CN201605163U

CN201605163U - 一种带有梳形阻尼孔的大电容微惯性传感器

Info

Publication number: CN201605163U
Application number: CN2010201110203U
Authority: CN
Inventors: 董林玺; 颜海霞
Original assignee: Hangzhou Dianzi University
Current assignee: Hangzhou Dianzi University
Priority date: 2010-02-09
Filing date: 2010-02-09
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2020-02-09

Abstract

本实用新型涉及一种带有梳形阻尼孔的大电容微惯性传感器。本实用新型包括玻璃衬底、一个可动敏感器质量块、四个固定质量块。可动敏感器质量块边沿向中心对称开有三对通槽，三对通槽将可动敏感器质量块分两个固定部分和中间的两个可动部分。可动部分的两侧对称设置硅条，检测硅条与对应的三条可动硅条交叉设置。可动敏感器质量块可动部分的U形槽与栅条之间设置有金属驱动导线。本实用新型提供的电磁驱动增大检测电容的梳形阻尼孔微惯性传感器大大增大了振子质量，从而减小了布朗噪声，而通过磁场驱动减小了电容极板间距，增大了检测电容，并在检测硅条上刻蚀梳形阻尼孔，减小了压模空气阻尼，从而降低了机械噪声和电路噪声。

Description

一种带有梳形阻尼孔的大电容微惯性传感器

技术领域

本实用新型属于微电子机械技术领域，涉及一种带有梳形阻尼孔的大电容微惯性传感器。

背景技术

最近十几年来，用微机械技术制作的加速度计得到了迅速的发展。其主要的加速度检测技术有压阻检测、压电检测、热检测、共振检测、电磁检测、光检测、隧道电流检测和电容检测等。此外，还有一些基于别的检测技术的加速度计，如光加速度计、电磁加速度计、电容加速度计等。光加速度计的发展主要是为了结合光和微机械的优点，制作高电磁屏蔽或者好线性度的传感器。在这些传感器中，电容式加速度传感器，由于具有温度系数小，灵敏度高，稳定性好等优点，是目前研制得最多的一类加速度传感器。

微机械电容式传感器的制作方法有表面微机械加工方法和体硅微机械加工方法。采用表面微机械加工工艺可以和集成电路工艺兼容，从而集成传感器的外围电路，成本低，但是传感器的噪声大、稳定性差，量程和带宽小。采用体硅微机械加工工艺可以提高传感器芯片的质量，从而降低噪声，改善稳定性，提高灵敏度，可以制作出超高精度的微机械惯性传感器。缺点是体积稍大。为了得到较高的测量灵敏度和减小外围电路的复杂性，可以通过增加传感器振子的质量和增大传感器的静态测试电容的方法，从而减小机械噪声和电路噪声。而对于用体硅工艺如深反应粒子刻蚀(Deep RIE)加工的梳齿状的电容式传感器，其极板电容的深宽比一般小于30∶1，这就限制了传感器振子的质量增加和极板间距的减小。而对于小间距极板电容，其压膜空气阻尼较大，增大了传感器的机械噪声。减小该机械噪声的方法之一是通过在极板上刻蚀阻尼条，而减小电子噪声的方法之一便是通过增大检测电容。

发明内容

本实用新型的目的就是针对现有技术的不足，提供一种带有梳形阻尼孔的大电容微惯性传感器

本实用新型的微惯性传感器包括玻璃衬底、一个可动敏感器质量块、四个固定质量块。

可动敏感器质量块为矩形，由可动敏感器质量块的边沿向中心对称开有三对通槽，其中一对通槽位于可动敏感器质量块的中部，另外两对分别位于接近可动敏感器质量块的两个端部的位置，三对通槽将可动敏感器质量块分为四个部分，分别是两端的两个相对固定部分和中间的两个相对可动部分。可动敏感器质量块的两个相对固定部分通过U形硅敏感梁与敏感器锚点连接，每个敏感器锚点上设置有两个焊点。可动敏感器质量块的相对可动部分的两侧对称设置有可动硅条组，每组可动硅条包括平行设置的n条可动硅条，n≥1，可动硅条与可动敏感器质量块侧边垂直。两个相对可动部分连接处开有工字形槽，沿相对可动部分与相对固定部分之间的四个通槽的边沿开有U形槽，相对的两个U形槽通过直线槽连通。

四个固定质量块分别对称设置在可动敏感器质量块的相对可动部分的两侧，每个固定质量块的固定梁上设置有外部铝焊点，每个固定质量块包括n根平行设置的检测硅条，检测硅条上刻蚀有梳形阻尼孔，检测硅条通过固定梁连接，n根检测硅条与对应的n条可动硅条交叉设置。

两个可动敏感器质量块相对可动部分靠近敏感器U形硅敏感梁一侧，设置有金属驱动导线。金属导线的一端与焊点连接，另一端与金属驱动导线的一端连接。金属导线沿U形硅敏感梁、可动敏感器质量块相对固定部分的边沿、U形槽的边沿设置。

本实用新型基本构思是传感器检测电容的初始设计间距较大，从而解决深反应粒子刻蚀深宽比小于30∶1对传感器振子的质量不能做厚的限制，而后通过磁场驱动金属驱动导线，产生的洛仑兹力驱动可动敏感器质量块，从而减小检测电容间距，进而增大传感器的初始检测电容以降低检测电路噪声。

本实用新型可动质量块的结构设计较大限度的限制了其质量的减小，从而减小机械噪声，通过在检测硅条上刻蚀梳形阻尼孔来减小压膜空气阻尼从而可以减小机械噪声。另外，通过改变支撑梁和固定质量块的尺寸还可以改变传感器的量程和响应特性。

本实用新型提供的电磁驱动增大检测电容的梳形阻尼孔微惯性传感器大大增大了振子质量，从而减小了布朗噪声，而通过磁场驱动减小了电容极板间距，增大了检测电容，并在检测硅条上刻蚀梳形阻尼孔，减小了压模空气阻尼，从而降低了机械噪声和电路噪声。本实用新型不需要额外的驱动器，减小了传感器的整体尺寸。本实用新型涉及的高精度微惯性传感器结构新颖，分辨率和灵敏度高，制作工艺简单，有利于降低成本和提高成品率，是一种可以实际应用的微惯性传感器。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的检测硅条沿截线A-A’的断面图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本实用新型进一步说明。

如图1和图2所示，一种嵌入可动质量块的梳形阻尼孔微惯性传感器包括玻璃衬底16、一个可动敏感器质量块、四个固定质量块3。

可动敏感器质量块为矩形，由可动敏感器质量块的边沿向中心对称开有三对通槽1，其中一对通槽1位于可动敏感器质量块的中部，另外两对分别位于接近可动敏感器质量块的两个端部的位置，三对通槽将可动敏感器质量块分为四个部分，分别是两端的两个相对固定部分12和中间的两个相对可动部分10。可动敏感器质量块的两个相对固定部分12通过U形硅支撑梁4与敏感器锚点6连接，每个敏感器锚点6上设置有两个焊点13。可动敏感器质量块的相对可动部分10的两侧对称设置有可动硅条组，每组可动硅条包括平行设置的三条可动硅条9，可动硅条9与可动敏感器质量块侧边垂直。两个相对可动部分10连接处开有工字形槽，沿相对可动部分10与相对固定部分12之间的四个通槽的边沿开有U形槽15，相对的两个U形槽15通过直线槽11连通。在一端的敏感器锚点6上设置有可动敏感质量块的铝焊点14。

四个固定质量块3分别对称设置在可动敏感器质量块的相对可动部分10的两侧，四个固定质量块的固定梁上固定设置有外部铝焊点17。每个固定质量块包括三根平行设置的检测硅条8，检测硅条8上刻蚀有梳形阻尼孔2，三根检测硅条8与对应的三条可动硅条9交叉设置。

可动敏感器质量块相对可动部分10上靠近U形槽15端设置有金属驱动导线7。金属导线5的一端与焊点13连接，另一端与金属驱动导线7的一端连接。金属导线5沿U形硅敏感梁4、可动敏感器质量块相对固定部分12的边沿、U形槽15的边沿设置。

结合图1对传感器原理进行说明。直线槽的槽宽用d1表示，可动敏感器质量块连接的可动硅条和检测硅条的间距用d2表示，且d2＞d1。

把可动敏感器质量块一端的外部驱动电流焊点，用金丝球焊技术连接到对应的封装管壳引脚上，并接入恒流源，把可动敏感器质量块对应端的外部驱动电流焊点也分别连接到对应的封装管壳引脚上，并接入和上端驱动器相反相位的恒流源。玻璃衬底上的铝电极焊点连接到封装管壳引脚，用V1表示，玻璃衬底上的另一个铝电极焊点也连接到封装管壳引脚，用V2表示。敏感器焊点也连接到封装管壳引脚，并连接到地。在用微机械工艺加工传感器时，d2，d1较大，可以加工出较厚的传感器质量块，因而质量块质量较大。在封装管壳帽内设置合适的匀强磁场，且磁场在金属驱动导线上产生的洛伦兹力驱动可动敏感器质量块时，检测电容间距分别减小，此时，测试传感器静态初始电容间距为d2-d1，从而传感器的检测电容大大增加。再在V1、V2端分别加载波信号，可动质量块通过锚点连接至地。当敏感方向上有加速度信号时，由于惯性力的作用，产生位移，从而引起可动敏感器上栅条和叉指铝电极组成的差分电容的叠加面积变化以及可动敏感器质量块连接的可动硅条和检测硅条的间距变化，进而引起电容较大的变化，该变化电容和外部惯性信号的大小成线性关系，通过检测电容变化便可以得到敏感方向上加速度的大小。

本实用新型涉及的高精度微惯性传感器，由于梳齿电容间距可用洛仑兹力驱动减小，检测梳齿电容上刻蚀有阻尼孔，可动敏感器质量块和衬底之间的阻尼为滑膜阻尼，这些因素使传感器的机械噪声和电路噪声大大减小，从而使传感器可以达到很高的精度，本发不需要额外的驱动器，减小了传感器的整体尺寸。同时本实用新型采用微机械技术制作，工艺简单，有利于提高成品率和降低制造成本。

Claims

1.一种带有梳形阻尼孔的大电容微惯性传感器，包括玻璃衬底、一个可动敏感器质量块和四个固定质量块，其特征在于：

可动敏感器质量块为矩形，由可动敏感器质量块的边沿向中心对称开有三对通槽，其中一对通槽位于可动敏感器质量块的中部，另外两对分别位于接近可动敏感器质量块的两个端部的位置，三对通槽将可动敏感器质量块分为四个部分，分别是两端的两个相对固定部分和中间的两个相对可动部分；可动敏感器质量块的两个相对固定部分通过U形硅敏感梁与敏感器锚点连接，每个敏感器锚点上设置有两个焊点；可动敏感器质量块的相对可动部分的两侧对称设置有可动硅条组，每组可动硅条包括平行设置的n条可动硅条，n≥1，可动硅条与可动敏感器质量块侧边垂直；两个相对可动部分连接处开有工字形槽，沿相对可动部分与相对固定部分之间的四个通槽的边沿开有U形槽，相对的两个U形槽通过直线槽连通；

四个固定质量块分别对称设置在可动敏感器质量块的相对可动部分的两侧，每个固定质量块的固定梁上设置有外部铝焊点，每个固定质量块包括n根平行设置的检测硅条，检测硅条上刻蚀有梳形阻尼孔，检测硅条通过固定梁连接，n根检测硅条与对应的n条可动硅条交叉设置；

两个可动敏感器质量块相对可动部分靠近敏感器U形硅敏感梁一侧，设置有金属驱动导线；金属导线的一端与焊点连接，另一端与金属驱动导线的一端连接；金属导线沿U形硅敏感梁、可动敏感器质量块相对固定部分的边沿、U形槽的边沿设置。