一种三轴MEMS电容式加速度传感器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种三轴MEMS电容式加速度传感器，属于微机电系统技术领域。其包括用于检测x方向上加速度的上层结构、用于检测z方向上加速度的中层结构和用于检测y方向上加速度的下层结构；上层结构和下层结构均构成梳齿型倍增电容加速度传感器，分别由动电极及定电极组成；中层结构构成三明治式差分电容加速度传感器，包括上、下级板和质量块。本实用新型专利技术具有电容正对面积大、量程大、灵敏度高、可靠性高、集成度高、成本低、噪声低、性能稳定等优点。性能稳定等优点。性能稳定等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种三轴MEMS电容式加速度传感器


[0001]本技术涉及到微机电系统
，特别涉及一种三轴MEMS电容式加速度传感器。

技术介绍

[0002]MEMS(Micro
‑
Electro
‑
Mechanical System，微机电系统)加速度传感器是一种重要的惯性器件，其能够将外界加速度这一物理信号转变成便于测量的电信号，在航空、航天、汽车等领域有着广泛的应用。按检测原理，微机电加速度传感器可分为压阻式、压电式和电容式等形式。
[0003]电容式加速度传感器是一种将被测的加速度信号转换为电容器的电容量变化的传感器。实现这种功能的方式通常有变间隙式和变面积式两种。传感器的可动质量块构成了可变电容的一个可动电极，当质量块受加速度作用而产生位移时，由可动电极和固定电极构成的平行板电容器的间隙或正对面积发生变化，导致平行板电容器的电容量发生变化，将这种变化量用外围电路检测出来从而计算出加速度的大小。
[0004]在申请号为CN201811616953.5的专利中，加速度计采用全碳化硅材料，由下部碳化硅基底层、中间连接层和上部碳化硅结构外框组成，上部碳化硅结构外框内部设有中心对称的五组阵列式四梁质量岛结构，利用梁上压阻条进行振动感知，进而获取三轴方向的加速度。
[0005]这种结构在耐高温恶劣环境能力方面有所提升，但是又存在如下问题：敏感压阻条产生的形变量有限，传感器灵敏度较低；机械结构及压阻产生的热机械噪声较大，传感器信噪比较低；压阻材料受温度影响较大，进而导致传感器有温度漂移；采用碳化硅的非常规材料，给传感器制作带来一定难度。
[0006]在申请号为CN201921626254.9的专利中，提出了一种三轴MEMS电容式加速度传感器。其中，在平面检测层设置两个正交分布的梳齿式微加速度计，感知水平面方向加速度，在离面监测层设置摆式微加速度计，感知垂直方向加速度，平面检测层与离面检测层之间设置基底层，离面检测层下部设置衬底层。
[0007]这种结构可以获得高灵敏度，但是又存在如下问题：传感器感知加速度范围较小；摆式加速度计稳定性及可靠性差，传感器水平方向加速度感知能力降低；平面内的两个正交梳齿式加速度计对传感器有效面积利用率低。

技术实现思路

[0008]有鉴于此，本技术提供了三轴MEMS电容式加速度传感器。该传感器具有电容正对面积大、量程大、灵敏度高、可靠性高、集成度高、成本低、噪声低、性能稳定等优点。
[0009]为了实现上述目的，本技术所采取的技术方案为：
[0010]一种三轴MEMS电容式加速度传感器,包括用于检测x方向上加速度的上层结构、用于检测z方向上加速度的中层结构和用于检测y方向上加速度的下层结构；
[0011]所述中层结构包括依次层叠的上级板、固定框和下级板；所述固定框内设有质量块，且质量块通过悬臂组固定于固定框的中心处；所述上级板的下表面和下级板的上表面均设有用于约束质量块运动的限位凸框和防撞凸点；所述上级板和质量块之间与质量块和下级板之间均具有间隙；
[0012]所述上层结构位于上级板的上表面，其包括间隔排列的n个x向动电极和n+1个x向定电极，其中n≥1；所述x向定电极与上级板固定连接，x向动电极通过柔性结构与上级板连接；所述x向动电极和x向定电极的相邻侧均设有梳齿，且x向动电极和x向定电极的梳齿交错设置并留有等间距的活动间隙；
[0013]所述下层结构位于下级板的下表面，其包括间隔排列的n个y向动电极和n+1个y向定电极；所述y向定电极与下级板固定连接，y向动电极通过柔性结构与下级板连接；所述y向定电极和y向动电极的相邻侧均设有梳齿，且y向动电极和y向定电极的梳齿交错设置并留有等间距的活动间隙；所述x向动电极和y向动电极相互垂直。
[0014]进一步的，所述质量块的上表面和下表面均为方形；所述悬臂组包括分别与方形上、下表面对应的上组悬臂和下组悬臂，每组悬臂包括旋转对称的四个悬臂；所述悬臂为Z型结构，其两端分别连接外围框和方形边端点。
[0015]进一步的，上、下位置正对的悬臂连接对应方形边的异侧端点。
[0016]进一步的，所述上级板的上表面和下级板的下表面均覆有绝缘层，且上级板的上表面和下级板的下表面均设有锚点，所述x向动电极和y向动电极通过柔性结构连接在对应的锚点上。
[0017]进一步的，所述防撞凸点和限位凸框的外表面均覆有绝缘层。
[0018]进一步的，所述n＝2。
[0019]一种三轴MEMS电容式加速度传感器的制作方法，用于制作上述的加速度传感器，包括以下制作步骤：
[0020]其一，上层结构和上级板的制作，
[0021]步骤一，选取双面抛光的低阻SOI硅片并对其进行第一次氧化；
[0022]步骤二，将氧化后的低阻SOI硅片的正面刻蚀出x向定电极、x向动电极、柔性结构和对应的锚点；将氧化后的低阻SOI硅片反面刻蚀出限位凸框；
[0023]步骤三，对低阻SOI硅片再次氧化；
[0024]步骤四，对低阻SOI硅片正面，释放x向动电极；对低阻SOI硅片反面，保留防撞凸点和限位凸框上的氧化层，去除限位凸框区域内其他位置的氧化层；从而得到上层结构和上级板；
[0025]其二，质量块和固定框的制作，
[0026]步骤一，对两片双面抛光的低阻硅片进行正面湿法深刻蚀，获得两组具有臂下空腔的低阻硅片；
[0027]步骤二，使两组低阻硅片的臂下空腔相对，进行硅硅键合；
[0028]步骤三，在键合后的低阻硅片的上、下表面蚀刻出上组悬臂和下组悬臂；从而得到质量块和固定框；
[0029]其三，下层结构和下级板的制作，
[0030]步骤一，选取双面抛光的低阻SOI硅片并对其进行第一次氧化；
[0031]步骤二，将氧化后的低阻SOI硅片的正面刻蚀出y向定电极、y向动电极、柔性结构和对应的锚点；将氧化后的低阻SOI硅片反面刻蚀出限位凸框；
[0032]步骤三，对低阻SOI硅片再次氧化；
[0033]步骤四，对低阻SOI硅片正面，释放y向动电极；对低阻SOI硅片反面，保留防撞凸点和限位凸框上的氧化层，去除限位凸框区域内其他位置的氧化层；从而得到下层结构和下级板；
[0034]上述步骤完成后，将得到的各部分按照对应关系采用硅硅键合的方式连接。
[0035]本技术采取上述技术方案所产生的有益效果在于：
[0036]1、本技术采用三轴电容式加速度传感器，有效提高了垂直方向硅片的利用率，提高集成度、降低体积的同时保证了传感器量程及灵敏度。
[0037]2、本技术采用三轴电容式加速度传感器，受温度影响小且测量范围大，性能稳定。
[0038]3、本技术采用x、y方向梳齿型倍增电容加速度传感器，利用共用固定电极有效增大了传感器电容变化量，提高加速度的灵敏度。
[0039]4、本技术采用Z方向三明治式本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三轴MEMS电容式加速度传感器,其特征在于，包括用于检测x方向上加速度的上层结构、用于检测z方向上加速度的中层结构和用于检测y方向上加速度的下层结构；所述中层结构包括依次层叠的上级板、固定框和下级板；所述固定框内设有质量块，且质量块通过悬臂组固定于固定框的中心处；所述上级板的下表面和下级板的上表面均设有用于约束质量块运动的限位凸框和防撞凸点；所述上级板和质量块之间与质量块和下级板之间均具有间隙；所述上层结构位于上级板顶部，其包括间隔排列的n个x向动电极和n+1个x向定电极，其中n≥1；所述x向定电极与上级板固定连接，x向动电极通过柔性结构与上级板连接；所述x向动电极和x向定电极的相邻侧均设有梳齿，且x向动电极和x向定电极的梳齿交错设置并留有等间距的活动间隙；所述下层结构位于下级板底部，其包括间隔排列的n个y向动电极和n+1个y向定电极；所述y向定电极与下级板固定连接，y向动电极通过柔性结构与下级板连接；所述y向定电极和y向动电极的相邻侧均设有梳齿，且y向动电极和y向...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓桐，张松，王大宇，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第五十四研究所，
类型：新型
国别省市：