本技術(shù)屬于微機(jī)電，特別涉及一種低噪聲mems加速度計。

背景技術(shù)：

1、微機(jī)電系統(tǒng)(mems，micro?electro?mechanical?system)包括微傳感器、微驅(qū)動器和相應(yīng)的處理電路，是在微電子和微機(jī)械技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新學(xué)科。它采用集成電路兼容的批量加工技術(shù)制造，構(gòu)成的原件尺寸在毫米-微米量級范圍內(nèi)，相比傳統(tǒng)機(jī)械器件具有體積小、重量輕、可靠性高、易于集成等優(yōu)點，極大地提高了系統(tǒng)的自動化、智能化和可靠性水平。mems加速度計是利用微機(jī)械加工技術(shù)，將加速度信號轉(zhuǎn)換為慣性力完成物理量檢測的慣性儀表。相較于傳統(tǒng)加速度計，mems加速度計具有體積小、成本低、抗過載能力強(qiáng)、可批量加工生產(chǎn)等優(yōu)點。目前，mems加速度計不僅成為微型慣性測量組合的核心元件，也迅速擴(kuò)大到其他民用領(lǐng)域。傳統(tǒng)的mems加速度計主要應(yīng)用于汽車電子、商業(yè)電子等低精度場景，器件本底噪聲較高，無法滿足地震預(yù)警、油氣勘探等高精度任務(wù)需求。當(dāng)對低噪聲mems加速度計的研發(fā)較少，如何設(shè)計一款可以進(jìn)行微震信號檢測的低噪聲mems加速度計，是現(xiàn)階段需要解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本實用新型的目的是提供一種低噪聲mems加速度計，該加速度計實現(xiàn)了大敏感質(zhì)量區(qū)、低諧振頻率和高品質(zhì)因子的整體結(jié)構(gòu)，減小了器件的熱機(jī)械噪聲；在傳統(tǒng)蛇形折疊梁基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了帶中間框架的e形折疊梁結(jié)構(gòu)，減小了寄生模式影響，抑制了交叉軸串?dāng)_；提出了基于三角形電極的位移-電容傳感陣列，通過交叉放置兩組電極，使得電極排布更加緊密，提高了整個有效檢測周期內(nèi)的電容檢測靈敏度。

2、本實用新型的上述技術(shù)目的是通過以下技術(shù)方案得以實現(xiàn)的：

3、一種低噪聲mems加速度計，包括一個帶類u型空腔的上玻璃層、一個質(zhì)量-彈簧振子硅層、一個帶大面積矩形空腔的下玻璃層和兩組馬蹄形磁鐵；上玻璃層上表面有一層金屬上電極陣列、上內(nèi)部焊盤、上金屬密封圈和用于所述上玻璃層和所述質(zhì)量-彈簧振子結(jié)構(gòu)層鍵合的焊料層；質(zhì)量-彈簧振子硅層包括大尺寸敏感質(zhì)量區(qū)、與敏感質(zhì)量區(qū)相連的帶中間框架的e形折疊梁結(jié)構(gòu)和與折疊梁相連的振子外框架，振子硅層上表面有一層金屬層結(jié)構(gòu)，包括與所述上玻璃層表面的金屬上電極陣列組成位移-電容傳感器的三角形下電極陣列、用于電磁反饋的金屬線圈、用于信號傳輸?shù)南聝?nèi)部焊盤、下金屬密封圈和外部焊盤；馬蹄形磁鐵包括磁軛、馬蹄形磁鐵和磁極片；加速度計的敏感質(zhì)量區(qū)、e形折疊梁結(jié)構(gòu)、外框架的厚度相同，并且均處于同一上表面。低噪聲mems加速度計的結(jié)構(gòu)包括上玻璃基底層、上玻璃金屬層、上玻璃焊料層、硅基底層、絕緣層一、歐姆接觸層、金屬層一、絕緣層二、金屬層二和下玻璃基底層。所述上、下玻璃基底層均為帶空腔的硼硅玻璃；所述上玻璃金屬層包括金屬上電極陣列、上內(nèi)部焊盤、上金屬密封圈，金屬上電極陣列為矩形電極；上玻璃焊料層為用于所述上玻璃層和所述質(zhì)量-彈簧振子結(jié)構(gòu)層鍵合的焊料錫；所述硅基底層包括質(zhì)量-彈簧振子結(jié)構(gòu)和外框架；所述金屬層一包括零電位層和信號走線；所述金屬層二包括三角形下電極陣列、金屬線圈、下內(nèi)部焊盤、下金屬密封圈、外部焊盤和信號走線。

4、加速度計的敏感軸方向為水平方向，當(dāng)敏感軸方向輸入加速度信號時，所述敏感質(zhì)量區(qū)受到慣性力的作用發(fā)生位移，e形折疊梁串聯(lián)結(jié)構(gòu)隨之形變，總是一邊拉伸一邊壓縮，形成與慣性力反向的彈力，使所述質(zhì)量-彈簧振子結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，將輸入加速度信號轉(zhuǎn)換為所述敏感質(zhì)量區(qū)的位移信號。

5、彈簧梁結(jié)構(gòu)包括關(guān)于所述敏感質(zhì)量區(qū)對稱的帶中間框架的串聯(lián)e形折疊梁。e形折疊梁是在傳統(tǒng)蛇形折疊梁的基礎(chǔ)上增加中間連接梁改進(jìn)得到，多組折疊梁串聯(lián)，并通過中間框架連接，形成了振子的彈簧結(jié)構(gòu)。

6、敏感質(zhì)量區(qū)的上表面濺射了三角形下電極陣列，采用特殊的三角形形狀，包含兩組交叉放置的電極陣列。上玻璃的上表面濺射了傳統(tǒng)矩形上電極陣列，上下電極形成基于三角形電極的電容傳感器，實現(xiàn)敏感質(zhì)量區(qū)的位移檢測。

7、反饋驅(qū)動器采用電磁反饋方式，兩組馬蹄形磁鐵分別設(shè)置在器件的上下方，形成外部磁路，在電磁線圈中通入電流，根據(jù)導(dǎo)電線圈在磁場中受到洛倫茲力的原則，可以完成電磁方式的閉環(huán)反饋。

8、低噪聲mems加速度計的加工工藝，包括如下步驟：

9、s1：在上玻璃晶圓正面制作空腔、金屬上電極陣列和焊料層；

10、s2：在下玻璃晶圓正面制作空腔和膠合層；

11、s3：在硅晶圓正面制作三角形下電極陣列、金屬線圈、下內(nèi)部焊盤、下金屬密封圈和外部焊盤；

12、s4：在硅晶圓正面進(jìn)行深反應(yīng)離子刻蝕，刻穿形成質(zhì)量-彈簧振子結(jié)構(gòu)；

13、s5：利用熱壓鍵合、膠鍵合的方式分別實現(xiàn)硅晶圓與上玻璃晶圓、下玻璃晶圓的鍵合。

14、步驟s1中對上玻璃晶圓進(jìn)行激光刻蝕，刻蝕出空腔，減小器件的滑膜阻尼；接著濺射金屬對準(zhǔn)標(biāo)記，與激光刻蝕的十字標(biāo)記對準(zhǔn)，用于后續(xù)版圖的定位；接著利用光刻濺射后剝離的方式形成上玻璃的金屬上電極陣列，與硅層三角形下電極陣列形成電容傳感器；最后通過電鍍的方式形成厚焊料，形成上下電極之間的電容間隙，并為后續(xù)信號傳輸和熱壓鍵合做準(zhǔn)備；

15、步驟s2對下玻璃晶圓進(jìn)行激光刻蝕，刻蝕出空腔；接著濺射金屬對準(zhǔn)標(biāo)記；最后旋涂光刻膠，為下玻璃與硅的膠鍵合做準(zhǔn)備；

16、步驟s3中包括對準(zhǔn)標(biāo)記層、絕緣層一、歐姆接觸層、金屬層一、絕緣層二、金屬層二的制作，其中涉及光刻、rie、pecvd、濺射等工藝；

17、步驟s4中對硅晶圓進(jìn)行深反應(yīng)離子刻蝕，為避免切邊效應(yīng)同時提高刻蝕速率，先在硅晶圓背面濺射一層鋁薄膜；刻蝕2/3深度后，利用光刻膠貼片繼續(xù)刻蝕，直至全部刻穿；最后溶解光刻膠和鋁層，釋放硅體結(jié)構(gòu)。

18、步驟s5中包括兩次晶圓級鍵合，由于膠鍵合溫度較低，因此首先進(jìn)行上玻璃晶圓與硅晶圓之間的熱壓鍵合，接著進(jìn)行硅晶圓與下玻璃晶圓之間的膠鍵合。

19、經(jīng)過上述步驟，低噪聲mems加速度計加工完成。

20、本實用新型的有益效果為：本方案設(shè)計了一種低噪聲mems加速度計，可以實現(xiàn)較低的熱機(jī)械噪聲，低噪聲通過大敏感質(zhì)量區(qū)、低諧振頻率、高品質(zhì)因子實現(xiàn)。大敏感質(zhì)量區(qū)通過大尺寸硅質(zhì)量塊實現(xiàn)；低諧振頻率通過多組串聯(lián)折疊梁實現(xiàn)；高品質(zhì)因子通過在上下玻璃蓋板刻蝕空腔實現(xiàn)。質(zhì)量-彈簧振子結(jié)構(gòu)的加工通過深反應(yīng)離子刻蝕形成質(zhì)量塊與串聯(lián)折疊梁結(jié)構(gòu)，上下玻璃蓋板的加工通過激光刻蝕形成大面積、深尺寸的空腔。相較于傳統(tǒng)mems加速度計，本實用新型涉及的低噪聲mems加速度計還實現(xiàn)了帶中間框架的e形折疊梁結(jié)構(gòu)，提高了寄生模式抑制比，減小了寄生模式影響，抑制了交叉軸串?dāng)_。此外，本實用新型實現(xiàn)了基于三角形電極的位移-電容傳感陣列，可以增加電極排布密度，提高整個檢測周期內(nèi)的靈敏度。

技術(shù)特征：

1.一種低噪聲mems加速度計，包括上玻璃層(1)、硅層(2)、下玻璃層(3)和兩組馬蹄形磁鐵(4)，其特征在于，所述上玻璃層(1)上設(shè)有一個u型空腔，所述下玻璃層(3)上設(shè)有一個矩形空腔，所述硅層(2)為質(zhì)量-彈簧振子硅層(2)，

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低噪聲mems加速度計，其特征在于，所述敏感質(zhì)量區(qū)(9)的敏感軸方向為水平方向。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低噪聲mems加速度計，其特征在于，所述e形折疊梁(10)結(jié)構(gòu)包括關(guān)于所述敏感質(zhì)量區(qū)(9)對稱的帶中間框架的e形折疊梁(10)，所述e形折疊梁(10)包括蛇形折疊梁和中間連接梁，多組所述e形折疊梁(10)串聯(lián)，并通過中間框架連接，以形成振子的彈簧結(jié)構(gòu)。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種低噪聲mems加速度計，其特征在于，所述下電極陣列位于所述敏感質(zhì)量區(qū)(9)的上表面，所述下電極陣列內(nèi)設(shè)有兩組交叉放置的電極陣列，所述金屬上電極陣列(5)為矩形電極，所述矩形的金屬上電極陣列(5)與三角形的下電極陣列配合，形成基于三角形電極的電容傳感器，所述電容傳感器用于檢測敏感質(zhì)量區(qū)(9)的位移。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低噪聲mems加速度計，其特征在于，所述上玻璃層(1)、硅層(2)和下玻璃層(3)組合成反饋驅(qū)動器，所述反饋驅(qū)動器采用電磁反饋方式，兩組所述馬蹄形磁鐵(4)分別設(shè)置在反饋驅(qū)動器的上方和下方，以形成外部磁路。

技術(shù)總結(jié)
本技術(shù)公開了一種低噪聲MEMS加速度計，包括上玻璃層、硅層、下玻璃層和兩組馬蹄形磁鐵，上玻璃層上設(shè)有一個U型空腔，下玻璃層上設(shè)有一個矩形空腔，上玻璃層上設(shè)有金屬上電極陣列，上玻璃層上設(shè)有上內(nèi)部焊盤、上金屬密封圈和焊料層；硅層包括大尺寸敏感質(zhì)量區(qū)、E形折疊梁結(jié)構(gòu)以及振子外框架；硅層上表面有一層金屬層結(jié)構(gòu)，馬蹄形磁鐵包括磁軛、磁鐵本體和磁極片；敏感質(zhì)量區(qū)、E形折疊梁結(jié)構(gòu)和振子外框架的厚度相同，本技術(shù)通過深反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)實現(xiàn)了低噪聲的質(zhì)量?彈簧振子結(jié)構(gòu)，通過熱壓鍵合和膠鍵合的方式實現(xiàn)了玻璃?硅?玻璃的三明治加速度計結(jié)構(gòu)，提高了MEMS加速度計的性能。

技術(shù)研發(fā)人員：車錄鋒,陳夢佳
受保護(hù)的技術(shù)使用者：浙江大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：20230720
技術(shù)公布日：2024/12/19