CN115389782A - Mems电容式加速度计及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种MEMS电容式加速度计及其制备方法，包括基底、质量块、悬臂梁、第一电极层和第二电极层；所述质量块设置于所述基底的上方，且所述质量块与所述基底之间形成预设距离；所述悬臂梁倾斜设置；所述悬臂梁的第一端与所述基底固定连接，所述悬臂梁的第二端与所述质量块固定连接，且所述悬臂梁与所述基底之间形成预设夹角；所述基底朝向所述质量块的一侧设置有第一电极层，所述质量块朝向所述基底的一侧设置有与第一电极层相对应的第二电极层。本发明的一个技术效果在于，结构设计合理，有助于实现MEMS电容式加速度计的微型化设计，还有助于保证MEMS电容式加速度计安全、稳定的工作。
Description
技术领域
本发明属于微机电技术领域，具体涉及一种MEMS电容式加速度计及其制备方法。
背景技术
MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)电容式加速度计通常采用弹性梁-质量块结构，在惯性加速度作用下，弹性梁形变，质量块发生位移，质量块与临近电极板的间距改变，二者组成的电容器的电容值改变，进而将加速度信号转化为电容信号输出。MEMS电容式加速度计因其功耗低、灵敏度较高、制作工艺相对简单以及良好的可集成性成为目前中、高精度MEMS加速度计产品的主要形式。
为了追求高灵敏度的性能需求，弹性梁被设计的越来越长，从而在同等加速度下获得更大的形变，质量块的面积被设计的越来越来大，从而在同样的加速度下获得更大的电容变化量。以上两种增大灵敏度的设计，导致弹性梁-质量块结构的平面面积增大，整体尺寸增大，影响了MEMS加速度计的微型化。另外，为获得较大的输出电容变化量，通常将质量块上的电极与临近电极的间距减小，在外界加速度过大时，两块电极板可能发生静电吸合效应，加速度计无法正常工作。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种MEMS电容式加速度计及其制备方法的新技术方案。
根据本发明的第一方面，提供了根据本申请的第一方面，包括：
基底；
质量块，所述质量块设置于所述基底的上方，且所述质量块与所述基底之间形成预设距离；
悬臂梁，所述悬臂梁倾斜设置；所述悬臂梁的第一端与所述基底固定连接，所述悬臂梁的第二端与所述质量块固定连接，且所述悬臂梁与所述基底之间形成预设夹角；
第一电极层和第二电极层，所述基底朝向所述质量块的一侧设置有第一电极层，所述质量块朝向所述基底的一侧设置有与第一电极层相对应的第二电极层。
可选地，MEMS电容式加速度计还包括底盘，所述底盘固定设置于所述基底，所述悬臂梁的第一端固定设置于所述底盘。
可选地，两根所述悬臂梁对称设置于所述质量块的相对两侧。
可选地，MEMS电容式加速度计还包括第一保护层；
在两根悬臂梁的第二端之间连接有第一保护层，所述第一保护层的上表面设置所述质量块；
在所述第一保护层的下表面设置所述第二电极层。
可选地，MEMS电容式加速度计还包括第二保护层；
在所述质量块的侧表面以及上表面分别覆盖所述第二保护层。
可选地，所述底盘、所述悬臂梁、所述第一保护层为一体成型。
可选地，所述预设角度为30°-60°。
根据本申请的第二方面，提供一种MEMS电容式加速度计的制备方法，用于制备上述的MEMS电容式加速度计，包括如下步骤：
步骤S100，选取N型硅片作为衬底材料，在衬底材料的第一表面形成凹槽；
步骤S200，在所述凹槽相对的侧壁上制作悬臂梁；在所述凹槽的底壁上制作第一保护层；在所述衬底材料的第一表面制作与悬臂梁连接的底盘；
步骤S300，在所述第一保护层远离所述衬底材料的一侧设置第二电极层；
步骤S400，对所述衬底材料的第二表面进行刻蚀并刻蚀至所述第一保护层以形成通孔，所述通孔围设构成质量块；在所述通孔内以及质量块远离第一保护层的表面覆盖第二保护层；
步骤S500，选取玻璃作为基底，在所述基底的表面制作第一电极层；
步骤S600，将所述底盘固定于基底，且所述第一电极层与所述第二电极层相对设置，并通过刻蚀使第二保护层、悬臂梁、底盘露出。
可选地，在步骤S500中，选用300μm厚的玻璃作为基底，通过光刻和磁控溅射的方式在基底的表面制备第一电极层。
可选地，所述第一保护层、所述悬臂梁、所述底盘的材质均为二氧化硅，所述第二保护层的材质为二氧化硅或硅酸乙酯，在步骤S600中，通过KOH溶液腐蚀衬底材料，以露出第二保护层、悬臂梁、底盘。
本发明的一个技术效果在于：
在本申请实施例中，质量块设置于基底的上方，且质量块与基底之间形成预设距离，基底朝向质量块的一侧设置有第一电极层，质量块朝向基底的一侧设置有第二电极层，从而使得质量块在朝向/背离基底运动时，第一电极层和第二电极层组成的电容器的电容值改变，进而将加速度信号转化为电容信号输出，实现了对加速度的测量。悬臂梁倾斜设置，悬臂梁的第一端与基底固定连接，悬臂梁的第二端与质量块固定连接，且悬臂梁与基底之间形成预设夹角，悬臂梁能够稳定地支撑在质量块和基底之间。一方面，由于悬臂梁在水平面的投影长度小于悬臂梁自身的长度，在保证悬臂梁的尺寸以及电容器结构的正对面积不变的情况下，有效地减小了MEMS电容式加速度计在水平面内的整体尺寸，实现了MEMS电容式加速度计的微型化。另一方面，当外界加速度过大时，悬臂梁能够在竖直方向较好地支撑质量块，有效地防止第二电极层朝向第一电极层过度运动，从而避免第一电极层与第二电极层之间发生静电吸合效应，为MEMS电容式加速度计提供过载保护，有助于保证MEMS电容式加速度计稳定的工作。
因此，该MEMS电容式加速度计结构设计合理，有助于实现MEMS电容式加速度计的微型化设计，还有助于保证MEMS电容式加速度计安全、稳定的工作。
附图说明
图1为本发明一实施例的一种MEMS电容式加速度计的俯视图；
图2为图1中沿A-A方向的剖面图；
图3为本发明一实施例的一种MEMS电容式加速度计的在衬底材料的第一表面形成凹槽的示意图；
图4为本发明一实施例的一种MEMS电容式加速度计的在衬底材料上形成底盘、悬臂梁、和第一保护层的示意图；
图5为本发明一实施例的一种MEMS电容式加速度计的在第一保护层上形成第二电极层的示意图；
图6为本发明一实施例的一种MEMS电容式加速度计的在衬底材料上形成通孔的示意图；
图7为本发明一实施例的一种MEMS电容式加速度计的第二保护层的示意图；
图8为本发明一实施例的一种MEMS电容式加速度计的基底和第一电极层的示意图；
图9为本发明一实施例的一种MEMS电容式加速度计的底盘固定于基底的示意图。
图中：1、基底；2、粘接层；3、底盘；4、悬臂梁；5、第一电极层；6、第二电极层；7、第一保护层；8、质量块；9、第二保护层。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本申请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申请的范围。
下面将详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或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申请的限制。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
如图1至图8所示，根据本申请的第一方面，提供一种MEMS电容式加速度计，其用于测量加速度。
具体地，MEMS电容式加速度计包括基底1、质量块8、悬臂梁4、第一电极层5和第二电极层6。其中，第一电极层5和第二电极层6构成电容器。
需要说明的是，MEMS电容式加速度计在惯性加速度作用下，悬臂梁4形变使得质量块8发生位移，导致第一电极层5和第二电极层6之间的间距发生改变，使得电容器的电容值发生改变，进而将加速度信号转化为电容信号输出。
进一步具体地，所述质量块8设置于所述基底1的上方，且所述质量块8与所述基底1之间形成预设距离。其中，质量块8与基底1之间的预设距离为质量块8朝向基底1的运动提供空间。
例如，质量块8的材料为单晶硅，厚度为200-1000μm。基底1的材料为玻璃或单晶硅，厚度为200-1000μm。
所述悬臂梁4倾斜设置，这使得悬臂梁4在水平方向上能够占用较小的空间，以较好地实现MEMS电容式加速度计的微型化设计。所述悬臂梁4的第一端与所述基底1固定连接，所述悬臂梁4的第二端与所述质量块8固定连接，且所述悬臂梁4与所述基底1之间形成预设夹角。一方面，悬臂梁4能够较好地支撑质量块8，另一方面，悬臂梁4在惯性的作用下形变时能够带动质量块8移动。
所述基底1朝向所述质量块8的一侧设置有第一电极层5，所述质量块8朝向所述基底1的一侧设置有与第一电极层5相对应的第二电极层6。
在一个具体的实施方式中，参见图9，第一电极层5设置在基底1的上表面中央，材料为金属，优选为Al、Ti、Au、Cu、Pt的至少一种，厚度为100-500nm。第二电极层6位于质量块8的下表面中央，材质与第一电极层5相同。
在本申请实施例中，质量块8设置于基底1的上方，且质量块8与基底1之间形成预设距离，基底1朝向质量块8的一侧设置有第一电极层5，质量块8朝向基底1的一侧设置有第二电极层6，从而使得质量块8在朝向/背离基底1运动时，第一电极层5和第二电极层6组成的电容器的电容值改变，进而将加速度信号转化为电容信号输出，实现了对加速度的测量。悬臂梁4倾斜设置，悬臂梁4的第一端与基底1固定连接，悬臂梁4的第二端与质量块8固定连接，且悬臂梁4与基底1之间形成预设夹角，悬臂梁4能够稳定地支撑在质量块8和基底1之间。一方面，由于悬臂梁4在水平面的投影长度小于悬臂梁4自身的长度，在保证悬臂梁4的尺寸以及电容器结构的正对面积不变的情况下，有效地减小了MEMS电容式加速度计在水平面内的整体尺寸，实现了MEMS电容式加速度计的微型化。另一方面，当外界加速度过大时，悬臂梁4能够在竖直方向较好地支撑质量块8，有效地防止第二电极层6朝向第一电极层5过度运动，从而避免第一电极层5与第二电极层6之间发生静电吸合效应，为MEMS电容式加速度计提供过载保护，有助于保证MEMS电容式加速度计稳定的工作。
因此，该MEMS电容式加速度计结构设计合理，有助于实现MEMS电容式加速度计的微型化设计，还有助于保证MEMS电容式加速度计安全、稳定的工作。
另外，该MEMS电容式加速度计具有精度高、一致性好、易于批量制造且成本低的优点。
可选地，MEMS电容式加速度计还包括底盘3，所述底盘3固定设置于所述基底1，所述悬臂梁4的第一端固定设置于所述底盘3。底盘3增大了悬臂梁4与基底1的接触面积，提高了悬臂梁4与基底1之间机械连接的稳定性。悬臂梁4通过底盘3固定在基底1上，牢固性较好，且加工比较方便，也有助于保证悬臂梁4稳定的发生形变。
可选地，两根所述悬臂梁4对称设置于所述质量块8的相对两侧。这使得悬臂梁4能够较好地支撑质量块8，同时也有助于保证质量块8移动的稳定性，从而有助于将加速度信号转化为准确的电容信号输出。
可选地，MEMS电容式加速度计还包括第一保护层7；
在两根悬臂梁4的第二端之间连接有第一保护层7，所述第一保护层7的上表面设置所述质量块8；
在所述第一保护层7的下表面设置所述第二电极层6。
在上述实施方式中，第一保护层7能够较好地保护质量块8，另一方面，第一保护层7也增加了悬臂梁4与质量块8之间的接触面积，有助于实现悬臂梁4和质量块8之间连接的稳定性。
可选地，MEMS电容式加速度计还包括第二保护层9；
在所述质量块8的侧表面以及上表面分别覆盖所述第二保护层9。第二保护层9能够较好地保护质量块8的侧表面和上表面，有效避免后续的腐蚀工艺对质量块8造成损害。
例如，第一保护层7与第二保护层9的材料均为二氧化硅或者TEOS(硅酸乙酯)，其用于硅牺牲层等工艺中保护质量块8不被腐蚀。第一保护层7与第二保护层9厚度相同，均为1-10μm，从而能够较好地保护质量块8。
可选地，所述底盘3、所述悬臂梁4、所述第一保护层7为一体成型。这有助于简化底盘3、悬臂梁4、第一保护层7的结构，提高MEMS电容式加速度计的加工效率，还有助于保证MEMS电容式加速度计的灵敏度。
可选地，所述预设角度为30°-60°。这不仅有助于较好地减小悬臂梁4在水平面内占用的面积，实现MEMS电容式加速度计的微型化，还有助于保证MEMS电容式加速度计整体结构的稳定性。
示例性的，基底与底盘3之间通过粘接层2连接。粘接层2的材料包括但不限于环氧树脂或硅胶等粘性材料，厚度为5-20μm。这使得底盘3能够牢固地固定在基底上，有助于保证MEMS电容式加速度计整体结构的稳定性。
在其他实施方式中，底盘3的材料也可以为二氧化硅或氮化硅，厚度为1-10μm。悬臂梁4与底盘3的材质相同，厚度为5-20μm，长度为10-100μm。因此，悬臂梁4能够在惯性的作用下较好的变形从而实现质量块8朝向或者背离基底移动，以实现电容器的电容值的改变。
例如，底盘3与悬臂梁4优选为CVD(Chemical Vapor Deposition，化学气相沉积)工艺固定在基底1，用于实现悬底盘3与悬臂梁4的稳固连接。
本申请的MEMS电容式加速度计的工作原理如下：
基底1、悬臂梁4、第一电极层5、第二电极层6、质量块8构成了MEMS电容式加速度计，悬臂梁4与质量块8构成了弹性梁-质量块8结构。
当外界加速度输入时，悬臂梁4发生弯曲，质量块8与基底1的间距改变，第一电极层5与第二电极层6组成的电容器结构的电容值改变，从而将加速度转化为电容的变化量输出。而当外界加速度过大时，悬臂梁4能够在竖直方向较好地支撑质量块8，有效地防止第二电极层6朝向第一电极层5过度运动，从而避免第一电极层5与第二电极层6之间发生静电吸合效应，为MEMS电容式加速度计提供过载保护，有助于保证MEMS电容式加速度计稳定的工作。
根据本申请的第二方面，提供一种MEMS电容式加速度计的制备方法，用于制备上述的MEMS电容式加速度计，包括如下步骤：
步骤S100，选取N型硅片作为衬底材料，在衬底材料的第一表面形成凹槽；例如，N型硅片的厚度为400μm。
例如，参见图3，通过光刻和KOH溶液湿法腐蚀在N型硅片的第一表面形成凹槽。
步骤S200，在所述凹槽相对的侧壁上制作悬臂梁4；在所述凹槽的底壁上制作第一保护层7；在所述衬底材料的第一表面制作与悬臂梁4连接的底盘3。
例如，通过多次光刻与PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积)在凹槽的侧壁制作厚度为10μm的二氧化硅作为悬臂梁4，在凹槽的底壁制作厚度为2μm的二氧化硅作为第一保护层7，在衬底材料的上表面制做厚度为2μm的二氧化硅作为底盘3。
步骤S300，在所述第一保护层7远离所述衬底材料的一侧设置第二电极层6。例如，通过光刻和磁控溅射在第一保护层7上制作第二电极层6，第二电极层6包括厚度为20nm的Cr以及180nm的Au。
步骤S400，对所述衬底材料的第二表面进行刻蚀并刻蚀至所述第一保护层7以形成通孔，所述通孔围设构成质量块8；在所述通孔内以及质量块8远离第一保护层7的表面覆盖第二保护层9。
例如，通过光刻和RIE(Reactive Ion Etching，反应离子刻蚀)在衬底材料的第二表面刻蚀通孔。通过PECVD的方式在通孔内以及质量块8远离第一保护层7的表面覆盖厚度为2μm的第二保护层9。
步骤S500，选取玻璃作为基底1，在所述基底1的表面制作第一电极层5；
步骤S600，将所述底盘3固定于基底1，且所述第一电极层5与所述第二电极层6相对设置，并通过刻蚀使第二保护层9、悬臂梁4、底盘3露出，参见图2和图9。
该MEMS电容式加速度计的制备方法设计合理，能够简单、快速制备MEMS电容式加速度计，而且各个部件之间配合的准确度较高，不仅较好地实现了MEMS电容式加速度计的微型化，还有助于保证MEMS电容式加速度计工作的灵敏度。
可选地，在步骤S500中，选用300μm厚的玻璃作为基底1，通过光刻和磁控溅射的方式在基底1的表面制备第一电极层5。第一电极片形成的方式比较简单，有助于快速地在基底1地表面制备第一电极。
可选地，所述第一保护层7、所述悬臂梁4、所述底盘3的材质均为二氧化硅，所述第二保护层9的材质为二氧化硅或硅酸乙酯，在步骤S600中，通过KOH溶液腐蚀衬底材料，以露出第二保护层9、悬臂梁4、底盘3。一方面，有助于快速制备第一保护层7、所述悬臂梁4、底盘3，另一方面，有助于保证第一保护层7、悬臂梁4、底盘3之间连接的稳定性。同时，第一保护层7、第二保护层9能够较好地保护质量块8。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种MEMS电容式加速度计，其特征在于，包括：
基底；
质量块，所述质量块设置于所述基底的上方，且所述质量块与所述基底之间形成预设距离；
悬臂梁，所述悬臂梁倾斜设置；所述悬臂梁的第一端与所述基底固定连接，所述悬臂梁的第二端与所述质量块固定连接，且所述悬臂梁与所述基底之间形成预设夹角；
第一电极层和第二电极层，所述基底朝向所述质量块的一侧设置有第一电极层，所述质量块朝向所述基底的一侧设置有与第一电极层相对应的第二电极层。
2.根据权利要求1所述的MEMS电容式加速度计，其特征在于，还包括底盘，所述底盘固定设置于所述基底，所述悬臂梁的第一端固定设置于所述底盘。
3.根据权利要求2所述的MEMS电容式加速度计，其特征在于，两根所述悬臂梁对称设置于所述质量块的相对两侧。
4.根据权利要求3所述的MEMS电容式加速度计，其特征在于，还包括第一保护层；
在两根悬臂梁的第二端之间连接有第一保护层，所述第一保护层的上表面设置所述质量块；
在所述第一保护层的下表面设置所述第二电极层。
5.根据权利要求4所述的MEMS电容式加速度计，其特征在于，还包括第二保护层；
在所述质量块的侧表面以及上表面分别覆盖所述第二保护层。
6.根据权利要求4所述的MEMS电容式加速度计，其特征在于，所述底盘、所述悬臂梁、所述第一保护层为一体成型。
7.根据权利要求1所述的MEMS电容式加速度计，其特征在于，所述预设角度为30°-60°。
8.一种MEMS电容式加速度计的制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1至7任意一项所述的MEMS电容式加速度计，包括如下步骤：
步骤S100，选取N型硅片作为衬底材料，在衬底材料的第一表面形成凹槽；
步骤S200，在所述凹槽相对的侧壁上制作悬臂梁；在所述凹槽的底壁上制作第一保护层；在所述衬底材料的第一表面制作与悬臂梁连接的底盘；
步骤S300，在所述第一保护层远离所述衬底材料的一侧设置第二电极层；
步骤S400，对所述衬底材料的第二表面进行刻蚀并刻蚀至所述第一保护层以形成通孔，所述通孔围设构成质量块；在所述通孔内以及质量块远离第一保护层的表面覆盖第二保护层；
步骤S500，选取玻璃作为基底，在所述基底的表面制作第一电极层；
步骤S600，将所述底盘固定于基底，且所述第一电极层与所述第二电极层相对设置，并通过刻蚀使第二保护层、悬臂梁、底盘露出。
9.根据权利要求8所述的MEMS电容式加速度计的制备方法，其特征在于，在步骤S500中，选用300μm厚的玻璃作为基底，通过光刻和磁控溅射的方式在基底的表面制备第一电极层。
10.根据权利要求9所述的MEMS电容式加速度计的制备方法，其特征在于，所述第一保护层、所述悬臂梁、所述底盘的材质均为二氧化硅，所述第二保护层的材质为二氧化硅或硅酸乙酯，在步骤S600中，通过KOH溶液腐蚀衬底材料，以露出第二保护层、悬臂梁、底盘。
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