专利名称：对称组合弹性梁结构电容式微加速度传感器及制作方法
技术领域：
本发明涉及对称组合弹性梁结构电容式微加速度传感器，属于微电子机械系统领 域。
背景技术：
微机电系统的发展，极大地推动了传感器技术的进步，实现了加速度传感器的微 型化。利用微机械加工工艺制作的电容式加速度传感器在测量精度、温度特性、利用静电力 进行闭环测量和自检及易与电子线路集成等方面具有的优点，可广泛应用于石油勘探、地 震监测、医疗仪器、航空航天、武器装备等许多领域，具有广阔的市场应用前景。常见的微机械加速度传感器按敏感原理分主要有压阻式、压电式和电容式三种。 压电式加速度传感器的基本原理利用压电效应，通过测量压电效应产生的电压变化来感知 加速度的。这种加速度传感器的结构比较简单，但难以测量常加速度，温度系数较大，线性 度也不好。压阻式微加速度传感器利用的是压阻效应，将外界加速度的变化转化为压阻材 料两端检测电压值的改变，其具有的优点是结构简单，接口电路易于实现，缺点是温度系 数比较大，对温度比较敏感。电容式微加速度传感器的基本原理就是将外界加速度的变化转化为电容的变化。 电容式微加速度传感器一般由弹性梁支撑的质量块作为可动电容极板，分别与两侧的固定 电容极板构成差分检测电容。当外界加速度作用于质量块时，弹性梁变形引起质量块产生 位移，导致差分检测电容的变化，用外围的接口电路检测出电容的变化量进而就可以测量 加速度的大小。电容式加速度传感器相对于压阻式或压电式而言，具有很高的灵敏度和检测精 度、稳定性好、温度漂移小，而且有良好的过载保护能力，能够利用静电力实现反馈闭环控 制，可显著提高传感器的性能。制作电容式微加速度传感器的方法有表面微机械加工方法和体微机械加工方法。 采用表面微机械加工方法制作电容式加速度传感器的好处在于与集成电路工艺兼容，可以 集成信号处理电路，成本低，但也存在噪声大、分辨率较低、动态范围小、稳定性差等缺点。 而采用硅体微机械加工方法制作电容式加速度传感器的优点在于噪声小、分辨率高、动态 范围大、稳定性好等优点，缺点是体积稍大。—般的硅体微机械加工方法制作的电容式加速度传感器用弹性梁支撑的质量块 上、下表面做可动电极，然后再在硅片的上、下面各键合一个硅片或玻璃片，其上对应于质 量块电极的部分也制作电极，与质量块上的电极形成差分电容。但通常这种结构的弹性梁 与敏感质量块中心不在同一平面内，会造成较大的交叉灵敏度，即非敏感方向上的加速度 信号也会引起较大的输出。为了抑制交叉灵敏度，本发明提出一种对称组合弹性梁结构电 容式加速度传感器，将两块硅片分别单面腐蚀质量块图形后再进行硅硅键合，双面刻蚀形 成双面都有组合弹性梁的中心质量块，能显著减小器件的交叉灵敏度，使器件的可靠性更 高，是一种高性能的电容式微加速度传感器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种对称组合弹性梁结构电容式微加速度传感器及其制 作方法，是一种能显著抑制交叉灵敏度、高性能的微机械加速度传感器。本发明提供的对称组合弹性梁结构电容式微加速度传感器，包括一个对称的中心 质量块、外部支撑框架、中心质量块与外部支撑框架相连接的对称组合弹性梁结构以及上、 下盖板，其特征在于(1)中心质量块由顶端质量块和底端质量块组成，组合弹性梁结构是由对称的顶 端组合弹性梁和底端组合弹性梁组成，外部支撑框架由上下对称的顶端支撑框架和底端支 撑框架组成；(2)中心质量块作为检测电容的可动电极，上、下盖板分别作为检测电容的固定电 极，上、下盖板位于可动电极的上、下两面；(3)组合弹性梁结构由八根对称直弹性梁、两个对称框架梁、八根对称L梁连接在 一起构成的；(4)组合弹性梁结构的一端连接在中心质量块侧面顶端和底端的中间或顶角，另 一端连接在外部支撑框架内侧面；也即所述的组合弹性梁是依次由直弹性梁、框架梁和L 梁连接组成的；其中L梁的一端与框架梁相连接，另一端连接在外部支撑框架的任意位置， 直弹性梁的一端与框架梁中间相连接或与框架梁的一个顶端相连接；前者，直弹性梁的另 一端连接在中心质量块侧面的中间，后者，直弹性梁的另一端连接在中心质量块的侧面顶 角；(5)中心质量块电极引线金属块位于外部支撑框架上表面，上盖板电极引线金属 块位于上盖板的上表面，下盖板电极引线金属块位于下盖板的下表面；(6)电容间隙分别制作在上盖板的下表面和下盖板的上表面；(7)过载保护限位块分别制作在上盖板的下表面和下盖板的上表面电容间隙内； 质量块电极引线间隙制作在上盖板的下表面上。所述的组合弹性梁结构分别通过八根对称直弹性梁连接在中心质量块侧面顶端 和底端的中间或顶角，八根对称L梁连接在外部支撑框架内侧面，八根直梁与八根L梁通过 两个对称框架梁连接在一起形成组合弹性梁结构，并且中心质量块上、下两面的组合弹性 梁对称分布。所述的八根直梁、两个框架梁、八根L梁的形状、尺寸分别一致。所述的形成组合弹性梁的L梁一端与框架梁相连接，另一端可连接在外部支撑框 架内侧面的任意位置。所述的中心质量块上表面和下表面呈长方形或正方形的。所述的中心质量块电极引线金属块在外部支撑框架上表面(上盖板下表面的电 极引出间隙内)，中心质量块和上、下盖板之间通过绝缘层实现电绝缘。本发明的对称组合弹性梁结构电容式微加速度传感器是通过如下步骤的制作方 法制作出来的(1)上盖板硅片的下表面和下盖板硅片的上表面腐蚀形成电容间隙及上盖板硅片 下表面电极引出间隙；
(2)上盖板硅片的下表面和下盖板硅片的上表面电容间隙表面腐蚀形成过载保护 限位块；(3)顶端质量块硅片的下表面和底端质量块硅片的上表面光刻顶端质量块和底端 质量块图形，各向异性腐蚀得到顶端质量块和底端质量块，腐蚀深度由硅片的厚度和组合 弹性梁的厚度决定；(4)顶端质量块硅片和底端质量块硅片对准硅硅直接键合形成对称的中心质量块 结构；(5)上、下盖板硅片表面制作绝缘材料，作为质量块硅片和上、下盖板硅片之间的 绝缘层；(6)通过刻蚀释放中心质量块上、下表面的组合弹性梁，然后与下盖板硅片上表面 对准预键合，再与上盖板硅片下表面对准预键合，预键合完成后再进行整体的退火工艺；(7)各向同性或各向异性腐蚀上盖板硅片形成中心质量块电极引出槽(与电极引 出间隙位置上下相对应)；(8)去绝缘层，上盖板硅片的上表面、中心质量块电极引出槽和下盖板硅片的下表 面溅射或者蒸镀金属层。所述的中心质量块和上、下盖板之间的电容间隙在1 lOiim之间。亦即电容间 隙分别制作在上盖板的下表面和下盖板的上表面。所述的上盖板下表面的电极引出间隙在1 lOiim之间。所述的中心质量块是通过顶端质量块和底端质量块键合形成，顶端质量块和底端 质量块分别通过各向异性腐蚀的方法形成，组合弹性梁通过刻蚀的方法形成。所述的中心质量块电极引出槽是通过各向同性或各向异性腐蚀上盖板硅片来形 成的。所述的微加速度传感器采用硅硅键合技术制作，首先底端质量块硅片和顶端质量 块硅片完成键合，然后再分别与下盖板硅片和上盖板硅片键合。总而言之，本发明提供了对称组合弹性梁结构电容式微加速度传感器结构和制作 方法。一般的硅体微机械加工方法制作的电容式加速度传感器结构的弹性梁与敏感质量块 中心不在同一平面内，会造成较大的横向灵敏度，即非敏感方向上的加速度信号也会引起 较大的输出，如Kampen R. P. V. ,ffolffenbuttel R. F. ,Modeling the mechanical behavior of bulk—micromachinedsilicon ccelerometers, Sensors and Actuators, A64,1998, 137-150。为了减小横向效应，将两块硅片分别单面腐蚀质量块图形后再进行硅硅键合，双 面刻蚀形成双面都有弹性梁的中心质量块，如Henrion W. S.，et. al, Sensors structure withL-shaped spring legs, US Patent No. 5，652，384，由于其弹性梁为 L 型梁，第一阶模 态为检测模态，第二、三阶模态频率约为第一阶模态频率的3 4倍，并不能显著减小器件 的交叉轴灵敏度。而发明提供的组合弹性梁结构采用对称直梁、框架梁、L梁连接在一起形 成，具有高度对称性，第一阶模态为检测模态，第二、三阶模态频率约为第一阶模态频率的 7 8倍，提高了器件抗侧向冲击和扭转冲击的能力，显著降低了交叉灵敏度，进一步提高 了器件的性能。本发明采用了中心质量块电极引出槽结构，通过一步淀积制作上盖板电极 引线金属块和中心质量块电极引线金属块，并很好地实现了两个电极之间的电信号隔离。 本发明采用了四层硅片对准硅硅键合制作加速度传感器，由于整个器件(中心质量块、外部支撑框架、组合弹性梁结构以及上、下盖板)采用相同的单晶硅材料，大大平衡了组合弹 性梁由于键合产生的热应力，提高了热稳定性，使加速度传感器的性能更加稳定，并且可以 根据需要，设计不同的梁长度、梁宽度、梁厚度和电容间隙，中心质量块的大小也可以根据 需求灵活选择，改变加速度传感器的量程和灵敏度，使加速度传感器的灵活性更大。
图1(a)是本发明提出的一种传感器中心质量块、组合弹性梁结构、外部支撑框架 结构俯视图，整个结构上下对称。其中，形成组合弹性梁的L梁一端与框架梁相连接，另一 端可连接在外部支撑框架内侧面的任意位置，如图1(a)所连接位置，也可如图1(b)所连接 位置，但不限于此位置。图2(a)是本发明提出的另一种传感器中心质量块、组合弹性梁结构、外部支撑框 架结构俯视图，整个结构上下对称。其中，形成组合弹性梁的L梁一端与框架梁相连接，另 一端可连接在外部支撑框架内侧面的任意位置，如图2(a)所连接位置，也可如图2(b)所连 接位置，但不限于此位置。图3是本发明提出的对称组合弹性梁结构微加速度传感器剖面图。图4是实施例的传感器制作工艺流程。其中，4(a)为上盖板的制作，包括电容间 隙、限位块、电极引出间隙及中心质量块电极引出槽的制作；4(b)为下盖板的制作，包括电 容间隙和限位块的制作；4(c)为顶端质量块和顶端支撑框架的制作；4(d)为底端质量块和 底端支撑框架的制作；4(e)为中心质量块和外部支撑框架的制作；4(f)为上、下表面组合 弹性梁的释放及与下、上盖板硅片的键合；4(g)为上电极引线金属块、中心质量块电极引 线金属块与下电极引线金属块的制作。图中各数字代表的含义为1组合弹性梁结构，它是由直弹性梁、框架梁、L梁依次 连接在一起形成2中心质量块3外部支撑框架4顶端质量块5底端质量块6顶端支撑框架 7底端支撑框架8顶端组合弹性梁9底端组合弹性梁10上电容间隙11下电容间隙12顶端 过载保护限位块13底端过载保护限位块14上盖板硅片绝缘层15下盖板硅片绝缘层16上 盖板硅片17下盖板硅片18上盖板电极引线金属块19下盖板电极引线金属块20中心质量 块电极引线金属块21中心质量块电极引出间隙22电极引出槽23顶端质量块硅片24底端 质量块硅片。
具体实施例方式以下实施例阐述本发明涉及的微加速度传感器及其制作方法的实质性特点和显 著进步，但本发明决非仅限于介绍的实施例。如图1 (a)和(b)所示，组合弹性梁结构1的一端连接在中心质量块2的侧面中间， 另一端连接在外部支撑框架3。也即组合弹性梁中的L梁一端连接在外部支撑框架3的中 央或任意位置，直弹性梁的一端连接在框架梁的中间，则直弹性梁另一端位于中心质量块2 的侧面中央；又如图2(a)和(b)所示，组合弹性梁结构1中的直弹性梁的一端与框架梁的 一个顶端相连接，而直弹性梁的另一端连接在中心质量块2的侧面顶角，另一端连接在外 部支撑框架3。微加速度传感器结构剖面图如图3所示，微加速度传感器包括一个对称的 中心质量块2、外部支撑框架3、中心质量块2与外部支撑框架3相连接的对称组合弹性梁结构1以及上盖板硅片16、下盖板硅片17。中心质量块2由顶端质量块4和底端质量块5 组成，组合弹性梁结构1由顶端组合弹性梁8和底端组合弹性梁9组成，外部支撑框架3由 顶端支撑框架6和底端支撑框架7组成。顶端和底端过载保护限位块12、13分别制作在上 盖板硅片16的下表面和下盖板硅片17的上表面。上电容间隙10、下电容间隙11分别在上 盖板硅片16的下表面、下盖板硅片17的上表面。上盖板电极引线金属块18位于上盖板硅 片16的上表面，下盖板电极引线金属块19位于下盖板硅片17的下表面。中心质量块电极 引线金属块20在电极引出槽22正下方的顶端支撑框架6表面的中心质量块电极引出间隙 21内，顶端支撑框架6和上盖板硅片16以及底端支撑框架7和下盖板硅片17之间分别通 过绝缘层14、15实现电绝缘。该加速度传感器的敏感方向为法向，当有外部法向加速度作 用时，中心质量块上、下表面电极分别与上盖板电极、下盖板电极构成的电容CI、C2 一个增 大、一个减小，电容的变化量(C1-C2)与外部加速度信号成比例关系，通过测量该变化量来 检测加速度值的大小。本发明的实施例涉及的微加速度传感器制作方法，参考图4所示的工艺流程图进 行说明，主要包括以下工艺步骤(1)如图4(a)所示，上盖板硅片16为双抛(100)硅片，氧化后，其下表面利用腐 蚀方法制作上电容间隙10和中心质量块电极引出间隙21，深度通常为1 lOym; 二次氧 化，其下表面利用腐蚀方法制作顶端过载保护限位块12。在上盖板硅片16的上、下表面制 作绝缘层14，绝缘层14厚度通常为1 3 y m，绝缘材料可以为Si02，Si3N4或SiC等，但不 限于此，其上表面光刻出电极引出槽窗口 ；(2)如图4(b)所示，下盖板硅片17为双抛(100)硅片，氧化后，其上表面利用腐蚀 方法制作下电容间隙11，深度通常为1 10 ym;二次氧化，其上表面利用腐蚀方法制作底 端过载保护限位块13。在下盖板硅片17的上、下表面制作绝缘层15，绝缘层15厚度通常 为1 3 ii m，绝缘材料可以为Si02，Si3N4或SiC等，但不限于此；(3)如图4(c)所示，顶端质量块硅片23为双抛(100)硅片，氧化后，下表面光刻出 顶端质量块4图形，各向异性腐蚀至组合弹性梁的厚度，形成顶端质量块4和顶端支撑框架 6 ；(4)如图4(d)所示，底端质量块硅片24为双抛(100)硅片，氧化后，上表面光刻出 底端质量块5图形，各向异性腐蚀至组合弹性梁的厚度，形成底端质量块5和底端支撑框架 7 ；(5)如图4(e)所示，将顶端质量块4的下表面与底端质量块5的上表面对准硅硅 直接键合形成对称的中心质量块2和外部支撑框架3，硅硅直接键合温度为400 500°C， 压力为1 2Kg;(6)如图4(f)所示，通过刻蚀释放中心质量块2上、下表面的组合弹性梁8、9，然 后与下盖板硅片17的上表面对准预键合，再与上盖板硅片16的下表面对准预键合，预键合 完成后再进行整体的退火工艺，预键合温度为400 500°C，压力为2 3Kg，退火温度为 900 1100°C，退火过程中通入氧气或氮气；(7)如图4(g)所示，腐蚀形成中心质量块电极引出槽22，去绝缘层，上盖板硅片16 的上表面、中心质量块电极引出槽22与下盖板硅片17的下表面制作(溅射，蒸发等，但不 限于此)金属层(Al，Au，Ni等，但不限于此)，形成上电极引线金属块18、中心质量块电极引线金属块20与下电极引线金属块19。
权利要求
对称组合弹性梁结构电容式微加速度传感器，其特征在于所述的微加速度传感器包括一个对称的中心质量块、外部支撑框架、中心质量块与外部支撑框架相连接的组合弹性梁结构以及上、下盖板，其中，(1)中心质量块是由顶端质量块和底端质量块组成，组合弹性梁结构是由对称的顶端组合弹性梁和底端组合弹性梁组成，外部支撑框架是由上、下对称的顶端支撑框架和底端支撑框架组成；(2)中心质量块作为检测电容的可动电极，上、下盖板分别作为检测电容的固定电极，上、下盖板位于可动电极的上、下两面；(3)组合弹性梁结构由八根对称直弹性梁、两个对称框架梁、八根对称L梁连接在一起形成；(4)组合弹性梁结构的一端连接在中心质量块侧面顶端和底端的中间或顶角，另一端连接在外部支撑框架内侧面；(5)中心质量块电极引线金属块位于外部支撑框架上表面，上盖板电极引线金属块位于上盖板的上表面，下盖板电极引线金属块位于下盖板的下表面。
2.根据权利要求1所述的对称组合弹性梁结构电容式微加速度传感器，其特征在于组 合弹性梁结构分别通过八根对称直梁连接在中心质量块侧面顶端和底端的中间或顶角，八 根对称L梁连接在外部支撑框架内侧面，八根对称直梁与八根对称L梁通过两个对称框架 梁连接在一起形成组合弹性梁结构，并且中心质量块上、下两面的组合弹性梁对称分布。
3.根据权利要求1和2所述的对称组合弹性梁结构电容式微加速度传感器，其特征在 于八根直弹性梁形状和尺寸分别一致、两个对称框架梁形状和尺寸分别一致，八根L梁的 形状和尺寸分别一致。
4.根据权利要求1、2和3所述的对称组合弹性梁结构电容式微加速度传感器，其特征 在于形成组合弹性梁的L梁一端与框架梁相连接，另一端可连接在外部支撑框架内侧面的 任意位置；也即所述的组合弹性梁是依次由直弹性梁、框架梁和L梁连接组成的。
5.根据权利要求1所述的对称组合弹性梁结构电容式微加速度传感器，其特征在于中 心质量块上表面或下表面为长方形或正方形。
6.根据权利要求1所述的对称组合弹性梁结构电容式微加速度传感器，其特征在于中 心质量块电极引线金属块在外部支撑框架上表面，即上盖板下表面的电极引出间隙内，中 心质量块和上、下盖板之间通过绝缘层实现电绝缘。
7.制作如权利要求1所述的对称组合弹性梁结构电容式微加速度传感器的方法，包 括电容间隙制作、限位块制作、电极引出间隙制作、中心质量块与对称组合弹性梁结构的形 成，上、下盖板硅片与中心质量块硅片的键合以及中心质量块电极引出槽的制作，其特征在 于包括如下步骤(1)上盖板硅片的下表面和下盖板硅片的上表面腐蚀形成电容间隙及上盖板硅片下表 面中心质量块电极引出间隙；(2)上盖板硅片的下表面和下盖板硅片的上表面电容间隙表面腐蚀形成过载保护限位块；(3)顶端质量块硅片的下表面和底端质量块硅片的上表面光刻顶端质量块和底端质量 块图形，各向异性腐蚀得到顶端质量块和底端质量块，腐蚀深度由硅片的厚度和组合弹性梁的厚度决定；(4)顶端质量块硅片和底端质量块硅片对准硅硅直接键合形成对称的中心质量块结构；(5)上、下盖板硅片表面制作绝缘材料，作为中心质量块硅片和上、下盖板硅片之间的 绝缘层；(6)通过刻蚀释放中心质量块上、下表面的组合弹性梁，然后与下盖板硅片上表面对准 预键合，再与上盖板硅片下表面对准预键合，预键合完成后再进行整体的退火工艺；(7)各向同性或各向异性腐蚀上盖板硅片形成中心质量块电极引出槽，且与中间电极 引出间隙位置上下相对应；(8)去绝缘层，上盖板硅片的上表面、中心质量块电极引出槽和下盖板硅片的下表面溅 射或者蒸镀金属层。
8.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于①中心质量块和上、下盖板之间的电容间隙在1 lOym之间；②上盖板下表面的电极引出间隙在1 lOym之间。
9.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于所述的上盖板硅片、下盖板硅片、顶端 质量块和底端质量块硅片均为双抛(100)硅片。
10.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于①上、下盖板上的绝缘层为Si02、Si3N4或SiC，厚度为1-3i! m ；②顶端质量块硅片和底端质量块硅片键合温度为400-500°C，压力为l_2kg；③上、下盖板对准预键合的温度为400-500°C，压力为2-3kg，预键合的退火工艺为退 火温度为900-1100°C，退火气氛为氧气或氮气；④所述的金属层为Al、Au或Ni。
全文摘要
本发明涉及对称组合弹性梁结构电容式微加速度传感器及其制作方法。加速度传感器由一个对称的中心质量块、外部支撑框架、中心质量块与外部支撑框架相连接的八根对称直梁、两个对称框架梁、八根对称L梁连接在一起形成的组合弹性梁结构以及上、下盖板组成。与框架梁相连接的每根直弹性梁的另一端连接在中心质量块侧面顶端和底端的中间或顶角，与框架梁相连接的每根L梁的另一端连接在外部支撑框架内侧面。本加速度传感器采用对称直梁、框架梁、L梁连接在一起形成的组合弹性梁结构，具有高度对称性，可以显著减小传感器的交叉灵敏度，传感器采用微电子机械系统技术制作，是一种高灵敏度的电容式微加速度传感器。
文档编号B81C3/00GK101858929SQ20101018113
公开日2010年10月13日 申请日期2010年5月21日 优先权日2010年5月21日
发明者孙腾, 李伟, 王跃林, 肖育华, 车录锋 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所