[发明专利]一种新型梳齿电极板微加速度计及其制作方法

说明书

本发明公开了一种包含新型梳齿电极板的微加速度计。本发明中的微加速度计由下列部分组成：硅层的锚点、质量块，U型梁、栅形电极、驱动器锚点，驱动器U型梁，驱动器块、改进梳齿极板，防吸合固定质量块；衬底层；铝电极层。可动的栅形电极和固定极板的梳齿电极形成了电容对，在梳齿结构电极板上刻蚀凹槽可以有效减小阻尼，在对凹槽的具体结构做了理论分析和仿真验证之后，继续优化了凹槽的间距、形状等结构，所设计的微加速度计比传统的具有更低的压膜阻尼、更好的抗噪声性能，更高的品质因数，从而优化了微加速度计的综合性能。

技术领域

本发明涉及一种微机械电容式加速度传感器，具体一种新型梳齿电极板微加速度计及其制作方法，属于微电子技术领域。

背景技术

MEMS 加速度传感器有许多种分类方法。通常根据采用敏感信号的不同，将加速度传感器分为：压阻式、电容式、压电式、隧道电流式和谐振式。其中电容式加速度传感器是利用被测物理量转换成电容的变化进行测试的，是使用最为广泛的测量方式之一。它的检测原理基于平行极板电容，当外部给予压力、加速度、流量等变化量时，平行板的可动部分会根据外界作用力发生相应的变化，板间距或者正对面积就会随之发生变化，因此电容也发生变化。只需要测得电容的变化量，就能够反推出外部作用力的具体值。电容式加速度计又分为几种类型，如悬臂梁式硅微加速度传感器，这种结构精度高、密闭性好，但是加工难度较大。本文所设计的电容式加速度计为梳齿式结构，其典型代表为美国 AD 公司的 ADXL系列，这种加速度传感器特点明显：既有开环控制又有闭环控制，梳齿式结构加工工艺与集成电路加工工艺兼容性非常好，还可以轻松实现单片集成。

MEMS加速度计的加工工艺不仅包括IC电路加工工艺，同时也使用了微加工工艺。目前主流的 MEMS 加工工艺有硅微机械加工工艺，其又分成表面加工技术和体加工技术，体微加工技术又包括干法刻蚀和湿法刻蚀两种。除此之外，还有LIGA加工工艺，SOI工艺技术等。

为了得到精度更高、性能更好的微加速度计，压膜阻尼和滑膜阻尼是两个重要的优化参数，高阻尼带来热损耗和噪声，影响器件性能；对于变间距式电容器，主要噪声来源是压膜阻尼。压膜阻尼可以通过减小空气阻尼的方法，从而减小机械噪声。对于减小空气阻尼，现有理论已经证明对极板刻蚀凹槽是一种有效的方法，因为刻蚀凹槽在结构上增大了极板间距，从而减少了阻尼；但是具体的间距，刻蚀的凹槽理想结构等目前是少有深入研究的。根据最近的研究理论和提出的新模型，凹槽的不同结构又对减小压膜阻尼有着不同的影响，因此可以优化凹槽的结构，形状，周长等，进一步达到减小空气阻尼的效果。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足、来进一步的减少加速度计的压膜阻尼以及机械噪声，从而提高传感器性能。在压膜空气阻尼新模型的研究基础上，提供一种具有减少压膜阻尼，提高传感器性能的加速度计，改进了梳齿电极板结构，同时提供该加速度计的制作方法。该加速度计制作完成后，能具有更小的压膜阻尼，更好的抗噪声表现和更高的灵敏度以及更高品质因数。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。

一种新型梳齿电极板微加速度计，结构包括质量块、U型梁、锚点、栅形电极板、驱动器锚点，驱动器U型梁、驱动器块、驱动器电极板，还有底部的电极层、衬底和掩膜层。所述的质量块，U型梁和锚点，以及中间部分的栅形电极，它们共同组成了传感器的可动敏感质量块部分；每条栅形条与下面电极层中的每对叉指互相对应；可动敏感质量块两侧的上下两端引伸出电极板，一共有4部分，分别与固定的驱动器电极板构成了梳齿电容结构；刻蚀的凹槽结构就位于固定极板上。在每个驱动器块中间，留有一定的空间给防吸合阻挡块。防吸合阻挡块与周围的间距应小于极板间距，目的是在正对极板吸合前就‘抵住’固定块，防止吸合的情况发生。每个驱动器都设有锚点和U型弹性梁结构，锚点和U型梁也与底部电极层连接。锚点可以起到支撑作用，还设置有多个外部驱动电流引入点，并在对应外部驱动电流引入焊点间设置有金属驱动导线，用于连接外部电路。