CN104502629A - 一种折叠梁式高灵敏度微机械加速度计 - Google Patents

Abstract

一种折叠梁式高灵敏度微机械加速度计，包括上盖、敏感硅结构和下盖，上盖设有上固定电容板，下盖设有下固定电容板，敏感硅结构包括固定框架、敏感质量块和折叠梁，固定框架各侧边均设有应力释放槽，固定框架于应力释放槽与固定框架内侧之间形成匹配梁，敏感质量块设于固定框架中间，并通过折叠梁连接于匹配梁上，上固定电容板包括上检测电极和上匹配电极，上匹配电极围设于上检测电极四周，下固定电容板包括下检测电极和下匹配电极，下匹配电极围设于下检测电极四周，敏感质量块位于上检测电极和下检测电极之间，匹配梁位于上匹配电极和下匹配电极之间。该折叠梁式高灵敏度微机械加速度计具有结构简单、制备方便、成本低廉、温度漂移小的优点。

Description

一种折叠梁式高灵敏度微机械加速度计

技术领域

本发明涉及微机械传感器领域，尤其涉及一种折叠梁式高灵敏度微机械加速度计。

背景技术

与传统加速度计相比，以MEMS技术为基础的微机械加速度计具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等突出优点，从而广泛应用于汽车运动状态控制系统、摄像机稳定系统、运动机械控制等领域，高灵敏度加速度计作为精确控制系统不可或缺的部件，其作用也越来越显著。

目前，提高加速度计灵敏度的方式主要有以下几种，分别为减小电极间隙、减小支撑梁刚度、增大可动质量块质量等，其中减小电极间隙容易导致相对加工误差的增大，增大可动质量块质量不利于减小结构整体尺寸，减小支撑梁刚度的方法最为可行。通常减小支撑梁刚度的方法有减小厚度和增大长度，折叠梁结构因其既能避免梁过细导致易损坏又能保证占用较小的空间而得到广泛采用。然而支撑梁刚度减小后，温度漂移的影响更为明显，从而影响检测的准确性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、制备方便、成本低廉、温度漂移小的折叠梁式高灵敏度微机械加速度计。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种折叠梁式高灵敏度微机械加速度计，包括上盖、敏感硅结构和下盖，所述上盖上设有上固定电容板，所述下盖上设有下固定电容板，所述敏感硅结构设于上固定电容板和下固定电容板之间，所述敏感硅结构包括固定框架、敏感质量块和折叠梁，所述固定框架各侧边均设有应力释放槽，所述固定框架于应力释放槽与固定框架内侧之间形成匹配梁，所述敏感质量块设于固定框架中间，并通过折叠梁连接于匹配梁上，所述上固定电容板包括上检测电极和上匹配电极，上匹配电极围设于上检测电极四周，所述下固定电容板包括下检测电极和下匹配电极，下匹配电极围设于下检测电极四周，所述敏感质量块位于上检测电极和下检测电极之间，所述匹配梁位于上匹配电极和下匹配电极之间。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述折叠梁为蛇形梁。

所述敏感质量块与各匹配梁之间连接有两件折叠梁。

所述两件折叠梁的水平位置相互错开，且上下错层布置。

所述固定框架的各侧边固连有连接锚点。

所述下盖上设有上检测电极引脚、上匹配电极引脚、下检测电极引脚和下匹配电极引脚，所述固定框架的角部外侧设有可导电的硅导通块，上检测电极引脚与上检测电极连接，上匹配电极引脚与上匹配电极连接，下检测电极引脚经一硅导通块与下检测电极连接，下匹配电极引脚经另一硅导通块与下匹配电极连接。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

本发明的折叠梁式高灵敏度微机械加速度计，结构简单，便于采用湿法腐蚀工艺进行加工，加工精度高，且成本低廉；另外通过设置匹配梁现了温度变化时的自平衡，当温度变化时，应力作用使匹配梁携带敏感质量块整体发生上下方向的位移，从而使匹配电容的间隙发生变化，通过差分即可得到温度造成的位移大小，以便从检测结果中消除温度造成的影响，减少系统温度漂移，提高系统的检测精度。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图。

图2是本发明的拆分立体结构示意图。

图3是本发明敏感硅结构的结构示意图。

图4是本发明上盖的结构示意图。

图5是本发明下盖的结构示意图。

图例说明：

1、上盖；10、上固定电容板；101、上检测电极；102、上匹配电极；2、敏感硅结构；21、固定框架；22、敏感质量块；23、折叠梁；24、应力释放槽；25、匹配梁；26、连接锚点；3、下盖；30、下固定电容板；301、下检测电极；302、下匹配电极；31、上检测电极引脚；32、上匹配电极引脚；33、下检测电极引脚；34、下匹配电极引脚；4、硅导通块。

具体实施方式

图1至图5示出了本发明的一种折叠梁式高灵敏度微机械加速度计实施例，该微机械加速度计包括上盖1、敏感硅结构2和下盖3，上盖1上设有上固定电容板10，下盖3上设有下固定电容板30，敏感硅结构2设于上固定电容板10和下固定电容板30之间，敏感硅结构2包括固定框架21、敏感质量块22和折叠梁23，固定框架21各侧边均设有应力释放槽24，固定框架21于应力释放槽24与固定框架21内侧之间形成匹配梁25，敏感质量块22设于固定框架21中间，并通过折叠梁23连接于匹配梁25上，上固定电容板10包括上检测电极101和上匹配电极102，上匹配电极102围设于上检测电极101四周，下固定电容板30包括下检测电极301和下匹配电极302，下匹配电极302围设于下检测电极301四周，敏感质量块22位于上检测电极101和下检测电极301之间，匹配梁25位于上匹配电极102和下匹配电极302之间。本发明的折叠梁式高灵敏度微机械加速度计，结构简单，便于采用湿法腐蚀工艺进行加工，通过设置匹配梁25实现了温度变化时的自平衡，当温度变化时，应力作用使匹配梁25携带敏感质量块22整体发生上下方向的位移，从而使匹配电容的间隙发生变化，通过差分即可得到温度造成的位移大小，以便从检测结果中消除温度造成的影响，减少系统温度漂移，提高系统的检测精度。

本实施例中，折叠梁23为蛇形梁，大大减小了支撑梁刚度，可有效提高微机械加速度计的灵敏度，敏感质量块22与各匹配梁25之间连接有两件折叠梁23，两件折叠梁23的水平位置相互错开，且上下错层布置，降低了加速度计的交叉耦合灵敏度，提高了测量精度。

本实施例中，固定框架21的各侧边固连有连接锚点26，下盖3上设有上检测电极引脚31、上匹配电极引脚32、下检测电极引脚33和下匹配电极引脚34，固定框架21的角部外侧设有可导电的硅导通块4，上检测电极引脚31与上检测电极101连接，上匹配电极引脚32与上匹配电极102连接，下检测电极引脚33经一硅导通块4与下检测电极301连接，下匹配电极引脚34经另一硅导通块4与下匹配电极302连接，上盖1的两个电极通过可导电的硅导通块4传递到下盖3输出，进而实现全部引线均处于下盖3，方便加工和封装。

本实施例中，敏感硅结构2由预埋湿法腐蚀加工工艺制作，具体加工流程如下：

S1：在单晶硅片表面通过热氧化生长一层SiO₂层作为掩膜层；

S2：第一次对二氧化硅层进行双面匀胶光刻，并制作一次掩膜图案；

S3：二氧化硅层的第二次双面匀胶光刻，精确控制SiO₂层腐蚀时间制作二次预埋掩膜图案，此时SiO₂掩膜的厚度维持在整个SiO₂层厚度的一半；

S4：进行单晶硅的湿法腐蚀至特定深度；

S5：二氧化硅层整体减薄，打开二次预埋的掩膜层；

S6：继续进行湿法腐蚀，直至结构完全释放；

S7：去除二氧化硅层，得到微加速度计的硅结构。

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揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做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、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种折叠梁式高灵敏度微机械加速度计，包括上盖（1）、敏感硅结构（2）和下盖（3），所述上盖（1）上设有上固定电容板（10），所述下盖（3）上设有下固定电容板（30），所述敏感硅结构（2）设于上固定电容板（10）和下固定电容板（30）之间，其特征在于：所述敏感硅结构（2）包括固定框架（21）、敏感质量块（22）和折叠梁（23），所述固定框架（21）各侧边均设有应力释放槽（24），所述固定框架（21）于应力释放槽（24）与固定框架（21）内侧之间形成匹配梁（25），所述敏感质量块（22）设于固定框架（21）中间，并通过折叠梁（23）连接于匹配梁（25）上，所述上固定电容板（10）包括上检测电极（101）和上匹配电极（102），上匹配电极（102）围设于上检测电极（101）四周，所述下固定电容板（30）包括下检测电极（301）和下匹配电极（302），下匹配电极（302）围设于下检测电极（301）四周，所述敏感质量块（22）位于上检测电极（101）和下检测电极（301）之间，所述匹配梁（25）位于上匹配电极（102）和下匹配电极（302）之间。

2.根据权利要求1所述的折叠梁式高灵敏度微机械加速度计，其特征在于：所述折叠梁（23）为蛇形梁。

3.根据权利要求2所述的折叠梁式高灵敏度微机械加速度计，其特征在于：所述敏感质量块（22）与各匹配梁（25）之间连接有两件折叠梁（23）。

4.根据权利要求3所述的折叠梁式高灵敏度微机械加速度计，其特征在于：所述两件折叠梁（23）的水平位置相互错开，且上下错层布置。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的折叠梁式高灵敏度微机械加速度计，其特征在于：所述固定框架（21）的各侧边固连有连接锚点（26）。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的折叠梁式高灵敏度微机械加速度计，其特征在于：所述下盖（3）上设有上检测电极引脚（31）、上匹配电极引脚（32）、下检测电极引脚（33）和下匹配电极引脚（34），所述固定框架（21）的角部外侧设有可导电的硅导通块（4），上检测电极引脚（31）与上检测电极（101）连接，上匹配电极引脚（32）与上匹配电极（102）连接，下检测电极引脚（33）经一硅导通块（4）与下检测电极（301）连接，下匹配电极引脚（34）经另一下匹配电极引脚（34）下匹配电极（302）连接。

7.根据权利要求5所述的折叠梁式高灵敏度微机械加速度计，其特征在于：所述下盖（3）上设有上检测电极引脚（31）、上匹配电极引脚（32）、下检测电极引脚（33）和下匹配电极引脚（34），所述固定框架（21）的角部外侧设有可导电的硅导通块（4），上检测电极引脚（31）与上检测电极（101）连接，上匹配电极引脚（32）与上匹配电极（102）连接，下检测电极引脚（33）经一硅导通块（4）与下检测电极（301）连接，下匹配电极引脚（34）经另一硅导通块（4）与下匹配电极（302）连接。