專利名稱：不等高梳齒電容式三軸加速度傳感器及其制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及傳感器技術領域，具體地說，涉及的是一種不等高梳齒電容式三軸加速度傳感器及其制作方法。
背景技術：
在汽車安全控制系統(tǒng)中，其關鍵技術在于高性能傳感器的研制和應用程度?！皼]有傳感器技術就沒有現代汽車”已成為業(yè)內共識，這意味著汽車電子化越發(fā)達，自動化程度越高，對傳感器的依賴性就越大。對此，業(yè)內專家認為，未來新型汽車應用系統(tǒng)將催生新的汽車傳感器與之配套。傳感器產業(yè)作為國內外公認的具有發(fā)展前途的高技術產業(yè)，以其技術含量高、經濟效益好、滲透能力強、市場前景廣等特點為世人矚目。由于MEMS微型傳感器在降低汽車電子系統(tǒng)成本及提高其性能方面的優(yōu)勢，它們已開始逐步取代基于傳統(tǒng)機電技術的傳感器，汽車MEMS傳感器將成為世界汽車電子的重要構成部分。在未來5年 7年內， 包括發(fā)動機運行管理、廢氣與空氣質量控制、剎車防抱死系統(tǒng)、車輛動力學控制、自適應導航、車輛行駛安全系統(tǒng)等在內的汽車電子系統(tǒng)應用將為MEMS技術提供廣闊的市場。MEMS技術的日趨成熟完善，可滿足汽車環(huán)境苛刻、可靠性高、精度準確、成本低的要求，極大地推動了 MEMS傳感技術在汽車電子上的應用。隨著MEMS加工技術的日漸成熟，MEMS加速度傳感器在傳感器市場中也占據了重要的地位。MEMS電容式加速度傳感器以其小型化、可集成性、高精度、低噪聲、低溫漂、低價格等優(yōu)點，逐漸成為微加速度計中的主流產品。MEMS電容加速度傳感器也以這些優(yōu)點被廣泛的應用于汽車領域，MEMS加速度傳感器可廣泛用于安全氣囊監(jiān)測、翻轉監(jiān)測、ESC、GPS導航、防翻滾系統(tǒng)、胎壓監(jiān)測系統(tǒng)及電子懸掛控制系統(tǒng)等。近些年來，MEMS電容式加速度傳感器也被用于筆記本電腦的硬盤保護裝置和游戲中的運動感應裝置。由于技術的進步和價格的下降，現在的MEMS電容加速度傳感器也被用于手機中的重力感應裝置等消費領域。傳統(tǒng)方案的三軸電容式加速度傳感器很難解決加速度檢測的三軸交叉干擾，且器件的制備多采用MEMS體硅深刻蝕工藝技術和復雜的CMOS后處理工藝，傳感器的制備工藝復雜，芯片面積大，器件的一致性和重復性差，可靠性和穩(wěn)定性低，交叉測試靈敏度低。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于解決現有技術中的上述不足，提供一種不等高梳齒電容式三軸加速度傳感器及其制作方法，在同一芯片上集成三個獨立的加速度敏感單元和不等高梳齒結構，采用MEMS體硅和淺刻蝕工藝，很好解決了制備工藝方面的難題，交叉測試靈敏度高。為實現上述的目的，本發(fā)明采用的技術方案是
本發(fā)明提供一種不等高梳齒電容式三軸加速度傳感器，該傳感器包括位于硅襯底上的 X、Y軸向加速度的檢測單元和Z軸向加速度的檢測單元，其中
所述Χ、γ軸向加速度的檢測單元包括檢測Χ、γ軸向加速度的敏感質量塊、L型支撐彈簧梁、等高梳齒差分電容敏感可動梳齒電極對以及固定梳齒電極對；所述檢測X、Y軸向加速度的敏感質量塊與四個L型支撐彈簧梁連接在一起，并通過錨體固定在硅襯底上；所述固定梳齒電極對通過錨體固定在所述硅襯底上，所述固定梳齒電極為單側梳齒式結構；與所述固定梳齒電極對相對應的，在所述敏感質量塊上設有分別檢測X、Y軸向加速度的多組等高梳齒差分電容敏感可動梳齒電極對，每個所述可動梳齒電極與相鄰兩個所述固定梳齒電極交錯配置；
所述Z軸向加速度的檢測單元包括兩個用于檢測Z軸向加速度的敏感質量塊、兩個一字型支撐彈簧梁以及不等高梳齒差分電容敏感電極對；所述檢測Z軸方向加速度的敏感質量塊和一字型支撐彈簧梁通過錨體分別固定在硅襯底上，所述硅襯底上設有不等高梳齒差分電容敏感電極對，該電極對中的固定梳齒電極對通過錨體固定在所述硅襯底上。進一步的，所述X、Y軸向加速度的檢測單元采用定齒偏置式，當有加速度時X、Y 向質量塊沿著平面左右或上下運動，梳齒間間距的發(fā)生變化則電容發(fā)生變化，以實現對Χ、γ 軸向加速度的檢測。進一步的，所述X、Y軸向加速度的檢測單元以所述敏感質量塊的橫、縱向對稱軸為界，左右、上下結構對稱，上下相對的固定梳齒電極是電連通的，且左側固定梳齒電極的電極性與右側固定梳齒電極的電極性相反。敏感元件的每一個等高梳齒差分電容敏感可動梳齒電極與相鄰兩個固定梳齒電極間的梳齒交錯配置，結構整體是左右、上下對稱，形成差分電容。當存在Z軸方向的加速度時，總的電容變化量一致，中間無信號輸出。進一步的，所述Z軸向加速度的檢測單元的兩塊敏感質量塊沿著平面的內外運動，兩邊的梳齒采用不等高處理，不等高梳齒采用MEMS濕法淺刻加工制備技術來實現。進一步的，所述Z軸向加速度的檢測單元敏感質量塊設置于X、Y軸向加速度的檢測單元敏感質量塊內。本發(fā)明提供上述不等高梳齒電容式三軸加速度傳感器的制作方法，包括如下步驟
(1)備片準備一塊雙面拋光硅片。(2) 一次光刻在硅背面上旋凃正膠，利用第一塊掩模板對光刻膠進行光刻，形成背面淺槽。(3) 二次光刻在硅背面上旋凃正膠，利用第二塊掩模板對光刻膠進行光刻，形成背面梳齒淺槽。(4)玻璃表面淀積鋁層對玻璃表面清洗后，淀積金屬鋁層。(5)三次光刻在鋁層表面凃正膠，利用第三塊掩模板對光刻膠進行光刻，形成金屬走線及電極。(6)硅玻鍵合利用鍵合技術，進行下層硅與玻璃的鍵合，完成下蓋板的封裝。(7)四次光刻在硅正面上旋凃正膠，利用第四塊掩模板對光刻膠進行光刻，形成正面梳齒淺槽。(8)硅表面淀積鋁層對硅表面清洗后，淀積金屬鋁層，作為一會深層刻蝕的保護層。(9)五次光刻在鋁層表面凃正膠，利用第五塊掩模板對光刻膠進行光刻，形成結構釋放時所需的圖形。(10)結構釋放利用上層金屬作為保護層對硅片干法刻蝕，清除上層殘留的金屬
5鋁，完成結構釋放。 (11)上層蓋板封裝，完成結構制作。與現有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果本發(fā)明基于MEMS技術的不等高梳齒電容式三軸加速度傳感器，使用三個獨立的敏感單元和不等高梳齒電極結構實現對三軸加速度的無交叉干擾檢測。器件制備的一致性和重復性好，有較高的檢測靈敏度、可靠性和穩(wěn)定性。采用MEMS體硅和淺刻蝕工藝，不僅很好解決了制備工藝方面的難題，而且器件性能也明顯優(yōu)于傳統(tǒng)結構三軸電容式加速度傳感器。


圖1是本發(fā)明實施例結構的俯視圖。圖2是X、Y軸向等高梳齒電極對三維結構示意圖。圖3是L形支撐梁三維結構示意圖。圖4是Z軸向不等高梳齒電極對(高)三維結構局部示意圖。圖5是Z軸不等高梳齒一字型梁與不等高梳齒電極(高)三維結構示意圖。圖6是Z軸向不等高梳齒電極(低)三維結構局部示意圖。圖7是Z軸不等高梳齒一字型梁與不等高梳齒電極(低)三維結構示意圖。圖8是本發(fā)明實施例制作方法流程圖，圖8a_8g顯示了整個制作的過程。
具體實施例方式以下結合附圖和實施例對本發(fā)明的技術方案作進一步的解釋，但是以下的內容不用于限定本發(fā)明的保護范圍。如圖1-7所示，本實施例提供一種用于測量三軸向加速度的不等高梳齒電容式三軸加速度傳感器，包括位于硅襯底上的X、Y軸向加速度的檢測單元和Z軸向加速度的檢測單元，其中
檢測X軸向加速度的敏感質量塊17，四個L型支撐彈簧梁2與敏感質量塊17連接在一起，并通過錨體1固定在硅襯底上，檢測X軸向加速度四組等高梳齒差分電容敏感可動梳齒電極對7和固定梳齒電極對8，固定梳齒電極對8通過錨體6用于固定在硅襯底上。檢測Y軸向加速度的敏感質量塊17，四個L型支撐彈簧梁2與敏感質量塊17連接在一起，并通過錨體1固定在硅襯底上，檢測Y軸向加速度四組等高梳齒差分電容敏感可動梳齒電極對3和固定梳齒電極對4，固定梳齒電極對4通過錨體5用于固定在硅襯底上。檢測Z軸向加速度的兩個敏感質量塊11、兩個一字型支撐彈簧梁9，兩個相同的敏感質量塊11和一字支撐梁9通過兩個錨體10分別固定在襯底上，不等高梳齒差分電容敏感電極對12 (高)、13 (低)和15 (低)、16 (高)，固定梳齒電極對13和16分別通過兩個相同的錨體14固定在硅襯底上。本實施例中，X、Y軸向加速度的檢測單元采用定齒偏置式，當有加速度時X、Y向敏感質量塊17沿著平面左右或上下運動，梳齒間間距的發(fā)生變化則電容發(fā)生變化，以實現對 X、Y軸向加速度的檢測。本實施例中，X、Y軸向加速度的檢測單元的固定梳齒電極對為單側梳齒式結構而不是定齒均置結構。以敏感質量塊17的橫、縱向對稱軸為界，左右、上下結構對稱。上下相
6對的固定梳齒電極(定齒)是電連通的，且左側固定梳齒電極的電極性與右側固定梳齒電極的電極性相反。敏感質量塊17的每一個等高梳齒差分電容敏感可動梳齒電極(動齒)與相鄰兩個固定梳齒電極間的梳齒交錯配置，結構整體是左右、上下對稱，形成差分電容。當存在Z軸方向的加速度時，總的電容變化量一致，中間無信號輸出。結構特點有效解決了 Y、Z 軸向加速度對X軸向加速度檢測的干擾以及X、Z軸向加速度對Y軸向加速度檢測的干擾。本實施例中，Z軸向加速度的檢測單元的敏感質量塊11通過撓性軸連接到固定襯底上。Z軸向敏感質量塊11沿著平面的內外運動，兩邊的梳齒采用不等高處理，不等高梳齒采用MEMS濕法淺刻加工制備技術來實現。Z軸向加速度的檢測單元敏感質量塊11設置于Χ、Υ軸向加速度的檢測單元敏感質量塊17內，大大減小了總體芯片的面積。當Z軸向有加速度時，一字形支撐梁9會產生扭轉，梳齒對間的正對面積發(fā)生改變，且不等高梳齒對一側電容增大，另一側電容減小，形成差分電容，有電學信號輸出。當X軸、Y軸向上有加速度時，Z軸向的兩個檢測電容雖然有變化，但其變化一致，因此不會有信號輸出，X軸、Y軸向上的加速度對Z軸向加速度的檢測無干擾。本實施例還提供了一種不等高梳齒電容式三軸加速度傳感器的制作方法，如圖8 所示，是制作工藝流程圖，其制備過程如下
(1)備片準備一塊雙面拋光硅片。(2) 一次光刻在硅背面上旋凃正膠，利用第一塊掩模板對光刻膠進行光刻，形成背面淺槽。如圖8a所示
(3) 二次光刻在硅背面上旋凃正膠，利用第二塊掩模板對光刻膠進行光刻，形成背面梳齒淺槽。如圖8b所示。(4)玻璃表面淀積鋁層對玻璃表面清洗后，淀積金屬鋁層。如圖8c所示。(5)三次光刻在鋁層表面凃正膠，利用第三塊掩模板對光刻膠進行光刻，形成金屬走線及電極。如圖8d所示。(6)硅玻鍵合利用鍵合技術，進行下層硅與玻璃的鍵合，完成下蓋板的封裝。(7)四次光刻在硅正面上旋凃正膠，利用第四塊掩模板對光刻膠進行光刻，形成正面梳齒淺槽。如圖8e所示。(8)硅表面淀積鋁層對硅表面清洗后，淀積金屬鋁層，作為一會深層刻蝕的保護層。如圖8f所示。(9)五次光刻在鋁層表面凃正膠，利用第五塊掩模板對光刻膠進行光刻，形成結構釋放時所需的圖形。(10)結構釋放利用上層金屬作為保護層對硅片干法刻蝕，清除上層殘留的金屬鋁，完成結構釋放。如圖8g所示。(11)上層蓋板封裝，完成結構制作。本發(fā)明使用三個獨立的敏感單元和不等高梳齒差分電容電極結構實現對三軸加速度的無交叉干擾檢測，各軸向加速度的檢測相互獨立，無互相干擾，交叉測試靈敏度高。 且制備工藝的一致性和重復性好，有較高的檢測靈敏度、可靠性和穩(wěn)定性，體積小。本發(fā)明涉及的基于MEMS技術的不等高梳齒電容式三軸加速度傳感器，可應用于汽車安全氣囊監(jiān)測、翻轉監(jiān)測、ESC、GPS導航、防翻滾系統(tǒng)、胎壓監(jiān)測系統(tǒng)、電子懸掛控制系統(tǒng)以及其他消費類電子產品對加速度三軸的檢測。
以上僅僅是對本發(fā)明的較佳實施例進行的詳細說明，但是本發(fā)明并不限于以上實施例。應該理解的是，在不脫離本申請的權利要求的精神和范圍情況下，本領域的技術人員做出的各種修改，仍屬于本發(fā)明的范圍。
權利要求
1.一種不等高梳齒電容式三軸加速度傳感器，其特征在于包括位于硅襯底上的χ、γ軸向加速度的檢測單元和Z軸向加速度的檢測單元，其中所述Χ、γ軸向加速度的檢測單元包括檢測Χ、γ軸向加速度的敏感質量塊、L型支撐彈簧梁、等高梳齒差分電容敏感可動梳齒電極對以及固定梳齒電極對；所述檢測X、Y軸向加速度的敏感質量塊與四個L型支撐彈簧梁連接在一起，并通過錨體固定在硅襯底上；所述固定梳齒電極對通過錨體固定在所述硅襯底上，所述固定梳齒電極為單側梳齒式結構；與所述固定梳齒電極對相對應的，在所述敏感質量塊上設有分別檢測X、Y軸向加速度的多組等高梳齒差分電容敏感可動梳齒電極對，每個所述可動梳齒電極與相鄰兩個所述固定梳齒電極交錯配置，結構整體是左右、上下對稱，形成差分電容；所述Z軸向加速度的檢測單元包括兩個用于檢測Z軸向加速度的敏感質量塊、一字型支撐彈簧梁以及不等高梳齒差分電容敏感電極對；所述檢測Z軸方向加速度的敏感質量塊和一字型支撐彈簧梁通過錨體分別固定在硅襯底上，所述硅襯底上設有不等高梳齒差分電容敏感電極對，該電極對中的固定梳齒電極對通過錨體固定在所述硅襯底上。
2.根據權利要求1所述的不等高梳齒電容式三軸加速度傳感器，其特征在于所述X、 Y軸向加速度的檢測單元采用定齒偏置式，當有加速度時，檢測Χ、Υ軸向加速度的敏感質量塊沿著平面左右或上下運動，梳齒間的間距發(fā)生變化則電容發(fā)生變化，實現對X、Y軸向加速度的檢測。
3.根據權利要求1或2所述的不等高梳齒電容式三軸加速度傳感器，其特征在于所述X、Y軸向加速度的檢測單元以所述敏感質量塊的橫、縱向對稱軸為界，左右、上下結構對稱，上下相對的固定梳齒電極是電連通的，且左側固定梳齒電極的電極性與右側固定梳齒電極的電極性相反。
4.根據權利要求1所述的不等高梳齒電容式三軸加速度傳感器，其特征在于所述Z 軸向加速度的檢測單元的兩塊敏感質量塊沿著平面的內外運動，兩邊的梳齒采用不等高處理，不等高梳齒采用MEMS濕法淺刻加工制備技術來實現。
5.根據權利要求1所述的不等高梳齒電容式三軸加速度傳感器，其特征在于所述Z 軸向加速度的檢測單元的敏感質量塊設置于X、Y軸向加速度的檢測單元的敏感質量塊內。
6.一種如權利要求1所述的不等高梳齒電容式三軸加速度傳感器的制作方法，其特征在于包括如下步驟(1)備片準備一塊雙面拋光硅片；(2)一次光刻在硅背面上旋凃正膠，利用第一塊掩模板對光刻膠進行光刻，形成背面淺槽；(3)二次光刻在硅背面上旋凃正膠，利用第二塊掩模板對光刻膠進行光刻，形成背面梳齒淺槽；(4)玻璃表面淀積鋁層對玻璃表面清洗后，淀積金屬鋁層；(5)三次光刻在鋁層表面凃正膠，利用第三塊掩模板對光刻膠進行光刻，形成金屬走線及電極；(6)硅玻鍵合利用鍵合技術，進行下層硅與玻璃的鍵合，完成下蓋板的封裝；(7)四次光刻在硅正面上旋凃正膠，利用第四塊掩模板對光刻膠進行光刻，形成正面梳齒淺槽；(8)硅表面淀積鋁層對硅表面清洗后，淀積金屬鋁層，作為一會深層刻蝕的保護層；(9)五次光刻在鋁層表面凃正膠，利用第五塊掩模板對光刻膠進行光刻，形成結構釋放時所需的圖形；(10)結構釋放利用上層金屬作為保護層對硅片干法刻蝕，清除上層殘留的金屬鋁，完成結構釋放；(11)上層蓋板封裝，完成結構制作。
全文摘要
本發(fā)明公開一種不等高梳齒電容式三軸加速度傳感器及其制作方法，所述傳感器包括位于硅襯底上的X、Y軸向加速度的檢測單元和Z軸向加速度的檢測單元，其中所述X、Y軸向加速度的檢測單元包括檢測X、Y軸向加速度的敏感質量塊、L型支撐彈簧梁、等高梳齒差分電容敏感可動梳齒電極對以及固定梳齒電極對；所述Z軸向加速度的檢測單元包括兩個用于檢測Z軸向加速度的敏感質量塊、一字型支撐彈簧梁以及不等高梳齒差分電容敏感電極對。本發(fā)明使用三個獨立的敏感單元和不等高梳齒差分電容電極結構實現對三軸加速度的無交叉干擾檢測。采用MEMS體硅和淺刻蝕工藝，制備工藝的一致性和重復性好，有較高的檢測靈敏度、可靠性和穩(wěn)定性。
文檔編號B81C1/00GK102401842SQ20111019098
公開日2012年4月4日 申請日期2011年7月8日 優(yōu)先權日2011年7月8日
發(fā)明者許高斌 申請人:上海亞尚電子科技有限公司, 楊懷軍, 王長青