基于边缘效应的带自我标定的电容式微惯性传感器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于边缘效应的含自我标定功能的微惯性传感器。现有的带自我标定功能的传感器标定范围小。本发明中敏感器质量块为刻蚀有栅条形井的矩形硅片，四对应端通过硅支撑梁与锚点连接，四对应端分别设置有数量相同、位置对应的矩形硅条。敏感器质量块连接的梳型硅条与固定检测硅条，以及栅形电极和衬底表面的栅形铝电极组成检测电容。当在质量块敏感方向上加载加速度信号时，敏感器质量块上硅条组切割衬底边缘电场的电场线，从而衬底边缘电容发生变化，通过检测微惯性传感器的电容变化最终来检测所加载的加速度的大小。本发明增大了振子质量，减少了吸合现象，减小了布朗噪声；增大了检测电容，减小了压膜空气阻尼。
【专利说明】基于边缘效应的带自我标定的电容式微惯性传感器
【技术领域】
[0001] 本发明属于微电子机械【技术领域】，涉及一种微惯性传感器，具体涉及一种基于边 缘效应的含自标定功能的高精度微惯性传感器。
【背景技术】
[0002] 加速度传感器面世后一直作为最重要的惯性仪表之一，用在惯性导航和惯性制导 系统中，与海陆空天运载体的自动驾驶及高技术武器的高精度制导联系在一起而受到重 视。微机械加速度传感器以其重量小、成本低、功耗低、体积小、过载能力强、易集成及可批 量生产等优点，不仅成为一些高科技武器中微型惯性测量组合（MMU)的核心元件，在商用 和民用领域也同样有着广阔的市场，例如车辆控制、通用航空、玩具、高铁、工业、探矿等。传 统的高精度加速度传感器，常用机械振动台进行标定，这种方法能够真实的模拟加速度传 感器的工作环境，精度比较高，是最可靠的方法。但是这种振动台不仅价格昂贵，而且标定 效率低下。微机械传感器由于大批量生产，振动台逐个标定的方法弊端更加明显，无法满足 批量标定的要求。后来陆续有人研究用静电力对传感器进行自标定，代替外界加速度产生 的惯性力，可以降低成本，提高标定效率。本发明提供一种基于边缘效应的带自标定结构的 双向微惯性传感器，通过梳齿间的电压产生静电力，模拟外界加速度产生的惯性力，驱动质 量块发生偏移。同时，利用电容间边缘效应的变化实现质量块偏移量的检测。本发明采用 体硅微机械加工工艺，同时，质量块的栅型结构不完全刻穿以进一步提高传感器的质量，从 而降低机械噪声，改善稳定性，提高灵敏度。
【发明内容】
[0003] 本发明目的在于提供一种基于边缘效应的带自标定结构的双向微惯性传感器。
[0004] 本发明提供的电容式微惯性传感器包括玻璃衬底、敏感器质量块和固定检测硅 条。
[0005] 敏感器质量块上设置有两组用于X方向敏感检测的栅形硅条组和两组用于Y方向 敏感检测的栅形硅条组，用于X方向敏感检测的硅条组和用于Y方向敏感检测的硅条组成 田字形交错排列。敏感器质量块的四对应端通过敏感器U型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。
[0006] 玻璃衬底上设置有四组差分检测模块，分别为两个X方向的检测模块和两个Y方 向的检测模块，所述的检测模块为玻璃衬底上的薄铝电极，铝电极厚度远小于铝电极之间 的间距。
[0007] 敏感器质量块上的两组用于X方向敏感检测的栅形硅条组在玻璃衬底上设置的 两组X方向检测铝电极的正上方，且数量相同、位置对应，构成两组X方向差分检测电容。差 分检测电容的两组铝电极组和栅形硅条组上下对称，铝电极的宽度略大于对应硅条，铝电 极与硅条靠近中心一侧处于同一垂直平面。敏感器质量块上的两组用于Y方向敏感检测的 栅形硅条组在玻璃衬底上设置的两组Y方向检测铝电极的正上方，且数量相同、位置对应， 构成两组Y方向差分检测电容，差分检测电容的两组铝电极组和栅形硅条组上下对称，铝 电极的宽度略大于对应娃条，错电极与娃条靠近中心一侧处于同一垂直平面。
[0008] 八个梳齿状的固定检测硅条固定设置在玻璃衬底上，固定检测硅条由梳齿条及连 接梳齿条的矩形硅条组成，每个固定检测硅条的梳齿条与敏感器质量块连接的梳齿状硅条 组上的梳齿条位置对应，固定检测硅条的梳齿条与梳齿状硅条组上的梳齿条形成检测电 容；八个固定检测梳齿条通过玻璃衬底上的引线与外部连接锚点连接。
[0009] 玻璃衬底表面对应四个敏感器锚点位置设置有四个敏感器质量块锚点，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栅形铝电极。
[0010] 本发明涉及的微惯性传感器包含有可在X方向移动的双栅形振子对和Υ方向移动 的双栅形振子对，可以设计传感器检测电容的初始间距较大，从而解决深反应粒子刻蚀深 宽比小于27:1对传感器振子的质量不能做厚的限制，增大了传感器的初始质量块电容以 增大传感器的标定范围，而后通过施加电压，产生静电力驱动敏感质量块，使敏感质量块在 敏感方向上产生偏移，等效于施加外界加速度，实现自标定功能。另外，通过改变敏感器支 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。当在质量块敏感方向上加载加 速度信号时，硅质量块上硅条组切割衬底边缘电场的电场线，从而衬底边缘电容发生变化， 通过检测边缘电容变化以及检测梳栅电容变化来获取敏感方向上所加载的加速度的大小。 [0011] 本发明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，减小了 电容极板间距，增大了质量块初始电容，增大了标定范围，同时减小了压膜空气阻尼，从而 降低了机械噪声和电路噪声。而变面积式的梳齿对和敏感器质量块上的栅形条间的电容差 分运动时空气阻尼表现为滑膜阻尼，从而降低了布朗噪声，同时增大了检测电容。
[0012] 本发明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。
【专利附图】
【附图说明】
[0013] 图1为本发明专利的结构示意图； 图2为图1中玻璃衬底及表面上的结构示意图； 图3为图1中质量块的结构俯视图； 图4为本发明的栅条形井的剖面图。
【具体实施方式】
[0014] 如图1、2、3和4所示，一种带自标定的微惯性传感器包括玻璃衬底1、敏感器质量 块22、固定检测硅条14。
[0015] 敏感器质量块22上设置有两组用于X方向敏感检测的栅形硅条组23 (硅条与硅 条之间为间隙20)和两组用于Υ方向敏感检测的栅形硅条组19,用于X方向敏感检测的硅 条组23和用于Υ方向敏感检测的硅条组19成田字形交错排列，即一对X方向敏感检测的 硅条组23处于斜对角，一对用于Υ方向敏感检测的硅条组19也处于处于斜对角，两组用于 X方向敏感检测的栅形硅条组23构成X方向的栅形敏感器质量块，两组用于Υ方向敏感检 测的栅形硅条组19构成Υ方向的栅形敏感器质量块18。敏感器质量块22的四对应端通过 敏感器U型硅支撑梁16与敏感器锚点15连接，敏感器锚点15固定设置在玻璃衬底上。
[0016] 玻璃衬底上设置有四组差分检测模块，分别为两个X方向的检测模块10、11和两 个Y方向的检测模块7、9,所述的检测模块为玻璃衬底上的薄铝电极，铝电极厚度远小于铝 电极之间的间距。公共端9、10通过外部焊点8实现外部引线连接；薄铝电极7、11通过引 线5连接到外部焊点6,实现外部引线连接。
[0017] 硅质量块上的两组用于X方向敏感检测的硅条组19在玻璃衬底上设置的两组X 方向检测铝电极1〇、11的正上方，且数量相同、位置对应，构成两组X方向差分检测电容。 差分检测电容的两组铝电极组和硅条组上下对称，铝电极的宽度略大于对应硅条，铝电极 与硅条靠近中心一侧处于同一垂直平面。硅质量块上的两组用于Y方向敏感检测的硅条组 23在玻璃衬底上设置的两组Y方向检测铝电极7、9的正上方，且数量相同、位置对应，构成 两组Y方向差分检测电容，差分检测电容的两组铝电极组和硅条组上下对称，铝电极的宽 度略大于对应硅条，铝电极与硅条靠近中心一侧处于同一垂直平面。
[0018] 四组梳齿状的固定检测硅条21固定设置在玻璃衬底1上，固定检测硅条21由梳 齿条12及连接梳齿条12的矩形硅条14组成，每个固定检测硅条21的梳齿条12与敏感器 质量块22连接的硅条13位置对应；固定检测硅条21的梳齿条12与对应的敏感器质量块 连接的硅条13组成检测电容，形成间隙17 ;四个固定检测硅条21通过玻璃衬底1表面上 的引线4与焊点3连接。
[0019] 玻璃衬底1表面对应四个敏感器锚点15位置设置有四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15连接。玻璃衬底1表面对应敏感器质量块22位置设置 有栅形铝电极7、9。
[0020] 结合图1、图2、图3、图4对传感器原理进行说明。本传感器的自标定功能是利用 外部金丝球焊技术把固定硅条焊点和封装壳引脚连接在质量块上施加电压，产生的静电力 等效于外界所要施加的加速度，使敏感质量块在敏感方向上产生偏移，变面积式的梳齿对 和敏感器质量块上新增的栅形条井电容差分运动进行检测敏感质量块的偏移量。
[0021] 该微惯性传感器采用梳栅电容检测结构，即利用梳齿和栅形两种检测电容的方式 来检测电容变化。当外界惯性信号产生的加速度作用于传感器敏感方向时时，一方面，硅质 量块9上栅形硅条组切割衬底边缘电场的电场线，从而衬底边缘电容发生变化，栅形电容 检测结构中栅形振子对的栅形硅条组23与栅形铝电极24的交叠面积发生变化，引起差分 电容变化；另一方面，可动梳齿电极12与固定梳齿电极13之间的叠加面积和距离也发生变 化，因此，可以通过计算电容值的变化大小来检测敏感方向上所加载的加速度大小。
[0022] 本发明设计的高精度微惯性传感器，通过合理设计，使敏感器在X和Y方向上具 有相同的边缘电容的数目和面积，来实现X、Y方向上性能的对称，且敏感器质量块上有滑 膜阻尼的栅形条井电容和变面积式的梳齿对对电容进行检测，在常压下具有较小的气体阻 尼，从而使传感器可以达到很高的精度。另外，通过改变支撑梁的尺寸可以改变传感器的量 程和响应特性。
[0023] 本发明涉及的基于边缘电容检测的微惯性传感器采用为机械技术制作，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。
【权利要求】
1.基于边缘效应的带自我标定的电容式微惯性传感器，包括玻璃衬底、敏感器质量块 和固定检测硅条，其特征在于： 敏感器质量块上设置有两组用于X方向敏感检测的栅形硅条组和两组用于Y方向敏感 检测的栅形硅条组，用于X方向敏感检测的硅条组和用于Y方向敏感检测的硅条组成田字 形交错排列；敏感器质量块的四对应端通过敏感器U型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； 玻璃衬底上设置有四组差分检测模块，分别为两个X方向的检测模块和两个Y方向的 检测模块，所述的检测模块为玻璃衬底上的薄铝电极，薄铝电极厚度远小于铝电极之间的 间距； 敏感器质量块上的两组用于X方向敏感检测的栅形硅条组在玻璃衬底上设置的两组X 方向检测铝电极的正上方，且数量相同、位置对应，构成两组X方向差分检测电容；差分检 测电容的两组铝电极组和栅形硅条组上下对称，铝电极的宽度略大于对应硅条，铝电极与 硅条靠近中心一侧处于同一垂直平面；敏感器质量块上的两组用于Y方向敏感检测的栅形 硅条组在玻璃衬底上设置的两组Y方向检测铝电极的正上方，且数量相同、位置对应，构成 两组Y方向差分检测电容，差分检测电容的两组铝电极组和栅形硅条组上下对称，铝电极 的宽度略大于对应娃条，错电极与娃条靠近中心一侧处于同一垂直平面； 八个梳齿状的固定检测硅条固定设置在玻璃衬底上，固定检测硅条由梳齿条及连接梳 齿条的矩形硅条组成，每个固定检测硅条的梳齿条与敏感器质量块连接的梳齿状硅条组上 的梳齿条位置对应，固定检测硅条的梳齿条与梳齿状硅条组上的梳齿条形成检测电容；八 个固定检测梳齿条通过玻璃衬底上的引线与外部连接锚点连接； 玻璃衬底表面对应四个敏感器锚点位置设置有四个敏感器质量块锚点，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栅形铝电极。
【文档编号】B81B7/00GK104101735SQ201410333505
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年7月14日 优先权日:2014年7月14日
【发明者】董林玺, 潘颖 申请人:杭州电子科技大学