梳齿电容式Z轴加速度计及其制备方法.pdf

本发明涉及一种梳齿电容式Z轴加速度计及其制备方法，所述梳齿电容式Z轴加速度计包括玻璃衬底，可动电极，固定电极，支撑梁和锚点，所述两固定电极的一端分别连接在所述玻璃衬底上，所述可动电极不等高梳齿插设在两侧的所述固定电极之间，形成两组敏感电容，所述可动电极的两端分别连接一所述支撑梁，所述两支撑梁分别通过一所述锚点连接在所述玻璃衬底上，所述可动电极以所述支撑梁为轴，其两侧具有质量差。本发明的制备方法可以采用常规MEMS工艺设备，实现大批量制造，且工艺过程简单，与水平轴加速度计工艺兼容，可用于实现单芯片的三轴加速度计。

1、  一种梳齿电容式Z轴加速度计，其特征在于：它包括玻璃衬底，可动电极，固定电极，支撑梁和锚点，所述两固定电极的一端分别连接在所述玻璃衬底上，所述可动电极不等高梳齿插设在两侧的所述固定电极之间，形成两组敏感电容，所述可动电极的两端分别连接一所述支撑梁，所述两支撑梁分别通过一所述锚点连接在所述玻璃衬底上，所述可动电极以所述支撑梁为轴，其两侧具有质量差。

2、  如权利要求1所述的梳齿电容式Z轴加速度计，其特征在于：所述两组敏感电容中，不等高梳齿插设在所述两固定电极之间的所述可动电极，其顶部与所述两固定电极平齐，其底部与所述两固定电极底部具有高度差。

3、  如权利要求1所述的梳齿电容式Z轴加速度计，其特征在于：所述两组敏感电容中，不等高梳齿插设在所述两固定电极之间的可动电极，其顶部和底部均与所述固定电极的顶部和底部具有高度差。

4、  一种梳齿电容式加速度计的制备方法，其包括以下步骤：
(1)采用双抛N型硅片；
(2)在硅片上形成光刻胶掩模和氧化硅组成的复合掩模，以光刻胶为掩模刻蚀深槽，深槽深度定出固定电极和可动电极的下端高度差；
(3)去除光刻胶掩模，以氧化硅为掩模刻蚀浅槽，浅槽深度定出可动电极与衬底之间的间隙；
(4)去除氧化硅，硅片表面采用离子注入或扩散工艺掺杂，以形成欧姆接触；
(5)在玻璃衬底上制作金属电极，作为加速度计的引线电极；
(6)阳极键合，实现玻璃衬底和硅片的对准和粘合，并将硅片减薄到适当厚度；
(7)掩模刻蚀释放结构，完成高梳齿电容加速度计制备。

5、  如权利要求4所述的梳齿电容式加速度计的制备方法，其特征在于：所述掩膜刻蚀释放结构为以铝掩模为掩模刻蚀释放结构，完成单端不等高梳齿电容加速度计制备。

6、  如权利要求4所述的梳齿电容式加速度计的制备方法，其特征在于：所述掩膜刻蚀释放结构包括以下步骤：
(1)在硅片表面形成光刻胶掩模和铝掩模构成的复合掩模，以光刻胶为掩模刻蚀深槽；
(2)去除光刻胶掩模，以铝掩模为掩模刻蚀硅片，完成双端不等高梳齿电容加速度计制备。

梳齿电容式Z轴加速度计及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高灵敏度梳齿电容式Z轴加速度计及其制备方法。
背景技术
采用微电子机械系统(MEMS)技术实现的微型电容式加速度计具有体积小、重量轻、精度高和成本低等优点，在军事、汽车工业、消费类电子产品等领域有广泛的应用前景。电容式加速度计的基本工作原理是待测加速度产生的惯性力引起敏感电容的极板间隙(变间隙型)或极板交叠面积(变面积型)变化，使电容变化与加速度大小成比例关系，通过信号处理电路获取敏感电容的变化即可获得加速度的大小。在两种不同的电容敏感方式中，变面积型敏感电容具有更高的线性度，且不易受敏感电容检测时所施加的电压信号影响，因此利于实现高灵敏度的加速度计设计。对于测量z轴(垂直于工作平面)加速度信号的加速度计，由于受MEMS加工工艺特点的限制，多采用变间隙型敏感电容。美国密歇根大学的Selvakumar，A.等人首次提出了采用变面积型梳齿电容实现Z轴加速度检测的设计方法，但他们的设计无法区分加速度的方向，且加速度计结构所采用的高掺杂硅材料具有较大的内应力，影响器件的性能。美国卡耐基梅隆大学的Huikai，Xie等人提出了另外一种采用集成MEMS工艺实现的变面积型Z轴加速度计，这种加速度计虽然可以实现差分检测，但由于电容的交叠面积取决于工艺中采用的金属连线的层数和厚度，因而无法获得较大的敏感电容，工艺中存在的应力也限制了检测的精度。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种可实现差分检测，变面积型的梳齿电容式Z轴加速度计及其制作方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种梳齿电容式Z轴加速度计，其特征在于：它包括玻璃衬底，可动电极，固定电极，支撑梁和锚点，所述两固定电极的一端分别连接在所述玻璃衬底上，所述可动电极不等高梳齿插设在两侧的所述固定电极之间，形成两组敏感电容，所述可动电极的两端分别连接一所述支撑梁，所述两支撑梁分别通过一所述锚点连接在所述玻璃衬底上，所述可动电极以所述支撑梁为轴，其两侧具有质量差。
所述两组敏感电容中，不等高梳齿插设在所述两固定电极之间的所述可动电极，其顶部与所述两固定电极平齐，其底部与所述两固定电极底部具有高度差。
所述两组敏感电容中，不等高梳齿插设在所述两固定电极之间的可动电极，其顶部和底部均与所述固定电极的顶部和底部具有高度差。
一种梳齿电容式加速度计的制备方法，其包括以下步骤：
(1)采用双抛N型硅片；
(2)在硅片上形成光刻胶掩模和氧化硅组成的复合掩模，以光刻胶为掩模刻蚀深槽，深槽深度定出固定电极和可动电极的下端高度差；
(3)去除光刻胶掩模，以氧化硅为掩模刻蚀浅槽，浅槽深度定出可动电极与衬底之间的间隙；
(4)去除氧化硅，硅片表面采用离子注入或扩散工艺掺杂，以形成欧姆接触；
(5)在玻璃衬底上制作金属电极，作为加速度计的引线电极；
(6)阳极键合，实现玻璃衬底和硅片的对准和粘合，并将硅片减薄到适当厚度；
(7)掩模刻蚀释放结构，完成高梳齿电容加速度计制备。
所述掩膜刻蚀释放结构为以铝掩模为掩模刻蚀释放结构，完成单端不等高梳齿电容加速度计制备。
所述掩膜刻蚀释放结构包括以下步骤：
(1)在硅片表面形成光刻胶掩模和铝掩模构成的复合掩模，以光刻胶为掩模刻蚀深槽；
(2)去除光刻胶掩模，以铝掩模为掩模刻蚀硅片，完成双端不等高梳齿电容加速度计制备。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明在梳齿电容中采用可动电极与固定电极单端或双端不等高结构的设计，不但可以实现电容差分检测，而且可以提高检测线性度和灵敏度。2、本发明使用变面积型梳齿电容，空气阻尼小，可以在大气下工作。3、本发明在加速度计中采用单晶硅材料制作，可以大大减小结构的内应力，提高测量精度。4、本发明在硅片平面内实现Z方向加速度检测，避免了与其它方向加速度计的正交组装。5、本发明的制备方法可以采用常规MEMS工艺设备，实现大批量制造，且工艺过程简单，与水平轴加速度计工艺兼容，可用于实现单芯片的三轴加速度计。
图1是本发明立体结构示意图
图2是本发明平面结构示意图
图3a～图3b是本发明单端不等高扭转梳齿电容工作原理示意图
图4a～图4b是本发明双端不等高扭转梳齿电容工作原理示意图
图5a～图5f是本发明采用单端不等高梳齿的加速度计主要制备过程示意图
图6a～图6b是本发明采用双端不等高梳齿的加速度计关键制备过程示意图
如图1、图2所示，本发明梳齿电容式Z轴加速度计包括固定电极1、2，可动电极3，支撑梁4、锚点5和玻璃衬底9。两固定电极1、2的一端分别连接在玻璃衬底9上，可动电极3不等高梳齿插设在两侧的固定电极1、2之间，形成两组敏感电容，可动电极3的两端分别连接一支撑梁4，两支撑梁4分别通过一锚点5连接在玻璃衬底9上，可动电极3的质量以支撑梁4为轴，其两侧不对称分布，故Z方向加速度可产生扭转力矩，使可动电极3产生与加速度数值成正比的扭转。该惯性质量可通过一侧设置有空腔或配重实现。可动电极3与固定电极1、2组成的两组敏感电容，通过改变可动电极3与固定电极1、2的高度变化实现单端或双端不等高梳齿。
如图3a、图3b所示，是单端不等高梳齿电容结构原理图，可动电极3和固定电极1、2采用下端不等高结构，即可动电极3的顶部与固定电极1、2的顶部平齐，可动电极3的底部低于固定电极1、2的底部。在初始位置时(如图3a所示)，两个电容的电极交叠面积相同，数值相等。当可动电极3做逆时针小角度扭转时(如图3b所示)，固定电极1与可动电极3的交叠面积减小且变化量与扭转角度成正比，即敏感电容减小；固定电极2与可动电极3的交叠面积不变，即敏感电容保持不变。当可动电极3做顺时针小角度扭转时，敏感电容的变化与逆时针扭转时的情况相反，两个敏感电容的差分数值与扭转角度成正比关系。
如图4a、图4b所示，是双端不等高梳齿电容结构原理图，其中固定电极1、2和可动电极3采用双边不等高结构，即可动电极3的顶端和底端均与两固定电极1、2的顶端和底端具有高度差，故在同等扭转角度下，敏感电容的差分结果是上述单端结构的两倍。
本发明梳齿电容式Z轴加速度计的制备方法包括以下步骤：
1、起始材料采用双抛N型(100)硅片6，厚度为400±10微米；
2、如图4a所示，在硅片6上形成光刻胶掩模8和氧化硅7组成的复合掩模，以光刻胶为掩模8刻蚀深槽，深槽深度定出固定电极1、2和可动电极3地下端高度差；
3、如图4b所示，去除光刻胶掩模8，以氧化硅7为掩模刻蚀浅槽，浅槽深度定出可动电极3与玻璃衬底9之间的间隙；
4、如图4c所示，去除氧化硅7，硅片6表面采用离子注入或扩散工艺掺杂，以形成欧姆接触；
5、如图4d所示，在玻璃衬底9上制作金属电极10，作为加速度计的引线电极；
6、如图4e所示，将玻璃衬底9和硅片6的对准和粘合，实现阳极键合，并将硅片6减薄到适当厚度；
7、如图4f所示，以铝掩模11为掩模刻蚀释放结构，完成单端不等高梳齿电容加速度计制备(如图1所示)。
本发明还可以包括以下步骤：
1、初始工艺与上述单端不等高梳齿加速度计工艺一致，即实例2中工艺步骤1～6；
2、如图5a所示，在硅片6表面形成光刻胶掩模8和铝掩模11构成的复合掩模，以光刻胶为掩模刻蚀深槽；
3、如图5b所示，去除光刻胶掩模8，以铝掩模11为掩模刻蚀硅片6，完成双端不等高梳齿电容加速度计制备。