一种加速度计中的z轴结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于微机电(MEMS)领域，更准确地说，涉及一种微机电的惯性测量模块，尤其涉及一种加速度计中的Z轴结构。
【背景技术】
[0002]以往的Z轴加速度计都是平板电容式的，质量块的运动模式是类似跷跷板的结构。参考图1，在质量块I下方的衬底4上，会有金属或多晶硅做的第一平板电极2、第二平板电极3，质量块I与两块电极分别形成两个电容Cl、C2。在无加速度输入的情况下，质量块I与第一平板电极2、第二平板电极3之间的距离均相等，此时Cl和C2的值相等。
[0003]如有加速度输入的情况下，质量块I不再平衡，会发生类似跷跷板一样的翻转，所述质量块I 一边向下，一边向上，此时，质量块I到第一平板电极2之间的距离，与其到第二平板电极3之间的距离不再相等，参考图2的视图方向，Cl减小，而C2增大，而Cl和C2的差值与输入的加速度成正比，输出的正负号反映输入加速度的方向。
[0004]上述结构的Z轴加速度计存在以下几个缺陷:
[0005]a)工艺复杂度和成本:XY轴向的加速度计，目前都是平面内的梳齿电容方案，所以对于XY轴加速度计来说，不用引入衬底上的平板电极。上述Z轴加速度计的方案完全不同，一定要有衬底上的平板电极。也就是，为了实现Z轴加速度计的设计，要多加一层平板电极，增加工艺的复杂度和成本。
[0006]b)精度:平板电极在衬底上，所以Z轴加速度计寄生电容比较大，进而影响Z轴加速度计的精度；而XY轴加速度计，由于电容极板悬空，所以寄生电容一般会比Z轴加速度计小一半以上，所以一般XY轴加速度计的精度会比Z轴高。
[0007]c)可靠性:Z轴加速度计的可靠性一直是一个比较棘手的问题，由于下极板是Z轴加速度计必需的一部分，必须将质量块与下极板的间距控制在很小的尺寸内，结果造成质量块很容易接触到衬底或下电极，甚至粘在衬底上，不能分开，导致芯片完全的失效。
[0008]d)芯片面积:Z轴加速度计使用平板电容结构，会占用比较大的面积，一般在三轴加速度计中，Z轴加速度计占用的面积在40%以上。
【实用新型内容】
[0009]本实用新型为了解决现有技术中存在的问题，提供了一种加速度计中的Z轴结构。
[0010]为了实现上述的目的，本实用新型的技术方案是:一种加速度计中的Z轴结构，包括衬底，还包括:
[0011]通过侧壁连接的弹性梁支撑在衬底上方，相对于衬底在Z轴方向上来回平动的质量块，其中所述质量块的侧壁上设置有第一可动电极极片、第二可动电极极片；
[0012]设置在衬底上的第一固定电极极片、第二固定电极极片，所述第一固定电极极片、第二固定电极极片朝由X轴、Y轴组成的平面方向延伸；
[0013]所述第一可动电极极片与第一固定电极极片的侧壁相对，构成第一 Z轴检测电容；所述第二可动电极极片与第二固定电极极片的侧壁相对，构成第二 Z轴检测电容；
[0014]其中，初始状态下，第一固定电极极片其中一端的端面低于第一可动电极极片相同端的端面；而第二固定电极极片中与第一固定电极极片相同端的端面高于第二可动电极极片中与第一固定电极极片相同端的端面。
[0015]优选的是，所述质量块上设置有通孔，第一可动电极极片、第二可动电极极片设置在质量块通孔的侧壁上。
[0016]优选的是，初始状态下，第一固定电极极片的上端面低于第一可动电极极片的上端面；第二固定电极极片的上端面高于第二可动电极极片的上端面。
[0017]优选的是，初始状态下，第一固定电极极片的下端面与第一可动电极极片的下端面齐平；第二固定电极极片的下端面与第二可动电极极片的下端面齐平。
[0018]优选的是，初始状态下，所述第一固定电极极片、第一可动电极极片、第二固定电极极片、第二可动电极极片的下端面均齐平。
[0019]优选的是，初始状态下，所述第一固定电极极片的下端面低于第一可动电极极片的下端面；所述第二固定电极极片的下端面高于第二可动电极极片的下端面。
[0020]优选的是，所述第一固定电极极片、第一可动电极极片设有多个，多个第一可动电极极片沿着质量块的侧壁分布；多个第一固定电极极片、第一可动电极极片构成梳齿电容结构。
[0021]优选的是，所述第二固定电极极片、第二可动电极极片分别有多个，多个第二可动电极极片沿着质量块的侧壁分布；多个第二固定电极极片、第二可动电极极片构成梳齿电容结构。
[0022]优选的是，所述第一固定电极极片、第二固定电极极片在衬底上平行布置。
[0023]优选的是，所述第一可动电极极片、第二可动电极极片与质量块一体成型。
[0024]本实用新型的Z轴加速度计，摒弃了下极板结构，从而摆脱了下极板对Z轴加速度计的限制，使质量块的运动模式不再是跷跷板式的运动，而是在Z轴方向上、下平动，减小了 Z轴加速度计的寄生电容，提高了检测的精度。而且，由于摒弃了下极板结构，减小了其占用的芯片面积，降低了制造工艺的复杂程度和成本，提高了芯片的可靠性。而且，该Z轴结构，避免了质量块与衬底的接触，提高了芯片的可靠性；由于质量块和固定电极在同一层上，首先可以达到比传统Z轴结构更好的一致性，而且可以将锚点设计的更为集中，降低芯片对温度和应力变化的敏感度。
【附图说明】
[0025]图1示出了现有技术中Z轴结构的结构示意图。
[0026]图2示出了图1中质量块发生偏转时的示意图。
[0027]图3示出了本实用新型Z轴结构的示意图。
[0028]图4a示出了本实用新型质量块位于初始状态时的运动模态示意图。
[0029]图4b示出了本实用新型质量块受到Z轴负方向加速度时的运动模式示意图。
[0030]图4c示出了本实用新型质量块受到Z轴正方向加速度时的运动模式示意图。
[0031]图5a至图5c示出了本实用新型Z轴检测电容的原理图。
[0032]图6a至图6c示出了本实用新型Z轴检测电容另一实施结构的原理图。
【具体实施方式】
[0033]为了使本实用新型解决的技术问题、采用的技术方案、取得的技术效果易于理解，下面结合具体的附图，对本实用新型的【具体实施方式】做进一步说明。
[0034]传统结构的加速度计，其X轴、Y轴方向均采用平动方式，而Z轴均采用跷跷板式的偏转方式，相对于传统Z轴加速度计结构，本实用新型提供了一种加速度计中的Z轴结构，可以用来检测垂直方向上的Z轴加速度信号。参考图3、图4a，包括衬底4，在该衬底上可以排布加速度计的各功能部件等。质量块I可以通过弹性梁5连接到在衬底4上的锚点6上，具体地，所述质量块I的侧壁通过弹性梁5连接在衬底4的锚点6上。在具体工艺中，为了使质量块I与衬底4之间具有足够的间隙，还可通过隔离部将锚点6垫高。当质量块I在受到相应的力时，可以相对于衬底4上、下移动，更准确地说，当质量块I受到Z轴方向的加速度时，使得质量块I可以在Z轴方向上往上或往下移动。
[0035]以图4a的视图方向为参考，往上为Z轴的正方向，往下则为Z轴的负方向。当质量块I受到Z轴负方向的力时，质量块I在弹性梁的作用下往下移动，做向下拉伸弹性梁的动作，参考图4b。当质量块I受到Z轴正方向的力时，则质量块I在弹性梁的作用下往上移动，做向上拉伸弹性梁的动作，参考图4c。为了防止质量块I发生偏转，以设置多个弹性梁进行稳定地支撑，在此不再具体说明。
[0036]在所述质量块I的侧壁上设置有第一可动电极极片10、第二可动电极极片11，该第一可动电极极片10、第二可动电极极片11和质量块I是一体的，作为差分检测电容的公用极片使用。当质量块I受到外力朝向Z轴方向发生位移时，第一可动电极极片10、第二可动电极极片11随着质量块I同步运动。该第一可动电极极片10、第二可动电极极片11可以设置在质量块I的边缘，优选的是，所述质量块I上设置有通孔，第一可动电极极片10、第二可动电极极片11设置在质量块I通孔的侧壁上。
[0037]为了能与第一可动电极极片10、第二可动电极极片11分别组成检测电容，在衬底4上还设置有第一固定电极2、第二固定电极3，所述第一固定电极2、第二固定电极3的边缘分别设有向外延伸的第一固定电极极片20、第二固定电极极片30。该第一固定电极2与第一固定电极极片20是一体成型，第二固定电极3与第二固定电极极片30也是一体成型的。其中，第一固定电极极片20、第二固定电极极片30位于由X轴、Y轴构成的平面方向内，也就是说，第一固定电极极片20、第二固定电极极片30的延伸方向与质量块I的运动方向是垂直的。
[0038]例如，在本实用新型一个具体的实施例中，第一固定电极极片20可以在X轴方向延伸，第二固定电极极片30也可以在X轴方向延伸，此时，第一固定电极2、第二固定电极3可以是平行地布置在衬底4上。当然第二固定电极极片30也可以在Y轴方向延伸，只要是与质量块I的运动方向基本垂直即可。
[0039]其中，第一可动电极极片10与第一固定电极极片20侧壁相对，构成第一 Z轴检测电容；也就是说，两个极片中位于XZ或者YZ平面内的侧壁相对，使得第一可动电极极片10随着质量块I在Z轴方向发生位移时，两个极片侧壁之间相对的面积与位置会发生变化，从而使得第一 Z轴检测电容发生变化。
[0040]基于同样的道理，第二可动电极极片11与第二固定电极极片30的侧壁相对，构成第二 Z轴检测电容；也就是说，两个极片中位于XZ或者YZ平面内的侧壁相对，使得第二可动电极极片11随着质量块I在Z轴方向发生位移时，两个极片侧壁之间相对的面积与位置会发生变化，从而使得第二 Z轴检测电容发生变化。
[0041]为了使第一 Z轴检测电容、第二 Z轴检测电容可以构成差分电容结构，在初始状态下，第一固定电极极片20其中一端的端面低于第一可动电极极片10相同端的端面；而第二固定电极极片30中与第一固定电极极片20相同端的端面高于第二可动电极极片11中与第一固定电极极片20相同端的端面。