CN204758628U - 一种mems惯性传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种MEMS惯性传感器，质量块包括第一绝缘层，以及设置在第一绝缘层上并相互绝缘的至少一个第一可动电极组、至少一个第二可动电极组，在所述衬底上还设置有共用固定电极组；其中，所述第一可动电极组、第二可动电极组作为两个检测电极，共用固定电极组作为共用电极，共同构成了差分电容结构。本实用新型的MEMS惯性传感器，差分电容结构的两个检测电极为质量块的可动结构，差分电容结构的共用电极锚定在衬底上，这就可以有效地减小检测电极对地的寄生电容，从而可以有效地提高输出信号的精度；而由于共用电极上加载的是调制信号，即使共用电极对地的寄生电容比较大，也不会影响到芯片的性能。

Description

一种MEMS惯性传感器

技术领域

本实用新型涉及惯性测量领域，更具体地，涉及一种MEMS惯性传感器。

背景技术

目前，随着消费电子和可穿戴设备的发展，对MEMS惯性传感器的性能提出了越来越高的要求。MEMS惯性传感器一般都是采用差分电容的原理来进行惯性信号的检测，以便将由于温度变化或应力变化所带来的干扰滤除。通常，差分电容的共用极板为可动极板，与两个固定在衬底上的固定电极共同构成差分电容结构。在可动极板上加载调制信号，两个固定电极作为检测电极，进行差分的输出。这种结构的差分电容，由于作为检测电极的固定极板锚定的衬底上，而且一般衬底都是采用地电位，这样会造成检测电极对地的寄生电容较大，从而造成输出的噪声也较高，限制了输出信号的精度。而且，固定电极对机械灵敏度是没有贡献的，在整个芯片中，两个固定电极必然会占用比较大的面积。

实用新型内容

本实用新型的一个目的是提供一种MEMS惯性传感器的新技术方案。

根据本实用新型的第一方面，提供了一种MEMS惯性传感器，包括衬底，以及与衬底共同围成密闭容腔的盖体，在所述密闭容腔内还包括通过锚点悬置在衬底上方的质量块，所述质量块包括第一绝缘层，以及设置在第一绝缘层上并相互绝缘的至少一个第一可动电极组、至少一个第二可动电极组，在所述衬底上还设置有共用固定电极组；其中，所述第一可动电极组、第二可动电极组作为两个检测电极，共用固定电极组作为共用电极，共同构成了差分电容结构。

优选地，所述共用固定电极组包括单个固定极板，该固定极板分别与第一可动电极组、第二可动电极组构成检测电容。

优选地，所述第一可动电极组、第二可动电极组位于第一绝缘层的相应侧壁上，分别与共用固定电极组构成侧面电容。

优选地，所述第一可动电极组、第二可动电极组分别包括多个层叠在第一绝缘层中的水平部，以及位于第一绝缘层侧壁的垂直部，所述多个水平部通过垂直部导通在一起。

优选地，所述共用固定电极组包括与第一可动电极组构成第一检测电容的第一固定电极，与第二可动电极组构成第二检测电容的第二固定电极；其中所述第一固定电极与第二固定电极通过导电部连接在一起。

优选地，所述衬底与共用固定电极组之间还设置有第二绝缘层，在所述第二绝缘层的内部设置有金属走线部，所述金属走线部通过连接部与导电部连接在一起。

本实用新型的MEMS惯性传感器，差分电容结构的两个检测电极为质量块的可动结构，差分电容结构的共用电极锚定在衬底上，也就是说，两个检测电极悬置在衬底之上，使其与衬底具有一定的距离，这就可以有效地减小检测电极对地的寄生电容，从而可以有效地提高输出信号的精度；而由于共用电极上加载的是调制信号，即使共用电极对地的寄生电容比较大，也不会影响到芯片的性能；相比两个固定电极的结构，单固定电极结构可以节省芯片面积。

本实用新型的发明人发现，在现有技术中，由于作为检测电极的固定极板锚定的衬底上，而且一般衬底都是采用地电位，这样会造成检测电极对地的寄生电容较大，从而造成输出的噪声也较高，限制了输出信号的精度；并且，单固定电极结构可以节省芯片面积，同样的芯片面积下，可以制作更大的可动质量块，有效提高机械灵敏度，提高检测灵敏度。因此，本实用新型所要实现的技术任务或者所要解决的技术问题是本领域技术人员从未想到的或者没有预期到的，故本实用新型是一种新的技术方案。

通过以下参照附图对本实用新型的示例性实施例的详细描述，本实用新型的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本实用新型的实施例，并且连同其说明一起用于解释本实用新型的原理。

图1是本实用新型MEMS惯性传感器的结构示意图。

图2至图7是本实用新型MEMS惯性传感器制造方法的工艺流程图。

图8是图1中第一可动电极组的结构示意图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本实用新型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实用新型的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

参考图1，本实用新型提供了一种MEMS惯性传感器，其为一种具有可动质量块结构的惯性测量器件，例如MEMS加速度计、陀螺仪、谐振器等。本实用新型的MEMS惯性传感器包括衬底1、盖体3，所述衬底1、盖体3扣合在一起形成用于安装各部件的密闭容腔9。

在衬底1、盖体3形成的密闭容腔9内还设有惯性传感器的质量块结构，其中质量块通过锚点(视图未给出)悬置在衬底1的上方。具体地，锚点可以固定在衬底1上，质量块通过其两侧对称的弹性扭梁连接在锚点的两侧，使得质量块可以悬置在衬底1的上方，并使质量块与衬底1之间具有供质量块运动的空间。当受到相应方向的惯性力时，质量块会发生相应的运动，从而通过构成的电容结构来输出质量块所受到的惯性力度。锚点可以设置一个，此时，为了保证质量块两侧的对称性，锚点优选设置在质量块的结构中心；当锚点设置有多个的时候，该多个锚点尽量靠近质量块的结构中心，并相对于质量块的结构中心对称分布，质量块与衬底1之间的这种连接结构属于现有的技术，在此不再具体说明。

本实用新型的质量块，其包括第一绝缘层7，以及设置在第一绝缘层7上并相互绝缘的至少一个第一可动电极组4、至少一个第二可动电极组5，也就是说本实用新型的质量块包括两个部分，其主体部分为第一绝缘层7，在第一绝缘层7相应的位置设置有作为检测电极的第一可动电极组4、第二可动电极组5。为了保证质量块两侧的对称性，该两个可动电极组4、5优选相对于锚点对称分布。具体地，第一可动电极组4、第二可动电极组5可以为导电极板结构，例如，可以将导电极板固定在第一绝缘层7相对的侧壁上，或者，可以在第一绝缘层7上设置对称分布的通孔，将导电极板结构固定在相应通孔的孔壁上，以形成第一可动电极组4、第二可动电极组5。

为了构成本实用新型惯性传感器的检测电容结构，在所述衬底1上还设置有作为共用电极的共用固定电极组6，该共用固定电极组6可以通过锚点固定在衬底1上，并分别与第一可动电极组4、第二可动电极组5构成了第一检测电容、第二检测电容。而且，由于第一可动电极组4、第二可动电极组5相对于锚点对称分布，使得第一检测电容和第二检测电容可以构成差分电容结构。

其中，共用固定电极组6可与第一可动电极组4、第二可动电极组5构成侧面电容的结构，对于本领域的技术人员来说，也可以构成上下极电极式的电容结构，在此不再具体说明。

在本实用新型一个具体的实施方式中，所述共用固定电极组6为单个固定极板，该固定极板分别与第一可动电极组4、第二可动电极组5构成第一检测电容、第二检测电容。在本实用新型一个优选的实施方式中，参考图1，所述共用固定电极组6包括平行布置的第一固定电极60、第二固定电极61，其中，第一固定电极60与第一可动电极组4构成第一检测电容，第二固定电极61与第二可动电极组5构成了第二检测电容，且所述第一固定电极60与第二固定电极61通过导电部82连接在一起。

本实用新型的MEMS惯性传感器，差分电容结构的两个检测电极为质量块的可动结构，差分电容结构的共用电极锚定在衬底上，也就是说，两个检测电极悬置在衬底之上，使其与衬底具有一定的距离，这就可以有效地减小检测电极对地的寄生电容，从而可以有效地提高输出信号的精度；而由于共用电极上加载的是调制信号，即使共用电极对地的寄生电容比较大，也不会影响到芯片的性能；并且，单固定电极结构可以节省芯片面积，同样的芯片面积下，可以制作更大的可动质量块，有效提高机械灵敏度，提高检测灵敏度。

传统的质量块，一般采用均一的材料制成，而本实用新型的质量块包括两部分，作为主体部分的第一绝缘层7，以及设置在第一绝缘层7上彼此绝缘的第一可动电极组4、第二可动电极组5。在本实用新型一个具体的实施方式中，所述第一可动电极组4、第二可动电极组5分别包括多个层叠在第一绝缘层7中的水平部40，以及位于第一绝缘层7侧壁、用于导通多个水平部40的垂直部41，参考图8。采用这样的结构设计，使得第一可动电极组4、第二可动电极组5与第一绝缘层7具有良好的结合力；同时，在采用层叠工艺制造时，也可以降低整个质量块的内应力。

本实用新型的MEMS惯性传感器，所述衬底1与共用固定电极组6之间还设置有第二绝缘层2，以实现共用固定电极组6与衬底1之间的绝缘；同时，在该第二绝缘层2中还可以设置惯性传感器的走线结构，例如，可通过层叠的制造工艺在所述第二绝缘层2的内部设置金属走线部80，所述金属走线部80通过连接部81与导电部82连接在一起，从而将共用固定电极组6的信号向下引出；当然，质量块的引线结构也可以采用类似的设计。

本实用新型还提供了一种MEMS惯性传感器的制造方法，包括以下步骤：

a)在衬底1上沉积第二绝缘层2，并对第二绝缘层2进行刻蚀，形成用于释放第一可动电极组4、第二可动电极组5的牺牲腔；并在该牺牲腔内填充牺牲层10，参考图4；第二绝缘层2可以是二氧化硅材料，其主要作用是为了保证衬底1与各器件之间的绝缘；牺牲层10可以采用本领域技术人员所熟知的材料，例如聚酰亚胺材料等。

b)在第二绝缘层2、牺牲层10的上方沉积第一绝缘层7，并对第一绝缘层7进行刻蚀，沉积金属层，以形成包括第一可动电极组4、第二可动电极组5的质量块，以及包括第一固定电极60、第二固定电极61以及导电部82的共用固定电极组6，参考图5；

具体地，所述第一绝缘层7也可以采用二氧化硅材料，在本实用新型一个优选的实施方式中，质量块与共用固定电极组6可以采用逐层沉积、逐层刻蚀的层叠工艺来实现，例如：首先沉积一层二氧化硅，进行刻蚀后，沉积一层金属层，对该金属层进行刻蚀后，再沉积一层二氧化硅，以此类推，最终形成了第一可动电极组4、第二可动电极组5的多个水平部40以及连接多个水平部40的垂直部41，其中，多个水平部40之间通过二氧化硅绝缘，这种结构设计可以保证第一可动电极组4、第二可动电极组5与第一绝缘层7之间的稳定连接，同时也可以降低整个质量块的内应力。

e)继续刻蚀第一绝缘层7，形成用于腐蚀牺牲层10的牺牲孔70，并将第一可动电极组4、第二可动电极组5从质量块上刻蚀出来，形成质量块的可动结构，同时，将共用固定电极组6与质量块分离开，参考图6。

f)通过牺牲孔10将位于第一可动电极组4、第二可动电极组5下方的牺牲层10腐蚀掉，从而将第一可动电极组4、第二可动电极组5完全释放开来，参考图7；

g)将盖体3键合在第一绝缘层7上，形成密闭容腔9，最终构成了本实用新型的MEMS惯性传感器，参考图1。

在实用新型一个优选的实施方式中，为了形成惯性传感器的走线结构，可以采用逐层沉积的方式，例如：首先在衬底1上沉积一层二氧化硅，在二氧化硅的上表面沉积一层金属，并对该金属进行刻蚀，形成金属走线部80，参考图1；然后继续沉积二氧化硅，并进行刻蚀，沉积金属层并进行刻蚀，形成连接金属走线部80的连接部81，参考图2；在所述步骤b)，沉积金属层并进行刻蚀，以使导电部82与连接部81连接在一起。

虽然已经通过例子对本实用新型的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本实用新型的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本实用新型的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本实用新型的范围由所附权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种MEMS惯性传感器，其特征在于：包括衬底(1)，以及与衬底(1)共同围成密闭容腔的盖体(3)，在所述密闭容腔内还包括通过锚点悬置在衬底(1)上方的质量块，所述质量块包括第一绝缘层(7)，以及设置在第一绝缘层(7)上并相互绝缘的至少一个第一可动电极组(4)、至少一个第二可动电极组(5)，在所述衬底(1)上还设置有共用固定电极组(6)；其中，所述第一可动电极组(4)、第二可动电极组(5)作为两个检测电极，共用固定电极组(6)作为共用电极，共同构成了差分电容结构。

2.根据权利要求1所述的MEMS惯性传感器，其特征在于：所述共用固定电极组(6)包括单个固定极板，该固定极板分别与第一可动电极组(4)、第二可动电极组(5)构成检测电容。

3.根据权利要求1所述的MEMS惯性传感器，其特征在于：所述第一可动电极组(4)、第二可动电极组(5)位于第一绝缘层(7)的相应侧壁上，分别与共用固定电极组(6)构成侧面电容。

4.根据权利要求3所述的MEMS惯性传感器，其特征在于：所述第一可动电极组(4)、第二可动电极组(5)分别包括多个层叠在第一绝缘层(7)中的水平部(40)，以及位于第一绝缘层(7)侧壁的垂直部(41)，所述多个水平部(40)通过垂直部(41)导通在一起。

5.根据权利要求4所述的MEMS惯性传感器，其特征在于：所述共用固定电极组(6)包括与第一可动电极组(4)构成第一检测电容的第一固定电极(60)，与第二可动电极组(5)构成第二检测电容的第二固定电极(61)；其中所述第一固定电极(60)与第二固定电极(61)通过导电部(82)连接在一起。

6.根据权利要求5所述的MEMS惯性传感器，其特征在于：所述衬底(1)与共用固定电极组(6)之间还设置有第二绝缘层(2)，在所述第二绝缘层(2)的内部设置有金属走线部(80)，所述金属走线部(80)通过连接部(81)与导电部(82)连接在一起。