CN102539830A - 多轴传感器及其制作方法、差分的传感器系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多轴传感器，包括：衬底；固定于衬底之上的质量块支撑；第一传感器的第一惯性质量块以及第二传感器的第二惯性质量块位于衬底之上且与衬底分隔开，所述第一惯性质量块包围第二惯性质量块且与第二惯性质量块间具有间隔；所述质量块支撑位于所述间隔内；所述第一惯性质量块通过第一弹性结构连接至所述质量块支撑，所述第二惯性质量块通过第二弹性结构连接至所述质量块支撑。通过各自的弹性结构连接到共同的质量块支撑上，减少了质量块支撑的分布和设计，有利于简化与其他连线层电连接，减小了连线布局的面积，同时，质量块支撑可以使第一惯性质量块和第二惯性质量块在机械上实现隔离，保证了各自独立移动，避免了交叉轴效应。

Description

多轴传感器及其制作方法、差分的传感器系统

技术领域

本发明涉及MEMS技术领域，特别涉及一种多轴传感器及其制作方法、差分的传感器系统。

背景技术

MEMS(Micro Electromechanical System，微电子机械系统)是集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。近年来，MEMS加速度传感器在汽车电子、消费电子和工业电子领域逐渐取代传统的机械量传感器，具有广阔的市场前景。相对于传统的机械量传感器，MEMS加速度传感器的尺寸更小，控制精度更高，制作工艺可以与硅集成电路技术兼容，因而其性价比大幅度提高。

目前，最广泛应用的加速度传感器为电容性加速度传感器，其制造成本低、尺寸较小，主要由电容结构和惯性质量块组成，其主要利用了加速度作用下电容变化的原理，当衬底向某个方向移动时，惯性质量块的移动使电容结构的电容发生变化，例如使电容结构的电极间的距离发生变化，这些变化被读取后可以被转化为加速度的信号。

根据加速度传感器测量应用的不同需求，可以设计为用来测试沿一个轴、两个轴或三个轴的方向上的加速度，通常将测量相对于衬底的三个相互垂直方向的加速度的传感器分别称作X轴、Y轴和Z轴加速度传感器，X轴和Y轴加速度传感器为测量平行于衬底方向的加速度，Z轴加速度传感器为测量垂直于衬底方向的加速度。

在测量多个方向加速度的多轴加速度传感器的应用中，对于X轴和Y轴传感器，都是用来测量同一个平行于衬底平面内的加速度，通常具有相类似的结构，也容易设计在一起，而对于Z轴的传感器是测量垂直于X和Y轴传感器所测量平面的方向上的加速度，与X和/或Y轴传感器设计在一起时，设计上会复杂很多，如何设计出尺寸小且性能好的多轴传感器是多轴传感器设计的一个重要方向，尤其是Z轴与X和/或Y轴传感器结合的多轴传感器。

参考图1所示，为X轴、Y轴和Z轴结合的三轴传感器的设计的结构示意图，用来测试三个相互正交方向上的加速度。其中，Z轴的加速度传感器包含Z轴惯性质量块102，该Z轴惯性质量块102通过Z轴弹性结构(图未示出)连接至Z轴固定支撑104，Z轴固定支撑104固定于衬底100上，组成跷跷板结构(teeter-totter type configuration)，即Z轴惯性质量块102在Z轴固定支撑104两侧在质量上不平衡，Z轴惯性质量块102下方为电容电极结构106，电容电极结构包括第一电极1061和第二电极1062，分别设置在Z轴惯性质量块102转动轴的两侧的衬底上，与Z轴惯性质量块102相对设置，当在Z轴方向有加速度时，不平衡的Z轴惯性质量块102绕Z轴固定支撑沿Z轴运动，使由Z轴惯性质量块102与其下方的电极结构106所构成的电容大小发生变化：当Z轴方向的加速度使位于固定支撑左侧(较重)的Z轴惯性质量块一侧向靠近位于其下方的第一电极1061移动时，位于左侧的电容值会增大；与此同时位于固定支撑右侧(较轻)的Z轴惯性质量块一侧则向远离位于其下方的第二电极1062方向移动，使位于右侧的电容值减小。通过测量左右侧电容变化的差别，从而可以读出Z轴方向的加速度；X和Y轴的加速度传感器包含一个共同的中央惯性质量块110，Z轴惯性质量块102环绕中央惯性质量块110且通过间隙108隔离开，该中央惯性质块量110通过XY轴弹性结构(图未示出)连接至XY轴固定支撑112，XY轴固定支撑112固定于衬底100上，该中央惯性质量块110内设置有X轴电容可动电极120、X轴电容固定电极118以及Y轴电容可动电极116、Y轴电容固定电极114，XY轴弹性结构在X轴和Y轴方向具有相似的刚性，X轴电容可动电极120、Y轴电容可动电极116同中央惯性质量块110连接，当X轴或Y轴方向上有加速度时，X轴电容可动电极120或Y轴电容可动电极116随中央惯性质量块110移动使相应方向上的可动电极和固定电极之间形成的电容发生变化，从而可以读出X轴或Y轴方向的加速度。在此设计中，其X轴和Y轴传感器共用同样的质量块和质量块支撑，Z轴使用独立的质量块和质量块支撑，这种结构具有较高的灵敏度，也便于Z轴及X/Y轴的优化。

然而，由于质量块支撑同时也是将质量块以及可动电极与其他连线层电连接的通道，上述设计中的结构增加了连线布局的面积，也增加了整个传感器的占地面积。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种多轴传感器及其制作方法，能够减少相应电连接的设计和传感器的占地面积。

为解决上述问题，本发明提供一种多轴传感器，包括：

衬底；

固定于衬底之上的质量块支撑；

第一传感器，用于测量沿着垂直于衬底平面的轴的加速度；

第二传感器，用于测量沿着平行于衬底平面的至少一个轴的加速度；

其中，所述第一传感器的第一惯性质量块以及所述第二传感器的第二惯性质量块位于衬底之上且与衬底分隔开，所述第一惯性质量块包围第二惯性质量块且与第二惯性质量块间具有间隔；所述质量块支撑位于所述间隔内；所述第一惯性质量块通过第一弹性结构连接至所述质量块支撑，所述第二惯性质量块通过第二弹性结构连接至所述质量块支撑。

可选地，所述第一弹性结构为具有第一转动轴的转动性弹性结构。

可选地，所述第一转动轴与所述第二惯性质量块的平行于衬底平面的第一中心轴线重合。

可选地，所述第一惯性质量块为相对于所述第一转动轴线的不平衡的惯性质量块。

可选地，所述第一传感器的电容电极结构包括：第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极分别位于所述第一转动轴两侧、与第一惯性质量块相对的衬底表面上的。

可选地，所述质量块支撑位于所述第二惯性质量块的平行于衬底平面的第一中心轴线上，或关于所述第二惯性质量块的平行于衬底平面的第一中心轴线对称。

可选地，所述第二弹性结构位于所述质量块支撑与所述第二惯性质量块之间且关于所述第二惯性质量块的平行于衬底平面的第一中心轴线对称，或在所述第二惯性质量块的平行于衬底平面的第一中心轴线上。

可选地，所述第二弹性结构关于与第一中心轴线相正交的平行于衬底平面的第二中心轴线对称。

可选地，所述第二传感器的电容电极结构包括：与第二惯性质量块相连接、平行于所述第一中心轴线的第一轴可动电极以及与第一轴可动电极相对平行、固定于衬底表面上的第一轴固定电极，和/或与第二惯性质量块相连接、平行于第二中心轴线的第二轴可动电极以及与第二轴可动电极相对平行且固定于衬底表面上的第二轴固定电极。

根据本发明的另一个方法，还提出了一种多轴传感器，包括：

衬底；

固定于衬底之上的质量块支撑；

第一传感器，用于测量沿着垂直于衬底平面的轴的加速度；

第二传感器，用于测量沿着平行于衬底平面的至少一个轴的加速度；

其中，所述第一传感器的第一惯性质量块以及所述第二传感器的第二惯性质量块位于衬底之上且与衬底分隔开，所述第一惯性质量块包围第二惯性质量块且与第二惯性质量块间具有间隔；所述质量块支撑位于所述间隔内；所述第一惯性质量块通过第一弹性结构连接至所述质量块支撑，所述第二惯性质量块通过第二弹性结构连接至第一惯性质量块。

可选地，所述第一弹性结构为具有第一转动轴的转动性弹性结构。

可选地，所述第一转动轴与所述第二惯性质量块的平行于衬底平面的第一中心轴线重合。

可选地，所述第一惯性质量块为相对于所述第一转动轴线的不平衡的惯性质量块。

可选地，所述质量块支撑位于所述第二惯性质量块的平行于衬底平面的第一中心轴线上，或关于所述第二惯性质量块的平行于衬底平面的第一中心轴线对称。

可选地，所述第二弹性结构位于所述第二惯性质量块与所述第一惯性质量块之间且关于所述第二惯性质量块的平行于衬底平面的第一中心轴线对称。

可选地，所述第二弹性结构关于与所述第一中心轴线相正交的平行于衬底平面的第二中心轴线对称。

此外，本发明还提供了一种差分的传感器系统，包括两个结构相同的上述任一种所述的多轴传感器，其中第一多轴传感器中各轴的输出值的变化与第二多轴传感器中相应轴的输出值的变化相反。

可选地，所述第一多轴传感器的第一弹性结构为具有第一转动轴的转动性弹性结构，所述第二多轴传感器的第一弹性结构为具有第一转动轴的转动弹性结构，所述第一多轴传感器的第一转动轴与所述第二多轴传感器的第一转动轴在一条直线上。

可选地，所述第一多轴传感器的第一中心轴线与所述第二多轴传感器的第一中心轴线在一条直线上。

可选地，所述第一多轴传感器的第一中心轴线与所述第一多轴传感器的第一转动轴重合，所述第二多轴传感器的第一中心轴线与所述第二多轴传感器的第一转动轴重合。

可选地，所述第一多轴传感器和第二多轴传感器的第一惯性质量块为相对于为同一直线的第一转动轴线的不平衡的惯性质量块，并且两个第一惯性质量块相对于在一条直线上的第一转动轴线的不平衡的方向相反。

可选地，所述第一多轴传感器的第二惯性质量块中设置有第一轴可动电极及第一轴固定电极，所述第二多轴传感器的第二惯性质量块中设置有第一轴可动电极及第一轴固定电极，和/或所述第一多轴传感器的第二惯性质量块中设置有第二轴可动电极及第二轴固定电极，所述第二多轴传感器的第二惯性质量块中设置有第二轴可动电极及第二轴固定电极，其中，所述第一多轴传感器的第二惯性质量块带动其第一轴可动电极朝其第一轴固定电极运动的方向与所述第二多轴传感器的第二惯性质量块带动其第一轴可动电极朝其第一轴固定电极运动的方向相反，所述第一多轴传感器的第二惯性质量块带动其第二轴可动电极朝其第二轴固定电极运动的方向与所述第二多轴传感器的第二惯性质量块带动其第二轴可动电极朝其第二轴固定电极运动的方向相反。

此外，本发明还提供了一种多轴传感器的制造方法，包括：

提供第一衬底；

在所述第一衬底上形成至少包含一层导电层的第一导电层结构；

在具有第一导电层结构的第一衬底上形成释放层；

在所述释放层中形成固定于第一衬底的质量块支撑；

在所述释放层上形成第一传感器第一惯性质量块、第二传感器的第二惯性质量块、第一弹性结构以及第二弹性结构；

将释放层部分去除；

其中，所述第一惯性质量块包围第二惯性质量块且与第二惯性质量块间具有间隔；所述第一惯性质量块通过第一弹性结构连接至质量块支撑，以响应沿着垂直于第一衬底平面的轴的加速度；所述第二惯性质量块通过第二弹性结构连接至质量块支撑，或者所述第二惯性质量块通过第二弹性结构连接至第一惯性质量块，以响应沿着平行于第一衬底平面的至少一个轴的加速度。

此外，本发明还提供了又一种多轴传感器的制造方法，包括：

提供具有释放层的第二衬底；

在所述释放层中形成质量块支撑，以及在所述释放层上形成至少包含一层导电层的第二导电层结构；

提供第三衬底，将所述第三衬底结合至所述第二衬底上具有释放层和第二导电层结构的表面；

在第二衬底中形成第一传感器的第一惯性质量块、第二传感器的第二惯性质量块、第一弹性结构以及第二弹性结构；

将释放层部分去除；

其中，所述第一惯性质量块包围第二惯性质量块且与第二惯性质量块间具有间隔；所述第一惯性质量块通过第一弹性结构连接至质量块支撑，以响应沿着垂直于第一衬底平面的轴的加速度；所述第二惯性质量块通过第二弹性结构连接至质量块支撑，或者所述第二惯性质量块通过第二弹性结构连接至第一惯性质量块，以响应沿着平行于第一衬底平面的至少一个轴的加速度。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

本发明提供的多轴传感器，第一惯性质量块用于响应垂直于衬底平面的轴的加速度，第二惯性质量块用于响应沿着平行于衬底平面的轴的加速度，通过各自的弹性结构连接到共同的质量块支撑上，通过共用质量块支撑减少了质量块支撑的分布，简化了设计，也有利于简化与其他连线层电连接，减小了连线布局的面积，同时，质量块支撑还可以实现第一惯性质量块和第二惯性质量块在机械上的隔离，保证了各自独立移动，避免了交叉轴效应。

附图说明

通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为现有技术中MEMS三轴传感器的结构示意图；

图2-3为根据本发明实施例一的多轴传感器的结构示意图；

图4为根据本发明实施例二的多轴传感器的结构示意图；

图5为根据本发明实施例三的多轴感器的结构示意图；

图6为根据本发明实施例的差分的传感器系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。

正如背景技术中的描述的加速度传感器，虽然其具有较高的灵敏度，也便于独立优化Z轴和X/Y轴传感器，但由于质量块支撑同时也是将其以及可动电极与其他连线层电连接的通道，其增加了连线布局的面积，也增加了整个传感器的占地面积，同时也增加了支撑设计的复杂程度。

为此，本发明提出了一种多轴传感器，包括：

衬底；

固定于衬底之上的质量块支撑；

第一传感器，用于测量沿着垂直于衬底平面的轴的加速度；

第二传感器，用于测量沿着平行于衬底平面的至少一个轴的加速度；

其中，所述第一传感器的第一惯性质量块以及所述第二传感器的第二惯性质量块位于衬底之上且与衬底分隔开，所述第一惯性质量块包围第二惯性质量块且与第二惯性质量块间具有间隔；所述质量块支撑位于所述间隔内；所述第一惯性质量块通过第一弹性结构连接至所述质量块支撑，所述第二惯性质量块通过第二弹性结构连接至所述质量块支撑，或者所述第二惯性质量块通过第二弹性结构连接至所述第一惯性质量块。

本发明中的第一传感器用于测量沿着垂直于衬底平面的轴的加速度，其第一惯性质量块用于响应垂直于衬底平面的轴的加速度，第二传感器用于测量沿着平行于衬底平面的至少一个轴的加速度，其第二惯性质量块用于响应沿着平行于衬底平面的轴的加速度，第一、第二惯性质量块通过各自的弹性结构连接到共同的质量块支撑上，通过共用质量块支撑减少了质量块支撑的分布和设计，有利于简化与其他连线层电连接，减小了连线布局的面积，同时，质量块支撑还可以实现第一惯性质量块和第二惯性质量块在机械上的是隔离，保证了各自独立移动，避免了交叉轴效应。

以上对本发明的技术方案和效果进行了详细的描述，为了更好的理解本发明，以下将对具体的实施例进行详细的描述。

实施例一

参考图2和图3所示，图2、3为本实施例中的多轴传感器的结构示意图(俯视图)，该多轴传感器包括：

衬底200；第一传感器，包括：第一惯性质量块202以及由第一电极2061和第二电极2062组成的第一传感器的电容电极结构；第一弹性结构207；质量块支撑204；第二传感器，包括：第二惯性质量块210以及由第一轴固定电极214、第一轴可动电极216，和/或第二轴固定电极218、第二轴可动电极220组成的第二传感器的电容电极结构；第二弹性结构212。

在本发明的所有实施例中，第一传感器和第二传感器只示出了惯性质量块和电容电极结构，但可以理解的是，第一传感器和第二传感器的组成并不限于此，还包括其他必要的组成部分，例如电连接层、屏蔽层等等，本发明对此并不做任何限制。

在此实施例中，所述第一轴固定电极、第一轴可动电极分别为X轴固定电极、X轴可动电极，第二轴固定电极、第二轴可动电极分别为Y轴固定电极、Y轴可动电极。

其中，所述第一惯性质量块202和第二惯性质量块204位于衬底之上且不与衬底200相接触，即同衬底200是分隔开的，所述第一惯性质量块202包围第二惯性质量块210，且所述第一惯性质量块202与第二惯性质量块210之间通过间隙208分隔开。

所述质量块支撑204设置在所述第一惯性质量块202和第二惯性质量块204之间的间隙208中且同衬底200的表面固定连接，并且，质量块支撑204可以沿着第二惯性质量块的平行于衬底平面的第一中心轴线230对称设置，如图2所示。此外，质量块支撑还可以在第一中心轴线230的两侧对称设置，如图3所示，在一个实施例中，该质量块支撑204包括沿第一中心轴线对称设置的两个质量块支撑点(质量块支撑点一2041和质量块支撑点二2042)以及连接两个质量块支撑点的支撑梁2043，该质量块支撑204通过所述质量块支撑点2041、2042固定于衬底上，所述支撑梁2043可以具有比第一弹性结构207和第二弹性结构212更强的刚性，以确保惯性质量块的连接；更优地，还可以沿着所述第一中心轴线230设置质量块支撑204，如图2所示，该质量块支撑204作为第一和第二惯性质量块的共同质量块支撑。同时，质量块支撑204也可以是关于与第一中心轴线230相正交的平行于衬底平面的第二中心轴线240对称的。在本申请中，其中，第一中心轴线为第二惯性质量块的在平行于衬底表面的平面上的沿一个方向(图例中为Y轴)上的中心轴线，第二中心轴线为第二惯性质量块的在平行于衬底表面的平面上的、与第一中心轴线相正交的另一中心轴线(图例中为X轴)。

所述第一惯性质量块202通过第一弹性结构207连接至质量块支撑204，在本实施例中，第一弹性结构207为具有第一转动轴250的转动弹性结构，所述第一惯性质量块为202相对于第一转动轴250的的不平衡的惯性质量块，也就是说，在第一转动轴250的两侧第一惯性质量块202不对称，例如可以通过两侧距离第一中心轴线的长度不同实现不平衡的惯性质量块，也可以是在一侧增加加重梁来实现，此处，第一弹性结构207一端连接第一惯性质量块202的内壁，另一端连接质量块支撑204，通过该第一弹性结构207将不平衡的第一惯性质量块207悬挂在质量块支撑204上。优选的实施例中，所述第一转动轴250与第一中心轴线230重合。在垂直于衬底平面的轴的加速度作用下，使得第一惯性质量块202绕第一转动轴250转动，从而响应沿着垂直于衬底平面的轴的加速度。

此外，在第一惯性质量块202的下方、第一转动轴250两侧的衬底表面上设置第一电极2061和第二电极2062，第一电极2061和第二电极2062为垂直于衬底平面方向(Z轴)的电容结构。当在垂直衬底平面(Z轴)方向上有加速度的时候，使第一惯性质量块202与其下方的电容电极结构所构成的电容大小发生变化：此处以第一惯性质量块202在第一转动轴250左侧的质量重于第一转动轴250右侧的质量为例进行说明，当Z轴方向的加速度使位于第一转动轴250左侧(较重)的第一惯性质量块202一侧向靠近位于其下方的第一电极2061移动时，位于左侧的电容值会增大；与此同时位于第一转动轴250右侧(较轻)的质量块一侧则向远离位于其下方的第二电极2062方向移动，使位于右侧的电容值减小。第一传感器左右侧电容变化的差别，通过测量电容的变化从而可以测出Z轴方向上的加速度。

所述第二惯性质量块210通过第二弹性结构212连接至质量块支撑204，第二弹性结构212在第一中心轴线230两侧对称分布，在本实施例中，第二弹性结构212一端连接第二惯性质量块210的外壁侧，一端连接质量块支撑204，通过第二弹性结构212将第二惯性质量块210悬挂在质量块支撑204上，更优地，第二弹性结构212沿第一中心轴线230设置。

在本发明中，所述第二惯性质量块210可以仅用于响应X轴方向的加速度或Y轴方向的加速度，还可以用于响应X轴和Y轴方向上的加速度，本实施例中，同时设置X轴固定电极214、X轴可动电极216组成的X轴电容电极结构及Y轴固定电极218、Y轴可动电极220组成的Y轴电容电极结构，用于测量两个正交方向上的加速度，X轴和Y轴固定电极固定于衬底表面上，X轴和Y轴可动电极与第二惯性质量块连接。当然也可以仅在第二惯性质量块中设置X轴的电容结构或Y轴的电容结构，仅测量一个方向上的加速度。在第二惯性质量块用于响应X轴和Y轴方向上的加速度时，第二弹性结构212在X轴和Y轴方向上具有相似的刚性(图中未示出)。

当在平行衬底平面(X轴或Y轴)方向上有加速度的时候，第二惯性质量块210在沿平行衬底的方向上运动，带动可动电极运动，使可动电极和固定电极间的距离发生变化，第二传感器电容发生变化，通过测量电容的变化从而可以读出X轴或Y轴方向上的加速度。

以上为实施例一的加速度传感器，第一惯性质量块通过第一弹性结构连接到质量块支撑，第二惯性质量块通过第二弹性结构连接至质量块支撑，两个惯性质量块共用相同的质量块支撑，通过共用质量块支撑减少了质量块支撑的分布和设计，有利于简化与其他连线层电连接，减小了连线布局的面积，同时，第一惯性质量块和第二惯性质量块在机械上仍然是隔离的，各质量块可以独立移动，避免了交叉轴效应。

需要说明的是，在本发明中，对第一惯性质量块和第二惯性质量块的形状和结构并不做任何限制，可以为方形、圆形或其他形状，第一和第二惯性质量块中还可以具有通孔等，示意图中的结构仅为示例。对第一弹性结构和第二弹性结构的形状和结构并不做任何限制，可以为直臂、叠臂或其他形状。此外，在本发明中，对X轴的电容电容结构或Y轴的电容电极结构的结构也不做任何限制，可以为本领域技术人员知晓的任何结构，例如指状结构等等，示意图中的结构仅为示例。

此外，在本发明的所有实施例中，都以第一惯性质量块为不平衡质量块进行说明，不平衡质量块为本发明优选的实施例，但本发明并不限于此，与第一惯性质量块配合的第一电极和第二电极组成的电容电极结构为不平衡的第一惯性质量块的优选实施例，也可以根据需要，配置其他类型的电容电极结构。此外，第一惯性质量块还可以为平衡质量块等，该平衡质量块与相应的弹性结构配合，随Z轴加速度沿Z轴运动，此时的电容电极结构可以为设置在平衡质量块中的固定电极，随着平衡质量块的运动，该平衡质量块与该固定电极的相对面积发生变化，从而导致电容大小的变化。

实施例二

以上对实施例一的加速度传感器的结构进行了详细的描述，下面将仅就实施例二区别于实施例一的方面进行阐述。未描述的部分应当认为与实施例一采用了相似的结构和连接，不再赘述。

实施例二中的结构同实施例一中的结构的组成和连接关系基本相同，不同的地方仅在于，第二弹性结构212与质量块支撑204的连接方式，在实施例二中，如图4所示，所述第二惯性质量块210通过第二弹性结构212连接至质量块支撑204，第二弹性结构212在第一中心轴线230两侧对称分布，在一个具体的实施例中，在一个质量块支撑点上，通过第二弹性结构212的两个分支，第二弹性结构分支一212a和第二弹性结构分支二212b将第二惯性质量块210连接到质量块支撑204，通过沿第一中心轴线230对称设置的第二弹性结构212沿垂直于第一中心轴线230的方向将第二惯性质量块210悬挂在质量块支撑204上，更优地，第二弹性结构212还关于第二中心轴线240对称设置。

以上为实施例二的加速度传感器，第一惯性质量块通过第一弹性结构连接到质量块支撑，第二惯性质量块通过第二弹性结构连接至质量块支撑，两个惯性质量块共用相同的质量块支撑，通过共用质量块支撑减少了质量块支撑的分布和设计，有利于简化与其他连线层电连接，减小了连线布局的面积，同时，第一惯性质量块和第二惯性质量块在机械上仍然是隔离的，各质量块可以独立移动，避免了交叉轴效应。

实施例三

下面将仅就实施例三区别于实施例一的方面进行阐述。未描述的部分应当认为与实施例一采用了相似的结构和连接，不再赘述。

实施例三中的结构同实施例一组成和连接关系基本相同，不同的地方在于，第二惯性质量块通过第二弹性结构的连接方式，在实施例三中，如图5所示，第二惯性质量块210通过第二弹性结构212连接至第一惯性质量块202上，也就是通过第一惯性质量块202间接地连接至质量块支撑204上，第二弹性结构212位于第一中心轴线230两侧对称设置，第二弹性结构与第一惯性质量块的连接点尽量靠近质量块支撑与第一弹性结构的连接点。

在此实施例中，第一惯性质量块和第二惯性质量块间接地共用共同的质量块支撑，在垂直衬底方向有加速度时，使由第一惯性质量块202与其下方的第一电极2061和第二电极2062的电容大小发生变化：此处以第一惯性质量块202在第一转动轴250左侧的质量重于第一转动轴250右侧的质量为例进行说明，当有垂直于衬底平面方向(Z轴方向)的加速度时，使位于第一转动轴250(较重)的第一惯性质量块202一侧向靠近位于其下方的第一电极2061移动时，位于左侧的电容值会增大；与此同时位于第一转动轴250右侧(较轻)的第一惯性质量块202一侧则向远离位于其下方的第二电极2062方向移动，使位于右侧的电容值减小。通过测量左右侧电容变化的差别，从而可以读出Z轴方向上的加速度。

在此实施例中，第二惯性质量块通过第二弹性结构与第一惯性质量块相连，所以也会产生微量的沿Z轴方向的运动，但由于X轴或Y轴固定电极与可动电极之间的距离几乎不变，所以其电容几乎不变。并且，第二弹性结构与第一惯性质量块的连接点越靠近质量块支撑或第二惯性质量块的第一中心轴线，第二惯性质量块随第一惯性质量块沿Z轴的移动就越小，交叉轴效应也就越小；在平行衬底方向有加速度时，第二惯性质量块沿平行衬底方向运动，带动可动电极沿相应轴方向运动，使可动电极和固定电极间的距离发生变化，使其电容发生变化，从而可以读出X轴或Y轴方向上的加速度。

本实施通过间接共用质量块支撑减少了质量块支撑的分布和设计，有利于简化与其他连线层电连接，减小了连线布局的面积。

以上对本发明的多轴传感器的实施例进行了详细的描述，此外，本发明还提出了一种差分的传感器系统，包括两个结构相同的上述任一实施例中的多轴传感器，其中第一多轴传感器中各轴的输出值的变化与第二多轴传感器中相应轴的输出值的变化相反。

优选地，所述第一多轴传感器的第一弹性结构为具有第一转动轴的转动性弹性结构，所述第二多轴传感器的第一弹性结构为具有第一转动轴的转动弹性结构，可以将所述第一多轴传感器的第一转动轴与所述第二多轴传感器的第一转动轴设置在一条直线上。

此外，还可以将所述第一多轴传感器的第一中心轴线与所述第二多轴传感器的第一中心轴线设置在一条直线上。更优地，所述第一多轴传感器的第一中心轴线与所述第一多轴传感器的第一转动轴重合，所述第二多轴传感器的第一中心轴线与所述第二多轴传感器的第一转动轴重合。

为了更好地理解本发明的差分的传感器系统，以下以实施例一中的多轴传感器组成的差分的传感器系统为例进行详细的说明。

如图6所示，为包含了两个本发明实施例一中的多轴传感器5001、5002的差分的传感器系统，其中，

第一多轴传感器5001的第一惯性质量块502-1为关于其第一转动轴550-1的不平衡质量块，第二多轴传感器5002的第一惯性质量块502-2为关于其第一转动轴550-2的不平衡质量块，第一多轴传感器5001的第一转动轴550-1与第二多轴传感器5002的第一转动轴550-2设置在一条直线上，并且第一多轴传感器5001的第二惯性质量块510-1的第一中心轴线530-1与第二多轴传感器5002的第二惯性质量块510-2的第一中心轴线530-2设置在一条直线上，且他们的第一中心轴线530-1、530-2与第一转动轴550-1、550-2重合。

第一多轴传感器5001的第一惯性质量块502-1与第二多轴传感器5002的第一惯性质量块502-2为相对于其相应的第一转动轴的不平衡质量块，且他们不平衡的方向相反，例如第一多轴传感器5001的第一惯性质量块502-1为在第一转动轴550-1的上端重下端轻，第二多轴传感器5002的第一惯性质量块502-2为则为在第一转动轴550-2的下端重上端轻，从而在响应垂直于衬底的Z轴的加速度时，两个多轴传感器5001、5002的第一传感器的输出值的变化正好相反，从而可以实现第一传感器的差分的输出。

类似的，对于平行于衬底方向的加速度的相应，在第一多轴传感器5001和第二多轴传感器5002的第二惯性质量块中分别设置第一轴可动电极(516-1、516-2)、第一轴固定电极(514-1、514-2)和/或第二轴可动电极(520-1、520-2)、第二轴固定电极(518-1、518-2)，其中，此实施例中第一轴固定/可动电极为X轴固定/可动电极，第二轴固定/可动电极为Y轴固定/可动电极，第一多轴传感器5001中第一轴可动电极516-1、第一轴固定电极514-1与第二多轴传感器5002中第一轴可动电极516-2、第一轴固定电极514-2为反向设计，同理对于两个传感器中的第二轴可动电极、第二轴固定电极的设计，所述第一多轴传感器的第二惯性质量块带动其第一轴可动电极朝其第一轴固定电极运动的方向与所述第二多轴传感器的第二惯性质量块带动其第一轴可动电极朝其第一轴固定电极运动的方向相反，所述第一多轴传感器的第二惯性质量块带动其第二轴可动电极朝其第二轴固定电极运动的方向与所述第二多轴传感器的第二惯性质量块带动其第二轴可动电极朝其第二轴固定电极运动的方向相反，从而实现在X或Y轴方向有加速度时，当第一多轴传感器5001的X或Y轴的可变电容变大时，第二多轴传感器5002的X或Y轴的可变电容变小，从而实现第二传感器的差分的输出。

对于上述实施例中的多轴传感器，可以通过不同的制造方法来实现，本发明还提供了上述多轴传感器的制造方法，以下将对两种不同实现方法的实施例进行详细的描述。

多轴传感器制造方法的第一实施例如下：

首先，提供第一衬底。

所述第一衬底可以为半导体衬底，也可以为具有介质材料层的半导体衬底，还可以为具有介质材料层和导电层的半导体衬底，在一个实施例中，可以为其上具有介质材料层的硅衬底。

而后，在所述第一衬底上形成第一导电层结构。

第一导电层结构至少可以包括测量垂直衬底方向加速度的传感器的第一电极和第二电极和/或用于电信号连接的互连线结构，和/或用于固定将来质量块固定支撑的结构等，或以上部分或全部结构的组合，可以为一层或多层结构，第一导电层结构可以为半导体或其他导电材料等。

在一个实施例中，所述第一导电层为掺杂的多晶硅，可以通过淀积多晶硅材料层后，进行图形化后，来形成第一导电层结构。

而后，在所述第一导电层结构及第一衬底上形成释放层。

所述释放层为牺牲材料，优选地可以为氧化硅或PSG(磷硅酸盐玻璃)，通过淀积牺牲材料，在第一导电层及未被第一导电层覆盖的第一衬底上覆盖释放层。

而后，在所述释放层中形成质量块支撑。

可以通过刻蚀释放层，在第一衬底上的释放层中形成开口，而后填充开口来形成该质量块支撑，质量块支撑可以为导电材料，例如半导体材料等，在一个实施例中，可以为掺杂的多晶硅。

在形成质量块支撑的同时，同样地，还可以在释放中形成其他的支撑部件，例如用于支撑X轴或Y轴固定电极的电极固定支撑。

在所述释放层上形成第一传感器的第一惯性质量块、第二传感器的第二惯性质量块、第一弹性结构以及第二弹性结构。

可以通过淀积导电材料或其他合适的材料，例如半导体或其他导电材料，在一个实施例中优选为掺杂的多晶硅，并进行掩膜、图案化刻蚀等工艺，来形成第一惯性质量块、第二惯性质量块、第一弹性结构以及第二弹性结构，各部件之间的连接结构可以为上述任一实施例中的描述。

在此步骤中，同时还可以形成X轴固定电极、X轴可动电极组成的X轴电容电极结构和/或Y轴固定电极、Y轴可动电极组成的Y轴电容电极结构。

优选的，以上形成质量块支撑的淀积步骤可以和形成质量块和电极等结构的淀积步骤同时形成。

而后，部分去除释放层。

可以通过湿法或气相干法腐蚀，来去除部分释放层，以实现第一和第二惯性质量块的机械释放，以及X轴和/或Y轴可动电极的机械释放，可以理解的是，在进行释放时，为了便于释放或加快释放工艺，可以事先在惯性质量块上形成穿孔，通过穿孔来加速释放过程。

上述方法形成的多轴传感器，其中，所述第一惯性质量块包围第二惯性质量块且与第二惯性质量块间具有间隔，所述第一惯性质量块通过第一弹性结构连接至质量块支撑，以响应沿着垂直于第一衬底平面的轴的加速度，所述第二惯性质量块通过第二弹性结构连接至质量块支撑，或者所述第二惯性质量块通过第二弹性结构连接至第一惯性质量块，以响应沿着平行于第一衬底平面的至少一个轴的加速度。

至此，形成了本发明实施例的多轴传感器。

此外，还提供了多轴传感器制造方法的第二实施例如下：

首先，提供至少具有释放层的第二衬底。

所述第二衬底可以为形成有介质材料层的半导体衬底，还可以为具有介质材料层和导电层的半导体衬底，在一个实施例中，第二衬底可以为形成有硅氧化层或PSG层的硅衬底，硅氧化层或PSG层为释放层。

而后，在所述释放层中形成质量块支撑

可以通过刻蚀释放层，在半导体衬底表面上的硅氧化层释放层中形成开口，而后填充开口来形成该质量块支撑，质量块支撑可以为导电材料，例如半导体材料或其他导电材料等，在一个实施例中，可以为掺杂的多晶硅。

在所述释放层上形成第二导电层结构。

第二导电层结构至少可以包括测量垂直衬底方向加速度的传感器的第一电极和第二电极或用于电信号连接的互连线结构，或以上部分或全部结构的组合，可以为一层或多层结构，第一导电层可以为半导体或其他导电材料等。

在一个实施例中，通过在上述器件上淀积多晶硅材料后，进行掩膜、图案化，形成第一导电层，而后，淀积介质材料，例如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等，并进行平坦化，在第二导电层结构间形成绝缘层。

优选的，以上形成质量块支撑的导电层淀积步骤可以和形成第一导电层结构的淀积步骤同时形成。

而后，提供第三衬底，将所述第三衬底结合至所述第二衬底上的第二导电层结构一侧的表面。

所述第三衬底可以为半导体衬底，或具有介质层和/或导电层的衬底，或其他可用作支撑的衬底，在一个实施例中，可以为硅衬底或具有氧化硅的硅衬底。

可以通过合适的键合方法将所述第三衬底结合至所述第二衬底的第二导电层结构的表面，在一个实施例中，可以在第三衬底上形成键合层，例如导电材料如多晶硅或金属等或者绝缘材料的氧化硅、氮氧化硅等，通过该键合层将两个衬底键合；或者直接通过上述第二导电层结构的最外层表面实现两个衬底的键合，在键合之后，第三衬底作为后续器件加工的支撑衬底。此处仅为示例，本发明对此不做限制。

而后，可将第二衬底减薄，并在在第二衬底中形成第一惯性质量块、第二惯性质量块、第一弹性结构以及第二弹性结构。

此结构中，以第三衬底为支撑衬底，直接在第二衬底中形成传感器的部件。

可以通过掩膜、图案化刻蚀等工艺步骤，在第二衬底中来形成第一传感器的第一惯性质量块、第二传感器的第二惯性质量块、第一弹性结构以及第二弹性结构，各部件之间的连接结构可以为上述任一实施例中的描述。

在此步骤中，同时还可以在第二衬底中形成X轴固定电极、X轴可动电极组成的X轴电容电极结构和/或Y轴固定电极、Y轴可动电极组成的Y轴电容电极结构。

而后，部分去除释放层。

可以通过湿法或气相干法腐蚀，来去除部分释放层，以实现第一和第二惯性质量块的机械释放，以及X轴和/或Y轴可动电极的机械释放，可以理解的是，在进行释放时，为了便于释放或加快释放工艺，可以事先在惯性质量块上形成穿孔，通过穿孔来加速释放过程。

上述方法形成的多轴传感器，其中，所述第一惯性质量块包围第二惯性质量块且与第二惯性质量块间具有间隔，所述第一惯性质量块通过第一弹性结构连接至质量块支撑，以响应沿着垂直于第一衬底平面的轴的加速度，所述第二惯性质量块通过第二弹性结构连接至质量块支撑，或者所述第二惯性质量块通过第二弹性结构连接至第一惯性质量块，以响应沿着平行于第一衬底平面的至少一个轴的加速度。

至此形成了本发明实施例的多轴传感器。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (24)

1.一种多轴传感器，其特征在于，包括：

衬底；

固定于衬底之上的质量块支撑；

第一传感器，用于测量沿着垂直于衬底平面的轴的加速度；

第二传感器，用于测量沿着平行于衬底平面的至少一个轴的加速度；

其中，所述第一传感器的第一惯性质量块以及所述第二传感器的第二惯性质量块位于衬底之上且与衬底分隔开，所述第一惯性质量块包围第二惯性质量块且与第二惯性质量块间具有间隔；所述质量块支撑位于所述间隔内；所述第一惯性质量块通过第一弹性结构连接至所述质量块支撑，所述第二惯性质量块通过第二弹性结构连接至所述质量块支撑。

2.根据权利要求1所述的多轴传感器，其特征在于，所述第一弹性结构为具有第一转动轴的转动性弹性结构。

3.根据权利要求2所述的多轴传感器，其特征在于，所述第一转动轴与所述第二惯性质量块的平行于衬底平面的第一中心轴线重合。

4.根据权利要求2所述的多轴传感器，其特征在于，所述第一惯性质量块为相对于所述第一转动轴线的不平衡的惯性质量块。

5.根据权利要求2所述的多轴传感器，其特征在于，所述第一传感器的电容电极结构包括：第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极分别位于所述第一转动轴两侧、与第一惯性质量块相对的衬底表面上的。

6.根据权利1所述的多轴传感器，其特征在于，所述质量块支撑位于所述第二惯性质量块的平行于衬底平面的第一中心轴线上，或关于所述第二惯性质量块的平行于衬底平面的第一中心轴线对称。

7.根据权利要求1所述的多轴传感器，其特征在于，所述第二弹性结构位于所述质量块支撑与所述第二惯性质量块之间且关于所述第二惯性质量块的平行于衬底平面的第一中心轴线对称，或在所述第二惯性质量块的平行于衬底平面的第一中心轴线上。

8.根据权利要求1或7所述的多轴传感器，其特征在于，所述第二弹性结构关于与第一中心轴线相正交的平行于衬底平面的第二中心轴线对称。

9.根据权利要求1所述的多轴传感器，其特征在于，所述第二传感器的电容电极结构包括：与第二惯性质量块相连接、平行于所述第一中心轴线的第一轴可动电极以及与第一轴可动电极相对平行、固定于衬底表面上的第一轴固定电极，和/或与第二惯性质量块相连接、平行于第二中心轴线的第二轴可动电极以及与第二轴可动电极相对平行且固定于衬底表面上的第二轴固定电极。

10.一种多轴传感器，其特征在于，包括：

衬底；

固定于衬底之上的质量块支撑；

第一传感器，用于测量沿着垂直于衬底平面的轴的加速度；

第二传感器，用于测量沿着平行于衬底平面的至少一个轴的加速度；

其中，所述第一传感器的第一惯性质量块以及所述第二传感器的第二惯性质量块位于衬底之上且与衬底分隔开，所述第一惯性质量块包围第二惯性质量块且与第二惯性质量块间具有间隔；所述质量块支撑位于所述间隔内；所述第一惯性质量块通过第一弹性结构连接至所述质量块支撑，所述第二惯性质量块通过第二弹性结构连接至第一惯性质量块。

11.根据权利要求10所述的多轴传感器，其特征在于，所述第一弹性结构为具有第一转动轴的转动性弹性结构。

12.根据权利要求11所述的多轴传感器，其特征在于，所述第一转动轴与所述第二惯性质量块的平行于衬底平面的第一中心轴线重合。

13.根据权利要求11所述的多轴传感器，其特征在于，所述第一惯性质量块为相对于所述第一转动轴线的不平衡的惯性质量块。

14.根据权利要求10所述的多轴传感器，其特征在于，所述质量块支撑位于所述第二惯性质量块的平行于衬底平面的第一中心轴线上，或关于所述第二惯性质量块的平行于衬底平面的第一中心轴线对称。

15.根据权利要求10所述的多轴传感器，其特征在于，所述第二弹性结构位于所述第二惯性质量块与所述第一惯性质量块之间且关于所述第二惯性质量块的平行于衬底平面的第一中心轴线对称。

16.根据权利要求10或15所述的多轴传感器，其特征在于，所述第二弹性结构关于与所述第一中心轴线相正交的平行于衬底平面的第二中心轴线对称。

17.一种差分的传感器系统，包括两个结构相同的如权利要求1-16中任一项所述的多轴传感器，其中第一多轴传感器中各轴的输出值的变化与第二多轴传感器中相应轴的输出值的变化相反。

18.根据权利要求17所述的差分的传感器系统，其特征在于，所述第一多轴传感器的第一弹性结构为具有第一转动轴的转动性弹性结构，所述第二多轴传感器的第一弹性结构为具有第一转动轴的转动弹性结构，所述第一多轴传感器的第一转动轴与所述第二多轴传感器的第一转动轴在一条直线上。

19.根据权利要求17或18所述的差分的传感器系统，其特征在于，所述第一多轴传感器的第一中心轴线与所述第二多轴传感器的第一中心轴线在一条直线上。

20.根据权利要求19所述的差分的传感器系统，其特征在于，所述第一多轴传感器的第一中心轴线与所述第一多轴传感器的第一转动轴重合，所述第二多轴传感器的第一中心轴线与所述第二多轴传感器的第一转动轴重合。

21.根据权利要求20所述的差分的传感器系统，其特征在于，所述第一多轴传感器和第二多轴传感器的第一惯性质量块为相对于为同一直线的第一转动轴线的不平衡的惯性质量块，并且两个第一惯性质量块相对于在一条直线上的第一转动轴线的不平衡的方向相反。

22.根据权利要求20或21所述的差分的传感器系统，其特征在于，

所述第一多轴传感器的第二惯性质量块中设置有第一轴可动电极及第一轴固定电极，所述第二多轴传感器的第二惯性质量块中设置有第一轴可动电极及第一轴固定电极，和/或所述第一多轴传感器的第二惯性质量块中设置有第二轴可动电极及第二轴固定电极，所述第二多轴传感器的第二惯性质量块中设置有第二轴可动电极及第二轴固定电极，其中，所述第一多轴传感器的第二惯性质量块带动其第一轴可动电极朝其第一轴固定电极运动的方向与所述第二多轴传感器的第二惯性质量块带动其第一轴可动电极朝其第一轴固定电极运动的方向相反，所述第一多轴传感器的第二惯性质量块带动其第二轴可动电极朝其第二轴固定电极运动的方向与所述第二多轴传感器的第二惯性质量块带动其第二轴可动电极朝其第二轴固定电极运动的方向相反。

23.一种多轴传感器的制造方法，其特征在于，包括：

提供第一衬底；

在所述第一衬底上形成至少包含一层导电层的第一导电层结构；

在具有第一导电层结构的第一衬底上形成释放层；

在所述释放层中形成固定于第一衬底的质量块支撑；

在所述释放层上形成第一传感器的第一惯性质量块、第二传感器的第二惯性质量块、第一弹性结构以及第二弹性结构；

将释放层部分去除；

其中，所述第一惯性质量块包围第二惯性质量块且与第二惯性质量块间具有间隔；所述第一惯性质量块通过第一弹性结构连接至质量块支撑，以响应沿着垂直于第一衬底平面的轴的加速度；所述第二惯性质量块通过第二弹性结构连接至质量块支撑，或者所述第二惯性质量块通过第二弹性结构连接至第一惯性质量块，以响应沿着平行于第一衬底平面的至少一个轴的加速度。

24.一种多轴传感器的制造方法，其特征在于，包括：

提供具有释放层的第二衬底；

在所述释放层中形成质量块支撑，以及在所述释放层上形成至少包含一层导电层的第二导电层结构；

提供第三衬底，将所述第三衬底结合至所述第二衬底上具有释放层和第二导电层结构的表面；

在第二衬底中形成第一传感器的第一惯性质量块、第二传感器的第二惯性质量块、第一弹性结构以及第二弹性结构；

将释放层部分去除；

其中，所述第一惯性质量块包围第二惯性质量块且与第二惯性质量块间具有间隔；所述第一惯性质量块通过第一弹性结构连接至质量块支撑，以响应沿着垂直于第一衬底平面的轴的加速度；所述第二惯性质量块通过第二弹性结构连接至质量块支撑，或者所述第二惯性质量块通过第二弹性结构连接至第一惯性质量块，以响应沿着平行于第一衬底平面的至少一个轴的加速度。

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