[发明专利]嵌入可动电极的微惯性传感器及其制作方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子机械技术领域，涉及一种微机械电容式惯性传感器，具体涉及一种电磁驱动嵌入可动梳齿和栅形电极的微惯性传感器及其制作方法。

背景技术

最近十几年来，用微机械技术制作的加速度计得到了迅速的发展。其主要的加速度检测技术有压阻检测、压电检测、热检测、共振检测、电磁检测、光检测、隧道电流检测和电容检测等。此外，还有一些基于别的检测技术的加速度计，如光加速度计、电磁加速度计、电容加速度计等。光加速度计的发展主要是为了结合光和微机械的优点，制作高电磁屏蔽或者好线性度的传感器。在这些传感器中，电容式加速度传感器，由于具有温度系数小，灵敏度高，稳定性好等优点，是目前研制得最多的一类加速度传感器。

微机械电容式传感器的制作方法有表面微机械加工方法和体硅微机械加工方法。采用表面微机械加工工艺可以和集成电路工艺兼容，从而集成传感器的外围电路，成本低，但是传感器的噪声大、稳定性差，量程和带宽小。采用体硅微机械加工工艺可以提高传感器芯片的质量，从而降低噪声，改善稳定性，提高灵敏度，可以制作出超高精度的微机械惯性传感器。缺点是体积稍大。为了得到较高的测量灵敏度和减小外围电路的复杂性，可以通过增加传感器振子的质量和增大传感器的静态测试电容的方法，从而减小机械噪声和电路噪声。而对于用体硅工艺如深反应粒子刻蚀(Deep RIE)加工的梳齿状的电容式传感器，其极板电容的深宽比一般小于30∶1，这就限制了传感器振子的质量增加和极板间距的减小。而对于小间距极板电容，其压膜空气阻尼较大，增大了传感器的机械噪声。减小该机械噪声的方法一是可以通过在极板上刻蚀阻尼条，一是把电容改为变面积的方式，使阻尼表现为滑膜阻尼，而减小电子噪声的方法之一便是通过增大检测电容。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种电磁驱动嵌入可动梳齿和栅形电极的微惯性传感器，同时提供该传感器的制作方法。该微惯性传感器能有效地测量X或Y方向上的微小加速度信号或振动信号。

本发明的嵌入可动电极的微惯性传感器包括玻璃衬底、一个可动敏感器质量块、四个固定质量块。

可动敏感器质量块为矩形，由可动敏感器质量块的边沿向中心对称开有三对通槽，其中一对通槽位于可动敏感器质量块的中部，另外两对分别位于接近可动敏感器质量块的两个端部的位置，三对通槽将可动敏感器质量块分为四个部分，分别是两端的两个固定部分和中间的两个可动部分。可动敏感器质量块的两个固定部分通过U形硅支撑梁与敏感器锚点连接，每个敏感器锚点上设置有两个焊点。可动敏感器质量块的可动部分的两侧对称设置有可动硅条组，每组可动硅条包括平行设置的n条可动硅条，n≥1，可动硅条与可动敏感器质量块侧边垂直。可动敏感器质量块的可动部分刻蚀有与可动硅条平行的栅条。两个可动部分连接处开有工字形槽，沿可动部分与固定部分之间的四个通槽的边沿开有U形槽，相对的两个U形槽通过直线槽连通。

四个固定质量块分别对称设置在可动敏感器质量块可动部分的两侧，一个可动部分两侧的两个固定质量块通过设置在玻璃衬底表面上的引线连接。每个固定质量块包括n根平行设置的梳齿状检测硅条，梳齿状检测硅条通过固定梁连接，n根梳齿状检测硅条与对应的n条可动硅条交叉设置。

可动敏感器质量块可动部分的U形槽与栅条之间设置有金属驱动导线。金属导线的一端焊点设置在敏感器锚点上，另一端与金属驱动导线的一端连接。金属导线沿U形硅支撑梁、可动敏感器质量块固定部分的边沿、U形槽的边沿设置，金属导线和可动质量块间设置有绝缘层。

玻璃衬底表面对应可动敏感器质量块设置有叉指铝电极，铝电极焊点分别与叉指铝电极连接，可动敏感器质量块上刻蚀的每条栅形条与叉指铝电极中的每对叉指相对应；在玻璃衬底上对应敏感器锚点的位置上设置有金属敏感器焊点，实现敏感器和外部封装的连接。

制作该微惯性传感器的具体步骤是：

(1)在玻璃衬底上通过蒸发或者溅射铝，并用光刻胶作为掩膜层，用浓磷酸溶液腐蚀铝，形成叉指铝电极和铝连接线，以及敏感器焊点；

(2)选取双面抛光的低电阻率的硅片，氧化后，在一面光刻形成敏感器质量块、带吸合凸起的可动质量块和固定质量块上检测硅条的悬浮区域，并用氧化层作为掩膜层，用氢氧化钾溶液腐蚀硅片形成凹槽，然后去除掉该面的氧化硅，同时保留另一面的氧化层以做为质量块和驱动导线的绝缘层；

(3)硅片的有凹槽面和玻璃片上有铝电极面键合，硅片的有凹槽面和玻璃片键合，键合温度为T，键合电压为V，360℃≤T≤400℃，600v≤V≤1000v；