專利名稱：微機械梳狀電容式加速度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種微機械梳狀電容式加速度傳感器，屬微電子機械領(lǐng)域。
加速度傳感器廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈、飛機、艦船、汽車等各類運動系統(tǒng)的監(jiān)控領(lǐng)域，具有巨大的市場應(yīng)用前景。80年代末期隨著微機械加工技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，人們開始將其應(yīng)用于加速度傳感器的制作，目前，小型化，智能化，集成化已成為加速度傳感器發(fā)展的主流方向。加速度傳感器種類很多，電容式加速度傳感器為主要方向。電容式加速度傳感器主要有梁-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)以及梳狀電容式結(jié)構(gòu)。其原理一般為柔性梁支撐一可動質(zhì)量塊作為可動電容極板，分別與兩側(cè)的固定電容極板構(gòu)成差分電容。當體系感受到一個敏感方向的加速度時，質(zhì)量塊受慣性力作用引起位移，質(zhì)量塊與兩側(cè)固定電極之間的電容間隙發(fā)生變化，檢測器件差分電容的改變，即可感知加速度的大小。
美國模擬器件公司(Analog Devices Inc.)研制出多晶硅表面微機械加工梳狀電容式加速度計ADXL50，然而由于采用表面微機械技術(shù)，器件厚度受工藝限制僅為2μm，靜態(tài)電容僅為0.1pF，同時器件與單晶硅襯底之間也存在一定的寄生電容，給加速度計的信號檢測帶來難度，故只能將傳感器器件與信號檢測電路全集成于同一芯片上，信號檢測電路需用微米或亞微米技術(shù)制作，由此帶來一定的工藝難度。器件結(jié)構(gòu)材料多晶硅淀積過程中引入的應(yīng)力，亦在一定程度上影響到器件行為。1995年國際微電子機械系統(tǒng)會議論文集(Proceedings of Micro Electro Mechanical Systems'95)報道日本人K.Ohwada等利用(110)指數(shù)晶面硅片各向異性濕法腐蝕制得以玻璃為襯底，厚度為58μm的單晶硅體微機械加工梳狀電容式加速度傳感器結(jié)構(gòu)，增大了器件靜態(tài)電容。然而該梳狀加速度傳感器結(jié)構(gòu)在玻璃上腐蝕淺坑實現(xiàn)可動結(jié)構(gòu)的懸空，由于玻璃是各向同性腐蝕，腐蝕區(qū)域難以精確控制，只能腐蝕大面積方形淺坑，器件固定叉指底部亦懸空，在加速度作用下其撓曲會給加速度測量帶來誤差。器件兩組固定叉指電極分別位于可動質(zhì)量塊兩側(cè)，這種分布可以解決兩組固定叉指電極的電極互聯(lián)引線空間交叉問題，但器件工作時兩側(cè)可動電容叉指受到固定叉指靜電吸引力對中間質(zhì)量塊會形成扭矩，對傳感器性能造成一定的影響。另外以上二種加速度傳感器彈性梁均為直梁結(jié)構(gòu)。
本實用新型擬采用硅一玻璃靜電鍵合結(jié)構(gòu)，結(jié)合新近發(fā)展的單晶硅深反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)(Deep Reactive Ion Etching技術(shù)，簡稱DRIE技術(shù))，制作單晶硅體微機械加工梳狀電容式加速度傳感器。DRIE技術(shù)的引入可增加器件厚度至上百微米，獲得非常光滑陡直的側(cè)壁，從而大幅度增加器件敏感電容，便于信號檢測，使信號處理電路無論是混合集成還是全集成都易于實現(xiàn)。器件厚度的增加亦使傳感器在非加速度敏感方向Z向的剛性大大增加，提高其工作的穩(wěn)定性。
本實用新型通過在硅片底面對應(yīng)可動結(jié)構(gòu)區(qū)域預(yù)腐蝕淺坑實現(xiàn)可動結(jié)構(gòu)的懸空，即用于可動結(jié)構(gòu)懸空的淺坑開在硅片而非玻璃上，可以選擇性地精確區(qū)分可動叉指和固定叉指區(qū)域，在實現(xiàn)可動叉指懸空的同時確保固定叉指的錨定，可以防止固定叉指撓曲對傳感器性能的影響。器件固定叉指在空間上分為4組，對稱分布，可以避免差分電容極板靜電吸引力對中間質(zhì)量塊造成的扭矩。傳感器采用折疊梁結(jié)構(gòu)，可以增加有效梁長，提高傳感器靈敏度。
本實用新型梳狀電容式加速度傳感器主要由單晶硅敏感結(jié)構(gòu)和玻璃襯底組成，其加速度敏感方向為在器件平面內(nèi)與振動梁垂直的方向。器件結(jié)構(gòu)材料為100μm厚的單晶硅，通過硅-玻璃靜電鍵合技術(shù)，將其制作在Pyrex#7740玻璃襯底上。
以下結(jié)合附圖，進一步說明本實用新型構(gòu)造方面的特點和進步。


圖1為梳狀電容式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，其中1為玻璃襯底，2為固定叉指Ⅰ，3為固定叉指Ⅱ，4為可動叉指，5為振動折疊梁，6為中間質(zhì)量塊，7為引線壓點。
圖1中涂黑區(qū)域為鍵合在玻璃上的固定結(jié)構(gòu)，未涂黑區(qū)域為底部懸空的可動結(jié)構(gòu)。器件可動部分包括四根振動折疊梁5，中間質(zhì)量塊6和四組可動叉指4。硅一玻璃鍵合之前預(yù)先在硅片上對應(yīng)可動結(jié)構(gòu)下部腐蝕8～10μm深的淺坑，以實現(xiàn)可動結(jié)構(gòu)的懸空。振動折疊梁5通過四個引線壓點7固定在玻璃襯底1上。固定叉指Ⅰ2和固定叉指Ⅱ3各有兩組，通過靜電鍵合固定在玻璃襯底1上，對稱分布在可動叉指4兩側(cè)。固定叉指Ⅰ2和固定叉指Ⅱ3分別與可動叉指4構(gòu)成平行板電容C1，C2，二者形成差分電容輸出。設(shè)器件敏感質(zhì)量(為中間質(zhì)量塊6與全部可動叉指4質(zhì)量之和)為Ms，當器件感受到一平行于器件平面，并與振動折疊梁5垂直的加速度a時，在慣性力Msa作用下，振動折疊梁5發(fā)生沿加速度方向的撓曲，帶動可動叉指4產(chǎn)生位移，從而使差分電容間隙發(fā)生變化。檢測出這一差分電容的變化，就可以知道器件感受到的加速度大小。
由于本實用新型加速度傳感器結(jié)構(gòu)的差分電容在空間上分為對稱的四組，器件工作時固定叉指Ⅰ2和固定叉指Ⅱ3對可動叉指4的靜電吸引力相互抵銷，避免了對中間質(zhì)量塊6的轉(zhuǎn)矩作用?？商岣呒铀俣葌鞲衅鞴ぷ餍阅艿姆€(wěn)定性。
權(quán)利要求1．一種微機械梳狀電容式加速度傳感器，其特征在于由單晶硅敏感結(jié)構(gòu)和玻璃襯底組成。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述微機械梳狀電容式加速度傳感器，其特征在于器件結(jié)構(gòu)材料為100μm厚的單晶硅，通過硅一玻璃靜電鍵合技術(shù)，將其制作在Pyrex#7740玻璃襯底上。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述微機械梳狀電容式加速度傳感器，其特征在于可動結(jié)構(gòu)釋放淺坑開在硅片而非玻璃上，可以選擇性地精確區(qū)分可動叉指和固定叉指區(qū)域。
4．根據(jù)權(quán)利要求1所述微機械梳狀電容式加速度傳感器，其特征在于器件固定叉指在空間上分為4組，對稱分布。
5．根據(jù)權(quán)利要求1所述微機械梳狀電容式加速度傳感器，其特征在于傳感器采用折疊梁結(jié)構(gòu)，可以增加有效梁長。
專利摘要本實用新型提出了一種以玻璃為襯底的單晶硅體微機械加工梳狀電容式加速度傳感器。本實用新型采用硅-玻璃鍵合結(jié)構(gòu),利用單晶硅深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)技術(shù)進行叉指成型刻蝕,可增加器件厚度至上百微米,大幅度增加器件靜態(tài)電容,便于信號檢測。傳感器設(shè)計可在實現(xiàn)可動結(jié)構(gòu)懸空的同時有效保證固定叉指的錨定,并避免差分電容極板靜電力對中間質(zhì)量塊形成扭矩。傳感器采用折疊梁結(jié)構(gòu),較之直梁結(jié)構(gòu)可獲得較高的靈敏度。
文檔編號G01P15/125GK2424450SQ0021789
公開日2001年3月21日 申請日期2000年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月2日
發(fā)明者熊幸果, 陸德仁, 王渭源 申請人:中國科學(xué)院上海冶金研究所