【技术实现步骤摘要】
单质量块三轴MEMS惯性加速度计及其制备方法
本专利技术涉及一种惯性加速度计，特别涉及一种单质量块三轴MEMS惯性加速度计。
技术介绍
加速度计广泛应用于汽车、消费电子、工业控制等领域，是惯性传感器中最重要的一类。MEMS加速度计基于微机械电子(MEMS)技术，采用微细加工工艺制作，具有体积小、重量轻、能耗低、可靠性高等优点。MEMS加速度计的运动敏感结构主体包括质量块和质量块悬挂支撑系统，通过检测质量块的相对位移而感测直线加速运动的加速度。MEMS加速度计的运动敏感方式有电容式、压阻式、压电式、谐振式等，其中最为成功且应用最广泛的是电容式MEMS加速度计。MEMS加速度计有面硅和体硅两种结构形式。面硅电容式加速度计的典型敏感结构为梳齿式电容(Mukherjee等,“Automatedoptimalsynthesisofmicro-accelerometers”,MEMS’99,pp.326–331)，其结构单元尺寸较小，一般采用表面硅加工工艺制作，但相应地其电容电极交叠面积较小，感测电容值也较小，对加速度的感测动态范围和分辨率相对较低，主要应用于要求不高的消费电子领域。可以通过增加梳齿对数来获得较大的电容值，但相应地也增加了结构的复杂度和制备工艺要求。体硅加速度计以大质量块为典型特征，采用压阻(Amarasinghe等,Simulation,fabricationandcharacterizationofathree-axispiezoresistiveaccelerometer,SmartMate...
【技术保护点】
1.一种单质量块三轴MEMS惯性加速度计，其特征在于，包括自下而上依次键合的底板（1）、空腔结构层（2）、质量块与悬臂梁结构层（3）、顶板（4）；/n所述底板（1）包括底板基板（11）、底板基板底面四边相对于其中心对称分布的4组侧电容输出电极（12）、底板基板顶面相对于其中心对称分布的4组侧电容外电极下引出电极（13）、底板基板顶面四边环绕各个侧电容外电极下引出电极（13）的底板键合环（14）和贯穿底板基板的8个底板金属通孔（15）；/n所述空腔结构层（2）包括空腔基板（21）、贯穿空腔基板中部的正四棱柱形空腔（22）、对称分布于空腔4个内侧面的4组侧电容外电极（23）、对称分布于空腔基板底面的4组侧电容外电极上引出电极（24）、空腔基板底面四边环绕各个侧电容外电极上引出电极（24）的空腔基板底面键合环（25）和环绕于空腔基板顶面四边的空腔基板顶面键合环（26）；/n所述质量块与悬臂梁结构层（3）包括正四棱柱形质量块（31）、覆盖质量块侧面的侧电容内电极（32）、覆盖质量块底面的侧电容内电极引出电极（33）、贯穿质量块中央的质量块金属通孔（34）、8个S形悬臂梁（35）、4个径向悬臂梁...
【技术特征摘要】 【专利技术属性】
1.一种单质量块三轴MEMS惯性加速度计，其特征在于，包括自下而上依次键合的底板（1）、空腔结构层（2）、质量块与悬臂梁结构层（3）、顶板（4）；
所述底板（1）包括底板基板（11）、底板基板底面四边相对于其中心对称分布的4组侧电容输出电极（12）、底板基板顶面相对于其中心对称分布的4组侧电容外电极下引出电极（13）、底板基板顶面四边环绕各个侧电容外电极下引出电极（13）的底板键合环（14）和贯穿底板基板的8个底板金属通孔（15）；
所述空腔结构层（2）包括空腔基板（21）、贯穿空腔基板中部的正四棱柱形空腔（22）、对称分布于空腔4个内侧面的4组侧电容外电极（23）、对称分布于空腔基板底面的4组侧电容外电极上引出电极（24）、空腔基板底面四边环绕各个侧电容外电极上引出电极（24）的空腔基板底面键合环（25）和环绕于空腔基板顶面四边的空腔基板顶面键合环（26）；
所述质量块与悬臂梁结构层（3）包括正四棱柱形质量块（31）、覆盖质量块侧面的侧电容内电极（32）、覆盖质量块底面的侧电容内电极引出电极（33）、贯穿质量块中央的质量块金属通孔（34）、8个S形悬臂梁（35）、4个径向悬臂梁（36）、8个横向悬臂梁（37）、悬臂梁固支边框（38）、覆盖质量块顶面、各个悬臂梁顶面和悬臂梁固支边框顶面的接地电极（39）；
所述顶板（4）包括顶板基板（41）、顶板基板底面中部的顶板空腔（42）、覆盖顶板基板底面四边的接地引出电极（43）、顶板基板顶面相对于其中心对称分布的4个接地输出电极（44）和贯穿顶板基板的4个顶板金属通孔（45）；
所述空腔结构层（2）底面四边的空腔基板底面键合环（25）与底板（1）顶面四边的底板键合环（15）金金键合，所述悬臂梁固支边框（38）的底面四边与空腔结构层（2）顶面四边的空腔基板顶面键合环（26）金硅键合，各个悬臂梁悬置于空腔（21）之上并使质量块（31）悬置于空腔（21）之中，所述顶板（4）底面四边的接地引出电极（43）与悬臂梁固支边框（38）顶面的接地电极（44）金金键合，最终形成一个气密封闭结构。
2.根据权利要求1所述的单质量块三轴MEMS惯性加速度计，其特征在于，所述底板基板（11）为正方形截面的基板，相应地，底板键合环（14）为内方外方截面的矩形环；
每组侧电容输出电极包含2个并列的侧电容输出电极（12），各个侧电容输出电极（12）为同形的矩形电极；
每组侧电容外电极下引出电极包含2个并列的侧电容外电极下引出电极（13），各个侧电容外电极下引出电极（13）为同形的矩形电极。
3.每个侧电容输出电极（12）正对1个侧电容外电极下引出电极（13）并由1个底板金属通孔（15）相连接；
根据权利要求1所述的单质量块三轴MEMS惯性加速度计，其特征在于，所述空腔基板（21）为正方形外缘的厚基板，相应地，所述空腔基板底面键合环（25）和空腔基板顶面键合环（26）均为内方外方截面的矩形环；
每组侧电容外电极（23）包含2个并列的侧电容外电极（23），各个侧电容外电极（23）为同形的矩形电极，各个侧电容外电极（23）的高度与空腔基板的高度相同，各组侧电容外电极中的2个侧电容外电极（23）及其间隙的总宽度与质量块与悬臂梁结构层（3）中的正四棱柱形质量块（31）的宽度相同；
每组侧电容外电极上引出电极包含2个并列的侧电容外电极上引出电极（24），各个侧电容外电极上引出电极（24）为同形的矩形电极，所述各个侧电容外电极上引出电极（24）的内端与对应的侧电容外电极（23）的下端相连接。
4.根据权利要求1所述的单质量块三轴MEMS惯性加速度计，其特征在于，所述各个侧电容内电极（32）的上端与各个悬臂梁的下表面平齐，所述各个侧电容内电极（32）的下端与侧电容内电极引出电极（33）的外缘相连接；
所述质量块金属通孔（34）贯穿质量块的中央且连接质量块底面的侧电容内电极引出电极（33）和质量块顶面上的接地电极（39）；
所述悬臂梁固支边框（38）包括4个固支凸块（381）和4个固支边（382），所述4个固支凸块（381）和4个固支边（382）依次相连组成一个正方形外缘的中空框架；
所述S形悬臂梁（35）包含若干个径向臂（351）和若干个横向臂（352）；所述各个径向臂（351）和各个横向臂（352）以及各个横向悬臂梁（37）的宽度相等，所述各个径向悬臂梁（36）的宽度大于各个横向悬臂梁（37）的宽度；所述各个径向臂（351）和各个横向臂（352）以及各个横向悬臂梁（37）的厚度均相等且不大于其宽度，各个径向悬臂梁（36）的厚度不小于各个横向悬臂梁（37）的厚度；所述各个径向臂（351）的长度大于各个横向臂（352）的长度，各个横向悬臂梁（37）的长度不小于各个径向臂（351）的长度，各个径向悬臂梁（36）的长度不大于各个横向悬臂梁（37）的长度，各个径向臂（351）和各个横向臂（352）以及各个横向悬臂梁（37）的长度大于其宽度，各个径向悬臂梁（36）的长度不大于其宽度；
所述各个径向悬臂梁（36）的内端分别连接质量块（31）一个侧面上端的正中，所述各个横向悬臂梁（37）的内端分别连接各个径向悬臂梁（36）的外端的一侧，所述各个横向悬臂梁（37）的外端分别连接一个S形悬臂梁（35）的内端，所述各个S形悬臂梁（35）的外端分别连接悬臂梁固支边框（38）一个固支凸块（381）的同侧内侧面上端的中部，所述各个S形悬臂梁中的若干个横向臂、若干个径向臂依次相间正交相连；所述依次相连的径向悬臂梁（36）、横向悬臂梁（37）和S形悬臂梁（35）的顶面平齐，所述依次相连的径向悬臂梁（36）、横向悬臂梁（37）和S形悬臂梁（35）的底面平齐，所述各个径向悬臂梁（36）的顶面与所相连的质量块的顶面平齐，所述各个S形悬臂梁（35）的顶面与所连接的固支凸块（381）的顶面平齐。
5.根据权利要求1所述的单质量块三轴MEMS惯性加速度计，其特征在于，所述顶板基板（41）为正方形外缘的基板，相应地，所述接地引出电极（43）为内方外方截面的矩形环；
所述顶板空腔（42）的截面与悬臂梁固支边框（38）中空部分的截面全等同形，所述顶板空腔（42）的深度为顶板基板（41）厚度的一半；
所述各个接地输出电极（44）为同形的矩形；所述4个顶板金属通孔（45）分别连接4个接地输出电极（44）和接地引出电极（43）。
6.根据权利要求1所述的单质量块三轴MEMS惯性加速度计，其特征在于，所述底板基板（11）、空腔基板（21）、悬臂梁固支边框（38）和顶板基板（41）具有相同边长的正方形外缘；
所述底板键合环（14）、空腔基板底面键合环（25）、空腔基板顶面键合环（26）全等同形并与悬臂梁固支边框（38）的固支边（382）等宽，覆盖于悬臂梁固支边框（38）顶面部分的接地电极（39）与覆盖于顶板基板（41）底面的接地引出电极（43）全等同形；
所述各个电极、各个键合环与其所在基板之间、各个金属通孔与其所贯穿基板之间由绝缘层（5）电隔离；
所述顶板（1）、空腔结构层（2）和底板（4）的基板材料为硅单晶；制作质量块与悬臂梁结构层（3）的基板为SOI基板，所述各个电极、各个键合环和各个金属通孔的材料为金，所述绝缘层（5）的材料为二氧化硅或者氮化硅。
7.根据权利要求1所述的单质量块三轴MEMS惯性加速度计，其特征在于，所述质量块悬置于空腔内，质量块侧面与空腔内侧面之间的间隙为质量块作水平前后偏移和水平左右偏移的空间，质量块底面与底板顶面以及质量块顶面与顶板空腔顶面之间的间隙为质量块作垂直上下偏移的空间；
质量块侧面上的侧电容内电极与空腔内侧面上的8个侧电容外电极构成8个侧电容（6），其中位于质量块前侧的2个侧电容（61、62）组成第一感测电容对，位于质量块后侧的2个侧电容（63、64）组成第二感测电容对，位于质量块左侧的2个侧电容（65、66）组成第三感测电容对，位于质量块右侧的2个侧电容（67、68）组成第四感测电容对。
8.根据权利要求1所述的单质量块三轴MEMS惯性加速度计，其特征在于，静态时，悬置于空腔内的质量块的各个侧面与对应的各个空腔内侧面平行、正对并保持相同的间距，质量块的底面与底板的顶面以及质量块的顶面与顶板空腔的底面平行、正对并保持初始间距；
相应地，质量块侧面上的各个侧电容内电极与对应的空腔内侧面上的各组侧电容外电极平行、正对且保持相同的间隙宽度，各个侧电容具有相同的静态电容值，由各个侧电容输出电极与各个接地输出电极构成的8个侧电容输出端口输出相同的静态电容值信号。
9.根据权利要求1所述的单质量块三轴MEMS惯性加速度计，其特征在于，所述1个S形悬臂梁（35）与对应的1个径向悬臂梁（36）和2个横向悬臂梁（37）组成1个组合S形悬臂梁，4个对称分布的组合S形悬臂梁支撑质量块，各个组合S形悬臂梁悬置于空腔之上并使质量块悬置于空腔之中，其中：
各个S形悬臂梁的径向臂为长的窄梁，横向臂为短的窄梁，易于产生横向弯曲形变而不易于产生径向弯曲形变；
各个横向悬臂梁为长的窄梁，易于产生面内径向弯曲形变或面外垂直弯曲形变；
各个径向悬臂梁为短的宽梁，与横向悬臂梁相连形成丁字形结构并连接于质量块顶部各个侧面的正中，不易于产生横向弯曲形变和垂直弯曲形变。
10.一种如权利要求1所述的惯性加速度计制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1、制作底板；
（1-1）硅单晶基板顶面热氧化或者LPCVD，形成覆盖基板顶面的氧化绝缘层；
技术研发人员：赵成，杨义军，朱骏，郭鹏飞，王健，
申请(专利权)人：扬州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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