专利名称：一种带声学腔的电容式加速度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及惯性传感器技术领域，具体地说，本发明涉及一种新型的带声学腔 的电容式加速度传感器结构。
背景技术：
加速度传感器是一种非常重要的惯性传感及测量器件，广泛应用于航空航天、
振动监测、工业控制、地球物理勘探等领域。近年来随着MEMS (微机电系统)技 术的发展和成熟，MEMS加速度传感器以其体积小、重量轻、成本低、集成度高等 优点，在汽车电子及消费类电子产品中获得了大量的应用，并进一步向工业应用领 域扩展，具有广阔的市场前景。
加速度传感器通过将感受到的加速度以一定比例转化为电信号输出来实现对 外界加速度的测量。按照敏感方式分类，加速度传感器主要包括压阻式、电容式、 压电式、隧道式、谐振式等。压阻式加速度传感器灵敏度较低；压电式加速度传感 器灵敏度高、体积和质量小、性能稳定，但其输出电压灵敏度要受电缆长度的影响， 且不适用于低频加速度的测量；隧道式加速度传感器灵敏度高，但具有制造工艺复 杂、容易损坏等缺点；谐振式加速度传感器灵敏度和分辨率高，但能耗较大。与上 述换能方式相比，电容式加速度传感器具有结构简单、灵敏度和分辨率高、低频响 应好、漂移小、灵敏度温度系数低、能耗低等众多优点，特别由于其结构简单、能 耗低、制造工艺简便且易与CMOS工艺兼容，目前的MEMS加速度传感器多采用 电容式结构。
加速度传感器一般由加速度检测质量块、与质量块相连的弹簧，以及加速度传 感器的框架等组成。当感受到外界加速度时，检测质量块受到的惯性力与弹簧提供 的弹性力平衡，使质量块产生一个相对于加速度传感器框架的位移。电容式加速度 传感器在检测质量块与传感器框架之间形成电容，通过检测位移导致的电容变化来 检测外界加速度的大小。目前已经有的MEMS电容式加速度传感器通常采用弹性梁 作为弹簧，包括两种结构 一种结构是质量块和条状梁构成的质量块-弹簧结构，检 测质量块的移动引起的电容变化，如申请号为200710038123.4的中国专利申请中 公开的结构；另一种结构是质量块上形成多个可动插指，与加速度传感器框架上的
5固定插指相互交叉，检测质量块移动引起这些插指之间的电容变化。虽然这两种结 构都有商用的产品，但它们对器件内的真空度要求较高，且质量块比较小，系统的 品质因数Q往往取决于加速度内部的真空度，这往往限制了在其它方面的应用。并 且，上述两种结构中，检测电容两极板之间为密闭空间，检测质量块运动时，该空 间中的气体无法向别处流动，只能被压縮，系统中气体引起的阻尼较大，弹性行为也比较复杂，Q值也只能通过调节密闭空间气体真空度来调节。 发明内容为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种带声学腔的电容式加速度传感 器。其具有质量块-弹性膜-背极板-传感器框架结构构成，本发明采用质量块与背极 板之间形成空气隙-背极板上制作有阻尼孔-背极板与框架之间形成声学腔的结构，通 过调节背极板上的阻尼孔的大小和在背极板上所占的面积比以及声学腔的容积，可 以控制系统阻尼，并且，声学腔为流动气体提供回路，这样对加速度计内部的真空 度要求比较低，给系统的设计带来较大的灵活性。由此，本发明的一种带声学腔的电容式加速度传感器，包括传感器框架、安 装在框架内的加速度检测结构、以及至少一块制作有阻尼孔和限位凸点的背极板。所述传感器框架为任意形状，框架内装入所述加速度检测结构以及背极板并进 行封闭后，所述加速度检测结构与背极板之间形成空气隙，所述背极板与传感器框 架之间形成声学腔，该声学腔为一个空腔或者二个连通或不连通的空腔，用于形成 流动气体回路，改善系统频率响应，其具体形状由传感器结构及封装决定。所述加速度检测结构由检测质量块和弹性振动膜构成，检测质量块位于传感器 中心位置，弹性振动膜位于其外围，检测质量块的外边界与弹性振动膜的内边界相 连，弹性振动膜的外边界与所述传感器框架相连，该检测质量块和弹性振动膜均为 中心对称图形，二者具有相同的对称中心，并且，所述弹性振动膜是一具有一定厚 度的连续膜，在垂直于其厚度方向有一个对称平面，所述检测质量块和弹性振动膜 均相对于该平面上下对称。这里，构成所述加速度检测结构的所述检测质量块和弹性振动膜一体或者分体 构成，其材质相同或者不同。可以采用一块材料加工制成，也可以采用不同材料制 成，再进行牢固连接。所述检测质量块和弹性振动膜的形状可以为圆形、矩形、正 方形或者正六边形等任意形状。所述背极板为具有一定厚度且刚性较大的板，设置在所述传感器框架与所述加 速度检测结构之间，其边界固定在所述传感器框架上，该背极板上制作有数目众多 并呈特定几何分布的阻尼通孔，用于调节系统阻尼，该阻尼孔为任意形状，其半径、 数目及分布情况根据系统阻尼情况进行调节，所述背极板的与所述检测质量块相对 的表面上制作有柱形或半球形且具有相同高度的限位凸点，用以防止过载时的粘附 或损坏；所述背极板的材料可以任意选择，只要能够实现电路板功能的任何板材均 可，例如可以采用印制电路板，也可以采用阳极键合玻璃板。
所述检测质量块与所述背极板上下平行并且相对，并且，在相对的检测质量块 的表面和背极板的表面上分别形成有检测电容的可动电极和固定电极，两电极正对 并且之间形成1 100微米的所述空气隙。
另外，为了进一步保障和维持加速度传感器内部的真空度，在构成声学腔的所 述传感器框架的内侧还设置有气体吸附材料层。
所述背极板可以设置一块或者两块。当背极板只有一块时，可以设置在所述加 速度检测结构的上方或者下方。在设置有两块背极板的结构中，加速度传感器一般 可采用差分电容结构进行检测。检测质量块与两块背极板形成三明治夹心结构。检 测质量块位于中间，其上下两个表面上分别形成有差分电容的可动电极，两块背极 板的与检测质量块相对的表面上分别形成差分电容的两个固定电极，其制作有限位 凸点的表面与检测质量块的表面相对，并且，所述检测质量块的上下表面上的可动 电极与上下两块背极板上的固定电极之间形成的两个空气间隙宽度相等。该结构中， 所述检测质量块的上下两个表面上形成的差分电容活动电极大小相等且电学连通， 所述背极板上形成的差分电容固定电极大小也相等。且所述活动电极和固定电极正 对以提高灵敏度。另外，所述差分电容的固定电极和可动电极都由导电通孔引出到 背极板无限位凸点的一表面，方便与后续信号处理电路连接。
另外，为了进一步降低阻尼、提高性能，在上述结构中，还可以在所述加速度 检测结构的检测质量块上进一步打上通孔，使声学腔连通。
另外，所述加速度检测结构可以采用单晶硅加速度检测结构，由高电导率单晶 硅片或者普通单晶硅片制成，经过包括高温氧化、光刻图形化、去热氧、体刻蚀的 MEMS工艺步骤制得，所述硅片厚度为100 1000微米，采用n或p+掺杂或不掺杂。本发明的带声学腔的电容式加速度传感器的优点在于(1) 采用中心对称的振动膜为质量块提供弹性，使质量块在振动膜所在平面内 任何方向的受力是均匀的，有利于降低加速度传感器的交叉轴干扰和灵敏度温度系 数。(2) 采用了背极板阻尼孔和声学腔结构，使检测电容之间的气体可以流动，使 气体造成的阻尼减小，弹性行为也变得简单，而且对器件内部的真空度要求较低， 使器件的Q值容易调节，例如可以通过调节背极板上阻尼孔的数量和分布、声学腔 体积等来调节Q值，对真空度的要求不会像其他MEMS电容式加速度传感器那么高， 给器件的设计带来较大的灵活性。(3) 采用了限位凸点结构，有利于防止加速度传感器的过载时候的粘附和损坏， 并使过载后易于恢复工作。(4) 声学腔内有气体吸附材料，以便保障和维持加速度传感器内部的真空度。
图1是本发明的带声学腔的电容式加速度传感器实施例之一的具有一块背极板 结构的剖视图。图2是本发明的带声学腔的电容式加速度传感器实施例之一的具有两块背极板 结构的剖视图。图3是本发明的带声学腔的电容式加速度传感器实施例之一的具有气体吸附材 料结构的剖视图。图4是本发明的带声学腔的电容式加速度传感器实施例之一的质量块上具有阻 尼孔结构的剖视图。图5是本发明的带声学腔的电容式加速度传感器实施例之一的基于MEMS工艺 的差分单晶硅加速度传感器的剖视图。图6是图5所示结构中的背极板的仰视图。附图标识11检测质量块12弹性振动膜15检测质量块上表面的电极，差分电容的可动电极之一 16检测质量块下表面的电极，差分电容的可动电极之二 21背极板22背极板21上的阻尼孔23背极板21上的限位凸点
25背极板21上的电极，差分电容的固定电极之一 31背极板，与背极板21结构完全相同 32背极板31上的阻尼孔 33背极板31上的限位凸点
35背极板31上的电极，差分电容的固定电极之二
41加速度传感器的框架
42a加速度传感器的声学腔(上半部分)
42b加速度传感器的声学腔(下半部分)
44a电极15与电极25之间的空气隙
44b 电极16与电极35之间的空气隙
45a声学腔42a中的气体吸附材料
45b声学腔42b中的气体吸附材料
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的带声学腔的电容式加速度传感器进行详 细的说明。
本发明提供一种带声学腔的电容式加速度传感器的结构设计方式，采用连续的 振动膜提供弹性回复力，采用阻尼孔调节系统阻尼，采用声学腔为流动气体提供回 路，进一步改善系统频率响应。比起常见的MEMS电容式加速度传感器，本发明具 有结构参数容易设计、灵敏度大、交叉轴干扰和灵敏度温度系数小、抗过载能力强 等优势。
由此，本发明的带声学腔的电容式加速度传感器，包括传感器框架、安装在 框架内的加速度检测结构、以及至少一块制作有阻尼孔和限位凸点的背极板。
传感器框架为任意形状，框架内装入所述加速度检测结构以及背极板，进行封 闭后，所述加速度检测结构与背极板之间形成空气隙，所述背极板与传感器框架之 间形成声学腔，该声学腔为一个空腔或者二个连通或不连通的空腔，用于形成流动 气体回路，改善系统频率响应，其具体形状由传感器结构及封装决定。
加速度检测结构由检测质量块和弹性振动膜构成，检测质量块位于传感器中心
9位置，弹性振动膜位于其外围，检测质量块的外边界与弹性振动膜的内边界相连， 弹性振动膜的外边界与传感器框架相连，该检测质量块和弹性振动膜均为中心对称 图形，二者具有相同的对称中心，并且，弹性振动膜是一具有一定厚度的连续膜， 在垂直于其厚度方向有一个对称平面，检测质量块和弹性振动膜均相对于该平面上 下对称。这里，构成所述加速度检测结构的所述检测质量块和弹性振动膜一体或者分体 构成，其材质可以相同也可以不同。检测质量块和弹性振动膜的形状可以为圆形、 矩形、正方形或者正六边形等任意形状。背极板为具有一定厚度且刚性较大的板，设置在所述传感器框架与所述加速度 检测结构之间，其边界固定在传感器框架上，该背极板上制作有数目众多并呈特定 几何分布的阻尼通孔，该阻尼通孔为任意形状，其半径、数目及分布情况可以根据 系统阻尼情况进行调节，背极板的与检测质量块相对的表面上制作有柱形或半球形 且具有相同高度的限位凸点。检测质量块与背极板上下平行并且相对，并且，两个相对的检测质量块的表面 和背极板的表面上分别形成有检测电容的可动电极和固定电极，两电极正对并且之 间形成1 100微米的空气隙。下面参照具体实施例对本发明的带声学腔的电容式加速度传感器做进一步详细 的叙述。实施例1-图1是本发明的带声学腔的电容式加速度传感器实施例之一的具有一块背极板 结构的剖视图。如图1所示，本实施例提供的一种电容式加速度传感器，包括由 检测质量块11和弹性振动膜12构成的加速度检测结构10，制作有阻尼孔22和限位 凸点23的背极板21，以及加速度传感器框架41。在垂直于运动方向的平面内，检测质量块11位于传感器中心位置，其边界与弹 性振动膜12的内边界相连，弹性振动膜12位于检测质量块11的外围，其外边界与 传感器框架41的内边界相连。检测质量块11和弹性振动膜12均为中心对称图形， 二者具有相同的对称中心。弹性振动膜12是一块具有一定厚度的连续膜，在垂直于其厚度方向有一个对称 平面，检测质量块11和弹性振动膜12均相对于该平面上下对称。背极板21为具有一定厚度且刚性较大的板，设置在检测质量块11的上方，其 边界固定在传感器框架41上。背极板21上有数目众多并呈特定几何分布的阻尼通 孔22。背极板的下表面上制作有限位凸点23，限位凸点23为柱形或半球形，所有 的限位凸点具有相同高度。由此，在框架41内装入了加速度检测结构10以及背极 板21并进行封闭后，其内部在背极板21与传感器框架41之间形成的空腔称为声学 腔42a，用于形成空气流动回路。检测质量块11与背极板21上下平行，检测质量块11的上表面上形成检测电容 的可动电极15,背极板21的下表面上形成检测电容的固定电极25。为提高传感器 灵敏度，电极15和25应尽量正对。电极15和25之间形成空气隙44a，空气隙44a 的宽度为1~100微米。需要说明的是，这里列举了将背极板21设置在加速度检测质量块11上方的情 况，也可以将背极板21设置在质量块11的下方，也可以实现同样的功能。本实施例提供的加速度传感器，采用中心对称的振动膜为质量块提供弹性，使 质量块在振动膜所在平面内任何方向的受力是均匀的，有利于降低加速度传感器的 交叉轴干扰和灵敏度温度系数。并且采用了背极板阻尼孔和声学腔结构，对器件内 部的真空度要求较低，且对器件的设计带来较大的灵活性。另外，背极板上设置限 位凸点的结构，有利于防止加速度传感器的过载时候的吸附，并使过载后易于恢复 工作。实施例2:图2是本发明的带声学腔的电容式加速度传感器实施例之一的具有两块背极板 结构的剖视图。如图2所示，该实施例的电容式加速度传感器，包括由检测质量 块11和弹性振动膜12构成的加速度检测结构10;两块背极板21和31;以及加速 度传感器框架41等结构组成。其中，在传感器框架41内安装了质量块ll、振动膜 12、背极板21以及背极板31，并进行封闭之后形成的上下两个不相通的背极板21 与框架41之间的空腔以及背极板31与框架41之间的空腔即为声学腔42a以及声学 腔42b。在垂直于运动方向的平面内，检测质量块ll位于传感器中心位置，其边界与弹 性振动膜12的内边界相连，弹性振动膜12位于检测质量块11的外围，其外边界与 传感器框架41的内边界相连。所述检测质量块11和弹 振动膜12均为中心对称图形，二者具有相同的对称中心。弹性振动膜12是一块具有一定厚度的连续膜，在垂直于其厚度方向有一个对称 平面，为降低传感器的交叉轴干扰和灵敏度温度系数，检测质量块ll和弹性振动膜 12应相对于该平面上下对称。背极板21为具有一定厚度且刚性较大的板，设置在检测质量块11的上方，其 边界固定在传感器框架41上。背极板21上有数目众多并呈特定几何分布的阻尼通 孔22。背极板21的下表面上制作有限位凸点23,限位凸点23为柱形或半球形，所 有的限位凸点具有相同高度。背极板21的下表面还形成检测电容的固定电极25，电 极25由过孔引出到背极板21的上表面以进行信号连接。背极板31设置在检测质量 块11的下方，其结构与背极板21完全相同，相对称地进行设置。该实施例的加速度传感器采用差分电容方式进行检测。质量块ll的上表面与背 极板21的下表面平行，质量块11的下表面和背极板31的上表面平行，且形成的两 个空气隙44a和44b宽度相等。质量块ll的上下两个表面上分别形成检测电容的可 动电极15和可动电极16，且两个表面上的电极为电学连通。为提高传感器灵敏度， 质量块两个表面上的电极15和16分别与背极板上的固定电极25和35尽量正对。本实施例提供的加速度传感器，通过在实施例1所示结构的基础上再增加一块 背极板，采用差分电容方式进行检测，有利于进一步提高加速度传感器的灵敏度， 降低其灵敏度温度系数。图3是本发明的带声学腔的电容式加速度传感器实施例之一的具有气体吸附材 料结构的剖视图。如图3所示，在上述图2所示结构的基础上，为了保障和维持加 速度传感器内部的真空度，还可以进一步在构成声学腔42a和42b的传感器框架41 的相应内侧面上设置有气体吸附材料45a和45b。实施例3:图4是本发明的带声学腔的电容式加速度传感器实施例之一的质量块上具有阻 尼孔结构的剖视图。如图4所示，本实施例提供的电容式加速度传感器，包括检 测质量块ll、弹性振动膜12、背极板21和31、以及加速度传感器框架41。在垂直于运动方向的平面内，检测质量块11和弹性振动膜12均为中心对称图 形，二者具有相同的对称中心。检测质量块ll位于传感器中心位置，其边界与弹性 振动膜12的内边界相连，弹性振动膜12位于检测质量块11的外围，其外边界与传感器框架41的内边界相连。
为了进一步降低系统阻尼，调整系统参数，检测质量块11上制作有通孔111。所述通孔111的形状、尺寸、数量、分布等可由本领域技术人员设计确定。由此，当在框架内41装入加速度检测结构10以及背极板21和31并封闭后，其内部形成的背极板21与框架41之间的空腔以及背极板31与框架41之间的空腔即为上下相通的声学腔42a、 42b，用于提供气体流动回路，其上下连通有利于保持质量块两端真空度的一致，从而改善系统频率响应。弹性振动膜12是一块具有一定厚度的连续膜，在垂直于其厚度方向有一个对称平面，为降低传感器的交叉轴干扰和灵敏度温度系数，检测质量块11和弹性振动膜12相对于该平面上下对称。
背极板21为具有一定厚度且刚性较大的板，其边界固定在传感器框架41上。背极板21上有数目众多并呈特定几何分布的阻尼通孔22。背极板21的下表面上制作有限位凸点23，限位凸点23为柱形或半球形，所有的限位凸点具有相同高度。背极板21的下表面还形成检测电容的固定电极25，电极25由过孔引出到背极板21的上表面以进行信号连接。背极板31的结构与背极板21的完全相同，相对称地进行设置。
加速度传感器采用差分电容方式进行检测。质量块11的上表面与背极板21的下表面平行，质量块11的下表面和背极板31的上表面平行，且形成的两个空气隙44a、 44b宽度相等。质量块11的上下两个表面上分别形成检测电容的可动电极15和16，且两个表面上的电极为电学连通。为提高传感器灵敏度，质量块两个表面上的电极15和16分别与背极板21以及31上的固定电极25和35尽量正对。
本实施例提供的加速度传感器，通过在检测质量块上进一步制作通孔，使得上下两个声学腔42a和42b相通，从而能够进一步降低系统阻尼，调整系统参数。为加速度传感器的设计提供了更大的灵活性。
这里需要说明的是，本实施例通过在检测质量块上打通孔来进一步降低系统阻尼，并且使上下两个声学腔相通，从而保持检测质量块两侧的真空度一致，改善系统频率响应，但也可以通过在其他位置打孔，例如在框架上打孔来实现这一目的。无论在哪里打通孔，对于保持真空度的一致都具有相同的作用。只是在质量块上打通孔本身还有降低系统阻尼的作用。
13实施例4:
图5是本发明的带声学腔的电容式加速度传感器实施例之一的基于MEMS工艺的差分单晶硅加速度传感器的剖视图。图6是图5所示结构中的背极板21的仰视图。如图5和图6所示，本实施例提供的一种带声学腔的基于MEMS工艺的电容式加速度传感器，包括(l)单晶硅加速度检测结构10; (2)制作有阻尼孔22和限位凸点23的印制电路背极板21; (3)背极板21上的电极24、 25，过孔26a、 26b，引线27a、27b，和焊盘28a、 28b; (4)与背极板21结构完全相同的背极板31; (5)加速度传感器框架41。背极板21和31与单晶硅加速度检测结构10装配后，固定于框架41中即可制得该加速度传感器。封闭后其内部形成了两个上下不相通的空腔即为声学腔42a、 42b。
所述单晶硅加速度检测结构10可以由高电导率单晶硅片或者普通单晶硅片制成，例如，在本实施例中采用高电导率单晶(100)取向硅片，经过高温氧化、光刻图形化、去热氧、体刻蚀等MEMS工艺步骤制得。所述硅片厚度一般为100~1000微米，采用n或p+摻杂。本领域的技术人员也可根据设计需要选择合适的硅晶片厚度及掺杂方式。
所述单晶硅加速度检测结构10也可以采用普通的不掺杂单晶(100)取向硅片制成，其结构和工艺步骤与上述掺杂硅片基本相同，只是在结构制成之后应在其上下两面形成合适的电极以引出信号。
所述加速度检测结构IO包括三个部分，即外围的单晶硅支撑结构13、弹性振动膜12和中心的单晶硅加速度检测质量块11。
所述单晶硅支撑结构13仰视图为圆环形，用于支撑加速度检测结构并与印制电路背极板21、 31贴合，其厚度约与所述单晶(100)取向硅片相同。
所述单晶硅弹性振动膜12仰视图为圆环形，单晶硅加速度检测质量块11仰视图为圆形，二者由所述单晶(100)取向硅片经过体刻蚀加工而成。单晶硅加速度检测质量块11与所述单晶硅弹性振动膜12具有相同的几何中心，单晶硅弹性振动膜12的外边界与所述单晶硅支撑结构13的内边界相连，内边界与所述单晶硅加速度检测质量块11的外边界相连。
另外，所述单晶硅支撑结构13、单晶硅弹性振动膜12和单晶硅加速度检测质量块ll的仰视图也可为矩形、正方形、正六边形等其他形状，本领域的技术人员可以根据设计需要和工艺条件进行选择。由于双面体刻蚀加工的原因，所述加速度检测结构10以厚度方向的中心平面镜像对称。其中，所述单晶硅支撑结构13的厚度约等于所述单晶(100)取向硅片的厚度。所述单晶硅加速度检测质量块ll的厚度较所述单晶(100)取向硅片的厚度薄，其上下表面与所述单晶硅支撑结构13的上下表面的垂直距离各约为1~100微米。所述单晶硅弹性振动膜12的厚度为5~500微米。上述距离和厚度也可以根据结构设计需要进行调整。
所述印制电路背极板21为一具有一定厚度且刚度较大的印制电路板，其仰视图如图6所示(设有电极25的一面为正面，背面电极结构用虚线表示)。所述背极板21上制作有一定数量及分布的阻尼孔22,以及一定数量的限位凸点23。在其下表面镀有电极25。该电极25作为差分电容的一个固定电极使用，并与贯穿背极板21的过孔26a连接。过孔26a的另一端与背极板21上表面的引线27a连接，从上表面的焊盘28a引出信号。
背极板21上的过孔26b结构与过孔26a完全相同，它连接下表面上的电极24，并进一步与加速度检测结构IO连通，它的另一端位于上表面，连接引线27b和焊盘28b，用以提供偏置电压及引出信号。差分电容的另一个信号引出端口是第二背极板31上的引出电极38。所述背极板31与背极板21的结构完全相同。
所述电极25、 24的形状和面积，所述阻尼孔22的形状、大小和分布，所述限位凸点23的形状、尺寸和高度，所述过孔26a、 26b的大小，均可由本领域技术人员根据需要进行设计。
所述单晶硅加速度检测结构10、背极板21、 31准备好以后，即可进行装配而获得所述加速度传感器。装配时须将单晶硅加速度检测结构10上的检测质量块11与背极板21、 31上的电极25、 35分别正对。将单晶硅加速度检测结构10上的单晶硅支撑环13与背极板21、 31上的电极24、 34贴合并进行良好的电学连通。随后可用螺钉或粘接剂，将单晶硅加速度检测结构IO置于中间，将两背极板21、 31置于上下，进行牢固固定。再将固定后的结构引出信号到后续电路，并安装于加速度传感器框架41中。
本实施例提供的带声学腔的基于MEMS工艺的电容式加速度传感器，采用差分电容进行检测，其中差分电容可动电极为单晶硅加速度检测质量块11 (或其上形成的电极)，差分电容固定电极为印制电路背极板21、 31上的电极25、 35。本实施例提供的电容式加速度传感器，其加速度检测结构通过成熟的MEMS工艺制作而成，可以精确控制其质量块和弹性振动膜尺寸、厚度、差分电容空气隙宽度等各项参数， 另外，差分电容可动电极与固定电极间的空气隙宽度可以减小至10微米以下，可以 尽量提高其灵敏度。
本实施例提供的带声学腔的基于MEMS工艺的电容式加速度传感器，具有结构 和制作工艺简单，参数容易精确控制、灵敏度大、分辨率高、抗过载能力强、交叉 轴干扰和灵敏度温度系数小等优点。
实施例5:
本实施例提供的带声学腔的基于MEMS工艺的加速度传感器，其结构与实施例 4提供的加速度传感器结构类似。其中，单晶硅加速度检测结构完全相同。只是背极 板材料从印制电路板变为阳极键合玻璃板(如Pyrex玻璃)。所述玻璃板厚度为 100~1000微米，通过超声打孔工艺在玻璃板上形成阻尼通孔，通过电镀工艺在玻璃 板上形成过孔电极，通过蒸镀或溅射工艺在玻璃板上形成引线、焊盘及差分电容电 极。通过lift-off工艺在玻璃板上形成限位凸点。
单晶硅加速度检测结构和背极板制备完成后，可以通过阳极键合工艺将二者键 合起来，形成三明治差分电容检测结构，再将该结构封装好，形成声学腔，并与后 续电路连接。
所述打孔、形成过孔电极、形成限位凸点及键合工艺不限于本实施例提到的工 艺，本领域的技术人员也可以通过其他工艺实现相同的结构。
本实施例提供的加速度传感器，完全采用MEMS加工工艺制作，可以进一步提 高灵敏度，减小传感器体积，精确控制检测电容的空气隙宽度，实现与后续电路的 集成，并可以实现小型化。
1权利要求
1、一种带声学腔的电容式加速度传感器，其特征在于，包括传感器框架、安装在框架内的加速度检测结构、以及至少一块制作有阻尼孔和限位凸点的背极板，所述传感器框架为任意形状，框架内装入所述加速度检测结构以及背极板并进行封闭后，所述加速度检测结构与背极板之间形成空气隙，所述背极板与传感器框架之间形成声学腔，该声学腔为一个空腔或者二个连通或不连通的空腔，用于形成流动气体回路，改善系统频率响应；所述加速度检测结构由检测质量块和弹性振动膜构成，检测质量块位于传感器中心位置，弹性振动膜位于其外围，检测质量块的外边界与弹性振动膜的内边界相连，弹性振动膜的外边界与所述传感器框架相连，该检测质量块和弹性振动膜均为中心对称图形，二者具有相同的对称中心，并且，所述弹性振动膜是一具有一定厚度的连续膜，在垂直于其厚度方向有一个对称平面，所述检测质量块和弹性振动膜均相对于该平面上下对称；所述背极板为具有一定厚度且刚性较大的板，设置在所述传感器框架与所述加速度检测结构之间，其边界固定在所述传感器框架上，该背极板上制作有数目众多并呈特定几何分布的阻尼通孔，该阻尼通孔为任意形状，其半径、数目及分布情况根据系统阻尼情况进行调节，所述背极板的与所述检测质量块相对的表面上制作有柱形或半球形且具有相同高度的限位凸点；所述检测质量块与所述背极板上下平行并且相对，并且，在相对的检测质量块的表面和背极板的表面上分别形成有检测电容的可动电极和固定电极，两电极正对并且之间形成1～100微米的所述空气隙。
2、 如权利要求l所述的带声学腔的电容式加速度传感器，其特征在于，构成所 述加速度检测结构的所述检测质量块和弹性振动膜的形状为圆形、矩形、正方形或 者正六边形的任意形状， 一体或者分体构成，其材质相同或者不同。
3、 如权利要求l所述的带声学腔的电容式加速度传感器，其特征在于，所述加 速度检测结构的检测质量块上进一步制作有通孔，从而使所述声学腔形成连通，以 进一步降低系统阻尼以及调整系统参数。
4、 如权利要求l所述的带声学腔的电容式加速度传感器，其特征在于，所述背 极板具有一块，设置在所述加速度检测结构的上方或者下方。
5、 如权利要求1所述的带声学腔的电容式加速度传感器，其特征在于，所述背 极板具有两块，间隔所述空气隙相对称地设置在所述检测质量块的两侧，所述检测质量块的上下两个表面上均形成有差分电容活动电极，大小相等且电 学相通，各所述背极板的与所述检测质量块相对的表面上分别形成有差分电容固定电 极，且大小相等。
6、 如权利要求l所述的带声学腔的电容式加速度传感器，其特征在于， 所述加速度检测结构采用单晶硅加速度检测结构，由高电导率单晶硅片或者普通单晶硅片制成，经过包括高温氧化、光刻图形化、去热氧、体刻蚀的MEMS工艺 步骤制得，所述硅片厚度为100 1000微米，采用n或p+掺杂或不掺杂；该单晶硅加速度检测结构关于厚度方向的中心平面镜像对称，包括三个部分 位于外围的单晶硅支撑结构以及弹性振动膜和位于中心的单晶硅加速度检测质量 块，所述单晶硅支撑结构，用于支撑加速度检测结构并与背极板贴合，其厚度约与 所述单晶硅片相同；所述单晶硅弹性振动膜和单晶硅加速度检测质量块由所述单晶硅片经过体刻蚀 加工而成，所述单晶硅加速度检测质量块与所述单晶硅弹性振动膜具有相同的几何 中心，所述单晶硅弹性振动膜的外边界与所述单晶硅支撑结构的内边界相连，内边 界与所述单晶硅加速度检测质量块的外边界相连；所述单晶硅支撑结构、单晶硅弹性振动膜和单晶硅加速度检测质量块的形状为 圆形、矩形、正方形或者正六边形的任意形状，根据设计需要和工艺条件进行选择，所述背极板具有两块，间隔所述空气隙对称地设置在所述加速度检测结构的上 下方，两块背极板上分别制作有一定数量及分布的阻尼孔，并且，在其各自的与所 述单晶硅加速度检测质量块相对的表面上制作有一定数量的限位凸点并镀有电极， 该电极作为差分电容的一个固定电极使用，并与贯穿背极板的过孔连接，过孔的另 一端与背极板的另一面的引线连接，从该面上的焊盘引出信号，另外，在两块背极板的与所述单晶硅支撑结构相对应的表面上还设置有另外的 电极，该电极也同样通过过孔与背极板另一面上的引线以及焊盘连接，用以提供偏 置电压及引出信号。
7、 如权利要求6所述的带声学腔的电容式加速度传感器，其特征在于，所述单 晶硅加速度检测质量块的上下表面与所述单晶硅支撑结构的上下表面间的垂直距离 各约为1~100微米，所述单晶硅弹性振动膜的厚度为5~500微米。
8、 如权利要求1 7中任意一项所述的带声学腔的电容式加速度传感器，其特征在于，所述传感器框架的内侧还设置有气体吸附材料层。
9、 如权利要求1 7中任意一项所述的带声学腔的电容式加速度传感器，其特 征在于，所述背极板的材料为印制电路板或者阳极键合玻璃板。
10、 如权利要求9所述的带声学腔的电容式加速度传感器，其特征在于，所述 阳极键合玻璃板为Pyrex玻璃，厚度为100~1000微米，通过超声打孔工艺在玻璃板 上形成阻尼通孔，通过电镀工艺在玻璃板上形成过孔电极，通过蒸镀或溅射工艺在 玻璃板上形成引线、焊盘及差分电容电极，通过lift-off工艺在玻璃板上形成限位凸 点。
全文摘要
本发明提供一种带声学腔的电容式加速度传感器。包括传感器框架、由检测质量块和弹性振动膜构成的加速度检测结构、和带有阻尼孔和限位凸点的背极板。检测质量块位于加速度传感器中心位置，通过四周的弹性振动膜与传感器框架相连接；背极板上制作的阻尼孔用以调节系统阻尼，限位凸点用以防止过载时的粘附或损坏；检测质量块与背极板相互平行，且在各相对的表面上分别形成有检测电容；框架内装入加速度检测结构以及背极板封闭后其内部形成声学腔可以改善频率响应。本发明的传感器结构，对加速度传感器的真空度要求较低，且通过改变阻尼孔的密度和大小、声学腔的体积等可以调节系统的品质因数Q等重要参数，给设计和制造带来较大的灵活性。
文档编号G01P15/125GK101644718SQ20091008793
公开日2010年2月10日 申请日期2009年7月2日 优先权日2009年7月2日
发明者乔东海, 庆 何, 游庆瑜, 索智群, 敏 齐 申请人:中国科学院声学研究所