专利名称：一种硅微电容式二维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加速度传感器，包括基底、固定支撑、内惯性质量块、左惯性质量块、右惯性质量块、固定齿枢、固定梳齿、可动梳齿、“U”字形折叠梁、矩形框折叠梁和止挡；
所述基底为矩形结构，在其四角处分别设有竖直向上的固定支撑，以矩形结构的基底的左右为Z轴方向，前后为7轴方向；在左侧的两个固定支撑之间和右侧的两个固定支撑之间沿/方向分别设有两个固定齿枢，在前侧的两个固定支撑之间和后侧的两个固定支撑之间沿X方向分别设有两个固定齿枢；
四个固定支撑的顶部分别固定连接有“U”字形折叠梁和矩形框折叠梁；所述“U”字形折叠梁沿/轴方向布置、开口向内，“U”字形折叠梁的一端连接在固定支撑上，另一端连接在矩形结构的内惯性质量块的角部，所述内惯性质量块通过其四角上的“U”字形折叠梁悬空连接在基底的中部正上方；
所述左惯性质量块设置在内惯性质量块与左侧的固定齿枢之间，左惯性质量块的两端分别与左侧的矩形框折叠梁的一长边中部一体成型，矩形框折叠梁的另一长边中部与对应侧的固定支撑一体成型；所述右惯性质量块设置在内惯性质量块与右侧的固定齿枢之间， 右惯性质量块的两端分别与右侧的矩形框折叠梁的一长边中部一体成型，矩形框折叠梁的另一长边中部与对应侧的固定支撑一体成型；所述左惯性质量块和右惯性质量块分别通过其两端的矩形框折叠梁悬空连接在基底的正上方；
所述左右两侧的固定齿枢的内侧沿7轴方向分别均布设有数个伸向内侧的固定梳齿，所述左惯性质量块和右惯性质量块的外侧沿/轴方向均布设有数个伸向外侧的可动梳齿； 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cAr’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
所述前后两侧的固定齿枢的内侧沿X轴方向分别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沿X轴方向分别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
^Ax0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；所述左惯性质量块和右惯性质量块的两端分别设有在7轴方向与固定支撑对应的止挡，所述左惯性质量块和右惯性质量块两端的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加速度传感器，与现有技术相比，具有如下优占.
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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。硅微电容式二维加速度传感器包括基底1、固定支撑2、内惯性质量块3、左惯性质量块4、右惯性质量块 5、固定齿枢6、固定梳齿7、可动梳齿8、“U”字形折叠梁9、矩形框折叠梁10和止挡11。其中，基底1为矩形结构，在其四角处分别设有竖直向上的固定支撑2，以矩形结构的基底1的左右为X轴方向，前后为/轴方向。在左侧的两个固定支撑2之间和右侧的两个 固定支撑2之间沿7方向分别设有两个固定齿枢6，在前侧的两个固定支撑2之间和后侧的两个固定支撑2之间沿Z方向分别设有两个固定齿枢6。四个固定支撑2的顶部分别固定连接有“U”字形折叠梁9和矩形框折叠梁10。“U”字形折叠梁9沿7轴方向布置、开口向内，“U”字形折叠梁9的一端连接在固定支撑2上，另一端连接在矩形结构的内惯性质量块3的角部，内惯性质量块3通过其四角上的“U”字形折叠梁9悬空连接在基底1的中部正上方。左惯性质量块4设置在内惯性质量块3与左侧的固定齿枢6之间，左惯性质量块4的两端分别与左侧的矩形框折叠梁10的一长边中部一体成型，矩形框折叠梁10的另一长边中部与对应侧的固定支撑2 —体成型；右惯性质量块5设置在内惯性质量块3与右侧的固定齿枢6之间，右惯性质量块5的两端分别与右侧的矩形框折叠梁10的一长边中部一体成型，矩形框折叠梁10的另一长边中部与对应侧的固定支撑2—体成型。左惯性质量块4和右惯性质量块5分别通过其两端的矩形框折叠梁10悬空连接在基底1的正上方。前后两侧的固定齿枢6 (即前侧的两个固定齿枢62、64，后侧的两个固定齿枢61、 63)的内侧沿Z轴方向分别均布设有数个(图1中共画出十九个)伸向内侧的固定梳齿7，内惯性质量块3的前后两侧沿Z轴方向分别均布设有数个(图1中共画出十九个)伸向外侧的可动梳齿8。靠近后左侧和靠近前左侧的固定齿枢6 (即图1中靠近后左侧的固定齿枢61 和靠近前左侧的固定齿枢62)上的固定梳齿7 (图1中为九个)分别从一侧(图1中从右侧) 插入对应侧的可动梳齿8内，并与对应侧的可动梳齿8交叉分布构成电容器Gp靠近后右侧和靠近前右侧的固定齿枢6 (即图1中靠近后右侧的固定齿枢63和靠近前右侧的固定齿枢64)上的固定梳齿7 (图1中为十个)分别从另一侧(图1中从左侧)插入对应侧的可动梳齿8内，并与对应侧的可动梳齿8交叉分布构成电容器Q电容器4和电容器Cbx构成 X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。左右两侧的固定齿枢6 (即左侧的两个固定齿枢65、67，右侧的两个固定齿枢66、 68)的内侧沿7轴方向分别均布设有数个(图1中共画出十九个)伸向内侧的固定梳齿7，左惯性质量块4和右惯性质量块5的外侧沿7轴方向均布设有数个(图1中共画出十九个)伸向外侧的可动梳齿8。靠近左后侧和靠近右后侧的固定齿枢6 (即图1中靠近左后侧的固定齿枢65和靠近右后侧的固定齿枢66)上的固定梳齿7 (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8内，并与对应侧的可动梳齿8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6(即图1中靠近左前侧的固定齿枢67 和靠近右前侧的固定齿枢68)上的固定梳齿7 (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8内，并与对应侧的可动梳齿8交叉分布构成电容器 CBy0电容器Q和电容器C办构成7方向的差分电容以检测7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的四角分别设有在Z轴方向与固定支撑2对应的止挡11，内惯性质量块3上的四个止挡11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7与对应侧相邻可动梳齿8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11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8)在I方向的运动限位，可防止在I方向较强冲击下“U”字形折叠梁9断裂，并避免因可动梳齿8和固定梳齿7发生接触而导致传感器失效。左惯性质量块4和右惯性质量块5的两端分别设有在7轴方向与固定支撑2对应的止挡11，左惯性质量块4和右惯性质量块5两端的止挡11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7与对应侧相邻可动梳齿8之间的最小距 离。左惯性质量块4和右惯性质量块5上的止挡11与固定支撑2构成了 7方向的止挡结构，实现了对左惯性质量块4和右惯性质量块5 (亦即可动梳齿8)在7方向的运动限位，可防止在7方向较强冲击下矩形框折叠梁10断裂，并避免因可动梳齿8和固定梳齿7发生接触而导致传感器失效。本实施例中，可动梳齿8与对应侧的固定梳齿7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、左惯性质量块4和右惯性质量块5受到Z方向的加速度时，由于矩形框折叠梁10在Z方向刚度相对较大，所以左惯性质量块4和右惯性质量块5相对于基底1沿I方向的运动被限制。而“U”字形折叠梁9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、左惯性质量块4和右惯性质量块5受到7方向的加速度时，由于“U”字形折叠梁9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。而矩形框折叠梁10在7方向刚度小而Z方向刚度相对较大，所以左惯性质量块4和右惯性质量块5相对于基底1沿7方向运动，导致7方向电容器和电容器 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加速度传感器，其特征在于包括基底(1)、固定支撑(2)、内惯性质量块(3)、左惯性质量块(4)、右惯性质量块(5)、固定齿枢(6)、固定梳齿(7)、可动梳齿 (8)、“U”字形折叠梁(9)、矩形框折叠梁(10)和止挡(11)；所述基底(1)为矩形结构，在其四角处分别设有竖直向上的固定支撑(2)，以矩形结构的基底(1)的左右为X轴方向，前后为/轴方向；在左侧的两个固定支撑(2)之间和右侧的两个固定支撑(2)之间沿7方向分别设有两个固定齿枢(6)，在前侧的两个固定支撑(2)之间和后侧的两个固定支撑(2)之间沿Z方向分别设有两个固定齿枢(6)；四个固定支撑(2)的顶部分别固定连接有“U”字形折叠梁(9)和矩形框折叠梁(10); 所述“U”字形折叠梁(9)沿7轴方向布置、开口向内，“U”字形折叠梁(9)的一端连接在固定支撑(2)上，另一端连接在矩形结构的内惯性质量块(3)的角部，所述内惯性质量块(3) 通过其四角上的“U”字形折叠梁(9)悬空连接在基底(1)的中部正上方；所述左惯性质量块(4)设置在内惯性质量块(3)与左侧的固定齿枢(6)之间，左惯性质量块(4)的两端分别与左侧的矩形框折叠梁(10)的一长边中部一体成型，矩形框折叠梁 (10)的另一长边中部与对应侧的固定支撑(2) —体成型；所述右惯性质量块(5)设置在内惯性质量块(3)与右侧的固定齿枢(6)之间，右惯性质量块(5)的两端分别与右侧的矩形框折叠梁(10)的一长边中部一体成型，矩形框折叠梁(10)的另一长边中部与对应侧的固定支撑(2) —体成型；所述左惯性质量块(4)和右惯性质量块(5)分别通过其两端的矩形框折叠梁(10 )悬空连接在基底(1)的正上方；所述左右两侧的固定齿枢(6)的内侧沿7轴方向分别均布设有数个伸向内侧的固定梳齿(7)，所述左惯性质量块(4)和右惯性质量块(5)的外侧沿7轴方向均布设有数个伸向外侧的可动梳齿(8);靠近左后侧和靠近右后侧的固定齿枢(6)上的固定梳齿(7)分别从一侧插入对应侧的可动梳齿(8)内，并与对应侧的可动梳齿(8)交叉分布构成电容器CAr,靠近左前侧和靠近右前侧的固定齿枢(6)上的固定梳齿(7)分别从另一侧插入对应侧的可动梳齿 (8)内，并与对应侧的可动梳齿(8)交叉分布构成电容器Q7 ；所述前后两侧的固定齿枢(6)的内侧沿Z轴方向分别均布设有数个伸向内侧的固定梳齿(7)，所述内惯性质量块(3)的前后两侧沿Z轴方向分别均布设有数个伸向外侧的可动梳齿(8);靠近后左侧和靠近前左侧的固定齿枢(6)上的固定梳齿(7)分别从一侧插入对应侧的可动梳齿(8)内，并与对应侧的可动梳齿(8)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(6)上的固定梳齿(7)分别从另一侧插入对应侧的可动梳齿(8)内，并与对应侧的可动梳齿(8)交叉分布构成电容器Gp
2.根据权利要求1所述的硅微电容式二维加速度传感器，其特征在于所述可动梳齿 (8)与对应侧的固定梳齿(7)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加速度传感器，其特征在于所述内惯性质量块(3)的四角分别设有在Z轴方向与固定支撑(2)对应的止挡(11)，所述内惯性质量块(3 )上的四个止挡(11)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(7)与对应侧相邻可动梳齿(8)之间的最小距离；所述左惯性质量块(4)和右惯性质量块(5)的两端分别设有在7轴方向与固定支撑(2)对应的止挡(11)，所述左惯性质量块(4 )和右惯性质量块(5 )两端的止挡(11)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(7)与对应侧相邻可动梳齿(8)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加速度传感器，包括基底、内惯性质量块、左惯性质量块、右惯性质量块、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左惯性质量块和右惯性质量块之间；左后侧和右后侧的固定梳齿、左前侧和右前侧的固定梳齿分别与对应的可动梳齿构成电容器CAy和CBy；后左侧和前左侧的固定梳齿、后右侧和前右侧的固定梳齿分别与对应的可动梳齿构成电容器CBx和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G01P15/18GK102435779SQ20111034148
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