專利名稱：柵結(jié)構(gòu)電容式微型加速度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種器件尺寸小至毫米量級(jí)的柵狀結(jié)構(gòu)電容式微型加速度傳感器，屬微電子機(jī)械領(lǐng)域。
隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)研究的深入及電子設(shè)備的智能化，各種微型傳感器得到極大關(guān)注。其中，廣泛應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和控制的加速度傳感器，如汽車安全氣墊裝置中的核心測(cè)量敏感器件加速度傳感器已形成產(chǎn)品。加速度傳感器的種類很多，尤以電容式微型固態(tài)加速度傳感器為主要方向。國際上已開發(fā)的幾類電容式加速度傳感器除可測(cè)量運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)加速度大小外，還可以測(cè)量加速度的方向。這些加速度傳感器主要是通過質(zhì)量塊移動(dòng)后，由敏感芯片中電容變化來測(cè)量加速度的大小和方向。然而，由于敏感芯片中電容的變化是質(zhì)量塊與測(cè)量電極間距離變化引起的，因此電容的變化是非線性的，即芯片輸出信號(hào)與測(cè)量加速度大小之間存在非線性關(guān)系。這種非線性關(guān)系，可利用負(fù)反饋電路來限制質(zhì)量塊移動(dòng)距離，然后根據(jù)小位移線性近似的原理予以消除。然而，質(zhì)量塊移動(dòng)距離小，電容變化小，因而要求接口電路有很高的性能，給接口電路的設(shè)計(jì)與制作帶來諸多麻煩。為了克服上述加速度傳感器的不足，本實(shí)用新型改進(jìn)設(shè)計(jì)成一種新結(jié)構(gòu)加速度傳感器，傳感器芯片中電容相對(duì)變化量大，且電容的變化與所測(cè)量加速度大小成線性關(guān)系，從而有利于接口電路的設(shè)計(jì)與制作。
本實(shí)用新型的目的是加速度傳感器中的質(zhì)量塊采用柵狀結(jié)構(gòu)，同時(shí)，該質(zhì)量塊也是一個(gè)可動(dòng)電極，二個(gè)固定電極用于測(cè)量引線，不但有利于提高器件的靈敏度，更有利于信號(hào)處理。此外，質(zhì)量塊由懸空彈性梁支撐，僅能沿襯底面的X方向或Y方向運(yùn)動(dòng)，具有良好的選擇性。
本實(shí)用新型柵結(jié)構(gòu)電容式加速度傳感器主要由敏感加速度變化的柵狀慣性質(zhì)量塊、二個(gè)用于測(cè)量信號(hào)的固定叉指電極、支撐柵狀慣性質(zhì)量塊的懸空彈性梁和電容測(cè)量接口電路組成。其中，懸空彈性梁支撐的柵狀慣性質(zhì)量塊僅能沿襯底面的X方向或Y方向運(yùn)動(dòng)，具有良好的選擇性，同時(shí)，柵狀慣性質(zhì)量塊也是一個(gè)導(dǎo)電的可動(dòng)電極。由于加速度傳感器中質(zhì)量塊采用柵狀結(jié)構(gòu)，測(cè)量信號(hào)的固定電極為交叉放置的叉指式電極，因此可在小位移狀態(tài)下產(chǎn)生大的電容變化，且電容變化ΔC與位移成正比關(guān)系，不但提高了傳感器的靈敏度，而且更有利于輸出信號(hào)的處理。加速度傳感器中的懸空彈性梁支數(shù)按測(cè)量加速度的要求可以超過或少于兩對(duì)。當(dāng)傳感器隨運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)作加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳感器中質(zhì)量塊的慣性使其相對(duì)于它下面的固定測(cè)量電極發(fā)生位移，則兩組測(cè)量電極分別與質(zhì)量塊構(gòu)成的兩個(gè)電容就會(huì)產(chǎn)生相反的變化一個(gè)電容(C1)變大，另一個(gè)電容(C2)變小。由于兩個(gè)測(cè)量電極采用了交叉排列結(jié)構(gòu)，因此電容C1變大的量還與測(cè)量電極的叉指數(shù)量成正比，因而通過增加叉指數(shù)量可以放大電容C1的變化量。同樣，對(duì)于電容C2也是一樣，通過增加叉指數(shù)量可以放大電容C2的變化量?？梢姡瑢?duì)于相同的加速度，本實(shí)用新型加速度傳感器電容變化量相對(duì)其它差分電容式加速度傳感器變化量較大，即可增加信號(hào)的輸出強(qiáng)度。此外，為防止質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)距離過大，出現(xiàn)非線性效應(yīng)，傳感器芯片中還設(shè)置了限位塊以限定其運(yùn)動(dòng)范圍。由于本實(shí)用新型加速度傳感器中的質(zhì)量塊僅在動(dòng)、定電極間的空氣薄層上作平滑移動(dòng)，故空氣阻尼影響小。是一種有利于接口電路設(shè)計(jì)與制作的新結(jié)構(gòu)加速度傳感器。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是，由于采用了柵狀質(zhì)量塊和叉指固定測(cè)量電極，因此可在質(zhì)量塊產(chǎn)生小位移時(shí)有很大電容變化，且電容變化ΔC與位移成正比，不但提高了器件的靈敏度，而且更有利于信號(hào)的處理。此外，本實(shí)用新型加速度傳感器結(jié)構(gòu)新穎、簡(jiǎn)單，工藝易于實(shí)現(xiàn)，測(cè)量精度高，線性好，是一種可實(shí)際應(yīng)用的微型加速度固態(tài)傳感器。


圖1是本實(shí)用新型柵結(jié)構(gòu)電容式微型加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，1是兩個(gè)互不相連的固定叉指測(cè)量電極的鍵合點(diǎn)；2是兼作可動(dòng)電極的柵狀慣性質(zhì)量塊的鍵合點(diǎn)；3是兩組交叉放置的固定叉指測(cè)量電極；4是導(dǎo)電、限位的柵狀質(zhì)量塊的支撐錨點(diǎn)；5是導(dǎo)電的支撐柵狀質(zhì)量塊的懸空彈性梁；6是由導(dǎo)電的四根懸空彈性梁懸支于測(cè)量叉指電極上方的柵狀質(zhì)量塊；7是襯底硅片。
圖2是本實(shí)用新型加速度傳感器柵狀質(zhì)量塊與固定測(cè)量電極間初始電容狀態(tài)圖。
圖3是本實(shí)用新型加速度傳感器檢測(cè)加速度時(shí)柵狀質(zhì)量塊與固定叉指電極間電容狀態(tài)圖。
圖4是本實(shí)用新型加速度傳感器信號(hào)檢測(cè)接口電路框圖。其中，8是載波發(fā)生器；9是傳感器芯片；10是阻抗變換器；11是高通濾波器；12是高頻放大器；13是相敏解調(diào)電路；14是低通濾波器；15是直流放大器；16是輸出端。
以下結(jié)合附圖詳細(xì)說明符合本實(shí)用新型發(fā)明主題的實(shí)施例。
實(shí)施例制作本實(shí)用新型加速度傳感器芯片采用微機(jī)械加工工藝。首先在襯底材料硅片7上生長(zhǎng)金屬材料層并光刻固定測(cè)量叉指電極3和錨點(diǎn)4下的錨區(qū)；然后在測(cè)量電極3和錨點(diǎn)區(qū)上方生長(zhǎng)犧牲層材料，并在相應(yīng)的錨點(diǎn)區(qū)位置開出窗口，使下層的錨點(diǎn)區(qū)暴露出來；再在犧牲層上方涂厚膠并利用深層曝光技術(shù)制作柵狀質(zhì)量塊6的厚膠鑄模；并利用鑄模電鍍金屬鎳、鎳鐵或銅材料的柵狀質(zhì)量塊6和彈性梁5。柵狀質(zhì)量塊6和彈性梁5位于犧牲層上方，且因犧牲層有對(duì)應(yīng)錨點(diǎn)區(qū)窗口，故該結(jié)構(gòu)層將有部分通過犧牲層窗口與錨點(diǎn)區(qū)下的襯底硅片7相連，形成支撐錨點(diǎn)4結(jié)構(gòu)；采用腐蝕液將犧牲層除去，則柵狀質(zhì)量塊6和彈性梁5被懸空釋放，形成可動(dòng)敏感部件，完成本實(shí)用新型加速度傳感器芯片的制作。將芯片與本實(shí)用新型中的，由載波發(fā)生器8、阻抗變換器10、高通濾波器11、高頻放大器12、相敏解調(diào)電路13、低通濾波器14、直流放大電路15和輸出16組成的相應(yīng)電容測(cè)量電路連接便形成本實(shí)用新型加速度傳感器。當(dāng)柵狀敏感質(zhì)量塊6的尺寸為3000微米×3000微米，懸空彈性梁5的支數(shù)為2對(duì)，其長(zhǎng)度為2000微米，寬為10微米，厚為20微米時(shí)，柵狀敏感質(zhì)量塊6分別在9.8米/秒2或98米/秒2加速度作用下，沿X方向移動(dòng)的距離分別為3.8微米和38微米，當(dāng)測(cè)量電極3的叉指寬度為80微米時(shí)，相應(yīng)的電容變化率為9.5％和95％。通過相應(yīng)的高精度電容測(cè)量電路，可測(cè)量出對(duì)應(yīng)的加速度大小及方向。如改變柵狀敏感質(zhì)量塊6和懸空彈性梁5的尺寸結(jié)構(gòu)參數(shù)，則可改變加速度傳感器的測(cè)量范圍，適應(yīng)測(cè)量9.8×10-3米/秒2或小于9.8×102米/秒2的加速度量。
權(quán)利要求1.一種柵結(jié)構(gòu)電容式微型加速度傳感器，包括質(zhì)量塊、測(cè)量電極、質(zhì)量塊與電極構(gòu)成的電容和電容測(cè)量接口電路，其特征在于有兼作可動(dòng)電極的柵狀結(jié)構(gòu)質(zhì)量塊、叉指形測(cè)量固定電極、支撐柵狀質(zhì)量塊的懸空彈性梁和限位錨點(diǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柵結(jié)構(gòu)電容式微型加速度傳感器，其特征在于柵狀結(jié)構(gòu)質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)方向僅為X方向或Y方向。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柵結(jié)構(gòu)電容式微型加速度傳感器，其特征在于有按測(cè)量需要設(shè)置的少于或超過兩對(duì)的懸空彈性梁。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柵結(jié)構(gòu)電容式微型加速度傳感器，其特征在于叉指固定測(cè)量電極由交叉設(shè)置的左右兩組構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柵結(jié)構(gòu)電容式微型加速度傳感器，其特征在于電容變化與所測(cè)加速度呈線性關(guān)系。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柵結(jié)構(gòu)電容式微型加速度傳感器，其特征在于電鍍柵狀質(zhì)量塊和懸空彈性梁的材料為鎳或鎳鐵或銅。
專利摘要本實(shí)用新型是一種尺寸小至毫米量級(jí)的微型柵結(jié)構(gòu)電容式加速度傳感器,主要由兼作可動(dòng)電極的柵狀結(jié)構(gòu)質(zhì)量塊、固定叉指式測(cè)量電極、質(zhì)量塊與測(cè)量電極構(gòu)成的電容、支撐質(zhì)量塊的懸空彈性梁和限位錨點(diǎn)構(gòu)成。其中,質(zhì)量塊僅沿X方向或Y方向運(yùn)動(dòng),具有良好的選擇性。此外,本傳感器中電容可產(chǎn)生較大變化量,配上相應(yīng)測(cè)量接口電路,不但靈敏度高,而且有利于信號(hào)處理。是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,工藝易于實(shí)現(xiàn),線性度好的實(shí)用微型加速度固態(tài)傳感器。
文檔編號(hào)G01P15/125GK2338750SQ9822457
公開日1999年9月15日 申請(qǐng)日期1998年7月14日 優(yōu)先權(quán)日1998年7月14日
發(fā)明者李寶清, 陸德仁, 王渭源 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海冶金研究所