一种嵌入u形梁的带自标功能的微惯性传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于微电子机械技术领域，涉及一种微惯性传感器，具体涉及一种嵌入U形梁的含自我标定功能的高精度微惯性传感器。
【背景技术】
[0002]最近十几年来，用微机械技术制作的加速度计得到了迅速的发展，主要有光加速度计、电磁加速度计、电容加速度计等。在这些传感器中，电容式加速度传感器，由于具有温度系数小，灵敏度高，稳定性好等优点，是目前研制的最多的一类加速度传感器。随着加速度传感器的发展，加速度传感器的标定方法也得到了迅速的发展。对加速度传感器的常用标定方法有Ig动态翻滚试验、高g值离心机试验、振动冲击试验等。传统标定加速度传感器时需要使传感器收到已知的惯性力的作用，观察记录传感器输出信号与外界加速度的关系。这种标定方法往往需要高精度的仪器提供加速度信号，费用比较昂贵，而且操作复杂，后来陆续有人研究用静电力对传感器进行自我标定，代替外界加速度产生的惯性力，可以降低成本，但产生静电力时所施加的电压易超过加速度传感器的工作电压。
【发明内容】
[0003]本实用新型的目的在于提供一种嵌入U形梁的含自我标定功能的高精度微惯性传感器。
[0004]本实用新型提供的电容式微惯性传感器包括玻璃衬底、敏感器质量块、驱动器质量块、固定驱动硅条和驱动导线。
[0005]敏感器质量块分为条形敏感器质量块和一对栅形敏感器质量块。条形敏感器质量块由矩形块和条形敏感器质量块矩形凸起组成，条形敏感器质量块的两对应端通过敏感器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。一对栅形敏感器质量块分别位于条形敏感器质量块两侧，每个栅形敏感器质量块由纵向等间距、横向平行的栅形电极以及栅型敏感器质量块矩形凸起组成，其纵向长度和条形敏感器质量块的主体长度相同；栅形敏感器质量块矩形凸起和条形质量块矩形凸起相对，形成电容调整间隙。栅形敏感器质量块的两个对应端分别设置有两组矩形硅条组，每组硅条组包括平行设置的m条硅条，m多2，栅形敏感器质量块两端的硅条数目相同、位置对应，硅条与栅形敏感器质量块侧边垂直；栅形敏感器质量块对应玻璃衬底一面刻蚀有与矩形硅条平行的矩形栅条形井。栅形敏感器质量块和条形敏感器质量块通过两对位于栅形敏感器质量块和条形敏感器质量块之间的U形敏感器连接梁相连，该两对U形敏感器连接梁沿着条形敏感器质量块的横向中心线对称设置。
[0006]敏感器质量块的两侧分别设置有两个驱动器质量块；所述的驱动器质量块为矩形硅片，驱动器质量块的两对应端通过驱动器U形支撑梁与锚点连接，驱动器锚点固定设置在玻璃衬底上，驱动器质量块与玻璃衬底平行设置；每个驱动器质量块的一侧设置有m个驱动器驱动硅条，另一侧设置有m个质量块驱动硅条，所述的质量块驱动硅条为梳齿状，齿上刻蚀有凹形阻尼条，质量块驱动硅条与敏感器质量块连接的矩形硅条平行、位置对应，敏感器质量块连接的矩形硅条与对应的质量块驱动硅条组成质量块驱动电容；驱动器质量块中间刻有方环形槽。
[0007]两个梳齿状的固定驱动硅条固定设置在玻璃衬底上，每个固定驱动硅条的梳齿条与驱动器驱动硅条位置对应；固定驱动硅条的梳齿条与对应的驱动器驱动硅条的组成驱动器驱动电容；两个固定驱动硅条通过玻璃衬底表面上的引线与驱动器外部连接锚点连接。
[0008]驱动导线共有两根，分别纵向设置于相应的栅形敏感器质量块的内侧边框上，每根驱动导线的一端通过沿对应的敏感器连接梁和敏感器U型硅支撑梁上所铺设的金属导线引出电极连接。驱动导线以及连接驱动导线与电极之间的连接线与敏感器栅质量块对应部分之间设置有电绝缘层。
[0009]玻璃衬底表面对应两个敏感器锚点位置设置有两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叉指铝电极，敏感器质量块上刻蚀的栅条形井的长条边与叉指铝电极中的每对叉指相对应。
[0010]本实用新型专利基本的构思是设计嵌入U形梁的带有自我标定功能的高精度微惯性传感器，同时增大传感器的标定范围。传感器质量块驱动电容的初始设计间距较大，从而解决深反应离子刻蚀深宽比小于30:1对传感器振子的质量不能做厚的限制，而后通过驱动器减小了电容极板间距，从而增大了传感器的初始质量块驱动电容以增大传感器的标定范围，再在驱动器上施加电压，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，实现自我标定功能。同时，通过磁场驱动栅形敏感器质量块，减小检测电容间距，从而增大传感器的初始检测电容，提高传感器精度，降低检测电路噪声。本实用新型专利还在敏感器质量块上刻蚀栅形条井，并和衬底上的叉指铝电极组成差分检测电容降低了电路噪声，且栅条形井和玻璃衬底上叉指间的差动表现为滑膜阻尼特性，从而也减小了布朗噪声。本实用新型专利通过在驱动器的质量块驱动硅条上刻蚀凹形阻尼条来减小压膜空气阻尼从而减小机械噪声。另外，通过改变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。
[0011]本实用新型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，而通过驱动器减小了电容极板间距，并在驱动器的质量块驱动硅条上刻蚀阻尼条，增大了质量块驱动电容，减少了质量块驱动电压，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新增的栅形条井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，同时也增大了检测电容。
[0012]本实用新型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。
【附图说明】
[0013]图1为实用新型的玻璃衬底及表面上的结构示意图；
[0014]图2为本实用新型结构俯视图；
[0015]图3为本实用新型的栅条形井的剖面图。
【具体实施方式】
[0016]以下结合实施例和附图对本实用新型进一步说明，但本实用新型决非仅限于所介绍的实施例。
[0017]如图1、2和3所示，一种嵌入U形梁的带自我标定的微惯性传感器包括玻璃衬底1、敏感器质量块20、驱动器质量块14、固定驱动硅条16和驱动导线29。
[0018]敏感器质量块分为条形敏感器质量块35和一对栅形敏感器质量块20。条形敏感器质量块35由矩形块34和条形敏感器质量块矩形凸起31组成，条形敏感器质量块35的两对应端通过敏感器U型硅支撑梁18与敏感器锚点19连接，敏感器锚点19固定设置在玻璃衬底I上。一对栅形敏感器质量块20分别位于条形敏感器质量块35两侧，每个栅形敏感器质量块20由纵向等间距、横向平行的栅形电极21、22以及栅型敏感器质量块矩形凸起32组成，其纵向长度和条形敏感器质量块的主体长度相同；栅形敏感器质量块矩形凸起32和条形质量块矩形凸起31相对，形成电容调整间隙33。栅形敏感器质量块20的两个对应端分别设置有两组矩形硅条组，每组矩形硅条组包括平行设置的m条硅条23，m ^ 2，栅形敏感器质量块20两端硅条23的数量相同、位置对应，硅条23与栅形敏感器质量块20的侧边垂直；栅形敏感器质量块20对应玻璃衬底一面等间距刻蚀有与硅条23平行的12个矩形栅条形井22 ;敏感器质量块和外部封装的连接通过玻璃衬底I上的敏感器质量块焊点5来实现，栅形敏感器质量块20下表面的栅条形井的长条边21位于衬底叉指铝电极9组成的电极对的正上方。栅形敏感器质量块20和条形敏感器质量块35通过两对位于栅形敏感器质量块20和条形敏感器质量块35之间的U形敏感器连接梁30相连，该两对U形敏感器连接梁30沿着条形敏感器质量块35的横向中心线对称设置。
[0019]敏感器质量块的两侧分别设置有两个驱动器质量块14，驱动器质量块14为矩形硅片，驱动器质量块14的两对应端通过驱动器U形硅支撑梁10与驱动器锚点17连接，驱动器锚点17固定设置在玻璃衬底I上，驱动器质量块14与玻璃衬底I平行设置；每个驱动器质量块14的一侧设置有2个驱动器驱动硅条11，另一侧设置有2个质量块驱动硅条25，其中质量块驱动硅条25上刻蚀有凹形阻尼条24，以降低压膜空气阻尼，质量块驱动硅条25与敏感器质量块20连接的矩形硅条23平行、位置对应，敏感器质量块连接的矩形硅条23与对应的质量块驱动硅条25组成质量块驱动电容；驱动器质量块14与矩形孤岛13之间形成方形环槽12。敏感器质量块两侧对应的驱动器质量块14通过玻璃衬底I表面上的引线8与焊点4连接。
[0020]两个梳齿状的固定驱动