专利名称：一种差动电容式微机械加速度计的制作方法
技术领域：
本发明属于微机电系统(MEMS)中的惯性传感器领域，特别涉及一种差动电容式微 机械加速度计，可广泛用于汽车电子、航空航天、武器装备的运动状态测量与控制。
背景技术：
对物体运动状态的测量和控制在民用产品和国防产品领域有着广泛的应用。加速度计 主要用于测量运动物体相对惯性空间的运动参数，传统的加速度计受体积、重量和成本等 因素的限制，难以在民用领域推广应用。以集成电路(IC)工艺和精密机械加工工艺为基 础制作的微机械加速度计具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等突出优点，其体积和 价格比常规加速度计小三、四个数量级乃至更多，因而可用于汽车运动状态控制系统、摄 像机稳定系统、运动机械控制、机器人测控、大地测量、医用仪器等广泛的民用应用领域。
1993年，美国AD公司成功地将微机械加速度计商品化，并大批应用于汽车安全气囊， 现在已有1亿5千万只AD公司的iMEMS加速度计安装在安全至关重要的汽车安全气囊 系统中。目前，中国研制的微机械加速度计主要采用体加工工艺，利用加工出的梳齿结构 (中国发明专利CN1139815C)或栅型结构(中国发明专利CN1844935A)来形成一组 梳状差动电容。图1所示为梳齿结构的微机械加速度计敏感结构，包括由体加工形成的齿 枢ll、多组动齿12和折叠梁13组成的敏感质量元件，固定齿14，立柱15。动齿12由齿 枢纽向两侧伸出，形成双侧梳齿式结构，该齿枢两端的折叠梁13通过立柱固定于基片上， 使齿枢、多组动齿相对基片悬空平行设置；固定齿14为直接固定在基片上的多组单侧梳 齿结构。敏感质量元件的每个动齿为可变电容的一个活动电极，与固定齿的每个梳齿交错 配置，总体形成差动电容。为了在质量块两侧形成多组动齿，质量块被去除掉很多材料， 使微机械加速度计的敏感质量大幅度减小。
在梳齿结构或栅型结构中，为了形成一组梳状差动电容，要将质量块上的很多部分刻 蚀掉，导致在有限体积下的敏感质量大幅度减小，加速度转化为惯性力的效率低，降低了 微机械加速度计的分辨率和灵敏度，不易实现高精度的加速度测量。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有技术敏感质量过小的不足之处，提供了一种结构简单、 质量块大、采用平面工艺形成梳状电极的高灵敏度差动电容式微机械加速度计，以解决现 有微机械加速度计灵敏度和分辨率不够高的问题。
本发明提出的一种差动电容式微机械加速度计，包括一个由硅片、绝缘层和可动电极 组成的敏感质量元件、固定电极、基片、折叠梁；其中，敏感质量元件的主体为硅片，可 动电极以栅状等间距分布在硅片上，绝缘层将各个可动电极在空间上隔离开；折叠梁构造 在敏感质量元件两端，构成弹性支撑，并通过立柱固定于基片上，使整个可动电极平面相 对基片平面悬空平行；该固定电极等间距布置在基片上，固定电极与可动电极交错配置， 形成一组差动电容。
所述硅片可采用整体式长方体构成质量块；
所述基片采用玻璃衬底作材料。
所述可动电极可由集成电路加工工艺形成在敏感质量块表面上。
此外，在敏感质量元件的两端还可设置有双向防冲击止档，可有效地实现过载保护， 防止在较强的纵向或横向冲击下造成折叠梁结构断裂。
在基片上(最好在中央位置)可设置有一个防吸合止档，在施加测量电压或高频干扰 作用下，当敏感质量元件和基片之间产生很强的静电吸合力时，可以防止固定电极和可动 电极吸合而造成的短路，并防止敏感质量元件结构的损坏。
本发明与现有技术相比的优势
(1) 由于采用整体矩形质量块，在相同结构体积下可以实现最大敏感质量，提高微 机械加速度计的灵敏度和分辨率；
(2) 加工工艺简单，易批量生产。使用传统的集成电路平面加工工艺在硅片表面(质 量块)实现梳状电极，无需使用体硅加工工艺将硅片加工成三维梳齿或三维栅型立体结构， 降低微机械加速度计的加工成本，提高加工效率。
(3) 进一步，设置凸状双向止档。有效防止纵向、横向冲击或过载；设置防吸合止 档。有效防止了电极短路造成的微机械加速度计损坏。
图1是常规的梳齿式微机械加速度计平面结构示意图； 图2是本发明的横截面结构示意图； 图3是本发明的俯视结构示意图。
具体实施例方式
本发明提出的一种差动电容式微机械加速度计结合附图及实施例详细说明如下:
本发明的结构如图2、图3所示，包括基片l、固定电极2、质量块3、可动电极4、 可动电极引线5、绝缘层6、折叠梁7、立柱8、防吸合止档9、防冲击止档IO。质量块3 由硅片做主体采用整体式长方体构成，在硅片上等距布置可动电极4，可动电极3之间用 绝缘层6隔离，质量块3两端各有折叠梁7，构成弹性支撑，折叠梁通过立柱8与基片1 连接，使可动电极4平面与基片1平行，基片1采用玻璃衬底作材料，在每个可动电极4 下方的基片1上布置一组固定电极2，它包括两个电极，分列在每个可动电极4中轴两边， 与可动电极4重叠面积相等，所有的可动电极4和固定电极2总体构成差动电容。在基片 1中间设置防吸合止档9，防吸合止档9由绝缘材料制成，在实施例中可动电极4与固定 电极2间距离为4pm，防吸合止档9高出固定电极平面lpm，可以防止可动电极4和固定 电极2可能发生的吸合。防冲击止档10可以实现纵向和横向过载保护，防止较强的冲击 导致折叠梁结构断裂。
上述可动电极可由集成电路加工工艺形成在敏感质量硅片表面上。
本发明的工作原理当差动电容式微机械加速度计感受到敏感轴向的加速度变化时， 通过敏感质量块将加速度转化为惯性力，惯性力使质量块发生位移，可动电极随着质量块 也发生位移，可动电极与固定电极相对面积随即发生变化，使输出差动电容量改变，通过 检测差动电容量的变化可实现加速度的检测。
综上所述，本发明在设计上对电容式微机械加速度计进行了创新，它可实现比常规的 梳齿式微机械加速度计高的灵敏度和分辨率，不仅提升了微机械加速度计的灵敏度和分辨 率，而且可在高冲击、高过载条件下使用，并具有非常好的工艺性和可靠性。
权利要求
1、一种差动电容式微机械加速度计，其特征在于包括一个由硅片、绝缘层和可动电极构成的敏感质量元件、固定电极、基片、折叠梁、立柱；其中敏感质量元件的主体为硅片，可动电极以栅状等间距分布在硅片下表面上，绝缘层将各个可动电极在空间上隔离开；折叠梁构造在敏感质量元件两端，并通过立柱固定于基片上，使整个可动电极平面相对基片悬空平行；该固定电极等间距布置在基片上，固定电极与可动电极交错配置，形成一组差动电容。
2、 如权利要求1所述的差动电容式微机械加速度计，其特征在于，所述硅片采用整 体式长方体构成敏感质量块。
3、 如权利要求2所述的差动电容式微机械加速度计，其特征在于，可动电极由集成电路加工工艺形成在敏感质量块表面上。
4、 如权利要求1所述的差动电容式微机械加速度计，其特征在于，在敏感质量元件 两端设置有双向凸形防冲击止档。
5、 如权利要求1所述的差动电容式微机械加速度计，其特征在于，在基片上设置有 防电极吸合止档。
6、 如权利要求1所述的差动电容式微机械加速度计，其特征在于，所述基片采用玻 璃衬底作材料。
全文摘要
本发明公开了一种差动电容式微机械加速度计，属于微机电系统(MEMS)中的惯性传感器领域，本速度计包括由硅片、绝缘层和可动电极组成的敏感质量元件、固定电极、基片、折叠梁；可动电极以栅状等间距分布在硅片上，绝缘层将各个可动电极在空间上隔离开；折叠梁构造在敏感质量元件两端，并通过立柱固定于基片上，使整个可动电极平面相对基片平面悬空平行；该固定电极等间距布置在基片上，固定电极与可动电极交错配置，形成一组差动电容。本发明增大了质量块的敏感质量，从而大幅度提高灵敏度和分辨率。本发明结构简单，并使用集成电路平面制造工艺加工可动电极和固定电极，成本低廉、加工工艺简单，可重复性强、成品率高、易于批量生产。
文档编号G01P15/125GK101187674SQ20071017959
公开日2008年5月28日 申请日期2007年12月14日 优先权日2007年12月14日
发明者炜 丁, 嵘 张, 毕国楦, 胡向阳, 董景新, 宏 高 申请人:紫光通讯科技有限公司