专利名称：用于单轴精密加速度计的差分微电容及其制备方法
技术领域：
本发明涉及单轴精密加速度计，具体的说，涉及一种用于单轴精密加速度传感器中的高灵敏度差分微电容及制备方法。
背景技术：
电容式加速度传感器具有结构简单、灵敏度高、动态响应特性好、抗过载能力大， 对高温、辐射和强烈振动等恶劣条件适应性强、价格便宜等一系列优点，因此被认为是一种很有发展前途的传感器。几十年来，人们多用压电式加速度传感器或压阻式加速度传感器来测量振动和冲击。但是对于测量持续时间长的冲击运动，所用的传感器具有零频响应是极其重要的。压电加速度传感器牢固，但是频响不能到零，而压阻式加速度传感器虽能测敏感稳态加速度， 但是容易过量冲击和共振造成损坏，它不具有某些应用场合要求的坚固程度和低g值测量时所需要的精度，并且对温度敏感。变电容式加速度传感器正好弥补了上述缺陷，这种加速度传感器能承受较大的过冲量而且由于其避开了压阻温度效应，因此温度特性比较好。利用现代新的工艺技术制成的、根据变电容原理工作的电容式加速度传感器是专用于测量稳态或低频的低g值的振动，但又可耐受高g值的冲击而不损坏。中国专利(专利号200610118484. 5)中提出了基于硅基底差分电容式加速度传感器，本发明基于电容边缘效应带来的灵敏度误差，设计了一种含有等位环的差分微电容，大大增加了灵敏度，而且本发明基于非硅(玻璃)基底，大大减小了成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于单轴精密加速度计的差分微电容，在不增加工艺复杂程度的同时，制作出高灵敏度的微可变电容，本发明中的微可变电容用作加速度传感器用于各种场合。为实现上述目的，本发明采用以下技术方案
本发明提供了一种用于单轴精密加速度计的差分微电容，为了提高灵敏度，减小非线性误差，本发明采用差动式电容，这样由于对称性可以减小静电力引起的测量误差，同时能有效的补偿温度变化等环境因素造成的误差。同时由于电容的边缘效应带来的灵敏度误差和非线性误差，本发明采用等位环保护来大大减小电容的边缘效应。本发明所述用于单轴精密加速度计的差分微电容包括上电极、下电极和可动电极，上电极和可动电极通过柱子来悬空，上下电极均采用等位环保护。可动电极通过柱子悬空且采用弹簧作为柔性支撑达到易动的目的。上下电极和可动电极均采用圆形电极，每个电极均有信号引出接入到信号电路中。可动电极和上下电极分别组成两个差分电容，检测的时候一个电容值增大，另一个电容值减小，且增加量等于减小量。每个电容的信号均输入到反相求和电路中，输出值反映了电容的变化，间接反映了被测加速度值。
上述技术方案中，整个含等位环的差分微电容在玻璃基片上加工，下电极与玻璃基片接触，可动电极通过柱子和弹簧与上电极保持极小的间距，上电极通过柱子和横梁支撑与可动电极保持极小的间距。上述技术方案中，为了保证可动电极的灵敏度，可动电极采用弹簧来支撑，且需要在可动电极上增设一个质量块。上述技术方案中，为了保证加速度传感器的精确度，上电极和下电极在外界的冲击下要保持相对静止。因此上电极采用较厚且较窄的横梁来支撑。等位环也采用横梁来支撑，而不采用弹簧。上述技术方案中，除了每个电极都要引出信号之外，上下电极的等位环也要引出信号来保证电极和等位环在施加同样的电压后拥有同样的电位，从而大大减小边缘效应。上述技术方案中，为了保证上电极、可动电极、下电极之间相互绝缘，采用玻璃基底，而不采用有导电能力的硅作为基底。本发明提供一种用于单轴精密加速度计的差分微电容的制备方法，包括步骤如下
1)清洗玻璃基片；
2)在玻璃基片上的一面溅射第一层Cr/Cu种子层；
3)在第一层Cr/Cu种子层上甩正性光刻胶作为第一层光刻胶；
4)烘胶后进行曝光，通过曝光将含等位环的下电极的图形和所有支撑柱子的图形转移到光刻胶上；
5)显影使光刻胶上的图形显现出来；
6)电镀，经过等离子水冲洗干净后，镀金；
7)在电镀好下电极和柱子的玻璃基片上，甩正胶；
8)烘胶后，曝光、显影得到所有柱子的图形，电镀出柱子的图形；
9)溅射第二层Cr/Cu种子层，溅射好种子层后，再甩正胶，这是第三层光刻胶；
10)烘胶，曝光显影得到可动电极和弹簧的图形，然后镀镍，再镀金；
11)电镀好后烘透，再甩正胶，这是第四层光刻胶，再曝光、显影、电镀得到加厚电极；
12)电镀好后烘透，再甩正胶，这是第五层光刻胶，再曝光、显影、电镀得到剩余柱子的图形；
13)溅射第三层Cr/Cu种子层，溅射好种子层后，再甩正胶，这是第六层光刻胶；
14)烘胶，曝光显影得到上电极和横梁的图形，然后镀镍，再镀金；
15)释放出电容结构。上述技术方案中，所述的微电容采用标准的MEMS工艺中的光刻、溅射、电镀、腐蚀等技术来实现的。可动电极和上电极的悬空采用牺牲层技术来实现的。上述技术方案中，为了保证最后能腐蚀掉牺牲层，上电极和可动电极设计了一定数目的刻蚀孔，以便于腐蚀液能通过刻蚀孔与牺牲层发生化学反应，使可动电极和上电极悬空。上述技术方案中，所有电极和支撑结构均采用MEMS工艺中的电镀来形成的，主要材料是镍，电极表面电镀一层薄薄的金，金和镍有较好的结合力，且金便于焊接。本发明根据MEMS工艺、基于变电容式原理，设计了一种用于单轴精密加速度计的差分微电容作为加速度传感器。当外界存在检测范围内的加速度时，惯性力作用于电容的三个电极上，由于上下电极采用刚性支撑，保持相对静止，而可动电极由于采用柔性支撑， 在惯性力作用下，会移动微小的距离，导致两个电容中一个电容值增大，一个电容值减小， 信号输入到信号电路中，输出值反映加速度的大小。本发明上述的用于单轴精密加速度计的差分微电容，等位环和差动结构的设计大大减小了非线性误差，增大了灵敏度。相对其他原理的微加速度计，灵敏度较高，分辨力较高，重复性好，非线性误差小。适应恶劣的环境，且易于封装，成本低。
图1是一种用于单轴精密加速度计的差分微电容总体结构示意图2是一种用于单轴精密加速度计的差分微电容下可动电极和下电极的结构示意图； 图3是一种用于单轴精密加速度计的差分微电容下电极结构俯视图。图中1上电极等位环、2上电极、3横梁、4焊盘、5刻蚀孔、6上电极支撑柱、7 加厚电极(质量块)、8可动电极、9弹簧、10可动电极支撑柱、11下电极等位环、12下电极、13、玻璃基底。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。实施例1
如图1-3所示，本实施例提供一种用于单轴精密加速度计的差分微电容包括上电极、 下电极12和可动电极8，上电极和可动电极8通过上电极支撑柱6、可动电极支撑柱10来悬空，上电极、下电极12均采用等位环1、11保护。可动电极8通过可动电极支撑柱10悬空且采用弹簧9作为柔性支撑达到易动的目的。上下电极和可动电极8均采用圆形电极， 每个电极均引出焊盘4，，将信号引出接入到信号电路中。可动电极8和上下电极分别组成两个差分电容，检测的时候一个电容值增大，另一个电容值减小，且增加量等于减小量。每个电容的信号均输入到反相求和电路中，输出值反映了电容的变化，间接反映了被测加速度值。本实施例中，所述微电容设置在玻璃衬底上13，下电极12与玻璃基底13接触，可动电极8通过可动电极支撑柱10和弹簧9与下电极12保持极小的间距，该间距小于或等于5 μ m，上电极通过上电极支撑柱6和横梁3与可动电极8保持极小的间距，改间距大小等于可动电极8与下电极12之间的距离。本实施例中，上下电极和可动电极8均采用圆形电极，上电极和下电极12采用等位环设计，等位环为圆环，包围着圆形电极，且与圆形电极保持绝缘。圆环的宽度大于两倍的等位环与电极之间的绝缘间隙。本实施例中，为了保证可动电极的灵敏度，可动电极采用弹簧来支撑，且需要在可动电极上增设一个质量块7。本实施例中，为了保证加速度传感器的精确度，上电极和下电极在外界的冲击下要保持相对静止。因此上电极采用的横梁3来支撑，横梁厚度一般在30 μ πΓ50 μ m,宽度与厚度的比大约为0. 5 1，这样保证横梁在竖直方向有较大的刚度。等位环也采用横梁3来支撑，而不采用弹簧。本实施例中，为了保证最后能腐蚀掉牺牲层，上电极和可动电极设计了一定数目的刻蚀孔5，以便于腐蚀液能通过刻蚀孔与牺牲层发生化学反应，使可动电极8和上电极悬空。本实施例中，除了每个电极都要引出信号之外，上下电极的等位环1、11也要引出信号来保证电极和等位环在施加同样的电压后拥有同样的电位，从而大大减小边缘效应。上述技术方案中，为了保证上电极、可动电极、下电极之间相互绝缘，采用玻璃基底13，而不采用有导电能力的硅作为基底。实施例2
本实施例提供一种用于单轴精密加速度计的差分微电容的制备方法，其步骤如下 1)清洗Imm厚的玻璃基片
先用碳酸钙粉末擦洗玻璃基片，洗干净后，分别用碱性清洗液和酸性碱性液清洗玻璃基片，然后等离子水冲洗干净，置于60°C烘箱中1小时。)在玻璃基片上的一面溅射第一层Cr/Cu种子层。)在第一层Cr/Cu种子层上甩5μ m正性光刻胶AZ P4620作为第一层光刻胶。)烘胶后采用KarlSuss MA6双面对准光刻机进行曝光。通过曝光将下电极(含等位环)的图形和所有支撑柱子的图形转移到光刻胶上。)显影使光刻胶上的图形显现出来。)电镀。待镀层厚度为4μ m时，经过等离子水冲洗干净后，置于镀金液中电镀1 μ m 厚度的金，以便于焊接。)采用步骤4中的甩胶方法，在电镀好下电极和柱子的玻璃基片上，甩5μ m正胶。 甩胶工艺基本参数一致。)烘胶后采用上述步骤中的方法，曝光、显影得到所有柱子的图形，电镀出柱子的图形。)采用步骤2中的方法溅射第二层Cr/Cu种子层。工艺参数一样。溅射好种子层后，再甩IOym正胶AZP4903，工艺参数为1000 rpmX30s。这是第三层光刻胶。)烘胶，曝光显影得到可动电极和弹簧的图形，和上述方法一样，显影时间稍长。然后在同样电镀槽中镀9 μ m镍，在镀1 μ m金。)电镀好后烘透，再甩30 μ m正胶，和上述甩胶参数一样，这是第四层光刻胶，再曝光、显影、电镀得到加厚电极，目的是为了增加可动电极的质量。)电镀好后烘透，再甩5μ m正胶，和上述甩胶参数一样，这是第五层光刻胶，再曝光、显影、电镀得到剩余柱子的图形。)采用步骤2中的方法溅射第三层Cr/Cu种子层。工艺参数一样。溅射好种子层后，再甩IOym正胶AZP4903，工艺参数为1000 rpmX30s。这是第六层光刻胶。)烘胶，曝光显影得到上电极和横梁的图形，和上述方法一样，显影时间稍长。然后在同样电镀槽中镀9 μ m镍，在镀1 μ m金。)释放出电容结构
主要采用湿法腐蚀的方法去掉光刻胶和种子层，释放出悬空结构。方法是在光刻胶释放液和种子层释放液中来回腐蚀，当所有暴露的光刻胶和种子层腐蚀完毕后，最后释放牺牲层，也就是悬空结构中隐藏的光刻胶。释放光刻胶的方法是夹住片子置于丙酮溶液中，上下反复拖动十下左右，用肉眼观察最上面一层光刻胶是否已经去掉，使种子层将暴露出来。释放种子层的方法是采用双氧水-氨水刻蚀液来刻蚀铜的选择性刻蚀液，其能刻蚀铜的同时保留镍和金元素。一般按照双氧水氨水水=1:3:12比例配置，双氧水最后加，搅拌均勻后使用。刻蚀铜的速率很快，一般几分钟内完成。然后用酸性高锰酸钾溶液刻蚀Cr。释放牺牲层，将片子置于已配置好的氢氧化钠溶液中，通过磁力搅拌，使碱性刻蚀液通过上电极的刻蚀孔进入到牺牲层，由于上下电极之间的光刻胶需要通过刻蚀液从上电极的刻蚀孔进入，所以腐蚀速率极慢，需要长时间的反应，大概需要10小时的反应时间才能充分去掉。最后浸泡于丙酮溶液中20 分钟，取出后自然干燥。本实施例中，差分微电容采用标准的MEMS工艺中的光刻、溅射、电镀、腐蚀等技术来实现的。上电极和可动电极的悬空采用牺牲层技术来实现的。本实施例中，所述上电极、可动电极、下电极、柱子、弹簧、横梁、等位环均采用电镀方式形成。主要电镀材料为镍，为了便于焊接引出信号，在电极表面镀一层薄薄的金，厚度大约1 μ m。尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
权利要求
1.一种用于单轴精密加速度计的差分微电容，包括上电极、可动电极、下电极，上电极和可动电极通过柱子与下电极保持悬空，其特征在于上下电极均采用等位环保护，可动电极通过柱子悬空且采用弹簧作为柔性支撑，上下电极和可动电极均采用圆形电极，每个电极均有信号引出接入到信号电路中，可动电极和上下电极分别组成两个差分电容，检测的时候一个电容值增大，另一个电容值减小，且增加量等于减小量。
2.根据权利要求1所述的用于单轴精密加速度计的差分微电容，其特征在于，所述微电容设置在玻璃衬底上，下电极与玻璃基底接触，可动电极通过柱子和弹簧与下电极保持极小的间距，间距小于或等于5 μ m，上电极通过柱子和横梁与可动电极保持极小的间距，间距大小等于可动电极与下电极之间的距离。
3.根据权利要求1或2所述的用于单轴精密加速度计的差分微电容，其特征在于，所述可动电极上设有一个质量块。
4.根据权利要求1或2所述的用于单轴精密加速度计的差分微电容，其特征在于，所述上电极采用横梁支撑，等位环也采用横梁支撑。
5.根据权利要求1或2所述的用于单轴精密加速度计的差分微电容，其特征在于，所述上电极和下电极的等位环为圆环，包围着圆形电极，且与圆形电极保持绝缘，圆环的宽度大于两倍的等位环与电极之间的绝缘间隙。
6.根据权利要求1或2所述的用于单轴精密加速度计的差分微电容，其特征在于，所述上下电极的等位环引出信号保证电极和等位环在施加同样的电压后拥有同样的电位。
7.根据权利要求1或2所述的用于单轴精密加速度计的差分微电容，其特征在于，所述电极表面镀一层金。
8.—种如权利要求1至6所述的用于单轴精密加速度计的差分微电容的制备方法，其特征在于，包括如下步骤1)清洗玻璃基片；2)在玻璃基片上的一面溅射第一层Cr/Cu种子层；3)在第一层Cr/Cu种子层上甩正性光刻胶作为第一层光刻胶；4)烘胶后进行曝光，通过曝光将含等位环的下电极的图形和所有支撑柱子的图形转移到光刻胶上；5)显影使光刻胶上的图形显现出来；6)电镀，经过等离子水冲洗干净后，镀金；7)在电镀好下电极和柱子的玻璃基片上，甩正胶；8)烘胶后，曝光、显影得到所有柱子的图形，电镀出柱子的图形；9)溅射第二层Cr/Cu种子层，溅射好种子层后，再甩正胶，这是第三层光刻胶；10)烘胶，曝光显影得到可动电极和弹簧的图形，然后镀镍，再镀金；11)电镀好后烘透，再甩正胶，这是第四层光刻胶，再曝光、显影、电镀得到加厚电极；12)电镀好后烘透，再甩正胶，这是第五层光刻胶，再曝光、显影、电镀得到剩余柱子的图形；13)溅射第三层Cr/Cu种子层，溅射好种子层后，再甩正胶，这是第六层光刻胶；14)烘胶，曝光显影得到上电极和横梁的图形，然后镀镍，再镀金；15)释放出电容结构。
9.根据权利要求7所述的用于单轴精密加速度计的差分微电容的制备方法，其特征在于，所述电极表面镀一层金，厚度为1 μ m。
10.根据权利要求7所述的用于单轴精密加速度计的差分微电容的制备方法，其特征在于，所述上电极和可动电极上设有一定数目的刻蚀孔，便于腐蚀液能进入到牺牲层并发生化学反应，上电极的刻蚀孔形状、数量和位置分布都要与可动电极保持一致。
全文摘要
一种用于单轴精密加速度计的差分微电容及其制备方法，所述微电容包括上电极、可动电极、下电极，上电极和可动电极通过柱子与下电极保持悬空，上下电极均采用等位环保护，可动电极通过柱子悬空且采用弹簧作为柔性支撑，上下电极和可动电极均采用圆形电极，每个电极均有信号引出接入到信号电路中，可动电极和上下电极分别组成两个差分电容。差分微电容采用标准的MEMS工艺中的光刻、溅射、电镀、腐蚀等技术来实现的。上电极和可动电极的悬空采用牺牲层技术来实现的。本发明中，三个电极构成差分电容，工作时，一个电容值增大，另一个电容值等值减小，通过信号处理，输出值直接反映了检测量的大小，达到检测加速度的目的。
文档编号G01P15/125GK102435773SQ201110298158
公开日2012年5月2日 申请日期2011年9月28日 优先权日2011年9月28日
发明者丁桂甫, 何明轩, 冯建智, 刘瑞鸿, 汪红, 赵小林, 陈欣 申请人:上海交通大学