CN113624991A - 一种z轴加速度计 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种Z轴加速度计，其包括：衬底；质量块，其悬置于所述衬底上方，且所述质量块被分界线划分为第一区域和第二区域，其中，所述质量块的第一区域和第二区域关于所述分界线对称分布，所述质量块的第一区域和第二区域的厚度不一致，以使所述质量块的第一区域和第二区域的质量不同，从而使所述质量块以所述分界线为轴发生类似跷跷板式运动。与现有技术相比，本发明不仅有效的节省了芯片面积，降低了成本，而且还大大提升了抗外界干扰能力，进而提高Z轴检测精度。

Description

一种Z轴加速度计
【技术领域】
本发明涉及微机械系统技术领域，尤其涉及一种基于表面硅工艺的Z轴加速度计。
【背景技术】
微机电加速度计是基于MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机械系统)技术的惯性器件，用于测量物体运动的线运动加速度。它具有体积小、可靠性高、成本低廉、适合大批量生产等特点，因此具有广阔的市场前景，其应用领域包括消费电子、航空航天、汽车、医疗设备和武器等等。但是，现有技术中的加速度计存在占用芯片面积大，抗外界干扰能力差的问题。
因此，亟需提出一种新的技术方案来解决上述问题。
【发明内容】
本发明的目的之一在于提供一种Z轴加速度计，其不仅有效的节省了芯片面积，降低了成本，而且还大大提升了抗外界干扰能力，进而提高Z轴检测精度。
根据本发明的一个方面，本发明提供一种Z轴加速度计，其包括：衬底；质量块，其悬置于所述衬底上方，且所述质量块被分界线划分为第一区域和第二区域，其中，所述质量块的第一区域和第二区域关于所述分界线对称分布，所述质量块的第一区域和第二区域的厚度不一致，以使所述质量块的第一区域和第二区域的质量不同，从而使所述质量块以所述分界线为轴发生类似跷跷板式运动。
与现有技术相比，本发明提供的Z轴加速度计，其质量块的第一区域和第二区域关于分界线完全对称；且本发明采用表面硅技术，通过牺牲层工艺使得所述质量块的第一区域和第二区域的厚度不一致，使得所述质量块的第一区域和第二区域的质量不同，进而实现Z轴加速度计对称且不等质量。这样，本发明所设计的Z轴加速度计由于对称分布，大大提升了抗外界干扰能力，进而提高Z轴检测精度，且有效的节省了芯片面积，降低了成本。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明在第一个实施例中的Z轴加速度计的整体结构示意图；
图2为本发明在一个实施例中如图1所示的Z轴加速度计沿B-B处的剖面示意图；
图3为本发明在另一个实施例中如图1所示的Z轴加速度计沿B-B处的剖面示意图；
图4为本发明在第二个实施例中的Z轴加速度计沿B-B处的剖面示意图；
图5为本发明在第三个实施例中的Z轴加速度计沿B-B处的剖面示意图；
图6为本发明在第四个实施例中的Z轴加速度计沿B-B处的剖面示意图；
图7为本发明在第五个实施例中的Z轴加速度计沿B-B处的剖面示意图。
其中，1-质量块；1a-质量块的第一区域；1b-质量块的第二区域；2-锚点；3a-第一扭转梁；3b-第二扭转梁；4a-第一敏感电极；4b-第二敏感电极；5-衬底；AA-Y轴中轴线；BB-X轴中轴线；6-第一空间；7-通孔；8-盲孔；9-凹槽；10-开口。
【具体实施方式】
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。除非特别说明，本文中的连接、相连、相接的表示电性连接的词均表示直接或间接电性相连。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”“耦接”等术语应做广义理解；例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种Z轴加速度计。请参考图1所示，其为本发明在第一个实施例中的Z轴加速度计的整体结构示意图；请参考图2所示，其为本发明在一个实施例中如图1所示的Z轴加速度计沿B-B处的剖面示意图。请参考图3所示，其为本发明在另一个实施例中如图1所示的Z轴加速度计沿B-B处的剖面示意图。图1、图2和图3所示的Z轴加速度计包括质量块1和衬底5。所述质量块1悬置于所述衬底5上方，且所述质量块1被分界线A-A划分为第一区域1a和第二区域1b，且所述质量块1的第一区域1a和第二区域1b的质量不同，以使所述质量块1以所述分界线A-A为轴发生类似跷跷板式运动。
为了更好的说明本发明所示的Z轴加速度计的结构，可以建立一个三维直角坐标系，在图1所示的实施例中，X轴和Y轴相互垂直并且定义了所述Z轴加速度计的衬底1所在的平面，Z轴垂直于X轴和Y轴所定义的平面，通过X轴、Y轴和Z轴建立的三维直角坐标系在图1中有所体现，其中，X轴沿左右方向，Y轴沿上下方向，Z轴沿垂直于纸面方向。
在图1、图2和图3所示的实施例中，所述质量块1的第一区域1a和第二区域1b关于所述分界线A-A完全对称(或所述质量块1关于所述分界线A-A完全对称)，其中，A-A为所述质量块1的Y轴中轴线，B-B为所述质量块1的X轴中轴线；本发明采用表面硅技术，通过牺牲层工艺(例如，通过牺牲层沉积后刻蚀)使得所述质量块1的第一区域1a和第二区域1b的厚度不一致，使得所述质量块1的第一区域1a和第二区域1b的质量不同，进而实现Z轴加速度计对称且不等质量。本发明所设计的Z轴加速度计由于对称分布，大大提升了抗外界干扰能力，进而提高Z轴检测精度，且有效的节省了芯片面积，降低了成本。
需要特别说明的是，所述质量块1的第一区域1a和第二区域1b关于所述分界线A-A完全对称。这里的完全对称指的是，第一区域1a的边框形状和第二区域1b的边框形状对称，而不考虑第一区域1a和第二区域1b内是否设置有其他结构。当第一区域1a的边框形状和第二区域1b的边框形状关于分界线A-A对称时，可以避免第一区域1a和第二区域1b的边缘出现电荷分布不对称的现象，提高器件的可靠性。
在图2所示的实施例中，所述质量块1的第二区域1b的部分区域厚度大于所述第一区域1a的厚度，以使得所述质量块1的第二区域1b的质量大于所述第一区域1a的质量。在图3所示的实施例中，所述质量块1的第二区域1b的部分区域厚度小于所述第一区域1a的厚度，以使得所述质量块1的第二区域1b的质量小于所述第一区域1a的质量。
在图1、图2和图3所示的实施例中，所述Z轴加速度计还包括第一敏感电极4a和第二敏感电极4b，所述第一敏感电极4a和第二敏感电极4b分别设置于所述质量块1的第一区域1a和第二区域1b的下方，且对称设置于所述分界线A-A的两侧。当敏感(或感应)到Z轴加速度输入时，会使得所述质量块1以所述分界线A-A为轴发生扭转或枢转(或类似跷跷板式运动)，所述第一敏感电极4a检测与所述质量块1的第一区域1a距离变化，第二敏感电极4b检测与所述质量块1的第二区域1b的距离变化，具体的，敏感到Z轴加速率后的第一敏感电极4a和第二敏感电极4b的电容一个增大，一个减小，两者差分得到Z轴加速度引起的电容变化，进而得到输入的Z轴加速率大小。需要特别说明的是，当未敏感(或感应)到Z轴加速度输入时，第一敏感电极4a与其正上方的所述质量块1的第一区域1a的间距和第二敏感电极4b与其正上方的所述质量块1的第二区域1b的间距相等，从而保证后续所述第一敏感电极4a的电容信号和第二敏感电极4b的电容信号差分。
在图1、图2和图3所示的实施例中，所述Z轴加速度计还包括锚点2和扭转梁3a、3b；所述质量块1内定义有第一空间6，所述锚点2和扭转梁3a、3b设置于第一空间6内；所述扭转梁3a、3b连接所述锚点2和质量块1。所述质量块1的第一区域1a和第二区域1b的质量不同，以使所述质量块1以所述扭转梁3a、3b为轴发生类似跷跷板式运动。
在图1、图2和图3所示的具体实施例中，锚点2位于所述质量块1的中心点；扭转梁3a、3b为两个，分别是第一扭转梁3a和第二扭转梁3b，其中，第一扭转梁3a和第二扭转梁3b位于所述锚点2的上下两侧且沿分界线A-A设置；所述第一扭转梁3a和第二扭转梁3b均连接所述锚点2和质量块1。通过所述梁结构3a、3b和所述锚点2支撑所述质量块1，以使所述质量块1悬置于所述衬底5上方。
在图1、图2和图3所示的具体实施例中，锚点2固定设置于衬底5上；第一敏感电极4a和第二敏感电极4b固定设置于衬底5上；质量块1和扭转梁3a、3b悬置于所述衬底5上方；第一扭转梁3a和第二扭转梁3b关于X轴对称分布，或第一扭转梁3a和第二扭转梁3b沿分界线A-A设置，且关于锚点2对称分布。
请参考图4所示，其为本发明在第二个实施例中的Z轴加速度计沿B-B处的剖面示意图。图4所示的Z轴加速度计的结构与图1和图2所示得Z轴加速度计的结构基本一致，其主要区别在于，图4的Z轴加速度计的质量块1的第一区域1a内还设置有通孔7。也就是说，图4所示的Z轴加速度计不仅通过牺牲层工艺使得所述质量块1的第一区域1a和第二区域1b的厚度不一致，而且还可以通过在所述质量块1的第一区域1a和/或第二区域1b内设置若干通孔7，以使得所述质量块1的第一区域1a和第二区域1b的质量不同。
请参考图5所示，其为本发明在第三个实施例中的Z轴加速度计沿B-B处的剖面示意图。图5所示的Z轴加速度计的结构与图1和图2所示得Z轴加速度计的结构基本一致，其主要区别在于，图5的Z轴加速度计的质量块1的第一区域1a内还设置有盲孔8。也就是说，图5所示的Z轴加速度计不仅通过牺牲层工艺使得所述质量块1的第一区域1a和第二区域1b的厚度不一致，而且还可以通过在所述质量块1的第一区域1a和/或第二区域1b内设置若干盲孔8，以使得所述质量块1的第一区域1a和第二区域1b的质量不同。在一个实施例中，可以在所述质量块1的通孔7和盲孔8内部或上方添加材料，使得第一区域1a质量与第二区域1b质量不等。
请参考图6所示，其为本发明在第四个实施例中的Z轴加速度计沿B-B处的剖面示意图。图6所示的Z轴加速度计的结构与图1和图2所示得Z轴加速度计的结构基本一致，其主要区别在于，图6的Z轴加速度计对质量块1的第一区域1a进行了大区域刻蚀以形成凹槽9(或半镂空结构9)。也就是说，图6所示的Z轴加速度计不仅通过牺牲层工艺使得所述质量块1的第一区域1a和第二区域1b的厚度不一致，而且还可以通过在所述质量块1的单侧区域(即第一区域1a或第二区域1b内)进行大区域刻蚀以形成凹槽9，以使得所述质量块1的第一区域1a和第二区域1b的质量不同。
请参考图7所示，其为本发明在第五个实施例中的Z轴加速度计沿B-B处的剖面示意图。图7所示的Z轴加速度计的结构与图1和图2所示得Z轴加速度计的结构基本一致，其主要区别在于，图7的Z轴加速度计对质量块1的第一区域1a进行了大区域刻蚀以形成贯穿的开口10。也就是说，图7所示的Z轴加速度计不仅通过牺牲层工艺使得所述质量块1的第一区域1a和第二区域1b的厚度不一致，而且还可以通过在所述质量块1的单侧区域(即第一区域1a或第二区域1b内)进行大区域刻蚀以形成贯穿的开口10(或镂空结构10)，以使得所述质量块1的第一区域1a和第二区域1b的质量不同。
综上所述，本发明提供一种Z轴加速度计，其包括：衬底5；质量块1，其悬置于所述衬底5上方，且所述质量块1被分界线划分为第一区域1a和第二区域1b，所述质量块1的第一区域1a和第二区域1b关于所述分界线A-A对称分布；本发明采用表面硅技术，通过牺牲层工艺使得所述质量块1的第一区域1a和第二区域1b的厚度不一致，使得所述质量块1的第一区域1a和第二区域1b的质量不同，进而实现Z轴加速度计对称且不等质量。本发明所设计的Z轴加速度计由于对称分布，大大提升了抗外界干扰能力，进而提高Z轴检测精度，且有效的节省了芯片面积，降低了成本。
此外，同等面积下，框架(质量块)延伸的Z轴加速度计的灵敏度高。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改和变型。

Claims (11)

1.一种Z轴加速度计，其特征在于，其包括：
衬底；
质量块，其悬置于所述衬底上方，且所述质量块被分界线划分为第一区域和第二区域，其中，所述质量块的第一区域和第二区域关于所述分界线对称分布，所述质量块的第一区域和第二区域的厚度不一致，以使所述质量块的第一区域和第二区域的质量不同，从而使所述质量块以所述分界线为轴发生类似跷跷板式运动。
2.根据权利要求1所述的Z轴加速度计，其特征在于，
采用表面硅技术，通过牺牲层工艺，使得所述质量块的第一区域和第二区域的的厚度不一致。
3.根据权利要求2所述的Z轴加速度计，其特征在于，
所述质量块的第二区域的部分区域厚度大于所述第一区域的厚度；或
所述质量块的第二区域的部分区域厚度小于所述第一区域的厚度。
4.根据权利要求2所述的Z轴加速度计，其特征在于，其还包括第一敏感电极和第二敏感电极，所述第一敏感电极和第二敏感电极分别设置于所述质量块的第一区域和第二区域的下方，且对称设置于所述分界线的两侧，
当敏感到Z轴加速度输入时，会使得所述质量块以所述分界线为轴发生类似跷跷板式运动，所述第一敏感电极检测与所述质量块的第一区域的距离变化，所述第二敏感电极检测与所述质量块的第二区域的距离变化，敏感到Z轴加速率后的所述第一敏感电极和第二敏感电极的电容一个增大，一个减小，两者差分得到Z轴加速度引起的电容变化，进而得到输入的Z轴加速率大小。
5.根据权利要求4所述的Z轴加速度计，其特征在于，
其还包括锚点和扭转梁；
所述质量块内定义有第一空间，所述锚点和扭转梁设置于所述第一空间内；
所述扭转梁连接所述锚点和质量块；
所述质量块的第一区域和第二区域的质量不同，以使所述质量块以所述扭转梁为轴发生类似跷跷板式运动。
6.根据权利要求5所述的Z轴加速度计，其特征在于，
所述扭转梁为两个，分别是第一扭转梁和第二扭转梁，
所述第一扭转梁和第二扭转梁位于所述锚点的两侧且沿所述分界线设置；
所述第一扭转梁和第二扭转梁均连接所述锚点和质量块。
7.根据权利要求5所述的Z轴加速度计，其特征在于，
所述锚点固定设置于所述衬底上；
所述第一敏感电极和第二敏感电极固定设置于所述衬底上；
所述质量块和扭转梁悬置于所述衬底上方；
所述第一扭转梁和第二扭转梁沿所述分界线设置，且关于所述锚点对称分布。
8.根据权利要求2所述的Z轴加速度计，其特征在于，
所述质量块的第一区域或第二区域内设置有通孔；或
所述质量块的第一区域或第二区域内设置有盲孔。
9.根据权利要求8所述的Z轴加速度计，其特征在于，
所述通孔或盲孔内部或上方可添加有材料，使得第一区域质量与第二区域质量不等。
10.根据权利要求2所述的Z轴加速度计，其特征在于，
对所述质量块的第一区域或第二区域进行刻蚀以形成凹槽；或
对所述质量块的第一区域或第二区域进行刻蚀以形成贯穿的开口。
11.根据权利要求4所述的Z轴加速度计，其特征在于，
当未敏感到Z轴加速度输入时，所述第一敏感电极与其正上方的第一区域的间距和第二敏感电极4b与其正上方的所述第二区域的间距相等。
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