CN101458262B - 六梁结构加速度传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种六梁结构加速度传感器及其制备方法。它包括通过弹性梁、连接在左右键合块上的带有活动电极的质量块和与上下键合块连接的位于质量块上下的固定电极，弹性梁包括双折梁和抗干扰梁，上下两个固定电极相互独立，活动电极通过质量块连接在一起，上下固定电极与活动电极构成一对差分电容，工作时两差分电容的大小随外加加速度变化的趋势正好相反，左右键合块以及与固定电极连接的上下键合块通过静电键合被固定在玻璃基片上。本发明的优点在于传感器尺寸小、静态电容大，抗干扰能力强、无横向(非敏感方向)干扰，灵敏度高、结构简单，设计灵活，易于加工等。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是一种传感器结构，具体地说是一种抗干扰能力强的大电容差分电容式新型六梁结构加速度传感器。
(二)背景技术
基于微电子机械系统(MEMS)的微机械惯性仪表以其体积小、成本低、结构简单、可与集成电路兼容等优点得到广泛应用和迅速发展。
随着加速度传感器的不断发展，人们对微加速度传感器的灵敏度和精度的要求越来越高。利用传统的长方形质量块制作的传感器，其检测质量块的质量一般比较小，而且这种结构形成的检测电容分布在质量块的两侧，一般不会很大，不利于增大传感器的灵敏度。而且，传统的双梁或四梁结构，在非敏感方向梁的刚度较小，抗干扰能力差。
传统结构的体硅加速度计，检测梳齿通常左右是不对称的，当受到非敏感方向惯性力时，质量块产生非敏感方向的运动。例如：左侧作为电容极板1，与活动电极构成电容C1，右侧作为电容极板2，与活动电极构成电容C2，这样工作时，如果有横向加速度作用时，会使两电容有差分式变化(一侧变大而另一侧变小)，这样在检测端就会有电学量输出。即使左右对称的结构，由于工艺的偏差，也会产生一定失配，引起检测端的电学量输出。该发明大大提高了传感器的抗干扰能力。
(三)发明内容
本发明的目的是提供一种可以使在相同工艺难度条件下、获得较大静态电容值的同时传感器的质量和尺寸得到有效控制，而且可以大大减小非敏感方向的干扰，增大传感器的灵敏度和精度，抗干扰能力强，大电容差分电容式的六梁结构加速度传感器。
本发明的目的是这样实现的：它包括通过弹性梁、连接在左右键合块上的带有活动电极的质量块和与上下键合块连接的位于质量块上下的固定电极，弹性梁包括双折梁和抗干扰梁，上下两个固定电极相互独立，活动电极通过质量块连接在一起，上下固定电极与活动电极构成一对差分电容，工作时两差分电容的大小随外加加速度变化的趋势正好相反，左右键合块以及与固定电极连接的上下键合块通过静电键合被固定在玻璃基片上。
本发明还有这样一些技术特征：
1、所述的质量块由H型质量块和与其相连的至少一条梳齿梁组成，H型质量块分布在梳齿梁两侧和中间部分，梳齿梁个数变化与敏感质量和检测电容的大小相关；
2、所述的梳齿梁对称设置有检测梳齿；
3、所述的质量块与左右键合块之间连接抗干扰梁；
4、所述的键合块中心对称结构，等距分布在结构四周。
本法明的另一目的在于提供一种六梁结构加速度传感器的制备方法，采用硅材料制作，背面用ICP耦合感应等离子刻蚀，背面与玻璃基片键合，正面用ICP刻蚀释放结构。其制作过程包括如下三个步骤：
(1)在硅的背面用ICP干法刻蚀，刻出键合所需的台面包括4个固定块；
(2)用静电键合将步骤1刻蚀出的键合台面键合在玻璃基片上形成4个固定块；
(3)在硅的正面用ICP刻蚀出传感器的梁、质量块、固定和活动电极图形，释放梁、质量块和电极结构。
本发明提供的是一种抗干扰能力强的大电容差分电容式新型六梁结构加速度传感器。它包括通过弹性梁(双折梁和抗干扰梁)连接在左右键合块上的带有活动电极的质量块，与上下键合块连接的位于质量块上下的固定电极。上下两个固定电极是相互独立的，活动电极通过质量块连接在一起，上下固定电极与活动电极构成一对差分电容，工作时两差分电容的大小随外加加速度变化的趋势正好相反，从而实现电容的差分式输出。左右键合块以及与固定电极连接的上下键合块通过静电键合被固定在玻璃基片上。本发明的优点在于传感器尺寸小、静态电容大，抗干扰能力强、无横向(非敏感方向)干扰，灵敏度高、结构简单，设计灵活，易于加工等。
本发明的特点有：
1、它包括通过弹性梁(双折叠梁和抗干扰梁)连接在左右键合块上的带有电极的质量块，与上下键合块连接的固定电极；
2、敏感质量块由H型质量块和与其相连的多条梳齿梁组成，梳齿梁个数变化可以改变敏感质量和检测电容的大小；
3、质量块与左右键合块之间连接抗干扰梁，增大了结构在非敏感方向的刚度，有效地减小了非敏感方向的干扰；
4、中心对称结构，键合块分布在结构四周，有效地增大了键合面积；
5、用硅材料制作，背面用ICP(耦合感应等离子)刻蚀，背面与玻璃基片键合，正面用ICP刻蚀释放结构。
本发明的优点在于：1、静态电容大，灵敏度高；2、抗干扰能力强，无非敏感方向干扰；3、灵活设计结构参数；4、结构简单，易于加工。
(四)附图说明
图1是本发明的结构示意图。
(五)具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明：
结合图1，本发明包括通过弹性梁2、连接在左键合块10、右键合块3上的带有活动电极的质量块5和与上键合块1、下键合块7连接的位于质量块5上下的上侧固定电极11、下侧固定电极9，弹性梁2包括双折梁和抗干扰梁4，上、下两个固定电极相互独立，活动电极6通过质量块5连接在一起，上下固定电极与活动电极构成一对差分电容，工作时两差分电容的大小随外加加速度变化的趋势正好相反，左右键合块以及与固定电极连接的上下键合块通过静电键合被固定在玻璃基片上。质量块由H型质量块和与其相连的至少一条梳齿梁8组成，H型质量块分布在梳齿梁8两侧和中间部分，梳齿梁个数变化与敏感质量和检测电容的大小相关；梳齿梁对称设置有检测梳齿；质量块与左右键合块之间连接抗干扰梁4；键合块中心对称结构，等距分布在结构四周。
本发明的制作过程大致有如下三个步骤：
1、在硅的背面用ICP干法刻蚀，刻出键合所需的台面(4个固定块)；
2、用静电键合将步骤1刻蚀出的键合台面键合在玻璃基片上形成4个固定块；
3、在硅的正面用ICP刻蚀出传感器的梁、质量块、固定和活动电极图形，释放梁、质量块和电极结构。
实施例1：当有向上的加速度作用在该加速度传感器上时，在惯性力作用下，与质量块相连的活动电极6将会相对与键合块相连的固定电极11、固定电极9有一向下的位移，这时，活动电极6与上侧固定电极11之间形成的电容C1将变小，而与下侧固定电极9之间形成的电容C2将变大，通过外电路对电容C1、电容C2的变化量进行差分检测，就可以测得该加速度的大小。
实施例2：当有向左的加速度作用在该加速度传感器上时，在惯性力作用下，与质量块相连的活动电极6相对与键合块相连的固定电极11、固定电极9将会有一向右的位移，这时，活动电极6与上侧固定电极11之间形成的电容C3将不变，而与下侧固定电极9之间形成的电容C4也将不变，这样活动电极6与上下固定电极11、固定电极9之间形成的总电容也将保持不变。这样，横向加速度不会使传感器的输出发生改变，也就是说，在工作时不会有横向灵敏度干扰。
实施例3：由于工艺的偏差使结构产生失配，左右梳齿不对称，当有横向加速度作用在该加速度传感器上时，如实施例2所述，会产生横向灵敏度干扰。但由于抗干扰梁4的作用，质量块5以及与其相连的活动电极6的位移被大大限制，不会产生横向灵敏度干扰。
Claims (5)
1.一种六梁结构加速度传感器，其特征是：包括通过弹性梁连接在左、右键合块上的带有活动电极的质量块、和与上下键合块连接的位于质量块上下的上侧固定电极和下侧固定电极，弹性梁包括双折梁和抗干扰梁，上下两个固定电极相互独立，活动电极通过质量块连接在一起，上下固定电极与活动电极构成一对差分电容，工作时两差分电容的大小随外加加速度变化的趋势正好相反，左右键合块以及与固定电极连接的上下键合块通过静电键合被固定在玻璃基片上。
2.根据权利要求1所述的六梁结构加速度传感器，其特征是：所述的质量块由H型质量块和与其相连的至少一条梳齿梁组成，H型质量块分布在梳齿梁两侧和中间部分，梳齿梁个数变化与敏感质量和检测电容的大小相关。
3.根据权利要求2所述的六梁结构加速度传感器，其特征是：所述的梳齿梁对称设置有检测梳齿。
4.根据权利要求1所述的六梁结构加速度传感器，其特征是：所述的质量块与左右键合块之间连接抗干扰梁。
5.根据权利要求1所述的六梁结构加速度传感器，其特征是：所述的键合块是中心对称机构。
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