CN104569490A - 一种加速度计的z轴结构及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种加速度计的Z轴结构及其生产方法，包括衬底、固定电极、质量块，在所述衬底的表面上设置有第一锚点，所述固定电极通过其端部连接在第一锚点上，所述固定电极通过第一锚点悬置在衬底上；在所述衬底的表面上还设置有中间锚点，所述质量块通过中间锚点悬置在固定电极的上方。发明的Z轴结构，固定电极通过第一锚点与衬底连接，使得固定电极与衬底之间具有一定的间隙，这就将衬底到固定电极的形变传输通道切断，减小了固定电极与衬底之间的接触面积，可以有效避免由于外界应力和温度变化引起的衬底的形变传到固定电极上，大大降低了Z轴结构的零点漂移。
Description
技术领域
本发明属于微机电(MEMS)领域，更准确地说，涉及一种微机电的加速度计，尤其涉及一种加速度计中的Z轴结构；本发明还涉及到Z轴结构的生产方法。
背景技术
以往的Z轴加速度计都是平板电容式的，质量块的运动模式是类似跷跷板的结构。参考图1，在质量块3下方的衬底1上，会有金属做的两块固定电极2，该固定电极2贴附在衬底1的表面上。质量块3与两块固定电极2分别形成两个电容C1、C2。其中，质量块3通过锚点4支撑在衬底的上方。
这种结构的Z轴结构，其对外界应力、温度变化所引起的形变比较敏感。外界应力和温度变化引起的形变首先作用在衬底1上，进而传到固定电极2上。由于固定电极2是附着在衬底1上面，衬底1的形变直接反映到固定电极2上面。正常情况下，两个固定电极2产生的形变不可能相等，结果就造成在没有加速度计输入的情况下，两个固定电极2对可动质量块3的电容不相等，最终会输出误差信号，反映到芯片上面，这就是Z轴加速度计的零点偏移。而从设计者的角度，希望零点偏移越小越好。但这种结构的加速度计，外界应力和温度变化引起的零点偏移是无法避免的。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种加速度计的Z轴结构的新技术方案。
根据本发明的第一方面，提供了一种加速度计的Z轴结构，包括衬底、固定电极、质量块，在所述衬底的表面上设置有第一锚点，所述固定电极通过其端部连接在第一锚点上，所述固定电极通过第一锚点悬置在衬底上；在所述衬底的表面上还设置有中间锚点，所述质量块通过中间锚点悬置在固定电极的上方。
优选地，所述固定电极与第一锚点一体成型。
优选地，所述第一锚点邻近中间锚点。
优选地，所述固定电极采用单晶硅材料制成。
优选地，所述固定电极的厚度在10μm以上。
优选地，所述固定电极的厚度为20μm-30μm。
优选地，所述固定电极的下表面还设置有加强结构。
本发明还提供了一种Z轴结构的生产方法，包括以下步骤：
a、在固定电极的下表面上刻蚀出两个第一锚点以及位于两个第一锚点之间的第一中间锚点；
b、通过第一锚点、第一中间锚点将固定电极压合在衬底上；
c、在固定电极上表面上除了第一中间锚点的位置进行刻蚀，使得第一中间锚点高于固定电极上表面的其它位置；
d、将固定电极上第一锚点与第一中间锚点之间的位置刻蚀掉，使第一中间锚点和固定电极分开；并将固定电极刻蚀成预定的尺寸；
e、在所述第一中间锚点的上端压合质量块；
f、在所述质量块上刻蚀出位于第一中间锚点上方的第二中间锚点，以及用于连接质量块和第二中间锚点的连接梁。
优选地，在所述步骤b和步骤c之间还包括将固定电极刻蚀成预定厚度的步骤。
优选地，在所述步骤e和步骤f之间还包括将质量块刻蚀成预定厚度的步骤。
本发明的Z轴结构，固定电极通过第一锚点与衬底连接，使得固定电极与衬底之间具有一定的间隙，这就将衬底到固定电极的形变传输通道切断，减小了固定电极与衬底之间的接触面积，可以有效避免由于外界应力和温度变化引起的衬底的形变传到固定电极上，大大降低了Z轴结构的零点漂移。
本发明的发明人发现，在现有技术中，由于外界应力、温度变化所带来的衬底形变会传到固定电极上，从而引起固定电极的形变，使得两个电容的差值不相等。因此，本发明所要实现的技术任务或者所要解决的技术问题是本领域技术人员从未想到的或者没有预期到的，故本发明是一种新的技术方案。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1是传统Z轴结构的示意图。
图2是本发明Z轴结构的示意图。
图3至图9是本发明Z轴结构生产方法的流程示意图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
传统结构的加速度计，其X轴、Y轴方向均采用平动方式，而Z轴均采用跷跷板式的偏转方式，相对于传统Z轴加速度计结构，本发明提供了一种加速度计中的Z轴结构，可以用来检测垂直方向上的Z轴加速度信号。
参考图2，本发明提供了一种加速度计的Z轴结构，其包括衬底1、质量块3，还包括两个固定电极2，在所述衬底1的表面上设置有两个第一锚点20，分别用于连接两个固定电极2，所述固定电极2通过其端部连接在第一锚点20上，该第一锚点20与固定电极2可以是一体成型结构，整体呈L形，固定电极2位于水平方向上，而第一锚点20位于垂直方向上。固定电极2与衬底1近似平行设置，由于第一锚点20的设置，使得固定电极2与衬底1的表面之间具有一定的间隙，也就是说，固定电极2通过第一锚点20悬置在衬底1上。固定电极2可以通过单个第一锚点20进行固定，当然，也可以采用多个锚点进行固定。
在两个第一锚点20之间设置有中间锚点4，该中间锚点4固定在衬底1上，所述质量块3通过该中间锚点4悬置在固定电极2的上方。例如质量块3通过弹性梁与中间锚点4连接，使得质量块3弹性支承在衬底1、固定电极2的上方，当然，质量块3与固定电极2之间具有一定的间隙，使得质量块3可与两个固定电极2分别构成两个检测电容，这属于本领域技术人员的公知常识，在此不再进行赘述。
本发明的Z轴结构，固定电极2通过第一锚点20与衬底1连接，使得固定电极2与衬底1之间具有一定的间隙，这就将衬底1到固定电极2的形变传输通道切断，减小了固定电极2与衬底1的接触面积，可以有效地避免由于外界应力和温度变化引起的衬底的形变传到固定电极上，大大降低了Z轴结构的零点漂移。
本发明的Z轴结构中，所述第一锚点20邻近中间锚点4。两个第一锚点20对称分布在中间锚点4的两侧，在不影响加速度性能的前提下，使得第一锚点20尽可能地靠近中间锚点4，以便大大降低由于外界应力、温度变化所带来的电容输出偏差。
进一步地，所述固定电极2采用单晶硅材料制成，以提高固定电极2的抗形变能力。所述固定电极2的厚度优选在10μm以上。更进一步地，在20μm-30μm之间。为了进一步保证固定电极2的强度，可以在固定电极2的下表面设置有加强结构，例如网状的加强筋结构。
参考图3至图9，本发明还提供了一种Z轴结构的生产方法，包括以下步骤：
a、在固定电极2的下表面上刻蚀出两个第一锚点20以及位于两个第一锚点20之间的第一中间锚点21；其中，两个第一锚点20对称分布在第一中间锚点21的两侧，并尽可能地靠近第一中间锚点21。三个锚点之间具有间隙，参考图3。
b、通过第一锚点20、第一中间锚点21将固定电极2压合在衬底1上；也就是说，第一锚点20、第一中间锚点21的自由端压合在衬底1上，它们之间的压合可以采用键合的方式，例如硅-硅键合、硅-二氧化硅键合或合金键合的方式，参考图4。
c、将固定电极2上表面上除了第一中间锚点21的位置进行刻蚀，使得第一中间锚点21高于固定电极2上表面的其它位置；也可以理解为在固定电极2的上表面上将第一中间锚点21的上端刻蚀出来，使得第一中间锚点21的上端高于固定电极2的上表面，参考图5。
d、将固定电极2上第一锚点20与第一中间锚点21之间的位置刻蚀掉，使第一中间锚点21和固定电极2、第一锚点20分开；并将固定电极2刻蚀成预定的尺寸，参考图6。
e、在所述第一中间锚点21的上端压合质量块3；也就是说，将质量块3压合在第一中间锚点21的上端，基于上述的道理，二者之间的压合可以采用键合的方式，例如硅-硅键合、硅-二氧化硅键合或合金键合的方式。由于第一中间锚点21高于固定电极2的表面，使得压合在第一中间锚点21上的质量块3与固定电极2之间具有一定的间隙，参考图7。
f、在所述质量块3上刻蚀出位于第一中间锚点21上方的第二中间锚点31，以及用于连接质量块3和第二中间锚点31的连接梁(视图未出给)，并将质量块3刻蚀成预定的尺寸。也就是说，本发明上述的中间锚点4包括压合在一起的第一中间锚点21、第二中间锚点31，其中，第一中间锚点21从固定电极2上刻蚀出来，而第二中间锚点31从质量块3上刻蚀出来。压合在一起的第一中间锚点21与第二中间锚点31构成了用于将质量块3支撑在衬底1、固定电极2上方的中间锚点4，参考图8。在整个质量块3上将第二中间锚点31、连接梁刻蚀出来，使得质量块3弹性支撑在衬底1的上方。
优选的是，在所述步骤b和步骤c之间还包括将固定电极2进行刻蚀减薄的步骤。在所述步骤e和步骤f之间还包括将质量块3进行刻蚀减薄的步骤。以避免固定电极2、质量块3在无支撑结构下进行刻蚀减薄所造成的损坏。
当然，本发明的生产方法，还包括在衬底1上压合外壳5的步骤，从而将各部件封装在外壳5中，参考图9。
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种加速度计的Z轴结构，其特征在于：包括衬底(1)、固定电极(2)、质量块(3)，在所述衬底(1)的表面上设置有第一锚点(20)，所述固定电极(2)通过其端部连接在第一锚点(20)上，所述固定电极(2)通过第一锚点(20)悬置在衬底(1)上；在所述衬底(1)的表面上还设置有中间锚点(4)，所述质量块(3)通过中间锚点(4)悬置在固定电极(2)的上方。
2.根据权利要求1所述的Z轴结构，其特征在于：所述固定电极(2)与第一锚点(20)一体成型。
3.根据权利要求1所述的Z轴结构，其特征在于：所述第一锚点(20)邻近中间锚点(4)。
4.根据权利要求1所述的Z轴结构，其特征在于：所述固定电极(2)采用单晶硅材料制成。
5.根据权利要求1所述的Z轴结构，其特征在于：所述固定电极(2)的厚度在10μm以上。
6.根据权利要求5所述的Z轴结构，其特征在于：所述固定电极(2)的厚度为20μm-30μm。
7.根据权利要求1所述的Z轴结构，其特征在于：所述固定电极(2)的下表面还设置有加强结构。
8.一种Z轴结构的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、在固定电极(2)的下表面上刻蚀出两个第一锚点(20)以及位于两个第一锚点(20)之间的第一中间锚点(21)；
b、通过第一锚点(20)、第一中间锚点(21)将固定电极(2)压合在衬底(1)上；
c、在固定电极(2)上表面上除了第一中间锚点(21)的位置进行刻蚀，使得第一中间锚点(21)高于固定电极(2)上表面的其它位置；
d、将固定电极(2)上第一锚点(20)与第一中间锚点(21)之间的位置刻蚀掉，使第一中间锚点(21)和固定电极(2)分开；并将固定电极(2)刻蚀成预定的尺寸；
e、在所述第一中间锚点(21)的上端压合质量块(3)；
f、在所述质量块(3)上刻蚀出位于第一中间锚点(21)上方的第二中间锚点(31)以及用于连接质量块(3)和第二中间锚点(31)的连接梁。
9.根据权利要求8所述的生产方法，其特征在于：在所述步骤b和步骤c之间还包括将固定电极(2)刻蚀成预定厚度的步骤。
10.根据权利要求8所述的生产方法，其特征在于：在所述步骤e和步骤f之间还包括将质量块(3)刻蚀成预定厚度的步骤。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 261031 Dongfang Road, Weifang high tech Development Zone, Shandong, China, No. 268 Applicant after: Goertek Inc. Address before: 261031 Dongfang Road, Weifang high tech Development Zone, Shandong, China, No. 268 Applicant before: Goertek Inc. |
|
| COR | Change of bibliographic data | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20200608 Address after: 266104 room 103, 396 Songling Road, Laoshan District, Qingdao, Shandong Province Patentee after: Goer Microelectronics Co.,Ltd. Address before: 261031 Dongfang Road, Weifang high tech Development Zone, Shandong, China, No. 268 Patentee before: GOERTEK Inc. |