（定齿）是电连通的，且左侧固定梳齿电极的电极性与右侧固定梳齿电极的电极性相反。敏感质量块17的每一个等高梳齿差分电容敏感可动梳齿电极（动齿）与相邻两个固定梳齿电极间的梳齿交错配置，结构整体是左右、上下对称，形成差分电容。当存在Z轴方向的加速度时，总的电容变化量一致，中间无信号输出。结构特点有效解决了Y、Z轴向加速度对X轴向加速度检测的干扰以及X、Z轴向加速度对Y轴向加速度检测的干扰。

本实施例中，Z轴向加速度的检测单元的敏感质量块11通过挠性轴连接到固定衬底上。Z轴向敏感质量块11沿着平面的内外运动，两边的梳齿采用不等高处理，不等高梳齿采用MEMS湿法浅刻加工制备技术来实现。Z轴向加速度的检测单元敏感质量块11设置于X、Y轴向加速度的检测单元敏感质量块17内，大大减小了总体芯片的面积。当Z轴向有加速度时，一字形支撑梁9会产生扭转，梳齿对间的正对面积发生改变，且不等高梳齿对一侧电容增大，另一侧电容减小，形成差分电容，有电学信号输出。当X轴、Y轴向上有加速度时，Z轴向的两个检测电容虽然有变化，但其变化一致，因此不会有信号输出，X轴、Y轴向上的加速度对Z轴向加速度的检测无干扰。

本实施例还提供了一种不等高梳齿电容式三轴加速度传感器的制作方法，如图8所示，是制作工艺流程图，其制备过程如下：

（1）备片：准备一块双面抛光硅片。

（2）一次光刻：在硅背面上旋凃正胶，利用第一块掩模板对光刻胶进行光刻，形成背面浅槽。如图8a所示

（3）二次光刻：在硅背面上旋凃正胶，利用第二块掩模板对光刻胶进行光刻，形成背面梳齿浅槽。如图8b所示。

（4）玻璃表面淀积铝层：对玻璃表面清洗后，淀积金属铝层。如图8c所示。

（5）三次光刻：在铝层表面凃正胶，利用第三块掩模板对光刻胶进行光刻，形成金属走线及电极。如图8d所示。

（7）四次光刻：在硅正面上旋凃正胶，利用第四块掩模板对光刻胶进行光刻，形成正面梳齿浅槽。如图8e所示。

（8）硅表面淀积铝层：对硅表面清洗后，淀积金属铝层，作为一会深层刻蚀的保护层。如图8f所示。

（10）结构释放：利用上层金属作为保护层对硅片干法刻蚀，清除上层残留的金属铝，完成结构释放。如图8g所示。

（11）上层盖板封装，完成结构制作。

本发明使用三个独立的敏感单元和不等高梳齿差分电容电极结构实现对三轴加速度的无交叉干扰检测，各轴向加速度的检测相互独立，无互相干扰，交叉测试灵敏度高。且制备工艺的一致性和重复性好，有较高的检测灵敏度、可靠性和稳定性，体积小。

本发明涉及的基于MEMS技术的不等高梳齿电容式三轴加速度传感器，可应用于汽车安全气囊监测、翻转监测、ESC、GPS导航、防翻滚系统、胎压监测系统、电子悬挂控制系统以及其他消费类电子产品对加速度三轴的检测。

以上仅仅是对本发明的较佳实施例进行的详细说明，但是本发明并不限于以上实施例。应该理解的是，在不脱离本申请的权利要求的精神和范围情况下，本领域的技术人员做出的各种修改，仍属于本发明的范围。

Claims

1.一种不等高梳齿电容式三轴加速度传感器，其特征在于包括位于硅衬底上的X、Y轴向加速度的检测单元和Z轴向加速度的检测单元，其中：

所述X、Y轴向加速度的检测单元包括：检测X、Y轴向加速度的敏感质量块、L型支撑弹簧梁、等高梳齿差分电容敏感可动梳齿电极对以及固定梳齿电极对；所述检测X、Y轴向加速度的敏感质量块与四个L型支撑弹簧梁连接在一起，并通过锚体固定在硅衬底上；所述固定梳齿电极对通过锚体固定在所述硅衬底上，所述固定梳齿电极为单侧梳齿式结构；与所述固定梳齿电极对相对应的，在所述敏感质量块上设有分别检测X、Y轴向加速度的多组等高梳齿差分电容敏感可动梳齿电极对，每个所述可动梳齿电极与相邻两个所述固定梳齿电极交错配置，结构整体是左右、上下对称，形成差分电容；

所述Z轴向加速度的检测单元包括：两个用于检测Z轴向加速度的敏感质量块、一字型支撑弹簧梁以及不等高梳齿差分电容敏感电极对；所述检测Z轴方向加速度的敏感质量块和一字型支撑弹簧梁通过锚体分别固定在硅衬底上，所述硅衬底上设有不等高梳齿差分电容敏感电极对，该电极对中的固定梳齿电极对通过锚体固定在所述硅衬底上。

2.根据权利要求1所述的不等高梳齿电容式三轴加速度传感器，其特征在于：所述X、Y轴向加速度的检测单元采用定齿偏置式，当有加速度时，检测X、Y轴向加速度的敏感质量块沿着平面左右或上下运动，梳齿间的间距发生变化则电容发生变化，实现对X、Y轴向加速度的检测。

3.根据权利要求1或2所述的不等高梳齿电容式三轴加速度传感器，其特征在于：所述X、Y轴向加速度的检测单元以所述敏感质量块的横、纵向对称轴为界，左右、上下结构对称，上下相对的固定梳齿电极是电连通的，且左侧固定梳齿电极的电极性与右侧固定梳齿电极的电极性相反。

4.根据权利要求1所述的不等高梳齿电容式三轴加速度传感器，其特征在于：所述Z轴向加速度的检测单元的两块敏感质量块沿着平面的内外运动，两边的梳齿采用不等高处理，不等高梳齿采用MEMS湿法浅刻加工制备技术来实现。

5.根据权利要求1所述的不等高梳齿电容式三轴加速度传感器，其特征在于：所述Z轴向加速度的检测单元的敏感质量块设置于X、Y轴向加速度的检测单元的敏感质量块内。

6.一种如权利要求1所述的不等高梳齿电容式三轴加速度传感器的制作方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）备片：准备一块双面抛光硅片；

（2）一次光刻：在硅背面上旋凃正胶，利用第一块掩模板对光刻胶进行光刻，形成背面浅槽；

（3）二次光刻：在硅背面上旋凃正胶，利用第二块掩模板对光刻胶进行光刻，形成背面梳齿浅槽；

（4）玻璃表面淀积铝层：对玻璃表面清洗后，淀积金属铝层；

（5）三次光刻：在铝层表面凃正胶，利用第三块掩模板对光刻胶进行光刻，形成金属走线及电极；

（6）硅玻键合：利用键合技术，进行下层硅与玻璃的键合，完成下盖板的封装；

（7）四次光刻：在硅正面上旋凃正胶，利用第四块掩模板对光刻胶进行光刻，形成正面梳齿浅槽；

（8）硅表面淀积铝层：对硅表面清洗后，淀积金属铝层，作为一会深层刻蚀的保护层；

（9）五次光刻：在铝层表面凃正胶，利用第五块掩模板对光刻胶进行光刻，形成结构释放时所需的图形；

（10）结构释放：利用上层金属作为保护层对硅片干法刻蚀，清除上层残留的金属铝，完成结构释放；

（11）上层盖板封装，完成结构制作。