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1、(10)申请公布号 CN 102384984 A (43)申请公布日 2012.03.21 CN 102384984 A *CN102384984A* (21)申请号 201010272938.0 (22)申请日 2010.09.02 G01P 15/18(2006.01) B81B 3/00(2006.01) B81C 1/00(2006.01) (71)申请人 孙博华 地址 515340 广东省广州市增城新塘镇广园 东碧桂园凤凰城凤盈苑十一街1座702 房 (72)发明人 孙博华 王琳 (74)专利代理机构 广州知友专利商标代理有限 公司 44104 代理人 周克佑 (54) 发明名称 电。
2、容式单质量块全梳齿电极三轴加速度传感 器及制作方法 (57) 摘要 本发明公开了一种电容式单质量块全梳齿电 极三轴加速度传感器及其制作方法， 该加速度传 感器采用单质量块设计， x， y， z 轴均使用在 xy 平 面上的梳齿结构作为感应加速度电极。 感应机构， 由重度参杂单晶硅通过深反应离子蚀刻制成， 其 包括质量块， 弹簧机构和梳齿结构。弹簧机构由 U 型弹簧， 和梁结构， 组成， 共四组对称分布。两组 x 轴梳齿结构， 沿 x 轴在 xy 平面内以质量块为中心 对称分布， 两组y轴梳齿结构， 沿y轴在xy平面内 以质量块为中心对称分布， 四组 z 向梳齿结构， 沿 45和135线在xy平。
3、面内以质量块为中心称分 布。 三轴加速度测量信号输出互不干扰， 实现用单 一质量块和全梳齿结构电极来测量三轴加速度。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 7 页 附图 9 页 CN 102385003 A1/2 页 2 1. 一种电容式单质量块全梳齿电极三轴加速度传感器， 其特征是 ： 它包括基底 (1)、 感 应机构 (4) 和信号输出机构 (18)， 所述基底 (1) 上竖向固定设置有外围支撑 (8) 和多个固 定支撑 (36)， 其中外围支撑 (8) 位于基底 (1) 之上的外边缘处 ； 所述的感应机构 (4) 。
4、包括质量块 (5)、 梳齿结构和弹簧机构 (6)， 所述质量块 (5)、 梳齿 结构和弹簧机构(6)至基底中心向外围分布， 质量块(5)和梳齿结构位于同一平面内， 所述 质量块(5)为单质量块， 质量块(5)悬浮在所述基底中心的上方， 其四周分别与梳齿结构相 连， 所述的梳齿结构为由 x 轴梳齿结构 (31)、 y 轴梳齿结构 (32) 和 z 轴梳齿结构 (33) 构成 的三轴全梳齿结构电极， 其中， 所述的 x 轴梳齿结构 (31) 有两组， 沿 x 轴在 xy 平面内以质 量块 (5) 为中心对称分布， 用于测量 x 轴加速度， 所述 y 轴梳齿结构 (32) 有两组， 沿 y 轴在 x。
5、y 平面内以质量块 (5) 为中心对称分布， 用于测量 y 轴加速度， 所述 z 轴梳齿结构 (33) 有 四组， 沿与 x 轴或者 y 轴呈 45线和 135线夹角的位置在 xy 平面内以质量块 (5) 为中心 对称分布， 用于测量 z 轴加速度， 各轴梳齿结构均包括固定梳齿和活动梳齿， 各轴梳齿结构 的固定梳齿通过固定支撑 (36) 支撑于所述基底 (1) 上， x 轴和 y 轴梳齿结构的活动梳齿一 端连接于质量块 (5)， 另一端于与所述的弹簧机构 (6) 的一端相连， z 轴疏齿结构的活动疏 齿一端连接于质量块 (5)， 另一端呈悬臂状， 质量块 (5) 通过活动梳齿和弹簧机构 (6)。
6、 可以 实现在 x、 y、 z 轴上的运动， 弹簧机构 (6) 的另一端与外围支撑 (8) 相连， 通过外围支撑 (8) 支撑在所述基底 (1) 上， 所述各轴梳齿结构的固定梳齿和活动梳齿分别与电源电连接且导 电后构成梳齿电容的两极 ； 所述的信号输出机构 (18) 包括固定在所述的固定支撑 (36) 和外围支撑 (8) 上用于与 外部信号电路相连的多个金属连接点 (20)， 该多个金属连接点 (20) 分别与所述各轴梳齿 结构的固定梳齿电连接。 2. 根据权利要求 1 所述的电容式单质量块全梳齿电极三轴加速度传感器， 其特征是 ： 所述的弹簧机构 (6) 共四组， 沿 x 轴和 y 轴对称分。
7、布于所述质量块 (5) 四周， 每一组弹簧机 构 (6) 包括至少两根位于中部起到梁支撑作用的梁结构 (22) 以及对称分布于梁结构 (22) 两边的 U 型弹簧 (21)， U 型弹簧 (21) 开口端朝向梁结构 (22) 且两端口分开连接在相邻的 两根梁结构(22)上， 梁结构(22)的一端分别与相应的各轴梳齿结构的活动梳齿相连， 另一 端与所述的外围支撑 (8) 相连。 3. 根据权利要求 2 所述的电容式单质量块全梳齿电极三轴加速度传感器， 其特征是 ： 所述弹簧机构 (6) 的梁结构 (22) 为工字梁或矩形梁。 4. 根据权利要求 1 所述的电容式单质量块全梳齿电极三轴加速度传感器。
8、， 其特征是 ： 所述各轴梳齿结构的梳齿均为竖向板状， 其中固定梳齿和活动梳齿呈相互交错状交替分 布， 并且相邻的梳齿间间隔一定间距。 5. 根据权利要求 1 所述的电容式单质量块全梳齿电极三轴加速度传感器， 其特征是 ： 所述质量块 (5) 上设计有用于降低空气阻尼的竖向释放孔 (9)。 6. 根据权利要求 1 所述的电容式单质量块全梳齿电极三轴加速度传感器， 其特征是 ： 所述的基底(1)包括衬底(2)和沉积在所述衬底之上的介质绝缘层(3)， 所述衬底(2)的材 料为单晶硅， 所述介质绝缘层 (3) 的材料为氧化硅或氮化硅。 7. 一种实现权利要求 1 所述的电容式单质量块全梳齿电极三轴加。
9、速度传感器的制作 方法， 其包括如下步骤 ： 权 利 要 求 书 CN 102384984 A CN 102385003 A2/2 页 3 (1) 提供一衬底， 并在所述衬底上沉积介质绝缘层来形成基底 ； (2) 采用干法蚀刻介质绝缘层， 保留用以形成 x、 y、 z 三轴梳齿结构的活动梳齿的凸台 ； (3) 在所述介质绝缘层上再沉积单晶硅层用于形成感应机构， 并对所沉积的单晶硅进 行重度参杂， 使单晶硅具有导电性 ； (4) 采用深反应离子蚀刻工艺， 蚀刻所述沉积的单晶硅层和介质绝缘层， 形成感应机构 的各个部分， 包括质量块， 梳齿结构和弹簧机构， 并且形成固定支撑和外围支撑 ； (5) 。
10、蚀刻 x、 y、 z 三轴梳齿结构的固定梳齿 ； (6) 沉积金属以形成各个金属连接点， 形成信号输出机构。 权 利 要 求 书 CN 102384984 A CN 102385003 A1/7 页 4 电容式单质量块全梳齿电极三轴加速度传感器及制作方法 技术领域 0001 本发明涉及一种微机电电容式单质量块全梳齿电极三轴加速度传感器及其制作 方法。 背景技术 0002 21 世纪以来， 微机电 (Micro-Electro-Mechanical Systems) 技术得到了迅猛的 发展， 基于微加工和微电子技术的微机电器件在人类的生产生活中得到了不断广泛的应 用。微机电器件的发展趋势是体积更。
11、小， 耗能更低， 价格更低， 性能更优越。 0003 微机电加速度传感器是一种重要的微机电惯性器件， 一直广泛应用于汽车的安全 气囊触发装置， 机器设备的结构振动监测等等， 近年来随着产品不断的小型化和成本的大 幅度降低， 微机电加速度传感器也逐步应用于消费类电子产品领域， 在手机、 数码相机和笔 记本电脑中已经有很多新颖的应用， 比如手机的屏幕自动翻转感应装置， 游戏机手柄控制 装置， 笔记本电脑跌落时的自动保护数据装置等等。 0004 微机电加速度传感器按照感应原理可以分为压阻式、 压电式、 电容式、 热敏式和电 磁式等等， 其中电容式加速度传感器具有受温度变化影响小、 加工容易、 灵敏度。
12、高、 带宽大 等诸多特点而受到业界的广泛青睐。目前， 微机电电容式加速度传感器多为单轴或双轴感 应， 实现三轴感应功能是采用不同器件的正交装配或者是在一个芯片上集成多个传感器， 这样会使器件体积偏大， 加工工艺复杂， 成本加大， 而且正交装配的精度也不好保证。近一 两年， 出现了一些采用单质量块的电容加速度传感器来同时感应三轴加速度， 一般是采用 表面微加工技术， 利用梳齿电极来测量 x 和 y 轴的加速度， 而 z 轴加速度的测量则采用上下 极板式设计， 这样增加了工艺难度， 而且由于表面微加工工艺的局限性， 不能得到大体积的 质量块， 因而不能获得良好的灵敏度。 发明内容 0005 本发明。
13、的目的之一在于提供一种能获得良好灵敏度的微机电电容式单质量块全 梳齿电极三轴加速度传感器。 0006 本发明的这一目的通过如下技术方案来实现的 ： 一种电容式单质量块全梳齿电极 三轴加速度传感器， 其特征是 ： 它包括基底、 感应机构和信号输出机构， 所述基底上竖向固 定设置有外围支撑和多个固定支撑， 其中外围支撑位于基底之上的外边缘处 ； 0007 所述的感应机构包括质量块、 梳齿结构和弹簧机构， 所述质量块、 梳齿结构和弹簧 机构至基底中心向外围分布， 质量块和梳齿结构位于同一平面内， 所述质量块为单质量块， 质量块悬浮在所述基底中心的上方， 其四周分别与梳齿结构相连， 所述的梳齿结构为由。
14、 x 轴梳齿结构、 y轴梳齿结构和z轴梳齿结构构成的三轴全梳齿结构电极， 其中， 所述的x轴梳 齿结构有两组， 沿 x 轴在 xy 平面内以质量块为中心对称分布， 用于测量 x 轴加速度， 所述 y 轴梳齿结构有两组， 沿 y 轴在 xy 平面内以质量块为中心对称分布， 用于测量 y 轴加速度， 所 述 z 轴梳齿结构有四组， 沿与 x 轴或者 y 轴呈 45线和 135线夹角的位置在 xy 平面内以 说 明 书 CN 102384984 A CN 102385003 A2/7 页 5 质量块为中心对称分布， 用于测量 z 轴加速度， 各轴梳齿结构均包括固定梳齿和活动梳齿， 各轴梳齿结构的固定。
15、梳齿通过固定支撑支撑于所述基底上， x 轴和 y 轴梳齿结构的活动梳 齿一端连接于质量块， 另一端于与所述的弹簧机构的一端相连， z 轴疏齿结构的活动疏齿一 端连接于质量块， 另一端呈悬臂状， 质量块通过活动梳齿和弹簧机构可以实现在 x、 y、 z 轴 上的运动， 弹簧机构的另一端与外围支撑相连， 通过外围支撑支撑在所述基底上， 所述各轴 梳齿结构的固定梳齿和活动梳齿分别与电源电连接且导电后构成梳齿电容的两极 ； 0008 所述的信号输出机构包括固定在所述的固定支撑和外围支撑上用于与外部信号 电路相连的多个金属连接点， 该多个金属连接点分别与所述各轴梳齿结构的固定梳齿电连 接。 0009 本发。
16、明中， 所述的弹簧机构共四组， 沿 x 轴和 y 轴对称分布于所述质量块四周， 每 一组弹簧机构包括至少两根位于中部起到梁支撑作用的梁结构以及对称分布于梁结构两 边的 U 型弹簧， U 型弹簧开口端朝向梁结构且两端口分开连接在相邻的两根梁结构上， 梁结 构的一端分别与相应的各轴梳齿结构的活动梳齿相连， 另一端与所述的外围支撑相连。 0010 所述弹簧机构的梁结构为工字梁或矩形梁。 0011 本发明中， 所述各轴梳齿结构的梳齿均为竖向板状， 其中固定梳齿和活动梳齿呈 相互交错状交替分布， 并且相邻的梳齿间间隔一定间距。 0012 所述质量块上设计有用于降低空气阻尼的竖向释放孔。 0013 本发明。
17、中， 所述的基底包括衬底和沉积在所述衬底之上的介质绝缘层， 所述衬底 的材料为单晶硅， 所述介质绝缘层的材料为氧化硅或氮化硅。 0014 本发明的目的之二是提供一种电容式单质量块全梳齿电极三轴加速度传感器的 制作方法。 0015 本发明的这一目的通过如下技术方案来实现的 ： 一种电容式单质量块全梳齿电极 三轴加速度传感器的制作方法， 其包括如下步骤 ： 0016 (1) 提供一衬底， 并在所述衬底上沉积介质绝缘层来形成基底 ； 0017 (2) 采用干法蚀刻介质绝缘层， 保留用以形成 x、 y、 z 三轴梳齿结构的活动梳齿的 凸台 ； 0018 (3) 在所述介质绝缘层上再沉积单晶硅层用于形成。
18、感应机构， 并对所沉积的单晶 硅进行重度参杂， 使单晶硅具有导电性 ； 0019 (4) 采用深反应离子蚀刻工艺， 蚀刻所述沉积的单晶硅层和介质绝缘层， 形成感应 机构的各个部分， 包括质量块， 梳齿结构和弹簧机构， 并形成固定支撑和外围支撑 ； 0020 (5) 蚀刻 x、 y、 z 三轴梳齿结构的固定梳齿 ； 0021 (6) 沉积金属以形成各个金属连接点， 形成信号输出机构。 0022 综上所述， 本发明的微机电电容式单质量块全梳齿电极三轴加速度传感器通过将 单一质量块悬挂于四组弹簧机构之上， 并且使得感应 x 和 y 轴加速度信号的两组梳齿电容 和感应 z 轴加速度信号的四组梳齿电容与。
19、质量块在同一平面上， 由此感应 x、 y、 z 三轴加速 度信号。弹簧机构由 U 型弹簧和梁结构组成， 保证传感器在 x、 y、 z 三轴方向上， 都可产生大 的位移， 感应机构感应机构采用了深反应离子蚀刻工艺， 保证了质量块相对大的质量， 具有 较大的灵敏度， 降低了成本。 0023 本发明采用对称式整体单质量块设计， 采用体微加工技术， 利用在同一平面内的 说 明 书 CN 102384984 A CN 102385003 A3/7 页 6 梳齿电极来同时感应三轴加速度， 降低了工艺难度， 而且很好的保证了器件的灵敏度。 附图说明 0024 以下将结合附图和具体实施例对本发明进行进一步的详。
20、细说明。 0025 图 1A 为本发明微机电电容式单质量块全梳齿电极三轴加速度传感器实施例的总 体结构简图 ； 0026 图 1B-1 为图 1A 的附视图 ； 0027 图 1B-1A 为图 1B-1 的 A 向放大图 ； 0028 图 1B-2 为图 1B-1A 的 A-A 线剖面示意图 ； 0029 图 1B-3 为图 1B-1A 的 B-B 线剖面示意图 ； 0030 图 1C-1 为本发明的 x 轴梳齿结构的结构俯视示意图 ； 0031 图 1C-2 为沿图 1C-1 的 C-C 线剖面示意图 ； 0032 图 1D-1 为本发明的 y 轴梳齿结构的结构俯视示意图 ； 0033 图 。
21、1D-2 为沿图 1D-1 的 D-D 线剖面示意图 ； 0034 图 1E-1 为本发明的 z 轴梳齿结构的结构俯视示意图 ； 0035 图 1E-2 为沿图 1E-1 的 E-E 线剖面示意图 ； 0036 图 1F 为本发明的固定支撑和金属连接点的剖面示意图 ； 0037 图 1G-1 为本发明的弹簧机构的俯视结构图 ； 0038 图 1G-2 为沿图 1G-1 的 F-F 线剖面示意图 ； 0039 图2A至2C为微机电电容式单质量块全梳齿电极三轴加速度传感器的模态分析示 意图， 其中， 图 2A 为第一模态示意图， 图 2B 为第二模态示意图， 图 2C 为第三模态示意图 ； 004。
22、0 图 3 是为本发明受到 x 轴反向加速度时， 各轴固定梳齿和活动梳齿之间间距变化 示意图 ； 0041 图 3A 是图 3 的 B 向放大图 ； 0042 图 3B 是图 3 的 C 向放大图 ； 0043 图 3C 是图 3 的 D 向放大图 ； 0044 图 3D 是图 3 的 E 向放大图 ； 0045 图 3E 是图 3 的 F 向放大图 ； 0046 图 4A 是本发明受到 z 轴反向加速度时， z 轴固定梳齿和活动梳齿之间间距变化示 意图 ； 0047 图 4B 是本发明受到 z 轴反向加速度时， x 轴固定梳齿和活动梳齿之间间距变化示 意图 ； 0048 图5A至5F为本发明。
23、微机电电容式单质量块全梳齿电极三轴加速度传感器的制作 方法流程示意图。 具体实施方式 0049 如图 1A 至图 1G-2 所示的一种电容式单质量块全梳齿电极三轴加速度传感器， 它 包括基底 1、 感应机构 4 和信号输出机构 18， 基底 1 包括衬底 2 和沉积在衬底之上的介质绝 缘层3， 衬底2的材料为单晶硅， 介质绝缘层3的材料为氧化硅或氮化硅， 基底1上竖向固定 说 明 书 CN 102384984 A CN 102385003 A4/7 页 7 设置有外围支撑 8 和多个固定支撑 36， 其中外围支撑 8 位于基底 1 之上的外边缘处 ； 0050 所述的感应机构 4 包括质量块 。
24、5、 梳齿结构和弹簧机构 6， 质量块 5、 梳齿结构和弹 簧机构 6 至基底中心向外围分布， 质量块 5 和梳齿结构位于同一平面内， 质量块 5 为单质量 块， 质量块5上设计有用于降低空气阻尼的竖向释放孔9， 质量块5悬浮在基底中心的上方， 其四周分别与梳齿结构相连， 梳齿结构为由 x 轴梳齿结构 31、 y 轴梳齿结构 32 和 z 轴梳齿 结构 33 构成的三轴全梳齿结构电极， 其中， x 轴梳齿结构 31 有两组， 沿 x 轴在 xy 平面内以 质量块 5 为中心对称分布， 用于测量 x 轴加速度， y 轴梳齿结构 32 有两组， 沿 y 轴在 xy 平面 内以质量块 5 为中心对称。
25、分布， 用于测量 y 轴加速度， z 轴梳齿结构 33 有四组， 沿与 x 轴或 者 y 轴呈 45线和 135线夹角的位置在 xy 平面内以质量块 5 为中心对称分布， 用于测量 z 轴加速度， 各轴梳齿结构均包括固定梳齿和活动梳齿， 各轴梳齿结构的固定梳齿通过固定 支撑 36 支撑于基底 1 上， x 轴和 y 轴梳齿结构的活动梳齿一端连接于质量块 5， 另一端于与 所述的弹簧机构的一端相连， z 轴疏齿结构的活动疏齿一端连接于质量块 5， 另一端呈悬臂 状， 质量块 5 通过活动梳齿和弹簧机构 6 可以实现在 x、 y、 z 轴上的运动， 弹簧机构 6 的另一 端与外围支撑 8 相连， 。
26、通过外围支撑 8 支撑在基底 1 上， 各轴梳齿结构的固定梳齿和活动梳 齿分别与电源电连接且导电后构成梳齿电容的两极 ； 0051 所述的信号输出机构 18 包括固定在固定支撑 36 和外围支撑 8 上用于与外部信号 电路相连的多个金属连接点 20， 该多个金属连接点 20 分别与各轴梳齿结构的固定梳齿电 连接。 0052 x 轴梳齿结构 31 由 x 轴固定梳齿 23 和 x 轴活动梳齿 16 组成， y 轴梳齿结构 32 由 y 轴固定梳齿 24 和 y 轴活动梳齿 17 组成， z 轴梳齿结构 33 由 z 轴固定梳齿 25 和 z 轴活动 梳齿 26 组成， 各轴梳齿结构的梳齿均为竖向。
27、板状， 其中固定梳齿和活动梳齿呈相互交错状 交替分布， 并且相邻的梳齿间间隔一定间距。x 轴固定梳齿 23、 y 轴固定梳齿 24 和 z 轴固 定梳齿 25 通过固定支撑 36 支撑于基底 1 上， x 轴活动梳齿 16 和 y 轴活动梳齿 17 的一端 连接于质量块 5， 另一端通过所述外围支撑 8 支撑于所述的基底 1 上， z 轴活动梳齿 26 的一 端连接于质量块 5， 另一端无支撑， 呈悬臂状， 由此质量块 5 均与 x 轴活动梳齿 16、 y 轴活动 梳齿 17 和 z 轴活动梳齿 26 相连， 并且质量块 5 在基底中心的上方呈悬浮状分布。 0053 本发明中， x 轴活动梳齿。
28、 16 和 x 轴固定梳齿 23 在所述质量块 5 两侧的 x 轴方向 形成电容Cx1和Cx2， 每个x轴固定梳齿位于靠近与其相邻的距离质量块5远的活动梳齿一 侧， 而远离与其相邻的距离质量块 5 近的活动梳齿一侧 ( 如图 1C-2 所示， d2 d1)。y 轴 活动梳齿 17 和 y 轴固定梳齿 24 在质量块 5 两侧的 y 方向形成差分电容 Cy1 和 Cy2， 每个 y 轴固定梳齿位于靠近与其相邻的距离质量块 5 远的活动梳齿一侧， 而远离与其相邻的距离 质量块 5 近的活动梳齿一侧 ( 如图 1C-3 所示， d2 d1)。z 轴活动梳齿 26 和所述 z 轴 固定梳齿 25 在质。
29、量块外围沿 45线和 135线对称的形成电容 Cy1， Cy2， Cy3 和 Cy4， 每个 z 轴固定梳齿 25 和与其相邻的活动梳齿 26 等距分布。x 轴活动梳齿 16 的竖直厚度小于 x 轴固定梳齿 23 的竖直厚度并在竖直方向上处于 x 轴固定梳齿 23 中间 ； y 轴固定梳齿 17 在 竖直厚度小于y轴固定梳齿24的竖直厚度并在竖直方向上处于y轴固定梳齿24中间 ； z轴 活动梳齿 26 在竖直厚度等于 z 轴固定梳齿 25 的竖直厚度并偏上布置。 0054 本实施例的 x、 y 轴的梳齿结构有 6 块固定梳齿和 8 块活动梳齿， 活动梳齿的 8 个 梳齿分为两组并从中间相互连接。
30、在一起， 每组 4 个齿对称分布在两侧向外伸出， 固定梳齿 说 明 书 CN 102384984 A CN 102385003 A5/7 页 8 也分为两组， 对称地分布在活动梳齿的两侧， 每组固定梳齿从外侧连接在一起， 并向内对应 地与活动梳齿相互交叉、 插进于各活动梳齿之间。 0055 Z 轴梳齿结构的不同之处在于固定梳齿的最外端连接在一起， 并且 z 轴活动梳齿 仅有一端与质量块 5 相连， 另一端无支撑。 0056 两组 x 轴梳齿结 31 沿 x 轴对称分布用来测量 x 轴加速度 ； 两组 y 轴梳齿结构 32 沿 y 轴对称分布用来测量 y 轴加速度， 两组 x 轴梳齿结构 31 。
31、之间形成差分电容 ； 两组 y 轴 梳齿结构 32 之间形成差分电容 ； 四组 z 轴梳齿结构 33 沿 45线和 135线对称分布用来 测量 z 三轴加速度。 0057 传感器信号的输出， x 轴和 y 轴采用差模输出， z 轴采用共模输出。 0058 所述的弹簧机构 6 共四组， 沿 x 轴和 y 轴对称分布于质量块 5 四周， 每一组弹簧机 构 6 包括四个位于中部起到梁支撑作用的梁结构 22 以及对称分布于梁结构 22 两边的六个 U 型弹簧 21， U 型弹簧 21 每两个开口相对， U 型弹簧 21 开口端朝向梁结构 22 且两端口分开 连接在相邻的两根梁结构22上， 如此将所有梁。
32、结构连接， 梁结构22的一端分别与相应的各 轴梳齿结构的活动梳齿相连， 另一端与外围支撑 8 相连， 弹簧机构 6 的梁结构 22 为工字梁。 0059 作为本发明中弹簧机构的变换， 每一组弹簧机构 6 包括至少两根位于中部起到梁 支撑作用的梁结构 22 以及对称分布于梁结构 22 两边的 U 型弹簧 21， U 型弹簧 21 开口端朝 向梁结构 22 且两端口分开连接在相邻的两根梁结构 22 上， 梁结构 22 的一端分别与相应的 各轴梳齿结构的活动梳齿相连， 另一端与外围支撑 8 相连， 弹簧机构 6 的梁结构 22 也可以 是 “” 型或者矩形梁中的一种。通过弹簧机构 6， 质量块 5 。
33、可以实现在 x、 y、 z 三轴上的运 动。 0060 信号输出机构18位于感应机构4之上， 它包括用于与外部信号电路相连的各个金 属连接点 20， 金属连接点 20 包括 Px1、 Px2、 Py1、 Py2、 Pz1、 Pz2、 Pz3、 Pz4、 P0 多个连接点。 0061 微机电电容式单质量块全梳齿电极三轴加速度传感器 88 产生电容变化时， 分别 通过各金属连接点 20 输出， 与后续外部信号处理电路进行连接， 并将电容变化转化成最终 的电信号变化。 0062 利用 CONVENTOR 软件对微机电电容式单质量块全梳齿电极三轴加速度传感器 88 进行模态分析， CONVENTOR 。
34、是专业的微机电传感器和执行器设计仿真软件。图 2A- 至图 2C 所示的为为微机电电容式单质量块全梳齿电极三轴加速度传感器 88 的前三模态简图， 沿 x 方向运动和沿y方向的运动动的谐振频率完全一样是第一、 二模态， 第三模态是沿z方向的 运动， 其谐振频率与第一二模态接近。 0063 如图3至图3E所示， 本实施例的微机电电容式单质量块全梳齿电极三轴加速度传 感器88在受到x轴反向加速度作用时固定梳齿和活动梳齿之间间距变化示意图， 当传感器 受到 x 轴反方向加速度 ax 时， 该质量块 5 与各轴活动梳齿电极将会沿 x 轴正方向平移， 如 图所示 x 轴梳齿结构 31， 因为如图 1C-。
35、2， d2 d1， 所以 d1 的大小变化对电容的改变起 着决定作用， Cx2 中的极板间距 d1 变大， 进而 Cx2 电容值变小， 而 Cx1 中的极板间距 d1 变 小， 进而 Cx1 电容值变大。同理， 当受到 x 轴正向加速度时， Cx2 电容值变大， Cx1 电容值变 小。图 3 所示 y 轴梳齿结构 32， Cy1 的极板间距不变， 右半部分极板正对面积增大， 左半部 分极板正对面积减小， 增大的面积和减小的面积相等， 因此 Cy1 的电容不变， Cy2 的情况与 Cy1 相同， 所以 Cy2 也不变。同理， 当受到 x 轴正向加速度时， Cy1 和 Cy2 也都不变。图 3 所。
36、 说 明 书 CN 102384984 A CN 102385003 A6/7 页 9 示 z 轴梳齿结构 33， 在 Cz2 中， 一方面， Cz2 的左上方极板正对面积减小， 右下方极板正对面 积增大， 增大的面积和减小的面积相等， 因此极板面积对于电容影响可以忽略， 同时， 位于 固定梳齿中间的活动梳齿与面积较大的固定梳齿距离增大， 因此， Cz2 减小 ； 在 Cz4 中， 一方 面， Cz4 的左下方极板正对面积减小， 右上方极板正对面积增大， 增大的面积和减小的面积 相等， 因此极板面积对于电容影响可以忽略， 同时， 位于固定梳齿中间的活动梳齿与面积较 大的固定梳齿距离减小， 因此。
37、， Cz4 增大。Cz2 的电容较小量等于 Cz4 的电容增加量， 同时因 为 Cz1 和 Cz2 的改变量一致， Cz3 和 Cz4 的该变量一致。因为 z 轴采用共模输出， 所以 z 轴 总的输出电容 (Cz1+Cz2+Cz3+Cz4) 不变。同理， 当受到 x 轴正向加速度时， z 轴总的输出电 容 (Cz1+Cz2+Cz3+Cz4) 也不变。由此说明， 当微机电电容式单质量块全梳齿电极三轴加速 度传感器 88 在受到 x 向加速度时， y 轴和 z 轴没有相应的输出信号， 系统只有 Cx1 和 Cx2 的 电容值改变。Cx1， Cx2 分别通过 Px1， Px2 输出到外部信号处理电路。
38、将其转化为差模输出。 0064 因为微机电电容式单质量块全梳齿电极三轴加速度传感器 88 的 x 轴和 y 轴完全 对称， 所以当系统受到 y 轴加速度时， 系统只有 Cy1 和 Cy2 的电容值改变。Cy1， Cy2 分别通 过 Py1， Py2 输出到外部信号处理电路将其转化为差模输出。 0065 如图4A、 图4B所示， 其为微机电电容式单质量块全梳齿电极三轴加速度传感器88 在受到 z 轴加速度作用时的 z 轴固定梳齿和活动梳齿之间间距变化示意图， 当传感器受到 z 轴反方向加速度 az 时， 质量块 5 与各轴活动梳齿电极将会沿 z 轴正方向平移， 图 4A 为 z 轴梳齿结构 33。
39、 位移变形示意图， z 轴活动梳齿 26 向上运动， 从而使得如图所示 Cz1、 Cz2、 Cz3、 Cz4 的极板正对面积减小， 进而 Cz1、 Cz2、 Cz3、 Cz4 电容值都变小。相应的， 当传感器受 到 z 轴正方向加速度， z 轴活动梳齿 26 向下运动， 从而使得如图所示 Cz1、 Cz2、 Cz3、 Cz4 的 极板正对面积增大， 因此 Cz1、 Cz2、 Cz3、 Cz4 电容值都变大。图 4B 为微机电电容式单质量 块全梳齿电极三轴加速度传感器 88 受 z 轴反方向加速度 az 时轴固定梳齿和活动梳齿之间 间距变化示意图， x 轴活动梳齿 16 向上运动， 但超越不了 。
40、x 轴固定梳齿 23 的高度， 因为极 板正对面积和极板间距离都不变， 所以 x 轴电容值 Cx1 和 Cx2 都不变。相应的， 当传感器受 到 z 轴反方向加速度， x 轴活动梳齿 16 向下运动， 但超越不了 x 轴固定梳齿 23 的底部， 因 此 x 轴电容值 Cx1 和 Cx2 也都不变。因为微机电电容式单质量块全梳齿电极三轴加速度传 感器 88 的 x 轴和 y 轴完全对称， 所以当系统受到 z 轴加速度时， y 轴电容值 Cy1 和 Cy2 都 不变。由此说明， 当微机电电容式单质量块全梳齿电极三轴加速度传感器 88 在受到 z 向加 速度时， x 轴和 y 轴没有相应的输出信号，。
41、 系统只有 Cz1、 Cz2、 Cz3、 Cz4 的电容值变化。Cz1、 Cz2、 Cz3、 Cz4 分别通过 Pz1， Pz2， Pz3， Pz4 输出到外部信号处理电路将其转化为共模输出。 0066 如图 5A 至图 5F 所示， 本发明同时还提供了上述电容式单质量块全梳齿电极三轴 加速度传感器的制作方法， 其包括如下步骤 ： 0067 (1) 如图 5A 所示， 提供一衬底 2， 并在所述衬底 2 上沉积介质绝缘层 3 来形成基底 1， 衬底 2 选用单晶硅材料， 介质绝缘层 3 可以是氮化硅或氧化硅材料 ； 0068 (2) 如图 5B 所示， 采用干法蚀刻介质绝缘层 3， 蚀刻除 x。
42、， y， z 轴活动梳齿之外的区 域， 形成凸台 44， 用于形成 x、 y、 z 三轴梳齿结构的活动梳齿 ； 0069 (3) 如图 5C 所示， 在所述介质绝缘层上再沉积单晶硅层 46 用于形成感应机构， 并 对所沉积的单晶硅进行 P 型或 N 型重度参杂， 使单晶硅具有导电性， 介质绝缘层 3 可阻止对 衬底 2 的参杂 ； 说 明 书 CN 102384984 A CN 102385003 A7/7 页 10 0070 (4) 如图 5D 所示， 采用深反应离子蚀刻工艺， 蚀刻沉积的单晶硅层 46 和介质绝缘 层 3， 形成感应机构 4 的各个部分， 包括质量块、 梳齿结构和弹簧机构，。
43、 并形成固定支撑和外 围支撑 ； 0071 (5) 如图 5E 所示， 蚀刻 x、 y、 z 三轴梳齿结构的固定梳齿， 使得 z 轴固定梳齿低 25 于 z 轴活动梳齿 26， x 轴活动梳齿 16 和 y 轴活动梳齿 17 低于 x 轴固定梳齿 23 和 y 轴固定 梳齿 24 ； 0072 (6) 如图 5F 所示， 沉积金属以形成各个金属连接点， 形成信号输出机构 18。 0073 本发明的微机电电容式单质量块全梳齿电极三轴加速度传感器通过对称的弹簧 机构来支撑质量块， 用于感应 x， y， z 轴加速度信号的梳齿电容均与质量块在同一平面， 弹 簧机构由 U 型弹簧和梁结构组成， 当 x。
44、， y， z 三轴加速度作用时， 均可以产生较大位移。x 轴 方向运动， y 轴方向运动和 z 轴方向运动分别是该传感器的前三谐振模态， 而且第一二模态 谐振频率完全相同， 第三模态谐振频率与第一二模态差别不大。 x轴和y轴的输出采用差模 信号， z 轴输出采用共模信号， 可以避免不同轴之间信号的干扰。本发明的微机电电容式单 质量块全梳齿电极三轴加速度传感器的制作方法采用深反应离子蚀刻的体微加工方法， 可 获得相对大的质量块。 说 明 书 CN 102384984 A CN 102385003 A1/9 页 11 图 1A 图 1B-1 说 明 书 附 图 CN 102384984 A CN 。
45、102385003 A2/9 页 12 图 1B-1A 图 1B-2 图 1B-3 图 1C-1 说 明 书 附 图 CN 102384984 A CN 102385003 A3/9 页 13 图 1C-2 图 1D-1 说 明 书 附 图 CN 102384984 A CN 102385003 A4/9 页 14 图 1D-2 图 1E-1 图 1E-2 图 1F 说 明 书 附 图 CN 102384984 A CN 102385003 A5/9 页 15 图 1G-1 图 1G-2 图 2A 图 2B 图 2C 说 明 书 附 图 CN 102384984 A CN 102385003 A6/9 页 16 图 3 图 3A 说 明 书 附 图 CN 102384984 A CN 102385003 A7/9 页 17 图 3B 图 3C 图 3D 图 3E 说 明 书 附 图 CN 102384984 A CN 102385003 A8/9 页 18 图 4A 图 4B 图 5A 图 5B 图 5C 说 明 书 附 图 CN 102384984 A CN 102385003 A9/9 页 19 图 5D 图 5E 图 5F 说 明 书 附 图 CN 102384984 A 。