[发明专利]具有缓冲结构的扭摆式差分电容加速度计及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子机械系统的微惯性测量领域，具体涉及一种具有缓冲结构的扭摆式差分电容加速度计及制备方法。

背景技术

微机械电容式加速度计自问世以来就以结构简单、输出稳定、温度漂移小、灵敏度高、动态特性好、抗过载能力大、体积小、质量小、检测方法简单、后端处理电路集成、方便大规模产业化等优势而受到越来越广泛的关注，目前的微机械电容式加速度计主要有三种结构：三明治摆式加速度计结构、梳齿式微加速度计和扭摆式加速度计。

其中，扭摆式加速度计，其因敏感质量块绕着弹性梁扭转形似跷跷板而得名，当存在垂直于质量块的加速度输入时，质量块将绕着支撑梁扭转，从而使相应的一对差动电容一个增大一个减小，测量差动电容值即可得到沿敏感轴输入的加速度；扭摆式加速度计结构比较简单，且能进行较大加速度值的测量；如美国Silicon Design公司所生产的Model2440系列扭摆式加速度计，其敏感元件采用扭摆式差分电容结构，该加速度计在玻璃基板上制作有力反馈平衡结构，两个轴对称布置的敏感结构可以抵消温度等共模因素的影响，该加速度计的量程为±25g，非线性度0.5％，噪声38ug/Hz，具有很好的适用性。

随着微电子机械系统的微惯性测量领域的发展，对加速度计的稳定性、测量精度要求也越来越高；通常微机械方面使用的加速度计尺寸较小，所以形成的电容量是非常微弱的，在工程使用中经常被干扰噪声淹没，更谈不上达到较高精度了；目前的硅-玻璃键合工艺已经非常成熟，在MEMS器件加工中被大量采用，但由于玻璃衬底及硅结构材质差异，热膨胀系数很难完全匹配，因此，在加速度计工作时，当外界温度发生变化，外支撑框架和玻璃衬底由于热膨胀系数不同，会发生形变；由温度漂移引起的形变会直接传导到质量块上，导致质量块结构变形，最终影响测量的稳定性和精确度。

MEMS加速度计的结构制备工艺主要分为干法腐蚀和湿法腐蚀两大类。干法腐蚀一般利用等离子体与材料发生化学反应或者轰击材料表面，实现对材料的腐蚀，干法腐蚀可实现较高的深宽比，不受材料晶向的限制，但是干法腐蚀往往会破坏材料晶格，引入较大应力从而导致器件产生较大的温度漂移；此外，干法腐蚀设备比较昂贵，工艺复杂。湿法腐蚀是通过化学溶液对材料进行腐蚀的方法，选择性高，均匀性好，对硅片损伤小，成本较低，但是湿法腐蚀的图形受晶向的严格限制，已有报道采用湿法腐蚀工艺制作MEMS加速度计，但大都采用重掺杂自停止腐蚀，利用不同掺杂浓度的硅材料腐蚀速率的不同，来制作硅结构。但是，重掺杂也会破坏硅材料的晶格，带来的较大的内应力，影响加速度计的温度漂移特性和工作稳定性。

发明内容

本发明旨在提供一种结构简单、测量精度高、输出稳定、制备工艺简单的具有缓冲结构的扭摆式差分电容加速度计。

为此，本发明所采用的技术方案为：一种具有缓冲结构的扭摆式差分电容加速度计，包括玻璃衬底、硅结构和电极，所述硅结构包括质量块、矩形的内支撑框架、缓冲折叠梁和矩形的外支撑框架，所述质量块与内支撑框架之间留有活动间隙，并通过两个弹性梁连接，两个弹性梁相对于质量块的第一中心线对称设置，并偏离质量块的第二中心线；所述内支撑框架与外支撑框架的每条对应边通过缓冲折叠梁连接；所述玻璃衬底与外支撑框架键合，所述电极设置于玻璃衬底上，包括两个测量电极和一个激励电极，所述测量电极设置于质量块下方，所述激励电极设置于玻璃衬底和外支撑框架的键合处，并且与玻璃衬底和外支撑框架均接触。

进一步地，所述缓冲折叠梁为“宝盖头”折叠梁，所述“宝盖头”折叠梁左右两端的脚支架与内支撑框架对应边连接，头部支架与外支撑框架对应边连接，并且“宝盖头”折叠梁脚支架的中心线与内支撑框架对应边的中心线重合；“宝盖头”折叠梁的设置大大减少了外部应力对内部结构的影响，同时，也减小了两个正交非敏感方向应力对质量块的影响，当外支撑框架上由温度漂移产生形变时，由于内支撑框架和“宝盖头”支撑梁的应力隔离作用，形变最终不会传导到质量块上，可保证测量的稳定性和精确性。

进一步地，所述内支撑框架的宽度至少为缓冲折叠梁宽度的两倍，可以使整个加速度计达到更好的抗干扰效果，减少内部或外部应力对检测的影响。

更进一步地，所述质量块下方的两个测量电极在两个弹性梁连线的两侧对称设置，可以产生静电反馈力，在测量结束后，使质量块回到零位附近。

在上方案的基础上，两个所述弹性梁的连线与内支承框架对应边的中心线重合，能更好地保证加速度计输出的稳定性和准确性。

同时，本方案还提供一种具有缓冲结构的扭摆式差分电容加速度计的制备方法，包括：