CN104133080A - 梳齿电容式微加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种梳齿电容式微加速度计，包括由上至下设置的衬底层、绝缘层、结构层和基底层，绝缘层设在衬底层与结构层之间；衬底层和基底层上均设有金属引线电极。本发明不增加器件面积的情况下使得检测电容成倍增加，增加质量块重量，增加了设计的灵活性，能提高测量精度，且可利用干法刻蚀，尺寸控制好，工艺简单，能够实现大批量制造。

Description

梳齿电容式微加速度计

技术领域

本发明涉及微电子机械系统技术领域，尤其是一种梳齿电容式微加速度计。 

背景技术

采用微电子机械系统（MEMS）技术实现的微型电容式加速度计，具有体积小、重量轻、精度高和成本低等有优点，在军事、汽车工艺、消费类电子产品等领域有广发的应用前景。电容式微加速度计一般有两种结构：“三明治”结构和“梳齿”结构。 

1、“三明治”结构，质量块不论是厚度还是面积都可以做得很大，因此检测电容面积大，噪声小，能够满足高精度测量的要求，但一般利用湿法腐蚀的加工方法制备得到，湿法腐蚀控制精度较差且需要额外的芯片面积以实现 54.5°斜槽（54.5°是到达晶面所需要的角度），另外，还需要双面对准光刻和刻蚀，工艺相对比较复杂。 

2、“梳齿”式结构，一般利用干法刻蚀以获得快的刻蚀速率和垂直的侧壁，尺寸控制精度高，芯片结构面积较小，但由于干法刻蚀刻蚀深宽比的限制，其质量块厚度较小，检测电容的面积小，噪声较大，测量精度较低。如果通过增加面积来增大质量块，以及通过增加梳齿长度增大检测电容，一方面减少了整个硅片上器件的个数，另一方面由于硅片的翘曲度减小了器件的对称性，很难满足高精度测量的要求。 

从以上可以看出，三明治结构的微加速度计能够满足高精度测量的要求，但需要提高尺寸控制精度、减小工艺复杂度；梳齿式微加速度计加工性好，但需要进一步增加质量块以及检测电容以提高测量精度。 

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种梳齿电容式微加速度计，结构巧妙，测量精度高。 

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：一种梳齿电容式微加速度计，包括由上至下设置的衬底层、绝缘层、结构层和基底层，绝缘层设在衬底层与结构层之间；衬底层和基底层上均设有金属引线电极；该衬底层上设有第一质量块、第一可动电极和第一固定电极，第一固定电极的一端通过第一锚点跟绝缘层连接，另一端为自由端，第一可动电极的一端跟第一质量块连接，另一端为自由端；第一可动电极和第一固定电极相间构成平行板电容器；该结构层上设有第二质量块、第二可动电极、第二固定电极和支撑梁，第二固定电极的一端通过第二锚点分别跟绝缘层和基底层连接，另一端为自由端；第二可动电极的一端连接到第二质量块上，另一端为自由端；支撑梁一端连接到第二质量块上，另一端通过第三锚点跟基底层连接；第二可动电极和第二固定电极相间构成平行板电容器。 

进一步地，第一锚点与第二锚点在基底层的同一竖直方向上。 

进一步地，绝缘层材料中包括二氧化硅。 

与现有技术相比，本发明具有以下优点：1）可以在不增加面积的情况下使得检测电容面积成倍增加，增加质量块质量，提高测量精度；2）采用干法刻蚀工艺，尺寸控制精度高；3）本发明的制备方法可以采用常规MEMS工艺设备，实现大批量制造，且工艺过程简单。 

附图说明

图1为本发明梳齿电容式微加速度计纵剖面示意图； 

图2 为本发明梳齿电容式微加速度计的结构原理示意图；

图3为图1中结构层上各功能单元结构示意图；

图4为图1中衬底层上各功能单元结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。 

如图1所示的一种梳齿电容式微加速度计，由结构层1、绝缘层2、衬底层3和基底层4构成，在结构层1和衬底层3上设置功能单元，结构层1和基底层4通过锚点5连接，结构层1与衬底层3通过绝缘层2连接，在基底层4上和衬底层3上设置有金属引线电极6。绝缘层2材料中包括二氧化硅。 

为了实现传感功能，如图2所示，在结构层1上设置有固定电极21、可动电极22、质量块23、支撑梁24，固定电极21一端通过锚点25跟基底层4连接，另一端为自由端，可动电极22一端连接到质量块23上，另一端为自由端，支撑梁24一端连接到质量块23上，另一端通过锚点26跟基底层4连接；固定电极21和可动电极22相间构成平行板电容器。 

为了增加检测电容，如图3所示，在衬底层3上设置有固定电极31、可动电极32、质量块33，固定电极31一端通过锚点35跟基底层4连接，另一端为自由端，可动电极32一端跟质量块33连接，另一端为自由端，质量块33通过绝缘层2跟质量块23连接；固定电极31和可动电极32相间构成平行板电容器。 

为了叙述方便，如图4所示，将整个结构分为固定电极11、可动电极12、质量块13、支撑梁14、锚点15和锚点16，固定电极11由固定电极21和固定电极31构成，可动电极12由可动电极22和可动电极32构成，质量块13由质量块23和质量块33以及中间的绝缘层2构成，支撑梁14由支撑梁24构成，锚点15由锚点25和锚点35以及中间的绝缘层2构成，锚点15通过锚点5跟基底层4连接，锚点16由锚点26和锚点36以及中间的绝缘层2构成，锚点16通过锚点5跟基底层4连接。 

本发明装置的工作原理如下：在非测量状态时，质量块处于中间位置，上下梳齿间隙相等，形成的电容大小相等，输出信号为0，当有向上的加速度时，质量块在加速度作用下向上运动，质量块上部可动电极与固定电极间隙减小，电容增大，质量块下部可动电极与固定电极间隙增大，电容减小，同理，当有向下的加速度时，质量块上部可动电极与固定电极间隙增大，电容减小，质量块下部可动电极与固定电极间隙减小，电容增大，利用业已非常成熟的差分测量技术测量上下电容的差值大小及正负方向，可知加速度的大小和方向。 

由于在衬底层3上增加了一倍的梳齿结构，因此，在同样的加速度作用下，差分电容增加一倍，从而能提高加速度计的灵敏度。 

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。 

Claims (3)

1.一种梳齿电容式微加速度计，其特征在于：包括由上至下设置的衬底层、绝缘层、结构层和基底层，绝缘层设在衬底层与结构层之间；衬底层和基底层上均设有金属引线电极；

该衬底层上设有第一质量块、第一可动电极和第一固定电极，第一固定电极的一端通过第一锚点跟绝缘层连接，另一端为自由端，第一可动电极的一端跟第一质量块连接，另一端为自由端；第一可动电极和第一固定电极相间构成平行板电容器；

该结构层上设有第二质量块、第二可动电极、第二固定电极和支撑梁，第二固定电极的一端通过第二锚点分别跟绝缘层和基底层连接，另一端为自由端；第二可动电极的一端连接到第二质量块上，另一端为自由端；支撑梁一端连接到第二质量块上，另一端通过第三锚点跟基底层连接；第二可动电极和第二固定电极相间构成平行板电容器。

2.如权利要求1所述梳齿电容式微加速度计，其特征在于：第一锚点与第二锚点在基底层的同一竖直方向上。

3.如权利要求1所述梳齿电容式微加速度计，其特征在于：绝缘层材料中包括二氧化硅。