一种MEMS全桥差分三轴加速度传感器及其加工方法与流程

本发明涉及加速度传感器，尤其涉及一种mems全桥差分三轴加速度传感器及其加工方法。

背景技术：

1、加速度传感器目前已经是汽车电子、工业控制、地质灾害、桥梁建筑、轨道交通、生物医学和国防军工等领域中极其重要的传感器之一，伴随mems技术的发展，mems加速度传感器已经渗透到上述所有行业中。

2、目前常用的加速度芯片为单轴向加速度芯片，这种结构的芯片一般为三明治结构，电容值较大，利用面积优势获得了较高灵敏度指标，实现一个方向加速度信号的高灵敏度感知，为了同时获取高灵敏度和三轴向的加速度感知能力，一般利用单轴向加速度感知芯片在三个方向实现集成，利用模组形式达到，极大的增加了传感器的体积，不利于产品的小型化设计。

3、现有技术也有采用整体加工工艺将三轴加速度传感器集成在一起，但是受现有加速度传感器结构的限制，加工工艺复杂，体积大且生产成本相对较高。

技术实现思路

1、基于以上所述，本发明的目的在于提供一种mems全桥差分三轴加速度传感器及其加工方法，加工形成的传感器能够检测三个方向的加速度，结构简单，体积得到大幅缩小，提升了传感器的灵敏度、线性度及抗温漂性能。

2、为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种mems全桥差分三轴加速度传感器，包括：上部固定组件，包括上部电极板；中部电极组件，包括中心电极块和四个呈正交对称分布的敏感组件，四个所述敏感组件分别正对所述中心电极块的四个表面积相同的侧表面，每个所述敏感组件均包括可动质量块、支撑梁、支撑弹性件、支撑质量块及中部电极块，每个所述敏感组件的所述可动质量块均位于所述中心电极块和所述中部电极块之间，所述可动质量块通过所述支撑梁和所述支撑弹性件与所述支撑质量块相连，所述可动质量块与所述上部电极板之间形成第一间隙，所述可动质量块能够沿x轴、y轴及z轴方向运动，其中两个所述敏感组件沿x轴方向分布，且两个所述敏感组件的所述可动质量块与所述中心电极块和所述中部电极块之间组成x轴全桥差分电容，所述x轴全桥差分电容用于检测沿x轴方向的加速度；另外两个所述敏感组件沿y轴方向分布，且两个所述敏感组件的所述可动质量块与所述中心电极块和所述中部电极块之间组成y轴全桥差分电容，所述y轴全桥差分电容用于检测沿y轴方向的加速度；下部固定组件，包括下部电极板，所述下部电极板与所述支撑质量块、所述中心电极块及所述中部电极块固定连接，所述下部电极板与所述可动质量块之间形成第二间隙，所述可动质量块与所述上部电极板和所述下部电极板形成z轴差分电容，所述z轴差分电容用于检测沿z轴方向的加速度。

4、作为一种mems全桥差分三轴加速度传感器的优选方案，所述mems全桥差分三轴加速度传感器还包括第一电连接件、第二电连接件、第三电连接件、第四电连接件及第五电连接件，所述第一电连接件、所述第二电连接件、所述第三电连接件、所述第四电连接件及所述第五电连接件均能够与外部电源电连接，所述第一电连接件、所述第二电连接件及所述第三电连接件均贯穿所述上部电极板且与所述上部电极板绝缘设置，所述第一电连接件与所述中心电极块电连接，所述第二电连接件与所述支撑质量块电连接，所述第三电连接件与所述中部电极块电连接，所述第四电连接件与所述上部电极板电连接，所述第五电连接件与所述下部电极板电连接。

5、作为一种mems全桥差分三轴加速度传感器的优选方案，所述mems全桥差分三轴加速度传感器还包括上部玻璃衬底和下部玻璃衬底，所述上部玻璃衬底固定在所述上部电极板背离所述中部电极组件的一侧，所述下部玻璃衬底固定在所述下部电极板背离所述中部电极组件的一侧，所述第一电连接件、所述第二电连接件、所述第三电连接件及所述第四电连接件均贯穿所述上部玻璃衬底设置，所述第五电连接件贯穿所述下部玻璃衬底设置。

6、作为一种mems全桥差分三轴加速度传感器的优选方案，所述中部电极组件包括两个背衬底电连接的soi衬底，所述敏感组件形成在所述soi衬底上，所述中心电极块上设有将顶层硅和背衬底电连接的第一导电凸块，所述第一导电凸块与所述第一电连接件电连接，所述支撑质量块上设有将所述顶层硅和所述背衬底电连接的第二导电凸块，所述第二导电凸块与所述第二电连接件电连接，所述中部电极块上设有将所述顶层硅和所述背衬底电连接的第三导电凸块，所述第三导电凸块与所述第三电连接件电连接，所述可动质量块上设有将所述顶层硅和所述背衬底电连接的第四导电凸块。

7、作为一种mems全桥差分三轴加速度传感器的优选方案，所述第一电连接件、所述第二电连接件及所述第三电连接件上均设有第一键合凸块，两个所述soi衬底分别为第一soi衬底和第二soi衬底，所述第一soi衬底上的所述第一导电凸块、所述第二导电凸块及所述第三导电凸块上均设有第二键合凸块，所述第一键合凸块与所述第二键合凸块固定且电连接，所述第一soi衬底的第一背衬底上设有第三键合凸块，所述第二soi衬底的第二背衬底上设有第四键合凸块，所述第三键合凸块与所述第四键合凸块固定且电连接，所述第二soi衬底的第二顶层硅上设有第一连接凸块，所述第一连接凸块设置在所述中心电极块、所述支撑质量块及所述中部电极块上，所述下部电极板上设有第二连接凸块，所述第一连接凸块与所述第二连接凸块固定连接。

8、作为一种mems全桥差分三轴加速度传感器的优选方案，所述第一soi衬底上形成有一个第一中心子电极块和四个对称分布的第一敏感子组件，所述第二soi衬底上形成有一个第二中心子电极块和四个对称分布的第二敏感子组件，四个所述第一敏感子组件和四个所述第二敏感子组件一一对应设置，且每个所述第一敏感子组件均和与其正对的所述第二敏感子组件组成一个所述敏感组件，每个所述第一敏感子组件均包括第一可动子质量块、第一中部子电极块、第一支撑子弹性件、第一支撑子梁及第一支撑子质量块，每个所述第二敏感子组件均包括第二可动子质量块、第二中部子电极块、第二支撑子弹性件、第二支撑子梁及第二支撑子质量块，所述第一可动子质量块正对所述第二可动子质量块设置且两者组成所述可动质量块，所述第一中部子电极块正对所述第二中部子电极块设置且两者组成所述中部电极块，所述第一支撑子弹性件正对所述第二支撑子弹性件且两者组成所述支撑弹性件，所述第一支撑子梁正对所述第二支撑子梁且两者组成所述支撑梁，所述第一支撑子质量块正对所述第二支撑子质量块且两者组成所述支撑质量块。

9、作为一种mems全桥差分三轴加速度传感器的优选方案，沿x轴分布的两个所述敏感组件的所述支撑弹性件能够沿x轴方向发生形变,每个敏感组件的所述可动质量块和所述中部电极块均形成第一x轴电容，每个所述敏感组件的所述可动质量块均与所述中心电极块形成第二x轴电容，两个所述第一x轴电容和两个所述第二x轴电容组成所述x轴全桥差分电容，在x轴方向的加速度的激励下，两个所述第一x轴电容的电容量反向变化，两个所述第二x轴电容的电容量反向变化；沿y轴分布的两个所述敏感组件的所述支撑弹性件能够沿y轴方向发生形变,每个敏感组件的所述可动质量块和所述中部电极块均形成第一y轴电容，每个所述敏感组件的所述可动质量块均与所述中心电极块形成第二y轴电容，两个所述第一y轴电容和两个所述第二y轴电容组成所述y轴全桥差分电容，在y轴方向的加速度的激励下，两个所述第一y轴电容的电容量反向变化，两个所述第二y轴电容的电容量反向变化。

10、一种mems全桥差分三轴加速度传感器的加工方法，包括：

11、提供第一soi衬底和包括上部电极板的上部固定组件；

12、将所述上部电极板与所述第一soi衬底固定连接，所述第一soi衬底的第一顶层硅和第一背衬底电连接，所述第一顶层硅通过所述上部固定组件与外部电源电连接；

13、刻蚀所述第一soi衬底，在所述第一soi衬底上形成一个第一中心子电极块和四个间隔设置的第一敏感子组件，每个所述第一敏感子组件均包括第一可动子质量块、第一中部子电极块、第一支撑子弹性件、第一支撑子梁及第一支撑子质量块，所述第一可动子质量块与所述上部电极板形成第一z轴电容，所述上部固定组件与所述第一soi衬底组成第一敏感结构；

14、提供第二soi衬底和包括下部电极板的下部固定组件；

15、将所述第二soi衬底与所述下部电极板在第三位置固定连接，且所述第二soi衬底的第二顶层硅与第二背衬底电连接；

16、刻蚀所述第二soi衬底，在所述第二soi衬底上形成一个第二中心子电极块和四个间隔设置的第二敏感子组件，每个所述第二敏感子组件均与一个所述第一敏感子组件对应且两者组成敏感组件，每个所述第二敏感子组件均包括第二可动子质量块、第二中部子电极块、第二支撑子弹性件、第二支撑子梁及第二支撑子质量块，所述第二可动子质量块与所述下部电极板形成第二z轴电容，所述第一z轴电容与所述第二z轴电容组成z轴差分电容，所述z轴差分电容用于检测沿z轴方向的加速度，所述下部固定组件与所述第二soi衬底组成第二敏感结构；

17、将所述第一敏感结构的所述第一背衬底固定且电连接在所述第二敏感结构的所述第二背衬底上，所述第一敏感结构除去所述上部固定组件的第一部分和所述第二敏感结构除去所述下部固定组件的第二部分组成中间可动组件，所述第一中心子电极块正对所述第二中心子电极块且两者组成中心电极块，每个所述敏感组件的一个所述第一可动子质量块均正对一个所述第二可动子质量块设置且两者组成可动质量块，所述可动质量块能够沿x轴、y轴及z轴方向运动，每个所述敏感组件的一个所述第一支撑子弹性件均正对一个所述第二支撑子弹性件设置且两者组成支撑弹性件，每个所述敏感组件的一个所述第一支撑子质量块均正对一个所述第二支撑子质量块设置且两者组成支撑质量块，每个所述敏感组件的一个所述第一中部子电极块均正对一个所述第二中部子电极块设置且两者组成中部电极块，沿x轴方向正对设置的两个所述敏感组件和所述中心电极块形成x轴全桥差分电容，所述x轴全桥差分电容能够检测沿x轴方向的加速度，沿y轴方向正对设置的两个所述敏感组件和所述中心电极块形成y轴全桥差分电容，所述y轴全桥差分电容能够检测沿y轴方向的加速度。

18、作为一种mems全桥差分三轴加速度传感器的加工方法的优选方案，所述上部固定组件包括上部玻璃衬底，在所述上部玻璃衬底上形成所述上部电极板，所述下部固定组件包括下部玻璃衬底，在所述下部玻璃衬底上形成所述下部电极板，加工所述第一敏感结构和所述第二敏感结构时还包括：

19、在所述上部玻璃衬底和所述上部电极板上形成贯穿设置的第一电连接件、第二电连接件、第三电连接件及第四电连接件；

20、在所述第一电连接件与所述上部电极板之间形成第一绝缘层，在所述第二电连接件与所述上部电极板之间形成第二绝缘层，在所述第三电连接件与所述上部电极板之间形成第三绝缘层；

21、在所述第一电连接件、所述第二电连接件、所述第三电连接件上形成第一键合凸块，在所述第一支撑子质量块、所述第一中部子电极块及所述第一中心子电极块上形成第二键合凸块；

22、所述第一键合凸块与所述第二键合凸块键合连接，使得所述第一电连接件与所述中心电极块电连接，所述第二电连接件与所述支撑质量块电连接，所述第三电连接件与所述中部电极块电连接，所述第四电连接件与所述上部电极板电连接；

23、在所述下部玻璃衬底和所述下部电极板上形成贯穿设置的第五电连接柱，在所述下部玻璃衬底背离所述下部电极板的一侧形成与所述第五电连接柱接触的导电层，所述第五电连接柱与所述导电层组成第五电连接件；

24、在所述第二支撑子质量块、第二中部子电极块及所述第二中心子电极块上形成第一连接凸块，在所述下部电极板上形成第二连接凸块；

25、将所述第一连接凸块与所述第二连接凸块固定连接且两者组成第五电连接件，使得所述下部固定组件与所述第二soi衬底固定连接。

26、作为一种mems全桥差分三轴加速度传感器的加工方法的优选方案，所述上部电极板为上部硅电极板，所述下部电极板为下部硅电极板，所述mems全桥差分三轴加速度传感器的加工方法还包括：

27、在所述上部硅电极板背离所述第一soi衬底的一侧形成顶部绝缘层，在所述上部硅电极板上形成贯穿设置的第一电连接件、第二电连接件、第三电连接件，在所述顶部绝缘层上形成与所述上部硅电极板电连接的第四电连接件；

28、在所述第一电连接件与所述上部硅电极板之间形成第一绝缘层，在所述第二电连接件与所述上部硅电极板之间形成第二绝缘层，在所述第三电连接件与所述上部硅电极板之间形成第三绝缘层；

29、在所述第一电连接件、第二电连接件、第三电连接件上形成第一键合凸块，在所述第一支撑子质量块、第一中部子电极块及所述第一中心子电极块上形成第二键合凸块；

30、所述第一键合凸块与所述第二键合凸块键合连接，使得所述第一电连接件与所述中心电极块电连接，所述第二电连接件与所述支撑质量块电连接，所述第三电连接件与所述中部电极块电连接，所述第四电连接件与所述上部电极板电连接；

31、在所述下部硅电极板背离所述第二soi衬底的一侧形成底部绝缘层，在所述底部绝缘层上形成与所述下部硅电极板电连接的第五电连接件；

32、在所述第二支撑子质量块、第二中部子电极块及所述第二中心子电极块上形成第一连接凸块，在所述下部硅电极板上形成第二连接凸块；

33、将所述第一连接凸块与所述第二连接凸块固定连接，使得所述下部固定组件与所述第二soi衬底固定连接。

34、本发明的有益效果为：本发明公开的mems全桥差分三轴加速度传感器，在实现三个方向加速度检测的前提下，使得传感器的体积得到大幅度缩小，组成的x轴全桥差分电容、y轴全桥差分电容及z轴差分电容能够分别检测x轴、y轴及z轴方向的加速度，x轴全桥差分电容和y轴全桥差分电容提高了该传感器的测量灵敏度和线性度，增强了传感器的抗温漂性能，减小了基础电容失配的影响，提升了传感器的稳定性。

35、本发明公开的mems全桥差分三轴加速度传感器的加工方法，加工工艺简单，易于控制和实现，加工而成的加速度传感器面积小，降低了传感器的制造成本，加工而成的mems全桥差分三轴加速度传感器还具有灵敏度高、线性度好、集成度好、电容值大及抗温漂的特点。