專利名稱：四折疊梁變面積差分電容結(jié)構(gòu)微加速度傳感器及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域，具體涉及一種四折疊梁、變面積差分電容結(jié)構(gòu)的微 加速度傳感器及其制備方法。
背景技術(shù)：
基于MEMS技術(shù)的傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、響應(yīng)快、靈敏度高、成本低、易生產(chǎn) 等優(yōu)點(diǎn)，近年在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。電容式加速度傳感器具有靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍寬、 溫度效應(yīng)小、阻尼特性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和體積小等優(yōu)點(diǎn)，因此是目前研究和應(yīng)用最多的硅微加 速度傳感器。變間隙差分電容加速度傳感器的電容變化是非線性的，通常采用限制質(zhì)量塊的位 移的方法，以近似獲得線性關(guān)系，結(jié)果導(dǎo)致差分電容變化量很小，給后續(xù)處理電路帶來(lái)較大 的困難。一般需要采用在接口電路中加反饋信號(hào)，使傳感器在閉環(huán)模式下工作，以保證高線 性。本發(fā)明中采用了變面積的差分電容式結(jié)構(gòu)，從而避免了差分電容變化的非線性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種涉及四彈簧折疊梁、變面積差分電容結(jié)構(gòu)的微加速度傳 感器及其制備方法。變面積差分電容結(jié)構(gòu)加速度傳感器的原理如圖1所示。該結(jié)構(gòu)的敏感單元是彈 簧-質(zhì)量塊-彈簧二階振動(dòng)系統(tǒng)。在外部載荷作用下，作為上電極的可動(dòng)質(zhì)量塊會(huì)在圖1所 示的水平方向上左右移動(dòng)，上電極和下電極相對(duì)面積電容值C1隨電極板的移動(dòng)而變小，而 上電極和下電極相對(duì)面積電容值C2隨電極板的移動(dòng)而增大。這將引起電容值C1減小Δ C1， 而電容值C2增大AC2。這樣，該傳感器就將質(zhì)量塊的相對(duì)位移的微小變化轉(zhuǎn)換為電容的微 小變化，再通過(guò)外部檢測(cè)電路將電容的微小變化轉(zhuǎn)換為與其成正比的電壓的微小變化，通 過(guò)測(cè)量電壓的微小變化從而可以測(cè)量加速度a。本發(fā)明所述的微加速度傳感器的正面剖視圖如圖1所示，由作為上電極的可動(dòng)質(zhì) 量塊、成對(duì)的彈簧折疊梁、插指狀下電極和微加速度傳感器外框組成，在外部載荷的作用方 向上，可動(dòng)質(zhì)量塊的前端和后端通過(guò)彈簧折疊梁連接在加速度傳感器外框上，可動(dòng)質(zhì)量塊、 彈簧折疊梁、加速度傳感器外框?yàn)橐惑w結(jié)構(gòu)，且均為低阻硅材料，作為上電極的可動(dòng)質(zhì)量塊 的下表面與插指狀下電極間具有一定的空隙，從而組成平板差分電容，上電極通過(guò)加速度 傳感器外框與插指狀下電極鍵合在一起，插指狀下電極由在玻璃襯底上制作的金屬電極構(gòu) 成?？蓜?dòng)質(zhì)量塊和彈簧折疊梁結(jié)構(gòu)的俯視圖和正面剖視圖如圖2和圖3所示，為了提 高加速度傳感器的靈敏度，在可動(dòng)質(zhì)量塊與插指狀下電極相對(duì)的一側(cè)，即在可動(dòng)質(zhì)量塊的 下表面通過(guò)刻蝕制作溝槽結(jié)構(gòu)的上電極陣列；由于溝槽結(jié)構(gòu)凹陷處的上電極與插指狀下電 極間的距離較大，因此可以認(rèn)為只有溝槽凸起處的上電極與插指狀下電極之間形成電容。 插指狀下電極的形狀如圖4所示，由多個(gè)電極對(duì)構(gòu)成，每一個(gè)電極對(duì)由兩個(gè)電極組成，這兩個(gè)電極與對(duì)應(yīng)的上電極形成如圖1所示C1和C2差分電容結(jié)構(gòu)，每一個(gè)電極對(duì)中相應(yīng)位置的 電極連在一起，從而形成并聯(lián)電容結(jié)構(gòu)。本發(fā)明所述的器件的特點(diǎn)(1)采用變面積差分電容結(jié)構(gòu)，明顯地解決了變間隙結(jié)構(gòu)存在的非線性問(wèn)題，利于 后續(xù)檢測(cè)電路的制作。(2)采用四折疊梁結(jié)構(gòu)，使振動(dòng)模態(tài)更好的分離，提高了器件的抗干擾能力。(3)把相同結(jié)構(gòu)的多個(gè)電容并聯(lián)，可以增加傳感器的靈敏度。本發(fā)明所述的變面積差分電容結(jié)構(gòu)的微機(jī)械加速度傳感器采用鍵合、光刻、感應(yīng) 耦合等離子體(ICP)刻蝕、生長(zhǎng)金屬膜和金屬膜的剝離等工藝制作。本發(fā)明所述的變面積差分電容結(jié)構(gòu)的微機(jī)械加速度傳感器制備步驟如下A 插指狀下電極的制作選用厚度為150 300微米的PyreX7740#硼硅玻璃， 在硼硅玻璃的表面采用濺射的方法獲得30 SOnm的金層作為下電極，并采用剝離工藝來(lái) 獲得插指狀的下電極圖形，即先在玻璃上光刻出與插指狀下電極結(jié)構(gòu)互補(bǔ)的光刻膠圖形， 即光刻之后圖4中黑色部分沒(méi)有光刻膠，而白色部分有光刻膠，然后濺射金層，最后通過(guò)去 掉光刻膠來(lái)獲得圖4所示的插指狀下電極，插指狀下電極的寬度為50 100微米，間距為 20 40微米；B 選用150 300微米厚的低阻硅材料，并對(duì)其進(jìn)行刻蝕，形成具有外框結(jié)構(gòu)的凹 槽，凹槽的深度為3 15微米；C 對(duì)凹槽內(nèi)的低阻硅材料繼續(xù)進(jìn)行刻蝕，刻蝕出溝槽結(jié)構(gòu)，溝槽的深度為20 40 微米，溝槽的間距為50 200微米，溝槽的寬度為50 200微米，從而形成并聯(lián)的上電極 陣列；D 將一個(gè)上電極和與其對(duì)應(yīng)的一對(duì)插指狀下電極對(duì)準(zhǔn)后，將上電極通過(guò)加速度傳 感器外框和插指狀下電極鍵合在一起；E 在低阻硅材料的上表面繼續(xù)進(jìn)行刻蝕，進(jìn)而制作出彈簧折疊梁和質(zhì)量塊，從而 完成本發(fā)明所述的微加速度傳感器的制作。


圖1 本發(fā)明所述加速度傳感器正面剖視圖；圖2 本發(fā)明所述加速度傳感器彈簧折疊梁和質(zhì)量塊的俯視圖；圖3 本發(fā)明所述加速度傳感器質(zhì)量塊(上電極)的正面剖視圖；圖4 本發(fā)明所述加速度傳感器插指狀下電極俯視圖；圖5 本發(fā)明所述加速度傳感器檢測(cè)電路框圖；圖6 本發(fā)明所述加速度傳感器電荷放大器電路圖；圖7 本發(fā)明所述加速度傳感器加速度與電壓關(guān)系曲線圖。如圖1、圖2、圖3所示，各部件的名稱為質(zhì)量塊1，在質(zhì)量塊下表面上進(jìn)一步刻蝕 制作的溝槽狀上電極(陣列)6，彈簧折疊梁2、2'，微加速度傳感器外框5，玻璃襯底4，插 指狀下電極(陣列)3、3'，每一個(gè)上電極6都與對(duì)應(yīng)的一對(duì)插指狀下電極3、3'形成變差 分電容Ci、C2。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 本發(fā)明所述的微加速度傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1，在可動(dòng)質(zhì)量塊的下表面制作20 個(gè)上電極陣列，與其對(duì)應(yīng)的插指狀下電極采用20對(duì)電極結(jié)構(gòu)，從而形成20個(gè)同樣的電容并聯(lián)。表1 質(zhì)量塊和折疊梁的參數(shù) 當(dāng)器件的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)完成后，可以采用下面的方法制作器件。A 下電極的制作1)選用厚度為200微米的Pyrex7740#硼硅玻璃；2)通過(guò)光刻工藝，在玻璃上形成與需要制作的下電極結(jié)構(gòu)互補(bǔ)的光刻膠圖形，然 后在光刻膠上濺射50nm的金層作為下電極材料；3)采用剝離工藝，將光刻膠及其上面的金層去掉，在玻璃上留下的金層即形成插 指狀下電極，每個(gè)下電極的寬度為70微米，每?jī)蓚€(gè)下電極間的距離為30微米；B 選取低阻硅材料作為彈簧拆疊梁、加速度傳感器外框和可動(dòng)質(zhì)量塊的材料，參 數(shù)如表2，對(duì)低阻硅材料進(jìn)行刻蝕，形成加速度傳感器外框的同時(shí)在低阻硅材料內(nèi)刻蝕出一 方形的凹槽結(jié)構(gòu)，深度為10微米；
表2 低阻硅材料的參數(shù) C:在凹槽結(jié)構(gòu)內(nèi)繼續(xù)對(duì)低阻硅材料進(jìn)行刻蝕，從而在低阻硅材料的下表面刻蝕出 多個(gè)溝槽結(jié)構(gòu)作為平行板差分電容的上電極，每個(gè)上電極的寬度為100微米，每?jī)蓚€(gè)上電 極的間距為100微米，溝槽深度為30微米，即形成如圖3所示的結(jié)構(gòu)；D 采用鍵合工藝，將上電極通過(guò)外框與下電極鍵合在一起，鍵合時(shí)要將上、下電極 對(duì)準(zhǔn)；E 在低阻硅材料的上表面一側(cè)，通過(guò)ICP繼續(xù)刻蝕低阻硅，從而制作出彈簧折疊 梁結(jié)構(gòu)和質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，再引線、封裝，從而完成加速度傳感器的制作。實(shí)施例2 檢測(cè)電路總體方案如圖5所示，載波發(fā)生器為整個(gè)電路提供穩(wěn)幅的正弦波，加速 度傳感器的差分電容(C1W2)接在電荷放大器的輸入端，電荷放大電路(如圖6所示)將微 小差分電容變化轉(zhuǎn)換為電壓變化，由于差分電容變化非常小，因此電壓變化也很微弱。為了 后續(xù)電路檢測(cè)方便，通過(guò)直流放大器將信號(hào)進(jìn)行放大，但此時(shí)的信號(hào)仍然帶有高頻噪聲和 其他一些干擾，經(jīng)過(guò)高Q的帶通濾波器將干擾濾除使波形變好。此時(shí)的信號(hào)和經(jīng)移相電路 后的信號(hào)作為相敏解調(diào)電路的輸入，當(dāng)兩信號(hào)同頻反相或同相時(shí)，其輸出信號(hào)經(jīng)低通濾波 器后變?yōu)橹绷餍盘?hào)，放大后輸出，就到可以通過(guò)電壓變化計(jì)算來(lái)獲得加速度值。加速度與電壓的變化關(guān)系測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示，當(dāng)把加速度反向放置，即可得到 電壓的相反變化，把數(shù)據(jù)繪制成圖7所示的曲線，在實(shí)際測(cè)量時(shí)，即可以根據(jù)此曲線，由測(cè) 得的電壓值得到對(duì)應(yīng)的微加速度的值。本發(fā)明所制作的加速度傳感器的量程為士 12g(g = 9. 8m/s2)，靈敏度為86mV/g，精度高于士 5 %。表3 加速度傳感器的測(cè)試數(shù)據(jù) 實(shí)施例3 電荷放大電路設(shè)計(jì)如圖6所示，C1, C2是加速度傳感器兩個(gè)差分電容，C3是運(yùn)放 的反饋電容，C4的作用是去除噪聲干擾，R1和反饋電容C3并聯(lián)。選定好了相關(guān)的電路元件參數(shù)后，對(duì)電路進(jìn)行分析列方程得 考慮到電路中R2遠(yuǎn)小于R1,同時(shí)令s = j ω，計(jì)算得V。與Vi間關(guān)系式V0 = (C2-C1) ω R1Vi (2)正弦載波信號(hào)作為波電荷放大電路的激勵(lì)，兩路信號(hào)是反相的，電壓值為 士Vsinco t，負(fù)值的信號(hào)通過(guò)反相電路得到。在理想狀態(tài)下，未施加加速度時(shí)，電路中微加速度傳感器的兩個(gè)等效電容C1和C2 的值相等(=C)，而施加加速度后，電容發(fā)生變化，變化后電容值分別為C1 = C-AC, C2 = C+Δ C，則由式(2)可得輸出電壓V。= 2 Δ CV ω R1Sin cot。
權(quán)利要求
四折疊梁變面積差分電容結(jié)構(gòu)微加速度傳感器，其特征在于由可動(dòng)質(zhì)量塊(1)、成對(duì)的彈簧折疊梁(2、2′)、插指狀下電極(3、3′)和微加速度傳感器外框(5)組成；在外部載荷的作用方向上，可動(dòng)質(zhì)量塊(1)的前端和后端通過(guò)彈簧折疊梁(2、2′)連接在加速度傳感器外框(5)上，可動(dòng)質(zhì)量塊(1)、彈簧折疊梁(2、2′)、加速度傳感器外框(5)為一體結(jié)構(gòu)；在可動(dòng)質(zhì)量塊(1)的下表面制作有上電極(6)，上電極(6)與插指狀下電極(3、3′)間具有一定的空隙，從而組成平板差分電容，上電極(6)通過(guò)加速度傳感器外框(5)與插指狀下電極(3、3′)鍵合在一起。
2.如權(quán)利要求1所述的四折疊梁變面積差分電容結(jié)構(gòu)微加速度傳感器，其特征在于 上電極(6)為溝槽結(jié)構(gòu)的上電極陣列。
3.如權(quán)利要求2所述的四折疊梁變面積差分電容結(jié)構(gòu)微加速度傳感器，其特征在于 插指狀下電極(3，3')的寬度為50 100微米，間距為20 40微米。
4.如權(quán)利要求2或3所述的四折疊梁變面積差分電容結(jié)構(gòu)微加速度傳感器，其特征在 于溝槽結(jié)構(gòu)的深度為20 40微米，間距為50 200微米，寬度為50 200微米。
5.權(quán)利要求4所述的變面積差分電容結(jié)構(gòu)的微機(jī)械加速度傳感器的制備方法，其步驟 如下A 插指狀下電極的制作選用厚度為150 300微米的硼硅玻璃，在硼硅玻璃的表面 采用濺射的方法獲得30 SOnm的金層作為下電極，并采用剝離工藝來(lái)獲得插指狀下電 極(3，3')，即先在玻璃上光刻出與插指狀下電極結(jié)構(gòu)互補(bǔ)的光刻膠圖形，然后濺射金層， 最后通過(guò)去掉光刻膠來(lái)獲得插指狀下電極，插指狀下電極的寬度為50 100微米，間距為 20 40微米；B:選用150 300微米厚的低阻硅材料，在其下表面對(duì)其進(jìn)行刻蝕，形成具有外框(5) 結(jié)構(gòu)的凹槽，凹槽的深度為3 15微米；C 對(duì)凹槽內(nèi)的低阻硅材料繼續(xù)進(jìn)行刻蝕，刻蝕出溝槽結(jié)構(gòu)，溝槽的深度為20 40微 米，溝槽的間距為50 200微米，溝槽的寬度為50 200微米，從而形成并聯(lián)的上電極陣 列(6)；D 將一個(gè)上電極(6)和與其對(duì)應(yīng)的一對(duì)插指狀下電極(3，3')對(duì)準(zhǔn)，然后將器件鍵合 在一起；E 在低阻硅材料的上表面繼續(xù)進(jìn)行刻蝕，進(jìn)而制作出彈簧折疊梁(2、2')和可動(dòng)質(zhì)量 塊(1)，從而得到變面積差分電容結(jié)構(gòu)的微機(jī)械加速度傳感器。
全文摘要
本發(fā)明屬于微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域，涉及一種四折疊梁變面積差分電容結(jié)構(gòu)微加速度傳感器及其制備方法。由可動(dòng)質(zhì)量塊、成對(duì)的彈簧折疊梁、插指狀下電極和微加速度傳感器外框組成；在外部載荷的作用方向上，可動(dòng)質(zhì)量塊的前端和后端通過(guò)彈簧折疊梁連接在加速度傳感器外框上，可動(dòng)質(zhì)量塊、彈簧折疊梁、加速度傳感器外框?yàn)橐惑w結(jié)構(gòu)；在可動(dòng)質(zhì)量塊的下表面制作有上電極，上電極與插指狀下電極間具有一定的空隙，從而組成平板差分電容，上電極通過(guò)加速度傳感器外框與插指狀下電極鍵合在一起。本發(fā)明所述的傳感器結(jié)構(gòu)，明顯地解決了變間隙結(jié)構(gòu)存在的非線性問(wèn)題，利于后續(xù)檢測(cè)電路的制作，同時(shí)使振動(dòng)模態(tài)更好的分離，提高了器件的抗干擾能力并增加傳感器的靈敏度。
文檔編號(hào)B81B3/00GK101881785SQ20101020511
公開(kāi)日2010年11月10日 申請(qǐng)日期2010年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月22日
發(fā)明者劉彩霞, 周敬然, 張歆東, 沈亮, 董瑋, 郭文濱, 阮圣平, 陳維友 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)