CN106199071B - 一种抗高过载低量程电容式加速度传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及MEMS电容式加速度传感器，具体是一种抗高过载低量程电容式加速度传感器及其制造方法。本发明解决了现有MEMS电容式加速度传感器在高过载条件下无法实现稳定输出、无法实现高精度与抗高过载的动态平衡的问题。一种抗高过载低量程电容式加速度传感器，包括四悬臂梁结构和玻璃电极结构；所述四悬臂梁结构包括硅边框、硅质量块、四个硅悬臂梁、八个二氧化硅防护台；所述玻璃电极结构包括两个玻璃基板、两个金属电极。本发明适用于卫星导航、导弹制导、炮弹定向、汽车防震保护、自动刹车、医疗服务等领域。
Description
技术领域
本发明涉及MEMS电容式加速度传感器，具体是一种抗高过载低量程电容式加速度传感器及其制造方法。
背景技术
MEMS电容式加速度传感器广泛应用于卫星导航、导弹制导、炮弹定向、汽车防震保护、自动刹车、医疗服务等领域。在现有技术条件下，MEMS电容式加速度传感器主要包括叉指式MEMS电容式加速度传感器、扭摆式MEMS电容式加速度传感器、悬臂梁式MEMS电容式加速度传感器、三明治式MEMS电容式加速度传感器等。实践表明，现有MEMS电容式加速度传感器由于自身结构所限，普遍存在如下问题：其一，现有MEMS电容式加速度传感器在高过载条件下无法实现稳定输出。其二，现有MEMS电容式加速度传感器无法实现高精度与抗高过载的动态平衡。基于此，有必要发明一种全新的MEMS电容式加速度传感器，以解决现有MEMS电容式加速度传感器存在的上述问题。
发明内容
本发明为了解决现有MEMS电容式加速度传感器在高过载条件下无法实现稳定输出、无法实现高精度与抗高过载的动态平衡的问题，提供了一种抗高过载低量程电容式加速度传感器及其制造方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种抗高过载低量程电容式加速度传感器，包括四悬臂梁结构和玻璃电极结构；
所述四悬臂梁结构包括硅边框、硅质量块、四个硅悬臂梁、八个二氧化硅防护台；硅质量块的厚度小于硅边框的厚度；四个硅悬臂梁的厚度一致，且四个硅悬臂梁的厚度均小于硅质量块的厚度；四个硅悬臂梁的外端端面分别与硅边框的四个内侧面中央连接为一体，且每个硅悬臂梁的外端侧面与硅边框的内侧面之间均设有倒角；四个硅悬臂梁的内端端面分别与硅质量块的四个侧面中央连接为一体，且每个硅悬臂梁的内端侧面与硅质量块的侧面之间均设有倒角；其中四个二氧化硅防护台分别固定于硅质量块的正面四角；另外四个二氧化硅防护台分别固定于硅质量块的反面四角；
所述玻璃电极结构包括两个玻璃基板、两个金属电极；每个玻璃基板的正面和反面之间均贯通开设有一个通孔；两个金属电极分别溅射于两个通孔内；
两个玻璃基板分别键合于硅边框的正面和反面，且两个金属电极分别与硅质量块的正面和反面正对。
工作时，两个金属电极分别通过引线与外部检测电路连接。硅质量块和第一个金属电极共同构成第一电容结构。硅质量块和第二个金属电极共同构成第二电容结构。具体工作过程如下：当传感器受到冲击时，硅质量块发生上下位移，硅质量块与两个金属电极之间的距离均发生变化（若硅质量块与第一个金属电极之间的距离增大，则硅质量块与第二个金属电极之间的距离减小。反之，若硅质量块与第一个金属电极之间的距离减小，则硅质量块与第二个金属电极之间的距离增大），第一电容结构的电容值和第二电容结构的电容值均发生变化。此时，外部检测电路通过两个金属电极检测出第一电容结构的电容值变化量与第二电容结构的电容值变化量之间的差值，并根据这一差值计算得到冲击加速度的值，由此实现冲击加速度的检测。在上述过程中，二氧化硅防护台起到如下作用：当冲击过大时，二氧化硅防护台一方面能够防止硅质量块与两个金属电极贴合而形成静电吸附，另一方面能够防止硅质量块位移过大而导致四个硅悬臂梁断裂。倒角的作用是减小四个硅悬臂梁受到的冲击，以保护结构的完整。
基于上述过程，与现有MEMS电容式加速度传感器相比，本发明所述的一种抗高过载低量程电容式加速度传感器通过采用全新结构，具备了如下优点：其一，本发明在高过载条件下实现了稳定输出。其二，本发明实现了高精度与抗高过载的动态平衡。
一种抗高过载低量程电容式加速度传感器的制造方法（该方法用于制造本发明所述的一种抗高过载低量程电容式加速度传感器），该方法是采用如下步骤实现的：
a.四悬臂梁结构的制造：首先选取硅片，并对硅片进行清洗；然后在硅片的正面和反面生长二氧化硅掩膜，并在二氧化硅掩膜上形成刻蚀图形；然后按照刻蚀图形，先对硅片的正面和反面进行湿法腐蚀，再对硅片的正面和反面进行干法刻蚀，由此得到四悬臂梁结构；
b.玻璃电极结构的制造：首先选取两个玻璃基板，并在每个玻璃基板的正面和反面之间均贯通开设一个通孔；然后分别在两个通孔内溅射金属，由此得到两个金属电极；
c.四悬臂梁结构和玻璃电极结构的组装：将两个玻璃基板分别键合于硅边框的正面和反面，并保证两个金属电极分别与硅质量块的正面和反面正对，由此得到抗高过载低量程电容式加速度传感器。
本发明有效解决了现有MEMS电容式加速度传感器在高过载条件下无法实现稳定输出、无法实现高精度与抗高过载的动态平衡的问题，适用于卫星导航、导弹制导、炮弹定向、汽车防震保护、自动刹车、医疗服务等领域。
附图说明
图1是本发明所述的一种抗高过载低量程电容式加速度传感器的结构示意图。
图2是本发明所述的一种抗高过载低量程电容式加速度传感器的四悬臂梁结构的结构示意图。
图3是本发明所述的一种抗高过载低量程电容式加速度传感器的玻璃电极结构的结构示意图。
图中：1-硅边框，2-硅质量块，3-硅悬臂梁，4-二氧化硅防护台，5-倒角，6-玻璃基板，7-金属电极。
具体实施方式
一种抗高过载低量程电容式加速度传感器，包括四悬臂梁结构和玻璃电极结构；
所述四悬臂梁结构包括硅边框1、硅质量块2、四个硅悬臂梁3、八个二氧化硅防护台4；硅质量块2的厚度小于硅边框1的厚度；四个硅悬臂梁3的厚度一致，且四个硅悬臂梁3的厚度均小于硅质量块2的厚度；四个硅悬臂梁3的外端端面分别与硅边框1的四个内侧面中央连接为一体，且每个硅悬臂梁3的外端侧面与硅边框1的内侧面之间均设有倒角5；四个硅悬臂梁3的内端端面分别与硅质量块2的四个侧面中央连接为一体，且每个硅悬臂梁3的内端侧面与硅质量块2的侧面之间均设有倒角5；其中四个二氧化硅防护台4分别固定于硅质量块2的正面四角；另外四个二氧化硅防护台4分别固定于硅质量块2的反面四角；
所述玻璃电极结构包括两个玻璃基板6、两个金属电极7；每个玻璃基板6的正面和反面之间均贯通开设有一个通孔；两个金属电极7分别溅射于两个通孔内；
两个玻璃基板6分别键合于硅边框1的正面和反面，且两个金属电极7分别与硅质量块2的正面和反面正对。
所述二氧化硅防护台4也可用氮化硅防护台替代。
一种抗高过载低量程电容式加速度传感器的制造方法（该方法用于制造本发明所述的一种抗高过载低量程电容式加速度传感器），该方法是采用如下步骤实现的：
a.四悬臂梁结构的制造：首先选取硅片，并对硅片进行清洗；然后在硅片的正面和反面生长二氧化硅掩膜，并在二氧化硅掩膜上形成刻蚀图形；然后按照刻蚀图形，先对硅片的正面和反面进行湿法腐蚀，再对硅片的正面和反面进行干法刻蚀，由此得到四悬臂梁结构；
b.玻璃电极结构的制造：首先选取两个玻璃基板6，并在每个玻璃基板6的正面和反面之间均贯通开设一个通孔；然后分别在两个通孔内溅射金属，由此得到两个金属电极7；
c.四悬臂梁结构和玻璃电极结构的组装：将两个玻璃基板6分别键合于硅边框1的正面和反面，并保证两个金属电极7分别与硅质量块2的正面和反面正对，由此得到抗高过载低量程电容式加速度传感器。
所述二氧化硅掩膜也可用氮化硅掩膜替代。
Claims (2)
1.一种抗高过载低量程电容式加速度传感器的制造方法，其特征在于：该方法用于制造如下所述的一种抗高过载低量程电容式加速度传感器；
所述抗高过载低量程电容式加速度传感器，包括四悬臂梁结构和玻璃电极结构；
所述四悬臂梁结构包括硅边框（1）、硅质量块（2）、四个硅悬臂梁（3）、八个二氧化硅防护台（4）；硅质量块（2）的厚度小于硅边框（1）的厚度；四个硅悬臂梁（3）的厚度一致，且四个硅悬臂梁（3）的厚度均小于硅质量块（2）的厚度；四个硅悬臂梁（3）的外端端面分别与硅边框（1）的四个内侧面中央连接为一体，且每个硅悬臂梁（3）的外端侧面与硅边框（1）的内侧面之间均设有倒角（5）；四个硅悬臂梁（3）的内端端面分别与硅质量块（2）的四个侧面中央连接为一体，且每个硅悬臂梁（3）的内端侧面与硅质量块（2）的侧面之间均设有倒角（5）；其中四个二氧化硅防护台（4）分别固定于硅质量块（2）的正面四角；另外四个二氧化硅防护台（4）分别固定于硅质量块（2）的反面四角；
所述玻璃电极结构包括两个玻璃基板（6）、两个金属电极（7）；每个玻璃基板（6）的正面和反面之间均贯通开设有一个通孔；两个金属电极（7）分别溅射于两个通孔内；
两个玻璃基板（6）分别键合于硅边框（1）的正面和反面，且两个金属电极（7）分别与硅质量块（2）的正面和反面正对；
该方法是采用如下步骤实现的：
a.四悬臂梁结构的制造：首先选取硅片，并对硅片进行清洗；然后在硅片的正面和反面生长二氧化硅掩膜，并在二氧化硅掩膜上形成刻蚀图形；然后按照刻蚀图形，先对硅片的正面和反面进行湿法腐蚀，再对硅片的正面和反面进行干法刻蚀，由此得到四悬臂梁结构；
b.玻璃电极结构的制造：首先选取两个玻璃基板（6），并在每个玻璃基板（6）的正面和反面之间均贯通开设一个通孔；然后分别在两个通孔内溅射金属，由此得到两个金属电极（7）；
c.四悬臂梁结构和玻璃电极结构的组装：将两个玻璃基板（6）分别键合于硅边框（1）的正面和反面，并保证两个金属电极（7）分别与硅质量块（2）的正面和反面正对，由此得到抗高过载低量程电容式加速度传感器。
2.根据权利要求1所述的一种抗高过载低量程电容式加速度传感器的制造方法，其特征在于：所述二氧化硅掩膜也可用氮化硅掩膜替代。
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