专利名称：一种硅微电容式二维集成加速度传感器的制作方法
技术领域：
本发明属 于MEMS传感器技术领域，尤其涉及一种硅微电容式二维集成加速度传感器。
背景技术：
目前，单轴微型加速度传感器的技术比较成熟。但在一些特殊的应用场合，如飞行器姿态控制、导弹制导、战场机器人等，往往需要检测两个方向的加速度。如果仅仅采用早期的组合方式，即将两只单轴微型加速度传感器相互正交装配在一起，不仅传感器性能受装配精度的影响极大，而且存在集成度低、体积大、一致性差等问题。因此，二维集成式微型加速度传感器成为研究热点。现有的二维集成式微型加速度传感器，无论是在同一基片上制作两个独立的加速度传感器，还是采用单敏感质量元实现对两个方向加速度的检测，都存在交叉干扰严重的问题。因此，抑制交叉干扰是二维集成式微型加速度传感器研制中需要重点解决的问题。
发明内容
针对二维集成式微型加速度传感器研制的关键技术问题，本发明提供了一种能有效抑制交叉干扰的硅微电容式二维集成加速度传感器。本发明采用了如下技术方案一种硅微电容式二维集成加速度传感器，包括基底、 固定支撑、横截面为“工”字形的内惯性质量块、中空结构的外惯性质量块、固定齿枢、固定梳齿、可动梳齿、Z方向主变形的“U”字形折叠梁、7方向主变形的“U”字形折叠梁和止挡；
所述外惯性质量块的内孔横截面为“工”字形，基底上设有四根竖直向上的固定支撑， 四根固定支撑分布在靠近外惯性质量块内孔的四角处；以“工”字形内孔的左右为I轴方向，前后为/轴方向；“工”字形的内孔的四角处内分别设有沿I轴方向布置、且开口向外的 /方向主变形的“U”字形折叠梁和沿7轴方向布置、且开口向内的I方向主变形的“U”字形折叠梁；
四根7方向主变形的“U”字形折叠梁的一端固定在对应侧的固定支撑上，另一端固定在外惯性质量块的内壁上，外惯性质量块通过四根/方向主变形的“U”字形折叠梁悬空连接在基底上方；
四根I方向主变形的“U”字形折叠梁的一端固定在对应侧的固定支撑上，另一端固定在内惯性质量块上，内惯性质量块通过四根I方向主变形的“U”字形折叠梁悬空连接在基底的上方、且位于外惯性质量块的内孔中；
靠近所述内惯性质量块的左右两侧的内凹壁分别沿/轴方向各设有两个固定齿枢，左右两侧的固定齿枢的底部固定在基底上，左右两侧的固定齿枢沿/轴方向均布设有数个伸向外侧的固定梳齿；所述外惯性质量块的内孔左右两侧的凸壁上沿/轴方向均布设有数个伸向内侧的可动梳齿；靠近左后侧和靠近右后侧的固定齿枢上的固定梳齿分别从一侧插入对应侧的可动梳齿内，并与对应侧的可动梳齿交叉分布构成电容器G,，靠近左前侧和靠近右前侧的固定齿枢上的固定梳齿分别从另一侧插入对应侧的可动梳齿内，并与对应侧的可动梳齿交叉分布构成电容器；
靠近所述外惯性质量块的内孔前后两侧的内壁分别沿Z轴方向各设有两个固定齿枢， 前后两侧的固定齿枢的底部固定在基底上；前后两侧的固定齿枢上沿X轴方向均布设有数个伸向内侧的固定梳齿，所述内惯性质量块的前后两侧的外壁上沿I轴方向均布设有数个伸向外侧的可动梳齿；靠近后左侧和靠近前左侧的固定齿枢上的固定梳齿分别从一侧插入对 应侧的可动梳齿内，并与对应侧的可动梳齿交叉分布构成电容器Qy;靠近后右侧和靠近前右侧的固定齿枢上的固定梳齿分别从另一侧插入对应侧的可动梳齿内，并与对应侧的可动梳齿交叉分布构成电容器Q作为本发明的一种优选方案，所述可动梳齿与对应侧的固定梳齿形成定齿偏置结构。作为本发明的又一种优选方案，所述内惯性质量块的四角处分别设有在Z轴方向与固定支撑对应的止挡，所述内惯性质量块上的四个止挡分别靠近对应侧的固定支撑，并与对应侧的固定支撑之间的距离小于前后两侧的固定梳齿与对应侧相邻可动梳齿之间的最小距离；所述外惯性质量块的内孔四角处分别设有在/轴方向与固定支撑对应的止挡， 所述外惯性质量块的内孔壁上的四个止挡分别靠近对应侧的固定支撑，并与对应侧的固定支撑之间的距离小于左右两侧的固定梳齿与对应侧相邻可动梳齿之间的最小距离。本发明提供的一种硅微电容式二维集成加速度传感器，与现有技术相比，具有如下优点
1、电容器Cbx和Cax构成Z方向的差分电容以检测Z方向的加速度，并通过Z方向的止档结构实现过载保护；电容器CAr和CBy构成7方向的差分电容以检测7方向的加速度，并通过7方向的止档结构实现过载保护久、7方向的加速度分别由各自的敏感结构所感知，能有效抑制交叉干扰。2、该传感器通过微机械加工技术制作在一个芯片上，两个敏感结构巧妙集成，节省芯片面积。3、以定齿偏置梳齿结构形成差分电容，可实现高的检测灵敏度，并具有很好的工艺性。
图1为硅微电容式二维集成加速度传感器的横截面的结构示意图； 图2为Z方向的等效电学模型图3为7方向的等效电学模型图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细地说明。图1为硅微电容式二维集成加速度传感器的横截面的结构示意图，如图所示。硅微电容式二维集成加速度传感器包括基底1、固定支撑2、横截面为“工”字形的内惯性质量块3、 中空结构的外惯性质量块4、固定齿枢5、固定梳齿6、可动梳齿7、Z方向主变形的“U”字形折叠梁8、7方向主变形的“U”字形折叠梁9和止挡10。其中，外惯性质量块4的内孔横截面为“工”字形，基底1上设有四根竖直向上的固定支撑2，四根固定支撑2的顶部分布在靠近外惯性质量块4内孔的四角处。以“工”字形内 孔的左右为I轴方向，前后为7轴方向。“工”字形的内孔的四角处内分别设有沿I轴方向布置、且开口向外的7方向主变形的“U”字形折叠梁9和沿7轴方向布置、且开口向内的Z方向主变形的“U”字形折叠梁8。四根7方向主变形的“U”字形折叠梁9的一端固定在对应侧的固定支撑2上，另一端固定在外惯性质量块4的内壁上，外惯性质量块4通过四根7方向主变形的“U”字形折叠梁9悬空连接在基底1上方。四根I方向主变形的“U”字形折叠梁8的一端固定在对应侧的固定支撑2上，另一端固定在内惯性质量块3上，内惯性质量块3通过四根I方向主变形的“U”字形折叠梁8悬空连接在基底1的上方、且位于外惯性质量块4的内孔中。靠近外惯性质量块4的内孔前后两侧的内壁分别沿Z轴方向各设有两个固定齿枢 5 (即前侧的两个固定齿枢52、54，后侧的两个固定齿枢51、53)，前后两侧的固定齿枢5的底部固定在基底1上；前后两侧的固定齿枢5上沿Z轴方向均布设有数个(图1中共画出二十七个)伸向内侧的固定梳齿6，内惯性质量块3的前后两侧的外壁上沿Z轴方向均布设有数个(图1中共画出二十七个)伸向外侧的可动梳齿7。靠近后左侧和靠近前左侧的固定齿枢5 (即图1中靠近后左侧的固定齿枢51和靠近前左侧的固定齿枢52)上的固定梳齿6 (图1中为十三个)分别从一侧(图1中从右侧)插入对应侧的可动梳齿7内，并与对应侧的可动梳齿7交叉分布构成电容器6^。靠近后右侧和靠近前右侧的固定齿枢5 (即图1中靠近后右侧的固定齿枢53和靠近前右侧的固定齿枢54)上的固定梳齿6 (图1中为十四个) 分别从另一侧(图1中从左侧)插入对应侧的可动梳齿7内，并与对应侧的可动梳齿7交叉分布构成电容器CAx。电容器&和电容器Cbx构成Z方向的差分电容以检测Z方向的加速度，其等效电学模型如图2所示。靠近内惯性质量块3的左右两侧的内凹壁分别沿7轴方向各设有两个固定齿枢5 (即左侧的两个固定齿枢55、57，右侧的两个固定齿枢56、58)，左右两侧的固定齿枢5的底部固定在基底1上，左右两侧的固定齿枢5沿7轴方向均布设有数个(图1中共画出十九个) 伸向外侧的固定梳齿6。外惯性质量块4的内孔左右两侧的凸壁上沿7轴方向均布设有数个(图1中共画出十九个)伸向内侧的可动梳齿7。靠近左后侧和靠近右后侧的固定齿枢5 (即图1中靠近左后侧的固定齿枢55和靠近右后侧的固定齿枢56)上的固定梳齿6 (图1 中为十个固定梳齿)分别从一侧(图1中为从前侧)插入对应侧的可动梳齿7内，并与对应侧的可动梳齿7交叉分布构成电容器G,。靠近左前侧和靠近右前侧的固定齿枢5 (即图1 中靠近左前侧的固定齿枢57和靠近右前侧的固定齿枢58)上的固定梳齿6 (图1中为九个固定梳齿)分别从另一侧(图1中为从后侧)插入对应侧的可动梳齿7内，并与对应侧的可动梳齿7交叉分布构成电容器Cb广电容器Q和电容器CBr构成7方向的差分电容以检测 /方向的加速度，其等效电学模型如图3所示。内惯性质量块3的四角处分别设有在Z轴方向与固定支撑2对应的止挡10，内惯性质量块3上的四个止挡10分别靠近对应侧的固定支撑2，并与对应侧的固定支撑2之间的距离小于前后两侧的固定梳齿6与对应侧相邻可动梳齿7之间的最小距离，因此，固定支撑2和内惯性质量块3上的四个止挡10构成了 Z方向的止挡结构，实现了对内惯性质量块 3 (亦即可动梳齿7)在I方向的运动限位，可防止在I方向较强冲击下I方向主变形的“U” 字形折叠梁8断裂，并避免因可动梳齿7和固定梳齿6发生接触而导致传感器失效。外惯性质量块4的内孔四角处分别设有在7轴方向与固定支撑2对应的止挡10，外惯性质量块 4的内孔壁上的四个止挡10分别靠近对应侧的固定支撑2，并与对应侧的固定支撑2之间的距离小于左右两侧的固定梳齿6与对应侧相邻可动梳齿7之间的最小距离。固定支撑2 和外惯性质量块4上的止挡11构成了 7方向的止挡结构，实现了对外惯性质量块4 (亦即可动梳齿7)在7方向的运动限位，可防止在7方向较强冲击下7方向主变形的“U”字形折叠梁9断裂，并避免因可动梳齿7和固定梳齿6发生接触而导致传感器失效。
本实施例中，可动梳齿7与对应侧的固定梳齿6形成定齿偏置结构。以定齿偏置梳齿结构形成差分电容，可实现高的检测灵敏度，并具有很好的工艺性。当内惯性质量块3和外惯性质量块4受到I方向的加速度时，由于7方向主变形的“U”字形折叠梁9在Z方向刚度相对较大，所以外惯性质量块4相对于基底1沿Z方向的运动被限制。而I方向主变形的“U”字形折叠梁8在I方向刚度小而7方向刚度相对较大，所以内惯性质量块3相对于基底1沿I方向运动，导致I方向电容器&和电容器Q的电容值一个增大，一个减小。通过检测电容器Gi和电容器Ci的差分电容变化即可检测I 方向的加速度。同理，当内惯性质量块3和外惯性质量块4受到7方向的加速度时，由于I方向主变形的“U”字形折叠梁8在7方向刚度相对较大，所以内惯性质量块3相对于基底1沿7 方向的运动被限制。而/方向主变形的“U”字形折叠梁9在7方向刚度小而I方向刚度相对较大，所以外惯性质量块4相对于基底1沿7方向运动，导致7方向电容器CAr和电容器 Cby的电容值一个增大，一个减小。通过检测电容器和电容器Q7的差分电容变化即可检测/方向的加速度。该加速度传感器通过微机械加工技术制作在一个芯片上，传感器芯片的制作工艺
以N型(100)双面抛光硅片作为衬底材料，基于体硅工艺加工硅微电容式二维集成加速度传感器芯片。主要工艺步骤包括
(1)双面热氧化硅片；
(2)光刻，采用HF腐蚀液，去掉传感器可动结构区域的SiO2,形成腐蚀窗口；
(3)湿法腐蚀Si，形成键合固定支撑，并采用HF腐蚀液去除热氧化SiO2层；
(4)采用剥离法在玻璃上制作Ti/Pt/Au电极引线；
(5)硅一玻璃静电键合；
(6)湿法减薄Si至所需结构层厚度；
(7)蒸发Al，光刻、腐蚀形成深刻蚀掩膜；
(8)ICP深刻蚀释放结构。最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换， 而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种硅微电容式二维集成加速度传感器，其特征在于包括基底(1)、固定支撑(2)、 横截面为“工”字形的内惯性质量块(3)、中空结构的外惯性质量块(4)、固定齿枢(5)、固定梳齿(6)、可动梳齿(7)、Z方向主变形的“U”字形折叠梁(8)、7方向主变形的“U”字形折叠梁(9)和止挡(10)；所述外惯性质量块(4)的内孔横截面为“工”字形，基底(1)上设有四根竖直向上的固定支撑(2)，四根固定支撑(2)分布在靠近外惯性质量块(4)内孔的四角处；以“工”字形内孔的左右为I轴方向，前后为7轴方向；“工”字形的内孔的四角处内分别设有沿I轴方向布置、且开口向外的7方向主变形的“U”字形折叠梁(9)和沿7轴方向布置、且开口向内的 I方向主变形的“U”字形折叠梁(8)；四根7方向主变形的“U”字形折叠梁(9)的一端固定在对应侧的固定支撑(2)上，另一端固定在外惯性质量块(4)的内壁上，外惯性质量块(4)通过四根7方向主变形的“U”字形折叠梁(9 )悬空连接在基底(1)上方；四根I方向主变形的“U”字形折叠梁(8)的一端固定在对应侧的固定支撑(2)上，另一端固定在内惯性质量块(3)上，内惯性质量块(3)通过四根I方向主变形的“U”字形折叠梁 (8)悬空连接在基底(1)的上方、且位于外惯性质量块(4)的内孔中；靠近所述内惯性质量块(3)的左右两侧的内凹壁分别沿7轴方向各设有两个固定齿枢 (5)，左右两侧的固定齿枢(5)的底部固定在基底(1)上，左右两侧的固定齿枢(5)沿7轴方向均布设有数个伸向外侧的固定梳齿(6)；所述外惯性质量块(4)的内孔左右两侧的凸壁上沿/轴方向均布设有数个伸向内侧的可动梳齿(7)；靠近左后侧和靠近右后侧的固定齿枢(5)上的固定梳齿(6)分别从一侧插入对应侧的可动梳齿(7)内，并与对应侧的可动梳齿 (7)交叉分布构成电容器；靠近左前侧和靠近右前侧的固定齿枢(5)上的固定梳齿(6) 分别从另一侧插入对应侧的可动梳齿(7)内，并与对应侧的可动梳齿(7)交叉分布构成电容器靠近所述外惯性质量块(4)的内孔前后两侧的内壁分别沿Z轴方向各设有两个固定齿枢(5)，前后两侧的固定齿枢(5)的底部固定在基底(1)上；前后两侧的固定齿枢(5)上沿 X轴方向均布设有数个伸向内侧的固定梳齿(6)，所述内惯性质量块(3)的前后两侧的外壁上沿X轴方向均布设有数个伸向外侧的可动梳齿(7)；靠近后左侧和靠近前左侧的固定齿枢(5)上的固定梳齿(6)分别从一侧插入对应侧的可动梳齿(7)内，并与对应侧的可动梳齿 (7)交叉分布构成电容器Gx ；靠近后右侧和靠近前右侧的固定齿枢(5)上的固定梳齿(6) 分别从另一侧插入对应侧的可动梳齿(7)内，并与对应侧的可动梳齿(7)交叉分布构成电各器CAxo
2.根据权利要求1所述的硅微电容式二维集成加速度传感器，其特征在于所述可动梳齿(7)与对应侧的固定梳齿(6)形成定齿偏置结构。
3.根据权利要求1或2所述的硅微电容式二维集成加速度传感器，其特征在于所述内惯性质量块(3)的四角处分别设有在Z轴方向与固定支撑(2)对应的止挡(10)，所述内惯性质量块(3)上的四个止挡(10)分别靠近对应侧的固定支撑(2)，并与对应侧的固定支撑(2)之间的距离小于前后两侧的固定梳齿(6)与对应侧相邻可动梳齿(7)之间的最小距离；所述外惯性质量块(4)的内孔四角处分别设有在7轴方向与固定支撑(2)对应的止挡 (10)，所述外惯性质量块(4)的内孔壁上的四个止挡(10)分别靠近对应侧的固定支撑(2)，并与对应侧的固定支撑(2)之间的距离小于左右两侧的固定梳齿(6)与对应侧相邻可动梳 齿(7)之间的最小距离。
全文摘要
本发明公开了一种硅微电容式二维集成加速度传感器，包括基底、内惯性质量块、外惯性质量块、固定齿枢、固定梳齿和可动梳齿；内惯性质量块通过四根折叠梁悬空设在外惯性质量块的内孔中；左后侧和右后侧的固定梳齿与对应的可动梳齿构成电容器CAy；左前侧和右前侧的固定梳齿与对应的可动梳齿构成电容器CBy；后左侧和前左侧的固定梳齿与对应的可动梳齿构成电容器CBx；后右侧和前右侧的固定梳齿与对应的可动梳齿构成电容器CAx。电容器CBx和CAx构成X方向差分电容以检测X方向的加速度；电容器CAy和CBy构成Y方向差分电容以检测Y方向的加速度；X、Y方向的加速度分别由各自的电容器敏感结构所感知，能有效抑制交叉干扰。
文档编号G01P15/18GK102435777SQ201110341469
公开日2012年5月2日 申请日期2011年11月2日 优先权日2011年11月2日
发明者刘妤 申请人:重庆理工大学