一種基于電磁感應(yīng)的微慣性傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于微電子機械技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種微慣性傳感器，具體涉及一種含單柵形振子且振子上嵌入了橫向可動電極的基于電磁感應(yīng)的高分辨率微慣性傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]最近十幾年來，用微機械技術(shù)制作的加速度計得到了迅速的發(fā)展。其主要的加速度檢測技術(shù)有壓阻檢測、壓電檢測、熱檢測、共振檢測、電磁檢測、光檢測、隧道電流檢測和電容檢測等。此外，還有一些基于這些檢測技術(shù)的加速度計，如光加速度計、電磁加速度計、電容加速度計等。光加速度計的發(fā)展主要是為了結(jié)合光和微機械的優(yōu)點，制作高電磁屏蔽或者好線性度的傳感器。在這些傳感器中，電容式加速度傳感器，由于具有溫度系數(shù)小，靈敏度高，穩(wěn)定性好等優(yōu)點，是目前研制的最多的一類加速度傳感器。微機械電容式傳感器的制造方法有表面微機械加工方法和體硅微機械加工方法。采用表面微機械加工工藝可以和集成電路工藝兼容，從而集成傳感器的外圍電路，成本低，但是傳感器的噪聲大、穩(wěn)定性差，量程和帶寬小。采用體硅微機械加工工藝可以提高傳感器芯片的質(zhì)量，從而降低噪聲，改善穩(wěn)定性，提高靈敏度。缺點是體積稍大，但可以制作出超高精度的微機械慣性傳感器。為了得到較高的測量靈敏度和減小外圍電路的復(fù)雜性，可以通過增加傳感器振子的質(zhì)量和增大傳感器的靜態(tài)測試電容的方法，從而減小機械噪聲和電路噪聲。而對于用體硅工藝如深反應(yīng)粒子刻蝕(D^p RIE )加工的梳齒狀的電容式傳感器，其極板電容的深寬比一般小于27:1，這就限制了傳感器振子的質(zhì)量增加和電容極板間距的減小。而對于小間距極板電容，其壓膜空氣阻尼較大，增大了傳感器的機械噪聲。減小該機械噪聲可以通過在極板上刻蝕阻尼條，或把電容改為變面積的方式，使阻尼表現(xiàn)為滑膜阻尼，而減小電路噪聲的方法之一便是通過增大檢測電容。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本實用新型的目的在于提供一種含單柵形振子且振子上嵌入了橫向可動電極的基于電磁感應(yīng)的高分辨率微慣性傳感器。
[0004]本實用新型包括第一基板及其上表面的檢測用交叉梳齒狀固定對電極、固定于第一基板上的敏感器錨點、固定質(zhì)量塊錨點、將敏感器錨點和敏感器質(zhì)量塊相連的U形敏感器支撐梁、外側(cè)連接梳形可動電極的單柵形振子、固定質(zhì)量塊上的梳形固定電極、敏感器外部引出電極、電絕緣層、驅(qū)動導(dǎo)線和驅(qū)動導(dǎo)線引出電極。
[0005]所述的單柵形振子包含一個敏感器柵質(zhì)量塊，敏感器柵質(zhì)量塊位于傳感器的中間部位，該敏感器柵質(zhì)量塊由縱向等間距、橫向平行的柵形電極、連接?xùn)判坞姌O的邊框以及敏感器柵質(zhì)量塊矩形凸起組成。敏感器柵質(zhì)量塊的縱向長度和條形敏感器質(zhì)量塊的縱向長度相同。敏感器柵質(zhì)量塊和錨點之間通過兩根U形敏感器連接梁相連，該兩根U形敏感器連接梁沿著敏感器質(zhì)量塊的橫向中心線對稱設(shè)置。
[0006]所述的梳形可動電極由η個等間距的梳形可動電極梳齒和連接梳形可動電極梳齒的梳形可動電極矩形條組成，n ^ 1，梳形可動電極梳齒與梳形可動電極矩形條垂直設(shè)置，梳形可動電極矩形條與敏感器柵質(zhì)量塊側(cè)邊垂直設(shè)置。m條梳形可動電極平行設(shè)置組成一組硅條組，m多2。敏感器柵質(zhì)量塊邊框外側(cè)分別對應(yīng)設(shè)置一組硅條組。
[0007]敏感器柵質(zhì)量塊邊框外側(cè)的梳形可動電極沿條形敏感器質(zhì)量塊的縱向中心線對稱設(shè)置。
[0008]所述的敏感器錨點沿柵形敏感器質(zhì)量塊的縱向中心線分別設(shè)置在柵形敏感器質(zhì)量塊的兩端，并通過U形敏感器支撐梁與柵形敏感器質(zhì)量塊連接，敏感器外部引出電極設(shè)置在敏感器錨點上。
[0009]所述的固定質(zhì)量塊包括固定質(zhì)量塊錨點和m條梳形固定電極，所述的固定質(zhì)量塊錨點將固定質(zhì)量塊固定于第一基板上，每個固定質(zhì)量塊與每組硅條組對應(yīng)設(shè)置。所述的梳形固定電極由η個等間距的梳形固定電極梳齒和連接η個梳形固定電極梳齒的梳形固定電極矩形條組成。梳形固定電極和硅條組中的梳形可動電極位置相對，梳形固定電極梳齒與梳形可動電極梳齒對應(yīng)交叉設(shè)置。
[0010]所述的驅(qū)動導(dǎo)線共有兩根，分別縱向設(shè)置于相應(yīng)的敏感器柵質(zhì)量塊的外側(cè)邊框上，每根驅(qū)動導(dǎo)線的一端通過沿對應(yīng)的U形敏感器連接梁、矩形塊邊角端和U形敏感器支撐梁上所鋪設(shè)的金屬導(dǎo)線與對應(yīng)的驅(qū)動導(dǎo)線引出電極連接。在驅(qū)動導(dǎo)線、金屬導(dǎo)線、矩形塊邊角端和敏感器柵質(zhì)量塊上的金屬連接線、驅(qū)動導(dǎo)線引出電極組成的金屬層與敏感器柵質(zhì)量塊對應(yīng)部分之間設(shè)置有電絕緣層。
[0011]所述的電容調(diào)整間隙比對應(yīng)梳形可動電極和梳形固定電極上的對應(yīng)梳齒間的橫向間距小一微米以上。
[0012]所述的檢測用交叉梳齒狀固定對電極有兩組，每一組分別由相對交叉的梳齒電極和引出電極組成，各相鄰梳齒電極間的間隙不小于一微米，交叉的梳齒電極對應(yīng)組成梳齒電極對。
[0013]所述的柵形電極位于對應(yīng)的梳齒電極對的正上方。
[0014]本實用新型涉及的微慣性傳感器包含有可橫向移動的單柵形振子，可以設(shè)計傳感器檢測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對傳感器振子的質(zhì)量不能做厚的限制，而后通過磁場驅(qū)動敏感器柵質(zhì)量塊，減小檢測電容間距，從而增大傳感器的初始檢測電容以降低檢測電路噪聲，而傳感器做厚增大了振子質(zhì)量，從而也降低了傳感器的機械噪聲，而且含有敏感器柵質(zhì)量塊增加了檢測電容。此外，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。
[0015]同時，本實用新型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，是一種可以實際應(yīng)用的微慣性傳感器。
【附圖說明】
[0016]圖1(a)為本實用新型的第一基板及其上的檢測用交叉梳齒狀固定對電極示意圖；
[0017]圖1(b)為圖1 (a)中沿A-A’向的器件結(jié)構(gòu)的分解斷面圖；
[0018]圖2Ca)為本實用新型的在第二基板上的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2(b)為圖2 Ca)中沿B_B’向的器件結(jié)構(gòu)的分解斷面圖；
[0020]圖3為圖1 (b)和圖2 (b)的斷面圖組合；
[0021]圖4為本實用新型的一對梳形可動電極和梳形固定電極的放大圖。
【具體實施方式】
[0022]以下結(jié)合實施例和附圖對本實用新型進(jìn)一步說明，但本實用新型決非僅限于所介紹的實施例。
[0023]參考圖1 (a)、圖1 (b)、圖2 (a)、圖2 (b)、圖3和圖4，在第一基板I上形成兩組中心對稱的檢測用交叉梳齒狀固定對電極，對應(yīng)固定質(zhì)量塊間的連接耦合電極2，以及連接耦合電極2與引出電極4之間的連接線，檢測用交叉梳齒狀固定對電極由沿橫向相對交叉的梳齒電極3和引出電極組成；在第二基板上形成固定于第一基板I上的敏感器錨點13、將敏感器錨點13和單柵形振子的敏感質(zhì)量塊18相連的兩根U形敏感器支撐梁9、固定質(zhì)量塊6上的梳形固定電極、敏感器外部引出電極12、金屬層23下的電絕緣層22和驅(qū)動導(dǎo)線右側(cè)引出電極14。如圖2 (a)、2 (b)、圖3和圖4所示，形成對應(yīng)梳形可動電極梳齒15和梳形固定電極梳齒7間的橫向間距G4，第一基板I與敏感器柵質(zhì)量塊20之間的間隙26，如圖3中的G1所示；形成敏感器柵質(zhì)量塊與第一基板上的檢測用交叉梳齒狀固定對電極之間的間隙24 ;梳齒電極對內(nèi)的兩個梳齒電極之間的間隙25，每個梳齒電極對內(nèi)的間隙相同。對應(yīng)的一個梳形可動電極和一個梳形固定電極組成一對梳齒電容對，形成相鄰梳齒電容對的縱向間距，其值不小于三十微米。
[0024]結(jié)合圖1 (a)、圖1 (b)、圖2 (a)、圖2 (b)、圖3和圖4，對本實用新型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。
[0025]參考圖2(a)、2(b)，單柵形振子包含一個敏感器柵質(zhì)量塊18，敏感器柵質(zhì)量塊位于傳感器的中間部位，該敏感器柵質(zhì)量塊由縱向等間距、橫向平行的柵形電極20、連接?xùn)判坞姌O的邊框19組成，敏感器柵質(zhì)量塊的縱向長度和條形敏感器質(zhì)量塊的縱向長度相同。
[0026]參考圖2(a)、2(b)，梳形可動電極由六個等間距的梳形可動電極梳齒15和連接梳形可動電極梳齒的梳形可動電極矩形條16組成，梳形可動電極梳齒與梳形可動電極矩形條垂直設(shè)置，梳形可動電極矩形條與敏感器柵質(zhì)量塊側(cè)邊垂直設(shè)置。三條梳形可動電極平行設(shè)置組成一組硅條組。該敏感器柵質(zhì)量塊邊框外側(cè)分別對應(yīng)設(shè)置一組硅條組。