CN111289772B - 低深宽比的单质量块三轴mems惯性加速度计及其制备方法 - Google Patents

低深宽比的单质量块三轴mems惯性加速度计及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低深宽比的单质量块三轴MEMS惯性加速度计，包括自下而上依次键合的底板、空腔结构层、质量块与悬臂梁结构层、顶板；底板与空腔结构层通过底板键合环键合，空腔结构层与悬臂梁固支边框通过空腔基板键合环键合，各个悬臂梁悬置于空腔之上并使质量块悬置于空腔之中，悬臂梁固支边框与顶板通过顶板键合环键合，最终形成一个气密封闭结构，本发明采用低深宽比的质量块和空腔结构层，总体结构简单、制备工艺简化、制作方便，各个轴向加速度的感测灵敏度和感测精度高。

Description

低深宽比的单质量块三轴MEMS惯性加速度计及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种惯性加速度计，特别涉及一种低深宽比的单质量块三轴MEMS惯性加速度计。
背景技术
MEMS加速度计基于微机械电子(MEMS)技术，采用微加工工艺制作，具有体积小、重量轻、能耗低、可靠性高等优点，广泛应用于汽车、消费电子、工业控制、军事等领域。
MEMS加速度计的运动敏感结构主体包括质量块和质量块悬挂支撑系统，通过检测质量块的相对位移而感测加速运动信息。MEMS加速度计的运动敏感方式有电容式、压阻式、压电式、谐振式等，其中应用最广泛的是电容式MEMS加速度计。
MEMS加速度计有面硅和体硅两种结构形式。面硅电容式加速度计的典型敏感结构为梳齿式电容(Mukherjee等,“Automated optimal synthesis of micro-accelerometers”,MEMS’99,pp.326–331)，其结构单元尺寸较小，便于加工制作，特别是便于采用表面硅加工工艺，但因此其电容电极交叠面积较小，感测电容值也较小，对加速度的感测动态范围和分辨率相对较低，主要应用于要求不高的消费电子领域。体硅加速度计以大质量块为典型特征，采用电容、压阻等敏感方式(Amarasinghe等,Simulation,fabrication and characterization of a three-axis piezoresistiveaccelerometer,Smart Materials and Structures,vol.15,2006,pp.1691–1699；Yazdi等,All-silicon single-wafer micro-g accelerometer with a combined surface andbulk micromachining process,Journal of Microelectromechanical Systems,vol.9,no.4,pp.544–550)，其中电容式体硅加速度计以平板电容为敏感元件，电容电极交叠面积较大，感测电容值大，具有较高的感测动态范围和精度，但其包含的高深宽比体硅结构的制备工艺难度较大。
加速度计包括用于测量单一轴向运动加速度的单轴加速度计和用于测量多个正交轴向运动加速度的多轴加速度计。传统的多轴加速度计采用将多个单轴加速度计正交组装的方式，用以测量各个正交轴向的运动加速度，结构复杂、体积大，成本高，同时其各个轴向加速度计的组装正交误差会增加输出信号的噪声，降低检测精度。
MEMS多轴加速度计在单一芯片上制作运动加速度敏感结构，包括单质量块和多质量块等结构形式。单质量块结构的MEMS多轴加速度计，利用同一质量块敏感多个正交轴向的运动加速度，相比于采用多个质量块分别敏感各个轴向加速度的MEMS多轴加速度计，具有结构简单、便于加工制作等优点，但各个轴间存在不同程度的交叉耦合。
发明内容
本发明的目的是提供一种低深宽比的单质量块三轴MEMS惯性加速度计，采用低深宽比的质量块和空腔结构层，总体结构简单、制备工艺简化、制作方便，各个轴向加速度的感测灵敏度和感测精度高。
本发明的目的是这样实现的：一种低深宽比的单质量块三轴MEMS惯性加速度计，包括自下而上依次键合的底板(1)、空腔结构层(2)、质量块与悬臂梁结构层(3)、顶板(4)；
所述底板(1)包括底板基板(11)、对称设置于底板基板顶面中部的4个底电容下电极(12)、对称设置于底板基板顶面四边的4个底电容输出电极(13)、分别设置于各个底电容下电极和对应的底电容输出电极之间的4个底电容下电极引出导线(14)和设置于底板基板顶面并覆盖于各个底电容输出电极(13)之上的底板键合环(15)；
所述空腔结构层(2)包括空腔基板(21)、贯穿空腔基板(21)中部的倒正四棱台形空腔(22)和覆盖空腔基板(21)顶面四边的空腔基板键合环(23)；
所述质量块与悬臂梁结构层(3)包括倒正四棱台形质量块(31)、4个叉形悬臂梁(32)、悬臂梁固支边框(33)、覆盖质量块(31)底面的底电容上电极(34)、分别设置于质量块(31)各个侧面中部的4个底电容上电极引出电极(35)和4组底电容上电极引出导线(36)、覆盖于质量块(31)顶面、各个叉形悬臂梁(32)顶面和悬臂梁固支边框(33)顶面的接地电极(37)；
所述顶板(4)包括顶板基板(41)，位于顶板基板底面中部的正四棱台形顶板空腔(42)和覆盖顶板基板(41)底面四边的顶板键合环(43)；
所述底板(1)与空腔结构层(2)通过底板键合环(15)键合，所述空腔结构层(2)与悬臂梁固支边框(33)通过空腔基板键合环(23)键合，各个悬臂梁悬置于空腔(21)之上并使质量块(31)悬置于空腔(21)之中，所述悬臂梁固支边框(33)与顶板(4)通过顶板键合环(43)键合，最终形成一个气密封闭结构。
作为本发明的进一步限定，所述底板基板(11)为正方形截面基板，相应地，所述底板键合环(15)为内方外方的矩形环；
所述4个底电容下电极(12)为同形的正方形电极，所述4个底电容输出电极(13)为同形的长方形电极；
所述4个底电容下电极引出导线(14)为同形的长条形导线，分别连接1个底电容下电极(12)与1个底电容输出电极(13)，所述底电容下电极引出导线(14)的宽度足够小使得当各个底电容下电极(12)相对于底电容上电极(34)作移出偏移时，底电容上电极(34)与底电容下电极引出导线(14)重叠部分所形成电容的电容值相对于各个底电容的电容值可以忽略；
所述底板键合环(15)环绕于4个底电容下电极(12)的外侧，所述底板键合环(15)与空腔基板(21)的底面全等同形，其内边缘与各个底电容输出电极(13)的内端平齐。
作为本发明的进一步限定，所述空腔基板(21)为内方外方截面的厚基板，相应地，所述空腔基板键合环(15)为内方外方的矩形环。
作为本发明的进一步限定，所述倒正四棱台形质量块(31)的高度不大于其底面边长的1/2；
所述4个底电容上电极引出电极(35)为同形的矩形电极，各组底电容上电极引出导线包含2个底电容上电极引出导线(36)，所述各个底电容上电极引出导线(36)为同形的长条形导线，各组底电容上电极引出导线中的2个底电容上电极引出导线(36)分置于同侧的叉形悬臂梁(32)内径向臂(321)的两侧；
所述各个底电容上电极引出电极(35)的下端与底电容上电极(34)的外缘相连，其上端通过对应的1组底电容上电极引出导线(36)与接地电极(37)相连；
所述叉形悬臂梁(32)包含1个内径向臂(321)、1个横向臂(322)和2个外径向臂(323)，其中，内径向臂(321)的厚度不大于悬臂梁固支边框(33)的厚度的1/2，内径向臂(321)的宽度不小于其厚度的2倍，内径向臂(321)的长度不小于其宽度的1.5倍，外径向臂(323)的厚度与悬臂梁固支边框(33)的厚度相同，外径向臂(323)的宽度不大于其厚度的1/2，外径向臂(323)的长度不小于其厚度的1.5倍，横向臂(322)的厚度与悬臂梁固支边框(33)和外径向臂(323)的厚度相同，横向臂(322)的宽度与外径向臂(323)的宽度相同，横向臂(322)的长度不小于其厚度的1.5倍，叉形悬臂梁(32)的总径向长度等于所对应质量块(31)的上端与空腔(22)内壁上端之间间隙的宽度，叉形悬臂梁(32)的总横向宽度不大于质量块(31)上端的边长；
所述内径向臂(321)的内端连接质量块(31)同侧侧面上端的正中，内径向臂(321)的外端连接横向臂(322)内侧上端的正中，横向臂(322)的两端分别连接两个外径向臂(323)的内端，两个外径向臂(323)的外端对称连接于悬臂梁固支边框(33)同侧边的内侧，所述内径向臂(321)、横向臂(322)、外径向臂(323)、质量块(31)以及悬臂梁固支边框(33)的顶面平齐，所述横向臂(322)、外径向臂(323)以及悬臂梁固支边框(33)的底面平齐；
所述悬臂梁固支边框(33)为内方外方截面的中空边框；
作为本发明的进一步限定，所述顶板基板(41)为正方形截面的基板，相应地，所述顶板键合环(15)为内方外方截面的矩形环；
所述顶板空腔(42)的深度为顶板基板(41)厚度的一半，顶板空腔(42)的下端面与悬臂梁固支边框(33)中空部分的截面全等同形。
作为本发明的进一步限定，所述空腔基板(21)的外边长小于底板基板(11)的边长，所述悬臂梁固支边框(33)的外边长与空腔基板(21)的外边长相同，所述顶板基板(41)的外边长小于悬臂梁固支边框(33)的外边长；
所述底板键合环(15)与空腔基板(21)的底面全等同形，所述空腔基板键合环(23)与悬臂梁固支边框(33)的底面全等同形；
所述各个电极和导线与所在基板之间由绝缘层(5)电隔离；
所述顶板(1)、空腔结构层(2)和底板(4)的基板材料为硅单晶，所述制作质量块与悬臂梁结构层(3)的基板为SOI基板，所述各个电极、各个导线和空腔基板键合环(23)的材料为金，所述底板键合环(15)和顶板键合环(43)的材料为光敏树脂如BCB或者LCP或者SU-8，所述绝缘层(5)的材料为二氧化硅或者氮化硅。
作为本发明的进一步限定，所述质量块悬置于空腔内，质量块侧面与空腔内侧面之间的间隙为质量块作水平前后和水平左右偏移的空间，质量块的顶面和底面与顶板空腔顶面和底板顶面的间隙为质量块作垂直上下偏移的空间；
所述质量块底面的底电容上电极与底板顶面的4个底电容下电极构成4个底电容(6)，包括位于质量块底面左前侧的第一底电容(61)、位于质量块底面右前侧的第二底电容(62)、位于质量块底面左后侧的第三底电容(63)和位于质量块底面右后侧的第四底电容(64)。
作为本发明的进一步限定，静态时，悬置于空腔内的质量块的4个侧面与空腔的4个内侧面平行、正对且保持相同的初始间距，质量块的顶面与顶板空腔的顶面以及质量块的底面与底板的顶面平行、正对且保持初始间距；
相应地，底电容上电极与其下方的各个底电容下电极平行、正对且保持相同的初始交叠面积和间隙高度，各个底电容具有相同的静态电容值，各个底电容输出电极与接地电极构成的4个底电容输出端口输出相同的静态电容值信号。
作为本发明的进一步限定，4个对称分布的叉形悬臂梁支撑质量块，各个叉形悬臂梁悬置于空腔之上并使质量块悬置于空腔之中，其中：
各个叉形悬臂梁的内径向臂为薄的长宽梁，其长度大于宽度且宽度大于厚度，易于产生垂直上下弯曲形变而不易产生水平横向弯曲形变；
各个叉形悬臂梁的横向臂为窄的长厚梁，其长度大于厚度且厚度大于宽度，易于产生径向弯曲形变而不易产生垂直上下弯曲形变；
各个叉形悬臂梁的外径向臂为窄的长厚梁，其长度大于厚度且厚度大于宽度，易于产生横向弯曲形变而不易产生垂直上下弯曲形变。
以上结构特点使得当由4个叉形悬臂梁支撑的质量块敏感惯性运动时，易于产生面内水平直线偏移和面外垂直直线偏移而不易于产生面内旋转偏移和面外旋转偏移，即所述单质量三轴加速度计仅对面内水平向前(或者向后)直线加速运动、面内水平向左(或者向右)直线加速运动、面外垂直向上(或者向下)直线加速运动敏感，而对面内和面外各个轴向的旋转角运动不敏感，可实现所述单质量块三轴加速度计所敏感的直线加速运动与非预期的附加旋转角运动的解耦。
一种低深宽比的单质量块三轴MEMS惯性加速度计的制备方法，包括如下步骤：
1、制作底板；
(1-1)硅单晶基板顶面热氧化或者LPCVD，形成覆盖基板顶面的氧化绝缘层；
(1-2)上述基板顶面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制底电容下电极、底电容输出电极和底电容下电极引出导线所在区域的光刻胶胶膜；
(1-3)磁控溅射，依次覆盖钛膜和金膜；
(1-4)去胶，连同去除覆盖在底电容下电极、底电容输出电极和底电容下电极引出导线所在区域以外光刻胶胶膜上的钛-金膜，得到各个底电容下电极、底电容输出电极和底电容下电极引出导线；
(1-5)底板顶面依次涂覆增粘剂和光敏树脂、第一次预固化；
(1-6)UV曝光、第二次预固化；
(1-7)显影、去除底板键合环所在区域以外的光敏树脂层；
(1-8)光敏树脂层固化，得到底板键合环，完成底板的制作；
2、制作空腔结构层；
(2-1)<100>晶向硅单晶厚基板顶面热氧化或者LPCVD，形成覆盖基板顶面的氧化绝缘层；
(2-2)上述基板顶面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制空腔基板键合环所在区域的光刻胶胶膜；
(2-3)磁控溅射，依次覆盖钛膜、金膜和钛膜；
(2-4)去胶，连同去除覆盖在空腔基板键合环所在区域以外光刻胶胶膜上的钛-金-钛膜，完成空腔基板键合环的制作；
(2-5)上述基板顶面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制空腔所在区域的光刻胶胶膜；
(2-6)HF湿法腐蚀，去除待制空腔所在区域的氧化绝缘层；
(2-7)EDP各向异性湿法腐蚀，去除待制空腔所在区域的硅单晶层，直至穿通基板，形成倒四棱台形空腔，去胶，完成空腔结构层的制作；
3、制作质量块与悬臂梁结构层；
(3-1)准备SOI基板，所述SOI基板自上而下依次为<100>晶向硅单晶表面层、埋氧层和<100>晶向硅单晶支撑层；
(3-2)所述SOI基板双面热氧化或者LPCVD，形成覆盖基板顶面和底面的氧化绝缘层；
(3-3)上述SOI基板顶面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制接地电极所在区域的光刻胶胶膜；
(3-4)磁控溅射，依次覆盖钛膜和金膜；
(3-5)去胶，连同去除覆盖在接地电极所在区域以外的光刻胶胶膜上的钛-金膜，得到接地电极；
(3-6)上述SOI基板底面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制质量块底面所在区域以外的光刻胶胶膜；
(3-7)HF湿法刻蚀，去除待制质量块底面所在区域以外的氧化绝缘层；
(3-8)EDP各向异性湿法腐蚀，去除待制质量块所在区域以外的SOI基板硅单晶支撑层，止于SOI基板埋氧层，形成倒正四棱台形质量块的底面和下侧面，去胶；
(3-9)上述SOI基板底面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制质量块下侧面所在区域的光刻胶胶膜；
(3-10)LPCVD，在上述基板底面覆盖氧化绝缘层；
(3-11)去胶，连同去除覆盖在待制质量块下侧面所在区域以外的光刻胶胶膜上的氧化绝缘层，得到覆盖在待制质量块下侧面上的氧化绝缘层；
(3-12)上述SOI基板底面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制底电容上电极引出导线的端面所在区域的光刻胶胶膜；
(3-13)HF湿法刻蚀，去除待制底电容上电极引出导线的端面所在区域的氧化绝缘层；
(3-14)DRIE干法刻蚀，形成待制底电容上电极引出导线沟槽，止于SOI基板顶面的接地电极金属层，去胶；
(3-15)LPCVD，在待制底电容上电极引出导线沟槽内壁形成氧化绝缘层；
(3-16)上述SOI基板底面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制底电容上电极引出导线沟槽所在区域的光刻胶胶膜；
(3-17)磁控溅射钛，覆盖底电容上电极引出导线沟槽内壁，再磁控溅射金，填充底电容上电极引出导线沟槽，去胶，得到各个底电容上电极引出导线；
(3-18)上述SOI基板底面涂覆光刻胶，曝光显影，去除与待制叉形悬臂梁的内径向臂对应的区域的光刻胶胶膜；
(3-19)HF湿法腐蚀，去除与待制叉形悬臂梁的内径向臂对应区域的埋氧层；
(3-20)DRIE干法刻蚀，去除与待制叉形悬臂梁的内径向臂对应区域的SOI基板硅单晶表面层，止于与待制叉形悬臂梁内径向臂的厚度对应的位置，形成各个叉形悬臂梁内径向臂的底面，去胶；
(3-21)上述SOI基板底面涂覆光刻胶，曝光显影，去除各个叉形悬臂梁的横向臂、外径向臂、悬臂梁固支边框的底面所在区域的光刻胶胶膜；
(3-22)HF湿法腐蚀，去除各个叉形悬臂梁的横向臂、外径向臂、悬臂梁固支边框的底面所在区域的埋氧层，形成各个叉形悬臂梁的横向臂、外径向臂和悬臂梁固支边框的底面；
(3-23)上述SOI基板底面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制底电容上电极、底电容上电极引出电极、底电容上电极引出导线端面所在区域的光刻胶胶膜；
(3-24)磁控溅射，依次覆盖钛膜和金膜；
(3-25)去胶，连同去除覆盖在待制底电容上电极、底电容上电极引出电极、底电容上电极引出导线端面所在区域以外的光刻胶胶膜上的钛-金膜，得到各个底电容上电极和各个底电容上电极引出电极；
(3-26)上述SOI基板顶面涂覆光刻胶，曝光显影，去除步骤(3-3)～(3-5)所得接地电极所在区域以外的光刻胶胶膜；
(3-27)DRIE干法刻蚀，依次去除接地电极所在区域以外的SOI基板顶面氧化层、SOI基板硅单晶表面层和SOI基板埋氧层，去胶，得到质量块、各个叉形悬臂梁和悬臂梁固支边框，完成质量块与悬臂梁结构层的制作；
4、制作顶板；
(4-1)<100>晶向硅单晶基板底面热氧化或者LPCVD，形成覆盖上述基板底面的氧化绝缘层；
(4-2)上述基板底面涂覆光刻胶，曝光显影，去除顶板空腔所在区域的光刻胶胶膜；
(4-3)湿法腐蚀，去除顶板空腔所在区域的氧化绝缘层；
(4-4)EDP各向异性湿法腐蚀，去除顶板空腔所在区域的硅单晶层，止于所述硅单晶基板厚度一半的位置，去胶，得到倒四棱台形空腔；
(4-5)顶板底面依次涂覆增粘剂和光敏树脂、第一次预固化；
(4-6)UV曝光，第二次预固化；
(4-7)显影，去除顶板键合环以外区域的光敏树脂层；
(4-8)光敏树脂层固化，得到顶板键合环，完成顶板的制作；
5、结构层键合；
(5-1)将制作有光敏树脂底板键合环的底板预烘；
(5-2)将制作有光敏树脂底板键合环的底板顶面与空腔结构层底面对准贴合，置入键合机中，从室温升温至设定的键合温度，在设定键合压力下保持设定的键合时间，再自然降温至室温，完成空腔结构层和底板的键合；
(5-3)将制作有空腔基板键合环的空腔结构层顶面与悬臂梁固支边框底面对准贴合，置入键合机中，从室温升温至设定的键合温度，在设定的键合压力下保持设定的键合时间，再自然降温至室温，完成质量块与悬臂梁结构层和空腔结构层的金硅键合；
(5-4)将制作有光敏树脂顶板键合环的顶板预烘；
(5-5)将制作有光敏树脂顶板键合环的顶板底面与悬臂梁固支边框顶面对准贴合，置入设定真空度或氮气气氛的键合机中，从室温升温至设定的键合温度，在设定的键合压力下保持设定的键合时间，再自然降温至室温，完成顶板和质量块与悬臂梁结构层的键合。
本发明的工作原理为：
1、当所述单质量块三轴加速度计仅敏感单一轴向的直线加速运动时，质量块因惯性相对于空腔产生相应轴向的面内水平偏移或者面外垂直偏移，相应底电容的下电极相对于底电容上电极作相应轴向的面内水平偏移或者面外垂直偏移，其中：
当所述单质量块三轴加速度计仅敏感面内水平向前(或者向后)直线加速运动时，第三底电容和第四底电容(或者第一底电容和第二底电容)的下电极相对于底电容上电极作面内水平向前移入偏移，各个底电容的上下电极交叠面积和上下电极间隙高度均保持不变，各个底电容的电容值保持不变；
与之同时，第一底电容和第二底电容(或者第三底电容和第四底电容)的下电极相对于底电容上电极作面内水平向前移出偏移，各个底电容的上下电极交叠面积减小而上下电极间隙高度保持不变，各个底电容的电容值随之减小；
第一底电容和第二底电容(或者第三底电容和第四底电容)的电容值减小量对应于其上下电极交叠面积的减小量，即对应于其下电极相对于底电容上电极所作面内水平向前偏移的偏移量，即对应于质量块相对于空腔所产生的面内水平向后偏移的偏移量，即对应于所述单质量块三轴加速度计所感测的面内水平向前直线加速运动的加速度。
据此，通过相应的底电容输出电极实测第一底电容和第二底电容(或者第三底电容和第四底电容)的电容值变化量，可推算所述单质量块三轴加速度计所感测的面内水平向前(或者向后)直线加速运动的加速度。
2、当所述单质量块三轴加速度计仅敏感面内水平向左(或者向右)直线加速运动时，第二底电容和第四底电容(或者第一底电容和第三底电容)的下电极相对于底电容上电极作面内水平向左移入偏移，各个底电容的上下电极交叠面积和上下电极间隙高度均保持不变，各个底电容的电容值保持不变；
与之同时，第一底电容和第三底电容(或者第二底电容和第四底电容)的下电极相对于底电容上电极作面内水平向左移出偏移，各个底电容的上下电极交叠面积减小而上下电极间隙高度保持不变，各个底电容的电容值随之减小；
第一底电容和第三底电容(或者第二底电容和第四底电容)的电容值减小量对应于其上下电极交叠面积的减小量，即对应于其下电极相对于底电容上电极所作面内水平向左偏移的偏移量，即对应于质量块相对于空腔所产生的面内水平向右偏移的偏移量，即对应于所述单质量块三轴加速度计所感测的面内水平向左直线加速运动的加速度。
据此，通过相应的底电容输出电极实测第一底电容和第三底电容(或者第二底电容和第四底电容)的电容值变化量，可推算所述单质量块三轴加速度计所感测的面内水平向左(或者向右)直线加速运动的加速度。
3、当所述单质量块三轴加速度计仅敏感面外垂直向上(或者向下)直线加速运动时，各个底电容下电极相对于底电容上电极产生面外垂直向上(或者向下)偏移，各个底电容的上下电极间隙高度减小(或者增大)而上下电极交叠面积均保持不变，各个底电容的电容值随之增大(或者减小)；
各个底电容的电容值增大(或者减小)量对应于各个底电容的上下电极间隙高度的减小(或者增大)量，即对应于其下电极相对于底电容上电极所作面外垂直向上(或者向下)偏移的偏移量，即对应于质量块相对于空腔所产生的面外垂直向下(或者向上)偏移的偏移量，即对应于所述单质量块三轴加速度所感测的面外垂直向上(或者向下)直线加速运动的加速度。
据此，通过相应的底电容输出电极实测各个底电容的电容值变化量，可推算所述单质量块三轴加速度计所感测面外垂直向上(或者向下)直线加速运动的加速度。
4、当所述单质量块三轴加速度计同时敏感多个轴向直线加速运动时，即当所述单质量块三轴加速度计同时敏感面内水平向前(或者向后)直线加速运动、面内水平向左(或者向右)直线加速运动和面外垂直向上(或者向下)直线加速运动时，质量块因惯性相对于空腔同时产生面内水平向后(或者向前)、面内水平向右(或者向左)和面外垂直向下(或者向上)偏移，各个底电容的下电极相对于底电容上电极同时作面内水平向前(或者向后)、面内水平向左(或者向右)和面外垂直向上(或者向下)偏移。
依据运动独立性原理，所述单质量块三轴加速度计同时所敏感的面内水平向前(或者向后)直线加速运动、面内水平向左(或者向右)直线加速运动和面外垂直向上(或者向下)直线加速运动使相应底电容的下电极相对于底电容上电极同时产生的面内水平向后(或者向前)、面内水平向右(或者向左)、面外垂直向下(或者向上)偏移，可视为所述单质量块三轴加速度计分别敏感的上述三个轴向的直线加速运动使相应底电容的下电极相对于底电容上电极分别产生的面内水平向前(或者向后)、面内水平向左(或者向右)和面外垂直向上(或者向下)偏移的叠加，其中：
当所述单质量块三轴加速度计同时敏感面内水平向前直线加速运动、面内水平向左直线加速运动和面外垂直向上(或者向下)直线加速运动时，各个底电容的上下电极间隙高度沿面外垂直上下轴向同幅度减小(或者增大)，而第四底电容的上下电极交叠面积保持不变，第三底电容的上下电极交叠面积沿面内水平左右轴向减小，第二底电容的上下电极交叠面积沿面内水平前后轴向减小，第一底电容的上下电极交叠面积分别沿面内水平前后轴向和面内水平左右轴向减小；
各个底电容的电容值随之发生变化，其中：
第四底电容的电容值变化量仅与其上下电极间隙高度沿面外垂直上下轴向的变化量即其上下电极沿面外垂直上下轴向的相对偏移量即所述单质量块三轴加速度计所敏感的面外垂直向上(或者向下)直线加速运动相关；
第三底电容的电容值变化量仅与其上下电极交叠面积沿面内水平左右轴向的变化量和其上下电极间隙高度沿面外垂直上下轴向的变化量即其上下电极沿面内水平左右轴向的相对偏移量和其上下电极沿面外垂直上下轴向的相对偏移量即所述单质量块三轴加速度计所敏感的面内水平向左直线加速运动和面外垂直向上(或者向下)直线加速运动相关；
第二底电容的电容值变化量仅与其上下电极交叠面积沿面内水平前后轴向的变化量和其上下电极间隙高度沿面外垂直上下轴向的变化量即其上下电极沿面内水平前后轴向的相对偏移量和其上下电极沿面外垂直上下轴向的相对偏移量即所述单质量块三轴加速度计所敏感的面内水平向后直线加速运动和面外垂直向上(或者向下)直线加速运动相关；
第一底电容的电容值变化量分别与其上下电极交叠面积沿面内水平前后轴向的变化量、其上下电极交叠面积沿面内水平左右轴向的变化量和其上下电极间隙高度沿面外垂直上下轴向的变化量即其上下电极沿面内水平前后轴向的相对偏移量、其上下电极沿面内水平左右轴向的相对偏移量和其上下电极沿面外垂直上下轴向的相对偏移量即所述单质量块三轴加速度计所敏感的面内水平向前直线加速运动、面内水平向左直线加速运动和面外垂直向上(或者向下)直线加速运动相关。
同理，当所述单质量块三轴加速度计同时敏感面内水平向后直线加速运动、面内水平向左直线加速运动和面外垂直向上(或者向下)直线加速运动时，各个底电容的上下电极间隙高度沿面外垂直上下轴向同幅度减小(或者增大)，而第二底电容的上下电极交叠面积保持不变，第一底电容的上下电极交叠面积沿面内水平左右轴向减小，第四底电容的上下电极交叠面积沿面内水平前后轴向减小，第三底电容的上下电极交叠面积分别沿面内水平前后轴向和面内水平左右轴向减小；
各个底电容的电容值随之发生变化，其中：
第二底电容的电容值变化量仅与其上下电极间隙高度沿面外垂直上下轴向的变化量即其上下电极沿面外垂直上下轴向的相对偏移量即所述单质量块三轴加速度计所敏感的面外垂直向上(或者向下)直线加速运动相关；
第一底电容的电容值变化量仅与其上下电极交叠面积沿面内水平左右轴向的变化量和其上下电极间隙高度沿面外垂直上下轴向的变化量即其上下电极沿面内水平左右轴向的相对偏移量和其上下电极沿面外垂直上下轴向的相对偏移量即所述单质量块三轴加速度计所敏感的面内水平向左直线加速运动和面外垂直向上(或者向下)直线加速运动相关；
第四底电容的电容值变化量仅与其上下电极交叠面积沿面内水平前后轴向的变化量和其上下电极间隙高度沿面外垂直上下轴向的变化量即其上下电极沿面内水平前后轴向的相对偏移量和其上下电极沿面外垂直上下轴向的相对偏移量即所述低深宽比结构单质量块三轴加速度计所敏感的面内水平向后直线加速运动和面外垂直向上(或者向下)直线加速运动相关；
第三底电容的电容值变化量分别与其上下电极交叠面积沿面内水平前后轴向的变化量、其上下电极交叠面积沿面内水平左右轴向的变化量和其上下电极间隙高度沿面外垂直上下轴向的变化量即其上下电极沿面内水平前后轴向的相对偏移量、其上下电极沿面内水平左右轴方向的相对偏移量和其上下电极沿面外垂直上下轴向的相对偏移量即所述单质量块三轴加速度计所敏感的面内水平向后直线加速运动、面内水平向左直线加速运动和面外垂直向上(或者向下)直线加速运动相关。
同理，当所述单质量块三轴加速度计同时敏感面内水平向前直线加速运动、面内水平向右直线加速运动和面外垂直向上(或者向下)直线加速运动时，各个底电容的上下电极间隙高度沿面外垂直上下轴向同幅度减小(或者增大)，而第三底电容的上下电极交叠面积保持不变，第四底电容的上下电极交叠面积沿面内水平左右轴向减小，第一底电容的上下电极交叠面积沿面内水平前后轴向减小，第二底电容的上下电极交叠面积分别沿面内水平前后轴向和面内水平左右轴向减小；
各个底电容的电容值随之发生变化，其中：
第三底电容的电容值变化量仅与其上下电极间隙高度沿面外垂直上下轴向的变化量即其上下电极沿面外垂直上下轴向的相对偏移量即所述低深宽比结构单质量块三轴加速度计所敏感的面外垂直向上(或者向下)直线加速运动相关；
第四底电容的电容值变化量仅与其上下电极交叠面积沿面内水平左右轴向的变化量和其上下电极间隙高度沿面外垂直上下轴向的变化量即其上下电极沿面内水平左右轴向的相对偏移量和其上下电极沿面外垂直上下轴向的相对偏移量即所述单质量块三轴加速度计所敏感的面内水平向右直线加速运动和面外垂直向上(或者向下)直线加速运动相关；
第一底电容的电容值变化量仅与其上下电极交叠面积沿面内水平前后轴向的变化量和其上下电极间隙高度沿面外垂直上下轴向的变化量即其上下电极沿面内水平前后轴向的相对偏移量和其上下电极沿面外垂直上下轴向的相对偏移量即所述单质量块三轴加速度计所敏感的面内水平向前直线加速运动和面外垂直向上(或者向下)直线加速运动相关；
第二底电容的电容值变化量分别与其上下电极交叠面积沿面内水平前后轴向的变化量、其上下电极交叠面积沿面内水平左右轴向的变化量和其上下电极间隙高度沿面外垂直上下轴向的变化量即其上下电极沿面内水平前后轴向的相对偏移量、其上下电极沿面内水平左右轴向的相对偏移量和其上下电极沿面外垂直上下轴向的相对偏移量即所述单质量块三轴加速度计所敏感的面内水平向前直线加速运动、面内水平向右直线加速运动和面外垂直向上(或者向下)直线加速运动相关。
同理，当所述单质量块三轴加速度计同时敏感面内水平向后直线加速运动、面内水平向右直线加速运动和面外垂直向上(或者向下)直线加速运动时，各个底电容的上下电极间隙高度沿面外垂直上下轴向同幅度减小(或者增大)，而第一底电容的上下电极交叠面积保持不变，第二底电容的上下电极交叠面积沿面内水平左右轴向减小，第三底电容的上下电极交叠面积沿面内水平前后轴向减小，第四底电容的上下电极交叠面积分别沿面内水平前后轴向和面内水平左右轴向减小；
各个底电容的电容值随之发生变化，其中：
第一底电容的电容值变化量仅与其上下电极间隙高度沿面外垂直上下轴向的变化量即其上下电极沿面外垂直上下轴向的相对偏移量即所述单质量块三轴加速度计所敏感的面外垂直向上(或者向下)直线加速运动相关；
第二底电容的电容值变化量仅与其上下电极交叠面积沿面内水平左右轴向的变化量和其上下电极间隙高度沿面外垂直上下轴向的变化量即其上下电极沿面内水平左右轴向的相对偏移量和其上下电极沿面外垂直上下轴向的相对偏移量即所述单质量块三轴加速度计所敏感的面内水平向右直线加速运动和面外垂直向上(或者向下)直线加速运动相关；
第三底电容的电容值变化量仅与其上下电极交叠面积沿面内水平前后轴向的变化量和其上下电极间隙高度沿面外垂直上下轴向的变化量即其上下电极沿面内水平前后轴向的相对偏移量和其上下电极沿面外垂直上下轴向的相对偏移量即所述单质量块三轴加速度计所敏感的面内水平向后直线加速运动和面外垂直向上(或者向下)直线加速运动相关；
第四底电容的电容值变化量分别与其上下电极交叠面积沿面内水平前后轴向的变化量、其上下电极交叠面积沿面内水平左右轴向的变化量和其上下电极间隙高度沿面外垂直上下轴向的变化量即其上下电极沿面内水平前后轴向的相对偏移量、其上下电极沿面内水平左右轴向的相对偏移量和其上下电极沿面外垂直上下轴向的相对偏移量即所述单质量块三轴加速度计所敏感的面内水平向后直线加速运动、面内水平向右直线加速运动和面外垂直向上(或者向下)直线加速运动相关。
而基于同一底电容结构，各个底电容的底电容下电极相对于底电容上电极同时所作的面内水平向前或者向后偏移同向同幅度，各个底电容的底电容下电极相对于底电容上电极同时所作的面内水平向左或者向右偏移同向同幅度，各个底电容的底电容下电极相对于底电容上电极同时所作的面外垂直向上或者向下偏移同向同幅度，相应底电容的电容值变化量亦同向同幅度。
由此分别可得对应于所述单质量块三轴加速度计所敏感的面内水平向前(或者向后)直线加速运动的第一底电容和第二底电容(或者第三底电容和第四底电容)的上下电极交叠面积沿面内水平前后轴向的变化量与第一底电容和第二底电容(或者第三底电容和第四底电容)的电容值之间的关系、对应于所述单质量块三轴加速度计所敏感的面内水平向左(或者向右)直线加速运动的第一底电容和第三底电容(或者第二底电容和第四底电容)的上下电极交叠面积沿面内水平左右轴向的变化量与第一底电容和第二底电容(或者第二底电容和第四底电容)的电容值之间的关系和对应于所述单质量块三轴加速度计所敏感的面外垂直向上(或者向下)直线加速运动的各个底电容的上下电极间隙高度的变化量与各个底电容的电容值之间的关系，实现所感测的正交三轴直线加速运动中各个轴向直线加速运动之间的解耦。
据此，通过相应的底电容输出电极实测各个底电容的电容值变化量，可推算所述单质量块三轴加速度计同时所敏感的面内水平向前(或者向后)直线加速运动、面内水平向左(或者向右)直线加速运动和面外垂直向上(或者向下)直线加速运动使相应底电容的上下电极交叠面积或者上下电极间隙高度的变化量，并可进一步推算所述单质量块三轴加速度计同时所感测的面内水平向前(或者向后)直线加速运动、面内水平向左(或者向右)直线加速运动和面内水平垂直向上(或者向下)直线加速运动中各个轴向直线加速运动的加速度。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明的单质量块三轴MEMS惯性加速度计，采用单质量块结构，所述单一质量块可单独敏感各个轴向的直线加速运动，也可同时敏感两个或者三个轴向的直线加速运动。
相比于多质量块结构的三轴加速度计，所述单质量块三轴加速度计仅包含一套质量块-悬臂梁系统，且其中的质量块、空腔结构采用低深宽比设计，所述倒正四棱台形质量块和空腔的高度不大于其底面边长的1/2，总体结构简化，制备工艺简便。
(2)在所采用的低深宽比结构的基础上，本发明的单质量块三轴加速度计利用制作在质量块底面和底板顶面的电极对构成平面平行板电容，用于感测正交三轴直线加速运动的加速度。相比于常规的梳齿式电容敏感结构，感测电容的电极面积大，感测电容值动态范围大，感测精度高，并且结构简单、制备方便；
相比于制作在质量块侧面的平面平行板电容敏感结构，既可以减小对质量块和空腔结构层的高深宽比设计和制备要求，又可以获得较大的感测电容电极面积，提高各个轴向加速度的感测灵敏度。
(3)基于所采用的低深宽比结构特点，在本发明的单质量块三轴加速度计的制备工艺中，对其中几何尺度较大的质量块、空腔和顶板空腔结构，采用常规的各向异性湿法腐蚀方法予以实现，而仅对其中几何尺度较小的悬臂梁和悬臂梁固支边框结构采用技术和设备要求较高的干法刻蚀制备工艺予以实现，可有效减小制备工艺难度，降低制备工艺成本。
(4)针对本发明中所采用的一体化的单质量块与敏感电容结构特点，本发明的单质量块三轴加速度计依据运动独立性原理，提取各个轴向直线加速运动的加速度与相关底电容的电容值的对应关系，分离其通过单质量块敏感的三个正交轴向的直线加速运动，实现所感测的正交三轴直线加速运动中三个正交轴向直线加速运动之间的解耦，提高各个轴向加速度的感测灵敏度和感测精度；
相比于采用多质量块结构实现正交三轴直线加速运动解耦的方法相比，总体结构简单，制备工艺简便；
(5)本发明的单质量块三轴加速度计采用对称设置的组合悬臂梁作为质量块的悬挂支撑结构，各个组合悬臂梁中悬臂及支撑臂为非对称结构，其中感测轴向的柔度较大而非感测轴向的刚度较大，可以实现所述单质量块三轴加速度计所敏感的直线加速运动与非预期的附加旋转角运动之间的有效解耦，抑制非预期的附加旋转角运动对正交三轴直线加速运动感测结果的影响，提高各个轴向加速度的感测灵敏度和感测精度。本发明可用于感测面内和面外正交三轴直线加速运动的加速度。
附图说明
图1为本发明的总体结构剖示图。
图2为本发明中的底板顶面电极结构示意图。
图3为本发明中的空腔结构层顶面结构示意图。
图4为本发明中的质量块与悬臂梁结构层底面示意图。
图5为本发明中的质量块与悬臂梁结构层顶面示意图。
图6为本发明中的顶板底面结构示意图。
图7为本发明的底电容结构与分布示意图。
图8为本发明的感测原理示意图；
图(a)为当本发明的低深宽比结构单质量块三轴加速度计敏感面内水平向前和向左运动时底电容上电极与各个底电容下电极的相互位置关系示意图；
图(b)为当本发明的低深宽比结构单质量块三轴加速度计敏感面内水平向前和向右运动时底电容上电极与各个底电容下电极的相互位置关系示意图；
图(c)为当本发明的低深宽比结构单质量块三轴加速度计敏感面内水平向后和向左运动时底电容上电极与各个底电容下电极的相互位置关系示意图；
图(d)为当本发明的低深宽比结构单质量块三轴加速度计敏感面内水平向后和向右运动时底电容上电极与各个底电容下电极的相互位置关系示意图；
图(e)为当本发明的低深宽比结构单质量块三轴加速度计敏感面外垂直向上运动时底电容上电极与各个底电容下电极的相互位置关系示意图；
图(f)为当本发明的低深宽比结构单质量块三轴加速度计敏感面外垂直向下运动时底电容上电极与各个底电容下电极的相互位置关系示意图。
图中：
1底板、11底板基板、12底电容下电极、13底电容输出电极、14底板下电极引出导线、15底板键合环；
2空腔结构层、21空腔基板、22空腔、23空腔基板键合环；
3质量块与悬臂梁结构层、31质量块、32叉形悬臂梁、321内径向臂、322横向臂、323外径向臂、33悬臂梁固支边框、34底电容上电极、35底板上电极引出电极、36底板上电极引出导线、37接地电极；
4顶板、41顶板基板、42顶板空腔、43顶板键合环；
5绝缘层；
6底电容、61第一底电容C1、62第二底电容C2、63第三底电容C3、64第四底电容C4。
具体实施方式
具体实施例：一种低深宽比结构的单质量块三轴加速度计。
结合图1至图6，所述低深宽比结构的单质量块三轴加速度计包括底板1、空腔结构层2、质量块与悬臂梁结构层3、顶板4，上述各个结构层自下而上依次键合。
结合图1和图2，所述底板1包括底板基板11、4个底电容下电极12、4个底电容输出电极13、4个底电容下电极引出导线14和底板键合环15；
所述底板基板11为正方形截面基板；
所述4个底电容下电极12为同形的正方形电极，对称设置于底板基板11顶面的中部；
所述4个底电容输出电极13为同形的长方形电极，对称设置于底板基板11顶面的四边；
所述4个底电容下电极引出导线14为同形的长条形导线，分别设置于各个底电容下电极和对应的底电容输出电极之间并对应连接各个底电容下电极12与各个底电容输出电极13；
所述各个底电容下电极引出导线的宽度足够小使得当底电容下电极12相对于底电容上电极34作移出偏移时，底电容上电极34与底电容下电极引出导线14重叠部分所形成电容的电容值相对于各个底电容的电容值可以忽略；
所述底板键合环15设置于底板基板11顶面并覆盖于各个底电容输出电极13之上，所述底板键合环15环绕于4个底电容下电极12的外侧，所述底板键合环15与空腔基板21的底面全等同形，其内边缘与各个底电容输出电极13的内端平齐。
结合图1和图3，所述空腔结构层2包括空腔基板21、空腔22、空腔基板键合环23；
所述空腔基板21为正方形截面厚基板；
所述空腔22为倒正四棱台形，位于空腔基板的中部并贯穿空腔基板；
所述空腔基板键合环23为内方外方的矩形环，覆盖空腔基板21顶面四边。
结合图1、图4和图5，所述悬臂梁与质量块结构层3包括质量块31、4个叉形悬臂梁32、悬臂梁固支边框33、底电容上电极34、4个底电容上电极引出电极35、8个底电容上电极引出导线36和接地电极37；
所述质量块31为与空腔对应的倒正四棱台形，其高度不大于其底面边长的1/2；
所述底电容上电极34覆盖质量块底面；
所述4个底电容上电极引出电极35分别设置于质量块31各个侧面的中部，所述4个底电容上电极引出电极35为同形的矩形电极；
所述4组底电容上电极引出导线分别设置于质量块31的4个侧面，所述1组底电容上电极引出导线包含2个底电容上电极引出导线36，所述各个底电容上电极引出导线36为同形的条形导线，所述1组底电容上电极引出导线中的2个底电容上电极引出导线36分置于同侧叉形悬臂梁32的内径向臂321的两侧；
所述各个底电容上电极引出电极35的下端与底电容上电极34的外缘相连，而其上端通过2个底电容上电极引出导线36与接地电极37相连；
所述叉形悬臂梁32包含一个内径向臂321、一个横向臂322和两个外径向臂323；
所述叉形悬臂梁32中，内径向臂321的厚度不大于悬臂梁固支边框33的厚度的1/2，内径向臂321的宽度不小于其厚度的2倍，内径向臂321的长度不小于其宽度的1.5倍，外径向臂323的厚度与悬臂梁固支边框33的厚度相同，外径向臂323的宽度不大于其厚度的1/2，外径向臂323的长度不小于其厚度的1.5倍，横向臂322的厚度与悬臂梁固支边框33和外径向臂323的厚度相同，横向臂322的宽度与外径向臂323的宽度相同，横向臂322的长度不小于其厚度的1.5倍，叉形悬臂梁32的总径向长度等于所对应质量块31的上端与空腔22内壁上端之间间隙的宽度，叉形悬臂梁32的总横向宽度不大于质量块31上端的边长；
所述叉形悬臂梁32的内径向臂321的内端连接质量块31一侧上端的正中，内径向臂321的外端连接横向臂322内侧上端的正中，横向臂322的两端分别连接两个外径向臂323的内端，两个外径向臂323的外端对称连接于悬臂梁固支边框33同侧边的内侧，所述内径向臂321、横向臂322、外径向臂323、质量块31以及悬臂梁固支边框33的顶面平齐，所述横向臂322、外径向臂323以及悬臂梁固支边框33的底面平齐；
所述悬臂梁固支边框33为内方外方截面的中空边框，其外边长与空腔基板21的边长相同，所述悬臂梁固支边框33的底面与空腔基板21的顶面全等同形；
所述接地电极37覆盖于质量块顶面、各个悬臂梁顶面和悬臂梁固支边框顶面。
结合图1和图6，所述顶板4包括顶板基板41、顶板空腔42、顶板键合环43；
所述顶板基板41为正方形截面的基板；
所述顶板空腔42制作在顶板基板底面的中部，所述顶板空腔42为正四棱台形，所述顶板空腔42的下端面与悬臂梁固支边框33的中空部分的截面全等同形，所述顶板空腔42的深度为顶板基板41厚度的一半；
所述顶板键合环43为内方外方截面的矩形环，覆盖顶板基板41底面的四边；
结合图1，所述空腔基板(21)的外边长小于底板基板(11)的边长，所述悬臂梁固支边框(33)的外边长与空腔基板(21)的外边长相同，所述顶板基板(41)的外边长小于悬臂梁固支边框(33)的外边长。
所述底板键合环15与空腔基板21的底面全等同形，所述空腔基板键合环23与悬臂梁固支边框33的底面全等同形。
结合图1，所述各个电极和导线与其所在基板之间由绝缘层5电隔离；
所述顶板1、空腔结构层2和底板4的基板材料均为硅单晶，所述制作悬臂梁与质量块结构层3的基板为SOI基板；
所述各个电极、各个导线和空腔基板键合环23的材料为金；
所述各个绝缘层5的材料为二氧化硅；
所述底板键合环15和顶板键合环43的材料为光敏树脂材料BCB。
结合图1，所述底板1顶面与空腔结构层2底面通过环绕底板1顶面四边的底板键合环15键合，所述空腔结构层2顶面与悬臂梁固支边框33的底面通过环绕空腔基板顶面四边的空腔键合环23键合，各个悬臂梁悬置于空腔21之上并使质量块31悬置于空腔21之中，所述悬臂梁固支边框33顶面与顶板4底面通过制作在顶板4底面四边的顶板键合环43键合，并形成一个气密封闭结构。
结合图1、图2、图4和图7，所述低深宽比结构单质量块三轴加速度计结构中，质量块底面的底电容上电极与其下方底板顶面的4个底电容下电极构成4个底电容6，用于感测正交三轴直线加速运动，其中，位于质量块底部左前侧的底电容61为第一底电容C1，位于质量块底部右前侧的底电容62为第二底电容C2，位于质量块底部左后侧的底电容63为第三底电容C3，位于质量块底部右后侧的底电容64为第四底电容C4。
结合图1和图7，静态时，悬置于空腔内的质量块的4个外侧面与对应的4个空腔内侧面平行、正对且保持相同的间距，质量块的底面与底板的顶面以及质量块的顶面与底板的底面平行且保持初始间距。
所述质量块内侧面与空腔外侧面之间的间隙提供质量块作水平前后和水平左右偏移的空间，所述质量块的顶面和底面与顶板空腔顶面和底板顶面的间隙提供质量块作垂直上下偏移的空间。
相应地，质量块底面的底电容上电极与底板顶面的4个底电容下电极平行、正对且保持相同的间隙高度，C1、C2、C3和C4具有相同的静态电容值C0，相应地，C1、C2、C3和C4通过各个底电容输出电极与接地电极构成的4个底电容输出端口输出相同的静态电容值信号。
结合图1和图8，当所述单质量块三轴加速度计仅敏感面内水平向前(或者向后)直线加速运动时，质量块因惯性相对于空腔产生面内水平向后(或者向前)偏移，C1、C2、C3和C4的底电容下电极相对于底电容上电极作面内水平向前(或者向后)偏移，其中：
C1、C2的底电容下电极相对于底电容上电极作面内水平向前移出(或者向后移入)偏移，C1、C2的上下电极交叠面积减小(或者保持不变)而上下电极间隙高度保持不变；
与之同时，C3、C4的底电容下电极相对于底电容上电极作面内水平向前移入(或者向后移出)偏移，C3、C4的上下电极交叠面积保持不变(或者减小)而上下电极间隙高度保持不变。
相应地，C1、C2的电容值由静态电容值C0减小至C0-ΔC'(或者保持静态电容值C0不变)，而C3、C4的电容值保持静态电容值C0不变(或者减小至C-ΔC')。
设各个底电容下电极相对于底电容上电极所作面内水平向前(或者向后)偏移的偏移量为△x，显然，△x对应于所述单质量块三轴加速度计所感测的面内水平向前(或者向后)直线加速运动的加速度，则有：
Figure BDA0002397085830000131
或者
Figure BDA0002397085830000132
即有：
Figure BDA0002397085830000133
或者
Figure BDA0002397085830000134
其中，ΔC'为各个底电容下电极相对于底电容上电极作面内水平向前(或者向后)偏移时C1和C2(或者C3和C4)的电容值变化量，a为正方形底电容下电极的边长；
据此，通过C1和C2(或者C3和C4)的底电容输出电极实测C1和C2(或者C3和C4)的电容值，可推算所述单质量块三轴加速度计所感测的面内水平向前(或者向后)直线加速运动的加速度。
结合图1和图8，当所述单质量块三轴加速度计仅敏感面内水平向左(或者向右)直线加速运动时，质量块因惯性相对于空腔产生面内水平向右(或者向左)偏移，C1、C2、C3和C4的底电容下电极相对于底电容上电极作面内水平向左(或者向右)偏移，其中：
C1、C3的底电容下电极相对于底电容上电极作面内水平向左移出(或者向右移入)偏移，C1、C3的上下电极交叠面积减小(或者保持不变)而上下电极间隙高度保持不变；
与之同时，C2、C4的底电容下电极相对于底电容上电极作面内水平向左移入(或者向右移出)偏移，C2、C4的上下电极交叠面积保持不变(或者减小)而上下电极间隙高度保持不变。
相应地，C1、C3的电容值由静态电容值C0减小至C0-ΔC″(或者保持静态电容值C0不变)，而C2、C4的电容值保持静态电容值C0不变(或者减小至C0-ΔC″)。
设各个底电容下电极相对于底电容上电极所作面内水平向左(或者向右)偏移的偏移量为△y，显然，△y对应于所述单质量块三轴加速度计所感测的面内水平向左(或者向右)直线加速运动的加速度，则有：
Figure BDA0002397085830000141
或者
Figure BDA0002397085830000142
即有：
Figure BDA0002397085830000143
或者
Figure BDA0002397085830000144
其中，ΔC″为各个底电容下电极相对于底电容上电极作面内水平向左(或者向右)偏移时C1和C3(或者C2和C4)的电容值变化量，a为正方形底电容下电极的边长。
据此，通过C1和C3(或者C2和C4)的底电容输出电极实测C1和C3(或者C2和C4)的电容值，可推算所述单质量块三轴加速度计所感测的面内水平向左(或者向右)直线加速运动的加速度。
结合图1和图8，当所述单质量块三轴加速度计仅敏感面外垂直向上(或者向下)直线加速运动时，质量块因惯性相对于空腔产生面外垂直向下(或者向上)偏移，C1、C2、C3和C4的下电极相对于底电容上电极作面外垂直向上(或者向下)接近(或者远离)偏移，C1、C2、C3和C4的上下电极间隙高度减小(或者增大)而上下电极交叠面积保持不变。
相应地，C1、C2、C3和C4的电容值由静态电容值C0增大至C0+ΔC″′(或者减小至C0-ΔC″′)。
设各个底电容下电极相对于底电容上电极所作面外垂直向上(或者向下)偏移的偏移量为△z，显然，△z对应于所述单质量块三轴加速度计所感测的面外垂直向上(或者向下)直线加速运动的加速度，则有：
Figure BDA0002397085830000145
和
Figure BDA0002397085830000146
或者
Figure BDA0002397085830000147
Figure BDA0002397085830000151
和
Figure BDA0002397085830000152
即有：
Figure BDA0002397085830000153
或者
Figure BDA0002397085830000154
或者
Figure BDA0002397085830000155
或者
Figure BDA0002397085830000156
或者
Figure BDA0002397085830000157
或者
Figure BDA0002397085830000158
或者
Figure BDA0002397085830000159
或者
Figure BDA00023970858300001510
其中，ΔC″′为各个底电容下电极相对于底电容上电极作面外垂直向上(或者向下)偏移时各个底电容的电容值变化量，d0为静态时各个底电容的上下电极间隙高度。
据此，通过C1、C2、C3和C4的底电容输出电极实测C1、C2、C3和C4的电容值，可推算所述单质量块三轴加速度计所感测的面外垂直向上(或者向下)直线加速运动的加速度。
结合图1和图8，当所述单质量块三轴加速度计同时敏感面内水平向前(或者向后)、面内水平向左(或者向右)和面外垂直向上(或者向下)直线加速运动时，质量块因惯性相对于空腔同时产生面内水平向前(或者向后)、面内水平向左(或者向右)和面外垂直向上(或者向下)偏移，C1、C2、C3和C4的底电容下电极相对于底电容上电极同时作面内水平向前(或者向后)、面内水平向左(或者向右)和面外垂直向上(或者向下)偏移，C1、C2、C3和C4的电容值随之发生变化。
不失一般性地，考虑所述单质量块三轴加速度计同时敏感面内水平向前、面内水平向右以及面外垂直向上正交三轴直线加速运动的情况。
所同时敏感的三个轴向的直线加速运动使得质量块相对于空腔同时作面内水平向后、面内水平向左和面外垂直向下偏移，C1、C2、C3和C4的底电容下电极相对于底电容上电极同时作面内水平向前、面内水平向右和面内垂直向上偏移，设由此产生的底电容上下电极之间在三个轴向的相对偏移量分别为△x、△y和△z，并依据运动独立性原理，则有：
对于C3，其底电容下电极相对于底电容上电极同时作面内水平向前移入偏移、面内水平向右移入偏移和面内垂直向上接近偏移，其上下电极交叠面积保持不变而上下电极间隙高度减小，设C3的上下电极间隙高度的变化量为△z，由此引起的C3的电容值变化量为△C3，即C3＝C0+△C3，则有：
Figure BDA00023970858300001511
即有：
Figure BDA00023970858300001512
式中，d0为静态时C3的上下电极间隙高度。
对于C4，其底电容下电极相对于底电容上电极同时作面内水平向前移入偏移、面内水平向右移出偏移和面内垂直向上接近偏移，其上下电极交叠面积沿y轴向减小且其上下电极间隙高度沿z轴向减小，设C4的上下电极交叠面积沿y轴向的减小量为△y，C4的上下电极间隙高度沿z轴向的减小量为△z，由此引起的C4的电容值变化量为△C4，即C4＝C0+△C4，则有：
Figure BDA0002397085830000161
其中
Figure BDA0002397085830000162
即有：
Figure BDA0002397085830000163
式中，a为正方形底电容下电极的边长，d0为静态时C4的上下电极间隙高度。
对于C1，其底电容下电极相对于底电容上电极同时作面内水平向前移出偏移、面内水平向右移入偏移和面内垂直向上接近偏移，其上下电极交叠面积沿x轴向减小且其上下电极间隙高度沿z轴向减小，设C1的上下电极交叠面积沿x轴向的减小量为△x，C1的上下电极间隙高度沿z轴向的减小量为△z，由此引起的C1的电容值变化量为△C1，即C1＝C0+△C1，则有：
Figure BDA0002397085830000164
其中
Figure BDA0002397085830000165
即有：
Figure BDA0002397085830000166
式中，a为正方形底电容下电极的边长，d0为静态时C1的上下电极间隙高度。
据此，通过C1、C3和C4的底电容输出电极实测C1、C3和C4的电容值，可推算所述单质量块三轴加速度计同时所敏感的面内水平向前、面内水平向右以及面外垂直向上正交三轴直线加速运动中各个轴向直线加速运动的加速度。
同理，对于所述单质量块三轴加速度计同时敏感的面内水平向前(或者向后)、面内水平向左(或者向右)和面外垂直向上(或者向下)直线加速运动的其它不同运动方向的组合情况，可得各个底电容下电极相对于底电容上电极沿各个轴向的相对偏移量与各个底电容的电容值之间的关系，据此通过C1、C2、C3和C4的底电容输出电极实测C1、C2、C3和C4的电容值，可推算所述单质量块三轴加速度计同时所敏感的面内水平向前(或者向后)、面内水平向左(或者向右)和面外垂直向上(或者向下)直线加速运动中各个轴向直线加速运动的加速度。
基于以上分析，通过比较4个底电容实测电容值的大小，可以判断所述单质量块三轴加速度计所感测的正交三轴直线加速运动的类型和运动方向，具体如下：
⑴若C1取最大值且有C1>C0，则所感测的正交三轴直线加速运动为同时所作的面内水平向后、面内水平向右和面外垂直向上直线加速运动；
⑵若C1取最大值且有C1<C0，则所感测的正交三轴直线加速运动为同时所作的面内水平向后、面内水平向右和面外垂直向下直线加速运动；
⑶若C2取最大值且有C2>C0，则所感测的正交三轴直线加速运动为同时所作的面内水平向后、面内水平向左和面外垂直向上直线加速运动；
⑷若C2取最大值且有C2<C0，则所感测的正交三轴直线加速运动为同时所作的面内水平向后、面内水平向左和面外垂直向下直线加速运动；
⑸若C3取最大值且有C3>C0，则所感测的正交三轴直线加速运动为同时所作的面内水平向前、面内水平向右和面外垂直向上直线加速运动；
⑹若C3取最大值且有C3>C0，则所感测的正交三轴直线加速运动为同时所作的面内水平向前、面内水平向右和面外垂直向下直线加速运动；
⑺若C4取最大值且有C4>C0，则所感测的正交三轴直线加速运动为同时所作的面内水平向前、面内水平向左和面外垂直向上直线加速运动。
⑻若C4取最大值且有C4<C0，则所感测的正交三轴直线加速运动为同时所作的面内水平向前、面内水平向左和面外垂直向下直线加速运动。
利用所述低深宽比结构的单质量块三轴加速度计感测正交三轴直线加速运动的具体步骤如下：
⑴所述单质量块三轴加速度计设置于待感测的惯性运动系统中的适当位置处；
⑵通过各个底电容输出电极和接地输出电极连接微小电容检测电路；
⑶检测各个底电容的静态电容值并作必要的校准；
⑷实测各个底电容的输出电容值；
⑸利用前述判别所述单质量块三轴加速度计所感测的正交三轴直线加速运动的类型和运动方向的方法确定所感测的正交三轴直线加速运动的惯性运动类型以及相应的加速度的方向；
⑹根据前述所述单质量块三轴加速度计所感测的面内水平直线加速运动和面外水平直线加速运动使相关底电容的上下电极之间产生的面内水平偏移的偏移量和面外水平偏移的偏移量与各个底电容的电容值变化量的关系以及加速度的定义，计算所述单质量块三轴加速度计所感测的面内水平直线加速运动和面外垂直直线加速运动的加速度值。
优选地，所述各个底电容的电容值变化量与所述单质量块三轴加速度计所感测的正交三轴直线加速运动的各个轴向直线加速运动的加速度的关系可通过测量获得“电容值变化量～加速度”校定表，并对校定表数据的拟合获得相应的校定函数或校定曲线的方法来确定。
或者，所述各个底电容的电容值变化量与所述单质量块三轴加速度计所感测的正交三轴直线加速运动的各个轴向直线加速运动的加速度的关系可通过有限元分析计算的方法确定。
或者，所述各个底电容的电容值变化量与所述单质量块三轴加速度计所感测的正交三轴直线加速运动的各个轴向直线加速运动的加速度的关系可通过有限元仿真软件模拟的方法确定。
结合图1-图6，所述低深宽比结构的单质量块三轴MEMS惯性加速度计的制备方法，包括如下步骤：
1、制作底板；
(1-1)硅单晶基板顶面热氧化或者LPCVD，形成覆盖基板顶面的二氧化硅层；
(1-2)上述基板顶面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制底电容下电极、底电容输出电极和底电容下电极引出导线所在区域的光刻胶胶膜；
(1-3)磁控溅射，依次覆盖钛膜和金膜；
(1-4)去胶，连同去除覆盖在底电容下电极、底电容输出电极和底电容下电极引出导线所在区域以外光刻胶胶膜上的钛-金膜，得到各个底电容下电极、底电容输出电极和底电容下电极引出导线；
(1-5)底板顶面依次涂覆增粘剂和光敏BCB树脂、第一次预固化；
(1-6)UV曝光、第二次预固化；
(1-7)显影、去除底板键合环所在区域以外的BCB层；
(1-8)BCB固化，得到底板键合环，完成底板的制作；
2、制作空腔结构层；
(2-1)<100>晶向硅单晶厚基板顶面热氧化或者LPCVD，形成覆盖基板顶面的氧化绝缘层；
(2-2)上述基板顶面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制空腔基板键合环所在区域的光刻胶胶膜；
(2-3)磁控溅射，依次覆盖钛膜、金膜和钛膜；
(2-4)去胶，连同去除覆盖在空腔基板键合环所在区域以外光刻胶胶膜上的钛-金-钛膜，完成空腔基板键合环的制作；
(2-5)上述基板顶面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制空腔所在区域的光刻胶胶膜；
(2-6)HF湿法腐蚀，去除待制空腔所在区域的氧化绝缘层；
(2-7)EDP各向异性湿法腐蚀，去除待制空腔所在区域的硅单晶层，直至穿通基板，形成倒四棱台形空腔，去胶，完成空腔结构层的制作；
3、制作质量块与悬臂梁结构层；
(3-1)准备SOI基板，所述SOI基板自上而下依次为<100>晶向硅单晶表面层、埋氧层和<100>晶向硅单晶支撑层；
(3-2)所述SOI基板双面热氧化或者LPCVD，形成覆盖基板顶面和底面的二氧化硅层；
(3-3)上述SOI基板顶面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制接地电极所在区域的光刻胶胶膜；
(3-4)磁控溅射，依次覆盖钛膜和金膜；
(3-5)去胶，连同去除覆盖在接地电极所在区域以外的光刻胶胶膜上的钛-金膜，得到接地电极；
(3-6)上述SOI基板底面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制质量块底面所在区域以外的光刻胶胶膜；
(3-7)HF湿法刻蚀，去除待制质量块底面所在区域以外的二氧化硅层；
(3-8)EDP各向异性湿法腐蚀，去除待制质量块所在区域以外的SOI基板硅单晶支撑层，止于SOI基板埋氧层，形成倒正四棱台形质量块的底面和下侧面，去胶；
(3-9)上述SOI基板底面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制质量块下侧面所在区域的光刻胶胶膜；
(3-10)LPCVD，在上述基板底面覆盖二氧化硅层；
(3-11)去胶，连同去除覆盖在待制质量块下侧面所在区域以外的光刻胶胶膜上的二氧化硅层，得到覆盖在待制质量块下侧面上的二氧化硅层；
(3-12)上述SOI基板底面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制底电容上电极引出导线的端面所在区域的光刻胶胶膜；
(3-13)DRIE湿法刻蚀，去除待制底电容上电极引出导线的端面所在区域的二氧化硅层；
(3-14)干法刻蚀，形成待制底电容上电极引出导线沟槽，止于SOI基板顶面的接地电极金属层，去胶；
(3-15)LPCVD，在待制底电容上电极引出导线沟槽内壁形成二氧化硅层；
(3-16)上述SOI基板底面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制底电容上电极引出导线沟槽所在区域的光刻胶胶膜；
(3-17)磁控溅射钛，覆盖底电容上电极引出导线沟槽内壁，再磁控溅射金，填充底电容上电极引出导线沟槽，去胶，得到各个底电容上电极引出导线；
(3-18)上述SOI基板底面涂覆光刻胶，曝光显影，去除与待制叉形悬臂梁的内径向臂对应的区域的光刻胶胶膜；
(3-19)HF湿法腐蚀，去除与待制叉形悬臂梁的内径向臂对应区域的埋氧层；
(3-20)DRIE干法刻蚀，去除与待制叉形悬臂梁的内径向臂对应区域的SOI基板硅单晶表面层，止于与待制叉形悬臂梁内径向臂的厚度对应的位置，形成各个叉形悬臂梁内径向臂的底面，去胶；
(3-21)上述SOI基板底面涂覆光刻胶，曝光显影，去除各个叉形悬臂梁的横向臂、外径向臂、悬臂梁固支边框的底面所在区域的光刻胶胶膜；
(3-22)HF湿法腐蚀，去除各个叉形悬臂梁的横向臂、外径向臂、悬臂梁固支边框的底面所在区域的埋氧层，形成各个叉形悬臂梁的横向臂、外径向臂、悬臂梁固支边框的底面；
(3-23)上述SOI基板底面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制底电容上电极、底电容上电极引出电极、底电容上电极引出导线端面所在区域的光刻胶胶膜；
(3-24)磁控溅射，依次覆盖钛膜和金膜；
(3-25)去胶，连同去除覆盖在待制底电容上电极、底电容上电极引出电极、底电容上电极引出导线端面所在区域以外的光刻胶胶膜上的钛-金膜，得到各个底电容上电极和各个底电容引出电极；
(3-26)上述SOI基板顶面涂覆光刻胶，曝光显影，去除步骤(3-3)～(3-5)所得接地电极所在区域以外的光刻胶胶膜；
(3-27)DRIE干法刻蚀，依次去除接地电极所在区域以外的SOI基板顶面氧化层、SOI基板硅单晶表面层和SOI基板埋氧层，去胶，得到质量块、各个叉形悬臂梁和悬臂梁固支边框，完成质量块与悬臂梁结构层的制作；
4、制作顶板；
(4-1)<100>晶向硅单晶基板底面热氧化或者LPCVD，形成覆盖上述基板底面的二氧化硅层；
(4-2)上述基板底面涂覆光刻胶，曝光显影，去除顶板空腔所在区域的光刻胶胶膜；
(4-3)湿法腐蚀，去除顶板空腔所在区域的二氧化硅层；
(4-4)EDP各向异性湿法腐蚀，去除顶板空腔所在区域的硅单晶层，止于所述硅单晶基板厚度一半的位置，去胶，得到倒四棱台形空腔；
(4-5)顶板底面依次涂覆增粘剂和光敏BCB树脂、第一次预固化；
(4-6)UV曝光，第二次预固化；
(4-7)显影，去除顶板键合环以外区域的BCB层；
(4-8)BCB层固化，得到顶板键合环，完成顶板的制作；
5、结构层键合；
(5-1)将制作有BCB底板键合环的底板预烘；
(5-2)将制作有BCB底板键合环的底板顶面与空腔结构层底面对准贴合，置入键合机中，从室温升温至设定的键合温度，在设定键合压力下保持设定的键合时间，再自然降温至室温，完成空腔结构层和底板的键合；
(5-3)将制作有空腔基板键合环的空腔结构层顶面与悬臂梁固支边框底面对准贴合，置入键合机中，从室温升温至设定的键合温度，在设定的键合压力下保持设定的键合时间，再自然降温至室温，完成质量块与悬臂梁结构层和空腔结构层的金硅键合；
(5-4)将制作有BCB顶板键合环的顶板预烘；
(5-5)将制作有BCB顶板键合环的顶板底面与悬臂梁固支边框顶面对准贴合，置入设定真空度或氮气气氛的键合机中，从室温升温至设定的键合温度，在设定的键合压力下保持设定的键合时间，再自然降温至室温，完成顶板和质量块与悬臂梁结构层的键合。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种低深宽比的单质量块三轴MEMS惯性加速度计，其特征在于，包括自下而上依次键合的底板（1）、空腔结构层（2）、质量块与悬臂梁结构层（3）、顶板（4）；
所述底板（1）包括底板基板（11）、对称设置于底板基板顶面中部的4个底电容下电极（12）、对称设置于底板基板顶面四边的4个底电容输出电极（13）、分别设置于各个底电容下电极和对应的底电容输出电极之间的4个底电容下电极引出导线（14）和设置于底板基板顶面并覆盖于各个底电容输出电极（13）之上的底板键合环（15）；
所述空腔结构层（2）包括空腔基板（21）、贯穿空腔基板（21）中部的倒正四棱台形空腔（22）和覆盖空腔基板（21）顶面四边的空腔基板键合环（23）；
所述质量块与悬臂梁结构层（3）包括倒正四棱台形质量块（31）、4个叉形悬臂梁（32）、悬臂梁固支边框（33）、覆盖质量块（31）底面的底电容上电极（34）、分别设置于质量块（31）各个侧面中部的4个底电容上电极引出电极（35）和4组底电容上电极引出导线（36）、覆盖于质量块（31）顶面、各个叉形悬臂梁（32）顶面和悬臂梁固支边框（33）顶面的接地电极（37）；
所述顶板（4）包括顶板基板（41），位于顶板基板底面中部的正四棱台形顶板空腔（42）和覆盖顶板基板（41）底面四边的顶板键合环（43）；
所述底板（1）与空腔结构层（2）通过底板键合环（15）键合，所述空腔结构层（2）与悬臂梁固支边框（33）通过空腔基板键合环（23）键合，各个悬臂梁悬置于空腔（22）之上并使质量块（31）悬置于空腔（22）之中，所述悬臂梁固支边框（33）与顶板（4）通过顶板键合环（43）键合，最终形成一个气密封闭结构。
2.根据权利要求1所述的低深宽比的单质量块三轴MEMS惯性加速度计，其特征在于，所述底板基板（11）为正方形截面基板，相应地，所述底板键合环（15）为内方外方的矩形环；
所述4个底电容下电极（12）为同形的正方形电极，所述4个底电容输出电极（13）为同形的长方形电极；
所述4个底电容下电极引出导线（14）为同形的长条形导线，分别连接1个底电容下电极（12）与1个底电容输出电极（13），所述底电容下电极引出导线（14）的宽度足够小使得当各个底电容下电极（12）相对于底电容上电极（34）作面内水平偏移时，底电容上电极（34）与底电容下电极引出导线（14）重叠部分所形成电容的电容值相对于各个底电容的电容值可以忽略；
所述底板键合环（15）环绕于4个底电容下电极（12）的外侧，所述底板键合环（15）与空腔基板（21）的底面全等同形，其内边缘与各个底电容输出电极（13）的内端平齐。
3.根据权利要求1所述的低深宽比的单质量块三轴MEMS惯性加速度计，其特征在于，所述空腔基板（21）为内方外方截面的厚基板，相应地，所述空腔基板键合环（23）为内方外方的矩形环。
4.根据权利要求1所述的低深宽比的单质量块三轴MEMS惯性加速度计，其特征在于，所述倒正四棱台形质量块（31）的高度不大于其底面边长的1/2；
所述4个底电容上电极引出电极（35）为同形的矩形电极，各组底电容上电极引出导线包含2个底电容上电极引出导线（36），各个所述底电容上电极引出导线（36）为同形的长条形导线，各组底电容上电极引出导线中的2个底电容上电极引出导线（36）分置于同侧的叉形悬臂梁（32）内径向臂（321）的两侧；
各个所述底电容上电极引出电极（35）的下端与底电容上电极（34）的外缘相连，其上端通过对应的1组底电容上电极引出导线（36）与接地电极（37）相连；
所述叉形悬臂梁（32）包含1个内径向臂（321）、1个横向臂（322）和2个外径向臂（323），其中，内径向臂（321）的厚度不大于悬臂梁固支边框（33）的厚度的1/2，内径向臂（321）的宽度不小于内径向臂（321）的厚度的2倍，内径向臂（321）的长度不小于内径向臂（321）的宽度的1 .5倍，外径向臂（323）的厚度与悬臂梁固支边框（33）的厚度相同，外径向臂（323）的宽度不大于外径向臂（323）的厚度的1/2，外径向臂（323）的长度不小于外径向臂（323）的厚度的1 .5倍，横向臂（322）的厚度与悬臂梁固支边框（33）和外径向臂（323）的厚度相同，横向臂（322）的宽度与外径向臂（323）的宽度相同，横向臂（322）的长度不小于横向臂（322）的厚度的1 .5倍，叉形悬臂梁（32）的总径向长度等于所对应质量块（31）的上端与空腔（22）内壁上端之间间隙的宽度，叉形悬臂梁（32）的总横向宽度不大于质量块（31）上端的边长；
所述内径向臂（321）的内端连接质量块（31）同侧侧面上端的正中，内径向臂（321）的外端连接横向臂（322）内侧上端的正中，横向臂（322）的两端分别连接两个外径向臂（323）的内端，两个外径向臂（323）的外端对称连接于悬臂梁固支边框（33）同侧边的内侧，所述内径向臂（321）、横向臂（322）、外径向臂（323）、质量块（31）以及悬臂梁固支边框（33）的顶面平齐，所述横向臂（322）、外径向臂（323）以及悬臂梁固支边框（33）的底面平齐；
所述悬臂梁固支边框（33）为内方外方截面的中空边框。
5.根据权利要求1所述的低深宽比的单质量块三轴MEMS惯性加速度计，其特征在于，所述顶板基板（41）为正方形截面的基板，相应地，所述顶板键合环（43）为内方外方截面的矩形环；
所述顶板空腔（42）的深度为顶板基板（41）厚度的一半，顶板空腔（42）的下端面与悬臂梁固支边框（33）中空部分的截面全等同形。
6.根据权利要求1所述的低深宽比的单质量块三轴MEMS惯性加速度计，其特征在于，所述空腔基板（21）的外边长小于底板基板（11）的边长，所述悬臂梁固支边框（33）的外边长与空腔基板（21）的外边长相同，所述顶板基板（41）的外边长小于悬臂梁固支边框（33）的外边长；
所述底板键合环（15）与空腔基板（21）的底面全等同形，所述空腔基板键合环（23）与悬臂梁固支边框（33）的底面全等同形；
各个所述电极和导线与所在基板之间由绝缘层（5）电隔离；
所述顶板（4）、空腔结构层（2）和底板（1）的基板材料为硅单晶，制作所述质量块与悬臂梁结构层（3）的基板为SOI基板，各个所述电极、各个所述导线和空腔基板键合环（23）的材料为金，所述底板键合环（15）和顶板键合环（43）的材料为光敏树脂，所述绝缘层（5）的材料为二氧化硅或者氮化硅。
7.根据权利要求1所述的低深宽比的单质量块三轴MEMS惯性加速度计，其特征在于，所述质量块悬置于空腔内，质量块侧面与空腔内侧面之间的间隙为质量块作水平前后和水平左右偏移的空间，质量块的顶面和底面与顶板空腔顶面和底板顶面的间隙为质量块作垂直上下偏移的空间；
所述质量块底面的底电容上电极与底板顶面的4个底电容下电极构成4个底电容（6），包括位于质量块底面左前侧的第一底电容（61）、位于质量块底面右前侧的第二底电容（62）、位于质量块底面左后侧的第三底电容（63）和位于质量块底面右后侧的第四底电容（64）。
8.根据权利要求1所述的低深宽比的单质量块三轴MEMS惯性加速度计，其特征在于，静态时，悬置于空腔内的质量块的4个侧面与空腔的4个内侧面平行、正对且保持相同的初始间距，质量块的顶面与顶板空腔的顶面以及质量块的底面与底板的顶面平行、正对且保持初始间距；
相应地，底电容上电极与其下方的各个底电容下电极平行、正对且保持相同的初始交叠面积和间隙高度，各个底电容具有相同的静态电容值，各个底电容输出电极与接地电极构成的4个底电容输出端口输出相同的静态电容值信号。
9.根据权利要求1所述的低深宽比的单质量块三轴MEMS惯性加速度计，其特征在于，4个对称分布的叉形悬臂梁支撑质量块，各个叉形悬臂梁悬置于空腔之上并使质量块悬置于空腔之中，其中：
各个叉形悬臂梁的内径向臂为薄的长宽梁，其长度大于宽度且宽度大于厚度，易于产生垂直上下弯曲形变而不易产生水平横向弯曲形变；
各个叉形悬臂梁的横向臂为窄的长厚梁，其长度大于厚度且厚度大于宽度，易于产生径向弯曲形变而不易产生垂直上下弯曲形变；
各个叉形悬臂梁的外径向臂为窄的长厚梁，其长度大于厚度且厚度大于宽度，易于产生横向弯曲形变而不易产生垂直上下弯曲形变。
10.一种如权利要求1所述的惯性加速度计的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1、制作底板；
（1-1）硅单晶基板顶面热氧化或者LPCVD，形成覆盖基板顶面的氧化绝缘层；
（1-2）上述基板顶面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制底电容下电极、底电容输出电极和底电容下电极引出导线所在区域的光刻胶胶膜；
（1-3）磁控溅射，依次覆盖钛膜和金膜；
（1-4）去胶，连同去除覆盖在底电容下电极、底电容输出电极和底电容下电极引出导线所在区域以外光刻胶胶膜上的钛-金膜，得到各个底电容下电极、底电容输出电极和底电容下电极引出导线；
（1-5）所述基板顶面依次涂覆增粘剂和光敏树脂、第一次预固化；
（1-6）UV曝光、第二次预固化；
（1-7）显影、去除底板键合环所在区域以外的光敏树脂层；
（1-8）光敏树脂层固化，得到底板键合环，完成底板的制作；
2、制作空腔结构层；
（2-1）<100>晶向硅单晶厚基板顶面热氧化或者LPCVD，形成覆盖基板顶面的氧化绝缘层；
（2-2）上述基板顶面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制空腔基板键合环所在区域的光刻胶胶膜；
（2-3）磁控溅射，依次覆盖钛膜、金膜和钛膜；
（2-4）去胶，连同去除覆盖在空腔基板键合环所在区域以外光刻胶胶膜上的钛-金-钛膜，完成空腔基板键合环的制作；
（2-5）上述基板顶面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制空腔所在区域的光刻胶胶膜；
（2-6）HF湿法腐蚀，去除待制空腔所在区域的氧化绝缘层；
（2-7）EDP各向异性湿法腐蚀，去除待制空腔所在区域的硅单晶层，直至穿通基板，形成倒四棱台形空腔，去胶，完成空腔结构层的制作；
3、制作质量块与悬臂梁结构层；
（3-1）准备SOI基板，所述SOI基板自上而下依次为<100>晶向硅单晶表面层、埋氧层和<100>晶向硅单晶支撑层；
（3-2）所述SOI基板双面热氧化或者LPCVD，形成覆盖基板顶面和底面的氧化绝缘层；
（3-3）上述SOI基板顶面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制接地电极所在区域的光刻胶胶膜；
（3-4）磁控溅射，依次覆盖钛膜和金膜；
（3-5）去胶，连同去除覆盖在接地电极所在区域以外的光刻胶胶膜上的钛-金膜，得到接地电极；
（3-6）上述SOI基板底面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制质量块底面所在区域以外的光刻胶胶膜；
（3-7）HF湿法刻蚀，去除待制质量块底面所在区域以外的氧化绝缘层；
（3-8）EDP各向异性湿法腐蚀，去除待制质量块所在区域以外的SOI基板硅单晶支撑层，止于SOI基板埋氧层，形成倒正四棱台形质量块的底面和下侧面，去胶；
（3-9）上述SOI基板底面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制质量块下侧面所在区域的光刻胶胶膜；
（3-10）LPCVD，在上述SOI基板底面覆盖氧化绝缘层；
（3-11）去胶，连同去除覆盖在待制质量块下侧面所在区域以外的光刻胶胶膜上的氧化绝缘层，得到覆盖在待制质量块下侧面上的氧化绝缘层；
（3-12）上述SOI基板底面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制底电容上电极引出导线的端面所在区域的光刻胶胶膜；
（3-13）HF湿法刻蚀，去除待制底电容上电极引出导线的端面所在区域的氧化绝缘层；
（3-14）DRIE干法刻蚀，形成待制底电容上电极引出导线沟槽，止于SOI基板顶面的接地电极金属层，去胶；
（3-15）LPCVD，在待制底电容上电极引出导线沟槽内壁形成氧化绝缘层；
（3-16）上述SOI基板底面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制底电容上电极引出导线沟槽所在区域的光刻胶胶膜；
（3-17）磁控溅射钛，覆盖底电容上电极引出导线沟槽内壁，再磁控溅射金，填充底电容上电极引出导线沟槽，去胶，得到各个底电容上电极引出导线；
（3-18）上述SOI基板底面涂覆光刻胶，曝光显影，去除与待制叉形悬臂梁的内径向臂对应的区域的光刻胶胶膜；
（3-19）HF湿法腐蚀，去除与待制叉形悬臂梁的内径向臂对应区域的埋氧层；
（3-20）DRIE干法刻蚀，去除与待制叉形悬臂梁的内径向臂对应区域的SOI基板硅单晶表面层，止于与待制叉形悬臂梁内径向臂的厚度对应的位置，形成各个叉形悬臂梁内径向臂的底面，去胶；
（3-21）上述SOI基板底面涂覆光刻胶，曝光显影，去除各个叉形悬臂梁的横向臂、外径向臂、悬臂梁固支边框的底面所在区域的光刻胶胶膜；
（3-22）HF湿法腐蚀，去除各个叉形悬臂梁的横向臂、外径向臂、悬臂梁固支边框的底面所在区域的埋氧层，形成各个叉形悬臂梁的横向臂、外径向臂和悬臂梁固支边框的底面；
（3-23）上述SOI基板底面涂覆光刻胶，曝光显影，去除待制底电容上电极、底电容上电极引出电极、底电容上电极引出导线端面所在区域的光刻胶胶膜；
（3-24）磁控溅射，依次覆盖钛膜和金膜；
（3-25）去胶，连同去除覆盖在待制底电容上电极、底电容上电极引出电极、底电容上电极引出导线端面所在区域以外的光刻胶胶膜上的钛-金膜，得到各个底电容上电极和各个底电容上电极引出电极；
（3-26）上述SOI基板顶面涂覆光刻胶，曝光显影，去除步骤（3-3）～（3-5）所得接地电极所在区域以外的光刻胶胶膜；
（3-27）DRIE干法刻蚀，依次去除接地电极所在区域以外的SOI基板顶面氧化绝缘层、SOI基板硅单晶表面层和SOI基板埋氧层，去胶，得到质量块、各个叉形悬臂梁和悬臂梁固支边框，完成质量块与悬臂梁结构层的制作；
4、制作顶板；
（4-1）<100>晶向硅单晶基板底面热氧化或者LPCVD，形成覆盖上述基板底面的氧化绝缘层；
（4-2）上述基板底面涂覆光刻胶，曝光显影，去除顶板空腔所在区域的光刻胶胶膜；
（4-3）湿法腐蚀，去除顶板空腔所在区域的氧化绝缘层；
（4-4）EDP各向异性湿法腐蚀，去除顶板空腔所在区域的硅单晶层，止于所述硅单晶基板厚度一半的位置，去胶，得到正四棱台形顶板空腔；
（4-5）所述基板底面依次涂覆增粘剂和光敏树脂、第一次预固化；
（4-6）UV曝光，第二次预固化；
（4-7）显影，去除顶板键合环以外区域的光敏树脂层；
（4-8）光敏树脂层固化，得到顶板键合环，完成顶板的制作；
5、结构层键合；
（5-1）将制作有光敏树脂底板键合环的底板预烘；
（5-2）将制作有光敏树脂底板键合环的底板顶面与空腔结构层底面对准贴合，置入键合机中，从室温升温至设定的键合温度，在设定键合压力下保持设定的键合时间，再自然降温至室温，完成空腔结构层和底板的键合；
（5-3）将制作有空腔基板键合环的空腔结构层顶面与悬臂梁固支边框底面对准贴合，置入键合机中，从室温升温至设定的键合温度，在设定的键合压力下保持设定的键合时间，再自然降温至室温，完成质量块与悬臂梁结构层和空腔结构层的金硅键合；
（5-4）将制作有光敏树脂顶板键合环的顶板预烘；
（5-5）将制作有光敏树脂顶板键合环的顶板底面与悬臂梁固支边框顶面对准贴合，置入设定真空度或氮气气氛的键合机中，从室温升温至设定的键合温度，在设定的键合压力下保持设定的键合时间，再自然降温至室温，完成顶板和质量块与悬臂梁结构层的键合。
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