[發(fā)明專利]對稱組合彈性梁結(jié)構(gòu)電容式微加速度傳感器及制作方法

有效

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• 申請日: 2010-05-21
• 公開（公告）號: CN101858929A
• 公開（公告）日: 2010-10-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 車錄鋒;李偉;孫騰;肖育華;王躍林
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所
• 主分類號: G01P15/125
• 分類號: G01P15/125;B81B5/00;B81C3/00
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司 31002
• 代理人: 潘振甦

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及對稱組合彈性梁結(jié)構(gòu)電容式微加速度傳感器，屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展，極大地推動了傳感器技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)了加速度傳感器的微型化。利用微機(jī)械加工工藝制作的電容式加速度傳感器在測量精度、溫度特性、利用靜電力進(jìn)行閉環(huán)測量和自檢及易與電子線路集成等方面具有的優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于石油勘探、地震監(jiān)測、醫(yī)療儀器、航空航天、武器裝備等許多領(lǐng)域，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。

常見的微機(jī)械加速度傳感器按敏感原理分主要有壓阻式、壓電式和電容式三種。壓電式加速度傳感器的基本原理利用壓電效應(yīng)，通過測量壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電壓變化來感知加速度的。這種加速度傳感器的結(jié)構(gòu)比較簡單，但難以測量常加速度，溫度系數(shù)較大，線性度也不好。壓阻式微加速度傳感器利用的是壓阻效應(yīng)，將外界加速度的變化轉(zhuǎn)化為壓阻材料兩端檢測電壓值的改變，其具有的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單，接口電路易于實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是溫度系數(shù)比較大，對溫度比較敏感。

電容式微加速度傳感器的基本原理就是將外界加速度的變化轉(zhuǎn)化為電容的變化。電容式微加速度傳感器一般由彈性梁支撐的質(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)成差分檢測電容。當(dāng)外界加速度作用于質(zhì)量塊時，彈性梁變形引起質(zhì)量塊產(chǎn)生位移，導(dǎo)致差分檢測電容的變化，用外圍的接口電路檢測出電容的變化量進(jìn)而就可以測量加速度的大小。

電容式加速度傳感器相對于壓阻式或壓電式而言，具有很高的靈敏度和檢測精度、穩(wěn)定性好、溫度漂移小，而且有良好的過載保護(hù)能力，能夠利用靜電力實(shí)現(xiàn)反饋閉環(huán)控制，可顯著提高傳感器的性能。

制作電容式微加速度傳感器的方法有表面微機(jī)械加工方法和體微機(jī)械加工方法。采用表面微機(jī)械加工方法制作電容式加速度傳感器的好處在于與集成電路工藝兼容，可以集成信號處理電路，成本低，但也存在噪聲大、分辨率較低、動態(tài)范圍小、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)。而采用硅體微機(jī)械加工方法制作電容式加速度傳感器的優(yōu)點(diǎn)在于噪聲小、分辨率高、動態(tài)范圍大、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是體積稍大。

一般的硅體微機(jī)械加工方法制作的電容式加速度傳感器用彈性梁支撐的質(zhì)量塊上、下表面做可動電極，然后再在硅片的上、下面各鍵合一個硅片或玻璃片，其上對應(yīng)于質(zhì)量塊電極的部分也制作電極，與質(zhì)量塊上的電極形成差分電容。但通常這種結(jié)構(gòu)的彈性梁與敏感質(zhì)量塊中心不在同一平面內(nèi)，會造成較大的交叉靈敏度，即非敏感方向上的加速度信號也會引起較大的輸出。為了抑制交叉靈敏度，本發(fā)明提出一種對稱組合彈性梁結(jié)構(gòu)電容式加速度傳感器，將兩塊硅片分別單面腐蝕質(zhì)量塊圖形后再進(jìn)行硅硅鍵合，雙面刻蝕形成雙面都有組合彈性梁的中心質(zhì)量塊，能顯著減小器件的交叉靈敏度，使器件的可靠性更高，是一種高性能的電容式微加速度傳感器。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種對稱組合彈性梁結(jié)構(gòu)電容式微加速度傳感器及其制作方法，是一種能顯著抑制交叉靈敏度、高性能的微機(jī)械加速度傳感器。

本發(fā)明提供的對稱組合彈性梁結(jié)構(gòu)電容式微加速度傳感器，包括一個對稱的中心質(zhì)量塊、外部支撐框架、中心質(zhì)量塊與外部支撐框架相連接的對稱組合彈性梁結(jié)構(gòu)以及上、下蓋板，其特征在于：

(1)中心質(zhì)量塊由頂端質(zhì)量塊和底端質(zhì)量塊組成，組合彈性梁結(jié)構(gòu)是由對稱的頂端組合彈性梁和底端組合彈性梁組成，外部支撐框架由上下對稱的頂端支撐框架和底端支撐框架組成；

(2)中心質(zhì)量塊作為檢測電容的可動電極，上、下蓋板分別作為檢測電容的固定電極，上、下蓋板位于可動電極的上、下兩面；

(3)組合彈性梁結(jié)構(gòu)由八根對稱直彈性梁、兩個對稱框架梁、八根對稱L梁連接在一起構(gòu)成的；

(4)組合彈性梁結(jié)構(gòu)的一端連接在中心質(zhì)量塊側(cè)面頂端和底端的中間或頂角，另一端連接在外部支撐框架內(nèi)側(cè)面；也即所述的組合彈性梁是依次由直彈性梁、框架梁和L梁連接組成的；其中L梁的一端與框架梁相連接，另一端連接在外部支撐框架的任意位置，直彈性梁的一端與框架梁中間相連接或與框架梁的一個頂端相連接；前者，直彈性梁的另一端連接在中心質(zhì)量塊側(cè)面的中間，后者，直彈性梁的另一端連接在中心質(zhì)量塊的側(cè)面頂角；

(5)中心質(zhì)量塊電極引線金屬塊位于外部支撐框架上表面，上蓋板電極引線金屬塊位于上蓋板的上表面，下蓋板電極引線金屬塊位于下蓋板的下表面；

(6)電容間隙分別制作在上蓋板的下表面和下蓋板的上表面；

(7)過載保護(hù)限位塊分別制作在上蓋板的下表面和下蓋板的上表面電容間隙內(nèi)；質(zhì)量塊電極引線間隙制作在上蓋板的下表面上。