专利名称：一种嵌入可动电极的微惯性传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于微电子机械技术领域，涉及一种嵌入可动电极的微惯性 传感器。
背景技术：
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，还有一些基于别的检测技术的 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，是目前研制得最多的一类加速度传感器。
微机械电容式传感器的制作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，可以制作出超高精度的微机械惯性传感器。缺点是体 积稍大。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(De印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30:1，这就限制了传感 器振子的质量增加和极板间距的减小。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。减小该机械噪声的方法一是可以通过 在极板上刻蚀阻尼条， 一是把电容改为变面积的方式，使阻尼表现为滑膜阻 尼，而减小电子噪声的方法之一便是通过增大检测电容。 发明内容
本实用新型的目的就是针对现有技术的不足，提供一种嵌入可动电极的 微惯性传感器。
3本实用新型的嵌入可动电极的微惯性传感器包括玻璃衬底、 一个可动敏 感器质量块、四个固定质量块。
可动敏感器质量块为矩形，由可动敏感器质量块的边沿向中心对称开有 三对通槽，其中一对通槽位于可动敏感器质量块的中部，另外两对分别位于 接近可动敏感器质量块的两个端部的位置，三对通槽将可动敏感器质量块分 为四个部分，分别是两端的两个固定部分和中间的两个可动部分。可动敏感 器质量块的两个固定部分通过U形硅支撑梁与敏感器锚点连接，每个敏感器 锚点上设置有两个焊点。可动敏感器质量块的可动部分的两侧对称设置有可
动硅条组，每组可动硅条包括平行设置的n条可动硅条，n》l，可动硅条与可 动敏感器质量块侧边垂直。可动敏感器质量块的可动部分刻蚀有与可动硅条 平行的栅条。两个可动部分连接处开有工字形槽，沿可动部分与固定部分之 间的四个通槽的边沿开有U形槽，相对的两个U形槽通过直线槽连通。
四个固定质量块分别对称设置在可动敏感器质量块的可动部分的两侧， 一个可动部分的两侧的两个固定质量块通过设置在玻璃衬底表面上的引线连 接。每个固定质量块包括n根平行设置的梳齿状检测硅条，梳齿状检测硅条 通过固定梁连接，n根梳齿状检测硅条与对应的n条可动硅条交叉设置。
可动敏感器质量块可动部分的U形槽与栅条之间设置有金属驱动导线。 金属导线的一端与焊点连接，另一端与金属驱动导线的一端连接。金属导线 沿U形硅支撑梁、可动敏感器质量块固定部分的边沿、U形槽的边沿设置。
玻璃衬底表面对应可动敏感器质量块设置有叉指铝电极，铝电极焊点分 别与叉指铝电极连接，可动敏感器质量块上刻蚀的每条栅形条与叉指铝电极 中的每对叉指相对应；在玻璃衬底上对应敏感器锚点的位置上设置有金属敏 感器焊点，实现敏感器和外部封装的连接。
本实用新型基本构思是传感器检测电容的初始设计间距较大，从而解决 深反应粒子刻蚀深宽比小于30:1对传感器振子的质量不能做厚的限制，而后 通过磁场驱动金属驱动导线，产生的洛仑兹力驱动可动敏感器质量块，从而 减小检测电容间距，进而增大传感器的初始检测电容以降低检测电路噪声。
本实用新型还在可动敏感器质量块上刻蚀栅形槽，并和衬底上的叉指铝 电极组成差分检测电容进一步降低电路噪声，且栅形条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。
本实用新型可以通过在检测硅条上刻蚀褶铍状阻尼条来减小压膜空气阻尼从而可以减小机械噪声。另外，通过改变支撑梁和固定质量块的尺寸还可 以改变传感器的量程和响应特性。
本实用新型提供的电磁驱动嵌入可动梳齿和栅形电极的微惯性传感器大 大增大了振子质量，从而减小了布朗噪声，而通过磁场驱动减小了电容极板 间距，并在检测硅条上刻蚀褶皱状阻尼条，增大了检测电容，减小了压模空气 阻尼，从而降低了机械噪声和电路噪声，而可动敏感器质量块上新增的栅形 条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。本实用新型不需要额外的驱动器，减小了传感器的整体尺 寸。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。
图1为本实用新型的结构示意图2为图1中玻璃衬底表面示意图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本实用新型进一步说明。
如图1和图2所示， 一种嵌入可动电极的微惯性传感器包括玻璃衬底17、 一个可动敏感器质量块、四个固定质量块l。
可动敏感器质量块为矩形，由可动敏感器质量块的边沿向中心对称开有 三对通槽14，其中一对通槽14位于可动敏感器质量块的中部，另外两对分别 位于接近可动敏感器质量块的两个端部的位置，三对通槽将可动敏感器质量 块分为四个部分，分别是两端的两个固定部分10和中间的两个可动部分13。 可动敏感器质量块的两个固定部分10通过U形硅支撑梁2与敏感器锚点4连 接，每个敏感器锚点4上设置有两个焊点11。可动敏感器质量块的可动部分 13的两侧对称设置有可动硅条组，每组可动硅条包括平行设置的三条可动硅 条7，可动硅条7与可动敏感器质量块侧边垂直。可动敏感器质量块的可动部 分13刻蚀有与可动硅条7平行的栅条8。两个可动部分13连接处开有工字形 槽，沿可动部分13与固定部分10之间的四个通槽的边沿开有U形槽12，相 对的两个U形槽12通过直线槽9连通。
四个固定质量块10分别对称设置在可动敏感器质量块的可动部分13的 两侧， 一个可动部分13的两侧的两个固定质量块通过设置在玻璃衬底表面上的引线16连接。每个固定质量块包括三根平行设置的梳齿状检测硅条15，梳 齿状检测硅条15通过固定梁1连接，三根梳齿状检测硅条15与对应的三条 可动硅条7交叉设置。
可动敏感器质量块可动部分13的U形槽与栅条8之间设置有金属驱动导 线5。金属导线3的一端与焊点11连接，另一端与金属驱动导线5的一端连 接。金属导线3沿U形硅支撑梁2、可动敏感器质量块固定部分10的边沿、U 形槽12的边沿设置。
玻璃衬底17表面对应可动敏感器质量块设置有叉指铝电极20,铝电极悍 点18分别与叉指铝电极20连接，可动敏感器质量块上刻蚀的每条栅形条与 叉指铝电极中的每对叉指相对应；在玻璃衬底上对应敏感器锚点的位置上设 置有金属敏感器焊点19，实现敏感器和外部封装的连接。
制作该微惯性传感器的方法包括以下工艺步骤
a. 低阻硅氧化后形成氧化硅掩膜层；
b. 氢氟酸腐蚀硅片一面的氧化硅形成腐蚀悬浮窗口，保留另一面的氧化
娃；
c. 用氧化硅作掩膜，用碱性溶液如氢氧化钾溶液腐蚀传感器质量块和驱 动器质量块的悬浮区域，从而形成差分电容间距；
d. 用氢氟酸去除氧化硅，保留硅另一面的氧化硅；
e. 选用热膨胀系数与硅相近的绝缘极板如Pyrex7740玻璃片作为衬底， 并在该衬底上通过蒸发或者溅射形成铝材料的叉指电极、连接线及其各外部 连接锚点；
f. 用酸性溶液如浓磷酸腐蚀铝电极；
g. 采用温度380摄氏度，电压800V，硅片的有凹槽面和玻璃片上有铝电 极面键合；
h. 硅片光刻，形成可动质量块和外部锚点间的连接孔；
i. 在硅片上溅射铝，并光刻形成外部电流驱动导线及其外部焊点，用光 刻胶作为掩膜层，用浓磷酸溶液腐蚀铝，形成电极形状，然后用氢氟酸缓冲 液漂去裸露的氧化硅；
j.利用深反应离子刻蚀工艺(De印RIE)刻蚀硅，形成悬浮在绝缘衬底上 的可动敏感器质量块，固定在绝缘衬底上的锚点，U形硅支撑梁，固定梳齿，
6可动敏感器质量块上的等间距栅形条及其可动硅条，检测硅条以及褶铍状阻 尼条。
可动敏感器质量块可动部分和固定部分的间距小于可动敏感器质量块连 接的可动硅条和检测硅条的间距。
结合图1对传感器原理进行说明。直线槽的槽宽用dl表示，可动敏感器
质量块连接的可动硅条和检测硅条的间距用d2表示，且d2〉dl。
把可动敏感器质量块一端的外部驱动电流焊点，用金丝球焊技术连接到 对应的封装管壳引脚上，并接入恒流源，把可动敏感器质量块对应端的外部 驱动电流悍点也分别连接到对应的封装管壳引脚上，并接入和上端驱动器相 反相位的恒流源。玻璃衬底上的铝电极焊点连接到封装管壳引脚，用VI表示， 玻璃衬底上的另一个铝电极焊点也连接到封装管壳引脚，用V2表示。敏感器 焊点也连接到封装管壳引脚，并连接到地。在用微机械工艺加工传感器时， d2， dl较大，可以加工出较厚的传感器质量块，因而质量块质量较大。在封 装管壳帽内设置合适的匀强磁场，且磁场在金属驱动导线上产生的洛伦兹力 驱动可动敏感器质量块时，检测电容间距分别减小，此时，测试传感器静态 初始电容间距为d2-dl，从而传感器的检测电容大大增加。再在V1、 V2端分 别加载波信号，可动质量块通过锚点连接至地。当敏感方向上有加速度信号 时，由于惯性力的作用，产生位移，从而引起可动敏感器上栅条和叉指铝电 极组成的差分电容的叠加面积变化以及可动敏感器质量块连接的可动硅条和 检测硅条的间距变化，进而引起电容较大的变化，该变化电容和外部惯性信 号的大小成线性关系，通过检测电容变化便可以得到敏感方向上加速度的大 小。
本实用新型涉及的高精度微惯性传感器，由于梳齿电容间距可用洛仑兹 力驱动减小，检测梳齿电容上刻蚀有阻尼条，可动敏感器质量块上有滑膜阻 尼的栅形条电容，这些因素使传感器的机械噪声和电路噪声大大减小，从而 使传感器可以达到很高的精度，本发不需要额外的驱动器，减小了传感器的
整体尺寸。同时本实用新型采用微机械技术制作，工艺简单，有利于提高成 品率和降低制造成本。
权利要求1、一种嵌入可动电极的微惯性传感器，包括玻璃衬底、一个可动敏感器质量块、四个固定质量块，其特征在于可动敏感器质量块为矩形，由可动敏感器质量块的边沿向中心对称开有三对通槽，其中一对通槽位于可动敏感器质量块的中部，另外两对分别位于接近可动敏感器质量块的两个端部的位置，三对通槽将可动敏感器质量块分为四个部分，分别是两端的两个固定部分和中间的两个可动部分；可动敏感器质量块的两个固定部分通过U形硅支撑梁与敏感器锚点连接，每个敏感器锚点上设置有两个焊点；可动敏感器质量块可动部分的两侧对称设置有可动硅条组，每组可动硅条包括平行设置的n条可动硅条，n≥1，可动硅条与可动敏感器质量块侧边垂直；可动敏感器质量块的可动部分刻蚀有与可动硅条平行的栅条；两个可动部分连接处开有工字形槽，沿可动部分与固定部分之间的四个通槽的边沿开有U形槽，相对的两个U形槽通过直线槽连通；四个固定质量块分别对称设置在可动敏感器质量块的可动部分的两侧，一个可动部分的两侧的两个固定质量块通过设置在玻璃衬底表面上的引线连接；每个固定质量块包括n根平行设置的梳齿状检测硅条，梳齿状检测硅条通过固定梁连接，n根梳齿状检测硅条与对应的n条可动硅条交叉设置；可动敏感器质量块可动部分的U形槽与栅条之间设置有金属驱动导线；金属导线的一端与焊点连接，另一端与金属驱动导线的一端连接；金属导线沿U形硅支撑梁、可动敏感器质量块固定部分的边沿、U形槽的边沿设置；玻璃衬底表面对应可动敏感器质量块设置有叉指铝电极，铝电极焊点分别与叉指铝电极连接，可动敏感器质量块上刻蚀的每条栅形条与叉指铝电极中的每对叉指相对应；在玻璃衬底上对应敏感器锚点的位置上设置有金属敏感器焊点，实现敏感器和外部封装的连接。
专利摘要本实用新型涉及一种电磁驱动嵌入可动梳齿和栅形电极的微惯性传感器及其制作方法。本实用新型包括玻璃衬底、一个可动敏感器质量块、四个固定质量块。可动敏感器质量块边沿向中心对称开有三对通槽，三对通槽将可动敏感器质量块分两个固定部分和中间的两个可动部分。可动部分的两侧对称设置硅条，梳检测硅条与对应的三条可动硅条交叉设置。可动敏感器质量块可动部分的U形槽与栅条之间设置有金属驱动导线，玻璃衬底表面对应可动敏感器质量块设置有叉指铝电极。本实用新型制作工艺简单，有利于降低成本和提高成品率。
文档编号B81B7/02GK201376893SQ200920117240
公开日2010年1月6日 申请日期2009年4月7日 优先权日2009年4月7日
发明者董林玺, 颜海霞 申请人:杭州电子科技大学