專利名稱：定齒偏置的梳齒式體硅加工微機械結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于體硅加工微機械結構設計領域，特別涉及梳齒式微機械結構的設計。
背景技術：
梳齒式微機械結構是微機械傳感器的一種典型結構，已有的梳齒式微機械結構均為面加工定齒均勻配置結構。該結構在微機械加速度計上已得到成功應用。微機械加速度計是近十年國際上新興發(fā)展起來的。美國AD公司的ADXLXX系列是市場上占有率最高的微機械加速度計。AD公司的微機械加速度計采用的是面加工定齒均勻配置梳齒式電容加速度計。這種力平衡的加速度計采用表面加工工藝制成，敏感軸與基片平行。該種面加工定齒均勻配置梳齒式微機械傳感器的一般結構如圖1所示。圖1中，活動敏感質量元件11是一個微機械的雙側梳齒結構，相對用于固定活動敏感質量元件的基片(圖中未示出)懸空，通過兩端折疊梁結構12固定于基片上。每個梳齒13由中央質量桿14(齒樞)向其兩側伸出，每個梳齒(活動齒)為可變電容的一個活動電極；固定齒15直接固定在基片上，每組固定齒由∏形齒151和L形齒152組合而成，固定齒由與活動齒13交錯均等距離d0配置，形成差動電容．這種敏感質量元件的微機械雙側梳齒結構與基片平行．敏感質量元件11可以沿敏感軸向MD運動．同時，折疊梁12自身是一個比較好的應力釋放結構，所以選用折疊梁還可減小應力的影響。這種固定齒與活動齒均置方案的主要優(yōu)點是可以節(jié)省管芯版面尺寸，這對于表面加工的微機械傳感器是適當?shù)?。但由于表面加工得到的梳齒式結構測量電容偏小，影響了梳齒式微機械傳感器分辨率和精度的進一步提高。
為了提高微機械傳感器的分辨率和精度，用體硅加工代替表面加工是一條有效的途徑。但是對于體加工梳齒結構，由于定齒均勻配置結構鍵合面小，加之體硅加工敏感質量活動片加厚、質量加大，工藝流水下來后，鍵合的定齒脫落嚴重；另外，通過探針臺測得定齒間的電阻很大，這主要是鍵合強度不夠、鍵合接觸電阻太大造成的。這樣就出現(xiàn)了新的問題，成品率幾乎等于零。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為克服已有技術的不足之處，提出一種定齒偏置的梳齒式體硅加工微機械結構，使其具有鍵合強度高，鍵合面積大，鍵合難度低，鍵合接觸電阻小、均勻，成品率高的特點，進而提高了梳齒式微機械傳感器的分辨率和精度。
本發(fā)明提出的一種定齒偏置的梳齒式體硅加工微機械結構，包括一個由齒樞、多組動齒和折疊梁組構成的敏感質量元件，固定齒和基片；該動齒由齒樞向兩側伸出，形成雙側梳齒式結構，該齒樞兩端的折疊梁固定于基片上，使齒樞、多組動齒相對基片懸空平行設置；所說的敏感質量元件的每個動齒為可變電容的一個活動電極，與固定齒的每個梳齒交錯配置，總體形成差動電容；其特征在于，該固定齒為直接固定在基片上的多組單側梳齒式結構；所說的敏感質量元件的每個梳齒和其相鄰的兩定齒距離不等，兩側距離比值為1∶(8-12)。
本發(fā)明所說的敏感質量元件整體結構形成以齒樞中點對稱分布為最佳方案。
本發(fā)明的敏感質量元件可以沿齒樞軸向運動。這種結構主要是敏感距離小的一側形成的電容量，可忽略距離大的一側的電容量。若干對動齒和固定齒形成總體差動檢測電容和差動加力電容。
本發(fā)明特點及應用本發(fā)明的定齒偏置結構最重要的優(yōu)點就是鍵合塊少、單塊鍵合面積大，大大降低了鍵合難度，且鍵合接觸電阻小、均勻。由于均置結構的每一個動齒兩邊的定齒為不同極性，由于引線的關系，都要單獨鍵合，鍵合強度小，很容易脫落；而本發(fā)明的定齒偏置結構中心線以左為一種電極，中心線以右為另一種電極，故可采用數(shù)個定齒合在一起鍵合，大大緩解了矛盾。經(jīng)工藝流水證明，本發(fā)明顯著提高了成品率，使微機械傳感器從面加工到體加工成為可能，從而使分辨率和精度大大提高。
此外，本發(fā)明的定齒偏置結構明顯減少了玻璃極板上均置方案所必需的許多內部引線、電極。這樣，一方面避免了電極、引線間的分布電容及電信號的干擾；另一方面，減少了引線輸出數(shù)目，降低了引線鍵合的工作量。
雖然本發(fā)明的偏置結構的橫向尺寸略大于定齒均置結構，但均置結構的定齒較長(以滿足均置結構的電容及鍵合面積)，加工過程中，齒彎曲變形較大，工藝難度大；同時，定齒過長造成的彎曲變形會直接影響傳感器的正常工作。另外，均置結構的縱向尺寸大，版面利用率低。所以，在版面利用、加工工藝上，本發(fā)明的定齒偏置結構也優(yōu)于均置結構。


圖1為已有的定齒均勻配置的梳齒式表面加工微機械結構示意圖。
圖2為本發(fā)明的定齒偏置梳齒式體硅加工微機械結構實施例示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明設計的一種定齒偏置的梳齒式體硅加工微機械結構的實施例，如圖2所示，本實施例包括一個由齒樞24、多組動齒23和折疊梁22組構成的敏感質量元件21，固定齒25和基片；該動齒23由齒樞24向兩側伸出，形成雙側梳齒式結構，該齒樞兩端的折疊梁22固定于基片上，使齒樞、多組動齒相對基片懸空平行設置；該固定齒25為直接固定在基片上的多組單側梳齒式結構；所說的敏感質量元件的每個動齒為可變電容的一個活動電極，與固定齒的每個梳齒交錯配置，總體形成差動電容；本實施例與已有定齒均勻配置的梳齒式表面加工微機械結構的不同之處在于，所說的敏感質量元件的每個梳齒和其相鄰的兩定齒距離不等，兩側距離比值為1∶10，且形成以齒樞中點對稱分布，主要敏感距離小的一側形成的電容量，可忽略距離大的一側的電容量。若干對動齒和靜齒形成總體差動檢測電容和差動加力電容。此外，本實施例的固定齒結構更為簡單，便于鍵合。
本實施例的微機械結構可用于加速度計，具體尺寸為總體平面尺寸2.8mm×2.8mm 敏感質量元件1500μm×1000μm；梳齒長270μm，寬6μm，定齒與動齒重疊部分長250，非重疊部分長20μm；總齒數(shù)22×2×2，梳齒間隙d0＝2μm D0＝20μm；單側 檢測梳齒數(shù)量n1＝13 力反饋梳齒數(shù)n2＝9；檢測電容1.15pF，加力電容0.8pF；敏感質量元件質量77.6μg折疊梁長370μm寬2.5μm，折疊梁端頭長27μm，寬30μm；本實施例中定齒和其相鄰的兩個動齒間距為d0(2.0μm)和D0(約為d0的10倍)。這樣，就形成了定齒偏置結構的梳齒式加速度計。當D0＞＞d0時，D0一側電容可以忽略不計。
主要技術性能指標如下(1)量程 ±30g(2)標度因子 160mV/g(3)線性度 500PPm(±1g) 優(yōu)于1‰(±30g)(4)偏置穩(wěn)定性 0.5mg(5)偏置重復性 1mg(24～25℃)(6)噪聲 (7)頻帶 500Hz(8)表頭抗沖擊 1500g(9)電源電壓 ±12V(10)電流30mA
權利要求
1.一種定齒偏置的梳齒式體硅加工微機械結構，包括一個由齒樞、多組動齒和折疊梁組構成的敏感質量元件，固定齒和基片；該動齒由齒樞向兩側伸出，形成雙側梳齒式結構，該齒樞兩端的折疊梁固定于基片上，使齒樞、多組動齒相對基片懸空平行設置；所說的敏感質量元件的每個動齒為可變電容的一個活動電極，與固定齒的每個梳齒交錯配置，總體形成差動電容；其特征在于，該固定齒為直接固定在基片上的多組單側梳齒式結構；所說的敏感質量元件的每個梳齒和其相鄰的兩定齒距離不等，兩側距離比值為1∶(8-12)。
2.如權利要求1所述的定齒偏置的梳齒式體硅加工微機械結構，其特征在于，所說的敏感質量元件整體形成以齒樞中點對稱分布。
全文摘要
本發(fā)明屬于體硅加工微機械結構設計領域,包括一個由齒樞、多組動齒和折疊梁組構成的敏感質量元件,固定齒和基片,敏感質量元件的每個梳齒和其相鄰的兩定齒距離不等,兩側距離比值為1∶(8－12),本發(fā)明結構最重要的優(yōu)點就是鍵合塊少、面積大,大大降低了鍵合難度,且鍵合接觸電阻小、均勻,顯著提高了加工成品率,使微機械加速度計從面加工到體加工成為可能,從而使分辨率和精度大大提高。此外明顯減少了玻璃極板上均置方案所必需的許多內部引線、電極。這樣,一方面避免了電極、引線間的分布電容及電信號的干擾;另一方面,減少了引線輸出數(shù)目,降低了引線鍵合的工作量。
文檔編號G01P15/08GK1336548SQ01141718
公開日2002年2月20日 申請日期2001年9月14日 優(yōu)先權日2001年9月14日
發(fā)明者高鐘毓, 袁光, 董景新, 王永梁, 趙長德, 曹志錦 申請人:清華大學