專利名稱：一種基于滑膜阻尼的大電容微慣性傳感器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子機械技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種微慣性傳感器，具體涉及一種基于滑
膜阻尼的大電容微慣性傳感器及其制作方法。
背景技術(shù)：
最近十幾年來，用微機械技術(shù)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(shù)有壓阻檢領(lǐng)U、壓電檢領(lǐng)U、熱檢領(lǐng)U、共振檢領(lǐng)U、電磁檢領(lǐng)U、光檢領(lǐng)U、隧道電流檢測和 電容檢測等。此外，還有一些基于別的檢測技術(shù)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(jié)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，是目前研制得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(zhì)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(fù)雜性，可以通過增加傳感器振子的質(zhì)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(yīng)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 30 : l，這就限制了傳感器振子的質(zhì)量增加和極板間距的減小。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。減小該機械噪聲的方法一是可以通過在極 板上刻蝕阻尼條，二是把電容改為變面積的方式，使阻尼表現(xiàn)為滑膜阻尼，而減小電子噪聲 的方法之一便是通過增大檢測電容。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于滑膜阻尼的大電容微慣性傳感器及其制作方法， 以制作工藝簡單、靈敏度高、噪聲小的電容式微慣性傳感器。 本發(fā)明提供的電容式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、驅(qū)動器外部錨點、驅(qū)動器內(nèi)部錨點、固定 于第一基板上的矩形孤島、第二基板的懸于第一基板上方的可沿縱向運動的敏感器質(zhì)量 塊、將敏感器錨點和敏感器質(zhì)量塊相連的U形敏感器支撐梁、可沿橫向運動的驅(qū)動器質(zhì)量 塊、將驅(qū)動器外部錨點與驅(qū)動器質(zhì)量塊相連的驅(qū)動器第一折疊梁、將驅(qū)動器內(nèi)部錨點與驅(qū) 動器質(zhì)量塊相連的驅(qū)動器第二折疊梁、第二折疊梁上的電絕緣層、電絕緣層上的驅(qū)動導(dǎo)線 和驅(qū)動導(dǎo)線引出電極。 所述的敏感器質(zhì)量塊是由縱向等間距、橫向平行的柵形電極、連接?xùn)判坞姌O的矩 形邊框和邊框兩側(cè)設(shè)置的梳形可動電極組成。 所述的梳形可動電極由n個等間距的梳齒和連接梳齒的矩形條組成，n > l，梳齒與矩形條垂直設(shè)置；梳形可動電極在邊框的每一側(cè)分別對應(yīng)組成兩組硅條組，每組硅條組 分別對應(yīng)設(shè)置在邊框的相應(yīng)處，每組硅條組包括平行設(shè)置的m條梳形可動電極，m > 2，連接 梳齒的矩形條與敏感器質(zhì)量塊側(cè)邊垂直。邊框每側(cè)一組的梳形可動電極沿敏感器質(zhì)量塊的 橫向中心線與同側(cè)的另一組的對應(yīng)梳形可動電極對稱設(shè)置；邊框一側(cè)的一組硅條組與另一 側(cè)對應(yīng)的硅條組沿敏感器質(zhì)量塊的縱向中心線對稱設(shè)置。 所述的敏感器錨點沿敏感器質(zhì)量塊的縱向中心線分別設(shè)置在敏感器質(zhì)量塊的兩 端，并通過敏感器支撐梁與敏感器質(zhì)量塊連接。 所述的驅(qū)動器質(zhì)量塊與每組硅條組一一對應(yīng)設(shè)置，驅(qū)動器質(zhì)量塊的與硅條組的對
應(yīng)一側(cè)設(shè)置有m條和梳形可動電極形狀相同的梳形固定電極，梳形可動電極和梳形固定電
極的位置對應(yīng)設(shè)置，梳形固定電極的梳齒與梳形可動電極的梳齒對應(yīng)交叉設(shè)置。 所述的驅(qū)動器第一折疊梁設(shè)置在驅(qū)動器質(zhì)量塊的遠離敏感器質(zhì)量塊的一側(cè)，每個
驅(qū)動器質(zhì)量塊有兩根第一折疊梁，其中一根驅(qū)動器第一折疊梁始于驅(qū)動器質(zhì)量塊的遠離敏
感器質(zhì)量塊的一側(cè)一角，終于對應(yīng)的驅(qū)動器外部錨點，另一根第一折疊梁沿驅(qū)動器質(zhì)量塊
的橫向中心線與其對稱設(shè)置； 所述的驅(qū)動器質(zhì)量塊和梳形可動電極的對應(yīng)側(cè)的內(nèi)部設(shè)置有矩形孔； 所述的矩形孤島、驅(qū)動器內(nèi)部錨點和驅(qū)動器質(zhì)量塊相連接的驅(qū)動器第二折疊梁設(shè)
置在矩形孔內(nèi)；驅(qū)動器第二折疊梁設(shè)置在靠近敏感器質(zhì)量塊一側(cè)，每個驅(qū)動器質(zhì)量塊有兩
根驅(qū)動器第二折疊梁，其中一根驅(qū)動器第二折疊梁始于矩形孔內(nèi)側(cè)對應(yīng)一角，終于對應(yīng)的
驅(qū)動器內(nèi)部錨點，另一根驅(qū)動器第二折疊梁沿驅(qū)動器質(zhì)量塊的橫向中心線與其對稱設(shè)置。
矩形孤島設(shè)置在遠離敏感器質(zhì)量塊一側(cè)； 所述的驅(qū)動器質(zhì)量塊上的驅(qū)動導(dǎo)線縱向設(shè)置于梳形固定電極和驅(qū)動器第二折疊 梁之間，驅(qū)動導(dǎo)線通過驅(qū)動器第二折疊梁上的金屬導(dǎo)線與驅(qū)動導(dǎo)線引出電極連接，在驅(qū)動 導(dǎo)線、金屬導(dǎo)線、驅(qū)動導(dǎo)線引出電極組成的金屬層和驅(qū)動器質(zhì)量塊之間設(shè)置有電絕緣層。
所述的矩形孤島和驅(qū)動器質(zhì)量塊之間在驅(qū)動器外部錨點一側(cè)的橫向間距比梳形 可動電極和梳形固定電極上的對應(yīng)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由沿橫向相對交叉的多根梳齒電極組成，固 定引線電極位于固定對電極的兩側(cè)，并與固定對電極連通；硅條組連接線和對應(yīng)的固定引 線電極連接。交叉的梳齒電極對應(yīng)組成梳齒電極對，梳齒電極對中的兩個梳齒電極間的間 隙不小于一微米。 所述的柵形電極位于對應(yīng)的梳齒電極對的正上方。
制作該微慣性傳感器的具體步驟是 (1)在第一基板的上表面形成檢測用交叉梳齒狀固定對電極及固定引線電極； (2)在第二基板的上表面形成電絕緣層； (3)在第二基板的下表面形成懸浮區(qū)； (4)在第二基板的下表面的所述懸浮區(qū)形成懸浮間距； (5)將所述第一基板的上表面與所述第二基板的下表面相向鍵合，所述檢測用交 叉梳齒狀固定對電極和懸浮區(qū)互相對準(zhǔn)，形成柵形電極下表面與檢測用交叉梳齒狀固定對 電極的上表面的間隙； (6)刻蝕所述第二基板上的絕緣層，形成驅(qū)動器內(nèi)部錨點和驅(qū)動器質(zhì)量塊相連接的驅(qū)動器第二折疊梁和驅(qū)動導(dǎo)線、金屬導(dǎo)線、驅(qū)動導(dǎo)線引出電極組成的金屬層之間的電絕 緣層； (7)在所述驅(qū)動器內(nèi)部錨點和驅(qū)動器質(zhì)量塊相連接的驅(qū)動器第二折疊梁和第二基 板間的電絕緣層上形成驅(qū)動導(dǎo)線、金屬線和驅(qū)動導(dǎo)線引出電極； (8)刻蝕所述第二基板，形成懸于第一基板上方的四個驅(qū)動器質(zhì)量塊、懸于第一基 板上方的敏感器質(zhì)量塊、固定于第一基板上的敏感器錨點、驅(qū)動器外部錨點、驅(qū)動器內(nèi)部錨 點、矩形孤島、驅(qū)動器外部錨點和驅(qū)動器質(zhì)量塊相連接的驅(qū)動器第一折疊梁、驅(qū)動器內(nèi)部錨 點和驅(qū)動器質(zhì)量塊相連接的驅(qū)動器第二折疊梁、敏感器錨點和敏感器質(zhì)量塊相連接的敏感 器支撐梁。 綜上所述，根據(jù)本發(fā)明方法實現(xiàn)由第一基板上及其上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、驅(qū)動器外部錨點和驅(qū)動器內(nèi)部錨點、固定于第一基 板上矩形孤島、懸于第一基板上方的可沿縱向運動的敏感器質(zhì)量塊、敏感器錨點和敏感器 質(zhì)量塊相連接的敏感器支撐梁、可沿橫向運動的驅(qū)動器質(zhì)量塊、驅(qū)動器外部錨點和驅(qū)動器 質(zhì)量塊相連接的驅(qū)動器第一折疊梁、驅(qū)動器內(nèi)部錨點和驅(qū)動器質(zhì)量塊相連接的驅(qū)動器第二 折疊梁、第二折疊梁上的電絕緣層及其上的驅(qū)動導(dǎo)線和驅(qū)動導(dǎo)線引出電極組成的微慣性傳 感器。第二基板上形成的柵形電極與第一基板上的梳齒電極對互相對準(zhǔn)。柵形電極的下表 面與第一基板上的交叉梳齒狀固定對電極之間起主要作用的是滑膜阻尼。梳形可動電極 和梳形固定電極上的對應(yīng)梳齒之間起主要作用的也是滑膜阻尼，滑膜阻尼要遠小于壓模阻 尼，因而微傳感器的機械噪聲得到改善。 本發(fā)明涉及的微慣性傳感器包含有微驅(qū)動器，可以使傳感器檢測電容的初始設(shè)計
間距較大，從而解決深反應(yīng)粒子刻蝕深寬比小于30 : l對傳感器振子的質(zhì)量不能做厚的限
制，而后通過磁場驅(qū)動的驅(qū)動器，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(zhì)量，從而也降低了傳感器的機械噪聲。另外，
通過改變支撐梁和質(zhì)量塊的尺寸還可以改變傳感器的量程和響應(yīng)特性。 同時，本發(fā)明涉及的高精度微慣性傳感器結(jié)構(gòu)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(yīng)用的微慣性傳感器。


圖1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2為本發(fā)明的在第二基板上的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為圖2沿B-B'的器件結(jié)構(gòu)的分解斷面圖； 圖4為圖1沿A-A'的器件結(jié)構(gòu)的分解斷面圖； 圖5為圖3和圖4的組合圖； 圖6為本發(fā)明的一對梳柵可動電極和梳齒固定電極的放大圖； 圖7為本發(fā)明的制作工藝流程斷面圖。
具體實施例方式
以下結(jié)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。
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本發(fā)明的實施例涉及一種電容式微慣性傳感器，如圖1所示，第一基板1上形成檢 測用交叉梳齒狀固定對電極，固定引線電極3a，連接對應(yīng)兩組硅條組的硅條組連接線3b， 固定對電極由十根橫向交叉設(shè)置的梳齒電極2組成，合計五對梳齒電極對；固定對電極的 兩側(cè)對稱設(shè)置固定引線電極，橫向設(shè)置的硅條組連接線和固定引線電極連通。
如圖2所示，在第二基板上形成固定于第一基板1的敏感器錨點11、驅(qū)動器外部 錨點6、驅(qū)動器內(nèi)部錨點4、矩形孤島8 ;在第二基板上形成懸于第一基板1上方的可沿縱向 運動的敏感器質(zhì)量塊20、敏感器質(zhì)量塊20相連接的敏感器支撐梁10、可沿橫向運動的驅(qū)動 器質(zhì)量塊5、驅(qū)動器外部錨點6和驅(qū)動器質(zhì)量塊相連接的驅(qū)動器第一折疊梁9、驅(qū)動器內(nèi)部 錨點4和驅(qū)動器質(zhì)量塊5相連接的驅(qū)動器第二折疊梁13、驅(qū)動器第二折疊梁13上的電絕 緣層24及電絕緣層上的驅(qū)動導(dǎo)線14和驅(qū)動導(dǎo)線引出電極15 ;在第二基板上形成敏感器外 部連接焊點12 ;形成敏感器質(zhì)量20上的梳形可動電極梳齒16、連接梳形可動電極梳齒16 的矩形條18、驅(qū)動器質(zhì)量塊5上的梳形固定電極梳齒17、連接梳形固定電極梳齒17的矩形 條21 ;形成敏感器質(zhì)量塊20上的柵形電極19、連接?xùn)判坞姌O19的邊框22。形成敏感器質(zhì) 量塊20上的梳形可動電極梳齒16與驅(qū)動器質(zhì)量塊5上的梳形固定電極梳齒17之間的間 隙23，以及如5所示的第一基板1與敏感器質(zhì)量塊20之間的間隙26，形成敏感器質(zhì)量 塊20與第一基板1上的檢測用交叉梳齒狀固定對電極之間的間隙27、梳齒電極對內(nèi)的間隙 25，每個梳齒電極對內(nèi)的間隙相同。把對應(yīng)的一個梳形可動電極和一個梳形固定電極稱為 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(jié)合圖1至圖6，對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)進行說明。 敏感器質(zhì)量塊20是由縱向等間距、橫向平行的五個柵形電極19、連接?xùn)判坞姌O的 邊框22和邊框兩側(cè)設(shè)置的梳形可動電極組成。梳形可動電極由4個等間距的梳形可動電 極梳齒16和連接梳形可動電極梳齒16的矩形條18組成，梳形可動電極梳齒16與連接梳 形可動電極梳齒16的矩形條18垂直設(shè)置；梳形可動電極在邊框22的每一側(cè)分別對應(yīng)組成 兩組硅條組，每組硅條組分別對應(yīng)設(shè)置在邊框的相應(yīng)處，每組硅條組包括平行設(shè)置的三條 梳形可動電極，連接梳形可動電極梳齒16的矩形條18與敏感器質(zhì)量塊20的側(cè)邊垂直。邊 框每側(cè)一組的梳形可動電極沿敏感器質(zhì)量塊20的橫向中心線與同側(cè)的另一組的對應(yīng)梳形 可動電極對稱設(shè)置；邊框一側(cè)的一組硅條組與另一側(cè)對應(yīng)的硅條組沿敏感器質(zhì)量塊20的 縱向中心線對稱設(shè)置。敏感器錨點11沿敏感器質(zhì)量塊20的縱向中心線分別設(shè)置在敏感器 質(zhì)量塊20的兩端，并通過敏感器支撐梁10與敏感器質(zhì)量塊20連接。 驅(qū)動器質(zhì)量塊5與每組硅條組一一對應(yīng)設(shè)置，驅(qū)動器質(zhì)量塊5的與硅條組的對應(yīng) 一側(cè)設(shè)置有三條和梳形可動電極外形相同的梳形固定電極，梳形可動電極和梳形固定電極 的位置對應(yīng)設(shè)置，每條梳形可動電極的四個梳形固定電極梳齒17與對應(yīng)的梳形固定電極 的四個梳形可動電極梳齒16對應(yīng)交叉設(shè)置。 驅(qū)動器第一折疊梁9設(shè)置在驅(qū)動器質(zhì)量塊5的遠離敏感器質(zhì)量塊20的一側(cè)，每個 驅(qū)動器質(zhì)量塊有兩根驅(qū)動器第一折疊梁9，其中一根驅(qū)動器第一折疊梁9始于驅(qū)動器質(zhì)量 塊的遠離敏感器質(zhì)量塊20的一側(cè)一角，終于對應(yīng)的驅(qū)動器外部錨點，另一根驅(qū)動器第一折 疊梁沿驅(qū)動器質(zhì)量塊20的橫向中心線與其對稱設(shè)置； 驅(qū)動器質(zhì)量塊5上和梳形可動電極的對應(yīng)側(cè)的內(nèi)部設(shè)置有矩形孔；矩形孤島8、驅(qū) 動器內(nèi)部錨點4和驅(qū)動器質(zhì)量塊5相連接的驅(qū)動器第二折疊梁13設(shè)置在矩形孔內(nèi)；驅(qū)動器
7第二折疊梁13設(shè)置在靠近敏感器質(zhì)量塊20的一側(cè)，每個驅(qū)動器質(zhì)量塊5有兩根驅(qū)動器第 二折疊梁13，其中一根驅(qū)動器第二折疊梁13始于矩形孔內(nèi)側(cè)對應(yīng)一角，終于對應(yīng)的驅(qū)動器 內(nèi)部錨點4，另一根驅(qū)動器第二折疊梁沿驅(qū)動器質(zhì)量塊5的橫向中心線與其對稱設(shè)置。矩形 孤島8設(shè)置在遠離敏感器質(zhì)量塊20 —側(cè)；驅(qū)動器質(zhì)量塊5上的驅(qū)動導(dǎo)線14縱向設(shè)置于梳 形固定電極和驅(qū)動器第二折疊梁13之間，驅(qū)動導(dǎo)線14通過驅(qū)動器第二折疊梁13上的金屬 導(dǎo)線與驅(qū)動導(dǎo)線引出電極15連接，在驅(qū)動導(dǎo)線14、金屬導(dǎo)線、驅(qū)動導(dǎo)線引出電極15組成的 金屬層和驅(qū)動器質(zhì)量塊之間設(shè)置有電絕緣層24。矩形孤島8和驅(qū)動器質(zhì)量塊5之間在驅(qū)動 外部錨點一側(cè)的橫向間隙7比敏感器質(zhì)量20上的梳形可動電極梳齒16與驅(qū)動器質(zhì)量塊5 上的梳形固定電極梳齒17之間的間隙23小一微米以上。 所形成的敏感器質(zhì)量塊上柵形電極的厚度小于第二極板厚度；敏感器質(zhì)量塊20 上的梳形可動電極梳齒16與驅(qū)動器質(zhì)量塊5上的梳形固定電極梳齒17之間的間隙23比 矩形孤島8和驅(qū)動器質(zhì)量塊5之間的間隙7大一微米以上；梳齒電極對的兩根梳齒電極的 間隙25不小于一微米；傳感器電容的起始檢測間距是間隙23與間隙7之間的差值。
敏感器質(zhì)量塊20上的柵形電極19的初始位置在間隙25的正上方。
為了更明確的描述檢測電容的各個間距，結(jié)合圖5和圖6進一步描述，梳齒電極對 外側(cè)之間的距離如圖5中的箭頭所示，用G。表示表示，其值大于柵形電極19的寬度；敏感 器質(zhì)量20上的梳形可動電極梳齒16與驅(qū)動器質(zhì)量塊5上的梳形固定電極梳齒17之間的 間隙23，如圖6中的相應(yīng)箭頭所示，用&表示，取值范圍為十微米到五十微米；敏感器質(zhì)量 20上的梳形可動電極梳齒16與驅(qū)動器質(zhì)量塊5上的梳形固定電極梳齒17之間的疊加的縱 向尺寸，如圖6中的相應(yīng)箭頭所示，用62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16與梳形固定電極梳齒17的矩形條21之間的間距，如圖6中的相應(yīng)箭頭 所示，用^表示，其值不小于十微米。 柵形電極19的下表面和檢測用交叉梳齒狀固定對電極間隙27大于四微米，不大 于柵形電極19的寬度；柵形電極19的寬度大于間隙25。 本實施例涉及的電容式微慣性傳感器的制作方法，參考圖7所示的工藝流程圖斷 面圖進行說明，結(jié)構(gòu)斷面圖取自圖1中A-A'和圖2中B-B'，主要包括以下工藝步驟
a選用低阻硅片作為第二基板，在低阻硅的表面形成氧化硅作為電絕緣層；
b結(jié)合掩膜板，用光刻膠做掩膜，利用氫氟酸去除在低阻硅下表面的部分氧化硅， 露出要刻蝕的懸浮區(qū)； c用堿性容易腐蝕懸浮區(qū)，形成懸浮間距，并用氫氟酸去除低阻硅下表面的氧化 娃； d選用玻璃襯底作為第一基板1 ; e在玻璃上表面形成鋁材料的檢測用交叉梳齒狀固定對電極，固定引線電極，連接 對應(yīng)兩組硅條組的硅條組連接線； f把檢測用交叉梳齒狀固定對電極對應(yīng)在低阻硅的懸浮區(qū)，采用溫度380攝氏度， 電壓800V，陽極鍵合玻璃襯底和低阻硅； g刻蝕低阻硅上表面的電絕緣層，形成驅(qū)動器質(zhì)量塊5和驅(qū)動導(dǎo)線14之間的電絕 緣層24 ; h在電絕緣層24上形成鋁材料的驅(qū)動導(dǎo)線14和金屬線，在低阻硅上形成敏感器質(zhì)量塊的引出焊點12; i用深度粒子反應(yīng)刻蝕工藝刻蝕低阻硅，同時形成懸于玻璃襯底上方的敏感器質(zhì) 量塊20、敏感器錨點11和敏感器質(zhì)量塊20相連接的敏感器支撐梁10、驅(qū)動器質(zhì)量塊5、驅(qū) 動器外部錨點6和驅(qū)動器質(zhì)量塊5相連接的驅(qū)動器第一折疊梁9、驅(qū)動器內(nèi)部錨點4和驅(qū)動 器質(zhì)量塊5相連接的驅(qū)動器第二折疊梁13、固定于玻璃襯底上的敏感器錨點11、驅(qū)動器外 部錨點6、驅(qū)動器內(nèi)部錨點4、矩形孤島8。 由以上工藝步驟制作出本發(fā)明涉及的高精度微慣性傳感器。結(jié)合圖l至圖6對傳 感器原理進行說明。 矩形孤島8和驅(qū)動器質(zhì)量塊5之間的間隙7用dl表示，敏感器質(zhì)量20上的梳形 可動電極梳齒16與驅(qū)動器質(zhì)量塊5上的梳形固定電極梳齒17之間的間隙23用^表示， 且^= (dl+x)， (x為測試傳感器靜態(tài)初始電容間距，l，單位微米)。把位于敏感器 質(zhì)量塊20左側(cè)的驅(qū)動器，用外部金絲球焊技術(shù)用金線把驅(qū)動導(dǎo)線引出電極15分別連接到 封裝管殼引腳上，并接入恒流源。把位于敏感器質(zhì)量塊20右側(cè)的驅(qū)動器，用外部金絲球焊 技術(shù)用金線把驅(qū)動導(dǎo)線引出電極15分別連接到封裝管殼引腳上，并接入和左側(cè)驅(qū)動器相 反相位的恒流源。 敏感器外部連接焊點12連接到封裝管殼引腳，并連接到地，固定引線電極分別連 接到封裝管殼引腳，并分別用VI和V2表示，在用微機械工藝加工傳感器時，Gp dl可以設(shè) 置較大值，加工出較厚的傳感器質(zhì)量塊，因而質(zhì)量塊質(zhì)量較大。在傳感器結(jié)構(gòu)正上方的封裝 管殼帽內(nèi)設(shè)置合適方向的勻強磁場，在金屬驅(qū)動導(dǎo)線上產(chǎn)生的安培力驅(qū)動驅(qū)動器質(zhì)量塊并 使其吸合在矩形孤島8上，此時，測試傳感器靜態(tài)初始電容間距為x， x = G「dl，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V1、V2端分別加電載波信號， 可動質(zhì)量塊通過錨點連接至地。當(dāng)敏感方向上有加速度信號時，由于慣性力的作用，產(chǎn)生位 移，從而引起敏感器質(zhì)量塊上的柵形電極和梳齒電極對組成的差分電容的疊加面積變化以 及敏感器質(zhì)量上的梳形可動電極梳齒與驅(qū)動器質(zhì)量塊上的梳形固定電極梳齒之間的疊加 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(guān)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(jié)構(gòu)設(shè)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，由于梳齒電容間距可用安培力驅(qū)動驅(qū)動器減 小，從而在不增加橫向尺寸的情況下增大了振子質(zhì)量和檢測電容，且檢測電容極板間的相 對運動主要表現(xiàn)為滑膜阻尼，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，本發(fā)明刻蝕出防吸合短路的矩形孤島，防止電容間發(fā)生短路 和永久吸合。同時本發(fā)明采用微機械技術(shù)制作，工藝簡單，有利于提高成品率和降低制造成 本。
權(quán)利要求
一種基于滑膜阻尼的大電容微慣性傳感器，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、驅(qū)動器外部錨點、驅(qū)動器內(nèi)部錨點、固定于第一基板上的矩形孤島、第二基板的懸于第一基板上方的可沿縱向運動的敏感器質(zhì)量塊、將敏感器錨點和敏感器質(zhì)量塊相連的U形敏感器支撐梁、可沿橫向運動的驅(qū)動器質(zhì)量塊、將驅(qū)動器外部錨點與驅(qū)動器質(zhì)量塊相連的驅(qū)動器第一折疊梁、將驅(qū)動器內(nèi)部錨點與驅(qū)動器質(zhì)量塊相連的驅(qū)動器第二折疊梁、第二折疊梁上的電絕緣層、電絕緣層上的驅(qū)動導(dǎo)線和驅(qū)動導(dǎo)線引出電極，其特征在于所述的敏感器質(zhì)量塊是由縱向等間距、橫向平行的柵形電極、連接?xùn)判坞姌O的矩形邊框和邊框兩側(cè)設(shè)置的梳形可動電極組成；所述的梳形可動電極由n個等間距的梳齒和連接梳齒的矩形條組成，n≥1，梳齒與矩形條垂直設(shè)置；梳形可動電極在邊框的每一側(cè)分別對應(yīng)組成兩組硅條組，每組硅條組分別對應(yīng)設(shè)置在邊框的相應(yīng)處，每組硅條組包括平行設(shè)置的m條梳形可動電極，m≥2，連接梳齒的矩形條與敏感器質(zhì)量塊側(cè)邊垂直；邊框每側(cè)一組的梳形可動電極沿敏感器質(zhì)量塊的橫向中心線與同側(cè)的另一組的對應(yīng)梳形可動電極對稱設(shè)置；邊框一側(cè)的一組硅條組與另一側(cè)對應(yīng)的硅條組沿敏感器質(zhì)量塊的縱向中心線對稱設(shè)置；所述的敏感器錨點沿敏感器質(zhì)量塊的縱向中心線分別設(shè)置在敏感器質(zhì)量塊的兩端，并通過敏感器支撐梁與敏感器質(zhì)量塊連接；所述的驅(qū)動器質(zhì)量塊與每組硅條組一一對應(yīng)設(shè)置，驅(qū)動器質(zhì)量塊的與硅條組的對應(yīng)一側(cè)設(shè)置有m條和梳形可動電極形狀相同的梳形固定電極，梳形可動電極和梳形固定電極的位置對應(yīng)設(shè)置，梳形固定電極的梳齒與梳形可動電極的梳齒對應(yīng)交叉設(shè)置；所述的驅(qū)動器第一折疊梁設(shè)置在驅(qū)動器質(zhì)量塊的遠離敏感器質(zhì)量塊的一側(cè)，每個驅(qū)動器質(zhì)量塊有兩根第一折疊梁，其中一根驅(qū)動器第一折疊梁始于驅(qū)動器質(zhì)量塊的遠離敏感器質(zhì)量塊的一側(cè)一角，終于對應(yīng)的驅(qū)動器外部錨點，另一根第一折疊梁沿驅(qū)動器質(zhì)量塊的橫向中心線與其對稱設(shè)置；所述的驅(qū)動器質(zhì)量塊和梳形可動電極的對應(yīng)側(cè)的內(nèi)部設(shè)置有矩形孔；所述的矩形孤島、驅(qū)動器內(nèi)部錨點和驅(qū)動器質(zhì)量塊相連接的驅(qū)動器第二折疊梁設(shè)置在矩形孔內(nèi)；驅(qū)動器第二折疊梁設(shè)置在靠近敏感器質(zhì)量塊一側(cè)，每個驅(qū)動器質(zhì)量塊有兩根驅(qū)動器第二折疊梁，其中一根驅(qū)動器第二折疊梁始于矩形孔內(nèi)側(cè)對應(yīng)一角，終于對應(yīng)的驅(qū)動器內(nèi)部錨點，另一根驅(qū)動器第二折疊梁沿驅(qū)動器質(zhì)量塊的橫向中心線與其對稱設(shè)置；矩形孤島設(shè)置在遠離敏感器質(zhì)量塊一側(cè)；所述的驅(qū)動器質(zhì)量塊上的驅(qū)動導(dǎo)線縱向設(shè)置于梳形固定電極和驅(qū)動器第二折疊梁之間，驅(qū)動導(dǎo)線通過驅(qū)動器第二折疊梁上的金屬導(dǎo)線與驅(qū)動導(dǎo)線引出電極連接，在驅(qū)動導(dǎo)線、金屬導(dǎo)線、驅(qū)動導(dǎo)線引出電極組成的金屬層和驅(qū)動器質(zhì)量塊之間設(shè)置有電絕緣層；所述的矩形孤島和驅(qū)動器質(zhì)量塊之間在驅(qū)動器外部錨點一側(cè)的橫向間距比梳形可動電極和梳形固定電極上的對應(yīng)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由沿橫向相對交叉的多根梳齒電極組成，固定引線電極位于固定對電極的兩側(cè)，并與固定對電極連通；硅條組連接線和對應(yīng)的固定引線電極連接；交叉的梳齒電極對應(yīng)組成梳齒電極對，梳齒電極對中的兩個梳齒電極間的間隙不小于一微米；所述的柵形電極位于對應(yīng)的梳齒電極對的正上方。
2. —種制作如權(quán)利要求1所述的大電容微慣性傳感器的方法，其特征在于該方法包括 如下步驟步驟(1)在第一基板的上表面形成檢測用交叉梳齒狀固定對電極及固定引線電極；步驟(2)在第二基板的上表面形成電絕緣層；步驟(3)在第二基板的下表面形成懸浮區(qū)；步驟(4)在第二基板的下表面的所述懸浮區(qū)形成懸浮間距；步驟(5)將所述第一基板的上表面與所述第二基板的下表面相向鍵合，所述檢測用交 叉梳齒狀固定對電極和懸浮區(qū)互相對準(zhǔn)，形成柵形電極下表面與檢測用交叉梳齒狀固定對 電極的上表面的間隙；步驟(6)刻蝕所述第二基板上的絕緣層，形成驅(qū)動器內(nèi)部錨點和驅(qū)動器質(zhì)量塊相連接 的驅(qū)動器第二折疊梁和驅(qū)動導(dǎo)線、金屬導(dǎo)線、驅(qū)動導(dǎo)線引出電極組成的金屬層之間的電絕 緣層；步驟(7)在所述驅(qū)動器內(nèi)部錨點和驅(qū)動器質(zhì)量塊相連接的驅(qū)動器第二折疊梁和第二 基板間的電絕緣層上形成驅(qū)動導(dǎo)線、金屬線和驅(qū)動導(dǎo)線引出電極；步驟(8)刻蝕所述第二基板，形成懸于第一基板上方的四個驅(qū)動器質(zhì)量塊、懸于第一 基板上方的敏感器質(zhì)量塊、固定于第一基板上的敏感器錨點、驅(qū)動器外部錨點、驅(qū)動器內(nèi)部 錨點、矩形孤島、驅(qū)動器外部錨點和驅(qū)動器質(zhì)量塊相連接的驅(qū)動器第一折疊梁、驅(qū)動器內(nèi)部 錨點和驅(qū)動器質(zhì)量塊相連接的驅(qū)動器第二折疊梁、敏感器錨點和敏感器質(zhì)量塊相連接的敏 感器支撐梁。
全文摘要
本發(fā)明一種基于滑膜阻尼的大電容微慣性傳感器及其制作方法。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)明的傳感器中敏感器質(zhì)量塊的兩側(cè)邊對稱設(shè)置有硅條組，敏感器質(zhì)量塊兩端設(shè)置有敏感器錨點，敏感器質(zhì)量塊內(nèi)有柵形電極；驅(qū)動器質(zhì)量塊對應(yīng)硅條組設(shè)置；敏感器質(zhì)量塊下方的第一基板上設(shè)置固定對電極。制作該傳感器的方法首先是在第一基板上形成固定對電極；其次在第二基板上表面形成電絕緣層，下表面形成懸浮區(qū)；然后鍵合兩個基板；最后刻蝕形成該傳感器。本發(fā)明中的微慣性傳感器結(jié)構(gòu)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。
文檔編號B81C1/00GK101792108SQ20101012544
公開日2010年8月4日 申請日期2010年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月16日
發(fā)明者董林璽, 顏海霞 申請人:杭州電子科技大學(xué)