一種靜電剛度式硅微諧振加速度傳感器芯片的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種靜電剛度式硅微諧振加速度傳感器芯片。傳感器芯片包括兩個固支振梁、驅動梳齒電容固定極板、檢測平行板電容固定極板、一個質量塊。質量塊位于兩個固支振梁之間。固支振梁上的一組平行極板與質量塊上的一組平行極板構成平行板電容用于給固支振梁引入靜電剛度，固支振梁上的另一組平行極板與檢測平行板電容固定極板構成檢測平行板電容。在工作時，固支振梁雙邊驅動并通過檢測平行板電容、驅動電路形成閉環(huán)諧振，固支振梁與質量塊之間的平行板電容極板間施加直流偏置電壓后給固支振梁引入一個附加靜電剛度。當有加速度作用時，質量塊發(fā)生位移導致一個固支振梁的靜電剛度增加，諧振頻率減小，另一個固支振梁靜電剛度減小，諧振頻率增加，兩個固支振梁諧振頻率差與加速度大小成正比。傳感器輸出為兩個固支振梁的頻率差，具有抗干擾能力強、精度高、使用方便等特點。
【專利說明】一種靜電剛度式硅微諧振加速度傳感器芯片
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種靜電剛度式硅微諧振加速度傳感器芯片。
【背景技術】
[0002]若振子與平行板電容的一個極板連接且平行板電容極板間存在直流偏置電壓Kb，振子振動會引起平行板間靜電力發(fā)生變化，且存在一個與振動位移成正比的靜電力分量，相當于給振子引入一個附加的靜電剛度
其中ε為介電常數、^為平行板電容有效面積、為平衡位置對應的平行板電容間隙。若加速度作用下的質量塊慣性力改變&，靜電剛度將發(fā)生變化，從而改變振子諧振頻率，通過測量振子諧振頻率可以進行加速度測量。這就是靜電剛度式硅微諧振加速度傳感器的工作原理，它的靈敏度可以通過調節(jié)平行板電容極板間直流偏置電壓Kb來調節(jié)，具有不需要很大的質量塊而體積小、對工藝技術要求相對較低等優(yōu)點。
[0003]目前，文獻上報道的靜電剛度式硅微諧振加速度傳感器較少，已報道的靜電剛度式硅微諧振加速度傳感器通常由兩根雙端固支振梁、兩個質量塊、驅動梳齒電容固定極板組成，驅動梳齒可動極板和平行板電容可動極板鏈接在振梁上但沿振梁軸線不對稱。這樣，驅動梳齒電容只能單邊驅動振梁，不能實現振梁的雙邊驅動，難以消除單邊驅動模式中高頻信號的影響，且檢測振梁諧振頻率的檢測平行板電容同時作為給振梁引入靜電剛度的平行板電容，使得振梁諧振頻率檢測電路設計時還需考慮對靜電剛度的影響。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種靜電剛度式硅微諧振加速度傳感器芯片。為了克服現有技術中的振梁單邊驅`動以及靜電剛度與振梁諧振頻率相互影響的缺點，本發(fā)明的靜電剛度式硅微諧振加速度傳感器芯片中的兩個振梁采用完全對稱的結構，且兩個振梁共用一個質量塊，可以實現兩個振梁的雙邊驅動以及靜電剛度引入與振梁頻率檢測的隔離。
[0005]本發(fā)明的靜電剛度式硅微諧振加速度傳感器芯片，其特點是:所述傳感器芯片包括兩個固支振梁、驅動梳齒電容固定極板、檢測平行板電容固定極板、一個質量塊；所述質量塊位于所述兩個固支振梁之間；所述固支振梁上的一組平行極板與質量塊上的一組平行極板構成平行板電容用于給固支振梁引入靜電剛度，所述固支振梁上的另一組平行極板與檢測平行板電容固定極板構成檢測平行板電容；所述驅動梳齒電容固定極板沿固支振梁軸線對稱分布；所述檢測平行板電容固定極板與所述質量塊上平行極板沿所述傳感器芯片的中心線對稱分布。
[0006]所述的固支振梁的軸線兩側對稱連接有多組驅動梳齒電容可動極板和兩組平行板電容極板，其中一組平行板電容極板為檢測平行板電容的可動極板，另一組平行板電容極板用于引入靜電剛度。
[0007]所述的驅動梳齒電容可動極板與驅動梳齒電容固定極板組成驅動梳齒電容，驅動梳齒電容沿固支振梁對稱分布，當固支振梁接地而兩邊的驅動梳齒電容固定極板分別施加帶直流偏置的反相交流驅動電壓，實現固支振梁的雙邊驅動。
[0008]所述的質量塊上設置有用于防止平行電容極板吸合的位移阻擋塊，所述位移阻擋塊與附近錨點邊緣在加速度敏感方向的間隙小于平行板電容極板初始間隙。
[0009]本發(fā)明采用的技術方案的原理是:傳感器芯片主要由兩個固支振梁、一個質量塊、驅動梳齒電容固定極板和檢測平行板電容固定極板組成，兩個固支振梁完全相同，質量塊位于兩固支振梁之間，固支振梁與質量塊之間通過平行板電容關聯。工作時，固支振梁在靜電力作用下沿垂直于固支振梁軸線的方向做簡諧振動；質量塊上與固支振梁之間施加固定直流偏置電壓，這樣固支振梁與質量塊之間的平行板電容會給振梁引入一個附加的靜電剛度。由于傳感器芯片結構完全對稱，在沒有加速度作用時，質量塊受到對稱的靜電力作用保持在初始位置，兩個固支振梁的附加靜電剛度相等，兩個固支振梁的諧振頻率差為零，傳感器沒有輸出。當有加速度作用時，質量塊在慣性力作用下發(fā)生位移，與一個固支振梁的距離增加，與另一個固支振梁距離減小，導致質量塊與固支振梁之間的平行板電容極板間隙發(fā)生變化，從而改變兩個固支振梁的附加靜電剛度大小，使得一個固支振梁的靜電剛度增加，諧振頻率減小，另一個固支振梁靜電剛度減小，諧振頻率增加，傳感器輸出為兩個固支振梁的諧振頻率差，與加速度大小成線性關系。采用兩個固支振梁的諧振頻率差作為傳感器輸出不僅可以增加傳感器靈敏度，而且可以在一定程度降低外界環(huán)境對傳感器性能的影響。
[0010]固支振梁左右、上下對稱，固支振梁上連接檢測平行板電容的多個活動極板、用于產生靜電剛度的平行板電容多個活動極板以及沿固支振梁軸線對稱分布的多個驅動梳齒可動極板，這樣，當給固支振梁軸線兩邊的驅動梳齒電容固定極板分別施加帶直流偏置的反相交流驅動電壓，可實現固支振梁的雙邊驅動，利用閉環(huán)反饋電路可以實現振梁的閉環(huán)諧振，且通過檢測平行板電容大小變化頻率可以測量固支振梁的振動頻率。
[0011]質量塊上兩邊對稱連接產生靜電剛度的一組平行板電容極板，并通過錨點在質量塊與固支振梁之間施加一定直流偏壓。在沒有加速度作用時，質量塊兩邊平行板電容極板間靜電力大小相等方向相反，質量塊位移為零，兩個固支振梁的靜電剛度大小相等且諧振頻率相等；在有加速度作用時質量塊發(fā)生位移，使其與兩個固支振梁間的平行板電容間隙發(fā)生變化，從而改變兩個固支振梁的靜電剛度大小，使得一個固支振梁諧振頻率增加，另一個固支振梁諧振頻率減小。
[0012]為了防止質量塊在較強振動沖擊過載條件發(fā)生太大位移，導致平行電容極板吸合，在質量塊上有位移阻擋塊，位移阻擋塊與附近錨點邊緣在加速度敏感方向的間隙小于平行板電容極板初始間隙。質量塊通過折疊梁與錨點相連，折疊梁可以根據量程和靈敏度要求采用多級。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明的靜電剛度式硅微諧振加速度傳感器芯片的總體結構示意圖；
圖2為本發(fā)明的靜電剛度式硅微諧振加速度傳感器芯片中的固支振梁結構示意圖；
圖3為本發(fā)明的靜電剛度式硅微諧振加速度傳感器芯片中的質量塊-彈簧結構示意
圖；
圖4為本發(fā)明的靜電剛度式硅微諧振加速度傳感器芯片橫截面結構示意圖。[0014]【具體實施方式】
圖1為本發(fā)明的靜電剛度式硅微諧振加速度傳感器芯片的總體結構示意圖。本發(fā)明的諧振式硅微加速度傳感器芯片具體結構方案如圖1所示。傳感器芯片主要由質量塊305、固支振梁(102、402)、與錨點(103、112、115、124、403、404、406、408)相連的若干驅動梳齒固定極板、與錨點出01、501)相連的若干檢測平行板電容固定極板組成。矩形極板120與固支振梁102連接，矩形極板312與固支振梁402連接，矩形極板(303、312)與質量塊305鏈接，這樣，在固支振梁102與質量塊305之間、固支振梁402與質量塊305之間各形成一組平行板電容。固支振梁102通過錨點101、125固定，固支振梁402通過錨點401、405固定，工作時，固支振梁102、402沿垂直于固支振梁軸線的方向振動，固支振梁和質量塊之間存在直流偏置電壓，固支振梁與質量塊之間的平行板電容會給固支振梁102、402各引入一個附加的靜電剛度。由于傳感器芯片結構完全對稱，在沒有加速度作用時，質量塊受到對稱的靜電力作用保持在初始位置，兩個固支振梁的附加靜電剛度相等，兩個固支振梁的諧振頻率差為零，傳感器沒有輸出。當有加速度作用時，質量塊在慣性力作用下發(fā)生位移，與一個固支振梁的距離增加，與另一個固支振梁距離減小，導致質量塊與振梁之間的平行板電容極板(120和303、312和405)間隙發(fā)生變化，從而改變兩個固支振梁的附加靜電剛度使得一個固支振梁諧振頻率增加另一個固支振梁諧振頻率減小，傳感器輸出為兩個固支振梁的諧振頻率差，與加速度大小成線性關系。
[0015]圖2為本發(fā)明的靜電剛度式硅微諧振加速度傳感器芯片中的固支振梁結構示意圖。本發(fā)明的固支振梁如圖2所示，固支振梁102左右、上下對稱，且兩端分別通過錨點101、125支撐固定，中間連接四個與固支振梁軸線垂直的豎梁，其中豎梁108和109連接橫梁110，橫梁110—邊通過豎梁106連接檢測平行板電容的多個活動極板107，另一邊連接一組驅動梳齒活動極板104 ;豎梁118和119連接橫梁117，橫梁117 —邊通過豎梁121連接用于產生靜電剛度的平行板電容多個活動極板120，另一邊連接另一組驅動梳齒活動極板123。固支振梁通過錨點101和125連接到信號地，固定驅動梳齒錨點103和112通過金屬電極113連接，并接驅動信號KfKSinOfi);固定驅動梳齒錨點115和124通過金屬電極114短接，并接Kd-KeSin(W)。這樣，固支振梁在雙邊驅動梳齒驅動力作用下發(fā)生振動，而通過檢測平行板電容大小變化頻率可以測量固支振梁的振動頻率，并利用閉環(huán)反饋電路可以實現固支振梁的閉環(huán)諧振。檢測平行板電容由固支振梁102連接的極板107與支撐錨點601連接602極板組成。
[0016]圖3為本發(fā)明的靜電剛度式硅微諧振加速度傳感器芯片中的質量塊-彈簧結構示意圖。本發(fā)明的質量塊-彈簧結構如圖3所示。質量塊通過四個折疊梁302、307、309、314連接到錨點301、308，為了提高靈敏度，折疊梁可以采用多級。質量塊305上有均勻分布的通孔以釋放芯片結構中的殘余應力，質量塊兩邊有阻擋塊306和315，阻擋塊與鍵合錨點邊緣上的結構層間距小于產生靜電剛度的平行板電容初始間隙，限制質量塊的位移大小，避免平行板電容極板在較強振動沖擊下吸合。質量塊上兩邊對稱連接產生靜電剛度的一組平行板電容極板，并通過錨點301、308接直流偏壓Kb。在沒有加速度作用時，質量塊保持在初始位置，當有加速度作用時，質量塊發(fā)生位移，并改變兩個固支振梁的靜電剛度大小，從而改變固支振梁的諧振頻率。
[0017]本發(fā)明靜電剛度式硅微加速度傳感器與其它類似硅微加速度傳感器相比有以下顯著特點:固支振梁為雙邊驅動，驅動靜電力為單一頻率，可消除單邊驅動中高階驅動頻率信號的影響；質量塊位于兩個固支振梁之間，只需要一個質量塊即可改變兩個固支振梁的諧振頻率；在沒有加速度作用時，質量塊受到的平行板電容極板間靜電力大小相等，質量塊的位移為零，而對于單梁單質量塊的傳感器結構在沒有加速度作用時質量塊也有較大位移，所以本發(fā)明中質量塊在加速度作用下的有效位移可以更大一些，有助于提高傳感器靈敏度；檢測平行板電容與產生靜電剛度的平行板電容分離，這樣可以給檢測平行板電容和產生靜電剛度的平行板電容施加不同的偏置電壓，有助于合理優(yōu)化電路參數。
[0018] 圖4為本發(fā)明的靜電剛度式硅微諧振加速度傳感器芯片橫截面結構示意圖。本發(fā)明的靜電剛度式硅微諧振加速度傳感器采用硅-玻璃鍵合工藝，其橫截面積如圖4所示。圖4中的區(qū)域701為硅微結構，702為硅微結構的鍵合錨點使得可動結構部分懸空，703為與各錨點連接的金屬電極，704為玻璃襯底。硅微結構由硅片經深刻蝕加工形成，傳感器各部分通過錨點與錨點下制作在玻璃上的金屬電極供電，傳感器結構通過錨點與玻璃片鍵合在一起。傳感器芯片的具體加工工藝流程為:
1.在雙面拋光的硅片上光刻，采用ICP干法刻蝕腐蝕淺槽，形成鍵合錨點；
2.去膠后對硅片進行磷擴散，制作歐姆接觸；
3.在玻璃片上光刻金屬電極圖形，濺射淀積Au薄膜，去膠后在玻璃上形成金屬電極；
4.有錨點的硅片面與玻璃正面陽極鍵合；
5.濕法腐蝕減薄娃片至娃片厚度為50μ m ;
6.在硅片上光刻傳感器表芯結構圖形，ICP深槽干法腐蝕硅片至腐透結構層，形成固支振梁、質量塊、驅動梳齒電容固定極板、檢測平行板電容固定極板等結構；
另外，由于本發(fā)明中傳感器中采用了多組平行板電容，固支振梁和質量塊運動阻尼力較大，為了提高固支振梁品質因素，傳感器芯片需要采用真空封裝。
【權利要求】
1.一種靜電剛度式硅微諧振加速度傳感器芯片，其特征在于:所述傳感器芯片包括兩個固支振梁、驅動梳齒電容固定極板、檢測平行板電容固定極板、一個質量塊；所述質量塊位于所述兩個固支振梁之間；所述固支振梁上的一組平行極板與質量塊上的一組平行極板構成平行板電容用于給固支振梁引入靜電剛度，所述固支振梁上的另一組平行極板與檢測平行板電容固定極板構成檢測平行板電容；所述驅動梳齒電容固定極板沿固支振梁軸線對稱分布；所述檢測平行板電容固定極板與所述質量塊上平行極板沿所述傳感器芯片的中心線對稱分布。
2.根據權利要求1所述的靜電剛度式硅微諧振加速度傳感器芯片，其特征在于:所述固支振梁的軸線兩側對稱連接有多組驅動梳齒電容可動極板和兩組平行板電容極板，其中一組平行板電容極板為檢測平行板電容的可動極板，另一組平行板電容極板用于引入靜電剛度。
3.根據權利要求2所述的靜電剛度式硅微諧振加速度傳感器芯片，其特征在于:所述的驅動梳齒電容可動極板與驅動梳齒電容固定極板組成驅動梳齒電容，驅動梳齒電容沿固支振梁對稱分布，當固支振梁接地而兩邊的驅動梳齒電容固定極板分別施加帶直流偏置的反相交流驅動電壓，實現固支振梁的雙邊驅動。
4.根據權利要求1所述的靜電剛度式硅微諧振加速度傳感器芯片，其特征在于:所述的質量塊上設置有用于防止平行電容極板吸合的位移阻擋塊，所述位移阻擋塊與附近錨點邊緣在加速度敏感方向的間隙小于平行板電容極板初始間隙。
【文檔編號】G01P15/125GK103760382SQ201410017672
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月16日 優(yōu)先權日:2014年1月16日
【發(fā)明者】張鳳田, 何曉平, 施志貴 申請人:中國工程物理研究院電子工程研究所