惯性传感器及其制造方法技术

本申请公开了一种惯性传感器及其制造方法，包括：衬底；第一可动质量块，位于衬底上方；第二可动质量块，位于第一可动质量块上方；以及设置于第一可动质量块上的检测电极，该检测电极与第二可动质量块形成检测电容，在外界出现加速度时检测电容的电容变化差值是相同面积下的单层可动质量块的惯性传感器的电容变化差值的两倍，在不增加惯性传感器的面积的同时提高了惯性传感器的灵敏度。

INERTIAL SENSOR AND ITS MANUFACTURING METHOD

【技术实现步骤摘要】
惯性传感器及其制造方法
本专利技术涉及MEMS
，更具体地涉及一种惯性传感器及其制造方法。
技术介绍
采用表面工艺制作的微机电(Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS)惯性传感器是以硅片为基体，通过多次薄膜淀积和图形加工制备形成三维微机械结构。常用的薄膜层材料有：多晶硅、氮化硅、二氧化硅和金属。加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备，是微机电(MEMS)惯性传感器常用器件之一，加速度传感器主要应用于位置感应、位移感应或者运动状态感应等领域。惯性传感器主要由可动质量块、固定锚点、弹性结构和固定电极等组成。其中，弹性结构的一端与固定锚点相连，另一端与可动质量块相连，固定电极与可动质量块之间形成可变电容。当外部加速度作用在可动质量块上时会形成惯性力，该惯性力会对可动质量块形成位移量，通过感应固定电极与可动质量块之间的电容变化来检测位移变化量，即可确定外部加速度的大小。惯性传感器的主要指标有：灵敏度、线性度、温度漂移以及抗冲击能力等。现有的惯性传感器提高灵敏度的方法主要是增大面积，使得在机械灵敏度小的情况下可以通过芯片来放大，这样虽然可以提高惯性传感器的灵敏度，但是增大了惯性传感器的面积，提高了制造成本。因此有必要对现有的惯性传感器进行改进以在不增大惯性传感器的面积的同时提高惯性传感器的灵敏度。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种惯性传感器及其制造方法，进一步提高惯性传感器的灵敏度。根据本专利技术的一方面，提供一种惯性传感器，包括：衬底；第一可动质量块，位于所述衬底上方；第二可动质量块，位于所述第一可动质量块上方；以及设置于所述第一可动质量块上的检测电极，所述检测电极与所述第二可动质量块形成检测电容。优选地，所述惯性传感器还包括：第一锚点，所述第一可动质量块与所述第一锚点连接；以及第二锚点，所述第二可动质量块与所述第二锚点连接。优选地，所述惯性传感器还包括位于所述衬底上的布线层，所述第一锚点和所述第二锚点固定于所述布线层上。优选地，所述惯性传感器还包括沿第一方向延伸的至少一个第一弹性元件和第二弹性元件，所述第一弹性元件用于连接所述第一锚点和所述第一可动质量块，所述第二弹性元件用于连接所述第二锚点和所述第二可动质量块。优选地，所述第一锚点和所述第二锚点沿所述第一方向平行设置。优选地，所述第一锚点和所述第二锚点沿与所述第一方向垂直的第二方向平行设置。优选地，所述第一弹性元件的长度方向与所述第一锚点的中线重合，所述第二弹性元件的长度方向与所述第二锚点的中线重合。优选地，所述第一可动质量块位于所述第一弹性元件的两侧的质量不相等，所述第二可动质量块位于所述第二弹性元件的两侧的质量不相等。优选地，所述第一可动质量块位于所述第一弹性元件左侧的质量等于所述第二可动质量块位于所述第二弹性元件左侧的质量，或者所述第一可动质量块位于所述第一弹性元件右侧的质量等于所述第二可动质量块位于所述第二弹性元件右侧的质量。优选地，所述第一质量块关于所述第一弹性元件非对称设置，所述第二质量块关于所述第二弹性元件非对称设置。优选地，每个所述质量块的至少一侧设置有减重孔。优选地，每个所述质量块的至少一侧设置有配重块。优选地，所述减重孔包括通孔和/或盲孔。优选地，所述检测电极至少包括第一检测电极和第二检测电极，所述第二可动质量块与所述第一检测电极和所述第二检测电极分别形成第一检测电容和第二检测电容，所述第一检测电容和所述第二检测电容构成差分电容结构。优选地，所述第一检测电极和所述第二检测电极关于所述第一锚点和/或所述第二锚点的中线对称。优选地，所述惯性传感器还包括位于所述检测电极与所述第一可动质量块之间的绝缘层。优选地，所述第一可动质量块和所述第二可动质量块的厚度分别为10～25微米。优选地，所述检测电极和所述布线层的厚度分别为0.4～1微米。优选地，所述绝缘层的厚度为0.1～0.3微米。根据本专利技术的另一方面，提供一种惯性传感器的制造方法，包括：在衬底上形成布线层；在衬底和所述布线层上形成第一牺牲层；在所述第一牺牲层上形成第一结构层；在所述第一结构层上形成检测电极；在所述第一结构层和所述检测电极上形成第二牺牲层；在所述第二牺牲层上形成第二结构层；图形化所述第一结构层和所述第二结构层形成运动质量块图形；以及去除所述第一牺牲层和所述第二牺牲层以形成第一可动质量块和第二可动质量块，所述第一可动质量块和所述第二可动质量块浮置于所述衬底上，所述检测电极与所述第二可动质量块形成检测电容。优选地，所述制造方法还包括在形成所述第一结构层之前，在所述第一牺牲层的上表面进行刻蚀以形成第一通孔，所述第一通孔暴露所述布线层的至少一部分表面；以及填充所述第一通孔以形成第一锚点以及第二锚点的一部分结构；在形成所述第二结构层之前，在所述第二牺牲层的上表面进行刻蚀以形成第二通孔，所述第二通孔暴露所述检测电极的至少一部分，以及填充所述第二通孔以形成所述第二锚点的另一部分结构。优选地，在所述第一结构层上形成检测电极前还包括：在所述第一结构层的上表面形成绝缘层；以及图形化所述绝缘层以使得所述绝缘层部分覆盖所述第一结构层。优选地，所述形成第一可动质量块和第二可动质量块包括：以所述绝缘层为深槽蚀刻保护层，形成自所述第二结构层的上表面延伸至所述第一牺牲层上表面的多个第一深槽和第二深槽；以及经由所述多个第一深槽和第二深槽进行各向同性蚀刻，从而横向去除所述第一牺牲层和所述第二牺牲层的至少一部分。优选地，所述制造方法还包括图形化所述第一结构层和所述第二结构层以分别形成沿第一方向延伸的第一弹性元件和第二弹性元件，第一弹性元件用于连接所述第一锚点和所述第一可动质量块，所述第二弹性元件用于连接所述第二锚点和所述第二可动质量块。优选地，所述第一锚点和所述第二锚点沿所述第一方向平行设置。优选地，所述第一锚点和所述第二锚点沿与所述第一方向垂直的第二方向平行设置。优选地，所述第一弹性元件的长度方向与所述第一锚点的中线重合，所述第二弹性元件的长度方向与所述第二锚点的中线重合。优选地，所述第一可动质量块位于所述第一弹性元件的两侧的质量不相等，所述第二可动质量块位于所述第二弹性元件的两侧的质量不相等。优选地，所述制造方法还包括图形化所述第一可动质量块和所述第二可动质量块的至少一侧以形成减重孔。优选地，所述减重孔包括通孔和/或盲孔。优选地，所述制造方法还包括在所述第一可动质量块和所述第二可动质量块的至少一侧形成配重块。优选地，所述第一结构层和所述第二结构层的厚度分别为10～25微米。优选地，所述检测电极和所述布线层的厚度分别为0.4～1微米。优选地，所述绝缘层的厚度为0.1～0.3微米。优选地，所述第一牺牲层和所述第二牺牲层的厚度为1.2～1.8微米。本专利技术实施例提供的惯性传感器及其制造方法具有以下有益效果。惯性传感器包括两层可动质量块，将检测电极设置于第一可动质量块上，检测电极与第二可动质量块构成差分电容结构。当存在Z轴方向的加速度时，通过外部电路获得检测电容的电容变化差值，即可得到对应的加速度值。本专利技术实施例的惯性传感器的检测电容的电容变化差值是相同面积下的单层可动质量块的惯性传感器的电容变化差值的两倍，提高了惯性传感器的灵敏度。优选地实施例中，第一可动质量块本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种惯性传感器，包括：衬底；第一可动质量块，位于所述衬底上方；第二可动质量块，位于所述第一可动质量块上方；以及设置于所述第一可动质量块上的检测电极，所述检测电极与所述第二可动质量块形成检测电容。

【技术特征摘要】
1.一种惯性传感器，包括：衬底；第一可动质量块，位于所述衬底上方；第二可动质量块，位于所述第一可动质量块上方；以及设置于所述第一可动质量块上的检测电极，所述检测电极与所述第二可动质量块形成检测电容。2.根据权利要求1所述的惯性传感器，其中，还包括：第一锚点，所述第一可动质量块与所述第一锚点连接；以及第二锚点，所述第二可动质量块与所述第二锚点连接。3.根据权利要求2所述的惯性传感器，其中，还包括位于所述衬底上的布线层，所述第一锚点和所述第二锚点固定于所述布线层上。4.根据权利要求2所述的惯性传感器，其中，还包括沿第一方向延伸的至少一个第一弹性元件和第二弹性元件，所述第一弹性元件用于连接所述第一锚点和所述第一可动质量块，所述第二弹性元件用于连接所述第二锚点和所述第二可动质量块。5.根据权利要求4所述的惯性传感器，其特征在于，所述第一锚点和所述第二锚点沿所述第一方向平行设置。6.根据权利要求4所述的惯性传感器，其特征在于，所述第一锚点和所述第二锚点沿与所述第一方向垂直的第二方向平行设置。7.根据权利要求5或6所述的惯性传感器，所述第一弹性元件的长度方向与所述第一锚点的中线重合，所述第二弹性元件的长度方向与所述第二锚点的中线重合。8.根据权利要求4所述的惯性传感器，其中，所述第一可动质量块位于所述第一弹性元件的两侧的质量不相等，所述第二可动质量块位于所述第二弹性元件的两侧的质量不相等。9.根据权利要求8所述的惯性传感器，其中，所述第一可动质量块位于所述第一弹性元件左侧的质量等于所述第二可动质量块位于所述第二弹性元件左侧的质量，或者所述第一可动质量块位于所述第一弹性元件右侧的质量等于所述第二可动质量块位于所述第二弹性元件右侧的质量。10.根据权利要求8所述的惯性传感器，其中，所述第一质量块关于所述第一弹性元件非对称设置，所述第二质量块关于所述第二弹性元件非对称设置。11.根据权利要求8-10任一项所述的惯性传感器，其中，每个所述质量块的至少一侧设置有减重孔。12.根据权利要求8-10任一项所述的惯性传感器，其中，每个所述质量块的至少一侧设置有配重块。13.根据权利要求12所述的惯性传感器，其中，所述减重孔包括通孔和/或盲孔。14.根据权利要求1所述的惯性传感器，其中，所述检测电极至少包括第一检测电极和第二检测电极，所述第二可动质量块与所述第一检测电极和所述第二检测电极分别形成第一检测电容和第二检测电容，所述第一检测电容和所述第二检测电容构成差分电容结构。15.根据权利要求14所述的惯性传感器，其特征在于，所述第一检测电极和所述第二检测电极关于所述第一锚点和/或所述第二锚点的中线对称。16.根据权利要求1所述的惯性传感器，其中，还包括位于所述检测电极与所述第一可动质量块之间的绝缘层。17.根据权利要求1所述的惯性传感器，其特征在于，所述第一可动质量块和所述第二可动质量块的厚度分别为10～25微米。18.根据权利要求3所述的惯性传感器，其特征在于，所述检测电极和所述布线层的厚度分别为0.4～1微米。19.根据权利要求16所述的惯性传感器，其特征在于，所述绝缘层的厚度为0.1～0.3微米。20.一种惯性传感器的制造方法，其特征在于，包括：在衬底上形成布线层；在衬底和所述布线层上形成第一牺牲层；在所述第...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪建平，邓登峰，
申请(专利权)人：杭州士兰微电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33