CN109946482A - 一种高信噪比的三明治式微加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高信噪比的三明治式微加速度计，所述微加速度计包括：从上到下的：上电极结构层、上键合接触区、中间电极结构层、下键合接触区、下电极结构层；上电极结构层设有与中间电极结构层键合的上键合接触区；下电极结构层设有与中间电极结构层键合的下键合接触区；上键合接触区与下键合接触区构成键合接触层；上电极结构层、中间电极结构层、下电极结构层在上、下键合接触区经熔融键合后构成自密封结构；其中中间电极结构层包括可动质量块；在很大程度上降低器件上、下电极结构层与中间电极结构层的寄生电容值，在极板间隙相同情况下，这将明显的提升三明治式微加速度计的信噪比特性。

Description

一种高信噪比的三明治式微加速度计

技术领域

本发明涉及微加速度计研究领域，具体地，涉及一种高信噪比的三明治式微加速度计。

背景技术

三明治式微加速度计是一种测量加速度大小的器件或装置，其在具有高信噪比、高测量精度要求的工业控制、航空仪表、军事等领域应用广泛。传统的三明治式微加速度计主要有玻璃-硅-玻璃结构、硅-硅-硅(全硅)结构形式，而玻璃-硅-玻璃结构组成的三明治式微加速度计虽然不存在寄生电容的影响，但其热失配问题较大，温度特性较差，对器件的测量精度会造成影响，而全硅结构组成的三明治式微加速度计热失配问题小，温度特性好，但在器件的硅-硅键合区域，由于绝缘层很薄，存在很大的寄生电容，这将较大地降低器件的信噪比特性，上述情况都无法兼顾三明治式微加速度计高信噪比、高测量精度的应用需求。

发明内容

本发明提供了一种高信噪比的三明治式微加速度计，由于设有键合接触层将增加硅-硅键合区域氧化绝缘层的厚度，从而在很大程度上降低器件上、下电极结构层与中间电极结构层的寄生电容值，在极板间隙相同情况下，这将明显的提升三明治式微加速度计的信噪比特性。

为实现上述发明目的，本申请提供了一种高信噪比的三明治式微加速度计，所述微加速度计包括：

从上到下的：上电极结构层、上键合接触区、中间电极结构层、下键合接触区、下电极结构层；上电极结构层设有与中间电极结构层键合的上键合接触区；下电极结构层设有与中间电极结构层键合的下键合接触区；上键合接触区与下键合接触区构成键合接触层；上电极结构层、中间电极结构层、下电极结构层在上、下键合接触区经熔融键合后构成自密封结构；其中中间电极结构层包括可动质量块。

进一步的，包括上电极结构层、中间电极结构层、下电极结构层均为重掺杂硅材料。

进一步的，上键合接触区设有深腔，下键合接触区设有深腔，上、下电极结构层制作的深腔高度相等；上键合接触区和下键合接触区的区域内均生长相同厚度的氧化硅层，形成相应的键合接触区，相同高度的深腔和厚度的氧化层以保证上下接触区与中间电极结构层的寄生电容值相等。

进一步的，中间电极结构层包括：外框架锚点结构、悬臂梁结构、可动质量块，所述可动质量块三端悬空，所述可动质量块悬置在上电极结构层与下电极结构层之间；所述可动质量块与所述悬臂梁结构的一端相连，所述悬臂梁结构另一端与所述外框架锚点结构连接固定。

进一步的，所述外框架锚点结构包围在所述可动质量块的四周，所述外框架锚点结构的上下表面面积与所述键合接触层上下表面面积相对应，以确保实现所述外框架与所述上、下键合接触层正对键合。

进一步的，键合接触层材料为二氧化硅材料。

进一步的，所述微加速度计中的各结构通过MEMS加工工艺制作完成。

进一步的，设上电极结构层、下电极结构层与中间电极结构层的初始间隙为d₀，中间电极结构层的可动质量块与上电极结构层、下电极结构层的正对面积为A，则得到三明治式微加速度计上、下电极的基础电容为：

式中，ε₀为真空介电常数，ε₁为空气相对介电常数；

当有外界加速度a作用于三明治式微加速度计时，中间电极结构层可动质量块将发生位移Δd₀，上、下电极的基础电容将发生变化，其变化情况可简化为：

由于三明治式微加速度计为差动检测形式，上、下电极电容总变化量可简化得到为：

变化的电容经接口电路检测转换成电压输出，即：

式中，C_p为三明治式微加速度计寄生电容，V_s为接口电路的预载电压。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明提出了一种高信噪比的三明治式微加速度计，以全硅结构形式为基础，通过对上、下电极结构层的键合区制作出等高的深腔，进而在深腔区域生长相当厚度的氧化硅层，形成新的键合接触区，这将大大增加硅-硅键合区域氧化绝缘层的厚度，从而在很大程度上降低器件上、下电极结构层与中间电极结构层的寄生电容值，在极板间隙相同情况下，这将明显的提升三明治式微加速度计的信噪比特性，同时由于结构是全硅形式，器件的温度特性好，器件测量精度高，将有利于解决三明治式微加速度计兼具高信噪比、高测量精度的性能需求。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1为高信噪比的三明治式微加速度计结构示意图；

图2为无绝缘层时高信噪比三明治式微加速度计结构示意图；

图3为有绝缘层时高信噪比三明治式微加速度计下电极结构层俯视图；

图4为用于对比的一种传统三明治结构中间绝缘层示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

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范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明提供了一种高信噪比的三明治式微加速度计，该加速度计的特点是：1、包括上电极结构层、中间电极结构层、下电极结构层，三层结构均为重掺杂硅材料；2、在与中间电极结构层对应的上电极结构层键合区域，制作有深腔，在与中间电极结构层对应的下电极结构层键合区域，也制作有深腔，上、下电极结构层制作的深腔高度相等；3、在上、下电极结构层制作的深腔区域处生长相同厚度的氧化硅层，形成新的键合接触区，上电极结构层、中间电极结构层、下电极结构层在上、下键合接触区经熔融键合后构成三明治式自密封结构；4、整个结构通过MEMS加工完成，工艺成熟，易制造。

如图1所示，根据本发明实施例的高信噪比的三明治式微加速度计，包括有上电极结构层1，下电极结构层2，键合接触层4，中间电极结构层，其中中间电极结构层由外框架锚点结构3、悬臂梁结构5、可动质量块6组成，各电极结构层材料为重掺杂硅材料，键合接触层材料为二氧化硅材料，各结构通过MEMS加工工艺制作完成。

所述可动质量块6三端悬空，一端与所述悬臂梁结构5相连，所述悬臂梁结构5另一端与所述外框架锚点结构3连接从而对所述悬臂梁5一端进行固定，所述外框架锚点结构3包围在所述可动质量块6的四周，并与所述键合接触层4面积相对应。

所述上电极结构层1，下电极结构层2会在键合区域制作深腔，如图2所示，为本发明所述键合接触层4，即无二氧化硅绝缘层时高信噪比三明治式微加速度计结构示意图，所述上、下电极结构层制作的深腔高度相等。

所述键合接触层4将为所述上电极结构层1、下电极结构层2制作的深腔区域处生长的相同厚度的氧化硅绝缘层，形成新的键合接触区，如图3所示，为本发明有绝缘层时高信噪比三明治式微加速度计下电极结构层俯视图，所述键合接触层4与所述外框架锚点结构3面积相对应，为闭合结构，所述上电极结构层1、所述外框架锚点结构3和所述下电极结构层2在上、下所述键合接触层4经熔融键合后构成三明治式自密封体结构。

本发明的高信噪比特性原理说明：

不妨设上电极结构层、下电极结构层与中间电极结构层的初始间隙为d₀，中间电极结构层的可动质量块与上电极结构层、下电极结构层的正对面积为A，则可以得到三明治式微加速度计上、下电极的基础电容为：

式中，ε₀为真空介电常数，ε₁为空气相对介电常数。

当有外界加速度a作用于三明治式微加速度计时，中间电极结构层可动质量块将发生位移Δd₀，上、下电极的基础电容将发生变化，其变化情况可简化为：

由于三明治式微加速度计为差动检测形式，上、下电极电容总变化量可简化得到为：

变化的电容经接口电路检测转换成电压输出，即：

式中，C_p为三明治式微加速度计寄生电容，V_s为接口电路的预载电压，至此便完成了传统三明治式加速度计对外界加速度a的检测。

从上式(5)可以知道，三明治式微加速度计信号输出与C₀、C_p密切相关，与其和成反比，通常C₀的大小受结构尺寸及工艺能力的限制，在相同C₀情况下，降低寄生电容C_p的值可以提高输出信号的信噪比，而寄生电容C_p的大小与极板间相对间隙成反比，本发明的高信噪比特性便是对三明治式微加速度计产生寄生电容的键合区域作出的改进创新设计，通过增加极板间相对间隙厚度来降低寄生电容值进而提高器件的输出信噪比。

图4为传统三明治结构中间键合区域绝缘层示意图，不妨设此结构形成的寄生电容为C_p0，本发明结构产生的寄生电容为C_p1，本发明输出信号幅值与传统结构输出信号幅值比值为：

由于本发明增加了三明治式微加速度计产生寄生电容的键合区域绝缘层的厚度，C_p1将小于C_p0，因此：

即相同基础电容和电压条件下，在上、下电极结构层的键合区制作出等高的深腔，在深腔区域生长相当厚度的氧化硅层，提高硅-硅键合区域氧化绝缘层的厚度，在很大程度上会降低器件上、下电极结构层与中间电极结构层的寄生电容值，这将明显提升三明治式微加速度计的输出信噪比。例如，传统三明治结构基础电容C₀为10pF，键合区氧化绝缘层厚度2um，C_p0寄生电容为45pF，此时若键合区域氧化绝缘层的厚度增加3倍，则有：

即本发明的三明治式微加速度计信噪比特性提高了2.2倍。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种高信噪比的三明治式微加速度计，其特征在于，所述微加速度计包括：

从上到下的：上电极结构层、上键合接触区、中间电极结构层、下键合接触区、下电极结构层；上电极结构层设有与中间电极结构层键合的上键合接触区；下电极结构层设有与中间电极结构层键合的下键合接触区；上键合接触区与下键合接触区构成键合接触层；上电极结构层、中间电极结构层、下电极结构层在上、下键合接触区经熔融键合后构成自密封结构；其中中间电极结构层包括可动质量块。

2.根据权利要求1所述的高信噪比的三明治式微加速度计，其特征在于，包括上电极结构层、中间电极结构层、下电极结构层均为重掺杂硅材料。

3.根据权利要求1所述的高信噪比的三明治式微加速度计，其特征在于，上键合接触区设有深腔，下键合接触区设有深腔，上、下电极结构层制作的深腔高度相等；上键合接触区和下键合接触区的区域内均生长相同厚度的氧化硅层，形成相应的键合接触区。

4.根据权利要求1所述的高信噪比的三明治式微加速度计，其特征在于，中间电极结构层包括：外框架锚点结构、悬臂梁结构、可动质量块，所述可动质量块三端悬空，所述可动质量块悬置在上电极结构层与下电极结构层之间；所述可动质量块与所述悬臂梁结构的一端相连，所述悬臂梁结构另一端与所述外框架锚点结构连接固定。

5.根据权利要求4所述的高信噪比的三明治式微加速度计，其特征在于，所述外框架锚点结构包围在所述可动质量块的四周，所述外框架锚点结构的上下表面面积与所述键合接触层上下表面面积相对应。

6.根据权利要求1所述的高信噪比的三明治式微加速度计，其特征在于，键合接触层材料为二氧化硅材料。

7.根据权利要求1所述的高信噪比的三明治式微加速度计，其特征在于，所述微加速度计中的各结构通过MEMS加工工艺制作完成。

8.根据权利要求1所述的高信噪比的三明治式微加速度计，其特征在于，设上电极结构层、下电极结构层与中间电极结构层的初始间隙为d₀，中间电极结构层的可动质量块与上电极结构层、下电极结构层的正对面积为A，则得到三明治式微加速度计上、下电极的基础电容为：

式中，ε₀为真空介电常数，ε₁为空气相对介电常数；

当有外界加速度a作用于三明治式微加速度计时，中间电极结构层可动质量块将发生位移Δd₀，上、下电极的基础电容将发生变化，其变化情况可简化为：

由于三明治式微加速度计为差动检测形式，上、下电极电容总变化量可简化得到为：

变化的电容经接口电路检测转换成电压输出，即：

式中，C_p为三明治式微加速度计寄生电容，V_s为接口电路的预载电压。