CN105182005B - 一种加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种加速度计，包括：a.衬底（13）中设有浅腔（2）以及衬底锚点（5）；b.电极结构层（1）中部设有的中心锚点（16），中心锚点（16）的两侧对称设有至少一个悬浮电极（4），悬浮电极（4）与下面的浅腔（2）对应配合，悬浮电极（4）的上表面设有向上活动间隙（11）；c.可动结构层（15），及其中设有的可动结构（10），其中部设有上层锚点（18）与中心锚点（16）对应键合连接；d.盖帽（14）。本发明具有如下优点：热应力对电极结构的影响大幅下降，使得电极结构在全温范围内几乎无形变，从而保证了器件在全温范围内左右两边电容的对称性，提高了传感器全温性能。

Description

一种加速度计

技术领域

本发明属于微机械电子技术领域，具体是一种加速度计。

背景技术

微机电***的发展，极大地推动了传感器技术的进步，实现了加速度传感器的微型化。现有电容式、压电式、压阻式、热对流、隧道电流式和谐振式等多种形式。利用微机械加工工艺制作的电容式加速度计在测量精度、温度特性、利用静电力进行闭环测量和自检及易与电子线路集成等方面具有独特的优点，可广泛应用于航空航天、石油勘探、地震监测、医疗仪器等诸多领域，具有广阔的市场应用景。

电容式MEMS加速度计的微结构通常包含敏感结构以及电极结构。通过敏感结构输入加速度引起的惯性力，MEMS加速度计将加速度信号转换成电学信号。作为一种力敏感器件，环境温度变化造成热应力会导致敏感结构或固定电极的形变，从而引起加速度计零位输出漂移，传感器全温性能下降，降低了传感器的综合精度。

目前，一种相关技术方案通过减少管壳底部与芯片的接触面积来减少环境温度变化引起的芯片热应力，上述技术方案为封装的改善方法，需要增加模具制造费用，且管壳底部与芯片接触面积在工艺加工过程中的一致性及可靠性较差。

发明内容

本发明是为了解决现有Z轴向电容式MEMS加速度计由于温度变化引起的热应力对器件性能的影响问题，提供一种可以降低热应力对器件影响的加速度计，采用MEMS体硅工艺，加工工艺简单，产品的可靠性、一致性好，可以实现批量制造。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种加速度计，其特征在于包括：

a.衬底，衬底中部设有浅腔以及衬底锚点；

b.与衬底键合的电极结构层，电极结构层中部设有与浅腔对应的第一窗口，第一窗口中部设有中心锚点，它用悬臂梁连接于电极结构层上，中心锚点与衬底锚点对应键合连接；

第一窗口中心锚点的两侧对称设有至少一个悬浮电极，悬浮电极与下面的浅腔对应配合，悬浮电极的上表面低于电极结构层上表面一段距离，该距离即为悬浮电极向上活动间隙，悬浮电极两侧分别设有折叠固支梁与电极结构层连接；

c. 与电极结构层键合的可动结构层，可动结构层中部设有与第一窗口相应的第二窗口，第二窗口中设有可动结构，可动结构与下面的悬浮电极形成活动间隙，可动结构中部设有上层锚点，上层锚点与下面的中心锚点对应键合连接；

可动结构层一侧设有一组pad点，每个pad点分别设有电极引线，中间的电极引线与下面电极结构层中的悬臂梁对应键合连接，两侧的电极引线分别与下面电极结构层中的折叠固支梁对应键合连接。

d.与可动结构层键合的盖帽。

在上述技术方案的基础上，可以有以下进一步的技术方案：衬底中浅腔底面设有与悬浮电极对应配合的抗过载防粘连的下凸点，悬浮电极上设有与可动结构对应配合的抗过载防粘连的上凸点。

本发明中的可动结构即敏感质量块，为非对称质量块，当整体结构受到Z轴向的加速度时，质量块会随加速度摆动从而引起左右电容差动变化，通过固定电极输出信号，从而检测到Z轴向的加速度。

该低应力电容式MEMS加速度计结构采用单晶硅为主材料。该低应力电容式MEMS加速度计从工艺制造上可分为三层：衬底层、结构层和盖帽层。敏感质量块、悬臂梁属于结构层；双端固支的电极结构与其下方整体硅形成衬底层；盖帽层构成碰撞顶面。

该低应力电容式MEMS加速度计结构的制造工艺为：首先刻蚀衬底层形成电极结构活动浅腔，通过硅硅键合将电极结构层与衬底层连接于一起；接着通过刻蚀形成敏感结构活动浅腔以及双端固支悬浮电极结构；随后将敏感结构层通过硅硅键合与电极结构层键合于一起，利用光刻及刻蚀形成敏感结构；采用共晶键合完成结构层和盖帽层的圆片封装；刻蚀盖帽层正面，露出电极。

本发明与现有的电容式MEMS加速度计结构相比具有如下优点：

（1）现有技术中由于外界应力、温度变化所带来的衬底形变会传递到固定电极上，从而引起固定电极的形变，使得两边电容不对称，造成传感器输出漂移。本发明将以往的固定电极结构改变为双端固支悬浮电极结构，该悬浮电极结构使得加速度计在环境温度变化时，热应力对电极结构的影响大幅下降，使得电极结构在全温范围内几乎无形变，从而保证了器件在全温范围内左右两边电容的对称性，提高了传感器全温性能。

（2）本发明通过改变器件内部电极结构，降低了热应力对电极结构的影响，避免了更改外部管壳与芯片的封装工艺，且由于利用SOI硅片作为电极结构圆片，保证了固支悬浮电极结构的一致性以及重复性；加工工艺比较简单，全部利用公知的MEMS工艺技术加工，适合大批量生产。

（3）本发明将支撑电极结构的固支梁设计为折叠形式，该折叠形式的固支梁结构可以增加热传导距离，进一步降低热应力对电极结构的影响。

附图说明

图1为为本发明低应力电容式MEMS加速度计结构剖面图；

图2为图1的A-A剖视图；

图3为图1的B-B剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构做进一步的说明。

低应力电容式MEMS加速度计结构

参照图1、图2、图3，本发明的一种加速度计结构共分4层，分别为衬底层13、电极结构层1、可动结构层15以及盖帽14，上述衬底层、电极结构层、可动结构层及盖帽均为硅材料制成。

以下分别进行描述：

a.衬底13，衬底13中部设有浅腔2以及衬底锚点5，衬底13中浅腔2底面设有一组与悬浮电极4对应配合的抗过载防粘连的下凸点12，衬底上面设有二氧化硅氧化层9；

b.与衬底13键合的电极结构层1，电极结构层1中部设有与浅腔2对应的第一窗口1a，第一窗口1a中部设有中心锚点16，它用悬臂梁17连接于电极结构层1上，中心锚点16与衬底锚点5对应键合连接；

第一窗口1a中心锚点16的两侧对称设有至少一个悬浮电极4，悬浮电极4与下面的浅腔2对应配合，悬浮电极4的上表面低于电极结构层1上表面一段距离，该距离即为悬浮电极4向上活动间隙11， 悬浮电极4两侧分别设有折叠固支梁7与电极结构层1连接，悬浮电极4上设有与可动结构10对应配合的抗过载防粘连的上凸点8；

中心锚点16两侧对称分布的悬浮电极可以是1个也可以是2个，甚至更多，附图仅为示意图，不对悬浮电极结构做数量的限制；

c. 与电极结构层1键合的可动结构层15）可动结构层15中部设有与第一窗口1a相应的第二窗口15a，第二窗口15a中设有可动结构10，即敏感质量块，可动结构10与下面的悬浮电极4形成活动间隙11，可动结构10中部设有两个凹形开口，凹形开口之间形成上层锚点18，上层锚点18与下面的中心锚点16对应键合连接；

可动结构层15一侧设有一组pad点3，每个pad点3分别设有电极引线6，在可动结构层15上制出与pad点3及电极引线6形状相适的通槽20，通槽20围成的区域即为pad点3及电极引线6；

结合图2及图3，中间的电极引线6与下面电极结构层1中的悬臂梁17对应键合连接，两侧的电极引线6分别与下面电极结构层1中的折叠固支梁7对应键合连接；

d.与可动结构层15键合的盖帽14，它是常规结构。

以下结合附图1描述本发明实施例的低应力电容式MEMS加速度计的优点。具体而言，当环境温度、封装及传感器安装引起的应力变化时，对于现有Z轴向电容式MEMS加速度计，上述引起的应力会使得衬底13发生形变，由于电极结构4直接与衬底13接触，因此带动电极结构4同样发生形变，从而导致加速度计左右电容不对称，造成加速度计输出漂移。而对于本发明实施例的具有悬浮电极的加速度计结构，当上述所述的应力导致衬底13发生形变时，由于电极结构4双端固支悬浮于衬底13之上，因此，衬底13在形变时不会导致电极结构4发生形变，保证了加速度计左右电容的对称性，从而使环境温度变化导致的应力以及封装、安装产生的应力仅反映到衬底13的变形上，降低了加速度计电极结构4 受环境应力的影响，提高了加速度计的综合精度及环境适应性。

现有技术中利用下极板形成差分电容的Z轴向电容式MEMS加速度计可动结构有多种形式，包括单锚点、多个锚点等。为了说明本发明的优点，仅对其中的一种可动结构画出示意图，但本发明中提出的双端固支悬浮电极结构对利用下极板形成差分电容的扭摆式Z轴向加速度计均适用。

Claims (1)

1.一种加速度计，其特征在于包括：

a.衬底（13），衬底（13）中部设有浅腔（2）以及衬底锚点（5）；

b.与衬底（13）键合的电极结构层（1），电极结构层（1）中部设有与浅腔（2）对应的第一窗口（1a），第一窗口（1a）中部设有中心锚点（16），它用悬臂梁（17）连接于电极结构层（1）上，中心锚点（16）与衬底锚点（5）对应键合连接；

第一窗口（1a）中心锚点（16）的两侧对称设有至少一个悬浮电极（4），悬浮电极（4）与下面的浅腔（2）对应配合，悬浮电极（4）的上表面低于电极结构层（1）上表面一段距离，该距离即为悬浮电极（4）向上活动间隙（11）， 悬浮电极（4）两侧分别设有折叠固支梁（7）与电极结构层（1）连接；

c. 与电极结构层（1）键合的可动结构层（15），可动结构层（15）中部设有与第一窗口（1a）相应的第二窗口（15a），第二窗口（15a）中设有可动结构（10），可动结构（10）与下面的悬浮电极（4）形成活动间隙（11），可动结构（10）中部设有上层锚点（18），上层锚点（18）与下面的中心锚点（16）对应键合连接；

可动结构层（15）一侧设有一组pad点（3），每个pad点（3）分别设有电极引线（6），中间的电极引线（6）与下面电极结构层（1）中的悬臂梁（17）对应键合连接，两侧的电极引线（6）分别与下面电极结构层（1）中的折叠固支梁（7）对应键合连接；

d. 与可动结构层（15）键合的盖帽（14）；

e.衬底（13）中浅腔（2）底面设有与悬浮电极（4）对应配合的抗过载防粘连的下凸点（12），悬浮电极（4）上设有与可动结构（10）对应配合的抗过载防粘连的上凸点（8）。