專利名稱：一種具有對稱結(jié)構(gòu)的微機(jī)械差分電容加速度計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及能夠?qū)崿F(xiàn)單軸向加速度的高精度檢測的MEMS (微機(jī)l戒，又稱
微電子機(jī)械系統(tǒng))差分電容加速度計(jì)，具體涉及一種具有對稱結(jié)構(gòu)的機(jī)〔t;u戒差 分電容加速度計(jì)，屬于電容加速度計(jì)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
硅單晶材料具有良好的電學(xué)特性，是微電子技術(shù)的基本材料。此外，硅也 有很好的機(jī)械特性，其斷裂強(qiáng)度為不銹鋼的三倍，努氏硬度高于不銹鋼，彈性
和不銹鋼相當(dāng)。MEMS技術(shù)正是人們在充分認(rèn)識(shí)到單晶硅材料突出的豐幾電f寺性 后開發(fā)的一種微電子三維加工技術(shù)?；贛EMS技術(shù)的微傳感器及微tt^亍器具 有體積小、重量輕、加工成木低、可批量制造、便于和電路集成等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng) 得到了廣泛的應(yīng)用。
低精度和中等精度的微機(jī)械加速度計(jì)已經(jīng)逐歩取代傳統(tǒng)的加速度計(jì)而占據(jù) 市場主要的份額，但是，高精度加速度計(jì)領(lǐng)域長期以來一直由傳統(tǒng)加速度計(jì)主 導(dǎo)。相關(guān)用戶對高精度加速度計(jì)的微型化、低成本的要求，給MEMS技術(shù)進(jìn)入 并主導(dǎo)高精度加速度計(jì)市場提供了契機(jī)。 現(xiàn)有技術(shù)水平
1992年，Eric Peeters等人研制出第一種雙層梁結(jié)構(gòu)的MEMS電容加速度計(jì)，
這種結(jié)構(gòu)的加速度計(jì)具有良好的振動(dòng)模態(tài)特性，非常適用于單軸高精/變檢測需 求。EricPeeters等釆用普通單晶硅圓片，通過濃硼擴(kuò)散自停止腐蝕控制梁結(jié)構(gòu)的厚度，從而引入了較大的應(yīng)力，從而會(huì)造成加速度計(jì)的溫度特性等性能下降； 此外，此加速度計(jì)的加工工藝中有脆弱硅基片鍵合工藝，從而影響了此加速度 計(jì)的成品率。
2000年，美國密歇根大學(xué)的Najafi研究組制成了一種全硅的高精度電容加 速度計(jì)，這種加速度計(jì)采用了雙層懸臂梁設(shè)計(jì)，具有全對稱結(jié)構(gòu)，采用單個(gè)單 晶硅圓片加工得到，實(shí)現(xiàn)了微g量級的加速度檢測，但是此加速度計(jì)采用^^硼擴(kuò) 散自停止腐蝕工藝，引入了較大的應(yīng)力，并且此加速度計(jì)結(jié)構(gòu)脆弱，實(shí)用性較差。
美國I/O Sensors公司申請的系列專利U.S. Pat No.5484073; U.S. Pat. No.5652384; U.S. Pat. No.5852242; U.S. Pat. No.是高精度微機(jī)械加速度計(jì)的 成功方案，但是此方案采用深腐蝕后的兩片SOI片進(jìn)行硅-硅鍵合，存在鍵合風(fēng) 險(xiǎn)高，鍵合成功率較低的問題，以及加工過程中片間的工藝結(jié)果不均勻性導(dǎo)致 的敏感結(jié)構(gòu)對稱性降低的問題，此外，此方案較難實(shí)現(xiàn)非敏感軸向的有效過載 保護(hù)。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)的不足，本發(fā)明提供一種具有對稱結(jié)構(gòu)的微機(jī) 械差分電容加速度計(jì)，本發(fā)明提供基于雙器件層SOI片的具有對稱結(jié)構(gòu)的微機(jī)
械差分電容加速度計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)單軸向加速度的高精度檢測，此加速度計(jì)在非 檢測軸向具有較強(qiáng)的抗過載能力。
本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是 一種具有對稱結(jié)構(gòu)的微機(jī)械差分電容加速度計(jì)，包括上電極蓋板、下電
極蓋板，分別通過錨合區(qū)域anchor從上、下兩個(gè)方向和可動(dòng)硅結(jié)構(gòu)組件連接。 硅結(jié)構(gòu)組件由可動(dòng)質(zhì)量塊、固支框架、多個(gè)彈性支撐梁組成，其中彈性支撐梁分上、下兩層分布在可動(dòng)質(zhì)量塊、固支框架之間，連接可動(dòng)質(zhì)量i央禾tl固支
框架，梁和可動(dòng)質(zhì)量塊以及固支框架的連接處采用圓角過渡，可動(dòng)質(zhì)量i央的上
表面和下表面都分布有氣體導(dǎo)流凹槽；
上、下電極蓋板由硅材料制成，最好為單晶硅材料；上電極蓋板和下電極蓋 板上的檢測-驅(qū)動(dòng)電極、電信號引出線、壓焊電極通過絕緣層與電極蓋板的單晶 硅襯底為電絕緣；上、下電極蓋板的單晶硅襯底接地；在上電極蓋板和—下電極 蓋板上的檢測/驅(qū)動(dòng)電極之上有多個(gè)絕緣阻擋塊作為敏感軸向抗過載阻擋i央，在 上電極蓋板和下電極蓋板上的檢測/驅(qū)動(dòng)電極四周有多個(gè)突起為非敏感車由向，亢過 載阻擋塊。
一種具有對稱結(jié)構(gòu)的微機(jī)械差分電容加速度計(jì)，包括上電極蓋+反、T"電 極蓋板，分別通過錨合區(qū)域anchor從上、下兩個(gè)方向和可動(dòng)硅結(jié)構(gòu)組{牛連 妾。
可動(dòng)硅結(jié)構(gòu)組件由可動(dòng)質(zhì)量塊、固支框架、多個(gè)彈性支撐梁組成，其中彈 性支撐梁分上、下兩層分布在可動(dòng)質(zhì)量塊、固支框架之間，連接可動(dòng)質(zhì)量±央和 固支框架，梁和可動(dòng)質(zhì)量塊以及固支框架的連接處采用圓角過渡，可動(dòng)質(zhì)量塊 的上表面和下表面都分布有氣體導(dǎo)流凹槽；
上、下電極蓋板由玻璃材料制成，最好采用和單晶硅熱失配較小的玻璃才才料； 玻璃材料本身電絕緣，上電極蓋板和下電極蓋板上的檢測-驅(qū)動(dòng)電極、電信號引
出線、壓焊電極直接制作在玻璃襯底上即可實(shí)現(xiàn)電絕緣；在上電極蓋板和下電 極蓋板上的檢測/驅(qū)動(dòng)電極之上有多個(gè)絕緣阻擋塊作為敏感軸向抗過載阻t當(dāng):塊， 在上電極蓋板和下電極蓋板上的檢測/驅(qū)動(dòng)電極四周有多個(gè)突起為非敏感^fi向抗 過載阻擋塊。
一種微機(jī)械差分電容加速度計(jì)，單晶硅下蓋板同單晶硅上蓋板具有完全^^目同的結(jié)構(gòu)基板由單晶硅制成，單晶硅上蓋板上有凸起結(jié)構(gòu)，數(shù)量可以是4個(gè)或 更多；單晶硅上蓋板上有在基板上形成的淺槽，在淺槽中有上金屬驅(qū)動(dòng)電極以 及上壓焊電極，通過上電極引線實(shí)現(xiàn)互連，在淺槽和上金屬驅(qū)動(dòng)電極、上壓焊 電極、電極引線之間有二氧化硅絕緣層相隔，這層—氧化硅絕緣層保證了單晶 硅基板和金屬驅(qū)動(dòng)電極、上壓焊電極、電極引線之間的電絕緣；上金屬驅(qū)動(dòng)電 極上分布有絕緣阻擋塊，絕緣阻擋塊的數(shù)量最少為1個(gè)；
在單晶硅蓋板背面覆蓋有金屬電極，金屬電極和單晶硅基板電接觸，通過將 金屬電極接地實(shí)現(xiàn)單晶硅基板接地；單晶硅基板正面有上蓋板絕緣環(huán)。 本發(fā)明的有益效果具體如下-
本發(fā)明所述加速度計(jì)采用全對稱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，檢測模態(tài)頻率和其他各振動(dòng) 模態(tài)得到了良好的區(qū)分，降低了檢測模態(tài)受其他各振動(dòng)模態(tài)的影響，便于實(shí)現(xiàn) 單軸向加速度的高精度檢測；質(zhì)量塊的上表面和下表面都分布的氣體導(dǎo)流凹槽 有利于調(diào)節(jié)本發(fā)明所述的加速度計(jì)的Hi膜阻尼效應(yīng)，從而從結(jié)構(gòu)上改善離面式 電容檢測加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)特性；本發(fā)明所述加速度計(jì)的多根彈性支撐梁為單- 摻雜濃度的單晶硅材料制成，消除了由于采用不同材料所引入的熱失配應(yīng)力， 以及由于單晶硅摻雜濃度不同引入的熱失配應(yīng)力。
本發(fā)明所述加速度計(jì)在檢測軸向及非檢測軸向都設(shè)置有抗過載阻擋塊，因 此具較好的抗過載性能，提高了辦發(fā)明所述加速度計(jì)的可靠性；如果采用硅材 料制作電極蓋板則可以通過電極蓋板襯底接地，以及單晶硅框架接地實(shí)現(xiàn)電磁 屏蔽；如果采用玻璃材料制作電極蓋板則可以通過單晶硅框架接地實(shí)現(xiàn)部分電 磁屏蔽。


圖1A是根據(jù)本發(fā)明的微機(jī)械差分式電容加速度計(jì)(玻璃電極蓋板方案)的 正等側(cè)視圖；圖1B是根據(jù)本發(fā)明的微機(jī)械差分式電容加速度計(jì)(玻璃電極蓋板方案)在上電極蓋板處于打開狀態(tài)下的正等側(cè)視圖2雙器件層SOI單晶硅圓片的正等側(cè)視圖3是如圖2所示雙器件層SOI單晶硅圓片沿著3-3剖線得到的剖面視圖；圖4是硅結(jié)構(gòu)組件100S的正等側(cè)視圖；圖5A是硅結(jié)構(gòu)組件100S的頂視圖；圖5B是硅結(jié)構(gòu)組件100S的底視圖；圖6是硅結(jié)構(gòu)組件100S沿圖5A所不剖面線的剖面視圖；圖7是硅結(jié)構(gòu)組件100S壓焊電極部分的局部放大圖；圖8A所不為上電極蓋板100Ga (玻璃電極蓋板方案)；圖8B所示為下電極蓋板100Gb (玻璃電極蓋板方案)；圖9是根據(jù)本發(fā)明的微機(jī)械差分式電容加速度計(jì)(玻璃電極蓋板方案)的剖面視圖IOA所示為根據(jù)本發(fā)明的微機(jī)械差分式電容加速度計(jì)(單晶硅電極蓋板方案)200的單晶硅上蓋板200Ga的正等側(cè)視圖10B是單晶硅上蓋板200Ga背面的正等側(cè)視圖ll是根據(jù)本發(fā)明的微機(jī)械差分式電容加速度計(jì)(單晶硅電極蓋板方案)200的正等側(cè)視圖12是根據(jù)本發(fā)明的微機(jī)械差分式電容加速度計(jì)(單晶硅電極蓋板方案)的剖面視圖。
從下述結(jié)合附圖的詳細(xì)描述，將更加詳細(xì)的理解本發(fā)明的上述以及其他目的、特點(diǎn)及優(yōu)勢。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1:
如圖l-9所示， 一種具有對稱結(jié)構(gòu)的微機(jī)械差分電容加速度計(jì)(玻i離電極蓋 板方案)。圖1A是根據(jù)本發(fā)明的微機(jī)械差分式電容加速度計(jì)(玻璃電極蓋板方 案)的正等側(cè)視圖，玻璃電極蓋板方案的加速度計(jì)100具有一個(gè)玻璃上電1^及蓋
板100Ga， 一個(gè)玻璃下電極蓋板100Gb， 一個(gè)硅結(jié)構(gòu)組件100S，圖1B是100
加速度計(jì)在上玻璃電極蓋板掀開狀態(tài)下的正等側(cè)視圖。
圖2是用于加工硅結(jié)構(gòu)組件100S的基材1，即如前所述的一種雙器件層SOI 單晶硅圓片的正等側(cè)視圖，如圖2所示，此種SOI片具有一個(gè)單晶硅;^寸片4 ， 單晶硅襯片4的止反面分別有厚度相等的二氧化硅絕緣層3及3 '，在二^試化硅 絕緣層3及二氧化硅絕緣層3'上分別有厚度相等的單晶硅層器件層2及單晶硅 層器件層2，，圖3是如圖2所示雙器件層SOI單晶硅圓片沿著3-3剖線得到的 剖面視圖，此種SOI片皿在如圖所示的Z軸向由單晶硅層器件層2、 二氧化硅絕 緣層3、單晶硅襯片4、 二氧化硅絕緣層3'、單晶硅層器件層2'各層構(gòu)成。這 種SOI片也可以由7層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，即在單晶硅襯片4中加入一層二氧化A圭絕緣 層，從而單晶硅襯片4結(jié)構(gòu)變?yōu)橛蓛蓪訂尉Ч鑼又虚g夾一層二氧化硅層的三明 治結(jié)構(gòu)。
圖4是硅結(jié)構(gòu)組件100S的正等側(cè)視圖，硅結(jié)構(gòu)組件100S是由如圖2、 3 所示的雙器件層SOI單晶硅圓片1加工得到的，因此單晶硅結(jié)構(gòu)組件IOOS具有 1所具有的層狀結(jié)構(gòu)。圖5A是硅結(jié)構(gòu)組件100S的頂視圖，圖5B是硅結(jié)構(gòu)組件 100S的底視圖，圖6是硅結(jié)構(gòu)組件100S沿圖5A所示剖面線的剖面視圖。如圖 5A、圖5B、圖6所示，可動(dòng)質(zhì)量塊101和固支框架102通過上下兩層多個(gè)彈性 支撐梁8a、 8b、 8c、 8d、 8'a、 8，b、 8，c、 8'd形成機(jī)械連接，梁和可動(dòng)質(zhì)量塊以及固支框架的連接處采用圓角過渡，組成硅結(jié)構(gòu)組件100S，可動(dòng)質(zhì)量i央101對 于通過它的幾何中心的XOY、 XOZ、 YOZ坐標(biāo)平面對稱。
如圖6所示，可動(dòng)質(zhì)量塊101在Z軸方向分為七層，分別為上可動(dòng)電極9， 在9上覆蓋有上可動(dòng)電極金屬層11， 二氧化硅絕緣層15，單晶硅配重質(zhì)量i央16， 二氧化硅絕緣層15'，下可動(dòng)電極9'，在下可動(dòng)電極9'上覆蓋有下可動(dòng)電極金屬 層11'。在下可動(dòng)電極9上分布有導(dǎo)流凹槽10，在下可動(dòng)電極9，上分布有導(dǎo)流 凹槽10';如圖9以及圖12所示，導(dǎo)流凹槽10及10'有助于降低構(gòu)成檢測電容 如C1 (Cr、 C2、 C2'同)的上金屬驅(qū)動(dòng)電極33和上可動(dòng)電極金屬層11之間的 壓膜氣體阻尼，從而有助于降低木發(fā)明所述微機(jī)械差分式電容加速度計(jì)的熱噪 聲，從而提高加速度檢測的分辨率。
如圖6所示，固支框架102在Z軸方向分為五層，分別為上電極信號引出 層6、 二氧化硅絕緣層5、單晶硅框架7、 二氧化硅絕緣層5'、下電極^T號引出 層6，；如圖5A所示，在上電極信號引出層6的右上角有金屬電極14，上可動(dòng) 電極金屬層11的電學(xué)信號傳導(dǎo)到上可動(dòng)電極9上通過彈性支撐梁8a、 8b、 8c、 8d傳導(dǎo)到上電極信號引出層6，金屬電極14和上電極信號引出層6的電接觸類 型是歐姆接觸，可以完成電信的線性傳輸，金屬電極14作為壓焊電極(Wire Bonding Pad),可以通過金絲球壓焊等封裝互聯(lián)技術(shù)，用來將電信號向接口電路 引出；同樣，如圖5B所不，在下電極信號引出層6，的右上角有金屬電極14，， 下可動(dòng)電極金屬層ll，的電學(xué)信號傳導(dǎo)到下可動(dòng)電極9，上通過彈性支撐梁8'a、 8'b、 8'c、 8'd傳導(dǎo)到下電極信號引出層6'，功能同金屬電極14一樣，金屬電極 14'也可以完成傳導(dǎo)到下電極信號引出層6'的電學(xué)信號的引出。
如圖5A、圖5B及圖7所示，二氧化硅絕緣層5以及上電極信號引出層在上體硅電信號引出電極13所在位置均留有空缺，以確保單晶硅框架7上的電
學(xué)信號能夠通過體硅電信號引出電極13引出，同樣，上體硅電信號引出電極13， 也可以滿足單晶硅框架7上的電學(xué)信號引出；設(shè)置13以及13，是為了)1每單晶硅 框架7接地，從而更好的實(shí)現(xiàn)可動(dòng)硅結(jié)構(gòu)100S的各層間的電信號隔離。
圖8A所不為玻璃上電極蓋板100Ga，圖8B所示為玻璃下電極蓋t反100Gb， 玻璃上電極蓋板100Ga的基板30以及玻璃下電極蓋板100Gb的基板30，的材料 為玻璃，玻璃上電極蓋板100Ga上有凸起結(jié)構(gòu)31a、 31b、 31c、 31d，下電極蓋 板100Gb上有凸起結(jié)構(gòu)31，a、 31，b、 31，c、 31，d，這些凸起結(jié)構(gòu)是可動(dòng)質(zhì)量塊 101在X， Y軸向的防過載保護(hù)凸點(diǎn)，數(shù)量可以是4個(gè)或大于4個(gè)；圖9是根據(jù) 本發(fā)明的微機(jī)械差分式電容加速度計(jì)(玻璃電極蓋板方案)的剖面視圖；在X， Y軸向加速度作用下，可動(dòng)質(zhì)量塊101在X， Y方向運(yùn)動(dòng)，可動(dòng)質(zhì)量塊101運(yùn) 動(dòng)3致和其相連的各個(gè)彈性支撐梁(Sa 8d、 8，a 8，d)發(fā)生變形，當(dāng)加速度過大 時(shí)彈性支撐梁會(huì)發(fā)生斷裂，損壞器件，凸起結(jié)構(gòu)(31a 31d、 31，a 31，d)限制了 可動(dòng)質(zhì)量塊101在X， Y方向運(yùn)動(dòng)，從而限制了各個(gè)彈性支撐梁的變形量，從 而起到保護(hù)本發(fā)明所述加速度計(jì)的作用；玻璃上電極蓋板100Ga上有在基板30 上形成的淺槽32，在淺槽32中有卜.金屬驅(qū)動(dòng)電極33以及上壓焊電極37，它們 通過上電極引線36實(shí)現(xiàn)互連；玻璃下電極蓋板100Gb上有在基板30'上形成的 淺槽34'b，在淺槽34'b中有下金屬驅(qū)動(dòng)電極33，以及F壓焊電極37'，它們通過 上電極引線36'實(shí)現(xiàn)互連；上金屬驅(qū)動(dòng)電極33上分布有絕緣阻擋塊34a、 34b、 34c、 34d,這些絕緣阻擋塊是可動(dòng)質(zhì)量塊101在Z軸向的防過載保護(hù)凸點(diǎn)，絕 緣阻擋塊的數(shù)量最少為1個(gè)，下金屬驅(qū)動(dòng)電極33，上分布有絕緣阻擋i央34，a、 34'b、 34'c、 34'd，這些絕緣阻擋塊是可動(dòng)質(zhì)量塊101在Z軸向的防過載保護(hù)凸點(diǎn)，絕緣阻擋塊的數(shù)量最少為1個(gè)，絕緣阻擋塊34a 34d、 34'a 34'd分別夾在 上金屬驅(qū)動(dòng)電極33和上可動(dòng)電極金屬層11之間以及上金屬驅(qū)動(dòng)電極33，和上可 動(dòng)電極金屬層ll，之間，這些絕緣阻擋塊一方面限制了可動(dòng)質(zhì)量塊101在Z方向 運(yùn)動(dòng)范圍， 一方面防止了 33和11的直接接觸以及33鄰ll'的直接接觸，避免 了如圖9以及圖12中所示檢測電容C1、 Cl'、 C2、 C2'各自極板間的短路。
如圖9所示，玻璃上電極蓋板100Ga和玻璃下電極蓋板100Gb通過錨合區(qū) 域(anchor) 103同硅結(jié)構(gòu)組件100S實(shí)現(xiàn)機(jī)械連接。
如圖9所示，上金屬驅(qū)動(dòng)電極33和上可動(dòng)電極金屬層11構(gòu)成了上檢測電
容ci，卜金屬驅(qū)動(dòng)電極33，和上可動(dòng)電極金屬層ir構(gòu)成了上檢測電容cr，在 z軸向加速度的作用下可動(dòng)質(zhì)量塊ioi沿加速度反方向移動(dòng)導(dǎo)致ci、cr電容間 隙變化，從而ci、 cr電容值變化，通過加速度計(jì)外圍伺服電路讀出電容變化 值，通過計(jì)算進(jìn)一步得到相應(yīng)的加速度值，完成此加速度計(jì)對加速度的檢測。
分布在上金屬驅(qū)動(dòng)電極33上的絕緣阻擋塊34a、 34b、 34c、 34d是由電絕 緣材料制成，保證上金屬驅(qū)動(dòng)電極33和上W動(dòng)電極金屬層11不會(huì)直接接觸造 成短路，同樣，分布在下金屬驅(qū)動(dòng)電極33'下的絕緣阻擋塊34'a、 34'b、 34，c、 34'd也是由電絕緣材料制成，保證下金屬驅(qū)動(dòng)電極33'和下可動(dòng)電極金屬層11' 不會(huì)直接接觸造成短路。
實(shí)施例2:
如圖10-12所示， 一種具有對稱結(jié)構(gòu)的微機(jī)械差分電容加速度計(jì)(單晶硅電 極蓋板方案)。本實(shí)施例所術(shù)的單晶硅蓋板方案與實(shí)施例1所述玻璃電極蓋板方 案采用相同的單晶硅結(jié)構(gòu)組件100S，只是選用單晶硅作為電極蓋板材茅斗，并且 在結(jié)構(gòu)上同采用玻璃材料制成的電極蓋板有所不同。圖IOA所示為根據(jù)本發(fā)明的微機(jī)械差分式電容加速度計(jì)(單晶硅電極蓋板方案)200的單晶硅上電極蓋板
200Ga的正等側(cè)視圖，圖10B是單晶硅上電極蓋板200Ga背面的正等側(cè)視圖， 由于單晶硅下蓋板200Gb同單晶硅上板200Ga具有完全相同的結(jié)構(gòu)，此處僅對 200Ga進(jìn)行結(jié)構(gòu)說明。
如圖IOA， 200Ga的基板40由單晶硅制成，200Ga上有凸起結(jié)構(gòu)41a、 41b、 41c、 41d(同樣，200Gb上有凸起結(jié)構(gòu)41，a、 41，b、 41，c、 41，d)，這些凸起結(jié)構(gòu) 是可動(dòng)質(zhì)量塊101在X， Y軸向的防過載保護(hù)凸點(diǎn)，數(shù)量可以是4個(gè)或更多(同 實(shí)施例1中31a 31d、 31，a 31，d具有相同做用)；200Ga上的42是在基板40上 形成的淺槽，在淺槽中有上金屬驅(qū)動(dòng)電極43以及上壓焊電極47，它們通過上電 極引線46實(shí)現(xiàn)互連，在淺槽42和上金屬驅(qū)動(dòng)電極43、 h壓焊電極47、電極引 線46之間有二氧化硅絕緣層49相隔，這層二氧化硅絕緣層保證了單晶ili基板 40和金屬驅(qū)動(dòng)電極43、上壓焊電極47、電極引線46之間的電絕緣。上金屬驅(qū) 動(dòng)電極43上分布有絕緣阻擋塊44a、 44b、 44c、 44d(同樣，200Gb上有絕緣阻 擋塊44'a、 44，b、 44，c、 44，d)，這些絕緣阻擋塊是n,動(dòng)質(zhì)量塊101在Z軸向的 防過載保護(hù)凸點(diǎn)，絕緣阻擋塊的數(shù)量最少為1個(gè)(同實(shí)施例1中34a 34d、 34'a 34'd具有相同做用)。
如圖IOB所示，在單晶硅蓋板200Ga背面覆蓋有金屬電極48，金屬電極48 和單晶硅基板40電接觸，可以通過將金屬電極48接地實(shí)現(xiàn)單晶硅基板40接地。 如圖10A所示，單晶硅基板40正面有上蓋板絕緣環(huán)45，這個(gè)絕緣環(huán)由絕緣材 料制成，通常是二氧化硅；當(dāng)金屬電極48、 48'以及13、 13'均接地時(shí)，本發(fā)明 所述加速度計(jì)具有良好的抗電磁干擾的能力。
圖11是單晶硅上電極蓋板200Ga以及單晶硅下電極蓋板200Gb和可動(dòng)硅結(jié)構(gòu)組件100S通過錨合區(qū)域?qū)崿F(xiàn)機(jī)械連接后的微機(jī)械差分式電容加速度計(jì)(單
晶硅電極蓋板方案)200的正等側(cè)視圖。
圖12是根據(jù)本發(fā)明的微機(jī)械差分式電容加速度計(jì)(單晶硅電極蓋^l方案) 的剖面視圖。如圖12所示，單晶硅上電極蓋板200Ga和單晶硅下電極蓋板200Gb 通過上蓋板絕緣環(huán)45和下蓋板絕緣環(huán)45，同硅結(jié)構(gòu)組件100S錨合實(shí)現(xiàn)^fl械連接 以及電隔離；圖9屮所示凸起結(jié)構(gòu)41b、 41d、 41'b、 41'd限制了可動(dòng)質(zhì)量塊101 在x軸向的可動(dòng)范圍，從而起到對可動(dòng)質(zhì)量塊101在X軸向的加速度過載保護(hù) 的作用，同樣，圖中未標(biāo)示的41a、 41c、 41'a、 41'c起到對可動(dòng)質(zhì)量塊101在Y 軸向的加速度過載保護(hù)的作用。
如圖12所示，上金屬驅(qū)動(dòng)電極43和上可動(dòng)電極金屬層11構(gòu)成了上檢測電 容C2，下金屬驅(qū)動(dòng)電極43'和上可動(dòng)電極金屬層n，構(gòu)成了上檢測電容C2'，在 Z軸向加速度的作用下可動(dòng)質(zhì)量塊101沿加速度反方向移動(dòng)導(dǎo)致C2、C2'電容間 隙變化，從而C2、 C2'電容值變化，通過加速度計(jì)外圍伺服電路讀出電容變化 值，通過計(jì)算進(jìn)一歩得到相應(yīng)的加速度值，完成此加速度計(jì)對加速度的檢測； 分布在上金屬驅(qū)動(dòng)電極43上的絕緣阻擋塊44a、 44b、 44c、 44d是由電絕緣材 料制成，保證上金屬驅(qū)動(dòng)電極43和上可動(dòng)電極金屬層11不會(huì)直接接觸造成短 路，同樣，分布在下金屬驅(qū)動(dòng)電極43'下的絕緣阻擋塊44'a、 44'b、 44'c、 44'd 也是由電絕緣材料制成，保證下金屬驅(qū)動(dòng)電極43，和上可動(dòng)電極金屬層ll，不會(huì) 直接接觸造成短路。
權(quán)利要求
1、一種微機(jī)械差分電容加速度計(jì)，其特征在于包括上電極蓋板、下電極蓋板，分別通過錨合區(qū)域anchor從上、下兩個(gè)方向和可動(dòng)硅結(jié)構(gòu)組件連接；可動(dòng)硅結(jié)構(gòu)組件由可動(dòng)質(zhì)量塊、固支框架、多個(gè)彈性支撐梁組成，其中彈性支撐梁分上、下兩層分布在可動(dòng)質(zhì)量塊、固支框架之間，連接可動(dòng)質(zhì)量塊和固支框架，梁和可動(dòng)質(zhì)量塊以及固支框架的連接處采用圓角過渡，可動(dòng)質(zhì)量塊的上表面和下表面都分布有氣體導(dǎo)流凹槽；上、下電極蓋板由硅材料制成，為單晶硅材料；上電極蓋板和下電極蓋板上的檢測-驅(qū)動(dòng)電極、電信號引出線、壓焊電極通過絕緣層與電極蓋板的單晶硅襯底為電絕緣；電極蓋板的單晶硅襯底接地；在上電極蓋板和下電極蓋板上的檢測/驅(qū)動(dòng)電極之上有多個(gè)絕緣阻擋塊作為敏感軸向抗過載阻擋塊，在上電極蓋板和下電極蓋板上的檢測/驅(qū)動(dòng)電極四周有多個(gè)突起為非敏感軸向抗過載阻擋塊；或電極蓋板由玻璃材料制成，采用和單晶硅熱失配較小的玻璃材料；玻璃材料本身電絕緣，上電極蓋板和下電極蓋板上的檢測-驅(qū)動(dòng)電極、電信號引出線、壓焊電極直接制作在玻璃襯底上實(shí)現(xiàn)電絕緣；在上電極蓋板和下電極蓋板上的檢測/驅(qū)動(dòng)電極之上有多個(gè)絕緣阻擋塊作為敏感軸向抗過載阻擋塊，在上電極蓋板和下電極蓋板上的檢測/驅(qū)動(dòng)電極四周有多個(gè)突起為非敏感軸向抗過載阻擋塊。
2、 根據(jù)權(quán)利耍求1所述的一種微機(jī)械差分電容加速度計(jì)，其特征在于可動(dòng)石圭 結(jié)構(gòu)組件基于雙器件層SOI單晶硅圓片；雙器件層SOI單晶硅圓片具有一個(gè)單 晶硅襯片，單晶硅襯片的正反面分別有厚度相等的二氧化硅絕緣層，在二氧化 硅絕緣層上分別有厚度相等的單晶硅層器件層。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的"種微機(jī)械差分電容加速度計(jì)，其特征在于戶萬述的 雙器件層SOI片，在其厚度方向包含5層結(jié)構(gòu)，依次為硅層、二氧化硅層、硅 層、二氧化硅層和硅層。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微機(jī)械差分電容加速度計(jì)，其特征在于所述的 雙器件層SOI片，在其厚度方向包含7層結(jié)構(gòu)，依次為硅層、二氧化硅層、硅 層、二氧化硅層、硅層、二氧化硅層和硅層。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種微機(jī)械差分電容加速度計(jì)，其特征在于戶萬述 的加速度計(jì)中有兩個(gè)檢測電容，構(gòu)成差分關(guān)系(C1、 Cl'或C2、 C2')，所述每個(gè) 檢測電容都是由相應(yīng)上、下電極蓋板(玻璃電極蓋板或單晶硅電極蓋板)的金 屬驅(qū)動(dòng)電極分別通過對準(zhǔn)鍵合工藝(硅-玻璃鍵合或硅-硅鍵合)和可動(dòng)質(zhì)量塊上 的上、下可動(dòng)電極金屬層構(gòu)成平行的金屬平板結(jié)構(gòu)，即平行板電容結(jié)構(gòu)，電容 間隙通過錨合區(qū)域anchor和可動(dòng)質(zhì)量塊金屬層之間的臺(tái)階高度控制。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種微機(jī)械差分電容加速度計(jì)，其特征在于所述 的固支框架，固支框架包含的每一層硅結(jié)構(gòu)上都有用于壓焊的金屬壓焊電極。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種微機(jī)械差分電容加速度計(jì)，其特征在于所述 的多個(gè)彈性支撐梁，分上下兩層連接可動(dòng)質(zhì)量塊和固支框架。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微機(jī)械差分電容加速度計(jì)，其特征在于所述 的上電極蓋板和下電極蓋板的基材為玻璃其匕有金屬的檢測/驅(qū)動(dòng)電極，在檢測/ 驅(qū)動(dòng)電極四周有突起點(diǎn)；在驅(qū)動(dòng)電極上有絕緣塊。
9、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微機(jī)械差分電容加速度計(jì)，其特征在于所述 的上電極蓋板和下電極蓋板的基材為硅，其上有金屬的檢測/驅(qū)動(dòng)電極，壓焊電 極以及互連金屬線，檢測/驅(qū)動(dòng)電極，壓焊電極以及互連金屬線和硅基材之間有 絕緣層進(jìn)行電隔離；在檢測/驅(qū)動(dòng)電極四周皆有突起點(diǎn)；在檢測/驅(qū)動(dòng)電極上有至 少一個(gè)絕緣塊。
10、 一種微機(jī)械差分電容加速度計(jì)，其特征在于，單晶硅下蓋板同單晶硅上 板具有完全相同的結(jié)構(gòu)基板由單晶硅制成，單晶硅上蓋板上有凸起結(jié)構(gòu)，數(shù) 量可以是4個(gè)或更多；單晶硅上蓋板上有在基板上形成的淺槽，在淺槽中有上 金屬驅(qū)動(dòng)電極以及上壓焊電極，通過上電極引線實(shí)現(xiàn)互連，在淺槽和上金屬驅(qū) 動(dòng)電極、上壓焊電極、電極引線之間有二氧化硅絕緣層相隔，這層二氧化硅絕 緣層保證了單晶硅基板和金屬驅(qū)動(dòng)電極、上壓焊電極、電極引線之間的電絕緣； 上金屬驅(qū)動(dòng)電極上分布有絕緣阻擋塊，絕緣阻擋塊的數(shù)量最少為1個(gè)；在單晶硅蓋板背面覆蓋有金屬電極，金屬電極和單晶硅基板電接觸，通過將 金屬電極接地實(shí)現(xiàn)單晶硅基板接地；單晶硅基板正面有上蓋板絕緣環(huán)。
全文摘要
一種具有對稱結(jié)構(gòu)的微機(jī)械差分電容加速度計(jì)，通過錨合區(qū)域anchor從上、下兩個(gè)方向和可動(dòng)硅結(jié)構(gòu)組件連接。硅結(jié)構(gòu)組件的彈性支撐梁分上、下兩層分布在可動(dòng)質(zhì)量塊、固支框架之間，連接可動(dòng)質(zhì)量塊和固支框架，梁和可動(dòng)質(zhì)量塊以及固支框架的連接處采用圓角過渡，可動(dòng)質(zhì)量塊的上表面和下表面都分布有氣體導(dǎo)流凹槽；電極蓋板可由硅材料制成。質(zhì)量塊的上表面和下表面都分布的氣體導(dǎo)流凹槽有利于調(diào)節(jié)所述的加速度計(jì)的壓膜阻尼效應(yīng)，從而從結(jié)構(gòu)上改善離面式電容檢測加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)特性；本發(fā)明所述加速度計(jì)的多根彈性支撐梁為單一摻雜濃度的單晶硅材料制成，消除了由于采用不同材料所引入的熱失配應(yīng)力，以及由于單晶硅摻雜濃度不同引入的熱失配應(yīng)力。
文檔編號G01P15/125GK101625372SQ20091009098
公開日2010年1月13日 申請日期2009年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月19日
發(fā)明者胡啟方, 郝一龍, 高成臣 申請人:北京大學(xué)