CN1138148C - 定齿偏置的梳齿式体硅加工微机械结构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于体硅加工微机械结构设计领域，涉及定齿偏置的梳齿式体硅加工微机械结构，包括一个由齿枢、多组动齿和折叠梁组构成的敏感质量元件，固定齿和基片，敏感质量元件的每个梳齿和其相邻的两定齿距离不等，两侧距离比值为1∶(8-12)，本发明结构最重要的优点就是键合块少、面积大，大大降低了键合难度，且键合接触电阻小、均匀，显著提高了加工成品率，使微机械加速度计从面加工到体加工成为可能，从而使分辨率和精度大大提高。此外明显减少了玻璃极板上均置方案所必需的许多内部引线、电极。这样，一方面避免了电极、引线间的分布电容及电信号的干扰；另一方面，减少了引线输出数目，降低了引线键合的工作量。
Description
技术领域
本发明属于体硅加工微机械结构设计领域，特别涉及梳齿式微机械结构的设计。
背景技术
梳齿式微机械结构是微机械传感器的一种典型结构，已有的梳齿式微机械结构均为面加工定齿均匀配置结构。该结构在微机械加速度计上已得到成功应用。微机械加速度计是近十年国际上新兴发展起来的。美国AD公司的ADXLXX系列是市场上占有率最高的微机械加速度计。AD公司的微机械加速度计采用的是面加工定齿均匀配置梳齿式电容加速度计。这种力平衡的加速度计采用表面加工工艺制成，敏感轴与基片平行。该种面加工定齿均匀配置梳齿式微机械传感器的一般结构如图1所示。图1中，活动敏感质量元件11是一个微机械的双侧梳齿结构，相对用于固定活动敏感质量元件的基片(图中未示出)悬空，通过两端折叠梁结构12固定于基片上。每个梳齿13由中央质量杆14(齿枢)向其两侧伸出，每个梳齿(活动齿)为可变电容的一个活动电极；固定齿15直接固定在基片上，每组固定齿由∏形齿151和L形齿152组合而成，固定齿由与活动齿13交错均等距离d0配置，形成差动电容。这种敏感质量元件的微机械双侧梳齿结构与基片平行。敏感质量元件11可以沿敏感轴向MD运动。同时，折叠梁12自身是一个比较好的应力释放结构，所以选用折叠梁还可减小应力的影响。这种固定齿与活动齿均置方案的主要优点是可以节省管芯版面尺寸，这对于表面加工的微机械传感器是适当的。但由于表面加工得到的梳齿式结构测量电容偏小，影响了梳齿式微机械传感器分辨率和精度的进一步提高。
为了提高微机械传感器的分辨率和精度，用体硅加工代替表面加工是一条有效的途径。但是对于体加工梳齿结构，由于定齿均匀配置结构键合面小，加之体硅加工敏感质量活动片加厚、质量加大，工艺流水下来后，键合的定齿脱落严重；另外，通过探针台测得定齿间的电阻很大，这主要是键合强度不够、键合接触电阻太大造成的。这样就出现了新的问题，成品率几乎等于零。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种定齿偏置的梳齿式体硅加工微机械结构，使其具有键合强度高，键合面积大，键合难度低，键合接触电阻小、均匀，成品率高的特点，进而提高了梳齿式微机械传感器的分辨率和精度。
本发明提出的一种定齿偏置的梳齿式体硅加工微机械结构，包括一个由齿枢、多组动齿和折叠梁组构成的敏感质量元件，固定齿和基片；该动齿由齿枢向两侧伸出，形成双侧梳齿式结构，该齿枢两端的折叠梁固定于基片上，使齿枢、多组动齿相对基片悬空平行设置；所说的敏感质量元件的每个动齿为可变电容的一个活动电极，与固定齿的每个梳齿交错配置，总体形成差动电容；其特征在于，该固定齿为直接固定在基片上的多组单侧梳齿式结构；所说的敏感质量元件的每个梳齿和其相邻的两定齿距离的比值为1∶(8-12)。
本发明所说的敏感质量元件整体结构形成以齿枢中点对称分布为最佳方案。
本发明的敏感质量元件可以沿齿枢轴向运动。这种结构主要是敏感距离小的一侧形成的电容量，可忽略距离大的一侧的电容量。若干对动齿和固定齿形成总体差动检测电容和差动加力电容。
本发明特点及应用
本发明的定齿偏置结构最重要的优点就是键合块少、单块键合面积大，大大降低了键合难度，且键合接触电阻小、均匀。由于均置结构的每一个动齿两边的定齿为不同极性，由于引线的关系，都要单独键合，键合强度小，很容易脱落；而本发明的定齿偏置结构中心线以左为一种电极，中心线以右为另一种电极，故可采用数个定齿合在一起键合，大大缓解了矛盾。经工艺流水证明，本发明显著提高了成品率，使微机械传感器从面加工到体加工成为可能，从而使分辨率和精度大大提高。
此外，本发明的定齿偏置结构明显减少了玻璃极板上均置方案所必需的许多内部引线、电极。这样，一方面避免了电极、引线间的分布电容及电信号的干扰；另一方面，减少了引线输出数目，降低了引线键合的工作量。
虽然本发明的偏置结构的横向尺寸略大于定齿均置结构，但均置结构的定齿较长(以满足均置结构的电容及键合面积)，加工过程中，齿弯曲变形较大，工艺难度大；同时，定齿过长造成的弯曲变形会直接影响传感器的正常工作。另外，均置结构的纵向尺寸大，版面利用率低。所以，在版面利用、加工工艺上，本发明的定齿偏置结构也优于均置结构。
附图说明
图1为已有的定齿均匀配置的梳齿式表面加工微机械结构示意图。
图2为本发明的定齿偏置梳齿式体硅加工微机械结构实施例示意图。
具体实施方式
本发明设计的一种定齿偏置的梳齿式体硅加工微机械结构的实施例，如图2所示，本实施例包括：一个由齿枢24、多组动齿23和折叠梁22组构成的敏感质量元件21，固定齿25和基片；该动齿23由齿枢24向两侧伸出，形成双侧梳齿式结构，该齿枢两端的折叠梁22固定于基片上，使齿枢、多组动齿相对基片悬空平行设置；该固定齿25为直接固定在基片上的多组单侧梳齿式结构；所说的敏感质量元件的每个动齿为可变电容的一个活动电极，与固定齿的每个梳齿交错配置，总体形成差动电容；本实施例与已有定齿均匀配置的梳齿式表面加工微机械结构的不同之处在于，所说的敏感质量元件的每个梳齿和其相邻的两定齿距离不等，两侧距离比值为1∶10，且形成以齿枢中点对称分布，主要敏感距离小的一侧形成的电容量，可忽略距离大的一侧的电容量。若干对动齿和静齿形成总体差动检测电容和差动加力电容。此外，本实施例的固定齿结构更为简单，便于键合。
本实施例的微机械结构可用于加速度计，具体尺寸为：
总体平面尺寸2.8mm×2.8mm 敏感质量元件1500μm×1000μm；
梳齿长270μm，宽6μm，定齿与动齿重叠部分长250，非重叠部分长20μm；
总齿数22×2×2，梳齿间隙d0＝2μm D0＝20μm；
单侧检测梳齿数量n1＝13力反馈梳齿数n2＝9；
检测电容1.15pF，加力电容0.8pF；敏感质量元件质量77.6μg
折叠梁长370μm宽2.5μm，折叠梁端头长27μm，宽30μm；
本实施例中定齿和其相邻的两个动齿间距为d0(2.0μm)和D0(约为d0的10倍)。这样，就形成了定齿偏置结构的梳齿式加速度计。当D0＞＞d0时，D0一侧电容可以忽略不计。
主要技术性能指标如下：
(1)量程 ±30g
(2)标度因子 160mV/g
(3)线性度 500ppm(±1g) 优于10/00(±30g)
(4)偏置稳定性 0.5mg
(5)偏置重复性 1mg(24～25℃)
(6)噪声
(7)频带 500Hz
(8)表头抗冲击 1500g
(9)电源电压 ±12V
(10)电流 30mA
Claims (2)
1、一种定齿偏置的梳齿式体硅加工微机械结构，包括一个由齿枢、多组动齿和折叠梁组构成的敏感质量元件，固定齿和基片；该动齿由齿枢向两侧伸出，形成双侧梳齿式结构，该齿枢两端的折叠梁固定于基片上，使齿枢、多组动齿相对基片悬空平行设置；所说的敏感质量元件的每个动齿为可变电容的一个活动电极，与固定齿的每个梳齿交错配置，总体形成差动电容；其特征在于，该固定齿为直接固定在基片上的多组单侧梳齿式结构；所说的敏感质量元件的每个梳齿和其相邻的两定齿距离的比值为1∶(8-12)。
2、如权利要求1所述的定齿偏置的梳齿式体硅加工微机械结构，其特征在于，所说的敏感质量元件整体形成以齿枢中点对称分布。
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