基于邊緣效應(yīng)的帶自我標(biāo)定的電容式微慣性傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于邊緣效應(yīng)的含自我標(biāo)定功能的微慣性傳感器?，F(xiàn)有的帶自我標(biāo)定功能的傳感器標(biāo)定范圍小。本發(fā)明中敏感器質(zhì)量塊為刻蝕有柵條形井的矩形硅片，四對(duì)應(yīng)端通過硅支撐梁與錨點(diǎn)連接，四對(duì)應(yīng)端分別設(shè)置有數(shù)量相同、位置對(duì)應(yīng)的矩形硅條。敏感器質(zhì)量塊連接的梳型硅條與固定檢測(cè)硅條，以及柵形電極和襯底表面的柵形鋁電極組成檢測(cè)電容。當(dāng)在質(zhì)量塊敏感方向上加載加速度信號(hào)時(shí)，敏感器質(zhì)量塊上硅條組切割襯底邊緣電場(chǎng)的電場(chǎng)線，從而襯底邊緣電容發(fā)生變化，通過檢測(cè)微慣性傳感器的電容變化最終來檢測(cè)所加載的加速度的大小。本發(fā)明增大了振子質(zhì)量，減少了吸合現(xiàn)象，減小了布朗噪聲；增大了檢測(cè)電容，減小了壓膜空氣阻尼。
【專利說明】基于邊緣效應(yīng)的帶自我標(biāo)定的電容式微慣性傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于微電子機(jī)械【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種微慣性傳感器，具體涉及一種基于邊 緣效應(yīng)的含自標(biāo)定功能的高精度微慣性傳感器。

【背景技術(shù)】
[0002] 加速度傳感器面世后一直作為最重要的慣性儀表之一，用在慣性導(dǎo)航和慣性制導(dǎo) 系統(tǒng)中，與海陸空天運(yùn)載體的自動(dòng)駕駛及高技術(shù)武器的高精度制導(dǎo)聯(lián)系在一起而受到重 視。微機(jī)械加速度傳感器以其重量小、成本低、功耗低、體積小、過載能力強(qiáng)、易集成及可批 量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，不僅成為一些高科技武器中微型慣性測(cè)量組合（MMU)的核心元件，在商用 和民用領(lǐng)域也同樣有著廣闊的市場(chǎng)，例如車輛控制、通用航空、玩具、高鐵、工業(yè)、探礦等。傳 統(tǒng)的高精度加速度傳感器，常用機(jī)械振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行標(biāo)定，這種方法能夠真實(shí)的模擬加速度傳 感器的工作環(huán)境，精度比較高，是最可靠的方法。但是這種振動(dòng)臺(tái)不僅價(jià)格昂貴，而且標(biāo)定 效率低下。微機(jī)械傳感器由于大批量生產(chǎn)，振動(dòng)臺(tái)逐個(gè)標(biāo)定的方法弊端更加明顯，無法滿足 批量標(biāo)定的要求。后來陸續(xù)有人研究用靜電力對(duì)傳感器進(jìn)行自標(biāo)定，代替外界加速度產(chǎn)生 的慣性力，可以降低成本，提高標(biāo)定效率。本發(fā)明提供一種基于邊緣效應(yīng)的帶自標(biāo)定結(jié)構(gòu)的 雙向微慣性傳感器，通過梳齒間的電壓產(chǎn)生靜電力，模擬外界加速度產(chǎn)生的慣性力，驅(qū)動(dòng)質(zhì) 量塊發(fā)生偏移。同時(shí)，利用電容間邊緣效應(yīng)的變化實(shí)現(xiàn)質(zhì)量塊偏移量的檢測(cè)。本發(fā)明采用 體硅微機(jī)械加工工藝，同時(shí)，質(zhì)量塊的柵型結(jié)構(gòu)不完全刻穿以進(jìn)一步提高傳感器的質(zhì)量，從 而降低機(jī)械噪聲，改善穩(wěn)定性，提高靈敏度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明目的在于提供一種基于邊緣效應(yīng)的帶自標(biāo)定結(jié)構(gòu)的雙向微慣性傳感器。
[0004] 本發(fā)明提供的電容式微慣性傳感器包括玻璃襯底、敏感器質(zhì)量塊和固定檢測(cè)硅 條。
[0005] 敏感器質(zhì)量塊上設(shè)置有兩組用于X方向敏感檢測(cè)的柵形硅條組和兩組用于Y方向 敏感檢測(cè)的柵形硅條組，用于X方向敏感檢測(cè)的硅條組和用于Y方向敏感檢測(cè)的硅條組成 田字形交錯(cuò)排列。敏感器質(zhì)量塊的四對(duì)應(yīng)端通過敏感器U型硅支撐梁與敏感器錨點(diǎn)連接， 敏感器錨點(diǎn)固定設(shè)置在玻璃襯底上。
[0006] 玻璃襯底上設(shè)置有四組差分檢測(cè)模塊，分別為兩個(gè)X方向的檢測(cè)模塊和兩個(gè)Y方 向的檢測(cè)模塊，所述的檢測(cè)模塊為玻璃襯底上的薄鋁電極，鋁電極厚度遠(yuǎn)小于鋁電極之間 的間距。
[0007] 敏感器質(zhì)量塊上的兩組用于X方向敏感檢測(cè)的柵形硅條組在玻璃襯底上設(shè)置的 兩組X方向檢測(cè)鋁電極的正上方，且數(shù)量相同、位置對(duì)應(yīng)，構(gòu)成兩組X方向差分檢測(cè)電容。差 分檢測(cè)電容的兩組鋁電極組和柵形硅條組上下對(duì)稱，鋁電極的寬度略大于對(duì)應(yīng)硅條，鋁電 極與硅條靠近中心一側(cè)處于同一垂直平面。敏感器質(zhì)量塊上的兩組用于Y方向敏感檢測(cè)的 柵形硅條組在玻璃襯底上設(shè)置的兩組Y方向檢測(cè)鋁電極的正上方，且數(shù)量相同、位置對(duì)應(yīng)， 構(gòu)成兩組Y方向差分檢測(cè)電容，差分檢測(cè)電容的兩組鋁電極組和柵形硅條組上下對(duì)稱，鋁 電極的寬度略大于對(duì)應(yīng)娃條，錯(cuò)電極與娃條靠近中心一側(cè)處于同一垂直平面。
[0008] 八個(gè)梳齒狀的固定檢測(cè)硅條固定設(shè)置在玻璃襯底上，固定檢測(cè)硅條由梳齒條及連 接梳齒條的矩形硅條組成，每個(gè)固定檢測(cè)硅條的梳齒條與敏感器質(zhì)量塊連接的梳齒狀硅條 組上的梳齒條位置對(duì)應(yīng)，固定檢測(cè)硅條的梳齒條與梳齒狀硅條組上的梳齒條形成檢測(cè)電 容；八個(gè)固定檢測(cè)梳齒條通過玻璃襯底上的引線與外部連接錨點(diǎn)連接。
[0009] 玻璃襯底表面對(duì)應(yīng)四個(gè)敏感器錨點(diǎn)位置設(shè)置有四個(gè)敏感器質(zhì)量塊錨點(diǎn)，敏感器質(zhì) 量塊焊點(diǎn)與敏感器錨點(diǎn)連接；玻璃襯底表面對(duì)應(yīng)敏感器質(zhì)量塊設(shè)置有柵形鋁電極。
[0010] 本發(fā)明涉及的微慣性傳感器包含有可在X方向移動(dòng)的雙柵形振子對(duì)和Υ方向移動(dòng) 的雙柵形振子對(duì)，可以設(shè)計(jì)傳感器檢測(cè)電容的初始間距較大，從而解決深反應(yīng)粒子刻蝕深 寬比小于27:1對(duì)傳感器振子的質(zhì)量不能做厚的限制，增大了傳感器的初始質(zhì)量塊電容以 增大傳感器的標(biāo)定范圍，而后通過施加電壓，產(chǎn)生靜電力驅(qū)動(dòng)敏感質(zhì)量塊，使敏感質(zhì)量塊在 敏感方向上產(chǎn)生偏移，等效于施加外界加速度，實(shí)現(xiàn)自標(biāo)定功能。另外，通過改變敏感器支 撐梁和質(zhì)量塊的尺寸還可以改變傳感器的量程和響應(yīng)特性。當(dāng)在質(zhì)量塊敏感方向上加載加 速度信號(hào)時(shí)，硅質(zhì)量塊上硅條組切割襯底邊緣電場(chǎng)的電場(chǎng)線，從而襯底邊緣電容發(fā)生變化， 通過檢測(cè)邊緣電容變化以及檢測(cè)梳柵電容變化來獲取敏感方向上所加載的加速度的大小。 [0011] 本發(fā)明提供的微慣性傳感器大大增大了振子質(zhì)量，從而減小了布朗噪聲，減小了 電容極板間距，增大了質(zhì)量塊初始電容，增大了標(biāo)定范圍，同時(shí)減小了壓膜空氣阻尼，從而 降低了機(jī)械噪聲和電路噪聲。而變面積式的梳齒對(duì)和敏感器質(zhì)量塊上的柵形條間的電容差 分運(yùn)動(dòng)時(shí)空氣阻尼表現(xiàn)為滑膜阻尼，從而降低了布朗噪聲，同時(shí)增大了檢測(cè)電容。
[0012] 本發(fā)明涉及的高精度微慣性傳感器結(jié)構(gòu)新穎，分辨率和靈敏度高，制作工藝簡單， 有利于降低成本和提高成品率，是一種可以實(shí)際應(yīng)用的微慣性傳感器。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 圖1為本發(fā)明專利的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為圖1中玻璃襯底及表面上的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為圖1中質(zhì)量塊的結(jié)構(gòu)俯視圖； 圖4為本發(fā)明的柵條形井的剖面圖。

【具體實(shí)施方式】
[0014] 如圖1、2、3和4所示，一種帶自標(biāo)定的微慣性傳感器包括玻璃襯底1、敏感器質(zhì)量 塊22、固定檢測(cè)硅條14。
[0015] 敏感器質(zhì)量塊22上設(shè)置有兩組用于X方向敏感檢測(cè)的柵形硅條組23 (硅條與硅 條之間為間隙20)和兩組用于Υ方向敏感檢測(cè)的柵形硅條組19,用于X方向敏感檢測(cè)的硅 條組23和用于Υ方向敏感檢測(cè)的硅條組19成田字形交錯(cuò)排列，即一對(duì)X方向敏感檢測(cè)的 硅條組23處于斜對(duì)角，一對(duì)用于Υ方向敏感檢測(cè)的硅條組19也處于處于斜對(duì)角，兩組用于 X方向敏感檢測(cè)的柵形硅條組23構(gòu)成X方向的柵形敏感器質(zhì)量塊，兩組用于Υ方向敏感檢 測(cè)的柵形硅條組19構(gòu)成Υ方向的柵形敏感器質(zhì)量塊18。敏感器質(zhì)量塊22的四對(duì)應(yīng)端通過 敏感器U型硅支撐梁16與敏感器錨點(diǎn)15連接，敏感器錨點(diǎn)15固定設(shè)置在玻璃襯底上。
[0016] 玻璃襯底上設(shè)置有四組差分檢測(cè)模塊，分別為兩個(gè)X方向的檢測(cè)模塊10、11和兩 個(gè)Y方向的檢測(cè)模塊7、9,所述的檢測(cè)模塊為玻璃襯底上的薄鋁電極，鋁電極厚度遠(yuǎn)小于鋁 電極之間的間距。公共端9、10通過外部焊點(diǎn)8實(shí)現(xiàn)外部引線連接；薄鋁電極7、11通過引 線5連接到外部焊點(diǎn)6,實(shí)現(xiàn)外部引線連接。
[0017] 硅質(zhì)量塊上的兩組用于X方向敏感檢測(cè)的硅條組19在玻璃襯底上設(shè)置的兩組X 方向檢測(cè)鋁電極1〇、11的正上方，且數(shù)量相同、位置對(duì)應(yīng)，構(gòu)成兩組X方向差分檢測(cè)電容。 差分檢測(cè)電容的兩組鋁電極組和硅條組上下對(duì)稱，鋁電極的寬度略大于對(duì)應(yīng)硅條，鋁電極 與硅條靠近中心一側(cè)處于同一垂直平面。硅質(zhì)量塊上的兩組用于Y方向敏感檢測(cè)的硅條組 23在玻璃襯底上設(shè)置的兩組Y方向檢測(cè)鋁電極7、9的正上方，且數(shù)量相同、位置對(duì)應(yīng)，構(gòu)成 兩組Y方向差分檢測(cè)電容，差分檢測(cè)電容的兩組鋁電極組和硅條組上下對(duì)稱，鋁電極的寬 度略大于對(duì)應(yīng)硅條，鋁電極與硅條靠近中心一側(cè)處于同一垂直平面。
[0018] 四組梳齒狀的固定檢測(cè)硅條21固定設(shè)置在玻璃襯底1上，固定檢測(cè)硅條21由梳 齒條12及連接梳齒條12的矩形硅條14組成，每個(gè)固定檢測(cè)硅條21的梳齒條12與敏感器 質(zhì)量塊22連接的硅條13位置對(duì)應(yīng)；固定檢測(cè)硅條21的梳齒條12與對(duì)應(yīng)的敏感器質(zhì)量塊 連接的硅條13組成檢測(cè)電容，形成間隙17 ;四個(gè)固定檢測(cè)硅條21通過玻璃襯底1表面上 的引線4與焊點(diǎn)3連接。
[0019] 玻璃襯底1表面對(duì)應(yīng)四個(gè)敏感器錨點(diǎn)15位置設(shè)置有四個(gè)敏感器質(zhì)量塊焊點(diǎn)2,敏 感器質(zhì)量塊焊點(diǎn)2與敏感器錨點(diǎn)15連接。玻璃襯底1表面對(duì)應(yīng)敏感器質(zhì)量塊22位置設(shè)置 有柵形鋁電極7、9。
[0020] 結(jié)合圖1、圖2、圖3、圖4對(duì)傳感器原理進(jìn)行說明。本傳感器的自標(biāo)定功能是利用 外部金絲球焊技術(shù)把固定硅條焊點(diǎn)和封裝殼引腳連接在質(zhì)量塊上施加電壓，產(chǎn)生的靜電力 等效于外界所要施加的加速度，使敏感質(zhì)量塊在敏感方向上產(chǎn)生偏移，變面積式的梳齒對(duì) 和敏感器質(zhì)量塊上新增的柵形條井電容差分運(yùn)動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)敏感質(zhì)量塊的偏移量。
[0021] 該微慣性傳感器采用梳柵電容檢測(cè)結(jié)構(gòu)，即利用梳齒和柵形兩種檢測(cè)電容的方式 來檢測(cè)電容變化。當(dāng)外界慣性信號(hào)產(chǎn)生的加速度作用于傳感器敏感方向時(shí)時(shí)，一方面，硅質(zhì) 量塊9上柵形硅條組切割襯底邊緣電場(chǎng)的電場(chǎng)線，從而襯底邊緣電容發(fā)生變化，柵形電容 檢測(cè)結(jié)構(gòu)中柵形振子對(duì)的柵形硅條組23與柵形鋁電極24的交疊面積發(fā)生變化，引起差分 電容變化；另一方面，可動(dòng)梳齒電極12與固定梳齒電極13之間的疊加面積和距離也發(fā)生變 化，因此，可以通過計(jì)算電容值的變化大小來檢測(cè)敏感方向上所加載的加速度大小。
[0022] 本發(fā)明設(shè)計(jì)的高精度微慣性傳感器，通過合理設(shè)計(jì)，使敏感器在X和Y方向上具 有相同的邊緣電容的數(shù)目和面積，來實(shí)現(xiàn)X、Y方向上性能的對(duì)稱，且敏感器質(zhì)量塊上有滑 膜阻尼的柵形條井電容和變面積式的梳齒對(duì)對(duì)電容進(jìn)行檢測(cè)，在常壓下具有較小的氣體阻 尼，從而使傳感器可以達(dá)到很高的精度。另外，通過改變支撐梁的尺寸可以改變傳感器的量 程和響應(yīng)特性。
[0023] 本發(fā)明涉及的基于邊緣電容檢測(cè)的微慣性傳感器采用為機(jī)械技術(shù)制作，結(jié)構(gòu)新 穎，分辨率和靈敏度高，制作工藝簡單，有利于降低成本和提高成品率，是一種可以實(shí)際應(yīng) 用的微慣性傳感器。
【權(quán)利要求】
1.基于邊緣效應(yīng)的帶自我標(biāo)定的電容式微慣性傳感器，包括玻璃襯底、敏感器質(zhì)量塊 和固定檢測(cè)硅條，其特征在于： 敏感器質(zhì)量塊上設(shè)置有兩組用于X方向敏感檢測(cè)的柵形硅條組和兩組用于Y方向敏感 檢測(cè)的柵形硅條組，用于X方向敏感檢測(cè)的硅條組和用于Y方向敏感檢測(cè)的硅條組成田字 形交錯(cuò)排列；敏感器質(zhì)量塊的四對(duì)應(yīng)端通過敏感器U型硅支撐梁與敏感器錨點(diǎn)連接，敏感 器錨點(diǎn)固定設(shè)置在玻璃襯底上； 玻璃襯底上設(shè)置有四組差分檢測(cè)模塊，分別為兩個(gè)X方向的檢測(cè)模塊和兩個(gè)Y方向的 檢測(cè)模塊，所述的檢測(cè)模塊為玻璃襯底上的薄鋁電極，薄鋁電極厚度遠(yuǎn)小于鋁電極之間的 間距； 敏感器質(zhì)量塊上的兩組用于X方向敏感檢測(cè)的柵形硅條組在玻璃襯底上設(shè)置的兩組X 方向檢測(cè)鋁電極的正上方，且數(shù)量相同、位置對(duì)應(yīng)，構(gòu)成兩組X方向差分檢測(cè)電容；差分檢 測(cè)電容的兩組鋁電極組和柵形硅條組上下對(duì)稱，鋁電極的寬度略大于對(duì)應(yīng)硅條，鋁電極與 硅條靠近中心一側(cè)處于同一垂直平面；敏感器質(zhì)量塊上的兩組用于Y方向敏感檢測(cè)的柵形 硅條組在玻璃襯底上設(shè)置的兩組Y方向檢測(cè)鋁電極的正上方，且數(shù)量相同、位置對(duì)應(yīng)，構(gòu)成 兩組Y方向差分檢測(cè)電容，差分檢測(cè)電容的兩組鋁電極組和柵形硅條組上下對(duì)稱，鋁電極 的寬度略大于對(duì)應(yīng)娃條，錯(cuò)電極與娃條靠近中心一側(cè)處于同一垂直平面； 八個(gè)梳齒狀的固定檢測(cè)硅條固定設(shè)置在玻璃襯底上，固定檢測(cè)硅條由梳齒條及連接梳 齒條的矩形硅條組成，每個(gè)固定檢測(cè)硅條的梳齒條與敏感器質(zhì)量塊連接的梳齒狀硅條組上 的梳齒條位置對(duì)應(yīng)，固定檢測(cè)硅條的梳齒條與梳齒狀硅條組上的梳齒條形成檢測(cè)電容；八 個(gè)固定檢測(cè)梳齒條通過玻璃襯底上的引線與外部連接錨點(diǎn)連接； 玻璃襯底表面對(duì)應(yīng)四個(gè)敏感器錨點(diǎn)位置設(shè)置有四個(gè)敏感器質(zhì)量塊錨點(diǎn)，敏感器質(zhì)量塊 焊點(diǎn)與敏感器錨點(diǎn)連接；玻璃襯底表面對(duì)應(yīng)敏感器質(zhì)量塊設(shè)置有柵形鋁電極。
【文檔編號(hào)】B81B7/00GK104101735SQ201410333505
【公開日】2014年10月15日 申請(qǐng)日期:2014年7月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月14日
【發(fā)明者】董林璽, 潘穎 申請(qǐng)人:杭州電子科技大學(xué)