[發明專利]一種新型梳齒電極板微加速度計及其制作方法

在審

• 申請號: 201810818464.1
• 申請日: 2018-07-24
• 公開（公告）號: CN109142783A
• 公開（公告）日: 2019-01-04
• 發明（設計）人: 洪文濤;董林璽
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: G01P15/08
• 分類號: G01P15/08;G01P15/125
• 代理公司: 紹興市越興專利事務所(普通合伙) 33220
• 代理人: 蔣衛東

本發明公開了一種包含新型梳齒電極板的微加速度計。本發明中的微加速度計由下列部分組成：硅層的錨點、質量塊，U型梁、柵形電極、驅動器錨點，驅動器U型梁，驅動器塊、改進梳齒極板，防吸合固定質量塊；襯底層；鋁電極層?？蓜拥臇判坞姌O和固定極板的梳齒電極形成了電容對，在梳齒結構電極板上刻蝕凹槽可以有效減小阻尼，在對凹槽的具體結構做了理論分析和仿真驗證之后，繼續優化了凹槽的間距、形狀等結構，所設計的微加速度計比傳統的具有更低的壓膜阻尼、更好的抗噪聲性能，更高的品質因數，從而優化了微加速度計的綜合性能。

技術領域

本發明涉及一種微機械電容式加速度傳感器，具體一種新型梳齒電極板微加速度計及其制作方法，屬于微電子技術領域。

背景技術

MEMS 加速度傳感器有許多種分類方法。通常根據采用敏感信號的不同，將加速度傳感器分為：壓阻式、電容式、壓電式、隧道電流式和諧振式。其中電容式加速度傳感器是利用被測物理量轉換成電容的變化進行測試的，是使用最為廣泛的測量方式之一。它的檢測原理基于平行極板電容，當外部給予壓力、加速度、流量等變化量時，平行板的可動部分會根據外界作用力發生相應的變化，板間距或者正對面積就會隨之發生變化，因此電容也發生變化。只需要測得電容的變化量，就能夠反推出外部作用力的具體值。電容式加速度計又分為幾種類型，如懸臂梁式硅微加速度傳感器，這種結構精度高、密閉性好，但是加工難度較大。本文所設計的電容式加速度計為梳齒式結構，其典型代表為美國 AD 公司的 ADXL系列，這種加速度傳感器特點明顯：既有開環控制又有閉環控制，梳齒式結構加工工藝與集成電路加工工藝兼容性非常好，還可以輕松實現單片集成。

MEMS加速度計的加工工藝不僅包括IC電路加工工藝，同時也使用了微加工工藝。目前主流的 MEMS 加工工藝有硅微機械加工工藝，其又分成表面加工技術和體加工技術，體微加工技術又包括干法刻蝕和濕法刻蝕兩種。除此之外，還有LIGA加工工藝，SOI工藝技術等。

為了得到精度更高、性能更好的微加速度計，壓膜阻尼和滑膜阻尼是兩個重要的優化參數，高阻尼帶來熱損耗和噪聲，影響器件性能；對于變間距式電容器，主要噪聲來源是壓膜阻尼。壓膜阻尼可以通過減小空氣阻尼的方法，從而減小機械噪聲。對于減小空氣阻尼，現有理論已經證明對極板刻蝕凹槽是一種有效的方法，因為刻蝕凹槽在結構上增大了極板間距，從而減少了阻尼；但是具體的間距，刻蝕的凹槽理想結構等目前是少有深入研究的。根據最近的研究理論和提出的新模型，凹槽的不同結構又對減小壓膜阻尼有著不同的影響，因此可以優化凹槽的結構，形狀，周長等，進一步達到減小空氣阻尼的效果。

發明內容

本發明的目的就是針對現有技術的不足、來進一步的減少加速度計的壓膜阻尼以及機械噪聲，從而提高傳感器性能。在壓膜空氣阻尼新模型的研究基礎上，提供一種具有減少壓膜阻尼，提高傳感器性能的加速度計，改進了梳齒電極板結構，同時提供該加速度計的制作方法。該加速度計制作完成后，能具有更小的壓膜阻尼，更好的抗噪聲表現和更高的靈敏度以及更高品質因數。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案。

一種新型梳齒電極板微加速度計，結構包括質量塊、U型梁、錨點、柵形電極板、驅動器錨點，驅動器U型梁、驅動器塊、驅動器電極板，還有底部的電極層、襯底和掩膜層。所述的質量塊，U型梁和錨點，以及中間部分的柵形電極，它們共同組成了傳感器的可動敏感質量塊部分；每條柵形條與下面電極層中的每對叉指互相對應；可動敏感質量塊兩側的上下兩端引伸出電極板，一共有4部分，分別與固定的驅動器電極板構成了梳齒電容結構；刻蝕的凹槽結構就位于固定極板上。在每個驅動器塊中間，留有一定的空間給防吸合阻擋塊。防吸合阻擋塊與周圍的間距應小于極板間距，目的是在正對極板吸合前就‘抵住’固定塊，防止吸合的情況發生。每個驅動器都設有錨點和U型彈性梁結構，錨點和U型梁也與底部電極層連接。錨點可以起到支撐作用，還設置有多個外部驅動電流引入點，并在對應外部驅動電流引入焊點間設置有金屬驅動導線，用于連接外部電路。