[发明专利]一种全金属电容极板微加速度传感器

说明书

技术领域

 本发明属于微电子机械系统领域，具体涉及一种全金属电容极板微加速度传感器，与CMOS具有良好的兼容性，该器件通过氧化层控制电容间隙，可以灵活调整灵敏度，封装采用更可靠的热压键合。

背景技术

对于电容式微加速度传感器，保证极板间电容间隙的一致性是非常重要的，一般采用湿法腐蚀的方法制作极板间隔，但是腐蚀液和腐蚀条件的不一致，如腐蚀液浓度、腐蚀温度等条件的变化会导致腐蚀结果有很大变化，直接导致较小电容间隙难以精确控制。

为保护电容使微加速度传感器免受外界外界环境的污染，使传感器结构保持稳定，需对其进行封装处理。封装要保证不影响传感器的性能，引线和安装可靠，且简单易实现，便于批量生产，目前的封装主要采用键合完成。若键合材料不同，热膨胀系数不同，键合时必然会引入残余应力，这种情况下必须考虑温度对传感器性能的影响。若键合时需要加高电压，会存在强烈的静电引力，因电容式微传感器包含可动部分，可能会出现中间极板与上或下极板粘连，破坏传感器结构。另外，考虑MEMS与CMOS的兼容性，最优的电容式微加速度传感器必然是全金属结构的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全金属电容极板微加速度传感器，传感器为三层结构，电容极板间距离由氧化硅厚度决定，可以精确控制微加速度传感器的灵敏度，且工艺简单易操作，重复性强，易于实现批量化。电容极板为全金属结构，封装采用金-金热压键合，无需加电压，可以避免因电压使两块极板粘结造成的微结构损坏，且用于键合的材料相同，可以避免因热膨胀系数不同而引入的残余应力。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明的全金属电容极板微加速度传感器，其特点是，所述的传感器包括上固定极板、下固定极板、动极板；其中，动极板含有锚点、悬臂梁、质量块、上表面动电极、下表面动电极、锚点上键合面、锚点下键合面、上传输电极、下传输电极、框架、引线盘。上固定极板含有上限位凸台、上键合面、上引线盘、上基板。下固定极板含有下限位凸台、下键合面、下引线盘、下基板。其连接关系是，所述的锚点与锚点上键合面、锚点下键合面分别固定连接；所述的锚点与悬臂梁固定连接；所述的锚点与框架、引线盘分别固定连接。所述的悬臂梁与上传输电极、下传输电极分别固定连接；所述的悬臂梁与质量块固定连接。所述的质量块与上表面动电极、下表面动电极分别固定连接。所述的上固定极板与上限位凸台固定连接。所述的上限位凸台与上键合面固定连接。所述的上引线盘与上基板固定连接。所述的下固定极板与下限位凸台固定连接。所述的下限位凸台与下键合面固定连接。所述的下引线盘与下基板固定连接。所述的动极板与上固定极板、下固定极板分别通过键合连接。

所述的动极板与上固定极板、下固定极板之间的上间隙、下间隙分别通过上限位凸台、下限位凸台设置。

所述的动极板与上固定极板通过锚点上键合面、上键合面固定连接。

所述的动极板与下固定极板通过锚点下键合面、下键合面固定连接。

所述的上表面动电极、下表面动电极、锚点上键合面、锚点下键合面、上传输电极、下传输电极、上键合面、下键合面、上固定电极与下固定电极厚度均相同。

 

本发明的全金属电容极板微加速度传感器，当沿器件法线方向的加速度作用于器件时，惯性力使质量块发生偏移，导致上下两个电容发生变化，产生电容差，得到控制电压，再反馈到施力电极，产生的静电力作用于质量块上，质量块回到原来的位置。反馈电压与被测加速度存在一定关系，从而测出加速度。

本发明的全金属电容极板微加速度传感器其优点是：

1. 电容上、下两个极板均为全金属平面结构，与硅-硅面电容和硅-金属面电容相比更接近于理想电容。

2. 设计的电容式微加速度传感器为全金属结构，可以与CMOS兼容。

3. 采用金-金热压键合。热压键合无需加电压，避免因电压使两块极板粘结造成的微结构损坏。

4．键合需要在高温下进行，相同金属材料键合可以避免因不同材料热膨胀系数不同而引入的残余应力，不用考温度对灵敏度的影响。

5. 采用氧化层控制电容极板间距。用硅表面生长氧化层代替腐蚀硅来制作质量块动电极和上、下固定电极之间的间隔，可以通过控制氧化硅生长厚度精确控制电容间隙，实现了微小电容间距的制作，可以灵活控制灵敏度，且工艺实现简单，利于批量生产。

6. 上、下固定电极制作在低阻硅表面，且动极板和上、下固定极板为全金属结构，引线操作简单。