[发明专利]一种机电耦合的电容式加速度传感器

说明书

本发明公开了一种机电耦合的电容式加速度传感器，该传感器整体呈现上下对称结构，包括上盖板、敏感单元和下盖板；所述上盖板与敏感单元之间、敏感单元与下盖板形成多层结构；敏感单元由敏感单元框架、敏感质量块和悬臂梁组成；敏感质量块的一端与悬臂梁相连，组成敏感单元的可动部分；敏感单元框架和盖板的介电屏蔽层连接；上盖板内的电容上极板和敏感质量块的上表面之间形成上电容间隙；下盖板内的电容下极板和敏感质量块的下表面之间形成下电容间隙。本发明解决现有电容式加速度传感器的在辐照环境下的电压漂移问题，为一种高可靠性、高精度、性能稳定的高精度加速度传感器。

技术领域

本发明涉及微机械传感器技术领域，涉及一种机电耦合的电容式加速度传感器。

背景技术

电容式微机械加速度传感器是一种以半导体硅为主要材料，基于电学测量技术，利用MEMS制造工艺加工的加速度传感器，是目前研究最广泛的微纳加速度传感器之一。

实际测量中，需要建立加速度与敏感质量块相对位移、敏感电容、输出电压之间的关系，进而检测加速度信号。而由于采用全硅结构，边框氧化层的存在经常会导致较大的寄生电容，寄生电容也参与了电容检测。CN112285383公开了一种微机械加速度传感器，其上下盖板包括绝缘氧化层，该绝缘氧化层在在空间带电粒子和射线的照射下存在充电效应，可能产生寄生电荷，具体包括氧化层中的陷阱电荷与Si-SiO2界面处的界面态电荷。寄生电荷的存在影响力电传输模型，导致加速度传感器物理模型变化，带来加速度传感器的输出漂移，使得加速度传感器测量可靠性较差，机电耦合效率较低。为了保证电容式加速度传感器性能稳定性与可靠性，通常的做法包括优化接口电路、对氧化层进行掺杂和H₂氛围退火等。这些做法虽然能够在一定程度上减少寄生电容的影响，但由于无法定量分析寄生电容大小从而无法从根本上消除寄生电容的影响。故当前急需提出一种电容式微机械加速度传感器，解决目前加速度传感器中辐照条件下的寄生电容问题，实现MEMS加速度计优良的机电耦合特性。

发明内容

基于现有技术中存在的缺陷和不足，本发明提供一种基于SOI(silicon oninsulator，绝缘体上单晶硅薄膜)的机电耦合电容式加速度传感器，解决了现有电容式加速度传感器由于边框氧化层寄生电容问题导致应用在空间环境时输出漂移的问题，是一种性能稳定、高可靠性的高精度加速度传感器。具体采用如下技术方案：

一种机电耦合的电容式加速度传感器，该传感器整体呈现上下对称结构，包括上盖板、敏感单元和下盖板；其中，所述上盖板由电容上极板、上盖板氧化层和上盖板介电屏蔽层三部分组成，下盖板由电容下极板、下盖板氧化层和下盖板介电屏蔽层三部分组成，所述上盖板与敏感单元之间、敏感单元与下盖板之间分别通过键合连接在一起，形成多层结构；敏感单元由敏感单元框架、敏感质量块和悬臂梁组成；敏感质量块的一端与悬臂梁相连，组成敏感单元的可动部分；敏感单元框架和盖板的介电屏蔽层连接，实现敏感单元与上盖板、下盖板的连接；上盖板内的电容上极板和敏感质量块的上表面分别作为上电容的上极板、上电容的下极板，上盖板内的电容上极板和敏感质量块的上表面之间形成上电容间隙；敏感质量块的下表面和下盖板内的电容下极板分别作为下电容的上极板、下电容的下极板，下盖板内的电容下极板和敏感质量块的下表面之间形成下电容间隙。

进一步，所述上盖板为SOI结构加工而成，上盖板介电屏蔽层为SOI结构中的单晶硅结构层；所述下盖板为SOI结构加工而成，下盖板介电屏蔽层为SOI结构中的单晶硅结构层。

进一步，所述上盖板氧化层、下盖板氧化层的厚度均为500nm左右。

进一步，所述敏感质量块、悬臂梁和敏感单元框架均采用单晶硅材料通过微纳工艺制备而成。

进一步，所述敏感单元框架部分的边框部分采用单晶硅材料制备而成，其设有台阶部分。