專利名稱：一種磁驅(qū)動增大檢測電容的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 一種磁驅(qū)動增大檢測電容的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30:1，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， 一是把電容改為變 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)明的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種超高分辨率的磁驅(qū)動增大檢測電容的微慣性傳感器，同時提供該傳感器的制作方法。該微慣 性傳感器可以更加有效的測量X或Y方向上的微小加速度信號(或振動信 號)。
本發(fā)明包括玻璃襯底、敏感器質(zhì)量塊、驅(qū)動器質(zhì)量塊。
敏感器質(zhì)量塊主體為矩形硅片，敏感器質(zhì)量塊的兩端通過u形敏感器
硅支撐梁與敏感器錨點連接，敏感器錨點固定設置在玻璃襯底上；敏感器 質(zhì)量塊的兩側(cè)邊分別對稱設置有n組硅條組，每組硅條組包括平行設置的m 條硅條，n》1、 m^1，每組硅條組的硅條的數(shù)量相同，每條硅條與敏感器 質(zhì)量塊側(cè)邊垂直；敏感器質(zhì)量塊上刻蝕有與硅條平行的柵形條。
n個驅(qū)動器質(zhì)量塊對應n組硅條組設置，對應每個驅(qū)動器質(zhì)量塊的四個 角的位置設置有驅(qū)動器錨點，驅(qū)動器錨點固定設置在玻璃襯底上，U形驅(qū)動 器硅支撐梁的一個端點與驅(qū)動器錨點連接、另一個端點與驅(qū)動器質(zhì)量塊的 一角連接；每個驅(qū)動器質(zhì)量塊和敏感器質(zhì)量塊對應的一側(cè)設置有m條檢測 硅條，檢測硅條為梳齒狀，齒間為阻尼條；檢測硅條與敏感器質(zhì)量塊側(cè)邊 的硅條平行、位置對應，敏感器質(zhì)量塊連接的硅條與對應的檢測硅條交叉 設置，組成檢測電容；驅(qū)動器質(zhì)量塊中間刻有方環(huán)形槽，方環(huán)行槽的槽寬 小于敏感器質(zhì)量塊的硅條和對應檢測硅條的間距；每個驅(qū)動器質(zhì)量塊對應U 形驅(qū)動器硅支撐梁的側(cè)邊上設置有金屬驅(qū)動導線，金屬導線和驅(qū)動器質(zhì)量 塊間設置有絕緣層。
敏感器質(zhì)量塊的兩端的兩個敏感器錨點上分別設置有敏感器質(zhì)量塊焊 點；每個驅(qū)動器質(zhì)量塊設置有金屬驅(qū)動導線的一邊對應的兩個驅(qū)動器錨點 設置有外部電流驅(qū)動焊點，U形驅(qū)動器硅支撐梁表面設置有金屬導線，金屬 導線的一端與外部電流驅(qū)動焊點連接，另一端與金屬驅(qū)動導線的一端連接； 每個驅(qū)動器質(zhì)量塊另外兩個驅(qū)動器錨點中的一個上設置有驅(qū)動器焊點，另 一個與敏感器質(zhì)量塊另一側(cè)對應的驅(qū)動器質(zhì)量塊的驅(qū)動器錨點通過鋁連接 線連接。
玻璃襯底表面對應敏感器質(zhì)量塊位置設置有叉指鋁電極，敏感器質(zhì)量 塊上刻蝕的每條柵形條與叉指鋁電極中的每對叉指相對應，叉指鋁電極通 過鋁焊點接入測試信號電壓。
制作該微慣性傳感器的具體步驟是
(l)在玻璃襯底上通過蒸發(fā)或者濺射鋁，并用光刻膠作為掩膜層，用濃磷酸溶液腐蝕鋁，形成叉指鋁龜極和鋁連接線；
(2) 選取雙面拋光的低電阻率的硅片，氧化后，在一面光刻形成敏感 器質(zhì)量塊和驅(qū)動器質(zhì)量塊的懸浮區(qū)域，并用氧化層作為掩膜層，用氫氧化 鉀溶液腐蝕硅片形成凹槽，然后去除掉該面的氧化硅，同時保留另一面的 氧化層作為質(zhì)量塊和驅(qū)動導線的絕緣層；
(3) 硅片的有凹槽面和玻璃片上有鋁電極面鍵合，硅片的有凹槽面和 玻璃片鍵合，鍵合溫度為T，鍵合電壓為V， 360。C《T《400。C ， 600v《V《1000v;
(4) 在硅片上有氧化硅的一面進行光刻，形成可動質(zhì)量塊與外部連接錨點 間的接觸孔；
(5) 在硅片上濺射鋁，并光刻形成質(zhì)量塊焊點，外部電流驅(qū)動導線及其外 部焊點，驅(qū)動器外部焊點，用光刻膠作為掩膜層，用濃磷酸溶液腐蝕鋁，然 后用氫氟酸緩沖液漂去裸露的氧化硅；
(6) 對硅片光刻形成質(zhì)量塊形狀，并用厚光刻膠作為掩膜，用深反應離 子刻蝕工藝在硅片上加工出傳感器單元的形狀。
本發(fā)明基本構(gòu)思是傳感器檢測電容的初始設計間距較大，從而解決深 反應粒子刻蝕深寬比小于30:1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)動的微驅(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。
本發(fā)明還在敏感器質(zhì)量塊上刻蝕柵形條，并和襯底上的叉指鋁電極組 成差分檢測電容進一步降低電路噪聲，且柵形條和玻璃襯底上叉指間的差 動表現(xiàn)為滑膜阻尼特性，從而也減小了布朗噪聲。
本發(fā)明可以通過在驅(qū)動器質(zhì)量塊的檢測硅條上刻蝕褶皺狀阻尼條來減 小壓膜空氣阻尼從而可以減小機械噪聲。另外，通過改變U形硅支撐梁和 質(zhì)量塊的尺寸還可以改變傳感器的量程和響應特性。
本發(fā)明提供的磁驅(qū)動增大檢測電容的微慣性傳感器大大增大了振子質(zhì) 量，從而減小了布朗噪聲，而通過磁場驅(qū)動的驅(qū)動器減小了電容極板間距， 并在驅(qū)動器質(zhì)量塊的檢測硅條上刻蝕褶皺狀阻尼條，增大了檢測電容，減小 了壓?？諝庾枘?，從而降低了機械噪聲和電路噪聲，而敏感器質(zhì)量塊上新 增的柵形條電容差分運動時空氣阻尼表現(xiàn)為滑膜阻尼，從而降低了布朗噪 聲，同時也增大了檢測電容。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
種可以實際應用的微慣性傳感器。


圖1為本發(fā)明微慣性傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明玻璃襯底表面示意圖3為本發(fā)明微慣性傳感器制作工藝流程圖。
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。
如圖1和圖2所示， 一種磁驅(qū)動增大檢測電容的微慣性傳感器包括玻 璃襯底19、敏感器質(zhì)量塊15、驅(qū)動器質(zhì)量塊4。
敏感器質(zhì)量塊15主體為矩形硅片，敏感器質(zhì)量塊15的兩端通過U形 敏感器硅支撐梁5與敏感器錨點7連接，敏感器錨點7固定設置在玻璃襯 底19上；敏感器質(zhì)量塊15的兩側(cè)邊分別對稱設置有兩組硅條組，每組硅 條組包括平行設置的三條硅條11，每條硅條11與敏感器質(zhì)量塊15側(cè)邊垂 直；敏感器質(zhì)量塊15上刻蝕有與硅條平行的柵形條14。
四個驅(qū)動器質(zhì)量塊4在敏感器質(zhì)量塊15的兩側(cè)對稱設置，對應每個驅(qū) 動器質(zhì)量塊4的四個角的位置設置有驅(qū)動器錨點8，驅(qū)動器錨點8固定設置 在玻璃襯底19上，U形驅(qū)動器硅支撐梁13的一個端點與驅(qū)動器錨點8連接、 另一個端點與驅(qū)動器質(zhì)量塊4的一角連接。每個驅(qū)動器質(zhì)量塊4的一側(cè)設 置有三條檢測硅條9，檢測硅條9為梳齒狀，齒間為阻尼條；檢測硅條9與 敏感器質(zhì)量塊側(cè)邊的硅條11平行，硅條11與對應的檢測硅條9交叉設置， 組成檢測電容。驅(qū)動器質(zhì)量塊4中間刻有方環(huán)形槽10，方環(huán)行槽10的槽寬 小于敏感器質(zhì)量塊的硅條和對應檢測硅條的間距。每個驅(qū)動器質(zhì)量塊4對 應U形驅(qū)動器硅支撐梁13的側(cè)邊上設置有金屬驅(qū)動導線12，金屬導線和驅(qū) 動器質(zhì)量塊間設置有絕緣層。
敏感器質(zhì)量塊15的兩端的兩個敏感器錨點7上分別設置有敏感器質(zhì)量 塊焊點6。每個驅(qū)動器質(zhì)量塊4設置有金屬驅(qū)動導線12的一邊對應的兩個 驅(qū)動器錨點8設置有外部電流驅(qū)動焊點1， U形驅(qū)動器硅支撐梁13表面設 置有金屬導線2，金屬導線2的一端與外部電流驅(qū)動焊點1連接，另一端與 金屬驅(qū)動導線12的一端連接；每個驅(qū)動器質(zhì)量塊4另外兩個驅(qū)動器錨點中的一個上設置有驅(qū)動器焊點3，另一個與敏感器質(zhì)量塊15另一側(cè)對應的驅(qū) 動器質(zhì)量塊4的驅(qū)動器錨點通過鋁連接線17連接。
玻璃襯底表面對應敏感器質(zhì)量塊位置設置有叉指鋁電極18，敏感器質(zhì) 量塊上刻蝕的每條柵形條14與叉指鋁電極中的每對叉指相對應，叉指鋁電 極通過鋁焊點16接入測試信號電壓。
本實施例涉及的磁驅(qū)動增大檢測電容的微慣性傳感器的制作方法，參 考圖3所示的工藝流程圖進行說明，包括以下工藝步驟
a. 低阻硅氧化后形成氧化硅掩膜層；
b. 氫氟酸腐蝕硅片一面的氧化硅形成腐蝕懸浮窗口，保留另一面的氧化
娃；
c. 用氧化硅作掩膜，用堿性溶液如氫氧化鉀溶液腐蝕傳感器質(zhì)量塊和驅(qū)
動器質(zhì)量塊的懸浮區(qū)域，從而形成差分電容間距；
d. 用氫氟酸去除氧化硅，保留硅另一面的氧化硅；
e. 選用熱膨脹系數(shù)與硅相近的絕緣極板如Pyrex7740玻璃片作為襯底， 并在該襯底上通過蒸發(fā)或者濺射形成鋁材料的叉指電極、連接線及其各外部 連接錨點；
f. 用酸性溶液如濃磷酸腐蝕鋁電極；
g. 采用溫度380攝氏度，電壓800V，硅片的有凹槽面和玻璃片上有鋁電 極面鍵合；
h. 硅片光刻，形成可動質(zhì)量塊和外部錨點間的連接孔；
i. 在硅片上濺射鋁，并光刻形成質(zhì)量塊焊點，外部電流驅(qū)動導線及其外 部焊點，驅(qū)動器外部焊點，用光刻膠作為掩膜層，用濃磷酸溶液腐蝕鋁，形 成電極形狀，然后用氫氟酸緩沖液漂去裸露的氧化硅；
j.利用深反應離子刻蝕工藝(De印RIE)刻蝕硅，形成懸浮在絕緣襯底上 的可動敏感器質(zhì)量塊，固定在絕緣襯底上的錨點，U形硅支撐梁，固定梳齒， 可動敏感器質(zhì)量塊上的等間距柵形條及其可動硅條，檢測硅條以及褶鈹狀阻 尼條。
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1、 圖2對傳感器原理進行說明。敏感器質(zhì)量塊的硅條和檢測硅條的間距大于 驅(qū)動器質(zhì)量塊上環(huán)行槽的槽寬。
把位于敏感器質(zhì)量塊兩側(cè)對應上端的驅(qū)動器，通過金絲球焊技術(shù)用金線把引入外部驅(qū)動電流焊點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)量塊兩側(cè)對應下端的驅(qū)動器，其引入外部驅(qū)動電流焊點分 別連接到封裝管殼引腳上，并接入和上端驅(qū)動器相反相位的恒流源。驅(qū)動 器焊點連接到封裝管殼引腳，用V1表示，位于敏感器質(zhì)量塊對角線，并與 該驅(qū)動器焊點對應的焊點也連接到封裝管殼引腳，用V2表示。敏感器焊點 也連接到封裝管殼引腳，并連接到地。在用微機械工藝加工傳感器時，環(huán)
行槽槽寬(dl)和硅條與對應檢測硅條的間距(d2)較大，可以加工出較 厚的傳感器質(zhì)量塊，因而質(zhì)量塊質(zhì)量較大。在封裝管殼帽內(nèi)設置合適的勻 強磁場，在金屬驅(qū)動導線上產(chǎn)生的洛倫茲力驅(qū)動驅(qū)動器質(zhì)量塊并使其吸合 在環(huán)形塊上，去吸合方向保證使初始檢測電容間距減小。此時，測試傳感 器靜態(tài)初始電容間距為d2-dl，從而傳感器的檢測電容大大增加。再在V1、 V2端分別加載波信號敏感器質(zhì)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(chǎn)生位移，從而引起敏感器上柵形條電 極和叉指鋁電極組成的差分電容的疊加面積變化以及敏感器質(zhì)量塊連接的 硅條和檢測硅條的間距變化，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。
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洛侖茲力 驅(qū)動驅(qū)動器減小，可動質(zhì)量塊上有滑膜阻尼的柵形條電容，且驅(qū)動器質(zhì)量 塊的檢測硅條上刻蝕有褶皺狀阻尼條，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)明在驅(qū)動器質(zhì) 量塊上刻蝕出防吸合短路硅塊，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。
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權(quán)利要求
1、一種磁驅(qū)動增大檢測電容的微慣性傳感器，包括玻璃襯底、敏感器質(zhì)量塊、驅(qū)動器質(zhì)量塊，其特征在于敏感器質(zhì)量塊主體為矩形硅片，敏感器質(zhì)量塊的兩端通過U形敏感器硅支撐梁與敏感器錨點連接，敏感器錨點固定設置在玻璃襯底上；敏感器質(zhì)量塊的兩側(cè)邊分別對稱設置有n組硅條組，每組硅條組包括平行設置的m條硅條，n≥1、m≥1，每組硅條組的硅條的數(shù)量相同，每條硅條與敏感器質(zhì)量塊側(cè)邊垂直；敏感器質(zhì)量塊上刻蝕有與硅條平行的柵形條；n個驅(qū)動器質(zhì)量塊對應n組硅條組設置，對應每個驅(qū)動器質(zhì)量塊的四個角的位置設置有驅(qū)動器錨點，驅(qū)動器錨點固定設置在玻璃襯底上，U形驅(qū)動器硅支撐梁的一個端點與驅(qū)動器錨點連接、另一個端點與驅(qū)動器質(zhì)量塊的一角連接；每個驅(qū)動器質(zhì)量塊和敏感器質(zhì)量塊對應的一側(cè)設置有m條檢測硅條，檢測硅條為梳齒狀，齒間為阻尼條；檢測硅條與敏感器質(zhì)量塊側(cè)邊的硅條平行、位置對應，敏感器質(zhì)量塊連接的硅條與對應的檢測硅條交叉設置，組成檢測電容；驅(qū)動器質(zhì)量塊中間刻有方環(huán)形槽，方環(huán)行槽的槽寬小于敏感器質(zhì)量塊的硅條和對應檢測硅條的間距；每個驅(qū)動器質(zhì)量塊對應U形驅(qū)動器硅支撐梁的側(cè)邊上設置有金屬驅(qū)動導線，金屬導線和驅(qū)動器質(zhì)量塊間設置有絕緣層；敏感器質(zhì)量塊的兩端的兩個敏感器錨點上分別設置有敏感器質(zhì)量塊焊點；每個驅(qū)動器質(zhì)量塊設置有金屬驅(qū)動導線的一邊對應的兩個驅(qū)動器錨點設置有外部電流驅(qū)動焊點，U形驅(qū)動器硅支撐梁表面設置有金屬導線，金屬導線的一端與外部電流驅(qū)動焊點連接，另一端與金屬驅(qū)動導線的一端連接；每個驅(qū)動器質(zhì)量塊另外兩個驅(qū)動器錨點中的一個上設置有驅(qū)動器焊點，另一個與敏感器質(zhì)量塊另一側(cè)對應的驅(qū)動器質(zhì)量塊的驅(qū)動器錨點通過鋁連接線連接；玻璃襯底表面對應敏感器質(zhì)量塊位置設置有叉指鋁電極，敏感器質(zhì)量塊上刻蝕的每條柵形條與叉指鋁電極中的每對叉指相對應，叉指鋁電極通過鋁焊點接入測試信號電壓。
2、制作如權(quán)利要求1所述的磁驅(qū)動增大檢測電容的微慣性傳感器的方 法，其特征在于該方法的具體步驟是(1) 在玻璃襯底上通過蒸發(fā)或者濺射鋁，并用光刻膠作為掩膜層，用濃 磷酸溶液腐蝕鋁，形成叉指鋁電極和鋁連接線；(2) 選取雙面拋光的低電阻率的硅片，氧化后，在一面光刻形成敏感器質(zhì)量塊和驅(qū)動器質(zhì)量塊的懸浮區(qū)域，并用氧化層作為掩膜層，用氫氧化 鉀溶液腐蝕硅片形成凹槽，然后去除掉該面的氧化硅，同時保留另一面的氧化層作為質(zhì)量塊和驅(qū)動導線的絕緣層；(3) 硅片的有凹槽面和玻璃片上有鋁電極面鍵合，硅片的有凹槽面和 玻璃片鍵合，鍵合溫度為T，鍵合電壓為V， 360°C《T《400°C ， 600v《V《1000v;(4) 在硅片上有氧化硅的一面進行光刻，形成可動質(zhì)量塊與外部連接錨 點間的接觸孔；(5) 在硅片上濺射鋁，并光刻形成質(zhì)量塊焊點，外部電流驅(qū)動導線及其 外部焊點，驅(qū)動器外部焊點，用光刻膠作為掩膜層，用濃磷酸溶液腐蝕 鋁，然后用氫氟酸緩沖液漂去裸露的氧化硅；(6) 對硅片光刻形成質(zhì)量塊形狀，并用厚光刻膠作為掩膜，用深反應離 子刻蝕工藝在硅片上加工出傳感器單元的形狀。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種磁驅(qū)動增大檢測電容的微慣性傳感器及其制作方法。現(xiàn)有產(chǎn)品限制了傳感器振子的質(zhì)量增加和極板間距的減小。本發(fā)明中敏感器質(zhì)量塊為刻蝕有柵形條的矩形硅片，兩端通過硅支撐梁與錨點連接，兩側(cè)邊分別設置硅條，驅(qū)動器質(zhì)量塊中間刻有環(huán)行槽，其與敏感器質(zhì)量塊對應的一側(cè)設置有檢測硅條，在驅(qū)動器質(zhì)量塊靠近U形梁的外側(cè)錨點位置上設置有驅(qū)動器焊點，驅(qū)動器焊點與驅(qū)動器錨點連接，驅(qū)動器相對的兩個錨點上設置有外部電流驅(qū)動焊點，并在該對應外部驅(qū)動電流焊點間設置有金屬驅(qū)動導線。玻璃襯底表面設置有叉指鋁電極，敏感器質(zhì)量塊的每條柵形條與叉指鋁電極中的每對叉指相對應。本發(fā)明工藝簡單，有利于降低成本和提高成品率。
文檔編號G01P15/125GK101531334SQ20091009749
公開日2009年9月16日 申請日期2009年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月7日
發(fā)明者董林璽, 顏海霞 申請人:杭州電子科技大學