專利名稱：Mems三軸加速度傳感器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感技術(shù)、微電子機(jī)械(MEMS)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，本發(fā)明涉及一種容柵型MEMS三軸加速度傳感器，它作為微慣性器件可實現(xiàn)三個軸向加速度的測量，并且本發(fā)明還涉及用于制造這種MEMS三軸加速度傳感器的方法。
背景技術(shù)：
加速度傳感器作為一種慣性敏感器件已被廣泛應(yīng)用于汽車、消費電子、地震監(jiān)測及國防等各個領(lǐng)域?；谖㈦娮訖C(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的微加速度傳感器具有尺寸小、重量輕、靈敏度高、可批量生產(chǎn)等優(yōu)點，是加速度傳感器的主流產(chǎn)品。實現(xiàn)加速度計的敏感方法有很多種，包括壓阻式、壓電式、電容式、熱對流式等。目前應(yīng)用最多的為電容式加速度傳感器，電容式加速度傳感器具有靈敏度高、漂移小、結(jié)構(gòu)簡單、敏感器件制作簡單的優(yōu)點，其制作工藝與CMOS工藝兼容，是小量程(低g)加速度計的主要敏感方式。電容式加速度傳感器根據(jù)敏感電容的實現(xiàn)原理包括變間隙型和變面積型兩種。變 間隙型電容式加速度傳感器包括平板電容和梳齒電容兩種實現(xiàn)方式，它們的共同特點是基于電容極板間距變化導(dǎo)致的電容量變化量來敏感加速度信號。因此，變間隙型加速度傳感器的輸出存在非線性，需要采用閉環(huán)檢測與反饋電路來改善其非線性。變間隙型加速度傳感器在工作過程中產(chǎn)生壓膜阻尼，由于MEMS加速度計的質(zhì)量塊很小(微克至毫克量級)，導(dǎo)致較高的熱機(jī)械噪聲。這種熱機(jī)械噪聲來源于敏感器件本身，因此難以通過后續(xù)處理電路消除，這就限制了其精度的提高，通常需要采用真空封裝來降低噪聲。變面積型電容式加速度傳感器包括梳齒電容和柵型電容兩種實現(xiàn)方式，它們的共同特點是基于電容電極板交疊面積變化導(dǎo)致的電容量變化量來敏感加速度信號。容柵型加速度傳感器的敏感電容為相距微小間隙的(通常為數(shù)微米)一組條形上電極與一組條形下電極的錯位排列而構(gòu)成，錯位量約為條形電極寬度的一半。變面積型加速度計的輸出是嚴(yán)格線性的，在工作過程中產(chǎn)生滑膜阻尼，熱機(jī)械噪聲很低，無需要采用真空封裝。目前廣泛應(yīng)用的MEMS加速度傳感器多為單軸向的加速度傳感器，只能檢測某一個矢量方向的加速度信號，單一 MEMS加速度計不能同時實現(xiàn)三個軸向加速度的檢測。隨著加速度傳感器應(yīng)用的發(fā)展，三軸向加速度信號的檢測能夠?qū)崿F(xiàn)更強(qiáng)大的功能，如慣性導(dǎo)航定位、矢量水聽器等，同時檢測三軸向加速度信號的三軸加速度傳感器有著廣泛的需求。為了實現(xiàn)三軸加速度信號的檢測，傳統(tǒng)的做法是將三個單軸的傳感器組裝在一起構(gòu)成三軸加速度傳感器，但這種做法實現(xiàn)三軸加速度傳感器的垂直裝配精度和微小化程度都受到限制，制作方法復(fù)雜，成本高。單芯片的三軸加速度傳感器，特別是單敏感質(zhì)量塊的三軸加速度傳感器的研發(fā)與制作對于進(jìn)一步發(fā)展MEMS加速度傳感器具有重要意義。單一敏感質(zhì)量塊的三軸加速度傳感器與單軸加速度傳感器有著根本的不同，并不是三個單軸加速度傳感器的簡單封裝組合，在器件設(shè)計、結(jié)構(gòu)、制作工藝等多方面存在本質(zhì)的區(qū)別。目前能夠?qū)崿F(xiàn)單芯片的三軸加速度計包括壓阻微加速度計(例如參見中國發(fā)明專利公開CN101042411A)和梳齒電容微加速度計(例如參見中國發(fā)明專利公開CN101133332A)。圖I所示為壓阻三軸微加速度計敏感結(jié)構(gòu)，其中采用了電阻Rl、R2、R3、R4、R5、R6、Rll、R12、R9、RIO、R7、R8、R17、R18、R19、R20、R21、R22。三軸壓阻式加速度計利用彈性梁與支撐框體上設(shè)置的壓敏電阻構(gòu)成檢測三軸方向加速度的惠斯通電橋，結(jié)構(gòu)簡單、體積小、制作簡便，但靈敏度和精度較低。而三軸梳齒電容微加速度計采用兩個傳感器組合測量三軸向加速度，梳齒結(jié)構(gòu)，靈敏度高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作難度大，阻尼大，存在非線性，需閉環(huán)反饋和真空封裝，阻礙了三軸加速度傳感器的發(fā)展和應(yīng)用。實際應(yīng)用所需要的是能夠兼顧靈敏度、測量精度、線性度、制作工藝、成本、阻尼等多種性能的MEMS三軸加速度傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的靈敏度特性與阻尼特性不能同時兼顧的問題，提供了一種結(jié)構(gòu)簡單，制作容易，能夠同時具備高精度、線性輸出和低阻尼特性的容柵 型三軸微機(jī)械加速度傳感器，以解決現(xiàn)有三軸微機(jī)械加速度傳感器的制作復(fù)雜，靈敏度低和成本高的問題。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種MEMS三軸加速度傳感器包括支撐框體、彈性梁、敏感質(zhì)量塊、下支撐體、柵型敏感電容和引線電極；其中，敏感質(zhì)量塊通過彈性梁懸于支撐框體之間，支撐框體通過鍵合與下支撐體連接，敏感質(zhì)量塊與下支撐體之間有間隙，敏感質(zhì)量塊上制作了柵型電容的上電極，下支撐體的內(nèi)表面上制作柵型電容的下電極組，上電極與下電極組錯位排列構(gòu)成一組柵型電容，該組柵型電容從引線電極輸出；其中，該組柵型電容包括第一電容、第二電容、第三電容和第四電容，第一電容與第二電容、第三電容與第四電容分別構(gòu)成差分檢測電容，所述MEMS三軸加速度傳感器通過電容的運(yùn)算實現(xiàn)X、Y、Z三軸加速度量的同時檢測。優(yōu)選地，在上述MEMS三軸加速度傳感器中，敏感質(zhì)量塊是所述MEMS三軸加速度傳感器中的唯一的敏感質(zhì)量塊。優(yōu)選地，在上述MEMS三軸加速度傳感器中，下支撐體為硅、玻璃或陶瓷中的任意一種材料。 優(yōu)選地，在上述MEMS三軸加速度傳感器中，該組柵型電容的上、下電極材料為硅、Au、Al或Cu中的一種。優(yōu)選地，在上述MEMS三軸加速度傳感器中，所述彈性梁為一組對稱排列的硅梁。優(yōu)選地，在上述MEMS三軸加速度傳感器中，所述彈性梁的梁結(jié)構(gòu)采用L型梁、直梁、蛇型梁之一的形式。優(yōu)選地，在上述MEMS三軸加速度傳感器中，第一電容、第二電容、第三電容和第四電容由多個條型的上、下電極錯位排列，錯位量約為條型電極寬度的一半。優(yōu)選地，在上述MEMS三軸加速度傳感器中，第一電容和第二電容的上、下電極的錯位方向不同，并且/或者第三電容和第四電容的上、下電極的錯位方向不同。進(jìn)一步優(yōu)選地，在上述MEMS三軸加速度傳感器中，第一電容和第二電容的上、下電極的錯位方向不同，并且在敏感質(zhì)量塊產(chǎn)生X方向位移時其中一個電容增大、另一個電容減小，并同時保持第一電容和第二電容的電容值之和不變；并且/或者第三電容和第四電容的上、下電極的錯位方向不同，并且在敏感質(zhì)量塊產(chǎn)生Y方向位移時其中一個電容增大、另一個電容減小，并同時保持第三電容和第四電容的電容值之和不變。并且，優(yōu)選地，上述MEMS三軸加速度傳感器還包括用于檢測Z方向加速度的第五電容C5,并且第五電容C5的下電極在X、Y方向稍長于上電極。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種制造根據(jù)本發(fā)明第一方面的MEMS三軸加速度傳感器的方法，包括將硅片減薄至需要的厚度；氧化、光刻、腐蝕硅片背面的腔體；在下支撐體上濺射金屬；通過光刻，腐蝕形成柵型電容下電極；使硅片與下支撐體進(jìn)行陽極鍵合，從而形成鍵合片；將鍵合片的敏感元件層整體減薄至器件所需的厚度；在質(zhì)量塊上表面生長氧化層；形成柵型氧化層掩膜圖形；刻蝕形成柵型質(zhì)量塊；去除柵型氧化層掩膜。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種制造根據(jù)本發(fā)明第一方面的MEMS三軸加速度傳感器的方法，包括將第一硅片減薄至需要的厚度；通過光刻、腐蝕形成第一硅片背面的腔體；在第一娃片上表面形成金屬薄膜；在第一娃片表面形成柵型電容上極板和電極；將L形彈性梁下方的第一硅片的硅腐蝕至期望深度；在第二硅片下蓋板上形成柵型電容下 極板和電極；通過硅-硅鍵合將器件層與下蓋板連接在一起；釋放可動L形彈性梁結(jié)構(gòu)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有如下優(yōu)勢(I)采用單一(唯一)的質(zhì)量塊對三軸加速度信號的敏感方法，芯片利用率高，減小了三軸加速度傳感器的尺寸、降低了芯片成本。(2)對稱分布的彈性梁及方形質(zhì)量塊設(shè)計，減小了器件的平動模態(tài)與扭轉(zhuǎn)模態(tài)的耦合，可提高M(jìn)EMS三軸加速度傳感器的性能穩(wěn)定性。(3)采用容柵型的電容形式，可有效提高M(jìn)EMS三軸加速度傳感器的檢測靈敏度，可靈活設(shè)計柵型電極的布局布線。(4)采用變面積電容的檢測原理，輸出量與待測量之間是嚴(yán)格的線性關(guān)系，避免了壓膜阻尼，降低了微機(jī)械加速度傳感器的熱機(jī)械噪聲，不需要真空封裝，降低了傳感器的制造成本，提高了傳感器的穩(wěn)定性，延長了使用壽命。


結(jié)合附圖，并通過參考下面的詳細(xì)描述，將會更容易地對本發(fā)明有更完整的理解并且更容易地理解其伴隨的優(yōu)點和特征，其中圖I是現(xiàn)有技術(shù)的壓阻式三軸微加速度計平面結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明實施例的MEMS三軸微加速度傳感器結(jié)構(gòu)的示意圖；圖3是沿圖2所示的線A-A截取的橫截面示意圖；圖4是本發(fā)明實施例的敏感元件層結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明實施例的位于下支撐體表面的柵型電容下電極結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明實施例I的制作方法流程示意圖；圖7是本發(fā)明實施例2的制作方法流程示意圖。需要說明的是，附圖用于說明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。注意，表示結(jié)構(gòu)的附圖可能并非按比例繪制。并且，附圖中，相同或者類似的元件標(biāo)有相同或者類似的標(biāo)號。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的內(nèi)容更加清楚和易懂，下面結(jié)合具體實施例和附圖對本發(fā)明的內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)描述。參見圖2和圖3，根據(jù)本發(fā)明實施例的MEMS三軸加速度傳感器包括支撐框體I、彈性梁2、敏感質(zhì)量塊3、下支撐體4、柵型敏感電容5和引線電極6。敏感質(zhì)量塊3通過彈性梁2懸于支撐框體I之間，支撐框體I通過鍵合與下支撐體4連接。敏感質(zhì)量塊3與下支撐體4之間有間隙7。敏感質(zhì)量塊3上制作了柵型電容5的上電極8，下支撐體4的內(nèi)表面上制作柵型電容5的下電極組9，上電極8與下電極組9錯位排列構(gòu)成一組柵型電容5。該組柵型電容5從引線電極6輸出。其中，“錯位排列”指的是沒有完全對齊而是相互錯開的一種排列方式。并且，該組柵型電容5包括一組電容(第一電容Cl、第二電容C2、第三電容C3和第四電容C4)，第一電容Cl與第二電容C2、第三電容C3與第四電容C4分別構(gòu)成差分檢測電容。MEMS三軸加速度傳感器通過電容的運(yùn)算實現(xiàn)X、Y、Z三軸加速度量的同時檢測，并且其中，敏感質(zhì)量塊3是所述MEMS三軸加速度傳感器中的唯一的敏感質(zhì)量塊。并且，優(yōu)選地而非必須的，根據(jù)本發(fā)明實施例的MEMS三軸加速度傳感器還可以包括第五電容C5。
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優(yōu)選地，在上述MEMS三軸加速度傳感器中，支撐框體、彈性梁、敏感質(zhì)量塊由一塊單晶硅材料通過MEMS加工工藝制作而成。下面將通過具體實施例I和具體實施例2來更詳細(xì)地描述本發(fā)明。實施例I : 圖2是本發(fā)明實施例的MEMS三軸微加速度傳感器結(jié)構(gòu)的示意圖；并且圖3是沿圖2所示的線A-A截取的橫截面示意圖。圖2和圖3所示的根據(jù)本發(fā)明實施例的容柵型體硅加工的微機(jī)械三軸加速度傳感器包括兩層結(jié)構(gòu)，這兩層結(jié)構(gòu)分別為上層敏感元件層和下支撐體層。具體地說，圖4是本發(fā)明實施例的敏感元件層結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是本發(fā)明實施例的位于下支撐體表面的柵型電容下電極結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，敏感元件層由支撐框體I、彈性梁2、質(zhì)量塊3和容柵型電容上電極8組成。下支撐體層上制作容柵型電容下電極9 ;這樣，上電極8與下電極9構(gòu)成柵型差分電容5。其中質(zhì)量塊3為器件的慣性敏感元件，其材料為單晶硅，通過彈性梁2固定于支撐框體I之間，單一(唯一的)的質(zhì)量塊3對三個軸向的加速度同時感應(yīng)；質(zhì)量塊3上制作有柵型電容上電極8，能夠在加速度作用下改變電容面積和電容間距；質(zhì)量塊3的底部刻蝕或腐蝕出空腔，形成電容間隙7 ;敏感元件層通過鍵合技術(shù)與下支撐層進(jìn)行連接，使整個上層部件平行于下支撐體平面。根據(jù)本發(fā)明實施例的MEMS三軸微加速度傳感器具有靈敏度高、熱機(jī)械噪聲低、三軸正交、無交叉敏感、可集成批量制造等優(yōu)點。該MEMS三軸微加速度傳感器可應(yīng)用于加速度、振動的測量與監(jiān)測，并可應(yīng)用于基于加速度信號檢測的各種傳感器、儀表和系統(tǒng)中。在一個優(yōu)選實施例中，彈性梁2可采用直梁、L梁、蛇形梁等多種形式。在一個優(yōu)選實施例中，質(zhì)量塊3可采用單晶硅長方體構(gòu)成質(zhì)量塊。在一個優(yōu)選實施例中，容柵上電極8可采用低阻硅的深刻蝕形成柵型質(zhì)量塊中的柵型硅條，也可以采用低阻多晶硅或非晶硅，金屬Au、Al或Cu 賤射在高阻娃質(zhì)量塊表面形成柵型導(dǎo)體條。在一個優(yōu)選實施例中，下支撐體采用硅、玻璃或陶瓷中的任意一種材料，容柵下電極采用低阻多晶硅或非晶硅，金屬Au、Al或Cu濺射在下支撐體表面形成的柵型導(dǎo)體條。在一個優(yōu)選實施例中，敏感元件層與下支撐體層之間的連接可采用硅-硅鍵合、硅-玻璃陽極鍵合或BCB鍵合技術(shù)，鍵合條件不受真空度的限制。此外，在一個優(yōu)選實施例中，傳感器可以通過選擇合適的彈性梁2的形式和參數(shù)尺寸實現(xiàn)不同軸向加速度量程范圍的設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)相同精度或不同精度的設(shè)計。對于上層敏感元件層和下支撐體層之間的布置關(guān)系，如圖2和圖3所示，L形彈性梁2的一端連接在中心質(zhì)量塊3的頂角，另一端連接到與其垂直的外部支撐框體I。容柵式MEMS三軸加速度傳感器結(jié)構(gòu)，包括外部支撐框體I、一個中心對稱的質(zhì)量塊3、質(zhì)量塊3與外部支撐框體I相連的四根L形彈性梁2，柵型電容上電極8、下支撐體4和柵型電容下電極
9。L形彈性梁2由a、b兩段構(gòu)成，分別固定于質(zhì)量塊3邊緣和固定支撐框體I邊緣；質(zhì)量 塊3懸掛于支撐框體I之間，其上制作柵型電容上電極8 ;質(zhì)量塊3采用低阻硅材料，部分硅材料被刻蝕去除，構(gòu)成柵型質(zhì)量塊3，同時構(gòu)成柵型電容的上電極，整個上電極相互連通并共用一個電極；下支撐體4與質(zhì)量塊3平行，中間間距為間隙7，下支撐體上制作柵型電容下電極9，下支撐體材料可以是玻璃或高阻硅中的一種，柵型電容下電極9與柵型電容上電極形成一組柵型電容。本實施例與已有MEMS三軸加速度傳感器的不同之處在于，可用一個敏感元件同時實現(xiàn)三個軸向加速度的測量，水平面內(nèi)的兩軸檢測過程中避免了壓膜阻尼，噪聲水平大大降低；質(zhì)量塊3與彈性梁2的設(shè)計為中心對稱圖形，若干對條形電極構(gòu)成的柵型電容的差分檢測靈敏度優(yōu)于已有加速度傳感器的靈敏度，結(jié)構(gòu)更為簡單，制作更為方便，不需要真空封裝，提高了傳感器的整體性能。通過柵型電容電極的特殊設(shè)計，用于檢測X方向加速度信號的差分電容Cl和C2 (第一電容Cl和第二電容C2)在Y方向下電極稍長于上電極,這樣在傳感器工作過程中差分電容Cl和C2能夠屏蔽Y方向振動的影響。同理，用于檢測Y方向加速度的差分電容C3和C4(第三電容C3和第四電容C4)能夠屏蔽X方向振動的影響。 具體地說，進(jìn)一步地，在一個優(yōu)選示例中，第一電容Cl、第二電容C2、第三電容C3和第四電容C4由多個條型的上、下電極錯位排列，錯位量約為條型電極寬度的一半。其中第一電容Cl和第二電容C2的上、下電極的錯位方向不同，并且/或者第三電容C3和第四電容C4的上、下電極的錯位方向不同。進(jìn)一步優(yōu)選地，不僅第一電容Cl和第二電容C2的上、下電極的錯位方向不同，而且在敏感質(zhì)量塊3產(chǎn)生X方向位移時其中一個電容增大、另一個電容減小，并同時保持第一電容Cl和第二電容C2的電容值之和不變；并且/或者，不僅第三電容C3和第四電容C4的上、下電極的錯位方向不同，而且在敏感質(zhì)量塊3產(chǎn)生Y方向位移時其中一個電容增大、另一個電容減小，并同時保持第三電容Cl和第四電容C2的電容值之和不變。這就為這組柵型電容5提供一種性能優(yōu)異的布置方式，有利于使得根據(jù)本發(fā)明的MEMS三軸加速度傳感器能夠提供良好的性能。并且，優(yōu)選地，根據(jù)需要可以增加用于檢測Z方向加速度的另一第五電容C5，由此，可以使得第五電容C5的下電極在X、Y方向稍長于上電極，能夠屏蔽水平面內(nèi)X、Y方向振動的影響。
本發(fā)明的實施例I涉及的容柵式三軸加速度傳感器制作方法參考圖6所示的工藝流程圖進(jìn)行說明，具體工藝實施方法包括如下步驟(I)至(10)(I)首先將低阻硅減薄至需要的厚度，如圖6的SI所示；(2)氧化、光刻、腐蝕質(zhì)量塊(即低阻硅)背面的腔體，腔體深度為例如3μπι，如圖6的S2所示；(3)下支撐體材料選擇玻璃，濺射金屬，如圖6的S3所示；(4)通過光刻，腐蝕形成柵型電容下電極，如圖6的S4所示；
(5)硅片與下支撐體進(jìn)行陽極鍵合，從而形成鍵合片(包含硅片與下支撐體兩者)，如圖6的S5所示；(6)將鍵合片的敏感元件層(硅片的與所鍵合的下支撐體相對的部分)整體減薄至器件所需的厚度，如圖6的S6所示；(7)通過PECVD (等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積)方法在質(zhì)量塊上表面生長例如5000Α高質(zhì)量氧化層，如圖6的S7所示；(8)通過光刻，RIE形成柵型氧化層掩膜圖形，如圖6的S8所示；(9)通過ICP (電感耦合等離子體)方法，刻蝕形成柵型質(zhì)量塊，如圖6的S9所示；(10)通過RIE方法去除柵型氧化層掩膜，如圖6的SlO所示。實施例2 本實施例涉及的容柵型MEMS三軸加速度傳感器制作方法參考圖7所示的工藝流程圖進(jìn)行說明，與實施例I在傳感器結(jié)構(gòu)上基本相同，主要區(qū)別在于敏感質(zhì)量塊與下支撐體的材料和柵型電容的上電極的制作方案不同，本實施例中敏感質(zhì)量塊采用高阻硅材料，其上制作金屬柵型電容上電極8，質(zhì)量塊3厚度可根據(jù)需要選擇，具體工藝實施方法包括如下步驟⑴至⑶(I)首先將高阻硅減薄至需要的厚度，如圖7的Sll所示；(2)通過光刻、腐蝕形成質(zhì)量塊背面的腔體，腔體深度為例如3um，如圖7的S22所示；(3)通過濺射金屬Au或Al在質(zhì)量塊上表面形成金屬薄膜，如圖7的S33 ；(4)通過光刻、金屬腐蝕在質(zhì)量塊表面形成柵型電容上極板和電極，如圖6的S44所示；(5)通過光刻，腐蝕或刻蝕將L形彈性梁下方的硅腐蝕至需要深度，如圖6的S55所示；(6)通過摻雜在低阻硅下蓋板上形成柵型電容下極板和電極，如圖7的S66所示；(7)通過硅-硅鍵合將器件層與下蓋板連接在一起，如圖7的S77所示；(8)通過ICP方法釋放可動L形彈性梁結(jié)構(gòu)，如圖7的S88所示。以上通過實施例I和實施例2描述了本發(fā)明的優(yōu)選實現(xiàn)方式。綜上所述，本發(fā)明提供了一種容柵型MEMS三軸加速度傳感器及其制造方法，其中采用單敏感質(zhì)量塊實現(xiàn)了三軸加速度信號的檢測，占用MEMS芯片面積小，制作工藝簡單，線性輸出，熱機(jī)械噪聲低，具有靈敏度高、噪聲小、成本低等優(yōu)點，是一種新穎且易實現(xiàn)的解決方案?？梢岳斫獾氖?，雖然本發(fā)明已以較佳實施例披露如上，然而上述實施例并非用以限定本發(fā)明。對于任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容對本發(fā)明技術(shù)方案作出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù) 方案保護(hù)的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種MEMS三軸加速度傳感器，其特征在于包括支撐框體(I)、彈性梁(2)、敏感質(zhì)量塊(3)、下支撐體(4)、柵型敏感電容(5)和引線電極(6)； 其中，敏感質(zhì)量塊(3)通過彈性梁(2)懸于支撐框體(I)之間，支撐框體(I)通過鍵合與下支撐體(4)連接，敏感質(zhì)量塊(3)與下支撐體(4)之間有間隙(7);其中，敏感質(zhì)量塊(3)上制作了柵型電容(5)的上電極(8)，下支撐體(4)的內(nèi)表面上制作柵型電容(5)的下電極組(9)，上電極(8)與下電極組(9)錯位排列構(gòu)成一組柵型電容(5)，該組柵型電容(5)從引線電極(6)輸出；該組柵型電容(5)包括第一電容(Cl)、第二電容(C2)、第三電容(C3)和第四電容(C4)，第一電容(Cl)與第二電容(C2)、第三電容(C3)與第四電容(C4)分別構(gòu)成差分檢測電容，所述MEMS三軸加速度傳感器通過電容的運(yùn)算實現(xiàn)X、Y、Z三軸加速度量的同時檢測。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的MEMS三軸加速度傳感器，其特征在于，其中敏感質(zhì)量塊(3)是所述MEMS三軸加速度傳感器中的唯一的敏感質(zhì)量塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的MEMS三軸加速度傳感器，其特征在于，其中下支撐體(4)為硅、玻璃或陶瓷中的任意一種材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的MEMS三軸加速度傳感器，其特征在于，其中該組柵型電容(5)的上、下電極材料為硅、Au、Al或Cu中的一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的MEMS三軸加速度傳感器，其特征在于，其中所述彈性梁(2)為一組對稱排列的硅梁，并且其中所述彈性梁(2)的梁結(jié)構(gòu)采用L型梁、直梁、蛇型梁之一的形式。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的MEMS三軸加速度傳感器，其特征在于，其中第一電容(Cl)、第二電容(C2)、第三電容(C3)和第四電容(C4)由多個條型的上、下電極錯位排列，錯位量約為條型電極寬度的一半。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的MEMS三軸加速度傳感器，其特征在于，其中第一電容(Cl)和第二電容(C2)的上、下電極的錯位方向不同，并且在敏感質(zhì)量塊(3)產(chǎn)生X方向位移時其中一個電容增大、另一個電容減小，并同時保持第一電容(Cl)和第二電容(C2)的電容值之和不變；并且/或者第三電容(C3)和第四電容(C4)的上、下電極的錯位方向不同，并且在敏感質(zhì)量塊(3)產(chǎn)生Y方向位移時其中一個電容增大、另一個電容減小，并同時保持第三電容(Cl)和第四電容(C2)的電容值之和不變。
8.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的MEMS三軸加速度傳感器，其特征在于，還包括用于檢測Z方向加速度的第五電容C5,并且第五電容C5的下電極在X、Y方向稍長于上電極。
9.一種制造根據(jù)權(quán)利要求I所述的MEMS三軸加速度傳感器的方法，其特征在于包括 將硅片減薄至需要的厚度； 氧化、光刻、腐蝕硅片背面的腔體； 在下支撐體上濺射金屬； 通過光刻,腐蝕形成柵型電容下電極； 使硅片與下支撐體進(jìn)行陽極鍵合，從而形成鍵合片； 將鍵合片的敏感元件層整體減薄至器件所需的厚度； 在質(zhì)量塊上表面生長氧化層； 形成柵型氧化層掩膜圖形；刻蝕形成柵型質(zhì)量塊；去除柵型氧化層掩膜。
10.一種制造根據(jù)權(quán)利要求I所述的MEMS三軸加速度傳感器的方法，其特征在于包 括將第一硅片減薄至需要的厚度；通過光刻、腐蝕形成第一硅片背面的腔體；在第一娃片上表面形成金屬薄膜；在第一娃片表面形成柵型電容上極板和電極；將L形彈性梁下方的第一硅片的硅腐蝕至期望深度；在第二硅片下蓋板上形成柵型電容下極板和電極；通過硅-硅鍵合將器件層與下蓋板連接在一起；釋放可動L形彈性梁結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種MEMS三軸加速度傳感器及其制造方法。根據(jù)本發(fā)明的MEMS三軸加速度傳感器包括支撐框體、彈性梁、敏感質(zhì)量塊、下支撐體、柵型敏感電容和引線電極；其中，敏感質(zhì)量塊通過彈性梁懸于支撐框體之間，支撐框體通過鍵合與下支撐體連接，敏感質(zhì)量塊與下支撐體之間有間隙，敏感質(zhì)量塊上制作了柵型電容的上電極，下支撐體的內(nèi)表面上制作柵型電容的下電極組，上電極與下電極組錯位排列構(gòu)成一組柵型電容，該組柵型電容從引線電極輸出;其中，該組柵型電容包括第一電容、第二電容、第三電容和第四電容，第一電容與第二電容、第三電容與第四電容分別構(gòu)成差分檢測電容，所述MEMS三軸加速度傳感器通過電容的運(yùn)算實現(xiàn)三軸加速度量的同時檢測。
文檔編號G01P15/18GK102759637SQ20111010603
公開日2012年10月31日 申請日期2011年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月26日
發(fā)明者吳亞明, 徐靜, 楊丹瓊, 鐘少龍 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所