專利名稱：一種差動電容式微機械加速度計的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于微機電系統(tǒng)(MEMS)中的慣性傳感器領域，特別涉及一種差動電容式微 機械加速度計，可廣泛用于汽車電子、航空航天、武器裝備的運動狀態(tài)測量與控制。
背景技術：
對物體運動狀態(tài)的測量和控制在民用產(chǎn)品和國防產(chǎn)品領域有著廣泛的應用。加速度計 主要用于測量運動物體相對慣性空間的運動參數(shù)，傳統(tǒng)的加速度計受體積、重量和成本等 因素的限制，難以在民用領域推廣應用。以集成電路(IC)工藝和精密機械加工工藝為基 礎制作的微機械加速度計具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高等突出優(yōu)點，其體積和 價格比常規(guī)加速度計小三、四個數(shù)量級乃至更多，因而可用于汽車運動狀態(tài)控制系統(tǒng)、攝 像機穩(wěn)定系統(tǒng)、運動機械控制、機器人測控、大地測量、醫(yī)用儀器等廣泛的民用應用領域。
1993年，美國AD公司成功地將微機械加速度計商品化，并大批應用于汽車安全氣囊， 現(xiàn)在已有1億5千萬只AD公司的iMEMS加速度計安裝在安全至關重要的汽車安全氣囊 系統(tǒng)中。目前，中國研制的微機械加速度計主要采用體加工工藝，利用加工出的梳齒結構 (中國發(fā)明專利CN1139815C)或柵型結構(中國發(fā)明專利CN1844935A)來形成一組 梳狀差動電容。圖1所示為梳齒結構的微機械加速度計敏感結構，包括由體加工形成的齒 樞l(wèi)l、多組動齒12和折疊梁13組成的敏感質量元件，固定齒14，立柱15。動齒12由齒 樞紐向兩側伸出，形成雙側梳齒式結構，該齒樞兩端的折疊梁13通過立柱固定于基片上， 使齒樞、多組動齒相對基片懸空平行設置；固定齒14為直接固定在基片上的多組單側梳 齒結構。敏感質量元件的每個動齒為可變電容的一個活動電極，與固定齒的每個梳齒交錯 配置，總體形成差動電容。為了在質量塊兩側形成多組動齒，質量塊被去除掉很多材料， 使微機械加速度計的敏感質量大幅度減小。
在梳齒結構或柵型結構中，為了形成一組梳狀差動電容，要將質量塊上的很多部分刻 蝕掉，導致在有限體積下的敏感質量大幅度減小，加速度轉化為慣性力的效率低，降低了 微機械加速度計的分辨率和靈敏度，不易實現(xiàn)高精度的加速度測量。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為了克服已有技術敏感質量過小的不足之處，提供了一種結構簡單、 質量塊大、采用平面工藝形成梳狀電極的高靈敏度差動電容式微機械加速度計，以解決現(xiàn) 有微機械加速度計靈敏度和分辨率不夠高的問題。
本發(fā)明提出的一種差動電容式微機械加速度計，包括一個由硅片、絕緣層和可動電極 組成的敏感質量元件、固定電極、基片、折疊梁；其中，敏感質量元件的主體為硅片，可 動電極以柵狀等間距分布在硅片上，絕緣層將各個可動電極在空間上隔離開；折疊梁構造 在敏感質量元件兩端，構成彈性支撐，并通過立柱固定于基片上，使整個可動電極平面相 對基片平面懸空平行；該固定電極等間距布置在基片上，固定電極與可動電極交錯配置， 形成一組差動電容。
所述硅片可采用整體式長方體構成質量塊；
所述基片采用玻璃襯底作材料。
所述可動電極可由集成電路加工工藝形成在敏感質量塊表面上。
此外，在敏感質量元件的兩端還可設置有雙向防沖擊止檔，可有效地實現(xiàn)過載保護， 防止在較強的縱向或橫向沖擊下造成折疊梁結構斷裂。
在基片上(最好在中央位置)可設置有一個防吸合止檔，在施加測量電壓或高頻干擾 作用下，當敏感質量元件和基片之間產(chǎn)生很強的靜電吸合力時，可以防止固定電極和可動 電極吸合而造成的短路，并防止敏感質量元件結構的損壞。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)勢
(1) 由于采用整體矩形質量塊，在相同結構體積下可以實現(xiàn)最大敏感質量，提高微 機械加速度計的靈敏度和分辨率；
(2) 加工工藝簡單，易批量生產(chǎn)。使用傳統(tǒng)的集成電路平面加工工藝在硅片表面(質 量塊)實現(xiàn)梳狀電極，無需使用體硅加工工藝將硅片加工成三維梳齒或三維柵型立體結構， 降低微機械加速度計的加工成本，提高加工效率。
(3) 進一步，設置凸狀雙向止檔。有效防止縱向、橫向沖擊或過載；設置防吸合止 檔。有效防止了電極短路造成的微機械加速度計損壞。


圖1是常規(guī)的梳齒式微機械加速度計平面結構示意圖； 圖2是本發(fā)明的橫截面結構示意圖； 圖3是本發(fā)明的俯視結構示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明提出的一種差動電容式微機械加速度計結合附圖及實施例詳細說明如下:
本發(fā)明的結構如圖2、圖3所示，包括基片l、固定電極2、質量塊3、可動電極4、 可動電極引線5、絕緣層6、折疊梁7、立柱8、防吸合止檔9、防沖擊止檔IO。質量塊3 由硅片做主體采用整體式長方體構成，在硅片上等距布置可動電極4，可動電極3之間用 絕緣層6隔離，質量塊3兩端各有折疊梁7，構成彈性支撐，折疊梁通過立柱8與基片1 連接，使可動電極4平面與基片1平行，基片1采用玻璃襯底作材料，在每個可動電極4 下方的基片1上布置一組固定電極2，它包括兩個電極，分列在每個可動電極4中軸兩邊， 與可動電極4重疊面積相等，所有的可動電極4和固定電極2總體構成差動電容。在基片 1中間設置防吸合止檔9，防吸合止檔9由絕緣材料制成，在實施例中可動電極4與固定 電極2間距離為4pm，防吸合止檔9高出固定電極平面lpm，可以防止可動電極4和固定 電極2可能發(fā)生的吸合。防沖擊止檔10可以實現(xiàn)縱向和橫向過載保護，防止較強的沖擊 導致折疊梁結構斷裂。
上述可動電極可由集成電路加工工藝形成在敏感質量硅片表面上。
本發(fā)明的工作原理當差動電容式微機械加速度計感受到敏感軸向的加速度變化時， 通過敏感質量塊將加速度轉化為慣性力，慣性力使質量塊發(fā)生位移，可動電極隨著質量塊 也發(fā)生位移，可動電極與固定電極相對面積隨即發(fā)生變化，使輸出差動電容量改變，通過 檢測差動電容量的變化可實現(xiàn)加速度的檢測。
綜上所述，本發(fā)明在設計上對電容式微機械加速度計進行了創(chuàng)新，它可實現(xiàn)比常規(guī)的 梳齒式微機械加速度計高的靈敏度和分辨率，不僅提升了微機械加速度計的靈敏度和分辨 率，而且可在高沖擊、高過載條件下使用，并具有非常好的工藝性和可靠性。
權利要求
1、一種差動電容式微機械加速度計，其特征在于包括一個由硅片、絕緣層和可動電極構成的敏感質量元件、固定電極、基片、折疊梁、立柱；其中敏感質量元件的主體為硅片，可動電極以柵狀等間距分布在硅片下表面上，絕緣層將各個可動電極在空間上隔離開；折疊梁構造在敏感質量元件兩端，并通過立柱固定于基片上，使整個可動電極平面相對基片懸空平行；該固定電極等間距布置在基片上，固定電極與可動電極交錯配置，形成一組差動電容。
2、 如權利要求1所述的差動電容式微機械加速度計，其特征在于，所述硅片采用整 體式長方體構成敏感質量塊。
3、 如權利要求2所述的差動電容式微機械加速度計，其特征在于，可動電極由集成電路加工工藝形成在敏感質量塊表面上。
4、 如權利要求1所述的差動電容式微機械加速度計，其特征在于，在敏感質量元件 兩端設置有雙向凸形防沖擊止檔。
5、 如權利要求1所述的差動電容式微機械加速度計，其特征在于，在基片上設置有 防電極吸合止檔。
6、 如權利要求1所述的差動電容式微機械加速度計，其特征在于，所述基片采用玻 璃襯底作材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種差動電容式微機械加速度計，屬于微機電系統(tǒng)(MEMS)中的慣性傳感器領域，本速度計包括由硅片、絕緣層和可動電極組成的敏感質量元件、固定電極、基片、折疊梁；可動電極以柵狀等間距分布在硅片上，絕緣層將各個可動電極在空間上隔離開；折疊梁構造在敏感質量元件兩端，并通過立柱固定于基片上，使整個可動電極平面相對基片平面懸空平行；該固定電極等間距布置在基片上，固定電極與可動電極交錯配置，形成一組差動電容。本發(fā)明增大了質量塊的敏感質量，從而大幅度提高靈敏度和分辨率。本發(fā)明結構簡單，并使用集成電路平面制造工藝加工可動電極和固定電極，成本低廉、加工工藝簡單，可重復性強、成品率高、易于批量生產(chǎn)。
文檔編號G01P15/125GK101187674SQ20071017959
公開日2008年5月28日 申請日期2007年12月14日 優(yōu)先權日2007年12月14日
發(fā)明者煒 丁, 嶸 張, 畢國楦, 胡向陽, 董景新, 宏 高 申請人:紫光通訊科技有限公司