CN103760382B - 一种静电刚度式硅微谐振加速度传感器芯片 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种静电刚度式硅微谐振加速度传感器芯片。传感器芯片包括两个固支振梁、驱动梳齿电容固定极板、检测平行板电容固定极板、一个质量块。质量块位于两个固支振梁之间。固支振梁上的一组平行极板与质量块上的一组平行极板构成平行板电容用于给固支振梁引入静电刚度，固支振梁上的另一组平行极板与检测平行板电容固定极板构成检测平行板电容。在工作时，固支振梁双边驱动并通过检测平行板电容、驱动电路形成闭环谐振，固支振梁与质量块之间的平行板电容极板间施加直流偏置电压后给固支振梁引入一个附加静电刚度。当有加速度作用时，质量块发生位移导致一个固支振梁的静电刚度增加，谐振频率减小，另一个固支振梁静电刚度减小，谐振频率增加，两个固支振梁谐振频率差与加速度大小成正比。传感器输出为两个固支振梁的频率差，具有抗干扰能力强、精度高、使用方便等特点。

Description

一种静电刚度式硅微谐振加速度传感器芯片

技术领域

本发明涉及一种静电刚度式硅微谐振加速度传感器芯片。

背景技术

若振子与平行板电容的一个极板连接且平行板电容极板间存在直流偏置电压V_b，振子振动会引起平行板间静电力发生变化，且存在一个与振动位移成正比的静电力分量，相当于给振子引入一个附加的静电刚度，其中ε为介电常数、A为平行板电容有效面积、g₀为平衡位置对应的平行板电容间隙。若加速度作用下的质量块惯性力改变g₀，静电刚度将发生变化，从而改变振子谐振频率，通过测量振子谐振频率可以进行加速度测量。这就是静电刚度式硅微谐振加速度传感器的工作原理，它的灵敏度可以通过调节平行板电容极板间直流偏置电压V_b来调节，具有不需要很大的质量块而体积小、对工艺技术要求相对较低等优点。

目前，文献上报道的静电刚度式硅微谐振加速度传感器较少，已报道的静电刚度式硅微谐振加速度传感器通常由两根双端固支振梁、两个质量块、驱动梳齿电容固定极板组成，驱动梳齿可动极板和平行板电容可动极板链接在振梁上但沿振梁轴线不对称。这样，驱动梳齿电容只能单边驱动振梁，不能实现振梁的双边驱动，难以消除单边驱动模式中高频信号的影响，且检测振梁谐振频率的检测平行板电容同时作为给振梁引入静电刚度的平行板电容，使得振梁谐振频率检测电路设计时还需考虑对静电刚度的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种静电刚度式硅微谐振加速度传感器芯片。为了克服现有技术中的振梁单边驱动以及静电刚度与振梁谐振频率相互影响的缺点，本发明的静电刚度式硅微谐振加速度传感器芯片中的两个振梁采用完全对称的结构，且两个振梁共用一个质量块，可以实现两个振梁的双边驱动以及静电刚度引入与振梁频率检测的隔离。

本发明的静电刚度式硅微谐振加速度传感器芯片，其特点是：所述传感器芯片包括两个固支振梁、驱动梳齿电容固定极板、检测平行板电容固定极板、一个质量块；所述质量块位于所述两个固支振梁之间；所述固支振梁上的一组平行板电容极板与质量块上的一组平行板电容极板构成平行板电容用于给固支振梁引入静电刚度，所述固支振梁上的另一组平行板电容极板与检测平行板电容固定极板构成检测平行板电容；所述驱动梳齿电容固定极板沿固支振梁轴线对称分布；所述检测平行板电容固定极板与所述质量块上平行板电容极板沿所述传感器芯片的中心线对称分布。

所述的固支振梁的轴线两侧对称连接有多组驱动梳齿电容可动极板和两组平行板电容极板，其中一组平行板电容极板为检测平行板电容的可动极板，另一组平行板电容极板用于引入静电刚度。

所述的驱动梳齿电容可动极板与驱动梳齿电容固定极板组成驱动梳齿电容，驱动梳齿电容沿固支振梁对称分布，当固支振梁接地而两边的驱动梳齿电容固定极板分别施加带直流偏置的反相交流驱动电压，实现固支振梁的双边驱动。

所述的质量块上设置有用于防止平行板电容极板吸合的位移阻挡块，所述位移阻挡块与附近锚点边缘在加速度敏感方向的间隙小于平行板电容极板初始间隙。

本发明采用的技术方案的原理是：传感器芯片主要由两个固支振梁、一个质量块、驱动梳齿电容固定极板和检测平行板电容固定极板组成，两个固支振梁完全相同，质量块位于两固支振梁之间，固支振梁与质量块之间通过平行板电容关联。工作时，固支振梁在静电力作用下沿垂直于固支振梁轴线的方向做简谐振动；质量块上与固支振梁之间施加固定直流偏置电压，这样固支振梁与质量块之间的平行板电容会给振梁引入一个附加的静电刚度。由于传感器芯片结构完全对称，在没有加速度作用时，质量块受到对称的静电力作用保持在初始位置，两个固支振梁的附加静电刚度相等，两个固支振梁的谐振频率差为零，传感器没有输出。当有加速度作用时，质量块在惯性力作用下发生位移，与一个固支振梁的距离增加，与另一个固支振梁距离减小，导致质量块与固支振梁之间的平行板电容极板间隙发生变化，从而改变两个固支振梁的附加静电刚度大小，使得一个固支振梁的静电刚度增加，谐振频率减小，另一个固支振梁静电刚度减小，谐振频率增加，传感器输出为两个固支振梁的谐振频率差，与加速度大小成线性关系。采用两个固支振梁的谐振频率差作为传感器输出不仅可以增加传感器灵敏度，而且可以在一定程度降低外界环境对传感器性能的影响。

固支振梁左右、上下对称，固支振梁上连接检测平行板电容的多个活动极板、用于产生静电刚度的平行板电容多个活动极板以及沿固支振梁轴线对称分布的多个驱动梳齿可动极板，这样，当给固支振梁轴线两边的驱动梳齿电容固定极板分别施加带直流偏置的反相交流驱动电压，可实现固支振梁的双边驱动，利用闭环反馈电路可以实现振梁的闭环谐振，且通过检测平行板电容大小变化频率可以测量固支振梁的振动频率。

质量块上两边对称连接产生静电刚度的一组平行板电容极板，并通过锚点在质量块与固支振梁之间施加一定直流偏压。在没有加速度作用时，质量块两边平行板电容极板间静电力大小相等方向相反，质量块位移为零，两个固支振梁的静电刚度大小相等且谐振频率相等；在有加速度作用时质量块发生位移，使其与两个固支振梁间的平行板电容间隙发生变化，从而改变两个固支振梁的静电刚度大小，使得一个固支振梁谐振频率增加，另一个固支振梁谐振频率减小。

为了防止质量块在较强振动冲击过载条件发生太大位移，导致平行电容极板吸合，在质量块上有位移阻挡块，位移阻挡块与附近锚点边缘在加速度敏感方向的间隙小于平行板电容极板初始间隙。质量块通过折叠梁与锚点相连，折叠梁可以根据量程和灵敏度要求采用多级。

附图说明

图1为本发明的静电刚度式硅微谐振加速度传感器芯片的总体结构示意图；

图2为本发明的静电刚度式硅微谐振加速度传感器芯片中的固支振梁结构示意图；

图3为本发明的静电刚度式硅微谐振加速度传感器芯片中的质量块-弹簧结构示意图；

图4为本发明的静电刚度式硅微谐振加速度传感器芯片横截面结构示意图。

具体实施方式

图1为本发明的静电刚度式硅微谐振加速度传感器芯片的总体结构示意图。本发明的谐振式硅微加速度传感器芯片具体结构方案如图1所示。传感器芯片主要由质量块305、固支振梁(102、402)、与锚点(103、112、115、124、403、404、406、408)相连的若干驱动梳齿固定极板、与锚点(601、501)相连的若干检测平行板电容固定极板组成。矩形极板120与固支振梁102连接，矩形极板312与固支振梁402连接，矩形极板(303、312)与质量块305链接，这样，在固支振梁102与质量块305之间、固支振梁402与质量块305之间各形成一组平行板电容。固支振梁102通过锚点101、125固定，固支振梁402通过锚点401、405固定，工作时，固支振梁102、402沿垂直于固支振梁轴线的方向振动，固支振梁和质量块之间存在直流偏置电压，固支振梁与质量块之间的平行板电容会给固支振梁102、402各引入一个附加的静电刚度。由于传感器芯片结构完全对称，在没有加速度作用时，质量块受到对称的静电力作用保持在初始位置，两个固支振梁的附加静电刚度相等，两个固支振梁的谐振频率差为零，传感器没有输出。当有加速度作用时，质量块在惯性力作用下发生位移，与一个固支振梁的距离增加，与另一个固支振梁距离减小，导致质量块与振梁之间的平行板电容极板(120和303、312和405)间隙发生变化，从而改变两个固支振梁的附加静电刚度使得一个固支振梁谐振频率增加另一个固支振梁谐振频率减小，传感器输出为两个固支振梁的谐振频率差，与加速度大小成线性关系。

图2为本发明的静电刚度式硅微谐振加速度传感器芯片中的固支振梁结构示意图。本发明的固支振梁如图2所示，固支振梁102左右、上下对称，且两端分别通过锚点101、125支撑固定，中间连接四个与固支振梁轴线垂直的竖梁，其中竖梁108和109连接横梁110，横梁110一边通过竖梁106连接检测平行板电容的多个活动极板107，另一边连接一组驱动梳齿活动极板104；竖梁118和119连接横梁117，横梁117一边通过竖梁121连接用于产生静电刚度的平行板电容多个活动极板120，另一边连接另一组驱动梳齿活动极板123。固支振梁通过锚点101和125连接到信号地，固定驱动梳齿锚点103和112通过金属电极113连接，并接驱动信号V_d+V_cSin(wt)；固定驱动梳齿锚点115和124通过金属电极114短接，并接V_d-V_cSin(wt)。这样，固支振梁在双边驱动梳齿驱动力作用下发生振动，而通过检测平行板电容大小变化频率可以测量固支振梁的振动频率，并利用闭环反馈电路可以实现固支振梁的闭环谐振。检测平行板电容由固支振梁102连接的极板107与支撑锚点601连接602极板组成。

图3为本发明的静电刚度式硅微谐振加速度传感器芯片中的质量块-弹簧结构示意图。本发明的质量块-弹簧结构如图3所示。质量块通过四个折叠梁302、307、309、314连接到锚点301、308，为了提高灵敏度，折叠梁可以采用多级。质量块305上有均匀分布的通孔以释放芯片结构中的残余应力，质量块两边有阻挡块306和315，阻挡块与键合锚点边缘上的结构层间距小于产生静电刚度的平行板电容初始间隙，限制质量块的位移大小，避免平行板电容极板在较强振动冲击下吸合。质量块上两边对称连接产生静电刚度的一组平行板电容极板，并通过锚点301、308接直流偏压V_b。在没有加速度作用时，质量块保持在初始位置，当有加速度作用时，质量块发生位移，并改变两个固支振梁的静电刚度大小，从而改变固支振梁的谐振频率。

本发明静电刚度式硅微加速度传感器与其它类似硅微加速度传感器相比有以下显著特点：固支振梁为双边驱动，驱动静电力为单一频率，可消除单边驱动中高阶驱动频率信号的影响；质量块位于两个固支振梁之间，只需要一个质量块即可改变两个固支振梁的谐振频率；在没有加速度作用时，质量块受到的平行板电容极板间静电力大小相等，质量块的位移为零，而对于单梁单质量块的传感器结构在没有加速度作用时质量块也有较大位移，所以本发明中质量块在加速度作用下的有效位移可以更大一些，有助于提高传感器灵敏度；检测平行板电容与产生静电刚度的平行板电容分离，这样可以给检测平行板电容和产生静电刚度的平行板电容施加不同的偏置电压，有助于合理优化电路参数。

图4为本发明的静电刚度式硅微谐振加速度传感器芯片横截面结构示意图。本发明的静电刚度式硅微谐振加速度传感器采用硅-玻璃键合工艺，其横截面积如图4所示。图4中的区域701为硅微结构，702为硅微结构的键合锚点使得可动结构部分悬空，703为与各锚点连接的金属电极，704为玻璃衬底。硅微结构由硅片经深刻蚀加工形成，传感器各部分通过锚点与锚点下制作在玻璃上的金属电极供电，传感器结构通过锚点与玻璃片键合在一起。传感器芯片的具体加工工艺流程为：

1．在双面抛光的硅片上光刻，采用ICP干法刻蚀腐蚀浅槽，形成键合锚点；

2．去胶后对硅片进行磷扩散，制作欧姆接触；

3．在玻璃片上光刻金属电极图形，溅射淀积Au薄膜，去胶后在玻璃上形成金属电极；

4．有锚点的硅片面与玻璃正面阳极键合；

5．湿法腐蚀减薄硅片至硅片厚度为50μm；

6．在硅片上光刻传感器表芯结构图形，ICP深槽干法腐蚀硅片至腐透结构层，形成固支振梁、质量块、驱动梳齿电容固定极板、检测平行板电容固定极板等结构；

另外，由于本发明中传感器中采用了多组平行板电容，固支振梁和质量块运动阻尼力较大，为了提高固支振梁品质因素，传感器芯片需要采用真空封装。

Claims (4)

1.一种静电刚度式硅微谐振加速度传感器芯片，其特征在于：所述传感器芯片包括两个固支振梁、驱动梳齿电容固定极板、检测平行板电容固定极板、一个质量块；所述质量块位于所述两个固支振梁之间；所述固支振梁上的一组平行板电容极板与质量块上的一组平行板电容极板构成平行板电容用于给固支振梁引入静电刚度，所述固支振梁上的另一组平行板电容极板与检测平行板电容固定极板构成检测平行板电容；所述驱动梳齿电容固定极板沿固支振梁轴线对称分布；所述检测平行板电容固定极板与所述质量块上平行板电容极板沿所述传感器芯片的中心线对称分布。

2.根据权利要求1所述的静电刚度式硅微谐振加速度传感器芯片，其特征在于：所述固支振梁的轴线两侧对称连接有多组驱动梳齿电容可动极板和两组平行板电容极板，其中一组平行板电容极板为检测平行板电容的可动极板，另一组平行板电容极板用于引入静电刚度。

3.根据权利要求2所述的静电刚度式硅微谐振加速度传感器芯片，其特征在于：所述的驱动梳齿电容可动极板与驱动梳齿电容固定极板组成驱动梳齿电容，驱动梳齿电容沿固支振梁对称分布，当固支振梁接地而两边的驱动梳齿电容固定极板分别施加带直流偏置的反相交流驱动电压，实现固支振梁的双边驱动。

4.根据权利要求1所述的静电刚度式硅微谐振加速度传感器芯片，其特征在于：所述的质量块上设置有用于防止平行板电容极板吸合的位移阻挡块，所述位移阻挡块与附近锚点边缘在加速度敏感方向的间隙小于平行板电容极板初始间隙。