[发明专利]对称组合弹性梁结构电容式微加速度传感器及制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及对称组合弹性梁结构电容式微加速度传感器，属于微电子机械系统领域。

背景技术

微机电系统的发展，极大地推动了传感器技术的进步，实现了加速度传感器的微型化。利用微机械加工工艺制作的电容式加速度传感器在测量精度、温度特性、利用静电力进行闭环测量和自检及易与电子线路集成等方面具有的优点，可广泛应用于石油勘探、地震监测、医疗仪器、航空航天、武器装备等许多领域，具有广阔的市场应用前景。

常见的微机械加速度传感器按敏感原理分主要有压阻式、压电式和电容式三种。压电式加速度传感器的基本原理利用压电效应，通过测量压电效应产生的电压变化来感知加速度的。这种加速度传感器的结构比较简单，但难以测量常加速度，温度系数较大，线性度也不好。压阻式微加速度传感器利用的是压阻效应，将外界加速度的变化转化为压阻材料两端检测电压值的改变，其具有的优点是：结构简单，接口电路易于实现，缺点是温度系数比较大，对温度比较敏感。

电容式微加速度传感器的基本原理就是将外界加速度的变化转化为电容的变化。电容式微加速度传感器一般由弹性梁支撑的质量块作为可动电容极板，分别与两侧的固定电容极板构成差分检测电容。当外界加速度作用于质量块时，弹性梁变形引起质量块产生位移，导致差分检测电容的变化，用外围的接口电路检测出电容的变化量进而就可以测量加速度的大小。

电容式加速度传感器相对于压阻式或压电式而言，具有很高的灵敏度和检测精度、稳定性好、温度漂移小，而且有良好的过载保护能力，能够利用静电力实现反馈闭环控制，可显著提高传感器的性能。

制作电容式微加速度传感器的方法有表面微机械加工方法和体微机械加工方法。采用表面微机械加工方法制作电容式加速度传感器的好处在于与集成电路工艺兼容，可以集成信号处理电路，成本低，但也存在噪声大、分辨率较低、动态范围小、稳定性差等缺点。而采用硅体微机械加工方法制作电容式加速度传感器的优点在于噪声小、分辨率高、动态范围大、稳定性好等优点，缺点是体积稍大。

一般的硅体微机械加工方法制作的电容式加速度传感器用弹性梁支撑的质量块上、下表面做可动电极，然后再在硅片的上、下面各键合一个硅片或玻璃片，其上对应于质量块电极的部分也制作电极，与质量块上的电极形成差分电容。但通常这种结构的弹性梁与敏感质量块中心不在同一平面内，会造成较大的交叉灵敏度，即非敏感方向上的加速度信号也会引起较大的输出。为了抑制交叉灵敏度，本发明提出一种对称组合弹性梁结构电容式加速度传感器，将两块硅片分别单面腐蚀质量块图形后再进行硅硅键合，双面刻蚀形成双面都有组合弹性梁的中心质量块，能显著减小器件的交叉灵敏度，使器件的可靠性更高，是一种高性能的电容式微加速度传感器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对称组合弹性梁结构电容式微加速度传感器及其制作方法，是一种能显著抑制交叉灵敏度、高性能的微机械加速度传感器。

本发明提供的对称组合弹性梁结构电容式微加速度传感器，包括一个对称的中心质量块、外部支撑框架、中心质量块与外部支撑框架相连接的对称组合弹性梁结构以及上、下盖板，其特征在于：

(1)中心质量块由顶端质量块和底端质量块组成，组合弹性梁结构是由对称的顶端组合弹性梁和底端组合弹性梁组成，外部支撑框架由上下对称的顶端支撑框架和底端支撑框架组成；

(2)中心质量块作为检测电容的可动电极，上、下盖板分别作为检测电容的固定电极，上、下盖板位于可动电极的上、下两面；

(3)组合弹性梁结构由八根对称直弹性梁、两个对称框架梁、八根对称L梁连接在一起构成的；

(4)组合弹性梁结构的一端连接在中心质量块侧面顶端和底端的中间或顶角，另一端连接在外部支撑框架内侧面；也即所述的组合弹性梁是依次由直弹性梁、框架梁和L梁连接组成的；其中L梁的一端与框架梁相连接，另一端连接在外部支撑框架的任意位置，直弹性梁的一端与框架梁中间相连接或与框架梁的一个顶端相连接；前者，直弹性梁的另一端连接在中心质量块侧面的中间，后者，直弹性梁的另一端连接在中心质量块的侧面顶角；

(5)中心质量块电极引线金属块位于外部支撑框架上表面，上盖板电极引线金属块位于上盖板的上表面，下盖板电极引线金属块位于下盖板的下表面；

(6)电容间隙分别制作在上盖板的下表面和下盖板的上表面；

(7)过载保护限位块分别制作在上盖板的下表面和下盖板的上表面电容间隙内；质量块电极引线间隙制作在上盖板的下表面上。