CN214794871U - 一种三轴mems电容式加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种三轴MEMS电容式加速度传感器，属于微机电***技术领域。其包括用于检测x方向上加速度的上层结构、用于检测z方向上加速度的中层结构和用于检测y方向上加速度的下层结构；上层结构和下层结构均构成梳齿型倍增电容加速度传感器，分别由动电极及定电极组成；中层结构构成三明治式差分电容加速度传感器，包括上、下级板和质量块。本实用新型具有电容正对面积大、量程大、灵敏度高、可靠性高、集成度高、成本低、噪声低、性能稳定等优点。

Description

一种三轴MEMS电容式加速度传感器

技术领域

本实用新型涉及到微机电***技术领域，特别涉及一种三轴MEMS电容式加速度传感器。

背景技术

MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电***)加速度传感器是一种重要的惯性器件，其能够将外界加速度这一物理信号转变成便于测量的电信号，在航空、航天、汽车等领域有着广泛的应用。按检测原理，微机电加速度传感器可分为压阻式、压电式和电容式等形式。

电容式加速度传感器是一种将被测的加速度信号转换为电容器的电容量变化的传感器。实现这种功能的方式通常有变间隙式和变面积式两种。传感器的可动质量块构成了可变电容的一个可动电极，当质量块受加速度作用而产生位移时，由可动电极和固定电极构成的平行板电容器的间隙或正对面积发生变化，导致平行板电容器的电容量发生变化，将这种变化量用***电路检测出来从而计算出加速度的大小。

在申请号为CN201811616953.5的专利中，加速度计采用全碳化硅材料，由下部碳化硅基底层、中间连接层和上部碳化硅结构外框组成，上部碳化硅结构外框内部设有中心对称的五组阵列式四梁质量岛结构，利用梁上压阻条进行振动感知，进而获取三轴方向的加速度。

这种结构在耐高温恶劣环境能力方面有所提升，但是又存在如下问题：敏感压阻条产生的形变量有限，传感器灵敏度较低；机械结构及压阻产生的热机械噪声较大，传感器信噪比较低；压阻材料受温度影响较大，进而导致传感器有温度漂移；采用碳化硅的非常规材料，给传感器制作带来一定难度。

在申请号为CN201921626254.9的专利中，提出了一种三轴MEMS电容式加速度传感器。其中，在平面检测层设置两个正交分布的梳齿式微加速度计，感知水平面方向加速度，在离面监测层设置摆式微加速度计，感知垂直方向加速度，平面检测层与离面检测层之间设置基底层，离面检测层下部设置衬底层。

这种结构可以获得高灵敏度，但是又存在如下问题：传感器感知加速度范围较小；摆式加速度计稳定性及可靠性差，传感器水平方向加速度感知能力降低；平面内的两个正交梳齿式加速度计对传感器有效面积利用率低。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了三轴MEMS电容式加速度传感器。该传感器具有电容正对面积大、量程大、灵敏度高、可靠性高、集成度高、成本低、噪声低、性能稳定等优点。

为了实现上述目的，本实用新型所采取的技术方案为：

一种三轴MEMS电容式加速度传感器,包括用于检测x方向上加速度的上层结构、用于检测z方向上加速度的中层结构和用于检测y方向上加速度的下层结构；

所述中层结构包括依次层叠的上级板、固定框和下级板；所述固定框内设有质量块，且质量块通过悬臂组固定于固定框的中心处；所述上级板的下表面和下级板的上表面均设有用于约束质量块运动的限位凸框和防撞凸点；所述上级板和质量块之间与质量块和下级板之间均具有间隙；

所述上层结构位于上级板的上表面，其包括间隔排列的n个x向动电极和n+1个x向定电极，其中n≥1；所述x向定电极与上级板固定连接，x向动电极通过柔性结构与上级板连接；所述x向动电极和x向定电极的相邻侧均设有梳齿，且x向动电极和x向定电极的梳齿交错设置并留有等间距的活动间隙；

所述下层结构位于下级板的下表面，其包括间隔排列的n个y向动电极和n+1个y向定电极；所述y向定电极与下级板固定连接，y向动电极通过柔性结构与下级板连接；所述y向定电极和y向动电极的相邻侧均设有梳齿，且y向动电极和y向定电极的梳齿交错设置并留有等间距的活动间隙；所述x向动电极和y向动电极相互垂直。

进一步的，所述质量块的上表面和下表面均为方形；所述悬臂组包括分别与方形上、下表面对应的上组悬臂和下组悬臂，每组悬臂包括旋转对称的四个悬臂；所述悬臂为Z型结构，其两端分别连接***框和方形边端点。

进一步的，上、下位置正对的悬臂连接对应方形边的异侧端点。

进一步的，所述上级板的上表面和下级板的下表面均覆有绝缘层，且上级板的上表面和下级板的下表面均设有锚点，所述x向动电极和y向动电极通过柔性结构连接在对应的锚点上。

进一步的，所述防撞凸点和限位凸框的外表面均覆有绝缘层。

进一步的，所述n＝2。

一种三轴MEMS电容式加速度传感器的制作方法，用于制作上述的加速度传感器，包括以下制作步骤：

其一，上层结构和上级板的制作，

步骤一，选取双面抛光的低阻SOI硅片并对其进行第一次氧化；

步骤二，将氧化后的低阻SOI硅片的正面刻蚀出x向定电极、x向动电极、柔性结构和对应的锚点；将氧化后的低阻SOI硅片反面刻蚀出限位凸框；

步骤三，对低阻SOI硅片再次氧化；

步骤四，对低阻SOI硅片正面，释放x向动电极；对低阻SOI硅片反面，保留防撞凸点和限位凸框上的氧化层，去除限位凸框区域内其他位置的氧化层；从而得到上层结构和上级板；

其二，质量块和固定框的制作，

步骤一，对两片双面抛光的低阻硅片进行正面湿法深刻蚀，获得两组具有臂下空腔的低阻硅片；

步骤二，使两组低阻硅片的臂下空腔相对，进行硅硅键合；

步骤三，在键合后的低阻硅片的上、下表面蚀刻出上组悬臂和下组悬臂；从而得到质量块和固定框；

其三，下层结构和下级板的制作，

步骤一，选取双面抛光的低阻SOI硅片并对其进行第一次氧化；

步骤二，将氧化后的低阻SOI硅片的正面刻蚀出y向定电极、y向动电极、柔性结构和对应的锚点；将氧化后的低阻SOI硅片反面刻蚀出限位凸框；

步骤三，对低阻SOI硅片再次氧化；

步骤四，对低阻SOI硅片正面，释放y向动电极；对低阻SOI硅片反面，保留防撞凸点和限位凸框上的氧化层，去除限位凸框区域内其他位置的氧化层；从而得到下层结构和下级板；

上述步骤完成后，将得到的各部分按照对应关系采用硅硅键合的方式连接。

本实用新型采取上述技术方案所产生的有益效果在于：

1、本实用新型采用三轴电容式加速度传感器，有效提高了垂直方向硅片的利用率，提高集成度、降低体积的同时保证了传感器量程及灵敏度。

2、本实用新型采用三轴电容式加速度传感器，受温度影响小且测量范围大，性能稳定。

3、本实用新型采用x、y方向梳齿型倍增电容加速度传感器，利用共用固定电极有效增大了传感器电容变化量，提高加速度的灵敏度。

4、本实用新型采用Z方向三明治式差分电容加速度传感器，利用Z型结构有效增大质量块可移动范围，提高电容变化量进而提高加速度的灵敏度。

5、本实用新型各层结构采用硅硅键合，有效保证了传感器的键和强度，提高了传感器的可靠性。

6、本实用新型各层采用低阻硅材料，易于引线有效降低了制作成本，同时降低了各层电极制作的难度。

7、本实用新型设置限位凸框及防撞凸点，可防止键合、划片和使用过程中，造成的传感器破坏或失效。

附图说明

图1是本实用新型实施例的整体结构示意图。

图2是图1中部分结构示意图。

图3是图2中质量块和悬臂的结构示意图。

图4是图1中上层结构示意图。

图5是图1中上级板的下表面示意图。

图6是图1中下层结构示意图。

图7是图1中下级板的上表面示意图。

图中：31、上层结构，32、中层结构，33、下层结构，41、45、48、x向定电极，42、x向柔性结构，43、x向锚点，44、上级板引线区，46、绝缘层，47、上级板，51、上级板绝缘层，52、限位凸框，53、防撞凸点，61、63、悬臂，62、z向引线区，64、质量块，65、固定框，71、下级板绝缘层，72、限位凸框，73、防撞凸点，81、85、88、y向定电极，82、y向柔性结构，83、y向锚点，84、下级板引线区，86、绝缘区，87、下级板。

具体实施方式

下面，结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步的说明。

如图1～7所示，本实施例包括由x方定电极、x向动电极、x向锚点、x向柔性结构和上级板引线区构成的上层结构31、由上级板、下级板、质量块和悬臂等构成的中层机构32以及由y方定电极、y向动电极、y向锚点、y向柔性结构和下级板引线区构成的下层结构33。

其中，x向定电极41、x向动电极和x向锚点43位于上级板的顶部，x向动电极和x向锚点通过x向柔性结构42连接。

上级板上表面设有绝缘层，下级板的下表面设有绝缘层；上级板的限位凸框与固定框内的方形一致，上级板的防撞凸点正对质量块位置，上级板引线区44位于上级板的边缘位置。

上组悬臂中每个悬臂61的内端与质量块64上表面相连，上组悬臂中每个悬臂的外端与固定框65的上表面相连；下组悬臂中每个悬臂的内端与质量块下表面相连，下组悬臂中每个悬臂的外端与固定框的下表面相连；上组悬臂和下组悬臂均关于质量块中心旋转对称，固定框架的边缘位置设有z向引线区62，z向引线区和上级板引线区在同一侧但投影位置不重叠。

y向定电极81、y向动电极和y向锚点83均位于下级板的底部，y方向动电极与y向锚点通过柔性结构连接；下级板的下表面设有绝缘层，下级板的防撞凸点位于下级板上表面，下级板的限位凸框固定框架内的方形一致，下级板的防撞凸点正对质量块位置，下级板引线区位于下级板的边缘位置，下级板87引线区84与上级板引线区、z向引线区在同一侧但投影位置不重叠。

该传感器采用x向定电极和x向动电极构成x方向加速度感知的梳齿型倍增电容加速度传感器；采用y向定电极和y向动电极构成y方向加速度感知的梳齿型倍增电容加速度传感器；采用上级板、上组悬臂、下组悬臂和质量块、下级板构成z方向加速度感知的三明治式差分电容加速度传感器。

该传感器由上层结构、中层结构、下层结构构成，并完成三轴加速度感知的功能，上级板47上表面的绝缘层46为感知x方向与z方向的传感器提供氧化硅隔离层，下级板下表面的绝缘层86为感知y方向与z方向的传感器提供氧化硅隔离层。

该传感器上层结构、下层结构由SOI硅片制作而成，中层结构由两片低阻硅片制作而成；上层结构、中层结构是通过上级板下表面的绝缘层与固定框采用硅硅键合而成，下层结构、中层结构是通过下级板上表面的绝缘层与固定框采用硅硅键合而成。

该传感器的x向动电极、y向动电极82通过柔性结构为x或y方向加速度感知提供弹性。

该传感器采用干法刻蚀获得上组悬臂、下组悬臂，分别位于质量块的上、下两边，且均为弹性可动梁结构，为质量块的受迫运动提供弹性。

该传感器采用两次氧化并刻蚀形成上层结构、下层结构的台阶间距，即形成上级板的限位凸框、下级板的限位凸框，为z向加速度感知的三明治式加速度差分传感器提供电容间隙，为键合、划片、使用提供警示作用，防止划片对传感器造成破坏，防止键合与使用过程中因外力造成质量块与上级板、下级板的吸合导致传感器的失效，同时形成上级板防撞凸点、下级板防撞凸点，该设置可防止质量块上下运动时与上级板、下级板吸合导致传感器的失效，提高z方向加速度感知三明治式加速度差分传感器的可靠性。

该传感器的x向定电极、x向动电极、x向锚点、上级板、上组悬臂、下组悬臂梁、质量块、固定框、y向定电极、y向动电极、y向锚点和下级板均为低阻硅材料；绝缘层、上级板绝缘层51、上级板防撞凸点53、下级板绝缘层71、下级板防撞凸点73、绝缘层86均为硅的氧化物。

本实用新型的工作原理如下：

该三轴MEMS电容式加速度传感器x、y方向加速度感知为梳齿型倍增电容加速度传感器，由动电极及定电极组成，当受到x或y方向的加速度时，动电极沿x或y方向运动，与固定电极组成的平行板电容器的电容值发生变化，由于本梳齿型倍增加速度传感器采用共用固定电极，因此电容变化量为单个梳齿型加速度传感器的2倍，利用倍增电容值获取x或y方向的加速度值；而z方向加速度感知为三明治式差分电容加速度传感器，由上极板、下极板和质量层组成，当受到z方向的加速度时，质量块沿Z方向运动，上、下级板组成的平行板电容器电容值发生变化，利用差分电容量获取z方向的加速度值。

x或y方向获取加速度值的工作原理如下：

理想情况下，动电极梳齿位于定电极梳齿中间位置，在没有加速度的情况下，动电极未发生运动，梳齿电容值的表达式为：

式中C_s0为单个梳齿型电容加速度传感器初始电容值，ε为相对介电常数，S_s为单个梳齿型电容加速度传感器各个梳齿正对面积和，d_s0为梳齿间初始间距。

当三轴MEMS电容式加速度传感器感知到x或y方向的加速度时，可动电极受迫运动产生位移x_s，因此获得的单个梳齿型电容加速度传感器的电容差值为：

则x或y方向感知到加速度时所获得的电容值为单个梳齿型电容加速度传感器电容差值的2倍，并可以计算获得加速度值为：

式中m_s为可动电极质量，k_s为***弹性刚度。

z方向获取加速度值的工作原理如下：

理想情况下，质量块位于上下极板中间位置，在没有加速度的情况下，质量块未发生移动，上下电容值的表达式为：

式中C₁、C₂分别是上下两部分的电容值，S为质量块与上下极板的正对面积，d₀为质量块与上下极板的间初始间距。

当三轴MEMS电容式加速度传感器感知到Z方向的加速度时，质量块受迫运动产生位移x，因此获得的三明治式电容加速度传感器的电容差值为

则通过z方向感知到加速度时所获得的电容值计算加速度值为：

式中m为质量块质量，k为***弹性刚度。

上层结构和上级板的制备过程主要包括以下几个步骤：

步骤一，对双面抛光的低阻SOI硅片进行第一次氧化，SOI硅片上下表面形成氧化层；

步骤二，采用干法刻蚀去除SOI硅片上表面氧化层，形成正面图案，该图案与x向固定电极、x向动电极、x向锚点和上级板引线区所在边缘形状一致；

步骤三，采用干法刻蚀去除SOI硅片下表面氧化层，形成反面图案，该图案与上级板限位凸框形状一致；

步骤四，对光刻完成后的SOI硅片进行第二次氧化，此时反面图案处的氧化层厚度均低于周边位置氧化层厚度；

步骤五，采用湿法刻蚀去除SOI硅片正面x向动电极下的氧化层及其他多余氧化层，释放出正面x向动电极及上级板引线区所在边缘；

步骤六，采用湿法刻蚀去除SOI硅片反面氧化层，形成上级板限位凸框并保留上级板防撞凸点；

步骤七，采用干法刻蚀获得SOI硅片正面的上级板引线区。

中层结构中质量块及固定框的制备过程主要包括以下几个步骤：

步骤一，采用湿法刻蚀对双面抛光的低阻硅片进行正面深刻蚀，利用自停止腐蚀工艺获得上组悬臂的臂下空腔、下组悬臂的臂下空腔；

步骤二，选取两片深刻蚀后低阻硅片正面对正面进行硅硅键合，完成中层结构中双面回形臂臂下空腔结构；

步骤三，采用干法刻蚀去除硅片多余部分，形成键合后硅片正面的上组悬臂和z方向引线区；

步骤四，采用干法刻蚀去除硅片多余部分，形成键合后硅片反面的下组悬臂梁；

下层结构和下级板的制备过程主要包括以下几个步骤：

步骤一，对双面抛光的低阻SOI硅片进行第一次氧化，SOI硅片上下表面形成氧化层；

步骤二，采用干法刻蚀去除SOI硅片上表面氧化层，形成正面图案，该图案与y向固定电极、y向动电极、y向锚点和下级板引线区所在边缘形状一致；

步骤三，采用干法刻蚀去除SOI硅片下表面氧化层，形成反面图案，该图案与下级板限位凸框形状一致；

步骤四，对光刻完成后的SOI硅片进行第二次氧化，此时反面图案处的氧化层厚度均低于周边位置氧化层厚度；

步骤五，采用湿法刻蚀去除SOI硅片正面y向动电极下的氧化层及其他多余氧化层，释放出正面y向动电极及下级板引线区所在边缘；

步骤六，采用湿法刻蚀去除SOI硅片反面氧化层，形成下级板限位凸框并保留下级板防撞凸点；

步骤七，采用干法刻蚀获得SOI硅片正面的下级板引线区。

上层结构31、中层结构32、下层结构33分别制备完成后，左侧对齐，采取从上到下上层结构31、中层结构32、下层结构33的顺序，使用硅硅键合的方法，完成三轴MEMS电容式加速度传感器三层结构的键合。

本实用新型可对x、y、Z方向进行加速度感知，具有体积小、量程大、灵敏度高、可靠性高、集成度高、成本低、噪声低、性能稳定等优点，可根据使用环境的需求，对固定电极、可动电极、回形悬臂梁进行数量调整，从而获得不同的***弹性系数及***特征频率。

Claims (6)

1.一种三轴MEMS电容式加速度传感器,其特征在于，包括用于检测x方向上加速度的上层结构、用于检测z方向上加速度的中层结构和用于检测y方向上加速度的下层结构；

所述中层结构包括依次层叠的上级板、固定框和下级板；所述固定框内设有质量块，且质量块通过悬臂组固定于固定框的中心处；所述上级板的下表面和下级板的上表面均设有用于约束质量块运动的限位凸框和防撞凸点；所述上级板和质量块之间与质量块和下级板之间均具有间隙；

所述上层结构位于上级板顶部，其包括间隔排列的n个x向动电极和n+1个x向定电极，其中n≥1；所述x向定电极与上级板固定连接，x向动电极通过柔性结构与上级板连接；所述x向动电极和x向定电极的相邻侧均设有梳齿，且x向动电极和x向定电极的梳齿交错设置并留有等间距的活动间隙；

所述下层结构位于下级板底部，其包括间隔排列的n个y向动电极和n+1个y向定电极；所述y向定电极与下级板固定连接，y向动电极通过柔性结构与下级板连接；所述y向定电极和y向动电极的相邻侧均设有梳齿，且y向动电极和y向定电极的梳齿交错设置并留有等间距的活动间隙；所述x向动电极和y向动电极相互垂直。

2.根据权利要求1所述的一种三轴MEMS电容式加速度传感器，其特征在于，所述质量块的上表面和下表面均为方形；所述悬臂组包括分别与方形上、下表面对应的上组悬臂和下组悬臂，每组悬臂包括旋转对称的四个悬臂；所述悬臂为Z型结构，其两端分别连接***框和方形边端点。

3.根据权利要求2所述的一种三轴MEMS电容式加速度传感器，其特征在于，上、下位置正对的悬臂连接对应方形边的异侧端点。

4.根据权利要求1所述的一种三轴MEMS电容式加速度传感器，其特征在于，所述上级板的上表面和下级板的下表面均覆有绝缘层，且上级板的上表面和下级板的下表面均设有锚点，所述x向动电极和y向动电极通过柔性结构连接在对应的锚点上。

5.根据权利要求2所述的一种三轴MEMS电容式加速度传感器，其特征在于，所述防撞凸点和限位凸框的外表面均覆有绝缘层。

6.根据权利要求1所述的一种三轴MEMS电容式加速度传感器，其特征在于，所述n＝2。

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