[發明專利]一種MEMS橫向加速度敏感芯片及其制造工藝

有效

• 申請號: 201410340386.0
• 申請日: 2014-07-16
• 公開（公告）號: CN105277741B
• 公開（公告）日: 2018-12-07
• 發明（設計）人: 于連忠;矣雷陽;孫晨
• 申請（專利權）人: 中國科學院地質與地球物理研究所
• 主分類號: G01P15/125
• 分類號: G01P15/125;B81B3/00;B81C1/00
• 代理公司: 北京金之橋知識產權代理有限公司 11137
• 代理人: 林建軍

一種MEMS橫向加速度敏感芯片，包括框架，設置在所述框架內的質量塊，以及用于連接所述框架及所述質量塊的彈性梁，所述質量塊上形成有多個凹陷部及第一連接部，所述框架上形成有第二連接部，所述彈性梁連接所述第一連接部和第二連接部；所述凹陷部上方設置有多組梳齒結構；每組所述梳齒結構包括從所述第一連接部延伸出的活動梳齒以及從所述第二連接部延伸出的固定梳齒；所述活動梳齒與所述固定梳齒之間形成有活動間隙，所述活動間隙形成差分檢測電容，本橫向加速度敏感芯片有機結合了平板式和梳齒式加速度計的優點，實現同時具有大質量塊，大電容，低阻尼，高靈敏度橫向加速度計。

技術領域

本發明涉及傳感器領域，尤其涉及一種加速度敏感芯片，該敏感芯片的制造工藝以及帶有該敏感芯片的加速度計。

背景技術

現今，加速度計可適用于諸多應用，例如在測量地震的強度并收集數據、檢測汽車碰撞時的撞擊強度、以及在手機及游戲機中檢測出傾斜的角度和方向。而在微電子機械系統(MEMS)技術不斷進步的情況下，許多納米級的小型加速度測量儀已經被商業化廣泛采用。

現今的加速度敏感芯片分為兩種，一種為平板式的，例如公開號為CN102768290A的中國發明專利，平板式的加速度敏感芯片是依靠通電后上蓋板、質量塊和下蓋板之間所形成的平板電容來檢測加速度。當外界有加速度時，質量塊會應慣性向加速度的反方向相對敏感芯片框架產生位移。該位移同時會產生質量塊與上蓋板以及下蓋板之間的間隔距離或者投影面積的的變化，因而產生上蓋板與質量塊、下蓋板與質量塊之間的電容變化。集成電路會根據檢測到的電容變化來計算出加速度的方向和幅度。

另外一種為梳齒式的，例如公開號為CN1605871的中國專利申請，梳齒式加速度敏感芯片是通過檢測兩個相互間隔的梳齒結構上的電容變化來檢測加速度的。梳齒結構包括設置在質量塊上的活動梳齒，以及與活動梳齒相互間隔設置的固定梳齒。當質量塊受加速度活動的時候，活動梳齒會與質量塊同時活動，因而跟固定梳齒之間會產生間隔距離或者投影面積的變化，從而產生電容變化。集成電路會根據檢測到的電容變化來計算出加速度的方向和幅度。

平板式電容加速度敏感芯片中的質量塊都比較大；質量對于檢測精度的影響可以體現在：

噪聲等效加速度：

k_B為玻爾茲曼常數，T為溫度，ω₀為諧振頻率，Q為品質因數，m為質量，由此可見，諧振頻率與Q值確定，增大質量將減小噪聲影響。質量塊與蓋板之間形成的電容值也比較大。其在檢測加速度時的靈敏度也比較高。然而，在制造過程中，平板式電容加速度敏感芯片的壓膜阻尼比較高，需要在真空的環境下封裝，這樣大大地增加了封裝和制造成本。相比之下，梳齒式的加速度敏感芯片的壓膜阻尼小，根據鮑敏航的書《Analysis and DesignPrinciples of MEMS Devices》中所述，MEMS芯片的阻尼力系數c_rec的計算公式為：

L>>B，β＝1，L≈B，β＝0.42，