一种电容式三轴加速度芯片及其加工方法技术

本发明专利技术涉及电容式三轴加速度芯片技术领域，公开一种电容式三轴加速度芯片及其加工方法，其中芯片包括依次叠设的：第一电容组件，包括第一硅极板；第二电容组件，包括四个敏感单元，每个敏感单元均包括可动电容块、支撑电容块、中部电容块及连接弹簧，沿X轴方向正对设置的两个敏感单元内形成能够检测沿X轴方向的加速度的X轴差分电容，沿Y轴方向正对设置的两个敏感单元形成能够检测沿Y轴方向的加速度的Y轴差分电容；第三电容组件，包括第二硅极板，可动电容块与第一硅极板和第二硅极板组成用于检测沿Z轴方向的加速度的Z轴差分电容。本发明专利技术公开的芯片具有集成度好、电容值大、灵敏度高、线性度好及使用场景广的特点。线性度好及使用场景广的特点。线性度好及使用场景广的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种电容式三轴加速度芯片及其加工方法


[0001]本专利技术涉及加速度芯片
，尤其涉及一种电容式三轴加速度芯片及其加工方法。

技术介绍

[0002]MEMS加速度传感器依据原理的不同，分为压阻式、电容式、压电式、隧穿式等，在高精度领域目前主流的MEMS加速度计为电容式加速度计，其低温漂、高精度、一致性好、低功耗、高可靠性的特点和优势，受到了国内外各行业的广泛关注。目前，单片三轴向集成加速度芯片一般为梳齿式结构，其中片上X、Y、Z轴向感知结构一般为独立工作结构，仅仅利用MEMS工艺在版图中实现单片集成，互相之间没有运动和电学等关联关系，因此受限于芯片面积的原因，每个轴向的电容值均比较小，极大限制了传感器的灵敏度指标。

技术实现思路

[0003]基于以上所述，本专利技术的目的在于提供一种电容式三轴加速度芯片及其加工方法，能够将X、Y、Z轴向感知结构集成在一起，解决了现有的三轴加速度芯片存在的三轴加速度芯片电容值小和灵敏度低的问题。
[0004]为达上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0005]一种电容式三轴加速度芯片，包括依次叠设的：
[0006]第一电容组件，包括第一硅极板；
[0007]第二电容组件，包括四个呈正交对称分布的敏感单元，每个所述敏感单元均包括可动电容块、支撑电容块、中部电容块及连接弹簧，所述可动电容块通过所述连接弹簧与所述支撑电容块相连，所述支撑电容块和所述中部电容块均与所述第一电容组件电连接，所述支撑电容块与所述第一硅极板固定连接，沿X轴方向正对设置的两个所述敏感单元的所述可动电容块与所述中部电容块形成X轴差分电容，所述X轴差分电容能够检测沿X轴方向的加速度，沿Y轴方向正对设置的两个所述敏感单元的所述可动电容块与所述中部电容块形成Y轴差分电容，所述Y轴差分电容能够检测沿Y轴方向的加速度；
[0008]第三电容组件，包括与所述支撑电容块固定连接的第二硅极板，所述可动电容块与所述第一硅极板和所述第二硅极板组成Z轴差分电容，所述Z轴差分电容用于检测沿Z轴方向的加速度。
[0009]作为一种电容式三轴加速度芯片的优选方案，每个敏感单元的所述连接弹簧均位于所述支撑电容块和所述中部电容块之间，且位于所述第一硅极板和所述第二硅极板之间，当施加在所述中部电容块、所述第一硅极板及所述第二硅极板上任一电极的直流电压改变时，所述连接弹簧的弹性系数均随之变化。
[0010]作为一种电容式三轴加速度芯片的优选方案，所述可动电容块与所述第一硅极板在Z轴方向形成第一Z轴电容，所述第二硅极板与所述可动电容块在Z轴方向形成第二Z轴电容，所述第二Z轴电容与所述第一Z轴电容组成所述Z轴差分电容，在Z轴方向的加速度的激
励下，所述第一Z轴电容的第一Z轴电容量和所述第二Z轴电容的第二Z轴电容量反向变化。
[0011]作为一种电容式三轴加速度芯片的优选方案，每个所述敏感单元还包括两个支撑梁和两个间隔设置的所述连接弹簧，每个所述支撑梁的一端均与一个所述连接弹簧相连，另一端均与所述可动电容块相连。
[0012]作为一种电容式三轴加速度芯片的优选方案，两个所述敏感单元沿X轴分布，沿X轴分布的两个所述敏感单元的所述连接弹簧能够沿X轴方向发生形变,每个敏感单元的所述可动电容块和所述中部电容块均形成X轴电容，两个所述X轴电容组成所述X轴差分电容，在X轴方向的加速度的激励下，所述X轴差分电容的两个所述X轴电容的X轴电容量反向变化；另外两个所述敏感单元沿Y轴分布，沿Y轴分布的两个所述敏感单元的所述连接弹簧能够沿Y轴方向发生形变,每个敏感单元的所述可动电容块和所述中部电容块均形成Y轴电容，两个所述Y轴电容组成所述Y轴差分电容，在Y轴方向的加速度的激励下，所述Y轴差分电容的两个所述Y轴电容的Y轴电容量反向变化。
[0013]作为一种电容式三轴加速度芯片的优选方案，所述第二电容组件包括两个叠设的SOI衬底，每个所述SOI衬底均包括顶层硅、埋氧层及背衬底，一个所述SOI衬底的所述背衬底与另一个所述SOI衬底的所述背衬底固定且电连接，每个所述SOI衬底的所述顶层硅和所述背衬底均电连接，在两个所述SOI衬底上形成四个间隔设置的所述可动电容块，每个所述敏感单元的所述可动电容块均通过所述支撑梁和所述连接弹簧与所述支撑电容块相连，每个所述敏感单元的所述可动电容块和所述中部电容块之间形成间隙。
[0014]作为一种电容式三轴加速度芯片的优选方案，所述第一硅极板上设有贯穿设置的若干个上部通孔，每个所述上部通孔内均设有上部导电件，所述上部通孔的内壁与所述上部导电件的外壁之间填充有第一绝缘层，所述上部导电件的一端能够连通外部电源，另一端能够与所述支撑电容块和所述中部电容块中的一个固定且电连接。
[0015]一种电容式三轴加速度芯片的加工方法，用于加工以上任一方案所述的电容式三轴加速度芯片，包括：
[0016]提供第一SOI衬底和包括第一硅极板的第一电容组件；
[0017]将所述第一硅极板与所述第一SOI衬底固定连接，所述第一SOI衬底的第一顶层硅和第一背衬底电连接，所述第一顶层硅通过所述第一电容组件与外部电源电连接；
[0018]减薄所述第一SOI衬底的第一背衬底；
[0019]刻蚀所述第一SOI衬底，在所述第一SOI衬底上形成四个间隔设置的第一敏感子组件，每个所述第一敏感子组件均包括第一可动子电容块、第一中部子电极块、第一支撑子弹簧、第一支撑子梁及第一支撑子电容块，所述第一可动子电容块与所述第一硅极板形成第一Z轴电容，所述第一电容组件与所述第一SOI衬底组成第一敏感结构；
[0020]提供第二SOI衬底和包括第二硅极板的第三电容组件；
[0021]将所述第二SOI衬底与所述第二硅极板在第三位置固定连接，且所述第二SOI衬底的第二顶层硅与第二背衬底电连接；
[0022]减薄所述第二SOI衬底的第二背衬底；
[0023]刻蚀所述第二SOI衬底，在所述第二SOI衬底上形成四个间隔设置的第二敏感子组件，每个所述第二敏感子组件均与一个所述第一敏感子组件对应且两者组成敏感单元，每个所述第二敏感子组件均包括第二可动子电容块、第二中部子电极块、第二支撑子弹簧、第
二支撑子梁及第二支撑子电容块，所述第二可动子电容块与所述第二硅极板形成第二Z轴电容，所述第一Z轴电容与所述第二Z轴电容组成Z轴差分电容，所述Z轴差分电容用于检测沿Z轴方向的加速度，所述第三电容组件与所述第二SOI衬底组成第二敏感结构；
[0024]将所述第一敏感结构的所述第一背衬底固定且电连接在所述第二敏感结构的所述第二背衬底上，所述第一敏感结构除去所述第一电容组件的第一部分和所述第二敏感结构除去所述第三电容组件的第二部分组成中间可动组件，每个所述敏感单元的一个所述第一可动子电容块均正对一个所述第二可动子电容块设置且两者组成可动电容块，每个所述敏感单元的一个所述第一支撑子弹簧均正对一个所述第二支撑子弹簧设置且两者组成连接弹簧，每个所述敏感单元的一个所述第一支撑子电容块均正对一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电容式三轴加速度芯片，其特征在于，包括依次叠设的：第一电容组件，包括第一硅极板；第二电容组件，包括四个呈正交对称分布的敏感单元，每个所述敏感单元均包括可动电容块、支撑电容块、中部电容块及连接弹簧，所述可动电容块通过所述连接弹簧与所述支撑电容块相连，所述支撑电容块和所述中部电容块均与所述第一电容组件电连接，所述支撑电容块与所述第一硅极板固定连接，沿X轴方向正对设置的两个所述敏感单元的所述可动电容块与所述中部电容块形成X轴差分电容，所述X轴差分电容能够检测沿X轴方向的加速度，沿Y轴方向正对设置的两个所述敏感单元的所述可动电容块与所述中部电容块形成Y轴差分电容，所述Y轴差分电容能够检测沿Y轴方向的加速度；第三电容组件，包括与所述支撑电容块固定连接的第二硅极板，所述可动电容块与所述第一硅极板和所述第二硅极板组成Z轴差分电容，所述Z轴差分电容用于检测沿Z轴方向的加速度。2.根据权利要求1所述的电容式三轴加速度芯片，其特征在于，每个敏感单元的所述连接弹簧均位于所述支撑电容块和所述中部电容块之间，且位于所述第一硅极板和所述第二硅极板之间，当施加在所述中部电容块、所述第一硅极板及所述第二硅极板上任一电极的直流电压改变时，所述连接弹簧的弹性系数均随之变化。3.根据权利要求1所述的电容式三轴加速度芯片，其特征在于，所述可动电容块与所述第一硅极板在Z轴方向形成第一Z轴电容，所述第二硅极板与所述可动电容块在Z轴方向形成第二Z轴电容，所述第二Z轴电容与所述第一Z轴电容组成所述Z轴差分电容，在Z轴方向的加速度的激励下，所述第一Z轴电容的第一Z轴电容量和所述第二Z轴电容的第二Z轴电容量反向变化。4.根据权利要求1所述的电容式三轴加速度芯片，其特征在于，每个所述敏感单元还包括两个支撑梁和两个间隔设置的所述连接弹簧，每个所述支撑梁的一端均与一个所述连接弹簧相连，另一端均与所述可动电容块相连。5.根据权利要求4所述的电容式三轴加速度芯片，其特征在于，两个所述敏感单元沿X轴分布，沿X轴分布的两个所述敏感单元的所述连接弹簧能够沿X轴方向发生形变,每个敏感单元的所述可动电容块和所述中部电容块均形成X轴电容，两个所述X轴电容组成所述X轴差分电容，在X轴方向的加速度的激励下，所述X轴差分电容的两个所述X轴电容的X轴电容量反向变化；另外两个所述敏感单元沿Y轴分布，沿Y轴分布的两个所述敏感单元的所述连接弹簧能够沿Y轴方向发生形变,每个敏感单元的所述可动电容块和所述中部电容块均形成Y轴电容，两个所述Y轴电容组成所述Y轴差分电容，在Y轴方向的加速度的激励下，所述Y轴差分电容的两个所述Y轴电容的Y轴电容量反向变化。6.根据权利要求4所述的电容式三轴加速度芯片，其特征在于，所述第二电容组件包括两个叠设的SOI衬底，每个所述SOI衬底均包括顶层硅、埋氧层及背衬底，一个所述SOI衬底的所述背衬底与另一个所述SOI衬底的所述背衬底固定且电连接，每个所述SOI衬底的所述顶层硅和所述背衬底均电连接，在两个所述SOI衬底上形成四个间隔设置的所述可动电容块，每个所述敏感单元的所述可动电容块均通过所述支撑梁和所述连接弹簧与所述支撑电容块相连，每个所述敏感单元的所述可动电容块和所述中部电容块之间形成间隙。7.根据权利要求1所述的电容式三轴加速度芯片，其特征在于，所述第一硅极板上设有
贯穿设置的若干个上部通孔，每个所述上部通孔内均设有上部导电件，所述上部通孔的内壁与所述上部导电件的外壁之间填充有第一绝缘层，所述上部导电件的一端能够连通外部电源，另一端能够与所述支撑电容块和所述中部电容块中的一个固定且电连接。8.一种电容式三轴加速度芯片的加工方法，其特征在于，用于加工权利要求1至7任一项所述的电容式三轴...

【专利技术属性】
技术研发人员：董自强，柳星普，张铭昭，曹飞，高杰，
申请(专利权)人：成都博纳神梭科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：