[發明專利]一種螺旋梁結構MEMS電容式加速度傳感器及制作方法

在審

• 申請號: 202011397680.7
• 申請日: 2020-12-04
• 公開（公告）號: CN112462092A
• 公開（公告）日: 2021-03-09
• 發明（設計）人: 張曉桐;張松;董自強;王大宇
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第五十四研究所
• 主分類號: G01P15/125
• 分類號: G01P15/125;B81B7/02;B81C1/00;B81C3/00
• 代理公司: 河北東尚律師事務所 13124
• 代理人: 王文慶

本發明公開了一種螺旋梁結構MEMS電容式加速度傳感器及制作方法，屬于微機電系統技術領域。其包括上級板層、上級板電極引出點、上級板防撞框架、上級板鍵合環、上級板金環、上級板防撞凸點組、質量層、質量層電極引出點、質量層上鍵合環、質量層上懸臂圓環梁組、質量塊、質量層下懸臂圓環梁組、質量層下鍵合環、下級板層、下級板電極引出點、下級板防撞框架、下級板鍵合環、下級板金環、下級板防撞凸點組。本發明工作頻率可調，具有有效面積大、可靠性高、易制作、靈敏度高、成本低的優點，可用于不同環境的加速度信號拾取。

技術領域

本發明屬于微機電系統技術領域，特別涉及一種螺旋梁結構MEMS電容式加速度傳感器及制作方法。

技術背景

MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微機電系統)加速度傳感器是一種重要的慣性器件，其能夠將外界加速度這一物理信號轉變成便于測量的電信號，在航空、航天、汽車等領域有著廣泛的應用。按檢測原理，微機電加速度傳感器可分為壓阻式、壓電式和電容式等形式。

電容式加速度傳感器是一種將被測的加速度信號轉換為電容器的電容量變化的傳感器。實現這種功能的方式通常有變間隙式和變面積式兩種。傳感器的可動質量塊構成了可變電容的一個可動電極，當質量塊受加速度作用而產生位移時，由可動電極和固定電極構成的兩個差分電容的間隙或相對面積發生變化，導致兩個差分電容的電容量發生變化，將這種變化量用外圍電路檢測出來就可測量加速度的大小。

2015年中國科學院地質與地球物理研究所的矣雷陽等人提出了“一種用于地震檢波器的新型MEMS加速度傳感器”(文獻1)。其中，懸臂梁一端固定于質量塊其中一邊的中間，另一端固定于質量塊固定邊的鄰邊框架，斜拉小梁固定于質量塊固定邊的另一角，懸臂梁為質量塊提供彈性剛度，斜拉小梁分散沖擊應力。

這種結構在抗沖擊能力方面有所提升，但是又存在如下問題：

1)采用斜拉小梁結構，制備難度較大，可靠性降低。

2)硅硅鍵合溫度高，造成懸臂梁變形失效。

2011年北京大學的Qifang Hu在發表的“Low cross-axis sensitivity micro-gravity microelectromechanical system sandwich capacitance accelerometer”(文獻2)一文中，提出了一種高靈敏度MEMS電容式加速度傳感器。其中，上玻璃板下表面濺射一層金層作為上極板，雙面SOI硅片上下表面各濺射一層金層作為質量塊層極板，下玻璃板上表面濺射一層金層作為下極板，8個懸臂梁為質量塊運動提供彈性剛度。

這種結構可以獲得高靈敏度，但是又存在如下問題：

1)質量層采用D-SOI硅片制作，成本較高。

2)SiO₂材料不導電，各層電極引出方法較為復雜。

3)采用SiO₂和Au材料制作上下極板，寄生電容較大。

發明內容

本發明的目的在于克服上述現有技術的不足，提供一種螺旋梁結構MEMS電容式加速度傳感器及制作方法，該傳感器具有電容正對面積大、靈敏度高、制備難度低、芯片成本低等優點。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案為：