專利名稱：一種大檢測電容的微慣性傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于微電子機械技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種微慣性傳感器，具體涉及一種帶 暗柵形條電容和小阻尼可變間距電容的高精度微慣性傳感器。
背景技術(shù)：
最近十幾年來，用微機械技術(shù)制作的加速度計得到了迅速的發(fā)展。其主要的加速 度檢測技術(shù)有壓阻檢測、壓電檢測、熱檢測、共振檢測、電磁檢測、光檢測、隧道電流檢測和 電容檢測等。此外，還有一些基于別的檢測技術(shù)的加速度計，如光加速度計、電磁加速度計、 電容加速度計等。光加速度計的發(fā)展主要是為了結(jié)合光和微機械的優(yōu)點，制作高電磁屏蔽 或者好線性度的傳感器。在這些傳感器中，電容式加速度傳感器，由于具有溫度系數(shù)小，靈 敏度高，穩(wěn)定性好等優(yōu)點，是目前研制得最多的一類加速度傳感器。微機械電容式傳感器的 制作方法有表面微機械加工方法和體硅微機械加工方法。采用表面微機械加工工藝可以和 集成電路工藝兼容，從而集成傳感器的外圍電路，成本低，但是傳感器的噪聲大、穩(wěn)定性差， 量程和帶寬小。采用體硅微機械加工工藝可以提高傳感器芯片的質(zhì)量，從而降低噪聲，改 善穩(wěn)定性，提高靈敏度。缺點是體積稍大，但可以制作出超高精度的微機械慣性傳感器。為 了得到較高的測量靈敏度和減小外圍電路的復(fù)雜性，可以通過增加傳感器振子的質(zhì)量和增 大傳感器的靜態(tài)測試電容的方法，從而減小機械噪聲和電路噪聲。而對于用體硅工藝如深 反應(yīng)粒子刻蝕(De印RIE)加工的梳齒狀的電容式傳感器，其極板電容的深寬比一般小于 30 1，這就限制了傳感器振子的質(zhì)量增加和極板間距的減小。而對于小間距極板電容，其 壓膜空氣阻尼較大，增大了傳感器的機械噪聲。減小該機械噪聲的方法一是可以通過在極 板上刻蝕阻尼條，一是把電容改為變面積的方式，使阻尼表現(xiàn)為滑膜阻尼。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種超高分辨率的帶暗柵形條 電容和小阻尼可變間距電容的微慣性傳感器。該微慣性傳感器可以更加有效的測量X或Y 方向上的微小加速度信號(或振動信號)。本實用新型包括玻璃襯底、敏感器質(zhì)量塊、驅(qū)動器質(zhì)量塊和固定驅(qū)動硅條。敏感器質(zhì)量塊為矩形硅片，敏感器質(zhì)量塊的兩對應(yīng)端通過敏感器U形硅支撐梁與 敏感器錨點連接，敏感器錨點固定設(shè)置在玻璃襯底上，敏感器質(zhì)量塊與玻璃襯底平行設(shè)置； 敏感器質(zhì)量塊的另兩個對應(yīng)端分別設(shè)置有兩組硅條組，每組硅條組包括平行設(shè)置的m條硅 條，m > 2，敏感器質(zhì)量塊兩端的硅條數(shù)量相同、位置對應(yīng)，硅條與敏感器質(zhì)量塊側(cè)邊垂直； 敏感器質(zhì)量塊對應(yīng)玻璃襯底一面刻蝕有與硅條平行的矩形柵條形井。敏感器質(zhì)量塊的兩側(cè)分別設(shè)置有兩個驅(qū)動器質(zhì)量塊；所述的驅(qū)動器質(zhì)量塊為矩形 硅片，驅(qū)動器質(zhì)量塊的兩對應(yīng)端通過驅(qū)動器U形硅支撐梁與驅(qū)動器錨點連接，驅(qū)動器錨點 固定設(shè)置在玻璃襯底上，驅(qū)動器質(zhì)量塊與玻璃襯底平行設(shè)置；每個驅(qū)動器質(zhì)量塊的一側(cè)設(shè) 置有m個可動驅(qū)動硅條，另一側(cè)設(shè)置有m個檢測硅條，所述的檢測硅條為梳齒狀，齒上刻蝕有凹形阻尼條，檢測硅條與敏感器質(zhì)量塊連接的硅條平行、位置對應(yīng)，敏感器質(zhì)量塊連接的 硅條與對應(yīng)的檢測硅條組成檢測電容；驅(qū)動器質(zhì)量塊中間刻有方環(huán)形槽。兩個梳齒狀的固定驅(qū)動硅條固定設(shè)置在玻璃襯底上，每個固定驅(qū)動硅條的梳齒條 與可動驅(qū)動硅條位置對應(yīng)；固定驅(qū)動硅條的梳齒條與對應(yīng)的可動驅(qū)動硅條組成驅(qū)動電容； 兩個固定驅(qū)動硅條通過玻璃襯底表面上的引線與驅(qū)動器外部連接錨點連接。玻璃襯底表面對應(yīng)兩個敏感器錨點位置設(shè)置有兩個敏感器質(zhì)量塊焊點，敏感器質(zhì) 量塊焊點與敏感器錨點連接；玻璃襯底表面對應(yīng)敏感器質(zhì)量塊設(shè)置有叉指鋁電極，敏感器 質(zhì)量塊上刻蝕的柵條形井的長條邊與叉指鋁電極中的每對叉指相對應(yīng)。本實用新型基本構(gòu)思是傳感器檢測電容的初始設(shè)計間距較大，從而解決深反應(yīng)粒 子刻蝕深寬比小于30 1對傳感器振子的質(zhì)量不能做厚的限制，而后通過微驅(qū)動器，減小 檢測電容間距，從而增大傳感器的初始檢測電容以降低檢測電路噪聲，本實用新型還在敏 感器質(zhì)量塊上刻蝕柵條形井，并和襯底上的叉指鋁電極組成差分檢測電容進一步降低電路 噪聲，且柵條形井和玻璃襯底上叉指間的差動表現(xiàn)為滑膜阻尼特性，從而也減小了布朗噪 聲。本實用新型通過在驅(qū)動器質(zhì)量塊的檢測硅條的檢測面上刻蝕凹形阻尼條來減小壓膜空 氣阻尼從而減小機械噪聲。另外，通過改變支撐梁和質(zhì)量塊的尺寸還可以改變傳感器的量 程和響應(yīng)特性。本實用新型提供的微慣性傳感器大大增大了振子質(zhì)量，從而減小了布朗噪聲，而 通過驅(qū)動器減小了電容極板間距，并在驅(qū)動器質(zhì)量塊的檢測硅條上刻蝕阻尼條，增大了檢 測電容，減小了壓?？諝庾枘幔瑥亩档土藱C械噪聲和電路噪聲，而敏感器質(zhì)量塊上新增的 柵條形井電容差分運動時空氣阻尼表現(xiàn)為滑膜阻尼，從而降低了布朗噪聲，同時也增大了 檢測電容。本實用新型涉及的高精度微慣性傳感器結(jié)構(gòu)新穎，分辨率和靈敏度高，制作工藝 簡單，有利于降低成本和提高成品率，是一種可以實際應(yīng)用的微慣性傳感器。

圖1為實用新型的玻璃襯底及表面上的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實用新型的結(jié)構(gòu)俯視圖；圖3為本實用新型的柵條形井的剖面圖。
具體實施方式
以下結(jié)合實施例和附圖對本實用新型進一步說明，但本實用新型決非僅限于所介 紹的實施例。如圖1、2和3所示，一種大檢測電容的微慣性傳感器包括玻璃襯底1、敏感器質(zhì)量 塊17、驅(qū)動器質(zhì)量塊12和固定驅(qū)動硅條13。敏感器質(zhì)量塊17為矩形硅片，敏感器質(zhì)量塊17的兩對應(yīng)端通過敏感器U形硅支 撐梁15與敏感器錨點16連接，敏感器錨點16固定設(shè)置在玻璃襯底1上，敏感器質(zhì)量塊17 與玻璃襯底1平行設(shè)置；敏感器質(zhì)量塊17的另兩個對應(yīng)端分別設(shè)置有兩組硅條組，每組硅 條組包括平行設(shè)置的三條硅條20，敏感器質(zhì)量塊17兩端的硅條20的數(shù)量相同、位置對應(yīng)， 硅條20與敏感器質(zhì)量塊17的側(cè)邊垂直；敏感器質(zhì)量塊17對應(yīng)玻璃襯底一面等間距刻蝕有 與硅條20平行的8個矩形柵條形井19 ；敏感器質(zhì)量塊17和外部封裝的連接通過玻璃襯底1上的敏感器質(zhì)量塊焊點2實現(xiàn)，敏感質(zhì)量塊17下表面的柵條形井的長條邊18位于襯底叉 指鋁電極5組成的電極對的正上方。敏感器質(zhì)量塊17的兩側(cè)分別設(shè)置有兩個驅(qū)動器質(zhì)量塊12，驅(qū)動器質(zhì)量塊12為矩 形硅片，驅(qū)動器質(zhì)量塊12的兩對應(yīng)端通過驅(qū)動器U形硅支撐梁7與驅(qū)動器錨點14連接，驅(qū) 動器錨點14固定設(shè)置在玻璃襯底1上，驅(qū)動器質(zhì)量塊12與玻璃襯底1平行設(shè)置；每個驅(qū)動 器質(zhì)量塊12的一側(cè)設(shè)置有三個可動驅(qū)動硅條8，另一側(cè)設(shè)置有檢測硅條21，其中檢測硅條 21的檢測電容面上刻蝕有凹形阻尼條22，以降低壓?？諝庾枘幔瑱z測硅條21與敏感器質(zhì)量 塊17連接的硅條20平行、位置對應(yīng)。敏感器質(zhì)量塊17連接的硅條20與對應(yīng)的檢測硅條 21組成檢測電容，驅(qū)動器質(zhì)量塊12和矩形孤島11之間形成方環(huán)形槽10。敏感器質(zhì)量塊17 兩側(cè)對應(yīng)的驅(qū)動器質(zhì)量塊12通過鋁連接線6分別與玻璃襯底連接。兩個梳齒狀的固定驅(qū)動硅條13固定設(shè)置在玻璃襯底1上，每個固定驅(qū)動硅條13 的梳齒條9與驅(qū)動器質(zhì)量塊上的可動驅(qū)動硅條8位置對應(yīng)。固定驅(qū)動硅條13的梳齒條9與 對應(yīng)的可動驅(qū)動硅條8組成驅(qū)動電容。兩個固定驅(qū)動硅條13通過玻璃襯底1表面上的外 部焊點4實現(xiàn)外部引線連接。驅(qū)動器質(zhì)量塊上的方環(huán)形槽槽寬小于可動驅(qū)動硅條8與固定 驅(qū)動硅條13的梳齒條9之間的間距，可動驅(qū)動硅條8與固定驅(qū)動硅條13的梳齒條9之間 的間距小于硅條20和檢測硅條21之間的間距。傳感器電容的起始檢測間距是硅條20和 檢測硅條21之間的間距與方環(huán)形槽槽寬的差值。玻璃襯底1表面對應(yīng)兩個敏感器錨點16位置設(shè)置有兩個敏感器質(zhì)量塊焊點2，敏 感器質(zhì)量塊焊點2與敏感器錨點16連接。玻璃襯底1表面對應(yīng)敏感器質(zhì)量塊17位置設(shè)置 有叉指鋁電極5a、5b，叉指鋁電極5通過鋁焊點3接入測試信號電壓。結(jié)合圖1、圖2和圖3對傳感器原理進行說明。驅(qū)動器質(zhì)量塊上方環(huán)形槽的槽寬用 dl表示，梳齒條和敏感器質(zhì)量塊連接的硅條的間距用d2表示，敏感器質(zhì)量塊連接的硅條和 檢測硅條的間距用d3表示，且d3 >d2> dl。用外部金絲球焊技術(shù)用金線把驅(qū)動器的焊點 和封裝管殼引腳連接，用Vd表示，焊點和封裝管殼引腳連接，用Vl表示，焊點也連接到封裝 管殼引腳，用V2表示。在用微機械工藝加工傳感器時，d3，d2，dl較大，可以加工出較厚的 傳感器質(zhì)量塊，因而質(zhì)量塊質(zhì)量較大。驅(qū)動器的Vd端接地，在V1、V2端接入直流偏置電壓， 產(chǎn)生的靜電力驅(qū)動驅(qū)動器質(zhì)量塊，減小驅(qū)動電容和梳齒檢測電容的間距，若有吸合產(chǎn)生，測 試傳感器靜態(tài)初始電容間距為d3-dl，從而傳感器的檢測電容大大增加。再在VI、V2端分 別加載波信號可動質(zhì)量塊通過錨點連接至地。當(dāng)敏感方向上有加速度信號時，由于慣性力 的作用，產(chǎn)生位移，從而引起敏感器上柵條形井和叉指鋁電極組成的差分電容的疊加面積 變化以及敏感器質(zhì)量塊連接的硅條和檢測硅條的間距變化，進而引起電容較大的變化，該 變化電容和外部慣性信號的大小成線性關(guān)系，通過檢測電容變化便可以得到敏感方向上加 速度的大小。本實用新型涉及的高精度微慣性傳感器，由于梳齒電容間距可用驅(qū)動器質(zhì)量塊減 小，敏感器質(zhì)量塊上有滑膜阻尼的柵條形井電容，且驅(qū)動器質(zhì)量塊的檢測硅條上刻蝕凹形 阻尼條，這些因素使傳感器的機械噪聲和電路噪聲大大減小，從而使傳感器可以達到很高 的精度，本實用新型在驅(qū)動器質(zhì)量塊上刻蝕出防吸合短路的矩形孤島，防止電容間發(fā)生短 路和永久吸合。同時本實用新型采用微機械技術(shù)制作，工藝簡單，有利于提高成品率和降低 制造成本。
權(quán)利要求一種大檢測電容的微慣性傳感器，包括玻璃襯底、敏感器質(zhì)量塊、驅(qū)動器質(zhì)量塊和固定驅(qū)動硅條，其特征在于敏感器質(zhì)量塊為矩形硅片，敏感器質(zhì)量塊的兩對應(yīng)端通過敏感器U形硅支撐梁與敏感器錨點連接，敏感器錨點固定設(shè)置在玻璃襯底上，敏感器質(zhì)量塊與玻璃襯底平行設(shè)置；敏感器質(zhì)量塊的另兩個對應(yīng)端分別設(shè)置有兩組硅條組，每組硅條組包括平行設(shè)置的m條硅條，m≥2；敏感器質(zhì)量塊兩端的硅條數(shù)量相同、位置對應(yīng)，硅條與敏感器質(zhì)量塊側(cè)邊垂直；敏感器質(zhì)量塊對應(yīng)玻璃襯底一面刻蝕有與硅條平行的矩形柵條形井；敏感器質(zhì)量塊的兩側(cè)分別設(shè)置有兩個驅(qū)動器質(zhì)量塊；所述的驅(qū)動器質(zhì)量塊為矩形硅片，驅(qū)動器質(zhì)量塊的兩對應(yīng)端通過驅(qū)動器U形硅支撐梁與驅(qū)動器錨點連接，驅(qū)動器錨點固定設(shè)置在玻璃襯底上，驅(qū)動器質(zhì)量塊與玻璃襯底平行設(shè)置；每個驅(qū)動器質(zhì)量塊的一側(cè)設(shè)置有m個可動驅(qū)動硅條，另一側(cè)設(shè)置有m個檢測硅條，所述的檢測硅條為梳齒狀，齒上刻蝕有凹形阻尼條，檢測硅條與敏感器質(zhì)量塊連接的硅條平行、位置對應(yīng)，敏感器質(zhì)量塊連接的硅條與對應(yīng)的檢測硅條組成檢測電容；驅(qū)動器質(zhì)量塊中間刻有方環(huán)形槽；兩個梳齒狀的固定驅(qū)動硅條固定設(shè)置在玻璃襯底上，每個固定驅(qū)動硅條的梳齒條與可動驅(qū)動硅條位置對應(yīng)；固定驅(qū)動硅條的梳齒條與對應(yīng)的可動驅(qū)動硅條組成驅(qū)動電容；兩個固定驅(qū)動硅條通過玻璃襯底表面上的引線與驅(qū)動器外部連接錨點連接；玻璃襯底表面對應(yīng)兩個敏感器錨點位置設(shè)置有兩個敏感器質(zhì)量塊焊點，敏感器質(zhì)量塊焊點與敏感器錨點連接；玻璃襯底表面對應(yīng)敏感器質(zhì)量塊設(shè)置有叉指鋁電極，敏感器質(zhì)量塊上刻蝕的柵條形井的長條邊與叉指鋁電極中的每對叉指相對應(yīng)。
專利摘要本實用新型涉及一種大檢測電容的微慣性傳感器?，F(xiàn)有產(chǎn)品限制了傳感器振子的質(zhì)量增加和極板間距的減小。本實用新型中敏感器質(zhì)量塊為刻蝕有柵條形井的矩形硅片，兩對應(yīng)端通過硅支撐梁與錨點連接，另兩個對應(yīng)端分別設(shè)置有數(shù)量相同、位置對應(yīng)的硅條。驅(qū)動器質(zhì)量塊設(shè)置在驅(qū)動器質(zhì)量塊的兩側(cè)，中間刻有環(huán)行槽，兩側(cè)設(shè)置有可動驅(qū)動硅條和梳齒狀的檢測硅條，敏感器質(zhì)量塊連接的硅條與對應(yīng)的檢測硅條組成檢測電容。固定驅(qū)動硅條的梳齒條與可動驅(qū)動硅條組成驅(qū)動電容。玻璃襯底表面對應(yīng)敏感器質(zhì)量塊設(shè)置有叉指鋁電極。本實用新型增大了振子質(zhì)量，從而減小了布朗噪聲；增大了檢測電容，減小了壓模空氣阻尼。
文檔編號G01P15/02GK201628722SQ20102011104
公開日2010年11月10日 申請日期2010年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月9日
發(fā)明者董林璽, 顏海霞 申請人:杭州電子科技大學(xué)