專利名稱：一種具有對稱結(jié)構(gòu)的微機械差分電容加速度計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及能夠?qū)崿F(xiàn)單軸向加速度的高精度檢測的MEMS (微機l戒，又稱
微電子機械系統(tǒng))差分電容加速度計，具體涉及一種具有對稱結(jié)構(gòu)的機〔t;u戒差 分電容加速度計，屬于電容加速度計技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
硅單晶材料具有良好的電學(xué)特性，是微電子技術(shù)的基本材料。此外，硅也 有很好的機械特性，其斷裂強度為不銹鋼的三倍，努氏硬度高于不銹鋼，彈性
和不銹鋼相當(dāng)。MEMS技術(shù)正是人們在充分認(rèn)識到單晶硅材料突出的豐幾電f寺性 后開發(fā)的一種微電子三維加工技術(shù)。基于MEMS技術(shù)的微傳感器及微tt^亍器具 有體積小、重量輕、加工成木低、可批量制造、便于和電路集成等優(yōu)點，已經(jīng) 得到了廣泛的應(yīng)用。
低精度和中等精度的微機械加速度計已經(jīng)逐歩取代傳統(tǒng)的加速度計而占據(jù) 市場主要的份額，但是，高精度加速度計領(lǐng)域長期以來一直由傳統(tǒng)加速度計主 導(dǎo)。相關(guān)用戶對高精度加速度計的微型化、低成本的要求，給MEMS技術(shù)進(jìn)入 并主導(dǎo)高精度加速度計市場提供了契機。 現(xiàn)有技術(shù)水平
1992年，Eric Peeters等人研制出第一種雙層梁結(jié)構(gòu)的MEMS電容加速度計，
這種結(jié)構(gòu)的加速度計具有良好的振動模態(tài)特性，非常適用于單軸高精/變檢測需 求。EricPeeters等釆用普通單晶硅圓片，通過濃硼擴(kuò)散自停止腐蝕控制梁結(jié)構(gòu)的厚度，從而引入了較大的應(yīng)力，從而會造成加速度計的溫度特性等性能下降； 此外，此加速度計的加工工藝中有脆弱硅基片鍵合工藝，從而影響了此加速度 計的成品率。
2000年，美國密歇根大學(xué)的Najafi研究組制成了一種全硅的高精度電容加 速度計，這種加速度計采用了雙層懸臂梁設(shè)計，具有全對稱結(jié)構(gòu)，采用單個單 晶硅圓片加工得到，實現(xiàn)了微g量級的加速度檢測，但是此加速度計采用^^硼擴(kuò) 散自停止腐蝕工藝，引入了較大的應(yīng)力，并且此加速度計結(jié)構(gòu)脆弱，實用性較差。
美國I/O Sensors公司申請的系列專利U.S. Pat No.5484073; U.S. Pat. No.5652384; U.S. Pat. No.5852242; U.S. Pat. No.是高精度微機械加速度計的 成功方案，但是此方案采用深腐蝕后的兩片SOI片進(jìn)行硅-硅鍵合，存在鍵合風(fēng) 險高，鍵合成功率較低的問題，以及加工過程中片間的工藝結(jié)果不均勻性導(dǎo)致 的敏感結(jié)構(gòu)對稱性降低的問題，此外，此方案較難實現(xiàn)非敏感軸向的有效過載 保護(hù)。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)的不足，本發(fā)明提供一種具有對稱結(jié)構(gòu)的微機 械差分電容加速度計，本發(fā)明提供基于雙器件層SOI片的具有對稱結(jié)構(gòu)的微機
械差分電容加速度計，從而實現(xiàn)單軸向加速度的高精度檢測，此加速度計在非 檢測軸向具有較強的抗過載能力。
本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是 一種具有對稱結(jié)構(gòu)的微機械差分電容加速度計，包括上電極蓋板、下電
極蓋板，分別通過錨合區(qū)域anchor從上、下兩個方向和可動硅結(jié)構(gòu)組件連接。 硅結(jié)構(gòu)組件由可動質(zhì)量塊、固支框架、多個彈性支撐梁組成，其中彈性支撐梁分上、下兩層分布在可動質(zhì)量塊、固支框架之間，連接可動質(zhì)量i央禾tl固支
框架，梁和可動質(zhì)量塊以及固支框架的連接處采用圓角過渡，可動質(zhì)量i央的上
表面和下表面都分布有氣體導(dǎo)流凹槽；
上、下電極蓋板由硅材料制成，最好為單晶硅材料；上電極蓋板和下電極蓋 板上的檢測-驅(qū)動電極、電信號引出線、壓焊電極通過絕緣層與電極蓋板的單晶 硅襯底為電絕緣；上、下電極蓋板的單晶硅襯底接地；在上電極蓋板和—下電極 蓋板上的檢測/驅(qū)動電極之上有多個絕緣阻擋塊作為敏感軸向抗過載阻擋i央，在 上電極蓋板和下電極蓋板上的檢測/驅(qū)動電極四周有多個突起為非敏感車由向，亢過 載阻擋塊。
一種具有對稱結(jié)構(gòu)的微機械差分電容加速度計，包括上電極蓋+反、T"電 極蓋板，分別通過錨合區(qū)域anchor從上、下兩個方向和可動硅結(jié)構(gòu)組{牛連 妾。
可動硅結(jié)構(gòu)組件由可動質(zhì)量塊、固支框架、多個彈性支撐梁組成，其中彈 性支撐梁分上、下兩層分布在可動質(zhì)量塊、固支框架之間，連接可動質(zhì)量±央和 固支框架，梁和可動質(zhì)量塊以及固支框架的連接處采用圓角過渡，可動質(zhì)量塊 的上表面和下表面都分布有氣體導(dǎo)流凹槽；
上、下電極蓋板由玻璃材料制成，最好采用和單晶硅熱失配較小的玻璃才才料； 玻璃材料本身電絕緣，上電極蓋板和下電極蓋板上的檢測-驅(qū)動電極、電信號引
出線、壓焊電極直接制作在玻璃襯底上即可實現(xiàn)電絕緣；在上電極蓋板和下電 極蓋板上的檢測/驅(qū)動電極之上有多個絕緣阻擋塊作為敏感軸向抗過載阻t當(dāng):塊， 在上電極蓋板和下電極蓋板上的檢測/驅(qū)動電極四周有多個突起為非敏感^fi向抗 過載阻擋塊。
一種微機械差分電容加速度計，單晶硅下蓋板同單晶硅上蓋板具有完全^^目同的結(jié)構(gòu)基板由單晶硅制成，單晶硅上蓋板上有凸起結(jié)構(gòu)，數(shù)量可以是4個或 更多；單晶硅上蓋板上有在基板上形成的淺槽，在淺槽中有上金屬驅(qū)動電極以 及上壓焊電極，通過上電極引線實現(xiàn)互連，在淺槽和上金屬驅(qū)動電極、上壓焊 電極、電極引線之間有二氧化硅絕緣層相隔，這層—氧化硅絕緣層保證了單晶 硅基板和金屬驅(qū)動電極、上壓焊電極、電極引線之間的電絕緣；上金屬驅(qū)動電 極上分布有絕緣阻擋塊，絕緣阻擋塊的數(shù)量最少為1個；
在單晶硅蓋板背面覆蓋有金屬電極，金屬電極和單晶硅基板電接觸，通過將 金屬電極接地實現(xiàn)單晶硅基板接地；單晶硅基板正面有上蓋板絕緣環(huán)。 本發(fā)明的有益效果具體如下-
本發(fā)明所述加速度計采用全對稱的結(jié)構(gòu)設(shè)計，檢測模態(tài)頻率和其他各振動 模態(tài)得到了良好的區(qū)分，降低了檢測模態(tài)受其他各振動模態(tài)的影響，便于實現(xiàn) 單軸向加速度的高精度檢測；質(zhì)量塊的上表面和下表面都分布的氣體導(dǎo)流凹槽 有利于調(diào)節(jié)本發(fā)明所述的加速度計的Hi膜阻尼效應(yīng)，從而從結(jié)構(gòu)上改善離面式 電容檢測加速度計的動態(tài)特性；本發(fā)明所述加速度計的多根彈性支撐梁為單- 摻雜濃度的單晶硅材料制成，消除了由于采用不同材料所引入的熱失配應(yīng)力， 以及由于單晶硅摻雜濃度不同引入的熱失配應(yīng)力。
本發(fā)明所述加速度計在檢測軸向及非檢測軸向都設(shè)置有抗過載阻擋塊，因 此具較好的抗過載性能，提高了辦發(fā)明所述加速度計的可靠性；如果采用硅材 料制作電極蓋板則可以通過電極蓋板襯底接地，以及單晶硅框架接地實現(xiàn)電磁 屏蔽；如果采用玻璃材料制作電極蓋板則可以通過單晶硅框架接地實現(xiàn)部分電 磁屏蔽。


圖1A是根據(jù)本發(fā)明的微機械差分式電容加速度計(玻璃電極蓋板方案)的 正等側(cè)視圖；圖1B是根據(jù)本發(fā)明的微機械差分式電容加速度計(玻璃電極蓋板方案)在上電極蓋板處于打開狀態(tài)下的正等側(cè)視圖2雙器件層SOI單晶硅圓片的正等側(cè)視圖3是如圖2所示雙器件層SOI單晶硅圓片沿著3-3剖線得到的剖面視圖；圖4是硅結(jié)構(gòu)組件100S的正等側(cè)視圖；圖5A是硅結(jié)構(gòu)組件100S的頂視圖；圖5B是硅結(jié)構(gòu)組件100S的底視圖；圖6是硅結(jié)構(gòu)組件100S沿圖5A所不剖面線的剖面視圖；圖7是硅結(jié)構(gòu)組件100S壓焊電極部分的局部放大圖；圖8A所不為上電極蓋板100Ga (玻璃電極蓋板方案)；圖8B所示為下電極蓋板100Gb (玻璃電極蓋板方案)；圖9是根據(jù)本發(fā)明的微機械差分式電容加速度計(玻璃電極蓋板方案)的剖面視圖IOA所示為根據(jù)本發(fā)明的微機械差分式電容加速度計(單晶硅電極蓋板方案)200的單晶硅上蓋板200Ga的正等側(cè)視圖10B是單晶硅上蓋板200Ga背面的正等側(cè)視圖ll是根據(jù)本發(fā)明的微機械差分式電容加速度計(單晶硅電極蓋板方案)200的正等側(cè)視圖12是根據(jù)本發(fā)明的微機械差分式電容加速度計(單晶硅電極蓋板方案)的剖面視圖。
從下述結(jié)合附圖的詳細(xì)描述，將更加詳細(xì)的理解本發(fā)明的上述以及其他目的、特點及優(yōu)勢。
具體實施方式
實施例1:
如圖l-9所示， 一種具有對稱結(jié)構(gòu)的微機械差分電容加速度計(玻i離電極蓋 板方案)。圖1A是根據(jù)本發(fā)明的微機械差分式電容加速度計(玻璃電極蓋板方 案)的正等側(cè)視圖，玻璃電極蓋板方案的加速度計100具有一個玻璃上電1^及蓋
板100Ga， 一個玻璃下電極蓋板100Gb， 一個硅結(jié)構(gòu)組件100S，圖1B是100
加速度計在上玻璃電極蓋板掀開狀態(tài)下的正等側(cè)視圖。
圖2是用于加工硅結(jié)構(gòu)組件100S的基材1，即如前所述的一種雙器件層SOI 單晶硅圓片的正等側(cè)視圖，如圖2所示，此種SOI片具有一個單晶硅;^寸片4 ， 單晶硅襯片4的止反面分別有厚度相等的二氧化硅絕緣層3及3 '，在二^試化硅 絕緣層3及二氧化硅絕緣層3'上分別有厚度相等的單晶硅層器件層2及單晶硅 層器件層2，，圖3是如圖2所示雙器件層SOI單晶硅圓片沿著3-3剖線得到的 剖面視圖，此種SOI片皿在如圖所示的Z軸向由單晶硅層器件層2、 二氧化硅絕 緣層3、單晶硅襯片4、 二氧化硅絕緣層3'、單晶硅層器件層2'各層構(gòu)成。這 種SOI片也可以由7層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，即在單晶硅襯片4中加入一層二氧化A圭絕緣 層，從而單晶硅襯片4結(jié)構(gòu)變?yōu)橛蓛蓪訂尉Ч鑼又虚g夾一層二氧化硅層的三明 治結(jié)構(gòu)。
圖4是硅結(jié)構(gòu)組件100S的正等側(cè)視圖，硅結(jié)構(gòu)組件100S是由如圖2、 3 所示的雙器件層SOI單晶硅圓片1加工得到的，因此單晶硅結(jié)構(gòu)組件IOOS具有 1所具有的層狀結(jié)構(gòu)。圖5A是硅結(jié)構(gòu)組件100S的頂視圖，圖5B是硅結(jié)構(gòu)組件 100S的底視圖，圖6是硅結(jié)構(gòu)組件100S沿圖5A所示剖面線的剖面視圖。如圖 5A、圖5B、圖6所示，可動質(zhì)量塊101和固支框架102通過上下兩層多個彈性 支撐梁8a、 8b、 8c、 8d、 8'a、 8，b、 8，c、 8'd形成機械連接，梁和可動質(zhì)量塊以及固支框架的連接處采用圓角過渡，組成硅結(jié)構(gòu)組件100S，可動質(zhì)量i央101對 于通過它的幾何中心的XOY、 XOZ、 YOZ坐標(biāo)平面對稱。
如圖6所示，可動質(zhì)量塊101在Z軸方向分為七層，分別為上可動電極9， 在9上覆蓋有上可動電極金屬層11， 二氧化硅絕緣層15，單晶硅配重質(zhì)量i央16， 二氧化硅絕緣層15'，下可動電極9'，在下可動電極9'上覆蓋有下可動電極金屬 層11'。在下可動電極9上分布有導(dǎo)流凹槽10，在下可動電極9，上分布有導(dǎo)流 凹槽10';如圖9以及圖12所示，導(dǎo)流凹槽10及10'有助于降低構(gòu)成檢測電容 如C1 (Cr、 C2、 C2'同)的上金屬驅(qū)動電極33和上可動電極金屬層11之間的 壓膜氣體阻尼，從而有助于降低木發(fā)明所述微機械差分式電容加速度計的熱噪 聲，從而提高加速度檢測的分辨率。
如圖6所示，固支框架102在Z軸方向分為五層，分別為上電極信號引出 層6、 二氧化硅絕緣層5、單晶硅框架7、 二氧化硅絕緣層5'、下電極^T號引出 層6，；如圖5A所示，在上電極信號引出層6的右上角有金屬電極14，上可動 電極金屬層11的電學(xué)信號傳導(dǎo)到上可動電極9上通過彈性支撐梁8a、 8b、 8c、 8d傳導(dǎo)到上電極信號引出層6，金屬電極14和上電極信號引出層6的電接觸類 型是歐姆接觸，可以完成電信的線性傳輸，金屬電極14作為壓焊電極(Wire Bonding Pad),可以通過金絲球壓焊等封裝互聯(lián)技術(shù)，用來將電信號向接口電路 引出；同樣，如圖5B所不，在下電極信號引出層6，的右上角有金屬電極14，， 下可動電極金屬層ll，的電學(xué)信號傳導(dǎo)到下可動電極9，上通過彈性支撐梁8'a、 8'b、 8'c、 8'd傳導(dǎo)到下電極信號引出層6'，功能同金屬電極14一樣，金屬電極 14'也可以完成傳導(dǎo)到下電極信號引出層6'的電學(xué)信號的引出。
如圖5A、圖5B及圖7所示，二氧化硅絕緣層5以及上電極信號引出層在上體硅電信號引出電極13所在位置均留有空缺，以確保單晶硅框架7上的電
學(xué)信號能夠通過體硅電信號引出電極13引出，同樣，上體硅電信號引出電極13， 也可以滿足單晶硅框架7上的電學(xué)信號引出；設(shè)置13以及13，是為了)1每單晶硅 框架7接地，從而更好的實現(xiàn)可動硅結(jié)構(gòu)100S的各層間的電信號隔離。
圖8A所不為玻璃上電極蓋板100Ga，圖8B所示為玻璃下電極蓋t反100Gb， 玻璃上電極蓋板100Ga的基板30以及玻璃下電極蓋板100Gb的基板30，的材料 為玻璃，玻璃上電極蓋板100Ga上有凸起結(jié)構(gòu)31a、 31b、 31c、 31d，下電極蓋 板100Gb上有凸起結(jié)構(gòu)31，a、 31，b、 31，c、 31，d，這些凸起結(jié)構(gòu)是可動質(zhì)量塊 101在X， Y軸向的防過載保護(hù)凸點，數(shù)量可以是4個或大于4個；圖9是根據(jù) 本發(fā)明的微機械差分式電容加速度計(玻璃電極蓋板方案)的剖面視圖；在X， Y軸向加速度作用下，可動質(zhì)量塊101在X， Y方向運動，可動質(zhì)量塊101運 動3致和其相連的各個彈性支撐梁(Sa 8d、 8，a 8，d)發(fā)生變形，當(dāng)加速度過大 時彈性支撐梁會發(fā)生斷裂，損壞器件，凸起結(jié)構(gòu)(31a 31d、 31，a 31，d)限制了 可動質(zhì)量塊101在X， Y方向運動，從而限制了各個彈性支撐梁的變形量，從 而起到保護(hù)本發(fā)明所述加速度計的作用；玻璃上電極蓋板100Ga上有在基板30 上形成的淺槽32，在淺槽32中有卜.金屬驅(qū)動電極33以及上壓焊電極37，它們 通過上電極引線36實現(xiàn)互連；玻璃下電極蓋板100Gb上有在基板30'上形成的 淺槽34'b，在淺槽34'b中有下金屬驅(qū)動電極33，以及F壓焊電極37'，它們通過 上電極引線36'實現(xiàn)互連；上金屬驅(qū)動電極33上分布有絕緣阻擋塊34a、 34b、 34c、 34d,這些絕緣阻擋塊是可動質(zhì)量塊101在Z軸向的防過載保護(hù)凸點，絕 緣阻擋塊的數(shù)量最少為1個，下金屬驅(qū)動電極33，上分布有絕緣阻擋i央34，a、 34'b、 34'c、 34'd，這些絕緣阻擋塊是可動質(zhì)量塊101在Z軸向的防過載保護(hù)凸點，絕緣阻擋塊的數(shù)量最少為1個，絕緣阻擋塊34a 34d、 34'a 34'd分別夾在 上金屬驅(qū)動電極33和上可動電極金屬層11之間以及上金屬驅(qū)動電極33，和上可 動電極金屬層ll，之間，這些絕緣阻擋塊一方面限制了可動質(zhì)量塊101在Z方向 運動范圍， 一方面防止了 33和11的直接接觸以及33鄰ll'的直接接觸，避免 了如圖9以及圖12中所示檢測電容C1、 Cl'、 C2、 C2'各自極板間的短路。
如圖9所示，玻璃上電極蓋板100Ga和玻璃下電極蓋板100Gb通過錨合區(qū) 域(anchor) 103同硅結(jié)構(gòu)組件100S實現(xiàn)機械連接。
如圖9所示，上金屬驅(qū)動電極33和上可動電極金屬層11構(gòu)成了上檢測電
容ci，卜金屬驅(qū)動電極33，和上可動電極金屬層ir構(gòu)成了上檢測電容cr，在 z軸向加速度的作用下可動質(zhì)量塊ioi沿加速度反方向移動導(dǎo)致ci、cr電容間 隙變化，從而ci、 cr電容值變化，通過加速度計外圍伺服電路讀出電容變化 值，通過計算進(jìn)一步得到相應(yīng)的加速度值，完成此加速度計對加速度的檢測。
分布在上金屬驅(qū)動電極33上的絕緣阻擋塊34a、 34b、 34c、 34d是由電絕 緣材料制成，保證上金屬驅(qū)動電極33和上W動電極金屬層11不會直接接觸造 成短路，同樣，分布在下金屬驅(qū)動電極33'下的絕緣阻擋塊34'a、 34'b、 34，c、 34'd也是由電絕緣材料制成，保證下金屬驅(qū)動電極33'和下可動電極金屬層11' 不會直接接觸造成短路。
實施例2:
如圖10-12所示， 一種具有對稱結(jié)構(gòu)的微機械差分電容加速度計(單晶硅電 極蓋板方案)。本實施例所術(shù)的單晶硅蓋板方案與實施例1所述玻璃電極蓋板方 案采用相同的單晶硅結(jié)構(gòu)組件100S，只是選用單晶硅作為電極蓋板材茅斗，并且 在結(jié)構(gòu)上同采用玻璃材料制成的電極蓋板有所不同。圖IOA所示為根據(jù)本發(fā)明的微機械差分式電容加速度計(單晶硅電極蓋板方案)200的單晶硅上電極蓋板
200Ga的正等側(cè)視圖，圖10B是單晶硅上電極蓋板200Ga背面的正等側(cè)視圖， 由于單晶硅下蓋板200Gb同單晶硅上板200Ga具有完全相同的結(jié)構(gòu)，此處僅對 200Ga進(jìn)行結(jié)構(gòu)說明。
如圖IOA， 200Ga的基板40由單晶硅制成，200Ga上有凸起結(jié)構(gòu)41a、 41b、 41c、 41d(同樣，200Gb上有凸起結(jié)構(gòu)41，a、 41，b、 41，c、 41，d)，這些凸起結(jié)構(gòu) 是可動質(zhì)量塊101在X， Y軸向的防過載保護(hù)凸點，數(shù)量可以是4個或更多(同 實施例1中31a 31d、 31，a 31，d具有相同做用)；200Ga上的42是在基板40上 形成的淺槽，在淺槽中有上金屬驅(qū)動電極43以及上壓焊電極47，它們通過上電 極引線46實現(xiàn)互連，在淺槽42和上金屬驅(qū)動電極43、 h壓焊電極47、電極引 線46之間有二氧化硅絕緣層49相隔，這層二氧化硅絕緣層保證了單晶ili基板 40和金屬驅(qū)動電極43、上壓焊電極47、電極引線46之間的電絕緣。上金屬驅(qū) 動電極43上分布有絕緣阻擋塊44a、 44b、 44c、 44d(同樣，200Gb上有絕緣阻 擋塊44'a、 44，b、 44，c、 44，d)，這些絕緣阻擋塊是n,動質(zhì)量塊101在Z軸向的 防過載保護(hù)凸點，絕緣阻擋塊的數(shù)量最少為1個(同實施例1中34a 34d、 34'a 34'd具有相同做用)。
如圖IOB所示，在單晶硅蓋板200Ga背面覆蓋有金屬電極48，金屬電極48 和單晶硅基板40電接觸，可以通過將金屬電極48接地實現(xiàn)單晶硅基板40接地。 如圖10A所示，單晶硅基板40正面有上蓋板絕緣環(huán)45，這個絕緣環(huán)由絕緣材 料制成，通常是二氧化硅；當(dāng)金屬電極48、 48'以及13、 13'均接地時，本發(fā)明 所述加速度計具有良好的抗電磁干擾的能力。
圖11是單晶硅上電極蓋板200Ga以及單晶硅下電極蓋板200Gb和可動硅結(jié)構(gòu)組件100S通過錨合區(qū)域?qū)崿F(xiàn)機械連接后的微機械差分式電容加速度計(單
晶硅電極蓋板方案)200的正等側(cè)視圖。
圖12是根據(jù)本發(fā)明的微機械差分式電容加速度計(單晶硅電極蓋^l方案) 的剖面視圖。如圖12所示，單晶硅上電極蓋板200Ga和單晶硅下電極蓋板200Gb 通過上蓋板絕緣環(huán)45和下蓋板絕緣環(huán)45，同硅結(jié)構(gòu)組件100S錨合實現(xiàn)^fl械連接 以及電隔離；圖9屮所示凸起結(jié)構(gòu)41b、 41d、 41'b、 41'd限制了可動質(zhì)量塊101 在x軸向的可動范圍，從而起到對可動質(zhì)量塊101在X軸向的加速度過載保護(hù) 的作用，同樣，圖中未標(biāo)示的41a、 41c、 41'a、 41'c起到對可動質(zhì)量塊101在Y 軸向的加速度過載保護(hù)的作用。
如圖12所示，上金屬驅(qū)動電極43和上可動電極金屬層11構(gòu)成了上檢測電 容C2，下金屬驅(qū)動電極43'和上可動電極金屬層n，構(gòu)成了上檢測電容C2'，在 Z軸向加速度的作用下可動質(zhì)量塊101沿加速度反方向移動導(dǎo)致C2、C2'電容間 隙變化，從而C2、 C2'電容值變化，通過加速度計外圍伺服電路讀出電容變化 值，通過計算進(jìn)一歩得到相應(yīng)的加速度值，完成此加速度計對加速度的檢測； 分布在上金屬驅(qū)動電極43上的絕緣阻擋塊44a、 44b、 44c、 44d是由電絕緣材 料制成，保證上金屬驅(qū)動電極43和上可動電極金屬層11不會直接接觸造成短 路，同樣，分布在下金屬驅(qū)動電極43'下的絕緣阻擋塊44'a、 44'b、 44'c、 44'd 也是由電絕緣材料制成，保證下金屬驅(qū)動電極43，和上可動電極金屬層ll，不會 直接接觸造成短路。
權(quán)利要求
1、一種微機械差分電容加速度計，其特征在于包括上電極蓋板、下電極蓋板，分別通過錨合區(qū)域anchor從上、下兩個方向和可動硅結(jié)構(gòu)組件連接；可動硅結(jié)構(gòu)組件由可動質(zhì)量塊、固支框架、多個彈性支撐梁組成，其中彈性支撐梁分上、下兩層分布在可動質(zhì)量塊、固支框架之間，連接可動質(zhì)量塊和固支框架，梁和可動質(zhì)量塊以及固支框架的連接處采用圓角過渡，可動質(zhì)量塊的上表面和下表面都分布有氣體導(dǎo)流凹槽；上、下電極蓋板由硅材料制成，為單晶硅材料；上電極蓋板和下電極蓋板上的檢測-驅(qū)動電極、電信號引出線、壓焊電極通過絕緣層與電極蓋板的單晶硅襯底為電絕緣；電極蓋板的單晶硅襯底接地；在上電極蓋板和下電極蓋板上的檢測/驅(qū)動電極之上有多個絕緣阻擋塊作為敏感軸向抗過載阻擋塊，在上電極蓋板和下電極蓋板上的檢測/驅(qū)動電極四周有多個突起為非敏感軸向抗過載阻擋塊；或電極蓋板由玻璃材料制成，采用和單晶硅熱失配較小的玻璃材料；玻璃材料本身電絕緣，上電極蓋板和下電極蓋板上的檢測-驅(qū)動電極、電信號引出線、壓焊電極直接制作在玻璃襯底上實現(xiàn)電絕緣；在上電極蓋板和下電極蓋板上的檢測/驅(qū)動電極之上有多個絕緣阻擋塊作為敏感軸向抗過載阻擋塊，在上電極蓋板和下電極蓋板上的檢測/驅(qū)動電極四周有多個突起為非敏感軸向抗過載阻擋塊。
2、 根據(jù)權(quán)利耍求1所述的一種微機械差分電容加速度計，其特征在于可動石圭 結(jié)構(gòu)組件基于雙器件層SOI單晶硅圓片；雙器件層SOI單晶硅圓片具有一個單 晶硅襯片，單晶硅襯片的正反面分別有厚度相等的二氧化硅絕緣層，在二氧化 硅絕緣層上分別有厚度相等的單晶硅層器件層。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的"種微機械差分電容加速度計，其特征在于戶萬述的 雙器件層SOI片，在其厚度方向包含5層結(jié)構(gòu)，依次為硅層、二氧化硅層、硅 層、二氧化硅層和硅層。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微機械差分電容加速度計，其特征在于所述的 雙器件層SOI片，在其厚度方向包含7層結(jié)構(gòu)，依次為硅層、二氧化硅層、硅 層、二氧化硅層、硅層、二氧化硅層和硅層。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種微機械差分電容加速度計，其特征在于戶萬述 的加速度計中有兩個檢測電容，構(gòu)成差分關(guān)系(C1、 Cl'或C2、 C2')，所述每個 檢測電容都是由相應(yīng)上、下電極蓋板(玻璃電極蓋板或單晶硅電極蓋板)的金 屬驅(qū)動電極分別通過對準(zhǔn)鍵合工藝(硅-玻璃鍵合或硅-硅鍵合)和可動質(zhì)量塊上 的上、下可動電極金屬層構(gòu)成平行的金屬平板結(jié)構(gòu)，即平行板電容結(jié)構(gòu)，電容 間隙通過錨合區(qū)域anchor和可動質(zhì)量塊金屬層之間的臺階高度控制。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種微機械差分電容加速度計，其特征在于所述 的固支框架，固支框架包含的每一層硅結(jié)構(gòu)上都有用于壓焊的金屬壓焊電極。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種微機械差分電容加速度計，其特征在于所述 的多個彈性支撐梁，分上下兩層連接可動質(zhì)量塊和固支框架。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微機械差分電容加速度計，其特征在于所述 的上電極蓋板和下電極蓋板的基材為玻璃其匕有金屬的檢測/驅(qū)動電極，在檢測/ 驅(qū)動電極四周有突起點；在驅(qū)動電極上有絕緣塊。
9、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微機械差分電容加速度計，其特征在于所述 的上電極蓋板和下電極蓋板的基材為硅，其上有金屬的檢測/驅(qū)動電極，壓焊電 極以及互連金屬線，檢測/驅(qū)動電極，壓焊電極以及互連金屬線和硅基材之間有 絕緣層進(jìn)行電隔離；在檢測/驅(qū)動電極四周皆有突起點；在檢測/驅(qū)動電極上有至 少一個絕緣塊。
10、 一種微機械差分電容加速度計，其特征在于，單晶硅下蓋板同單晶硅上 板具有完全相同的結(jié)構(gòu)基板由單晶硅制成，單晶硅上蓋板上有凸起結(jié)構(gòu)，數(shù) 量可以是4個或更多；單晶硅上蓋板上有在基板上形成的淺槽，在淺槽中有上 金屬驅(qū)動電極以及上壓焊電極，通過上電極引線實現(xiàn)互連，在淺槽和上金屬驅(qū) 動電極、上壓焊電極、電極引線之間有二氧化硅絕緣層相隔，這層二氧化硅絕 緣層保證了單晶硅基板和金屬驅(qū)動電極、上壓焊電極、電極引線之間的電絕緣； 上金屬驅(qū)動電極上分布有絕緣阻擋塊，絕緣阻擋塊的數(shù)量最少為1個；在單晶硅蓋板背面覆蓋有金屬電極，金屬電極和單晶硅基板電接觸，通過將 金屬電極接地實現(xiàn)單晶硅基板接地；單晶硅基板正面有上蓋板絕緣環(huán)。
全文摘要
一種具有對稱結(jié)構(gòu)的微機械差分電容加速度計，通過錨合區(qū)域anchor從上、下兩個方向和可動硅結(jié)構(gòu)組件連接。硅結(jié)構(gòu)組件的彈性支撐梁分上、下兩層分布在可動質(zhì)量塊、固支框架之間，連接可動質(zhì)量塊和固支框架，梁和可動質(zhì)量塊以及固支框架的連接處采用圓角過渡，可動質(zhì)量塊的上表面和下表面都分布有氣體導(dǎo)流凹槽；電極蓋板可由硅材料制成。質(zhì)量塊的上表面和下表面都分布的氣體導(dǎo)流凹槽有利于調(diào)節(jié)所述的加速度計的壓膜阻尼效應(yīng)，從而從結(jié)構(gòu)上改善離面式電容檢測加速度計的動態(tài)特性；本發(fā)明所述加速度計的多根彈性支撐梁為單一摻雜濃度的單晶硅材料制成，消除了由于采用不同材料所引入的熱失配應(yīng)力，以及由于單晶硅摻雜濃度不同引入的熱失配應(yīng)力。
文檔編號G01P15/125GK101625372SQ20091009098
公開日2010年1月13日 申請日期2009年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月19日
發(fā)明者胡啟方, 郝一龍, 高成臣 申請人:北京大學(xué)