一种具有多个共面电极一体结构的ＭＥＭＳ加速度传感器及其制造方法技术

本发明专利技术提供一种电容式ＭＥＭＳ加速度传感器、该加速度传感器的制作方法以及由该加速度传感器组成的加速度传感器组件。该电容式ＭＥＭＳ加速度传感器包括：具有一个上部和一个下部的扭矩弹簧－质量块支撑结构、键合在所述扭矩弹簧－质量块支撑结构上部的上部电极盖板和键合在所述扭矩弹簧－质量块支撑结构下部的下部电极盖板，所述扭矩弹簧－质量块支撑结构包括支撑框架、一对扭矩臂和平板型质量块，所述扭矩臂包括连接到所述支撑框架的主干和与所述主干相连接的两个分支臂。该加速度传感器耐受冲击震动，低成本、高性能，易于生产，用途广泛。

【技术实现步骤摘要】

此项专利技术属于微电子机械领域的一种一体结构的电容式微电子机械系统 (MEMS)加速度传感器，此一体结构MEMS加速度传感器具有一个轴线方向柔性扭矩弹 簧-质量块悬挂系统，并具有多个同平面电极用于电容测量和静电驱动。该专利技术涉及两 个或多个带有闭环伺服系统的MEMS加速度传感器单元所构成的二维或多维加速度传感 器组件。此项专利技术还提供了用微电子机械加工技术制作此一体结构MEMS加速度传感器 的方法。
技术介绍
典型的单轴或一维加速度传感器包括一个加速度敏感元件，即一力学传感器 件，和一个电子信号检测、调节及控制电路，从而将机械运动转变成电子信号。其中加 速度敏感元件由一个弹簧或多个弹簧质量支撑的机械结构和多个可用于检测质量块位移 的电极所组成。一个施加在此机械结构系统上的力或加速度将使质量块产生一个偏离其 参照点的位移，而此位移在一定条件下是与所施加的加速度成比例的。电子检测电路将 此位移量转变成电子模拟或数字信号。为了满足线性度、带宽、动态范围、高灵敏度、和低噪声的性能要求，高性能 加速度传感器通常设计成带有闭环负反馈系统的力平衡加速度传感器。力平衡加速度传 感器的前向电路检测载荷加速度引起的质量块相对于其参照点的位移，反馈电路根据前 向电路输出信号产生负反馈静电力并施加于质量块上，以期将质量块拉回到其原参考位 置，并保持动态平衡。加速度传感器可由制造在硅片上的微电子机械系统(MEMS)来实现。现已证 明，应用电容检测和静电力反馈电路的MEMS力平衡加速度器在高灵敏度、低噪声、直 流响应及带宽等性能上优于其它类型的加速度传感器。这一类加速度传感器可见于美国 专利公告书 U.S.Pat.No.4,922,756，U.S.Pat.No.4,930,043, U.S.Pat.No.5,095,752, U.S.Pat. No.5,345,824，U.S.Pat.No.5,616,844, U.S.Pat.No.5,652,384, U.S.Pat.No.5,852,242, U.S.Pat.No.6,035,694, U.S.Pat.No.6,805,008 等。附图说明图1为一典型的模拟负反馈力平衡MEMS加速度传感器系统框图。此闭环系统 包括MEMS加速度传感元件100，由差动电容检测电路101和回路滤波器102组成的前向 电路，以及静电力反馈电路103。其前向电路的输出信号即代表加速度信号。图2为一典型的Σ-Δ数字负反馈力平衡MEMS加速度传感器系统框图。其前 向电路包括一差动电容检测电路201、回路滤波器202及比较器204。该比较器将滤波器 202的模拟输出信号转换成代表加速度的一位二进制数字流信号。反馈电路203根据此二 进制数字流信号产生静电力并反馈于质量块，从而使质量块回到其参考位置，并保持动 态平衡。MEMS加速度传感器件可由面微加工或体微加工方法制成。5面微加工MEMS传感器件被制造在单一硅片上。美国专利公告书U.S.Pat. No.5,345,824中的面微加工MEMS加速度传感器即为一例。这种面微加工MEMS加速度 传感器通常具有较低的灵敏度和较高的噪声。因此它不能满足许多高精度应用的基本性 能要求。体微加工MEMS传感器件须用多层晶片加工制造而成。此MEMS传感器件可 由多层晶片制成三维结构。具有较大质量块的加速度器件拥有较高的灵敏度和较低的噪 声。体微加工MEMS传感器件的制造工艺之一是晶片键合(wafer bonding)，该制造工艺 复杂，直接影响产品的质量与成本。体微加工MEMS加速度传感器可见于已有技术和美 国专利公告书U.S.Pat.No.4,922,756，U.S.Pat.No.4,930,043, U.S.Pat.No.5,095,752, U.S.Pat. No.5,616,844，U.S.Pat.No.5,652,384, U.S.Pat.No.5,852,242, U.S.Pat.No.6,035,694, U.S.Pat.No.6,805,008, U.S.Pat.No.6,829,937, U.S.Pat.No.7,398,683 等。图3为一典型的体微加工MEMS差动电容加速度传感器件示意图。此MEMS传 感器件的质量块302由固定在框架结构上的一个或多个弹簧支撑于两个平行电极板301和 303之间。当一低于此传感器件结构共振频率的外界加速度施加于此支撑结构上时，引起 质量块302偏离原参考位置，而此偏离原参考位置的位移量与所施加的加速度成比例。由一对平行电极板构成的电容器的电容量C为 ^ εΑ权利要求1.一种电容式MEMS加速度传感器，包括(a)扭矩弹簧-质量块支撑结构，其具有一个上部和一个下部，(b)键合在所述扭矩弹簧_质量块支撑结构上部的上部电极盖板，(c)键合在所述扭矩弹簧-质量块支撑结构下部的下部电极盖板，其中所述扭矩弹簧_质量块支撑结构包括支撑框架、一对扭矩臂和平板型质量块， 所述支撑框架通过所述扭矩臂与所述平板型质量块相连接，所述平板型质量块具有质量 中心，所述扭矩臂包括连接到所述支撑框架的主干和与所述主干相连接的两个分支臂，所 述两个分支臂向所述主干的两侧延伸并连接到所述平板型质量块，以致所述平板型质量 块由所述两个分支臂支撑，所述主干位于所述质量中心的正上部，所述主干作为所述平 板型质量块的扭矩轴，使得所述平板型质量块通过所述扭矩臂发生转动位移，所述平板型质量块具有容置每个所述扭矩臂的切割空缺区域，所述扭矩臂位于所述 切割空缺区域内。2.如权利要求1所述的电容式MEMS加速度传感器，其特征在于所述扭矩臂对称 设置，一个所述扭矩臂与另一个所述扭矩臂镜像排列。3.如权利要求1所述的电容式MEMS加速度传感器，其特征在于所述扭矩臂的两 个分支臂成直线设置，并且垂直于所述主干，形成“T”型，或所述扭矩臂的两个分支臂 成夹角设置，形成“丫”或“个”型。4.如权利要求1所述的电容式微电机加速度传感器，其特征在于所述上部电极盖 板包括(a)第一极板间隙，(b)第一凹面区，其面冲下对着所述平板型质量块，(C)设置于所述第一凹面区的第一共面电极板组，其中所述第一共面电极板组通过绝 缘材料与硅片基底电绝缘，(d)多个第一非穿透孔矩阵，所述第一非穿透孔矩阵设于所述第一凹面区，用于阻尼 控制，(e)多个第一行程止停块，所述第一行程止停块设于所述第一凹面区，(f)多个焊盘和多个第一导线组，所述多个焊盘和多个第一导线组设置在所述上部电 极盖板的上表面，且通过绝缘材料与硅片基底电绝缘，(g)多个第一通孔，所述第一通孔通过绝缘材料与硅片基底电绝缘，其内填充多晶硅 材料，并且连接所述第一共面电极板组和对应的所述第一焊盘，以及(h)第一键合面，所述第一键合面与所述扭矩弹簧-质量块支撑结构的支撑框架上部 键合。5.如权利要求1所述的电容式MEMS加速度传感器，其特征在于所述下部电极盖 板包括(a)第二极板间隙，(b)第二凹面区，其面冲上对着所述平板型质量块，(c)设置于所述第二凹面区的第二共面电极板组，其中所述第二共面电极板组通过绝 缘材料与硅片基底电绝缘，(d)多个第二非穿透孔矩阵，所述第二非穿透孔矩阵设于所述第二凹面区，用于阻尼 控制，(e)多个第二行程止本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电容式ＭＥＭＳ加速度传感器，包括：（ａ）扭矩弹簧－质量块支撑结构，其具有一个上部和一个下部，（ｂ）键合在所述扭矩弹簧－质量块支撑结构上部的上部电极盖板，（ｃ）键合在所述扭矩弹簧－质量块支撑结构下部的下部电极盖板，其中所述扭矩弹簧－质量块支撑结构包括支撑框架、一对扭矩臂和平板型质量块，所述支撑框架通过所述扭矩臂与所述平板型质量块相连接，所述平板型质量块具有质量中心，所述扭矩臂包括连接到所述支撑框架的主干和与所述主干相连接的两个分支臂，所述两个分支臂向所述主干的两侧延伸并连接到所述平板型质量块，以致所述平板型质量块由所述两个分支臂支撑，所述主干位于所述质量中心的正上部，所述主干作为所述平板型质量块的扭矩轴，使得所述平板型质量块通过所述扭矩臂发生转动位移，所述平板型质量块具有容置每个所述扭矩臂的切割空缺区域，所述扭矩臂位于所述切割空缺区域内。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：俞度立，冯方方，韩可都，
申请(专利权)人：俞度立，冯方方，韩可都，
类型：发明
国别省市：US[美国]