專利名稱：嵌入橫向可動電極的微慣性傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于微電子機械技術領域，涉及一種微慣性傳感器，具體涉及一種含雙柵 形振子對且振子上嵌入了橫向可動電極的高分辨率微慣性傳感器。
背景技術：
最近十幾年來，用微機械技術制作的加速度計得到了迅速的發(fā)展。其主要的加速 度檢測技術有壓阻檢測、壓電檢測、熱檢測、共振檢測、電磁檢測、光檢測、隧道電流檢測和 電容檢測等。此外，還有一些基于這些檢測技術的加速度計，如光加速度計、電磁加速度計、 電容加速度計等。光加速度計的發(fā)展主要是為了結合光和微機械的優(yōu)點，制作高電磁屏蔽 或者好線性度的傳感器。在這些傳感器中，電容式加速度傳感器，由于具有溫度系數(shù)小，靈 敏度高，穩(wěn)定性好等優(yōu)點，是目前研制的最多的一類加速度傳感器。微機械電容式傳感器的 制作方法有表面微機械加工方法和體硅微機械加工方法。采用表面微機械加工工藝可以 和集成電路工藝兼容，從而集成傳感器的外圍電路，成本低，但是傳感器的噪聲大、穩(wěn)定性 差，量程和帶寬小。采用體硅微機械加工工藝可以提高傳感器芯片的質量，從而降低噪聲， 改善穩(wěn)定性，提高靈敏度。缺點是體積稍大，但可以制作出超高精度的微機械慣性傳感器。 為了得到較高的測量靈敏度和減小外圍電路的復雜性，可以通過增加傳感器振子的質量和 增大傳感器的靜態(tài)測試電容的方法，從而減小機械噪聲和電路噪聲。而對于用體硅工藝如 深反應粒子刻蝕(De印RIE)加工的梳齒狀的電容式傳感器，其極板電容的深寬比一般小于 27:1，這就限制了傳感器振子的質量增加和電容極板間距的減小。而對于小間距極板電容， 其壓膜空氣阻尼較大，增大了傳感器的機械噪聲。減小該機械噪聲可以通過在極板上刻蝕 阻尼條，或把電容改為變面積的方式，使阻尼表現(xiàn)為滑膜阻尼，而減小電路噪聲的方法之一 便是通過增大檢測電容。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種含雙柵形振子對且振子上嵌入了橫向可動電極的高 分辨率微慣性傳感器。嵌入橫向可動電極的微慣性傳感器包括第一基板及其上表面的檢測用交叉梳齒 狀固定對電極、固定于第一基板上的敏感器錨點、固定質量塊錨點、第二基板的懸于第一 基板上方的條形敏感器質量塊、將敏感器錨點和條形敏感器質量塊相連的U形敏感器支撐 梁、外側連接梳形可動電極的雙柵形振子對、將條形敏感器質量塊和雙柵形振子對相連的U 形敏感器連接梁、固定質量塊上的梳形固定電極、敏感器外部引出電極、電絕緣層、驅動導 線和驅動導線引出電極。所述的條形敏感器質量塊位于第二基板中心，條形敏感器質量塊由矩形塊和條形 敏感器質量塊矩形凸起組成，沿著條形敏感器質量塊的橫向中心線對稱設置有條形敏感器 質量塊矩形凸起。所述的雙柵形振子對包含兩個敏感器柵質量塊，敏感器柵質量塊分別位于條形敏感器質量塊的兩側，每個敏感器柵質量塊由縱向等間距、橫向平行的柵形電極、連接柵形電 極的邊框以及敏感器柵質量塊矩形凸起組成。敏感器柵質量塊的縱向長度和條形敏感器質 量塊的縱向長度相同；敏感器柵質量塊矩形凸起和條形敏感器質量塊矩形凸起相對，形成 電容調整間隙。每個敏感器柵質量塊和條形敏感器質量塊之間通過兩根U形敏感器連接梁 相連，該兩根U形敏感器連接梁沿著條形敏感器質量塊的橫向中心線對稱設置，該兩根U形 敏感器連接梁沿著條形敏感器質量塊的縱向中心線與位于條形敏感器質量塊另一側的另 兩根U形敏感器連接梁對稱設置。所述的每根U形敏感器連接梁始于敏感器柵質量塊的邊 框的一角，終于矩形塊的對應角，其U形底部靠近條形敏感器質量塊的橫向中心線。所述的梳形可動電極由η個等間距的梳形可動電極梳齒和連接梳形可動電極梳 齒的梳形可動電極矩形條組成，η ^ 1，梳形可動電極梳齒與梳形可動電極矩形條垂直設 置，梳形可動電極矩形條與敏感器柵質量塊側邊垂直設置。m條梳形可動電極平行設置組成 一組硅條組，m > 2。每個敏感器柵質量塊邊框外側分別對應設置兩組硅條組。敏感器柵質量塊邊框外側每組的梳形可動電極沿條形敏感器質量塊的橫向中心 線對稱設置；邊框兩側硅條組中的梳形可動電極沿條形敏感器質量塊的縱向中心線對稱設 置。所述的敏感器錨點沿條形敏感器質量塊的縱向中心線分別設置在條形敏感器質 量塊的兩端，并通過U形敏感器支撐梁與條形敏感器質量塊連接，敏感器外部引出電極設 置在敏感器錨點上。所述的固定質量塊包括固定質量塊錨點和m條梳形固定電極，所述的固定質量塊 錨點將固定質量塊固定于第一基板上，每個固定質量塊與每組硅條組對應設置。所述的梳 形固定電極由η個等間距的梳形固定電極梳齒和連接η個梳形固定電極梳齒的梳形固定電 極矩形條組成。梳形固定電極和硅條組中的梳形可動電極位置相對，梳形固定電極梳齒與 梳形可動電極梳齒對應交叉設置。所述的驅動導線共有兩根，分別縱向設置于相應的敏感器柵質量塊的內側邊框 上，每根驅動導線的一端通過沿對應的U形敏感器連接梁、矩形塊邊角端和U形敏感器支撐 梁上所鋪設的金屬導線與對應的驅動導線引出電極連接。在驅動導線、金屬導線、矩形塊邊 角端和敏感器柵質量塊上的金屬連接線、驅動導線引出電極組成的金屬層與敏感器柵質量 塊對應部分之間設置有電絕緣層。所述的電容調整間隙比對應梳形可動電極和梳形固定電極上的對應梳齒間的橫 向間距小一微米以上。所述的檢測用交叉梳齒狀固定對電極有兩組，每一組分別由相對交叉的梳齒電極 和引出電極組成，各相鄰梳齒電極間的間隙不小于一微米，交叉的梳齒電極對應組成梳齒 電極對。所述的柵形電極位于對應的梳齒電極對的正上方。本發(fā)明涉及的微慣性傳感器包含有可橫向移動的雙柵形振子對，可以設計傳感器 檢測電容的初始間距較大，從而解決深反應粒子刻蝕深寬比小于27:1對傳感器振子的質 量不能做厚的限制，而后通過磁場驅動敏感器柵質量塊，減小檢測電容間距，從而增大傳感 器的初始檢測電容以降低檢測電路噪聲，而傳感器做厚增大了振子質量，從而也降低了傳 感器的機械噪聲，而且含有兩個敏感器柵質量塊加倍增加了檢測電容。此外，通過改變敏感器支撐梁和質量塊的尺寸還可以改變傳感器的量程和響應特性。同時，本發(fā)明涉及的高精度微慣性傳感器結構新穎，分辨率和靈敏度高，制作工藝 簡單，有利于降低成本和提高成品率，是一種可以實際應用的微慣性傳感器。


圖1 (a)為本發(fā)明的第一基板及其上的檢測用交叉梳齒狀固定對電極示意圖； 圖1 (b)為圖1 (a)中沿A-A'向的器件結構的分解斷面圖2 (a)為本發(fā)明的在第二基板上的結構示意圖； 圖2 (b)為圖2 (a)中沿B-B'向的器件結構的分解斷面圖； 圖3為圖1 (b)和圖2 (b)的斷面圖組合； 圖4為本發(fā)明的一對梳形可動電極和梳形固定電極的放大圖。
具體實施例方式以下結合實施例和附圖對本發(fā)明進一步說明，但本發(fā)明決非僅限于所介紹的實施 例。參考圖1 (a)、圖1 (b)、圖2 (a)、圖2 (b)、圖3和圖4，在第一基板1上形成兩組 中心對稱的檢測用交叉梳齒狀固定對電極，對應固定質量塊間的連接耦合電極2，以及連接 耦合電極2與引出電極4之間的連接線，檢測用交叉梳齒狀固定對電極由沿橫向相對交叉 的梳齒電極3和引出電極組成；在第二基板上形成固定于第一基板1上的敏感器錨點13、 第二基板的懸于第一基板1上方條形敏感器質量塊25、將敏感器錨點13和條形敏感器質 量塊25相連的兩根U形敏感器支撐梁9、組成雙柵形振子對的兩個敏感器柵質量塊20、將 敏感器柵質量塊和條形敏感器質量塊相連的U形敏感器連接梁17、固定質量塊6上的梳形 固定電極、敏感器外部引出電極12、金屬層四下的電絕緣層28、電絕緣層上的驅動導線27 和驅動導線右側引出電極14。如圖2 (a)、2 (b)、圖3和圖4所示，形成對應梳形可動電極梳 齒15和梳形固定電極梳齒7間的橫向間距，第一基板1與敏感器柵質量塊20之間的間 隙32，如圖3中的G1所示；形成敏感器柵質量塊與第一基板上的檢測用交叉梳齒狀固定對 電極之間的間隙30 ；梳齒電極對內的兩個梳齒電極之間的間隙31，每個梳齒電極對內的間 隙相同。對應的一個梳形可動電極和一個梳形固定電極組成一對梳齒電容對，形成相鄰梳 齒電容對的縱向間距，其值不小于三十微米。結合圖1 (a)、圖1 (b)、圖2 (a)、圖2 (b)、圖3和圖4，對本發(fā)明的結構進行說明。參考圖2 (a) ,2(b),條形敏感器質量塊位于第二基板中心，條形敏感器質量塊由矩 形塊23和條形敏感器質量塊矩形凸起21組成，沿著條形敏感器質量塊的橫向中心線對稱 設置有條形敏感器質量塊矩形凸起。參考圖2 (a) ,2(b),雙柵形振子對包含兩個敏感器柵質量塊20，敏感器柵質量塊 分別位于條形敏感器質量塊的兩側，每個敏感器柵質量塊由縱向等間距、橫向平行的柵形 電極26、連接柵形電極的邊框M以及敏感器柵質量塊矩形凸起22組成，敏感器柵質量塊的 縱向長度和條形敏感器質量塊的縱向長度相同；敏感器柵質量塊矩形凸起和條形敏感器質 量塊矩形凸起相對，形成電容調整間隙18。每個敏感器柵質量塊和條形敏感器質量塊之間通過兩根U形敏感器連接梁17相連，該兩根U形敏感器連接梁沿著條形敏感器質量塊的橫 向中心線對稱設置，該兩根U形敏感器連接梁沿著條形敏感器質量塊的縱向中心線與位于 條形敏感器質量塊另一側的另兩根U形敏感器連接梁對稱設置。每根U形敏感器連接梁始 于敏感器柵質量塊的邊框M的一角，終于矩形塊的對應角，其U形底部靠近條形敏感器質 量塊的橫向中心線。參考圖2(a)、2(b)，梳形可動電極由六個等間距的梳形可動電極梳齒15和連接梳 形可動電極梳齒的梳形可動電極矩形條16組成，梳形可動電極梳齒與梳形可動電極矩形 條垂直設置，梳形可動電極矩形條與敏感器柵質量塊側邊垂直設置。三條梳形可動電極平 行設置組成一組硅條組。每個敏感器柵質量塊邊框外側分別對應設置兩組硅條組。參考圖2(a)、2(b)，敏感器柵質量塊邊框外側每組的梳形可動電極沿條形敏感器 質量塊的橫向中心線對稱設置；邊框兩側硅條組中的梳形可動電極沿條形敏感器質量塊的 縱向中心線對稱設置。參考圖2(a)、2(b)，敏感器錨點沿條形敏感器質量塊的縱向中心線分別設置在條 形敏感器質量塊的兩端，并通過U形敏感器支撐梁與條形敏感器質量塊連接，敏感器外部 引出電極12設置在一個敏感器錨點上。參考圖2(a) ,2(b)，固定質量塊6包括固定質量塊錨點和三條梳形固定電極，固定 質量塊錨點將固定質量塊固定于第一基板上，每個固定質量塊與每組硅條組對應設置。梳 形固定電極由六個等間距的梳形固定電極梳齒7和連接六個梳形固定電極梳齒的梳形固 定電極矩形條8組成。梳形固定電極和硅條組中的梳形可動電極位置相對，梳形固定電極 梳齒與梳形可動電極梳齒對應交叉設置，梳形固定電極梳齒和梳形可動電極梳齒形成間隙 19。參考圖2(a)、圖2(b)、圖3，驅動導線27共有兩根，分別縱向設置于相應的敏感器 柵質量塊的內側邊框上，每根驅動導線的一端通過沿對應的U形敏感器連接梁、矩形塊邊 角端和U形敏感器支撐梁上所鋪設的金屬導線10與對應的驅動導線引出電極連接。在驅 動導線、金屬導線、矩形塊邊角端和敏感器柵質量塊上的金屬連接線、驅動導線引出電極組 成的金屬層四與敏感器柵質量塊對應部分之間設置有電絕緣層。參考圖2 (a)和圖4，電容調整間隙比對應梳形固定電極梳齒和梳形可動電極梳齒 形成間隙的橫向間距(^4小一微米以上，傳感器電容的起始檢測間距是電容調整間隙與橫向 間距(^4之間的差值。參考圖1(a)、圖1(b)，檢測用交叉梳齒狀固定對電極有兩組，每一組分別由沿橫 向相對交叉的梳齒電極3和引出電極4組成，交叉的梳齒電極對應組成梳齒電極對5。參考圖3，兩個柵形電極分別對應位于兩個梳齒電極對內兩個梳齒電極之間的間 隙31的正上方。結合圖1 (a)、圖1 (b)、圖2 (a)、圖2 (b)、圖3和圖4，形成的敏感器柵質量塊上 柵形電極的厚度小于第二基板厚度。為了更明確的描述檢測電容的各個間距，結合圖3和圖4進一步描述，梳齒電極 對兩側之間的距離如圖3中的箭頭所示，用表示，其值大于柵形電極的寬度；敏感器柵質 量塊上的梳形可動電極梳齒15與固定質量塊6上的梳形固定電極梳齒7之間的間隙用 表示，如圖4中的相應箭頭所示，取值范圍為十微米到五十微米；敏感器柵質量塊上的梳形可動電極梳齒與固定質量塊上的梳形固定電極梳齒之間的疊加的縱向尺寸，如圖4中的相 應箭頭所示，用&表示，其值不小于一微米；每對梳齒電容對中的梳形可動電極梳齒與對應 的梳形固定電極矩形條之間的間距，如圖4中的相應箭頭所示，用( 表示，其值不小于十微 米。每個柵形電極的下表面和對應的檢測用交叉梳齒狀固定對電極之間的間隙30大于四 微米，不大于柵形電極的寬度；柵形電極的寬度大于間隙31。條形敏感器質量塊矩形凸起21和敏感器柵質量塊矩形凸起22之間的電容調整間 隙18用dl表示，梳形固定電極梳齒7和梳形可動電極梳齒15形成間隙19用&表示，且 G4=(dl+x), ( χ為傳感器靜態(tài)初始電容間距，χ>1，單位微米)。把位于條形敏感器質量 塊左側的驅動導線，用外部金絲球焊技術，用金線把驅動導線左側引出電極11分別連接到 封裝管殼引腳上，并接入恒流源。把位于條形敏感器質量塊右側的驅動導線，用外部金絲球 焊技術，用金線把驅動導線右側引出電極14分別連接到封裝管殼引腳上，并接入和左側的 驅動導線相反相位的恒流源。敏感器外部引出電極連接到封裝管殼引腳，并連接到地，引出 電極4分別連接到封裝管殼引腳，并分別用Vl和V2表示，在用微機械工藝加工傳感器時， G4, dl可以設置較大值，加工出較厚的傳感器質量塊，因而質量塊質量較大。在傳感器結 構正上方的封裝管殼帽內設置合適方向的勻強磁場，使在兩根金屬驅動導線上產生的安培 力的方向均指向條形敏感器質量塊的縱向中心線，并與條形敏感器質量塊的縱向中心線垂 直。兩根驅動導線上的安培力使條形敏感器質量塊矩形凸起21和敏感器柵質量塊矩形凸 起22之間的電容調整間隙18減小至零，此時，測試傳感器靜態(tài)初始電容間距為64-(11，由于 電容的間距大大減小，從而傳感器的初始檢測電容大大增加。再在VI、V2端分別加電載波 信號，可動質量塊通過錨點連接至地。當敏感方向上有加速度信號時，由于慣性力的作用， 產生位移，從而引起敏感器柵質量塊20上的柵形電極沈和檢測用交叉梳齒狀固定對電極 的梳齒電極對5組成的差分電容的疊加面積變化以及對應梳形固定電極梳齒7和梳形可動 電極梳齒15對應組成的差分電容的疊加面積變化，進而引起電容較大的變化，該變化電容 和外部慣性信號的大小成線性關系，通過檢測電容變化便可以得到敏感方向上加速度的大 小，而且由于傳感器結構設計的特點，檢測電容為差分變化，這增大了傳感器的線性范圍和量程。本發(fā)明涉及的高精度微慣性傳感器，由于可用安培力驅動驅動導線導致梳齒電容 間距減小，從而在不增加橫向尺寸的情況下增大了振子質量和檢測電容，且雙柵形振子對 含有兩個敏感器柵質量塊加倍增加了檢測電容，這些因素使傳感器的機械噪聲和電路噪聲 大大減小，從而使傳感器可以達到很高的精度，同時本發(fā)明采用微機械技術制作，工藝簡 單，有利于提高成品率和降低制造成本。
權利要求
1.嵌入橫向可動電極的微慣性傳感器，包括第一基板及其上表面的檢測用交叉梳齒狀 固定對電極、固定于第一基板上的敏感器錨點、固定質量塊錨點、第二基板的懸于第一基板 上方的條形敏感器質量塊、將敏感器錨點和條形敏感器質量塊相連的U形敏感器支撐梁、 外側連接梳形可動電極的雙柵形振子對、將條形敏感器質量塊和雙柵形振子對相連的U形 敏感器連接梁、固定質量塊上的梳形固定電極、敏感器外部引出電極、電絕緣層、驅動導線 和驅動導線引出電極，其特征在于所述的條形敏感器質量塊位于第二基板中心，條形敏感器質量塊由矩形塊和條形敏感 器質量塊矩形凸起組成，沿著條形敏感器質量塊的橫向中心線對稱設置有條形敏感器質量 塊矩形凸起；所述的雙柵形振子對包含兩個敏感器柵質量塊，敏感器柵質量塊分別位于條形敏感器 質量塊的兩側，每個敏感器柵質量塊由縱向等間距、橫向平行的柵形電極、連接柵形電極的 邊框以及敏感器柵質量塊矩形凸起組成；敏感器柵質量塊的縱向長度和條形敏感器質量塊 的縱向長度相同；敏感器柵質量塊矩形凸起和條形敏感器質量塊矩形凸起相對，形成電容 調整間隙；每個敏感器柵質量塊和條形敏感器質量塊之間通過兩根U形敏感器連接梁相 連，該兩根U形敏感器連接梁沿著條形敏感器質量塊的橫向中心線對稱設置，該兩根U形敏 感器連接梁沿著條形敏感器質量塊的縱向中心線與位于條形敏感器質量塊另一側的另兩 根U形敏感器連接梁對稱設置；所述的每根U形敏感器連接梁始于敏感器柵質量塊的邊框 的一角，終于矩形塊的對應角，其U形底部靠近條形敏感器質量塊的橫向中心線；所述的梳形可動電極由η個等間距的梳形可動電極梳齒和連接梳形可動電極梳齒的 梳形可動電極矩形條組成，η ^ 1，梳形可動電極梳齒與梳形可動電極矩形條垂直設置，梳 形可動電極矩形條與敏感器柵質量塊側邊垂直設置；m條梳形可動電極平行設置組成一組 硅條組，m ^ 2 ；每個敏感器柵質量塊邊框外側分別對應設置兩組硅條組；敏感器柵質量塊邊框外側每組的梳形可動電極沿條形敏感器質量塊的橫向中心線對 稱設置；邊框兩側硅條組中的梳形可動電極沿條形敏感器質量塊的縱向中心線對稱設置；所述的敏感器錨點沿條形敏感器質量塊的縱向中心線分別設置在條形敏感器質量塊 的兩端，并通過U形敏感器支撐梁與條形敏感器質量塊連接，敏感器外部引出電極設置在 敏感器錨點上；所述的固定質量塊包括固定質量塊錨點和m條梳形固定電極，所述的固定質量塊錨點 將固定質量塊固定于第一基板上，每個固定質量塊與每組硅條組對應設置；所述的梳形固 定電極由η個等間距的梳形固定電極梳齒和連接η個梳形固定電極梳齒的梳形固定電極矩 形條組成；梳形固定電極和硅條組中的梳形可動電極位置相對，梳形固定電極梳齒與梳形 可動電極梳齒對應交叉設置；所述的驅動導線共有兩根，分別縱向設置于相應的敏感器柵質量塊的內側邊框上，每 根驅動導線的一端通過沿對應的U形敏感器連接梁、矩形塊邊角端和U形敏感器支撐梁上 所鋪設的金屬導線與對應的驅動導線引出電極連接；在驅動導線、金屬導線、矩形塊邊角端 和敏感器柵質量塊上的金屬連接線、驅動導線引出電極組成的金屬層與敏感器柵質量塊對 應部分之間設置有電絕緣層；所述的電容調整間隙比對應梳形可動電極和梳形固定電極上的對應梳齒間的橫向間 距小一微米以上；所述的檢測用交叉梳齒狀固定對電極有兩組，每一組分別由相對交叉的梳齒電極和引 出電極組成，各相鄰梳齒電極間的間隙大于等于一微米，交叉的梳齒電極對應組成梳齒電 極對；所述的柵形電極位于對應的梳齒電極對的正上方。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種嵌入橫向可動電極的微慣性傳感器。現(xiàn)有的傳感器的噪聲大、穩(wěn)定性差，量程和帶寬小。本發(fā)明包括第一基板及其上表面的檢測用交叉梳齒狀固定對電極、固定于第一基板上的敏感器錨點、固定質量塊錨點、第二基板的懸于第一基板上方的條形敏感器質量塊、將敏感器錨點和條形敏感器質量塊相連的U形敏感器支撐梁、外側連接梳形可動電極的雙柵形振子對、將條形敏感器質量塊和雙柵形振子對相連的U形敏感器連接梁、固定質量塊上的梳形固定電極、敏感器外部引出電極、電絕緣層、驅動導線和驅動導線引出電極。本發(fā)明的微慣性傳感器結構新穎，分辨率和靈敏度高。
文檔編號B81B7/02GK102101637SQ201110030680
公開日2011年6月22日 申請日期2011年1月28日 優(yōu)先權日2011年1月28日
發(fā)明者王曉迪, 董林璽 申請人:杭州電子科技大學