CN201628722U - 一种大检测电容的微惯性传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种大检测电容的微惯性传感器。现有产品限制了传感器振子的质量增加和极板间距的减小。本实用新型中敏感器质量块为刻蚀有栅条形井的矩形硅片，两对应端通过硅支撑梁与锚点连接，另两个对应端分别设置有数量相同、位置对应的硅条。驱动器质量块设置在驱动器质量块的两侧，中间刻有环行槽，两侧设置有可动驱动硅条和梳齿状的检测硅条，敏感器质量块连接的硅条与对应的检测硅条组成检测电容。固定驱动硅条的梳齿条与可动驱动硅条组成驱动电容。玻璃衬底表面对应敏感器质量块设置有叉指铝电极。本实用新型增大了振子质量，从而减小了布朗噪声；增大了检测电容，减小了压模空气阻尼。

Description

一种大检测电容的微惯性传感器

技术领域

本实用新型属于微电子机械技术领域，涉及一种微惯性传感器，具体涉及一种带暗栅形条电容和小阻尼可变间距电容的高精度微惯性传感器。

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。缺点是体积稍大，但可以制作出超高精度的微机械惯性传感器。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一是可以通过在极板上刻蚀阻尼条，一是把电容改为变面积的方式，使阻尼表现为滑膜阻尼。

发明内容

本实用新型的目的就是针对现有技术的不足，提供一种超高分辨率的带暗栅形条电容和小阻尼可变间距电容的微惯性传感器。该微惯性传感器可以更加有效的测量X或Y方向上的微小加速度信号(或振动信号)。

本实用新型包括玻璃衬底、敏感器质量块、驱动器质量块和固定驱动硅条。

敏感器质量块为矩形硅片，敏感器质量块的两对应端通过敏感器U形硅支撑梁与敏感器锚点连接，敏感器锚点固定设置在玻璃衬底上，敏感器质量块与玻璃衬底平行设置；敏感器质量块的另两个对应端分别设置有两组硅条组，每组硅条组包括平行设置的m条硅条，m≥2，敏感器质量块两端的硅条数量相同、位置对应，硅条与敏感器质量块侧边垂直；敏感器质量块对应玻璃衬底一面刻蚀有与硅条平行的矩形栅条形井。

敏感器质量块的两侧分别设置有两个驱动器质量块；所述的驱动器质量块为矩形硅片，驱动器质量块的两对应端通过驱动器U形硅支撑梁与驱动器锚点连接，驱动器锚点固定设置在玻璃衬底上，驱动器质量块与玻璃衬底平行设置；每个驱动器质量块的一侧设置有m个可动驱动硅条，另一侧设置有m个检测硅条，所述的检测硅条为梳齿状，齿上刻蚀有凹形阻尼条，检测硅条与敏感器质量块连接的硅条平行、位置对应，敏感器质量块连接的硅条与对应的检测硅条组成检测电容；驱动器质量块中间刻有方环形槽。

两个梳齿状的固定驱动硅条固定设置在玻璃衬底上，每个固定驱动硅条的梳齿条与可动驱动硅条位置对应；固定驱动硅条的梳齿条与对应的可动驱动硅条组成驱动电容；两个固定驱动硅条通过玻璃衬底表面上的引线与驱动器外部连接锚点连接。

玻璃衬底表面对应两个敏感器锚点位置设置有两个敏感器质量块焊点，敏感器质量块焊点与敏感器锚点连接；玻璃衬底表面对应敏感器质量块设置有叉指铝电极，敏感器质量块上刻蚀的栅条形井的长条边与叉指铝电极中的每对叉指相对应。

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，而后通过微驱动器，减小检测电容间距，从而增大传感器的初始检测电容以降低检测电路噪声，本实用新型还在敏感器质量块上刻蚀栅条形井，并和衬底上的叉指铝电极组成差分检测电容进一步降低电路噪声，且栅条形井和玻璃衬底上叉指间的差动表现为滑膜阻尼特性，从而也减小了布朗噪声。本实用新型通过在驱动器质量块的检测硅条的检测面上刻蚀凹形阻尼条来减小压膜空气阻尼从而减小机械噪声。另外，通过改变支撑梁和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，而通过驱动器减小了电容极板间距，并在驱动器质量块的检测硅条上刻蚀阻尼条，增大了检测电容，减小了压模空气阻尼，从而降低了机械噪声和电路噪声，而敏感器质量块上新增的栅条形井电容差分运动时空气阻尼表现为滑膜阻尼，从而降低了布朗噪声，同时也增大了检测电容。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为实用新型的玻璃衬底及表面上的结构示意图；

图2为本实用新型的结构俯视图；

图3为本实用新型的栅条形井的剖面图。

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，但本实用新型决非仅限于所介绍的实施例。

如图1、2和3所示，一种大检测电容的微惯性传感器包括玻璃衬底1、敏感器质量块17、驱动器质量块12和固定驱动硅条13。

敏感器质量块17为矩形硅片，敏感器质量块17的两对应端通过敏感器U形硅支撑梁15与敏感器锚点16连接，敏感器锚点16固定设置在玻璃衬底1上，敏感器质量块17与玻璃衬底1平行设置；敏感器质量块17的另两个对应端分别设置有两组硅条组，每组硅条组包括平行设置的三条硅条20，敏感器质量块17两端的硅条20的数量相同、位置对应，硅条20与敏感器质量块17的侧边垂直；敏感器质量块17对应玻璃衬底一面等间距刻蚀有与硅条20平行的8个矩形栅条形井19；敏感器质量块17和外部封装的连接通过玻璃衬底1上的敏感器质量块焊点2实现，敏感质量块17下表面的栅条形井的长条边18位于衬底叉指铝电极5组成的电极对的正上方。

敏感器质量块17的两侧分别设置有两个驱动器质量块12，驱动器质量块12为矩形硅片，驱动器质量块12的两对应端通过驱动器U形硅支撑梁7与驱动器锚点14连接，驱动器锚点14固定设置在玻璃衬底1上，驱动器质量块12与玻璃衬底1平行设置；每个驱动器质量块12的一侧设置有三个可动驱动硅条8，另一侧设置有检测硅条21，其中检测硅条21的检测电容面上刻蚀有凹形阻尼条22，以降低压模空气阻尼，检测硅条21与敏感器质量块17连接的硅条20平行、位置对应。敏感器质量块17连接的硅条20与对应的检测硅条21组成检测电容，驱动器质量块12和矩形孤岛11之间形成方环形槽10。敏感器质量块17两侧对应的驱动器质量块12通过铝连接线6分别与玻璃衬底连接。

两个梳齿状的固定驱动硅条13固定设置在玻璃衬底1上，每个固定驱动硅条13的梳齿条9与驱动器质量块上的可动驱动硅条8位置对应。固定驱动硅条13的梳齿条9与对应的可动驱动硅条8组成驱动电容。两个固定驱动硅条13通过玻璃衬底1表面上的外部焊点4实现外部引线连接。驱动器质量块上的方环形槽槽宽小于可动驱动硅条8与固定驱动硅条13的梳齿条9之间的间距，可动驱动硅条8与固定驱动硅条13的梳齿条9之间的间距小于硅条20和检测硅条21之间的间距。传感器电容的起始检测间距是硅条20和检测硅条21之间的间距与方环形槽槽宽的差值。

玻璃衬底1表面对应两个敏感器锚点16位置设置有两个敏感器质量块焊点2，敏感器质量块焊点2与敏感器锚点16连接。玻璃衬底1表面对应敏感器质量块17位置设置有叉指铝电极5a、5b，叉指铝电极5通过铝焊点3接入测试信号电压。

结合图1、图2和图3对传感器原理进行说明。驱动器质量块上方环形槽的槽宽用d1表示，梳齿条和敏感器质量块连接的硅条的间距用d2表示，敏感器质量块连接的硅条和检测硅条的间距用d3表示，且d3＞d2＞d1。用外部金丝球焊技术用金线把驱动器的焊点和封装管壳引脚连接，用Vd表示，焊点和封装管壳引脚连接，用V1表示，焊点也连接到封装管壳引脚，用V2表示。在用微机械工艺加工传感器时，d3，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。驱动器的Vd端接地，在V1、V2端接入直流偏置电压，产生的静电力驱动驱动器质量块，减小驱动电容和梳齿检测电容的间距，若有吸合产生，测试传感器静态初始电容间距为d3-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，从而引起敏感器上栅条形井和叉指铝电极组成的差分电容的叠加面积变化以及敏感器质量块连接的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驱动器质量块减小，敏感器质量块上有滑膜阻尼的栅条形井电容，且驱动器质量块的检测硅条上刻蚀凹形阻尼条，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，本实用新型在驱动器质量块上刻蚀出防吸合短路的矩形孤岛，防止电容间发生短路和永久吸合。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)

1.一种大检测电容的微惯性传感器，包括玻璃衬底、敏感器质量块、驱动器质量块和固定驱动硅条，其特征在于：

敏感器质量块为矩形硅片，敏感器质量块的两对应端通过敏感器U形硅支撑梁与敏感器锚点连接，敏感器锚点固定设置在玻璃衬底上，敏感器质量块与玻璃衬底平行设置；敏感器质量块的另两个对应端分别设置有两组硅条组，每组硅条组包括平行设置的m条硅条，m≥2；敏感器质量块两端的硅条数量相同、位置对应，硅条与敏感器质量块侧边垂直；敏感器质量块对应玻璃衬底一面刻蚀有与硅条平行的矩形栅条形井；

敏感器质量块的两侧分别设置有两个驱动器质量块；所述的驱动器质量块为矩形硅片，驱动器质量块的两对应端通过驱动器U形硅支撑梁与驱动器锚点连接，驱动器锚点固定设置在玻璃衬底上，驱动器质量块与玻璃衬底平行设置；每个驱动器质量块的一侧设置有m个可动驱动硅条，另一侧设置有m个检测硅条，所述的检测硅条为梳齿状，齿上刻蚀有凹形阻尼条，检测硅条与敏感器质量块连接的硅条平行、位置对应，敏感器质量块连接的硅条与对应的检测硅条组成检测电容；驱动器质量块中间刻有方环形槽；

两个梳齿状的固定驱动硅条固定设置在玻璃衬底上，每个固定驱动硅条的梳齿条与可动驱动硅条位置对应；固定驱动硅条的梳齿条与对应的可动驱动硅条组成驱动电容；两个固定驱动硅条通过玻璃衬底表面上的引线与驱动器外部连接锚点连接；

玻璃衬底表面对应两个敏感器锚点位置设置有两个敏感器质量块焊点，敏感器质量块焊点与敏感器锚点连接；玻璃衬底表面对应敏感器质量块设置有叉指铝电极，敏感器质量块上刻蚀的栅条形井的长条边与叉指铝电极中的每对叉指相对应。

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