基于滑膜阻尼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，具体涉及一种含双栅形振子对利用空气滑膜阻尼的高分辨率微惯性传感器。
【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。其主要的加速度检测技术有压阻检测、压电检测、热检测、共振检测、电磁检测、光检测、隧道电流检测和电容检测等。此外，还有一些基于这些检测技术的加速度计，如光加速度计、电磁加速度计、电容加速度计等。光加速度计的发展主要是为了结合光和微机械的优点，制作高电磁屏蔽或者好线性度的传感器。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。微机械电容式传感器的制造方法有表面微机械加工方法和体硅微机械加工方法。采用表面微机械加工工艺可以和集成电路工艺兼容，从而集成传感器的外围电路，成本低，但是传感器的噪声大、稳定性差，量程和带宽小。采用体硅微机械加工工艺可以提高传感器芯片的质量，从而降低噪声，改善稳定性，提高灵敏度。缺点是体积稍大，但可以制作出超高精度的微机械惯性传感器。为了得到较高的测量灵敏度和减小外围电路的复杂性，可以通过增加传感器振子的质量和增大传感器的静态测试电容的方法，从而减小机械噪声和电路噪声。而对于用体硅工艺如深反应粒子刻蚀(D^p RIE )加工的梳齿状的电容式传感器，其极板电容的深宽比一般小于27:1，这就限制了传感器振子的质量增加和电容极板间距的减小。而对于小间距极板电容，其压膜空气阻尼较大，增大了传感器的机械噪声。减小该机械噪声可以通过在极板上刻蚀阻尼条，或把电容改为变面积的方式，使阻尼表现为滑膜阻尼，而减小电路噪声的方法之一便是通过增大检测电容。
【发明内容】
[0003]本实用新型的目的在于提供一种含栅形振子对、振子上嵌入了横向可动电极利用空气滑膜阻尼的高分辨率微惯性传感器。
[0004]本实用新型包括第一基板及其上表面的检测用交叉梳齿状固定对电极、固定于第一基板上的敏感器锚点、固定质量块锚点、第二基板的悬于第一基板上方的条形敏感器质量块、将敏感器锚点和条形敏感器质量块相连的U形敏感器支撑梁、外侧连接梳形可动电极的双栅形振子对、将条形敏感器质量块和双栅形振子对相连的U形敏感器连接梁、固定质量块上的梳形固定电极、敏感器外部引出电极、电绝缘层、驱动导线和驱动导线引出电极。
[0005]所述的条形敏感器质量块位于第二基板中心，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，沿着条形敏感器质量块的横向中心线对称设置有条形敏感器质量块矩形凸起。
[0006]所述的双栅形振子对包含两个敏感器栅质量块，敏感器栅质量块分别位于条形敏感器质量块的两侧，每个敏感器栅质量块由纵向等间距、横向平行的栅形电极、连接栅形电极的边框以及敏感器栅质量块矩形凸起组成。敏感器栅质量块的纵向长度和条形敏感器质量块的纵向长度相同；敏感器栅质量块矩形凸起和条形敏感器质量块矩形凸起相对，形成电容调整间隙。每个敏感器栅质量块和条形敏感器质量块之间通过两根U形敏感器连接梁相连，该两根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，该两根U形敏感器连接梁沿着条形敏感器质量块的纵向中心线与位于条形敏感器质量块另一侧的另两根U形敏感器连接梁对称设置。所述的每根U形敏感器连接梁始于敏感器栅质量块的边框的一角，终于矩形块的对应角，其U形底部靠近条形敏感器质量块的横向中心线。
[0007]所述的梳形可动电极由η个等间距的梳形可动电极梳齿和连接梳形可动电极梳齿的梳形可动电极矩形条组成，n ^ 1，梳形可动电极梳齿与梳形可动电极矩形条垂直设置，梳形可动电极矩形条与敏感器栅质量块侧边垂直设置。m条梳形可动电极平行设置组成一组硅条组，m多2。每个敏感器栅质量块边框外侧分别对应设置三组硅条组。
[0008]敏感器栅质量块边框两侧硅条组中的梳形可动电极沿条形敏感器质量块的纵向中心线对称设置。
[0009]所述的敏感器锚点沿条形敏感器质量块的纵向中心线分别设置在条形敏感器质量块的两端，并通过U形敏感器支撑梁与条形敏感器质量块连接，敏感器外部引出电极设置在敏感器锚点上。
[0010]所述的固定质量块包括固定质量块锚点和m条梳形固定电极，所述的固定质量块锚点将固定质量块固定于第一基板上，每个固定质量块与每组硅条组对应设置。所述的梳形固定电极由η个等间距的梳形固定电极梳齿和连接η个梳形固定电极梳齿的梳形固定电极矩形条组成。梳形固定电极和硅条组中的梳形可动电极位置相对，梳形固定电极梳齿与梳形可动电极梳齿对应交叉设置。
[0011]所述的驱动导线共有两根，分别纵向设置于相应的敏感器栅质量块的内侧边框上，每根驱动导线的一端通过沿对应的U形敏感器连接梁、矩形块边角端和U形敏感器支撑梁上所铺设的金属导线与对应的驱动导线引出电极连接。在驱动导线、金属导线、矩形块边角端和敏感器栅质量块上的金属连接线、驱动导线引出电极组成的金属层与敏感器栅质量块对应部分之间设置有电绝缘层。
[0012]所述的电容调整间隙比对应梳形可动电极和梳形固定电极上的对应梳齿间的横向间距小一微米以上。
[0013]所述的检测用交叉梳齿状固定对电极有三组，每一组分别由相对交叉的梳齿电极和引出电极组成，各相邻梳齿电极间的间隙不小于一微米，交叉的梳齿电极对应组成梳齿电极对。
[0014]所述的栅形电极位于对应的梳齿电极对的正上方。
[0015]本实用新型涉及的微惯性传感器包含有可横向移动的栅形振子对，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，而后通过磁场驱动敏感器栅质量块，减小检测电容间距，从而增大传感器的初始检测电容以降低检测电路噪声，而传感器做厚增大了振子质量，从而也降低了传感器的机械噪声，而且含有两个敏感器栅质量块加倍增加了检测电容。此外，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。
[0016]同时，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】
[0017]图1 (a)为本实用新型的第一基板及其上的检测用交叉梳齿状固定对电极示意图；
[0018]图1 (b)为图1 (a)中沿A-A’向的器件结构的分解断面图；
[0019]图2 Ca)为本实用新型的在第二基板上的结构示意图；
[0020]图2 (b)为图2 Ca)中沿B_B’向的器件结构的分解断面图；
[0021]图3为图1 (b)和图2 (b)的断面图组合；
[0022]图4为本实用新型的一对梳形可动电极和梳形固定电极的放大图。
【具体实施方式】
[0023]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。
[0024]参考图1 (a)、图1 (b)、图2 (a)、图2 (b)、图3和图4，在第一基板I上形成两组中心对称的检测用交叉梳齿状固定对电极，对应固定质量块间的连接耦合电极2，以及连接耦合电极2与引出电极4之间的连接线，检测用交叉梳齿状固定对电极由沿横向相对交叉的梳齿电极3和引出电极组成；在第二基板上形成固定于第一基板I上的敏感器锚点13、第二基板的悬于第一基板I上方条形敏感器质量块25、将敏感器锚点13和条形敏感器质量块25相连的两根U形敏感器支撑梁9、组成双栅形振子对的两个敏感器栅质量块20、将敏感器栅质量块和条形敏感器质量块相连的U形敏感器连接梁17、固定质量块6上的梳形固定电极、敏感器外部引出电极12、金属层29下的电绝缘层28、电绝缘层上的驱动导线27和驱动导线右侧引出电极14。如图2 (a)、2 (b)、图3和图4所示，形成对应梳形可动电极梳齿15和梳形固定电极梳齿7间的横向间距G4，第一基板I与敏感器栅质量块20之间的间隙32，如图3中的G1所示；形成敏感器栅质量块与第一基板上的检测用交叉梳齿状固定对电极之间的间隙30 ;梳齿电极对内的两个梳齿电极之间的间隙31，每个梳齿电极对内的间隙相同。对应的一个梳形可动电极和一个梳形固定电极组成一对梳齿电容对，形成相邻梳齿电容对的纵向间距，其值不小于三十微米。
[0025]结合图1 (a)、图1 (b)、图2 (a)、图2 (b)、图3和图4，对本实用新型的结构进行说明。
[0026]参考图2(a)、2(b)，条形敏感器质量块位于第二基板中心，条形敏感器质量块由矩形块23和条形敏感器质量块矩形凸起21组成，沿着条形敏感器质量块的横向中心线对称设置有条形敏感器质量块矩形凸起。
[0027]参考图2 (a) ,2(b),双栅形振子对包含两个敏感器栅质量块20，敏感器栅质量块分别位于条形敏感器质量块的两侧，每个敏感器栅质量块由纵向等间距、横向平行的栅形电极26、连接栅形电极的边框24以及敏感器栅质量块矩形凸起22组成，敏感器栅质量块的纵向长度和条形敏感器质量块的纵向长度相同；敏感器栅质量块矩形凸起和条形敏感器质量块矩形凸起相对，形成电容调整间隙18。每个敏感器栅质量块和条形敏感器质量块之间通过两根U形敏感器连接梁17相连，该两根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，该两根U形敏感器连接梁沿着条形敏感器质量块的纵向中心线与位于条形敏感器质量块另一侧的另两根U形敏感器连接梁对称设置。每根U形敏感器连接梁始于敏感器栅质量块的边框24的一角，终于矩形块的对应角，其U形底部靠近条形敏感器质量块的横向中心线。
[0028]参考图2(a)、2(b)，梳形可动电极由八个等间距的梳形可动电极梳齿15和连接梳形可动电极梳齿的梳形可动电极矩形条16组成，梳形可动电极梳齿与梳形可动电极矩形条垂直