一种具有对称结构的微机械差分电容加速度计，通过锚合区域ａｎｃｈｏｒ从上、下两个方向和可动硅结构组件连接。硅结构组件的弹性支撑梁分上、下两层分布在可动质量块、固支框架之间，连接可动质量块和固支框架，梁和可动质量块以及固支框架的连接处采用圆角过渡，可动质量块的上表面和下表面都分布有气体导流凹槽；电极盖板可由硅材料制成。质量块的上表面和下表面都分布的气体导流凹槽有利于调节所述的加速度计的压膜阻尼效应，从而从结构上改善离面式电容检测加速度计的动态特性；本发明专利技术所述加速度计的多根弹性支撑梁为单一掺杂浓度的单晶硅材料制成，消除了由于采用不同材料所引入的热失配应力，以及由于单晶硅掺杂浓度不同引入的热失配应力。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及能够实现单轴向加速度的高精度检测的MEMS (微机l戒，又称微电子机械系统)差分电容加速度计，具体涉及一种具有对称结构的機〔t;u戒差 分电容加速度计，属于电容加速度计
技术介绍
硅单晶材料具有良好的电学特性，是微电子技术的基本材料。此外，硅也 有很好的机械特性，其断裂强度为不锈钢的三倍，努氏硬度高于不锈钢，弹性和不锈钢相当。MEMS技术正是人们在充分认识到单晶硅材料突出的丰几电f寺性 后开发的一种微电子三维加工技术。基于MEMS技术的微传感器及微tt^亍器具 有体积小、重量轻、加工成木低、可批量制造、便于和电路集成等优点，已经 得到了广泛的应用。低精度和中等精度的微机械加速度计已经逐歩取代传统的加速度计而占据 市场主要的份额，但是，高精度加速度计领域长期以来一直由传统加速度计主 导。相关用户对高精度加速度计的微型化、低成本的要求，给MEMS技术进入 并主导高精度加速度计市场提供了契机。 现有技术水平1992年，Eric Peeters等人研制出第一种双层梁结构的MEMS电容加速度计，这种结构的加速度计具有良好的振动模态特性，非常适用于单轴高精/变检测需 求。EricPeeters等釆用普通单晶硅圆片，通过浓硼扩散自停止腐蚀控制梁结构的厚度，从而引入了较大的应力，从而会造成加速度计的温度特性等性能下降； 此外，此加速度计的加工工艺中有脆弱硅基片键合工艺，从而影响了此加速度 计的成品率。2000年，美国密歇根大学的Najafi研究组制成了一种全硅的高精度电容加 速度计，这种加速度计采用了双层悬臂梁设计，具有全对称结构，采用单个单 晶硅圆片加工得到，实现了微g量级的加速度检测，但是此加速度计采用^^硼扩 散自停止腐蚀工艺，引入了较大的应力，并且此加速度计结构脆弱，实用性较差。美国I/O Sensors公司申请的系列专利U.S. Pat No.5484073; U.S. Pat. No.5652384; U.S. Pat. No.5852242; U.S. Pat. No.是高精度微机械加速度计的 成功方案，但是此方案采用深腐蚀后的两片SOI片进行硅-硅键合，存在键合风 险高，键合成功率较低的问题，以及加工过程中片间的工艺结果不均匀性导致 的敏感结构对称性降低的问题，此外，此方案较难实现非敏感轴向的有效过载 保护。
技术实现思路
为了克服上述现有技术结构的不足，本专利技术提供一种具有对称结构的微机 械差分电容加速度计，本专利技术提供基于双器件层SOI片的具有对称结构的微机械差分电容加速度计，从而实现单轴向加速度的高精度检测，此加速度计在非 检测轴向具有较强的抗过载能力。本专利技术解决技术问题所采用的技术方案是 一种具有对称结构的微机械差分电容加速度计，包括上电极盖板、下电极盖板，分别通过锚合区域anchor从上、下两个方向和可动硅结构组件连接。 硅结构组件由可动质量块、固支框架、多个弹性支撑梁组成，其中弹性支撑梁分上、下两层分布在可动质量块、固支框架之间，连接可动质量i央禾tl固支框架，梁和可动质量块以及固支框架的连接处采用圆角过渡，可动质量i央的上表面和下表面都分布有气体导流凹槽；上、下电极盖板由硅材料制成，最好为单晶硅材料；上电极盖板和下电极盖 板上的检测-驱动电极、电信号引出线、压焊电极通过绝缘层与电极盖板的单晶 硅衬底为电绝缘；上、下电极盖板的单晶硅衬底接地；在上电极盖板和—下电极 盖板上的检测/驱动电极之上有多个绝缘阻挡块作为敏感轴向抗过载阻挡i央，在 上电极盖板和下电极盖板上的检测/驱动电极四周有多个突起为非敏感车由向，亢过 载阻挡块。一种具有对称结构的微机械差分电容加速度计，包括上电极盖+反、T"电 极盖板，分别通过锚合区域anchor从上、下两个方向和可动硅结构组{牛连 妾。可动硅结构组件由可动质量块、固支框架、多个弹性支撑梁组成，其中弹 性支撑梁分上、下两层分布在可动质量块、固支框架之间，连接可动质量±央和 固支框架，梁和可动质量块以及固支框架的连接处采用圆角过渡，可动质量块 的上表面和下表面都分布有气体导流凹槽；上、下电极盖板由玻璃材料制成，最好采用和单晶硅热失配较小的玻璃才才料； 玻璃材料本身电绝缘，上电极盖板和下电极盖板上的检测-驱动电极、电信号引出线、压焊电极直接制作在玻璃衬底上即可实现电绝缘；在上电极盖板和下电 极盖板上的检测/驱动电极之上有多个绝缘阻挡块作为敏感轴向抗过载阻t当:块， 在上电极盖板和下电极盖板上的检测/驱动电极四周有多个突起为非敏感^fi向抗 过载阻挡块。一种微机械差分电容加速度计，单晶硅下盖板同单晶硅上盖板具有完全^^目同的结构基板由单晶硅制成，单晶硅上盖板上有凸起结构，数量可以是4个或 更多；单晶硅上盖板上有在基板上形成的浅槽，在浅槽中有上金属驱动电极以 及上压焊电极，通过上电极引线实现互连，在浅槽和上金属驱动电极、上压焊 电极、电极引线之间有二氧化硅绝缘层相隔，这层—氧化硅绝缘层保证了单晶 硅基板和金属驱动电极、上压焊电极、电极引线之间的电绝缘；上金属驱动电 极上分布有绝缘阻挡块，绝缘阻挡块的数量最少为1个；在单晶硅盖板背面覆盖有金属电极，金属电极和单晶硅基板电接触，通过将 金属电极接地实现单晶硅基板接地；单晶硅基板正面有上盖板绝缘环。 本专利技术的有益效果具体如下-本专利技术所述加速度计采用全对称的结构设计，检测模态频率和其他各振动 模态得到了良好的区分，降低了检测模态受其他各振动模态的影响，便于实现 单轴向加速度的高精度检测；质量块的上表面和下表面都分布的气体导流凹槽 有利于调节本专利技术所述的加速度计的Hi膜阻尼效应，从而从结构上改善离面式 电容检测加速度计的动态特性；本专利技术所述加速度计的多根弹性支撑梁为单- 掺杂浓度的单晶硅材料制成，消除了由于采用不同材料所引入的热失配应力， 以及由于单晶硅掺杂浓度不同引入的热失配应力。本专利技术所述加速度计在检测轴向及非检测轴向都设置有抗过载阻挡块，因 此具较好的抗过载性能，提高了办专利技术所述加速度计的可靠性；如果采用硅材 料制作电极盖板则可以通过电极盖板衬底接地，以及单晶硅框架接地实现电磁 屏蔽；如果采用玻璃材料制作电极盖板则可以通过单晶硅框架接地实现部分电 磁屏蔽。 附图说明图1A是根据本专利技术的微机械差分式电容加速度计(玻璃电极盖板方案)的 正等侧视图；图1B是根据本专利技术的微机械差分式电容加速度计(玻璃电极盖板方案)在上电极盖板处于打开状态下的正等侧视图2双器件层SOI单晶硅圆片的正等侧视图3是如图2所示双器件层SOI单晶硅圆片沿着3-3剖线得到的剖面视图；图4是硅结构组件100S的正等侧视图；图5A是硅结构组件100S的顶视图；图5B是硅结构组件100S的底视图；图6是硅结构组件100S沿图5A所不剖面线的剖面视图；图7是硅结构组件100S压焊电极部分的局部放大图；图8A所不为上电极盖板100Ga (玻璃电极盖板方案)；图8B所示为下电极盖板100Gb (玻璃电极盖板方案)；图9是根据本专利技术的微机械差分式电容加速度计(玻璃电极盖板方案)的剖面视图IOA所示为根据本专利技术的微机械差分式电容加速度计(单晶硅电极盖板方案)200的单晶硅上盖板200Ga的正等侧视图10B是单晶硅上盖板200Ga背面的正等侧视图本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种微机械差分电容加速度计，其特征在于包括：上电极盖板、下电极盖板，分别通过锚合区域ａｎｃｈｏｒ从上、下两个方向和可动硅结构组件连接； 可动硅结构组件由可动质量块、固支框架、多个弹性支撑梁组成，其中弹性支撑梁分上、下两层分布在可动质量 块、固支框架之间，连接可动质量块和固支框架，梁和可动质量块以及固支框架的连接处采用圆角过渡，可动质量块的上表面和下表面都分布有气体导流凹槽； 上、下电极盖板由硅材料制成，为单晶硅材料；上电极盖板和下电极盖板上的检测－驱动电极、电信号引 出线、压焊电极通过绝缘层与电极盖板的单晶硅衬底为电绝缘；电极盖板的单晶硅衬底接地；在上电极盖板和下电极盖板上的检测／驱动电极之上有多个绝缘阻挡块作为敏感轴向抗过载阻挡块，在上电极盖板和下电极盖板上的检测／驱动电极四周有多个突起为非敏感轴向抗过载阻挡块； 或：电极盖板由玻璃材料制成，采用和单晶硅热失配较小的玻璃材料；玻璃材料本身电绝缘，上电极盖板和下电极盖板上的检测－驱动电极、电信号引出线、压焊电极直接制作在玻璃衬底上实现电绝缘；在上电极盖板和下电极盖板上的检测／驱动电极 之上有多个绝缘阻挡块作为敏感轴向抗过载阻挡块，在上电极盖板和下电极盖板上的检测／驱动电极四周有多个突起为非敏感轴向抗过载阻挡块。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：高成臣，胡启方，郝一龙，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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