CN104698222B - 三轴单片集成谐振电容式硅微加速度计及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种三轴单片集成谐振电容式硅微加速度计，包括玻璃基底以及键合锚点悬浮设置于玻璃基底表面中心位置的主结构；主结构包括敏感质量块框、安装于敏感质量块框中心位置的两个扭摆式质量块、电容梳齿组和四个谐振器；两个扭摆式质量块纵向排列放置，且每个扭摆式质量块均由两个质量摆横向连接构成，且每个扭摆式质量块的左右两侧分别设置有电容梳齿组；四个谐振器分别通过杠杆机构安装于敏感质量块框四个顶角的外侧；玻璃基底上设有与主结构电极相连的信号引线。本发明在X、Y、Z三个方向的加速度测量时均进行了差分输出，提高检测精度，并且X、Y轴采用谐振式，Z轴采用电容式成本低，本发明中的加工方法简单可大批量生产。

Description

三轴单片集成谐振电容式硅微加速度计及其加工方法

技术领域

本发明涉及微机电和惯性传感器领域，具体涉及一种三轴单片集成谐振电容式硅微加速度计及其加工方法。

背景技术

微机械加速度计是一种重要的微惯性导航传感器，随着微电子机械系统(MEMS)的不断发展，利用MEMS制造而成的硅微加速度计具有体积小，重量轻，成本低，可靠性高，功耗小，可批量生产等优点。在惯性导航领域，硅微机械加速度计研究现在已受到越来越多的科研院所和高校的重视。

电容式微加速度计的尺寸较小，灵敏度和分辨率高，稳定性和温度线性度好。硅微谐振式加速度计是一种高精度的微加速度计，将被测加速度信号转化为谐振频率的变化，直接输出数字信号，具有很高的灵敏度和分辨率，并且还具有动态范围宽、抗干扰能力强、稳定性好等优点。电容式和谐振式的微加速度计因为其固有的特点和优势，已成为研究的主要方向。

2005年，韩国汉城国立大学的Hyeon Cheol Kim等人设计出了一种三轴加速度计，该加速度计是将两个同平面的X、Y轴谐振加速度计和垂直平面的Z轴谐振加速度计集成在同一硅片上。因而体积较大，加工工艺复杂，安装误差大。

2008年,奥克兰大学报道了单质量块的单片集成的的电容检测式三轴加速度计。2010年，台湾国立清华大学报道了一种采用阵列结构的单质量块三轴MEMS加速度计。2011年德克萨斯大学报道了一种采用表面为机械加工技术在聚酰亚胺柔性衬底上制作的三轴电容式MEMS加速度计。该加速度计的质量块采用紫外光刻工艺和镍电镀技术加工而成。上述的三个三轴加速度计没有实现各检测方向的完全解耦，因此很难达到较高的性能。

目前，微加速度计研究主要还是针对单轴微加速度计并且也已经比较成熟，但三轴微加速度计的研究较少。已有的三轴微机械加速度计大部分是将多个单轴或双轴加速度计集成在一个芯片上，它们的敏感轴相互垂直，从而实现测量三个方向的加速度。这种加速度计，结构简单，加工简单，技术成熟，但总体尺寸较大，交叉轴干扰都比较严重，也存在较大的安装误差和线路干扰，影响硅微加速度计的发展和使用。随着科技的不断发展和市场的进一步需求，为了更全面的了解物体的运动信息，需要同时测量三个方向的加速度信息，三轴加速度的研发已成为必然趋势。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种三轴单片集成谐振电容式硅微加速度计及其加工方法。

技术方案：本发明的一种三轴单片集成谐振电容式硅微加速度计，包括玻璃基底以及键合锚点悬浮设置于玻璃基底表面中心位置的主结构；所述主结构包括敏感质量块框、安装于敏感质量块框中心位置的两个扭摆式质量块、电容梳齿组和四个谐振器；所述两个扭摆式质量块纵向排列放置，且每个扭摆式质量块均由两个质量摆横向连接构成，且每个扭摆式质量块的左右两侧分别设置有电容梳齿组；所述四个谐振器分别通过杠杆机构安装于敏感质量块框四个顶角的外侧；所述玻璃基底上设有与主结构电极相连的信号引线。其中，谐振器可以测量X轴和Y轴方向上的加速度，电容梳齿组可测量Z轴方向上的加速度。

电容梳齿组包括连接于扭摆式质量块的活动电容梳齿、以及通过支撑锚点键合于玻璃基底的固定电容梳齿，所述固定电容梳齿和活动电容梳齿的高度不同且共同构成变面积式电容检测，固定电容梳齿下方的玻璃基底上设有信号引线。同一扭摆式质量块两侧的活动电容梳齿关于Y轴对称，不同扭摆式质量块两侧的活动电容梳齿关于X轴对称；两个扭摆式质量块上对角线上的电容梳齿组的电容相互差分，能够提高检测精度；且同一扭摆式质量块的两个质量摆之间通过扭杆连接，所述扭杆通过锚点固定于玻璃基底，两个质量摆与扭杆之间的力矩不等。谐振器包括支撑梁、安装于支撑梁两端部的台肩、以及梳齿架，所述支撑梁由两个横向设置的谐振梁组成，上谐振梁的上端和下谐振梁的下端对称设置有横向放置的活动梳齿，活动梳齿的两端分别设有通过支撑锚点键合于玻璃基底上的外固定梳齿和侧固定梳齿。杠杆机构包括杠杆以及通过固定锚点设置于玻璃基底上的U型梁；所述X轴方向上的杠杆纵向放置，且该方向上的杠杆的一端通过梁杆连接于敏感质量块框的外侧，另一端连接于纵向放置的U型梁，进而X轴方向上的杠杆可在X方向上移动；所述Y轴方向的杠杆横向放置，且该方向上的杠杆的一端通过梁杆连接于敏感质量块框的外侧，另一端连接于横向放置的U型梁，进而Y轴方向上的杠杆可在Y方向上移动。

其中，由于梁杆很窄，沿其宽度和高度方向的刚度小，在与U型梁的共同作用下，能够实现三个正交方向的自解耦，提高加速度的灵敏度和分辨率。

其中，两个谐振梁之间的间距较小，且外固定梳齿为驱动端，而内固定梳齿为检测端。

进一步的，在所述四个谐振器中，同一对角线上的两个谐振器中心对称进而形成差分检测，提高检测精度；一侧的台肩通过支撑锚点键合安装于玻璃基底，另一侧的台肩连接于杠杆机构。

进一步的，所述玻璃基底由硼硅酸盐玻璃制成，所述主结构均由单晶硅材料制成。

本发明还公开了一种三轴单片集成谐振电容式硅微加速度计的加工方法，包括以下步骤：

(1)使用第一块掩膜板在玻璃基底上光刻，将有信号引线的地方暴露出来；

(2)溅射金属铝作为信号引线，然后采用剥离技术去除光刻胶；

(3)在一块单晶硅片的背面使用第二块掩膜板进行光刻，并利用Bosch工艺刻蚀出锚点，然后去除光刻胶；

(4)在通过步骤(3)刻蚀的硅结构层的背面利用第三块掩膜板进行光刻，并利用Bosch工艺刻蚀出一定深度的凹槽，然后去除光刻胶；

(5)将通过步骤(4)刻蚀的硅结构层与玻璃基底上的锚点直接键合；

(6)在硅结构层上利用第四块掩膜板部分遮光进行光刻，并采用Bosch工艺刻蚀刻蚀深槽，深槽的深度与步骤(3)中刻蚀的锚点厚度相同；

(7)将第五块掩膜板进行光刻，并采用Bosch工艺直到硅结构层上的深槽完全刻通停止，释放结构，最后去除光刻胶。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明在X、Y、Z三个方向的加速度测量时均进行了差分输出，提高了精度，并且X、Y轴采用谐振式，Z轴采用电容式，使得加速度计既有谐振式直接输出数字信号的优点(在X、Y轴)，又有电容式在Z轴检测容易的好处；

(2)本发明的主结构采用硅材料制成，硅具有很好的实现电学性能和机械性能的优点，通过MEMS(微机电系统)工艺加工，成本低，制造工艺简单，能大批量生产；不存在安装误差，保证了测量精度。

(3)本发明不存在单片集成三轴机械加速度计总体尺寸较大，交叉轴干扰都比较严重，也不存在较大的安装误差和线路干扰的缺点，体积小，易收纳和运输。

附图说明

图1为本发明的结构俯视图；

图2为本发明中谐振器的结构俯视图；

图3为本发明中加工方法的流程图；

图4为本发明的测量原理图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

如图1和图2所示，本发明的一种三轴单片集成谐振电容式硅微加速度计，包括玻璃基底1以及键合锚点悬浮设置于玻璃基底1表面中心位置的主结构；主结构包括敏感质量块框2、安装于敏感质量块框2中心位置的两个扭摆式质量块3、电容梳齿组4和四个谐振器5；两个扭摆式质量块3纵向排列放置，且每个扭摆式质量块3均由两个质量摆31横向连接构成，且每个扭摆式质量块3的左右两侧分别设置有电容梳齿组4；四个谐振器5分别通过杠杆机构6安装于敏感质量块框2四个顶角的外侧；玻璃基底1上设有与主结构电极相连的信号引线。

其中，谐振器5可以测量X轴和Y轴方向上的加速度，电容梳齿组4可测量Z轴方向上的加速度。

电容梳齿组4包括连接于扭摆式质量块3的活动电容梳齿41、以及通过支撑锚点键合于玻璃基底1的固定电容梳齿42，固定电容梳齿42和活动电容梳齿41的高度不同且共同构成变面积式电容检测，固定电容梳齿42下方的玻璃基底1上设有信号引线。

同一扭摆式质量块3两侧的活动电容梳齿41关于Y轴对称，不同扭摆式质量块3两侧的活动电容梳齿41关于X轴对称；两个扭摆式质量块3上对角线上的电容梳齿组4的电容相互差分，能够提高检测精度；且同一扭摆式质量块3的两个质量摆31之间通过扭杆32连接，所述扭杆32通过锚点固定于玻璃基底1。

谐振器5包括支撑梁、安装于支撑梁两端部的台肩52、以及梳齿架53，支撑梁由两个横向设置的谐振梁51组成，上谐振梁51的上端和下谐振梁51的下端对称设置有横向放置的活动梳齿53，活动梳齿53的上下两端分别设有通过支撑锚点键合于玻璃基底1上的外固定梳齿55和内固定梳齿54。

并且，两个谐振梁51之间的间距较小，外固定梳齿55为驱动端，而内固定梳齿54为检测端。

在四个谐振器5中，同一对角线上的两个谐振器5中心对称进而形成差分检测，提高检测精度；一侧的台肩52通过支撑锚点键合安装于玻璃基底1，另一侧的台肩52连接于杠杆61，而杠杆61属于整体杠杆机构6。

杠杆机构6包括杠杆61以及通过固定锚点设置于玻璃基底1上的U型梁62；X轴方向上的杠杆61纵向放置，且该方向上的杠杆61的一端通过梁杆8连接于敏感质量块框2的外侧，另一端连接于纵向放置的U型梁62，进而X轴方向上的杠杆61可在X方向上移动；同理，Y轴方向的杠杆61横向放置，且该方向上的杠杆61的一端通过梁杆8连接于敏感质量块框2的外侧，另一端连接于横向放置的U型梁62，进而Y轴方向上的杠杆61可在Y方向上移动。杠杆61上还设置有支杆7。

其中，由于梁杆8很窄，沿其宽度和高度方向的刚度小，在与U型梁62的共同作用下，能够实现三个正交方向的自解耦，提高加速度的灵敏度和分辨率。

玻璃基底1由硼硅酸盐玻璃制成，主结构均由单晶硅材料制成。

如图3所示，上述三轴单片集成谐振电容式硅微加速度计的加工方法，包括以下步骤：

(1)使用第一块掩膜板在玻璃基底1上光刻，将有信号引线的地方暴露出来；

(2)溅射金属铝作为信号引线，然后采用剥离技术去除光刻胶；

(3)在一块单晶硅片的背面使用第二块掩膜板进行光刻，并利用Bosch工艺刻蚀出锚点，然后去除光刻胶；

(4)在通过步骤(3)刻蚀的硅结构层的背面利用第三块掩膜板进行光刻，并利用Bosch工艺刻蚀出一定深度的凹槽，然后去除光刻胶；

(5)将通过步骤(4)刻蚀的硅结构层与玻璃基底1上的锚点直接键合；

(6)在硅结构层上利用第四块掩膜板部分遮光进行光刻，并采用Bosch工艺刻蚀刻蚀深槽，深槽的深度与步骤(3)中刻蚀的锚点厚度相同；

(7)将第五块掩膜板进行光刻，并采用Bosch工艺直到硅结构层上的深槽完全刻通停止，释放结构，最后去除光刻胶。

如图4所示，本发明中的三轴单片集成谐振电容式硅微加速度计的工作原理为：

在X方向的线性谐振器5的外侧驱动固定电极上施加带直流偏置的交流驱动电压后，产生交变驱动力，在交变驱动力的作用下，谐振梁51将沿Y轴发生相向的简谐振动，接着将内侧的固定电极简谐振动信号检测出来，然后再将该信号反馈给驱动电压，形成闭环自激控制系统，该闭环自激控制系统的频率将锁定在谐振梁51的固有频率f₀。

当敏感质量块框2受到沿X轴方向有加速度作用时，沿X轴方向运动，敏感质量块框2把加速度转换成惯性力，通过梁杆8传递到杠杆结构6进而放大输入力，被放大的输入力作用于谐振梁51上，使得谐振梁51的谐振频率f_x发生变化。

由于对角线上的两个谐振器5结构是对称的，因此当一个谐振器5受到拉力，谐振频率f_x+增大，则另一个肯定是受到压力，谐振频率f_x-减小。通过检测频率的变化量，并将这两个谐振器5结构的频率信号f_x+与f_x-差分得到f_x，进而可以得到需要测量的沿X轴方向输入加速度a_x的大小。这种完全对称的结构设计可以提高标度因数，并能消除温度等共模误差的影响。

本发明对Y轴方向的加速度的测量原理和X轴方向的加速度的测量原理是相同的。通过检测频率的变化量，并将这两个谐振器5结构的频率信号f_y+与f_y-差分得到f_y，进而可以得到需要测量的沿Y轴方向输入加速度a_y的大小。

其中，由于U型梁62通过梁杆8与杠杆61相连，当Y轴方向有输入加速度时，扭摆式质量块3不会对X轴方向的谐振器5结构产生影响。同样，当X轴方向有输入加速度时，扭摆式质量块3不会对Y轴方向的谐振器5结构产生影响，因此这种全解耦的三轴集成谐振、电容式硅微加速度计能很好地隔离三个轴向的交叉耦合影响，使得测量信号更准确。

在Z方向有加速度时，对称的扭摆式质量块3的两个质量摆31绕连接于其之间的扭杆32转动，非对称的扭摆式质量块3的两个质量摆31绕扭杆32转动，从而导致第一、三象限的两个电容梳齿的变化量C3+C4和第二、四象限的两个电容梳齿组4的变化量C1+C2大小相等，方向相反，便于差分，通过检测电容的变化V_z来检测加速度a_z。

Claims (4)

1.一种三轴单片集成谐振电容式硅微加速度计，其特征在于：包括玻璃基底以及键合锚点悬浮设置于玻璃基底表面中心位置的主结构；所述主结构包括敏感质量块框、安装于敏感质量块框中心位置的两个扭摆式质量块、电容梳齿组和四个谐振器；所述两个扭摆式质量块纵向排列放置，且每个扭摆式质量块均由两个质量摆横向连接构成，且每个扭摆式质量块的左右两侧分别设置有电容梳齿组；所述四个谐振器分别通过杠杆机构安装于敏感质量块框四个顶角的外侧；所述玻璃基底上设有与主结构电极相连的信号引线；

所述电容梳齿组包括连接于扭摆式质量块的活动电容梳齿、以及通过支撑锚点键合于玻璃基底的固定电容梳齿，所述固定电容梳齿和活动电容梳齿的高度不同且共同构成变面积式电容检测，固定电容梳齿下方的玻璃基底上设有信号引线。

所述同一扭摆式质量块两侧的活动电容梳齿关于Y轴对称，不同扭摆式质量块两侧的活动电容梳齿关于X轴对称；两个扭摆式质量块上对角线上的电容梳齿组的电容相互差分，且同一扭摆式质量块的两个质量摆之间通过扭杆连接，所述扭杆通过锚点固定于玻璃基底。

所述谐振器包括支撑梁、安装于支撑梁两端部的台肩，所述支撑梁由两个横向设置的谐振梁组成，上谐振梁的上端和下谐振梁的下端对称设置有横向放置的活动梳齿，活动梳齿的两端分别设有通过支撑锚点键合于玻璃基底上的外固定梳齿和内固定梳齿；

所述杠杆机构包括杠杆以及通过固定锚点设置于玻璃基底上的U型梁；所述X轴方向上的杠杆纵向放置，且该方向上的杠杆的一端通过梁杆连接于敏感质量块框的外侧，另一端连接于纵向放置的U型梁，进而X轴方向上的杠杆可在X方向上移动；所述Y轴方向的杠杆横向放置，且该方向上的杠杆的一端通过梁杆连接于敏感质量块框的外侧，另一端连接于横向放置的U型梁，进而Y轴方向上的杠杆可在Y方向上移动。

2.根据权利要求1所述的三轴单片集成谐振电容式硅微加速度计，其特征在于：在所述四个谐振器中，同一对角线上的两个谐振器中心对称进而形成差分检测，一侧的台肩通过支撑锚点键合安装于玻璃基底，另一侧的台肩连接于杠杆机构。

3.根据权利要求1所述的三轴单片集成谐振电容式硅微加速度计，其特征在于：所述玻璃基底由硼硅酸盐玻璃制成，所述主结构均由单晶硅材料制成。

4.根据权利要求1～3任意一项所述的三轴单片集成谐振电容式硅微加速度计的加工方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)使用第一块掩膜板在玻璃基底上光刻，将有信号引线的地方暴露出来；

(2)溅射金属铝作为信号引线，然后去除光刻胶；

(3)在一块单晶硅片的背面使用第二块掩膜板进行光刻，并利用Bosch工艺刻蚀出锚点，然后去除光刻胶；

(4)在通过步骤(3)刻蚀的硅结构层的背面利用第三块掩膜板进行光刻，并利用Bosch工艺刻蚀出一定深度的凹槽，然后去除光刻胶；

(5)将通过步骤(4)刻蚀的硅结构层与玻璃基底上的锚点直接键合；

(6)在硅结构层上利用第四块掩膜板部分遮光进行光刻，并采用Bosch工艺刻蚀刻蚀深槽，深槽的深度与步骤(3)中刻蚀的锚点厚度相同；

(7)将第五块掩膜板进行光刻，并采用Bosch工艺直到硅结构层上的深槽完全刻通停止，释放结构，最后去除光刻胶。