[发明专利]一种具有多个共面电极一体结构的MEMS加速度传感器及其制造方法

说明书

技术领域：

此项发明属于微电子机械领域的一种一体结构的电容式微电子机械系统(MEMS)加速度传感器，此一体结构MEMS加速度传感器具有一个轴线方向柔性扭矩弹簧-质量块悬挂系统，并具有多个同平面电极用于电容测量和静电驱动。该发明涉及两个或多个带有闭环伺服系统的MEMS加速度传感器单元所构成的二维或多维加速度传感器组件。此项发明还提供了用微电子机械加工技术制作此一体结构MEMS加速度传感器的方法。

背景技术：

典型的单轴或一维加速度传感器包括一个加速度敏感元件，即一力学传感器件，和一个电子信号检测、调节及控制电路，从而将机械运动转变成电子信号。其中加速度敏感元件由一个弹簧或多个弹簧质量支撑的机械结构和多个可用于检测质量块位移的电极所组成。一个施加在此机械结构系统上的力或加速度将使质量块产生一个偏离其参照点的位移，而此位移在一定条件下是与所施加的加速度成比例的。电子检测电路将此位移量转变成电子模拟或数字信号。

为了满足线性度、带宽、动态范围、高灵敏度、和低噪声的性能要求，高性能加速度传感器通常设计成带有闭环负反馈系统的力平衡加速度传感器。力平衡加速度传感器的前向电路检测载荷加速度引起的质量块相对于其参照点的位移，反馈电路根据前向电路输出信号产生负反馈静电力并施加于质量块上，以期将质量块拉回到其原参考位置，并保持动态平衡。

加速度传感器可由制造在硅片上的微电子机械系统(MEMS)来实现。现已证明，应用电容检测和静电力反馈电路的MEMS力平衡加速度器在高灵敏度、低噪声、直流响应及带宽等性能上优于其它类型的加速度传感器。这一类加速度传感器可见于美国专利公告书U.S.Pat.No.4,922,756，U.S.Pat.No.4,930,043，U.S.Pat.No.5,095,752，U.S.Pat.No.5,345,824，U.S.Pat.No.5,616,844，U.S.Pat.No.5,652,384，U.S.Pat.No.5,852,242，U.S.Pat.No.6,035,694，U.S.Pat.No.6,805,008等。

图1为一典型的模拟负反馈力平衡MEMS加速度传感器系统框图。此闭环系统包括MEMS加速度传感元件100，由差动电容检测电路101和回路滤波器102组成的前向电路，以及静电力反馈电路103。其前向电路的输出信号即代表加速度信号。

图2为一典型的∑-Δ数字负反馈力平衡MEMS加速度传感器系统框图。其前向电路包括一差动电容检测电路201、回路滤波器202及比较器204。该比较器将滤波器202的模拟输出信号转换成代表加速度的一位二进制数字流信号。反馈电路203根据此二进制数字流信号产生静电力并反馈于质量块，从而使质量块回到其参考位置，并保持动态平衡。

MEMS加速度传感器件可由面微加工或体微加工方法制成。

面微加工MEMS传感器件被制造在单一硅片上。美国专利公告书U.S.Pat.No.5,345,824中的面微加工MEMS加速度传感器即为一例。这种面微加工MEMS加速度传感器通常具有较低的灵敏度和较高的噪声。因此它不能满足许多高精度应用的基本性能要求。

体微加工MEMS传感器件须用多层晶片加工制造而成。此MEMS传感器件可由多层晶片制成三维结构。具有较大质量块的加速度器件拥有较高的灵敏度和较低的噪声。体微加工MEMS传感器件的制造工艺之一是晶片键合(wafer bonding)，该制造工艺复杂，直接影响产品的质量与成本。体微加工MEMS加速度传感器可见于已有技术和美国专利公告书U.S.Pat.No.4,922,756，U.S.Pat.No.4,930,043，U.S.Pat.No.5,095,752，U.S.Pat.No.5,616,844，U.S.Pat.No.5,652,384，U.S.Pat.No.5,852,242，U.S.Pat.No.6,035,694，U.S.Pat.No.6,805,008，U.S.Pat.No.6,829,937，U.S.Pat.No.7,398,683等。

图3为一典型的体微加工MEMS差动电容加速度传感器件示意图。此MEMS传感器件的质量块302由固定在框架结构上的一个或多个弹簧支撑于两个平行电极板301和303之间。当一低于此传感器件结构共振频率的外界加速度施加于此支撑结构上时，引起质量块302偏离原参考位置，而此偏离原参考位置的位移量与所施加的加速度成比例。

由一对平行电极板构成的电容器的电容量C为：