CN2424450Y - 微机械梳状电容式加速度传感器 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提出了一种以玻璃为衬底的单晶硅体微机械加工梳状电容式加速度传感器。本实用新型采用硅-玻璃键合结构,利用单晶硅深反应离子刻蚀(DRIE)技术进行叉指成型刻蚀,可增加器件厚度至上百微米,大幅度增加器件静态电容,便于信号检测。传感器设计可在实现可动结构悬空的同时有效保证固定叉指的锚定,并避免差分电容极板静电力对中间质量块形成扭矩。传感器采用折叠梁结构,较之直梁结构可获得较高的灵敏度。

Description

微机械梳状电容式加速度传感器
本实用新型涉及一种微机械梳状电容式加速度传感器，属微电子机械领域。
加速度传感器广泛应用于导弹、飞机、舰船、汽车等各类运动系统的监控领域，具有巨大的市场应用前景。80年代末期随着微机械加工技术的出现和发展，人们开始将其应用于加速度传感器的制作，目前，小型化，智能化，集成化已成为加速度传感器发展的主流方向。加速度传感器种类很多，电容式加速度传感器为主要方向。电容式加速度传感器主要有梁-质量块结构以及梳状电容式结构。其原理一般为柔性梁支撑一可动质量块作为可动电容极板，分别与两侧的固定电容极板构成差分电容。当体系感受到一个敏感方向的加速度时，质量块受惯性力作用引起位移，质量块与两侧固定电极之间的电容间隙发生变化，检测器件差分电容的改变，即可感知加速度的大小。
美国模拟器件公司(Analog Devices Inc.)研制出多晶硅表面微机械加工梳状电容式加速度计ADXL50，然而由于采用表面微机械技术，器件厚度受工艺限制仅为2μm，静态电容仅为0.1pF，同时器件与单晶硅衬底之间也存在一定的寄生电容，给加速度计的信号检测带来难度，故只能将传感器器件与信号检测电路全集成于同一芯片上，信号检测电路需用微米或亚微米技术制作，由此带来一定的工艺难度。器件结构材料多晶硅淀积过程中引入的应力，亦在一定程度上影响到器件行为。1995年国际微电子机械系统会议论文集(Proceedings of Micro Electro Mechanical Systems'95)报道日本人K.Ohwada等利用(110)指数晶面硅片各向异性湿法腐蚀制得以玻璃为衬底，厚度为58μm的单晶硅体微机械加工梳状电容式加速度传感器结构，增大了器件静态电容。然而该梳状加速度传感器结构在玻璃上腐蚀浅坑实现可动结构的悬空，由于玻璃是各向同性腐蚀，腐蚀区域难以精确控制，只能腐蚀大面积方形浅坑，器件固定叉指底部亦悬空，在加速度作用下其挠曲会给加速度测量带来误差。器件两组固定叉指电极分别位于可动质量块两侧，这种分布可以解决两组固定叉指电极的电极互联引线空间交叉问题，但器件工作时两侧可动电容叉指受到固定叉指静电吸引力对中间质量块会形成扭矩，对传感器性能造成一定的影响。另外以上二种加速度传感器弹性梁均为直梁结构。
本实用新型拟采用硅一玻璃静电键合结构，结合新近发展的单晶硅深反应离子刻蚀技术(Deep Reactive Ion Etching技术，简称DRIE技术)，制作单晶硅体微机械加工梳状电容式加速度传感器。DRIE技术的引入可增加器件厚度至上百微米，获得非常光滑陡直的侧壁，从而大幅度增加器件敏感电容，便于信号检测，使信号处理电路无论是混合集成还是全集成都易于实现。器件厚度的增加亦使传感器在非加速度敏感方向Z向的刚性大大增加，提高其工作的稳定性。
本实用新型通过在硅片底面对应可动结构区域预腐蚀浅坑实现可动结构的悬空，即用于可动结构悬空的浅坑开在硅片而非玻璃上，可以选择性地精确区分可动叉指和固定叉指区域，在实现可动叉指悬空的同时确保固定叉指的锚定，可以防止固定叉指挠曲对传感器性能的影响。器件固定叉指在空间上分为4组，对称分布，可以避免差分电容极板静电吸引力对中间质量块造成的扭矩。传感器采用折叠梁结构，可以增加有效梁长，提高传感器灵敏度。
本实用新型梳状电容式加速度传感器主要由单晶硅敏感结构和玻璃衬底组成，其加速度敏感方向为在器件平面内与振动梁垂直的方向。器件结构材料为100μm厚的单晶硅，通过硅-玻璃静电键合技术，将其制作在Pyrex#7740玻璃衬底上。
下面结合附图，进一步说明本实用新型构造方面的特点和进步。
图1为梳状电容式加速度传感器结构示意图，其中1为玻璃衬底，2为固定叉指Ⅰ，3为固定叉指Ⅱ，4为可动叉指，5为振动折叠梁，6为中间质量块，7为引线压点。
图1中涂黑区域为键合在玻璃上的固定结构，未涂黑区域为底部悬空的可动结构。器件可动部分包括四根振动折叠梁5，中间质量块6和四组可动叉指4。硅一玻璃键合之前预先在硅片上对应可动结构下部腐蚀8～10μm深的浅坑，以实现可动结构的悬空。振动折叠梁5通过四个引线压点7固定在玻璃衬底1上。固定叉指Ⅰ2和固定叉指Ⅱ3各有两组，通过静电键合固定在玻璃衬底1上，对称分布在可动叉指4两侧。固定叉指Ⅰ2和固定叉指Ⅱ3分别与可动叉指4构成平行板电容C1，C2，二者形成差分电容输出。设器件敏感质量(为中间质量块6与全部可动叉指4质量之和)为Ms，当器件感受到一平行于器件平面，并与振动折叠梁5垂直的加速度a时，在惯性力Msa作用下，振动折叠梁5发生沿加速度方向的挠曲，带动可动叉指4产生位移，从而使差分电容间隙发生变化。检测出这一差分电容的变化，就可以知道器件感受到的加速度大小。
由于本实用新型加速度传感器结构的差分电容在空间上分为对称的四组，器件工作时固定叉指Ⅰ2和固定叉指Ⅱ3对可动叉指4的静电吸引力相互抵销，避免了对中间质量块6的转矩作用。可提高加速度传感器工作性能的稳定性。

Claims (5)

1．一种微机械梳状电容式加速度传感器，其特征在于由单晶硅敏感结构和玻璃衬底组成。
2．根据权利要求1所述微机械梳状电容式加速度传感器，其特征在于器件结构材料为100μm厚的单晶硅，通过硅一玻璃静电键合技术，将其制作在Pyrex#7740玻璃衬底上。
3．根据权利要求1所述微机械梳状电容式加速度传感器，其特征在于可动结构释放浅坑开在硅片而非玻璃上，可以选择性地精确区分可动叉指和固定叉指区域。
4．根据权利要求1所述微机械梳状电容式加速度传感器，其特征在于器件固定叉指在空间上分为4组，对称分布。
5．根据权利要求1所述微机械梳状电容式加速度传感器，其特征在于传感器采用折叠梁结构，可以增加有效梁长。
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