电容式单质量块三轴加速度传感器及制备方法

专利名称：电容式单质量块三轴加速度传感器及制备方法
技术领域：
本发明涉及一种电容式单质量块三轴加速度传感器及制备方法。
背景技术：
微电子机械系统(MEMS)技术是近年来发展迅猛的一项高新技术，其主要采用先进半导体 制备工艺来批量实现MEMS器件的制备。与采用传统技术制作的对应器件相比，MEMS器件在体 积、功耗、重量以及价格等方面有十分明显的优势。
加速度传感器作为惯性器件的一种，在宇航、汽车、机械工业、消费类电子中有广泛应用。 在MEMS器件中，微硅加速度传感器的研究较早，始于八十年代初，其具有体积小、重量轻、 方便灵巧且能实现批量生产，有效降低成本的优点，更重要的是，由于体积縮小和成本降低， 微硅加速度传感器拓宽了自身在民用领域的应用范围。目前加速度传感器己广泛应用于汽车 中的安全气囊系统、防抱死系统ABS、电子稳定性程序ESP系统中；还可应用在生物医药领域 中的人体活动监测；在各种消费类电子应用中，如游戏机接口、虚拟现实技术、笔记本硬盘 保护等，也开始逐步得到广泛应用；在工业领域中，如机器人控制、振动监测等也有其应用； 其它方面的应用，包括运输过程中对货物冲击和振动情况的监测和控制，以及军事应用中的 制导系统等。
至今已开发了多种基于不同原理的加速度传感器，有压阻式、电容式、压电式、隧穿式、 谐振式、温敏式、声表面波式等。其中电容式加速度传感器由于有温度特性好、灵敏度高、 带宽较宽、功耗低、制造工艺成熟等优点，已逐渐成为加速度传感器的主流产品。许多世界 知名公司如ADI、 ST Micro、 Bosch、 Freescale等制作的加速度传感器均主要采用电容式敏 感原理。
虽然目前已开发出多种微机械加速度传感器，但大多数只能检测一个或两个轴向的加速 度，不能同时检测三个轴向的加速度。现今通常采用的解决办法是把几个单轴加速度传感器 进行正交装配，但这样封装复杂度高，不但效率低，且易引入大的正交失配误差；另外可釆 用的一种办法是在同一芯片上制作三个单轴加速度传感器来测量不同方向的加速度以解决正 交失配误差。但这样会导致工艺难度加大，且占用较大芯片面积。正因为如此，迫切需要一 种采用单一质量块形成的3轴加速度传感器来测量真正的矢量加速度。

发明内容
本发明的目的在于提供一种电容式单质量块三轴加速度传感器，以实现采用单一质量块 形成的3轴加速度传感器来测量矢量加速度的功能。
本发明的另一目的在于提供一种电容式单质量块三轴加速度传感器的制备方法。
为了达到上述目的，本发明提供的电容式单质量块三轴加速度传感器，其包括具有衬 底及生成在所述衬底上的介质绝缘层的基片；质量块区，其包括生成在所述介质绝缘层上的 第一导电层、处于所述第一导电层上且与所述介质绝缘层呈支点连接的悬臂梁、与所述悬臂 梁同层面且分别连接于所述悬臂梁两侧同时与所述第一导电层组成差分电容的第一活动块和 第二活动块，所述差差分电容用于测量第一方向加速度，在所述第一活动块和第二活动块表 面具有多个用作腐蚀通道以及调节空去阻尼的释放孔；梳齿结构区，与所述质量块区同层面， 其包括形成在所述第二活动块远离所述悬臂梁一侧且分别与所述第二活动块及所述介质绝缘 层相连接同时用于测量第二方向加速度的第一组梳齿结构、对称形成在任意一活动块对应的 两自由侧且分别与相应活动块及所述介质绝缘层相连接同时用于测量第三方向加速度的第二 组梳齿结构，并使所述质量块区与所述梳齿结构区形成的组合区的重心离所述两自由侧的距 离相等且其偏离所述悬臂梁，其中，所述第二及第三方向为所述质量块区所在层面的两个不 同方向，所述第一方向不属于所述质量块区所在层面；以及信号输出区，包括分别与所述第 一导电层、所述第一活动块、第二活动块、第一组梳齿结构及第二组梳齿结构电气连接以用 于与外部信号处理电路相连接的各金属连接点。
较佳地，所述悬臂梁与所述介质绝缘层的支点可处于所述悬臂梁的两端侧，也可处于所 述悬臂梁的中间，此外，所述悬臂梁与所述介质绝缘层的支点还可分别处于所述组合区相对 两外侧，且支点的连线为所述第三方向，所述悬臂梁通过将所述组合区围合的外框与各支点 相连接，所述外框与各支点的连接处呈弯折的折梁形状，所述悬臂梁可呈长条形状、弯折形 状或中字形状。
较佳地，所述梳齿结构区可设置在所述质量区的外侧，也可设置在所述质量区内。 本发明的电容式单质量块三轴加速度传感器的制备方法，其包括步骤1)提供一基片， 并在所述基片上淀积介质绝缘层；2)在所述介质绝缘层上生成第一导电层，并采用光刻及刻 蚀形成分别用于作为第一叉分电容和第二叉分电容的两极板；3)在所述第一导电层上淀积牺 牲层，并根据设计光刻及刻蚀或腐蚀出相应牺牲层图形以暴露出部分用于后续形成电气连接 点的第一导电层；4)在相应牺牲层图形上淀积第二导电层并根据设计的需要在所述第二导电 层上制作出用于与外部信号处理电路相连接的各金属连接点；5)根据设计对所述第二导电层
进行光刻和刻蚀或腐蚀以形成悬臂梁、连接在所述悬臂梁一侧且与所述两极板中的一极板形 成作为第一叉分电容的第一活动块、连接在所述悬臂梁另一侧且与所述两极板中的另一极板 形成第二叉分电容的第二活动块、连接在所述第二活动块远离所述悬臂梁一侧的第一组梳齿 结构、对称连接在任意一活动块对应的两自由侧的第二组梳齿结构，且使所述第一导电层、 所述第一活动块、第二活动块、第一组梳齿结构及第二组梳齿结构分别与相应的金属连接点 电气连接；6)采用干法刻蚀或湿法腐蚀以去除所述牺牲层，进而释放所述第一活动块、第二 活动块、悬臂梁、第一组梳齿结构及第二组梳齿结构，并使所述悬臂梁与所述介质绝缘层成 支点连接。
其中，所述介质绝缘层材料可为氧化硅或氮化硅，也可为氧化硅和氮化硅组成的复合层， 所述第一导电层及第二导电层的材料可分别为掺杂的多晶硅材料、多晶硅或金属，所述牺牲 层图形可具有多个凹点，所述牺牲层的材料可为氧化硅、磷硅玻璃(PSG)或硼硅玻璃(BSG)，
当采用湿法腐蚀时，需先在所述第一活动块及所述第二活动块形上成多个释放孔，并由所述 多个释放孔注入腐蚀液或腐蚀气体以腐蚀所述牺牲层，所述腐蚀液可为氢氟酸溶液，所述腐 蚀气体可为气相氢氟酸。
综上所述，本发明的电容式单质量块三轴加速度传感器通过将两活动块悬挂在一悬臂梁 上，并使用于敏感x、 y轴加速度信号的两组叉指电容与质量块区在同一平面，而用于敏感z 轴加速度信号的一组电容则位于质量块区底部，可使传感器敏感x、 y、 z三轴加速度信号， 而且，悬臂梁较长，并通过支点固定在介质绝缘层上，可使传感器敏感在x轴方向较易产生 大的位移，而在xy平面和yz平面内产生旋转和扭转，由此可有效减小传感器面积，降低成 本，同时又具有好的偏轴灵敏度特性，也能避免由三个单轴加速度传感器拼装在一起而引入 的正交失配误差，此外，本发明还提供了制作电容式单质量块三轴加速度传感器的制备方法。


为使本发明便于理解，将结合以下的示意图例对本发明进行阐述
图1A至1E为本发明的电容式单质量块三轴加速度传感器的实施例一示意图，其中，图 1A为电容式单质量块三轴加速度传感器的顶视图，图1B为电容式单质量块三轴加速度传感 器沿AA线的剖面图，图1C为电容式单质量块三轴加速度传感器在受到x轴加速度时的位移 变形示意图，图1D为电容式单质量块三轴加速度传感器在受到y轴加速度时的位移变形示意 图，图1E为电容式单质量块三轴加速度传感器在受到z轴加速度时的位移变形示意图2为本发明的电容式单质量块三轴加速度传感器的实施例二示意图的剖面图3为本发明的电容式单质量块三轴加速度传感器的实施例三示意图； 图4为本发明的电容式单质量块三轴加速度传感器的实施例四示意图； 图5为本发明的电容式单质量块三轴加速度传感器的实施例五示意图； 图6为本发明的电容式单质量块三轴加速度传感器的实施例六示意图； 图7为本发明的电容式单质量块三轴加速度传感器的实施例七示意图8A—8F为本发明的电容式单质量块三轴加速度传感器的制备方法流程示意图。
具体实施例方式
以下将结合附图对本发明的电容式单质量块三轴加速度传感器进行详细说明。
实施例一
请参阅图1A和1B，本发明的电容式单质量块三轴加速度传感器20至少包括基片IOO、 质量块区21、梳齿结构区及信号输出区。
所述基片100包括衬底及生成在所述衬底上的介质绝缘层，所述介质绝缘层可以是单层
结构，也可以是多层结构，例如由氧化硅和氮化硅组成的复合层。
所述质量块区21包括生成在所述介质绝缘层上的第一导电层、处于所述第一导电层上且 与所述介质绝缘层呈支点连接的悬臂梁25、连接于所述悬臂梁25 —侧且与所述第一导电层形 成作为第一叉分电容的第一活动块22、连接于所述悬臂梁25另一侧且与所述第一活动块22 处于同层面同时与所述第一导电层形成作为第二叉分电容的第二活动块23，其中，所述质量 块区21由悬臂梁25支撑，而悬臂梁25的两端侧分别通过支点24a固定于所述介质绝缘层上， 所述第一导电层包括固定电极28a和28b，固定电极28a与所述第一活动块22形成第一叉分 电容Czl，固定电极28b与第二活动块23形成第二叉分电容Cz2，第一叉分电容Czl与第二 叉分电容Cz2形成一组用于测量第一方向即z轴方向的加速度的叉分电容组，所述悬臂梁呈 长条形状，须注意的是，在所述第一活动块及第二活动块上形成有多个释放孔70，其作用有 两个， 一是作为湿法腐蚀牺牲层时的腐蚀通道，二是可以调节第一导电层与第一及第二活动 块之间的空气阻尼以得到合适的动态特性。
所述梳齿结构区与所述质量块区21同层面，且设置在所述质量块区21的外侧，其包括 形成在所述第二活动块23远离所述悬臂梁25—侧(即右侧)且分别与所述第二活动块23及 所述介质绝缘层相连接同时用于测量第二方向即Y方向加速度的第一组梳齿结构、对称形成 在第二活动块23对应的两自由侧(即上下两侧)且分别与第二活动块23及所述介质绝缘层
相连接同时用于测量第三方向即X方向加速度的第二组梳齿结构，由于第二活动块23比第一 活动块22多连接有第一及第二组梳齿结构，该梳齿结构增加了第二活动块23的质量。由于 质量块区21沿Y轴呈对称设置，沿X轴呈不对称设置，所以该质量块区21与所述梳齿结构 区形成的组合区的重心离所述两自由侧的距离相等(即处于Y轴上)且在X轴方向偏向于所 述第二活动块23 (即靠Y轴右侧的地方，偏离了所述悬臂梁25)，如此不对称的结构设计， 可使所述组合区在X、 Y、 Z三个方向分别能平移、旋转和扭转。此外，所述第二组梳齿结构 包括可动叉指26a、固定电极26b和26c，三者共同组成一个用于测量x轴方向的加速度的叉 指电容单元，其中可动叉指26a与第二活动块23相连，而固定电极26b和26c则通过支点24b 固定在所述介质绝缘层上，且可动叉指26a与固定电极26b和26c分别以不同的极板间距da 和db相邻(da〉db)，形成差分电容Cxl和Cx2。所述第一组梳齿结构包括可动叉指27a、固 定电极27b和27c，三者共同组成一组用于测量y轴方向的加速度信号的差分电容Cyl及Cy2， 其中可动叉指27a与第二活动块23相连，而固定电极27b和27c分别通过支点24c和24d支 点固定在所述介质绝缘层上。
所述信号输出区包括分别与所述第一导电层、所述第一活动块22、第二活动块23、第一 组梳齿结构及第二组梳齿结构电气连接以用于与外部信号处理电路相连接的各金属连接点29 (包括Pxl， Px2， Pyl， Py2， Pzl, Pz2， P0)，所述电容式单质量块三轴加速度传感器20产 生的电容变化，分别通过各金属连接点29输出，与后续外部信号处理电路进行连接，并将电
容变化转化成最终的电学信号变化。
请参见图1C，其为所述电容式单质量块三轴加速度传感器20在受到x轴加速度作用时的
位移变形示意图。如图1C所示，当质量块区21受到x轴反方向加速度信号a,时，所以该质
量块区21与所述梳齿结构区形成的组合区将会沿着x轴平移，从而导致电容Cx2的极板间距
变大，进而Cx2电容值变小，而电容Cxl的极板间距变小，进而Cxl电容值变大。当所述电
容式单质量块三轴加速度传感器20受到x轴正方向加速度信号时，相应地，Cxl电容值变小，
而Cx2电容值变大。由于此时没有y轴和z轴方向的位移，所以电容Cyl、 Cy2、 Czl和Cz2
电容值基本不变。只有电容组Cxl、 Cx2产生差模信号，此差模信号经过金属连接点29 (即
Pxl， Px2)输出至后续外部信号处理电路将其转变成相应的成比例的电学信号。
请参见图1D，其为所述电容式单质量块三轴加速度传感器20在受到y轴加速度时的位移
变形示意图。如图1D所示，当质量块区21受到y轴反方向加速度信号ay时，由于该质量块
区21与所述梳齿结构区形成的组合区关于y轴不对称，所述组合区将会绕z轴在xy平面内
逆时针旋转，从而导致电容Cy2的极板间距变大，电容Cyl的极板间距变小，由此将会引起
差分电容Cy2电容值变小，Cyl电容值变大。同时，电容Cxl、 Cx2由于旋转引起等效极板间 距同时变大，导致电容值同时变小，产生完全相同的共模信号。当质量块区21受到y轴正方 向加速度信号时，由于所述组合区关于y轴不对称，所述组合区将会绕z轴在xy平面内顺时 针旋转，从而导致电容Cyl的极板间距变大，电容Cy2的极板间距变小，由此将会引起差分 电容Cyl电容值变小，Cy2电容值变大。同时，电容Cxl、 Cx2由于旋转引起等效极板间距同 时变小，导致电容值同时变大，产生完全相同的共模信号。由于只产生xy平面内的旋转，所 述组合区没有z轴方向的位移，所以电容Czl和Cz2电容值不变。所以当所述电容式单质量 块三轴加速度传感器20受到y轴方向加速度作用时，只有电容组Cyl、 Cy2产生差模信号， 此差模信号经过金属连接点29 (即Pyl， Py2)输出至后续外部信号处理电路将其转变成相应 的成比例的电学信号。
请参见图1E，其为所述电容式单质量块三轴加速度传感器20在受到z轴加速度作用时的 位移变形示意图。如图1E所示，当质量块区21受到z轴iH方向加速度信号aJ寸，由于该质 量块区21与所述梳齿结构区形成的组合区关于y轴不对称，所述组合区将会绕y轴在xz平 面内顺时针扭转，从而导致电容Czl的极板间距变大，电容Cz2的极板间距变小，由此将会 引起差分电容Czl电容值变小，Cz2电容值变大，同时，电容Cxl、 Cx2、 Cyl和Cy2由于悬臂 梁25扭转引起极板等效间距同时变小和变大，导致电容值同时变大或者变小，产生完全相同 的共模信号。所以当所述电容式单质量块三轴加速度传感器20受到z轴正方向加速度作用时， 只有电容组Czl、 Cz2产生差模信号，此差模信号经过金属连接点29 (即Pzl, Pz2)输出至 后续外部信号处理电路将其转变成相应的成比例的电学信号。
实施例二-
请参见图2，其为本发明的电容式单质量块三轴加速度传感器实施例二的顶视图。如图2 所示，电容式单质量块三轴加速度传感器30包括一质量块区31和三组叉指电容形成且设置 在所述质量块区51的外侧的梳齿结构区，梳齿结构区其中质量块区31由第一活动块32、第 二活动块33及起支撑作用的悬臂梁35组成，而悬臂梁35的两端侧通过支点34a固定于基片 上。与实施例一不同仅在于，用于测量X轴加速度的第二组梳齿结构连接在第一活动块32上， 而第二活动块33较实施例一中的第二活动块23质量大。由于该质量块区31与所述梳齿结构 区形成的组合区沿X轴对称，沿Y轴不对称，所以所述组合区的重心仍然在X轴偏Y轴右边 的位置。这种不对称的结构设计，使所述组合区在受到3个方向的加速度作用时，能在X、 Y、 Z三个方向分别能平移、旋转和扭转，进而产生电容变化并得到相应变化的电信号。
质量块区31与底部的固定电极38a和38b共同形成一组差分电容用于测试z轴方向的加
速度。叉指电容单元36a、 36b和36c (由支点44b固定在基片上)共同组成一组叉指电容单 元，用于测试x轴方向的加速度。叉指电容单元37a、 37b和37c (由支点34c和34d固定在 基片上)共同组成一组差分电容，用于测试y轴方向的加速度。电容式单质量块三轴加速度 传感器30产生的电容变化，分别通过金属连接点39 (包括Pxl, Px2, Pyl, Py2， Pzl, Pz2, PO)与后续外部信号处理电路进行连接，以将电容变化转化成最终的电学信号变化。 实施例三
请参见图3，其为本发明的电容式单质量块三轴加速度传感器实施例三的顶视图。电容式 单质量块三轴加速度传感器40包括一质量块区41和三组叉指电容形成且设置在所述质量块 区51的外侧的梳齿结构区，其中质量块区41由第一活动块42、第二活动块43及起支撑作用 的悬臂梁45组成，与实施例一不同之处在于，所述第一活动块42和第二活动块43由悬臂梁 45在两者的外圈处进行支撑，悬臂梁45的通过位于质量块区41中间部分的支点44a固定于 基片上。由于该质量块区41与所述梳齿结构区形成的组合区有不对称的左右两部分。这种支 点44a位于质量块区41中间的设计，可以降低器件加工过程中产生的应力对器件性能的影响。
质量块区41与底部的固定电极48a和48b共同形成一组差分电容用于测试z轴方向的加 速度。叉指电容单元46a、 46b和46c (由支点44b固定在基片上)共同组成一组叉指电容单 元，用于测试x轴方向的加速度。叉指电容单元47a、 47b和47c (由支点44c和44d固定在 基片上)共同组成一组差分电容，用于测试y轴方向的加速度。电容式单质量块三轴加速度 传感器40产生的电容变化，分别通过金属连接点49 (包括Pxl， Px2, Pyl, Py2， Pzl， Pz2, PO)与后续外部信号处理电路进行连接，以将电容变化转化成最终的电学信号变化。
实施例四
请参见图4，其为本发明的电容式单质量块三轴加速度传感器实施例四的顶视图。电容式 单质量块三轴加速度传感器50包括一质量块区51和三组叉指电容形成的梳齿结构区，其中 质量块区51由第一活动块52、第二活动块53、及在外圈进行支撑的悬臂梁55组成，悬臂梁 55通过位于质量块区51中间部分的支点54a固定于基片上。与上述其它实施例不同在于梳 齿结构区设置在所述质量块区51的内部，即用于测试x轴加速度的叉指电容组合单元(电极 56a、 56b和56c)和用于测试y轴方向加速度的叉指电容组合单元(电极57a、 57b和57c) 位于质量块区51的框架内部，质量块区51与底部的固定电极58a和58b共同形成一组差分 电容用于测量z轴方向的加速度信号，固定电极56b和56c通过支点54b固定在基片上，固 定电极57b和57c通过支点54c和54d固定在基片上。电容式单质量块三轴加速度传感器50 产生的电容变化，分别通过金属连接点59 (包括Pxl, Px2， Pyl， Py2， Pzl, Pz2, PO)与后 续外部信号处理电路进行连接，以将电容变化转化成最终的电学信号变化。在本实施例中， 通过把叉指电容放在质量块区51内部，可使质量块区51的重心距离y轴更远，这样可增加 电容式单质量块三轴加速度传感器50在z轴方向的灵敏度，并有利于调整x， y， z轴三个方 向的灵敏度特性，达到综合优化设计的效果。 实施例五
请参见图5，其为本发明的电容式单质量块三轴加速度传感器实施例五的顶视图。电容式 单质量块三轴加速度传感器30包括一质量块区31和三组叉指电容形成的梳齿结构区，其中 质量块区31由第一活动块32、第二活动块33、及进行支撑的悬臂梁35组成，悬臂梁35通 过两端侧的支点34a固定于基片上，梳齿结构区设置在所述质量块区31的外侧，即用于测试 x轴加速度的叉指电容组合单元(电极36a、 36b和36c)和用于测试y轴方向加速度的叉指 电容组合单元(电极37a、 37b和37c)位于质量块区31的框架内部，质量块块31与底部的 固定电极38a和38b共同形成一组差分电容用于测量z轴方向的加速度信号，固定电极36b 和36c通过支点34b固定在基片上，固定电极37b和37c通过支点34c和34d固定在基片上。 电容式单质量块三轴加速度传感器30产生的电容变化，分别通过金属连接点39(包括Pxl， Px2， Pyl， Py2， Pzl， Pz2， PO)与后续外部信号处理电路进行连接，以将电容变化转化成最终的 电学信号变化。与前述各实施例不同在于所述悬挂活动块的悬臂梁具有的子部71呈"中字 形"，而非前述各实施例中的长条形状。
实施例六
请参见图6，其为本发明的电容式单质量块三轴加速度传感器实施例六的顶视图。电容式 单质量块三轴加速度传感器30包括一质量块区31和三组叉指电容形成的梳齿结构区，其中 质量块区31由第一活动块32、第二活动块33、及进行支撑的悬臂梁35组成，悬臂梁35通 过两端侧的支点34a固定于基片上，梳齿结构区设置在所述质量块区31的外侧，即用于测试 x轴加速度的叉指电容组合单元(电极36a、 36b和36c)和用于测试y轴方向加速度的叉指 电容组合单元(电极37a、 37b和37c)位于质量块区31的框架内部，质量块区31与底部的 固定电极38a和38b共同形成一组差分电容用于测量z轴方向的加速度信号，固定电极36b 和36c通过支点34b固定在基片上，固定电极37b和37c通过支点34c和34d固定在基片上。 电容式单质量块三轴加速度传感器30产生的电容变化，分别通过金属连接点39(包括Pxl, Px2， Pyl， Py2， Pzl, Pz2， PO)与后续外部信号处理电路进行连接，以将电容变化转化成最终的 电学信号变化。与前述各实施例不同在于所述悬挂活动块的悬臂梁的子部72呈弯折形状。
实施例七
请参见图7，其为本发明的电容式单质量块三轴加速度传感器实施例七的顶视图。电容式 单质量块三轴加速度传感器80包括一质量块区81和三组叉指电容形成的梳齿结构区，其中 质量块区81由第一活动块82、第二活动块83、及进行支撑的悬臂梁85、外框91、折梁90 组成，折梁90通过两端侧的支点84a固定于基片上，折梁的长度、宽度以及打折的数目都可 根据需要进行设计，梳齿结构区设置在所述质量块区81的内侧，即用于测试x轴加速度的叉 指电容组合单元(电极86a、 86b和86c)和用于测试y轴方向加速度的叉指电容组合单元(电 极87a、 87b和87c)位于质量块区81的框架内部，质量块区81与底部的固定电极88a和88b 共同形成一组差分电容用于测量z轴方向的加速度信号，固定电极86b和86c通过支点84b 固定在基片上，固定电极87b和87c通过支点84c和84d固定在基片上。电容式单质量块三 轴加速度传感器80产生的电容变化，分别通过金属连接点89(包括Pxl， Px2， Pyl， Py2， Pzl, Pz2, PO)与后续外部信号处理电路进行连接，以将电容变化转化成最终的电学信号变化。与 前述各实施例不同在于所述悬臂梁并非直接通过支点84a固定在基片上，而是将悬臂梁固 定在外框91上，外框再通过折梁90连接到支点84a，在设计具体结构时，既可以调节改变梁 85的形状大小，也能调节梁90的形状大小，这样可以对传感器在每一个的轴向的灵敏度进行 分别设计，大大增加设计灵活性，同时可保证在器件的灵敏度达到设计要求的同时面积更加 小。需注意的是，三组叉指电容形成的梳齿结构区的设置也可如前述各实施例所述进行相应 的调整，例如，将梳齿结构区设置在所述质量块区81的外侧等，在此不再逐一重述。
此外，本发明的电容式单质量块三轴加速度传感器的结构不仅仅限于上述各实施例所述 的结构，例如，其还可根据上述说明对各结构进行相应改动以使组合区的重心偏向于所述第 一活动块，同样可实现在X、 Y、 Z三个方向分别能平移、旋转和扭转，在此不再详述。
以下将结合附图对本发明的电容式单质量块三轴加速度传感器的制备方法进行详细说明。
请参加图8A-8F，所述电容式单质量块三轴加速度传感器的制备方法至少包括以下步骤 首先，如图8A所示，提供一基片即衬底60 (通常为硅)，并在所述基片上淀积介质绝缘
层，所述介质绝缘层可为一层或多层结构，在本实施例中，其为氧化硅61和氮化硅62组成
的复合层。
接着，如图8B所示，在所述介质绝缘层上生成第一导电层63，并采用光刻及刻蚀形成分 别用于作为第一叉分电容Czl和第二叉分电容Cz2的两极板，通常第一导电层63可由掺杂的 多尋硅材料形成，也可采用其他导电材料，例如各种金属或多晶硅等。
接着，如图8C和8D所示，在所述第一导电层63上淀积牺牲层64，并根据设计的需要光 刻及干法刻蚀或湿法腐蚀出相应牺牲层图形使所述牺牲层图形中包括多个凹点65，同时还暴 露出部分第一导电层以供后续形成金属连接点，所述牺牲层64采用的材料可为氧化硅，但并 非以此为限，例如，也可采用磷硅玻璃(PSG)或硼硅玻璃(BSG)等。
接着，如图8E所示，在相应牺牲层图形上淀积第二导电层66并根据设计的需要在所述 第二导电层上制作出用于与外部信号处理电路相连接的各金属连接点67，所述第二导电层66 的材料可为掺杂的多晶硅，也可用多晶硅与其他介质材料组合成的复合材料，还可采用金属 等，当第二层导电层66淀积时会填充各凹点65，并在第二导电层66下方形成相应各凸点69， 各凸点69用于在后续释放工艺中由于液体表面张力引起的第一导电层和第二导电层的黏附， 在此予以预先说明。
接着，如图8F所示，根据设计对所述第二导电层66进行光刻和刻蚀或腐蚀以形成悬臂梁、 连接在所述悬臂梁一侧且与所述两极板中的一极板形成作为第一叉分电容的第一活动块、连 接在所述悬臂梁另一侧且与所述两极板中的另一极板形成第二叉分电容的第二活动块、连接 在所述第二活动块远离所述悬臂梁一侧的第一组梳齿结构、对称连接在任意一活动块对应的 两自由侧的第二组梳齿结构，且使所述第一导电层、所述第一活动块、第二活动块、第一组 梳齿结构及第二组梳齿结构分别与相应的金属连接点电气连接，在形成上述结构时也同时形 成多个释放孔70，所述多个释放孔70用于辅助释放并调节第一导电层与活动快之间的空气阻 尼。
最后，如图8F所示，采用干法刻蚀或湿法腐蚀以去除所述牺牲层64，进而释放所述第一 活动块、第二活动块、悬臂梁、第一组梳齿结构及第二组梳齿结构，并使所述悬臂梁与所述 介质绝缘层成支点连接，通常当牺牲层材料64为氧化硅时可通过从所述第一活动块及所述第 二活动块上形成的多个释放孔70注入湿法腐蚀液比如氢氟酸溶液或者气相氢氟酸(VHF)腐 蚀去除所述第一活动块、第二活动块、第一组梳齿结构、第二组梳齿结构及悬臂梁下的牺牲 层，最后得到释放完毕的电容式单质量块三轴加速度传感器。
综上所述，本发明的电容式单质量块三轴加速度传感器通过将两活动块悬挂在一悬臂梁 上，并使用于敏感x、 y轴加速度信号的两组叉指电容与质量块区在同一平面，而用于敏感z 轴加速度信号的一组电容则位于质量块区底部，可使传感器敏感x、 y、 z三轴加速度信号， 而且，悬臂梁较长，并通过支点固定在介质绝缘层上，可使传感器敏感在x轴方向较易产生 大的位移，而在y轴方向则较难产生平移，其次，由于在结构上为x轴对称但y轴不对称， 如此设计可使结构重心不在悬臂梁上，因此当受到各个方向加速度时，结构梁不但可以平移
且可以旋转。由于该结构x轴对称且结构梁方向垂直于x轴，所以质量块受到x轴加速度作 用时，会沿x轴方向产生平移，而不会旋转。而当该质量块受到y轴加速度作用时，该质量 块会绕z轴在xy平面内旋转。当该质量块受到z轴加速度作用时，该质量块会绕y轴在xz 平面内旋转但可以在xy平面和yz平面内产生扭转，由此使传感器的前三阶谐振频率差别不 大，且各阶模态分别对应于x轴方向平移，在xy平面旋转，及在yz平面内产生扭转，由此 可见，本发明的电容式单质量块三轴加速度传感器具有以下优势第一，有效减小传感器面 积；第二，具有好的偏轴灵敏度特性；第三，避免由三个单轴加速度传感器拼装在一起而引 入的正交失配误差；第四，降低成本。再有，本发明还提出制作电容式单质量块三轴加速度 传感器的制造方法。
尽管为说明目的公开了本发明的具体实施例和附图，其目的在于帮助理解本发明的内容并
据以实施，但是本领域的技术人员可以理解在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范
围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例和附图所公 开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
权利要求
1. 一种电容式单质量块三轴加速度传感器，其特征在于包括基片，其包括衬底及生成在所述衬底上的介质绝缘层；质量块区，其包括生成在所述介质绝缘层上的第一导电层、处于所述第一导电层上方且与所述介质绝缘层呈支点连接的悬臂梁、与所述悬臂梁同层面且分别连接于所述悬臂梁两侧同时与所述第一导电层组成用于作为测量第一方向加速度的差分电容的第一活动块和第二活动块、在所述第一活动块和第二活动块表面具有多个用作腐蚀通道以及调节空气阻尼的释放孔；梳齿结构区，与所述质量块区同层面，其在所述第二活动块远离所述悬臂梁一侧且分别与所述第二活动块及所述介质绝缘层相连接同时用于测量第二方向加速度的第一组梳齿结构、对称形成在任意一活动块对应的两自由侧且分别与相应活动块及所述介质绝缘层相连接同时用于测量第三方向加速度的第二组梳齿结构，并使所述质量块区与所述梳齿结构区形成的组合区的重心离所述两自由侧的距离相等且其偏离所述悬臂梁，其中，所述第二及第三方向为所述质量块区所在层面的两个不同方向，所述第一方向不属于所述质量块区所在层面；信号输出区，包括分别与所述第一导电层、所述第一活动块、第二活动块、第一组梳齿结构及第二组梳齿结构电气连接以用于与外部信号处理电路相连接的各金属连接点。
2. 如权利要求l所述的电容式单质量块三轴加速度传感器，其特征在于所述悬臂梁与 所述介质绝缘层的支点处于所述悬臂梁的两端侧。
3. 如权利要求l所述的电容式单质量块三轴加速度传感器，其特征在于所述悬臂梁与 所述介质绝缘层的支点处于所述悬臂梁的中间。
4. 如权利要求l所述的电容式单质量块三轴加速度传感器，其特征在于所述悬臂梁与 所述介质绝缘层的支点分别处于所述组合区相对两外侧，且支点的连线为所述第三方 向，所述悬臂梁通过将所述组合区围合的外框与各支点相连接。
5. 如权利要求4所述的电容式单质量块三轴加速度传感器，其特征在于所述外框与各 支点的连接处呈弯折的折梁形状。
6. 如权利要求1至4任一所述的电容式单质量块三轴加速度传感器，其特征在于所述 悬臂梁呈长条形状、弯折形状及中字形状中的一种。
7. 如权利要求l所述的电容式单质量块三轴加速度传感器，其特征在于所述梳齿结构 区设置在所述质量区的外侧。
8. 如权利要求l所述的电容式单质量块三轴加速度传感器，其特征在于所述梳齿结构 区设置在所述质量区内。
9. 一种电容式单质量块三轴加速度传感器的制备方法，其特征在于包括步骤1) 提供一基片，并在所述基片上淀积介质绝缘层；2) 在所述介质绝缘层上生成第一导电层，并采用光刻及刻蚀形成分别用于作为第一 叉分电容和第二叉分电容的两极板；3) 在所述第一导电层上淀积牺牲层，并根据设计光刻及刻蚀或腐蚀出相应牺牲层图 形以暴露出部分用于后续形成金属连接点的第一导电层；4) 在相应牺牲层图形上淀积第二导电层并根据设计的需要在所述第二导电层上制作 出用于与外部信号处理电路相连接的各金属连接点；5) 根据设计对所述第二导电层进行光刻和刻蚀或腐蚀以形成多个释放孔、悬臂梁、 连接在所述悬臂梁一侧且与所述两极板中的一极板形成作为第一叉分电容的第一 活动块、连接在所述悬臂梁另一侧且与所述两极板中的另一极板形成第二叉分电 容的第二活动块、连接在所述第二活动块远离所述悬臂梁一侧的第一组梳齿结构、 对称连接在任意一活动块对应的两自由侧的第二组梳齿结构，且使所述第一导电 层、所述第一活动块、第二活动块、第一组梳齿结构及第二组梳齿结构分别与相 应的金属连接点电气连接；6) 采用干法刻蚀或湿法腐蚀以去除所述牺牲层，进而释放所述第一活动块、第二活 动块、悬臂梁、第一组梳齿结构及第二组梳齿结构，并使所述悬臂梁与所述介质 绝缘层成支点连接。
10. 如权利要求9所述的电容式单质量块三轴加速度传感器的制备方法，其特征在于所 述介质绝缘层材料为氧化硅或氮化硅。
11. 如权利要求9所述的电容式单质量块三轴加速度传感器的制备方法，其特征在于所 述介质绝缘层为氧化硅和氮化硅组成的复合层。
12. 如权利要求9所述的电容式单质量块三轴加速度传感器的制备方法，其特征在于所 述第一导电层及第二导电层的材料分别为掺杂的多晶硅材料、多晶硅及金属中的一 种。
13. 如权利要求9所述的电容式单质量块三轴加速度传感器的制备方法，其特征在于所 述牺牲层图形具有多个凹点。
14. 如权利要求9所述的电容式单质量块三轴加速度传感器的制备方法，其特征在于所述牺牲层的材料为氧化硅、磷硅玻璃及硼硅玻璃中的一种。
15. 如权利要求9所述的电容式单质量块三轴加速度传感器的制备方法，其特征在于当采用湿法腐蚀时，先在所述第一活动块及所述第二活动块形成多个释放孔，并由所述 多个释放孔注入腐蚀液或腐蚀气体以腐蚀所述牺牲层。
16. 如权利要求15所述的电容式单质量块三轴加速度传感器的制备方法，其特征在于所述腐蚀液为氢氟酸溶液，所述腐蚀气体为气相氢氟酸。
全文摘要
一种电容式单质量块三轴加速度传感器及制备方法，其在一基片上形成有质量块区和梳齿结构区，质量块区包括第一导电层、处于第一导电层上且与基片具有支点连接的悬臂梁、分别连接于悬臂梁两侧且与所述第一导电层形成用于作为测量第一方向加速度的差分电容的第一活动块和第二活动块，所述梳齿结构区与所述质量块区同层面，其包括形成于第二活动块外侧用于测量第二方向加速度的第一组梳齿结构、对称形成在任意一活动块对应的两自由侧且用于测量第三方向加速度的第二组梳齿结构，且所述质量块区与所述梳齿结构区形成的组合区的重心偏离所述悬臂梁，由此可实现采用单一质量块形成的三轴加速度传感器来测量矢量加速度的功能。
文档编号B81B7/00GK101386400SQ20071004597
公开日2009年3月18日 申请日期2007年9月13日 优先权日2007年9月13日
发明者刚 李, 维 胡 申请人:李 刚;胡 维