CN201628723U

CN201628723U - 一种基于滑膜阻尼的大电容微惯性传感器

Info

Publication number: CN201628723U
Application number: CN2010201323924U
Authority: CN
Inventors: 董林玺; 颜海霞
Original assignee: Hangzhou Dianzi University
Current assignee: Hangzhou Dianzi University
Priority date: 2010-03-16
Filing date: 2010-03-16
Publication date: 2010-11-10
Anticipated expiration: 2020-03-16

Abstract

本实用新型一种基于滑膜阻尼的大电容微惯性传感器。现有的传感器的噪声大、稳定性差，量程和带宽小。本实用新型的传感器中敏感器质量块的两侧边对称设置有硅条组，敏感器质量块两端设置有敏感器锚点，敏感器质量块内有栅形电极；驱动器质量块对应硅条组设置；敏感器质量块下方的第一基板上设置固定对电极。本实用新型中的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。

Description

一种基于滑膜阻尼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，涉及一种基于滑膜阻尼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。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，二是把电容改为变面积的方式，使阻尼表现为滑膜阻尼，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

本实用新型的目的在于提供一种基于滑膜阻尼的大电容微惯性传感器，以制作工艺简单、灵敏度高、噪声小的电容式微惯性传感器。

本实用新型提供的电容式微惯性传感器包括第一基板及其上表面的检测用交叉梳齿状固定对电极、固定于第一基板上的敏感器锚点、驱动器外部锚点、驱动器内部锚点、固定于第一基板上的矩形孤岛、第二基板的悬于第一基板上方的可沿纵向运动的敏感器质量块、将敏感器锚点和敏感器质量块相连的U形敏感器支撑梁、可沿横向运动的驱动器质量块、将驱动器外部锚点与驱动器质量块相连的驱动器第一折叠梁、将驱动器内部锚点与驱动器质量块相连的驱动器第二折叠梁、第二折叠梁上的电绝缘层、电绝缘层上的驱动导线和驱动导线引出电极。

所述的敏感器质量块是由纵向等间距、横向平行的栅形电极、连接栅形电极的矩形边框和边框两侧设置的梳形可动电极组成。

所述的梳形可动电极由n个等间距的梳齿和连接梳齿的矩形条组成，n≥1，梳齿与矩形条垂直设置；梳形可动电极在边框的每一侧分别对应组成两组硅条组，每组硅条组分别对应设置在边框的相应处，每组硅条组包括平行设置的m条梳形可动电极，m≥2，连接梳齿的矩形条与敏感器质量块侧边垂直。边框每侧一组的梳形可动电极沿敏感器质量块的横向中心线与同侧的另一组的对应梳形可动电极对称设置；边框一侧的一组硅条组与另一侧对应的硅条组沿敏感器质量块的纵向中心线对称设置。

所述的敏感器锚点沿敏感器质量块的纵向中心线分别设置在敏感器质量块的两端，并通过敏感器支撑梁与敏感器质量块连接。

所述的驱动器质量块与每组硅条组一一对应设置，驱动器质量块的与硅条组的对应一侧设置有m条和梳形可动电极形状相同的梳形固定电极，梳形可动电极和梳形固定电极的位置对应设置，梳形固定电极的梳齿与梳形可动电极的梳齿对应交叉设置。

所述的驱动器第一折叠梁设置在驱动器质量块的远离敏感器质量块的一侧，每个驱动器质量块有两根第一折叠梁，其中一根驱动器第一折叠梁始于驱动器质量块的远离敏感器质量块的一侧一角，终于对应的驱动器外部锚点，另一根第一折叠梁沿驱动器质量块的横向中心线与其对称设置；

所述的驱动器质量块和梳形可动电极的对应侧的内部设置有矩形孔；

所述的矩形孤岛、驱动器内部锚点和驱动器质量块相连接的驱动器第二折叠梁设置在矩形孔内；驱动器第二折叠梁设置在靠近敏感器质量块一侧，每个驱动器质量块有两根驱动器第二折叠梁，其中一根驱动器第二折叠梁始于矩形孔内侧对应一角，终于对应的驱动器内部锚点，另一根驱动器第二折叠梁沿驱动器质量块的横向中心线与其对称设置。矩形孤岛设置在远离敏感器质量块一侧；

所述的驱动器质量块上的驱动导线纵向设置于梳形固定电极和驱动器第二折叠梁之间，驱动导线通过驱动器第二折叠梁上的金属导线与驱动导线引出电极连接，在驱动导线、金属导线、驱动导线引出电极组成的金属层和驱动器质量块之间设置有电绝缘层。

所述的矩形孤岛和驱动器质量块之间在驱动外部锚点一侧的横向间距比梳形可动电极和梳形固定电极上的对应梳齿间的横向间距小一微米以上。

所述的检测用交叉梳齿状固定对电极由沿横向相对交叉的多根梳齿电极组成，固定引线电极位于固定对电极的两侧，并与固定对电极连通；硅条组连接线和对应的固定引线电极连接。交叉的梳齿电极对应组成梳齿电极对，梳齿电极对中的两个梳齿电极间的间隙不小于一微米。

所述的栅形电极位于对应的梳齿电极对的正上方。

本实用新型涉及的微惯性传感器包含有微驱动器，可以使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，而后通过磁场驱动的驱动器，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，而传感器做厚增大了振子质量，从而也降低了传感器的机械噪声。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。

同时，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为本实用新型的第一基板及其上的检测用交叉梳齿状固定对电极示意图；

图2为本实用新型的在第二基板上的结构示意图；

图3为图2沿B-B′的器件结构的分解断面图；

图4为图1沿A-A′的器件结构的分解断面图；

图5为图3和图4的组合图；

图6为本实用新型的一对梳栅可动电极和梳齿固定电极的放大图。

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。

本实用新型的实施例涉及一种电容式微惯性传感器，如图1所示，第一基板1上形成检测用交叉梳齿状固定对电极，固定引线电极3a，连接对应两组硅条组的硅条组连接线3b，固定对电极由十根横向交叉设置的梳齿电极2组成，合计五对梳齿电极对；固定对电极的两侧对称设置固定引线电极，横向设置的硅条组连接线和固定引线电极连通。

如图2所示，在第二基板上形成固定于第一基板1的敏感器锚点11、驱动器外部锚点6、驱动器内部锚点4、矩形孤岛8；在第二基板上形成悬于第一基板1上方的可沿纵向运动的敏感器质量块20、敏感器质量块20相连接的敏感器支撑梁10、可沿横向运动的驱动器质量块5、驱动器外部锚点6和驱动器质量块相连接的驱动器第一折叠梁9、驱动器内部锚点4和驱动器质量块5相连接的驱动器第二折叠梁13、驱动器第二折叠梁13上的电绝缘层24及电绝缘层上的驱动导线14和驱动导线引出电极15；在第二基板上形成敏感器外部连接焊点12；形成敏感器质量20上的梳形可动电极梳齿16、连接梳形可动电极梳齿16的矩形条18、驱动器质量块5上的梳形固定电极梳齿17、连接梳形固定电极梳齿17的矩形条21；形成敏感器质量块20上的栅形电极19、连接栅形电极19的边框22。形成敏感器质量块20上的梳形可动电极梳齿16与驱动器质量块5上的梳形固定电极梳齿17之间的间隙23，以及如图图5所示的第一基板1与敏感器质量块20之间的间隙26，形成敏感器质量块20与第一基板1上的检测用交叉梳齿状固定对电极之间的间隙27、梳齿电极对内的间隙25，每个梳齿电极对内的间隙相同。把对应的一个梳形可动电极和一个梳形固定电极称为一对梳齿电容对，形成相邻梳齿电容对的纵向间距，其值不小于三十微米。

结合图1至图6，对本实用新型的结构进行说明。

敏感器质量块20是由纵向等间距、横向平行的五个栅形电极19、连接栅形电极的边框22和边框两侧设置的梳形可动电极组成。梳形可动电极由4个等间距的梳形可动电极梳齿16和连接梳形可动电极梳齿16的矩形条18组成，梳形可动电极梳齿16与连接梳形可动电极梳齿16的矩形条18垂直设置；梳形可动电极在边框22的每一侧分别对应组成两组硅条组，每组硅条组分别对应设置在边框的相应处，每组硅条组包括平行设置的三条梳形可动电极，连接梳形可动电极梳齿16的矩形条18与敏感器质量块20的侧边垂直。边框每侧一组的梳形可动电极沿敏感器质量块20的横向中心线与同侧的另一组的对应梳形可动电极对称设置；边框一侧的一组硅条组与另一侧对应的硅条组沿敏感器质量块20的纵向中心线对称设置。敏感器锚点11沿敏感器质量块20的纵向中心线分别设置在敏感器质量块20的两端，并通过敏感器支撑梁10与敏感器质量块20连接。

驱动器质量块5与每组硅条组一一对应设置，驱动器质量块5的与硅条组的对应一侧设置有三条和梳形可动电极外形相同的梳形固定电极，梳形可动电极和梳形固定电极的位置对应设置，每条梳形可动电极的四个梳形固定电极梳齿17与对应的梳形固定电极的四个梳形可动电极梳齿16对应交叉设置。

驱动器第一折叠梁9设置在驱动器质量块5的远离敏感器质量块20的一侧，每个驱动器质量块有两根驱动器第一折叠梁9，其中一根驱动器第一折叠梁9始于驱动器质量块的远离敏感器质量块20的一侧一角，终于对应的驱动器外部锚点，另一根驱动器第一折叠梁沿驱动器质量块20的横向中心线与其对称设置；

驱动器质量块5上和梳形可动电极的对应侧的内部设置有矩形孔；矩形孤岛8、驱动器内部锚点4和驱动器质量块5相连接的驱动器第二折叠梁13设置在矩形孔内；驱动器第二折叠梁13设置在靠近敏感器质量块20的一侧，每个驱动器质量块5有两根驱动器第二折叠梁13，其中一根驱动器第二折叠梁13始于矩形孔内侧对应一角，终于对应的驱动器内部锚点4，另一根驱动器第二折叠梁沿驱动器质量块5的横向中心线与其对称设置。矩形孤岛8设置在远离敏感器质量块20一侧；驱动器质量块5上的驱动导线14纵向设置于梳形固定电极和驱动器第二折叠梁13之间，驱动导线14通过驱动器第二折叠梁13上的金属导线与驱动导线引出电极15连接，在驱动导线14、金属导线、驱动导线引出电极15组成的金属层和驱动器质量块之间设置有电绝缘层24。矩形孤岛8和驱动器质量块5之间在驱动外部锚点一侧的横向间隙7比敏感器质量20上的梳形可动电极梳齿16与驱动器质量块5上的梳形固定电极梳齿17之间的间隙23小一微米以上。

所形成的敏感器质量块上栅形电极的厚度小于第二极板厚度；敏感器质量块20上的梳形可动电极梳齿16与驱动器质量块5上的梳形固定电极梳齿17之间的间隙23比矩形孤岛8和驱动器质量块5之间的间隙7大一微米以上；梳齿电极对的两根梳齿电极的间隙25不小于一微米；传感器电容的起始检测间距是间隙23与间隙7之间的差值。

敏感器质量块20上的栅形电极19的初始位置在间隙25的正上方。

为了更明确的描述检测电容的各个间距，结合图5和图6进一步描述，梳齿电极对外侧之间的距离如图5中的箭头所示，用G₀表示表示，其值大于栅形电极19的宽度；敏感器质量20上的梳形可动电极梳齿16与驱动器质量块5上的梳形固定电极梳齿17之间的间隙23，如图6中的相应箭头所示，用G₁表示，取值范围为十微米到五十微米；敏感器质量20上的梳形可动电极梳齿16与驱动器质量块5上的梳形固定电极梳齿17之间的叠加的纵向尺寸，如图6中的相应箭头所示，用G₂表示，其值不小于一微米；每对梳齿电容对中的梳形可动电极梳齿16与梳形固定电极梳齿17的矩形条21之间的间距，如图6中的相应箭头所示，用G₃表示，其值不小于十微米。

栅形电极19的下表面和检测用交叉梳齿状固定对电极间隙27大于四微米，不大于栅形电极19的宽度；栅形电极19的宽度大于间隙25。

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安培力驱动驱动器减小，从而在不增加横向尺寸的情况下增大了振子质量和检测电容，且检测电容极板间的相对运动主要表现为滑膜阻尼，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，本实用新型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

1.一种基于滑膜阻尼的大电容微惯性传感器，包括第一基板及其上表面的检测用交叉梳齿状固定对电极、固定于第一基板上的敏感器锚点、驱动器外部锚点、驱动器内部锚点、固定于第一基板上的矩形孤岛、第二基板的悬于第一基板上方的可沿纵向运动的敏感器质量块、将敏感器锚点和敏感器质量块相连的U形敏感器支撑梁、可沿横向运动的驱动器质量块、将驱动器外部锚点与驱动器质量块相连的驱动器第一折叠梁、将驱动器内部锚点与驱动器质量块相连的驱动器第二折叠梁、第二折叠梁上的电绝缘层、电绝缘层上的驱动导线和驱动导线引出电极，其特征在于：

所述的敏感器质量块是由纵向等间距、横向平行的栅形电极、连接栅形电极的矩形边框和边框两侧设置的梳形可动电极组成；

所述的梳形可动电极由n个等间距的梳齿和连接梳齿的矩形条组成，n≥1，梳齿与矩形条垂直设置；梳形可动电极在边框的每一侧分别对应组成两组硅条组，每组硅条组分别对应设置在边框的相应处，每组硅条组包括平行设置的m条梳形可动电极，m≥2，连接梳齿的矩形条与敏感器质量块侧边垂直；边框每侧一组的梳形可动电极沿敏感器质量块的横向中心线与同侧的另一组的对应梳形可动电极对称设置；边框一侧的一组硅条组与另一侧对应的硅条组沿敏感器质量块的纵向中心线对称设置；

所述的敏感器锚点沿敏感器质量块的纵向中心线分别设置在敏感器质量块的两端，并通过敏感器支撑梁与敏感器质量块连接；

所述的驱动器质量块与每组硅条组一一对应设置，驱动器质量块的与硅条组的对应一侧设置有m条和梳形可动电极形状相同的梳形固定电极，梳形可动电极和梳形固定电极的位置对应设置，梳形固定电极的梳齿与梳形可动电极的梳齿对应交叉设置；

所述的驱动器质量块和梳形可动电极的对应侧的内部设置有矩形孔；所述的矩形孤岛、驱动器内部锚点和驱动器质量块相连接的驱动器第二折叠梁设置在矩形孔内；驱动器第二折叠梁设置在靠近敏感器质量块一侧，每个驱动器质量块有两根驱动器第二折叠梁，其中一根驱动器第二折叠梁始于矩形孔内侧对应一角，终于对应的驱动器内部锚点，另一根驱动器第二折叠梁沿驱动器质量块的横向中心线与其对称设置；矩形孤岛设置在远离敏感器质量块一侧；

所述的驱动器质量块上的驱动导线纵向设置于梳形固定电极和驱动器第二折叠梁之间，驱动导线通过驱动器第二折叠梁上的金属导线与驱动导线引出电极连接，在驱动导线、金属导线、驱动导线引出电极组成的金属层和驱动器质量块之间设置有电绝缘层；

所述的矩形孤岛和驱动器质量块之间在驱动器外部锚点一侧的横向间距比梳形可动电极和梳形固定电极上的对应梳齿间的横向间距小一微米以上；

所述的检测用交叉梳齿状固定对电极由沿横向相对交叉的多根梳齿电极组成，固定引线电极位于固定对电极的两侧，并与固定对电极连通；硅条组连接线和对应的固定引线电极连接；交叉的梳齿电极对应组成梳齿电极对，梳齿电极对中的两个梳齿电极间的间隙不小于一微米；

所述的栅形电极位于对应的梳齿电极对的正上方。