[发明专利]一种三轴电容式MEMS加速度传感器及制备方法

摘要

针对欧美国家垄断和禁运高精度MEMS加速度传感器的问题，本发明提供一种三轴电容式MEMS加速度传感器以及制备方法本发明所述的加速度传感器包括SOI硅基片、加速度敏感质量块单元和玻璃基片。所述加速度敏感质量块单元由水平轴向检测单元和平行板检测单元两部分构成。本发明所述的制备方法，包括备片、第一次光刻、第二次光刻、硅‑玻键合、第三次光刻、沉积高掺杂的多晶硅、第四次光刻、第五次光刻和结构释放九个步骤。有益技术效果是本发明所述的加速度传感器使用了同一个加速度敏感质量块单元，实现对三轴加速度的无交叉干扰检测。具有长期稳定性和较好的可靠性，能满足特种领域对加速度检测的需求。

主权项

一种三轴电容式MEMS加速度传感器，其特征在于：包括SOI硅基片、加速度敏感质量块单元和玻璃基片；所述加速度敏感质量块单元由水平轴向检测单元和平行板检测单元两部分构成；在SOI硅基片的正面设有水平轴向检测单元；所述水平轴向检测单元为定齿偏置式电容传感器，由水平轴向检测单元检测并反馈X轴向的电容信号和Y轴向的电容信号；在SOI硅基片的背面设有凹槽；在凹槽中设有平行板检测单元；在凹槽的底部设有连通孔，由该连通孔导通SOI硅基片的正面与凹槽底面；所述平行板检测单元经连通孔与水平轴向检测单元固定连接；在SOI硅基片的背面固定连接有玻璃基片；即平行板检测单元封装在SOI硅基片背面的凹槽中，且可沿着SOI硅基片上连通孔的方向滑动，检测并反馈Z轴向的电容信号；具体结构如下：所述SOI硅基片包括相互连接的二氧化硅层（302）和下硅层（201）；其中，前述的凹槽设置在下硅层（201）的底面，且该凹槽呈工字形；在凹槽的中部设有凹槽侧敏感质量块（202），在凹槽的两端的宽头处各设有一个平行板下差分电容（203）；平行板下差分电容（203）为矩形块，且与凹槽宽头的形状相匹配；所述平行板检测单元包括：平行板上电极的锚固块（103）、平行板上电极的金属压焊块（104）、平行板上差分电容（113）、下差分电容的锚固块（109）、下差分电容的金属压焊块（110）、凹槽侧敏感质量块（202）、平行板下差分电容（203）；其中，在二氧化硅层（302）的顶面上设有一对平行板上电极的锚固块（103）；所述两个平行板上电极的锚固块（103）分别位于工字型凹槽的两侧，且平行板上电极的锚固块（103）靠近相邻的二氧化硅层（302）的侧边；所述平行板上差分电容（113）呈为矩形块；平行板上电极的锚固块（103）的宽边分别与相邻的平行板上差分电容（113）相连接；在平行板上电极的锚固块（103）的上表面设有平行板上电极的金属压焊块（104）；即平行板差分电容体（113）固定连接在上硅层的表面；还包括下差分电容的连通孔（111）、敏感质量块的连通孔（114）和敏感质量块矩形通孔（403）；其中，在凹槽两端宽头的末端分别开有一个下差分电容的连通孔（111）；所述下差分电容的连通孔（111）内分别配有一个下差分电容连通件（401）；在二氧化硅层（302）的顶面设有四个下差分电容的锚固块（109）；在下差分电容的锚固块（109）的顶面分别设有下差分电容的金属压焊块（110）；在下差分电容的锚固块（109）侧壁上分别设有一根延伸臂；所述延伸臂分别延伸至相邻下差分电容的连通孔（111）的上方；通过下差分电容连通件（401）将下差分电容的锚固块（109）的延伸臂与位于下差分电容的连通孔（111）另一侧的平行板下差分电容（203）固定连接；在凹槽杆身开有两个敏感质量块的连通孔（114）；所述敏感质量块的连通孔（114）位于平行板上差分电容（113）的两侧，且平行板上差分电容（113）靠近同侧的凹槽宽头；所述敏感质量块的连通孔（114）内分别配有一个敏感质量块连通件（402）；在位于两个敏感质量块的连通孔（114）之间的凹槽底部还设有一个敏感质量块矩形通孔（403）；在二氧化硅层（302）的顶面上设有两个水平轴向检测单元；所述水平轴向检测单元分别位于平行板上差分电容（113）的两侧，且相互对称；其中，每个水平轴向检测单元均含有：顶部敏感质量块锚固块（101）、顶部敏感质量块的金属压焊块（102）、X轴向锚固块（105）、X轴向锚固块的金属压焊块（106）、Y轴向锚固块（107）、Y轴向锚固块的金属压焊块（108）、可动平行板电容上电极（112）、X轴向固定梳齿（115）、X轴向可动梳齿（116）、Y轴向固定梳齿（117）、Y轴向可动梳齿（118）、L型支撑弹簧梁（119）、顶部敏感质量块（120）、顶部敏感质量块X轴向凸块（121）和顶部敏感质量块Y轴向连杆（122）；其中，可动平行板电容上电极（112）为矩形块；可动平行板电容上电极（112）的宽度方向的侧壁分别与一个顶部敏感质量块X轴向凸块（121）的一端相连接；所述顶部敏感质量块X轴向凸块（121）呈T型；在顶部敏感质量块X轴向凸块（121）的另一端的端面上设有一组Y轴向可动梳齿（118）；在靠近Y轴向可动梳齿（118）的二氧化硅层（302）的顶面上固定连接有Y轴向锚固块（107）；在朝向Y轴向可动梳齿（118）一侧的Y轴向锚固块（107）侧壁上设有一组Y轴向固定梳齿（117）；所述Y轴向固定梳齿（117）与Y轴向可动梳齿（118）相互交叉；在Y轴向锚固块（107）的顶部设有Y轴向锚固块的金属压焊块（108）；所述顶部敏感质量块（120）为矩形块；在顶部敏感质量块（120）的一条长度方向的侧壁上设有两根顶部敏感质量块X轴向凸块（121），所述顶部敏感质量块X轴向凸块（121）分别与相邻的顶部敏感质量块X轴向凸块（121）相连接；在顶部敏感质量块（120）的另一条长度方向的侧壁上设有X轴向可动梳齿（116）；在靠近X轴向可动梳齿（116）的二氧化硅层（302）的顶面上固定连接有X轴向锚固块（105）；在朝向X轴向可动梳齿（116）一侧的X轴向锚固块（105）侧壁上设有X轴向固定梳齿（115）；所述X轴向固定梳齿（115）与X轴向可动梳齿（116）相互齿合；在X轴向锚固块（105）的顶部设有X轴向锚固块的金属压焊块（106）；在顶部敏感质量块（120）的两条宽度方向的侧壁上各设有一根顶部敏感质量块锚固块（101），所述顶部敏感质量块锚固块（101）的底部与二氧化硅层（302）相连接，顶部敏感质量块锚固块（101）的顶部设有顶部敏感质量块的金属压焊块（102）；可动平行板电容上电极（112）的底面与相邻的敏感质量块连通件（402）的端部相连，敏感质量块连通件（402）的另一端与凹槽侧敏感质量块（202）相连；即两个水平轴向检测单元均与凹槽侧敏感质量块（202）相连接；玻璃基片为一块玻璃片（400）；所述玻璃片（400）与下硅层（201）的底面形状相同，且与平行板下差分电容（203）的外侧端面、下硅层（201）的底面固定连接；将凹槽侧敏感质量块（202）的Z向移动距离限制在凹槽底部至玻璃片（400）之间；在水平轴向检测单元上设有结构释放孔（301）；所述结构释放孔（301）为贯穿的矩形或圆形小孔；结构释放孔（301）均布于可动平行板电容上电极（112）、顶部敏感质量块（120）、顶部敏感质量块X轴向凸块（121）和顶部敏感质量块Y轴向连杆（122）的表面，在提高水平轴向检测单元的机械强度与韧性的同时，一方面降低水平轴向检测单元的自重，另一方面提高对电容变化量的敏感性。