一种具有多个共面电极一体结构的MEMS加速度传感器及其制造方法.pdf

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1、10申请公布号CN102023234A43申请公布日20110420CN102023234ACN102023234A21申请号201010221456222申请日2010070112/564,18020090922USG01P15/125200601B81B3/00200601B81C1/0020060171申请人俞度立地址美国德克萨斯州糖城申请人冯方方韩可都72发明人俞度立冯方方韩可都74专利代理机构北京金之桥知识产权代理有限公司11137代理人林建军54发明名称一种具有多个共面电极一体结构的MEMS加速度传感器及其制造方法57摘要本发明提供一种电容式MEMS加速度传感器、该加速度传感器的制。

2、作方法以及由该加速度传感器组成的加速度传感器组件。该电容式MEMS加速度传感器包括具有一个上部和一个下部的扭矩弹簧质量块支撑结构、键合在所述扭矩弹簧质量块支撑结构上部的上部电极盖板和键合在所述扭矩弹簧质量块支撑结构下部的下部电极盖板，所述扭矩弹簧质量块支撑结构包括支撑框架、一对扭矩臂和平板型质量块，所述扭矩臂包括连接到所述支撑框架的主干和与所述主干相连接的两个分支臂。该加速度传感器耐受冲击震动，低成本、高性能，易于生产，用途广泛。30优先权数据51INTCL19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3页说明书10页附图10页CN102023248A1/3页21一种电容式MEMS。

3、加速度传感器，包括A扭矩弹簧质量块支撑结构，其具有一个上部和一个下部，B键合在所述扭矩弹簧质量块支撑结构上部的上部电极盖板，C键合在所述扭矩弹簧质量块支撑结构下部的下部电极盖板，其中所述扭矩弹簧质量块支撑结构包括支撑框架、一对扭矩臂和平板型质量块，所述支撑框架通过所述扭矩臂与所述平板型质量块相连接，所述平板型质量块具有质量中心，所述扭矩臂包括连接到所述支撑框架的主干和与所述主干相连接的两个分支臂，所述两个分支臂向所述主干的两侧延伸并连接到所述平板型质量块，以致所述平板型质量块由所述两个分支臂支撑，所述主干位于所述质量中心的正上部，所述主干作为所述平板型质量块的扭矩轴，使得所述平板型质量块通过所。

4、述扭矩臂发生转动位移，所述平板型质量块具有容置每个所述扭矩臂的切割空缺区域，所述扭矩臂位于所述切割空缺区域内。2如权利要求1所述的电容式MEMS加速度传感器，其特征在于所述扭矩臂对称设置，一个所述扭矩臂与另一个所述扭矩臂镜像排列。3如权利要求1所述的电容式MEMS加速度传感器，其特征在于所述扭矩臂的两个分支臂成直线设置，并且垂直于所述主干，形成“T”型，或所述扭矩臂的两个分支臂成夹角设置，形成“丫”或“个”型。4如权利要求1所述的电容式微电机加速度传感器，其特征在于所述上部电极盖板包括A第一极板间隙，B第一凹面区，其面冲下对着所述平板型质量块，C设置于所述第一凹面区的第一共面电极板组，其中所述。

5、第一共面电极板组通过绝缘材料与硅片基底电绝缘，D多个第一非穿透孔矩阵，所述第一非穿透孔矩阵设于所述第一凹面区，用于阻尼控制，E多个第一行程止停块，所述第一行程止停块设于所述第一凹面区，F多个焊盘和多个第一导线组，所述多个焊盘和多个第一导线组设置在所述上部电极盖板的上表面，且通过绝缘材料与硅片基底电绝缘，G多个第一通孔，所述第一通孔通过绝缘材料与硅片基底电绝缘，其内填充多晶硅材料，并且连接所述第一共面电极板组和对应的所述第一焊盘，以及H第一键合面，所述第一键合面与所述扭矩弹簧质量块支撑结构的支撑框架上部键合。5如权利要求1所述的电容式MEMS加速度传感器，其特征在于所述下部电极盖板包括A第二极板。

6、间隙，B第二凹面区，其面冲上对着所述平板型质量块，C设置于所述第二凹面区的第二共面电极板组，其中所述第二共面电极板组通过绝缘材料与硅片基底电绝缘，权利要求书CN102023234ACN102023248A2/3页3D多个第二非穿透孔矩阵，所述第二非穿透孔矩阵设于所述第二凹面区，用于阻尼控制，E多个第二行程止停块，所述第二行程止停块设于所述第二凹面区，F多个焊盘和多个第二导线组，所述多个焊盘和多个第二导线组设置在所述下部电极盖板下表面，且通过绝缘材料与硅片基底电绝缘，G多个第二通孔，所述第二通孔通过绝缘材料与硅片基底电绝缘，其内填充多晶硅材料，并且连接所述第二共面电极板组和对应的所述第二焊盘，H。

7、设置在所述下部电极盖板下表面的极板隔离槽，I第二键合面，所述第二键合面与所述扭矩弹簧质量块支撑结构的支撑框架下部键合。6一种加工如权利要求1所述电容式MEMS加速度传感器的方法，所述方法包括加工扭矩弹簧质量块支撑结构、加工上部电极盖板、加工下部电极盖板以及键合上部电极盖板和下部电极盖板到扭矩弹簧质量块支撑结构，其中，加工所述扭矩弹簧质量块支撑结构的方法包括如下步骤A提供具有P层、P层和P层的多层硅晶片，所述多层硅晶片具有P层上层和P层底层，B经计时深度离子反应工艺从所述底层刻蚀掉所述底层P层厚度的8590，形成板型质量块的板形和其切割空缺区域，C在所述板型质量块的板形和其切割空缺区域内，经湿法。

8、刻蚀工艺从所述底层刻蚀掉剩余的1015厚度的P层，至P层，D经深度离子反应工艺从所述上层刻蚀掉所述P层和所述P层，形成所述板型质量块与所述扭矩臂的间隙，以及形成所述扭矩弹簧质量块支撑结构。7如权利要求6所述的加工方法，其特征在于加工所述上部电极盖板的方法包括如下步骤A提供一P型硅片，所述P型硅片具有一个顶部和底部，B经两次计时湿法刻蚀工艺刻蚀所述P型硅片底部，以形成所述第一凹面区和所述第一行程止停块，C经深度离子反应工艺，从所述P型硅片底部刻蚀形成用于阻尼控制的所述第一非穿透孔矩阵，以及形成用于加工所述第一组通孔的非穿透孔，D经深度离子反应工艺加工所述P型硅片顶部，以形成具有较小直径的穿透孔洞。

9、，该穿透孔洞用于形成所述第一组通孔，E沉积绝缘材料到所述第一通孔的所述穿透孔洞内和所述P型硅片的选定区域，以形成绝缘层，F用多晶硅生长填充和封闭所述第一通孔，G用多晶硅生长工艺在所述选定的区域生长形成所述第一共面电极板组，H在所述上部电极盖板的所述选定区域镀金，形成所述焊盘以及连至所述第一通孔的所述第一导线。8如权利要求6所述的加工方法，其特征在于加工所述下部电极盖板的方法包括如下步骤权利要求书CN102023234ACN102023248A3/3页4A提供一P型硅片，所述P型硅片具有一个顶部和底部，B经两次计时湿法刻蚀工艺刻蚀所述P型硅片顶部，以形成所述第二凹面区和所述第二行程止停块，C经深。

10、度离子反应工艺，从所述P型硅片顶部刻蚀形成用于阻尼控制的所述第二非穿透孔矩阵，以及形成用于加工所述第二组通孔的非穿透孔，D经深度离子反应工艺加工所述P型硅片底部，形成所述焊盘隔离槽，以及形成具有较小直径的穿透孔洞，该穿透孔洞用于形成所述第二组通孔，E沉积绝缘材料到所述第二通孔的所述穿透孔洞内和所述P型硅片的选定区域，以形成绝缘层，F用多晶硅生长填充和封闭所述第二通孔，G用多晶硅生长工艺在所述选定的区域生长形成所述第二共面电极板组，H在所述上部电极盖板的所述选定区域镀金，形成所述焊盘以及连至所述第二通孔的所述第二导线。9如权利要求6所述的加工方法，其特征在于所述键合上部电极盖板和下部电极盖板到扭。

11、矩弹簧质量块支撑结构的方法包括金熔接法，在大气环境下，所述金镕接法将所述上部电极盖板和所述下部电极盖板与所述扭矩弹簧质量块支撑结构熔接一起，以构成所述的电容式MEMS加速度传感器。10如权利要求6所述的加工方法，其特征在于所述键合上部电极盖板和下部电极盖板到扭矩弹簧质量块支撑结构的方法包括单晶键合，在真空条件下，所述单晶键合将所述上部电极盖板和所述下部电极盖板与所述扭矩弹簧质量块支撑结构键合一起，以构成一体结构的电容式MEMS加速度传感器。11一种加速度传感器组件，其特征在于，包括至少一个如权利要求15中任意一个所述电容式MEMS加速度传感器和电子信号检测控制电路，所述电子信号检测控制电路检测。

12、所述电容式MEMS加速度传感器的电子信号，并对电子信号进行调节、频率响应控制和加速度计算处理。12如权利要求11所述的加速度传感器组件，其特征在于，所述加速度传感器组件包括两个所述背靠背、面对面或者首尾正反向相接设置的电容式MEMS加速度传感器，其中所述电子信号检测控制电路分别检测两个所述电容式MEMS加速度传感器的电子信号，将检测到的两个电子信号进行比较，得到角加速度和线性加速度。13如权利要求11所述的加速度传感器组件，其特征在于，所述的加速度传感器组件包括三对所述电容式MEMS加速度传感器；每对所述电容式MEMS加速度传感器背靠背、面对面、首尾正反向相接设置；三对所述电容式MEMS加速度。

13、传感器沿三维空间的X轴、Y轴和Z轴以彼此正交方式设置；所述电子信号检测控制电路分别检测每对所述电容式MEMS加速度传感器的电子信号，将检测到的每对的两个电子信号进行比较，得到角加速度或线性加速度，从而检测和测量上述三个方向的角加速度或三个方向的线性加速度。权利要求书CN102023234ACN102023248A1/10页5一种具有多个共面电极一体结构的MEMS加速度传感器及其制造方法技术领域0001此项发明属于微电子机械领域的一种一体结构的电容式微电子机械系统MEMS加速度传感器，此一体结构MEMS加速度传感器具有一个轴线方向柔性扭矩弹簧质量块悬挂系统，并具有多个同平面电极用于电容测量和静电。

14、驱动。该发明涉及两个或多个带有闭环伺服系统的MEMS加速度传感器单元所构成的二维或多维加速度传感器组件。此项发明还提供了用微电子机械加工技术制作此一体结构MEMS加速度传感器的方法。背景技术0002典型的单轴或一维加速度传感器包括一个加速度敏感元件，即一力学传感器件，和一个电子信号检测、调节及控制电路，从而将机械运动转变成电子信号。其中加速度敏感元件由一个弹簧或多个弹簧质量支撑的机械结构和多个可用于检测质量块位移的电极所组成。一个施加在此机械结构系统上的力或加速度将使质量块产生一个偏离其参照点的位移，而此位移在一定条件下是与所施加的加速度成比例的。电子检测电路将此位移量转变成电子模拟或数字信号。

15、。0003为了满足线性度、带宽、动态范围、高灵敏度、和低噪声的性能要求，高性能加速度传感器通常设计成带有闭环负反馈系统的力平衡加速度传感器。力平衡加速度传感器的前向电路检测载荷加速度引起的质量块相对于其参照点的位移，反馈电路根据前向电路输出信号产生负反馈静电力并施加于质量块上，以期将质量块拉回到其原参考位置，并保持动态平衡。0004加速度传感器可由制造在硅片上的微电子机械系统MEMS来实现。现已证明，应用电容检测和静电力反馈电路的MEMS力平衡加速度器在高灵敏度、低噪声、直流响应及带宽等性能上优于其它类型的加速度传感器。这一类加速度传感器可见于美国专利公告书USPATNO4,922,756，U。

16、SPATNO4,930,043，USPATNO5,095,752，USPATNO5,345,824，USPATNO5,616,844，USPATNO5,652,384，USPATNO5,852,242，USPATNO6,035,694，USPATNO6,805,008等。0005图1为一典型的模拟负反馈力平衡MEMS加速度传感器系统框图。此闭环系统包括MEMS加速度传感元件100，由差动电容检测电路101和回路滤波器102组成的前向电路，以及静电力反馈电路103。其前向电路的输出信号即代表加速度信号。0006图2为一典型的数字负反馈力平衡MEMS加速度传感器系统框图。其前向电路包括一差动电容检。

17、测电路201、回路滤波器202及比较器204。该比较器将滤波器202的模拟输出信号转换成代表加速度的一位二进制数字流信号。反馈电路203根据此二进制数字流信号产生静电力并反馈于质量块，从而使质量块回到其参考位置，并保持动态平衡。0007MEMS加速度传感器件可由面微加工或体微加工方法制成。说明书CN102023234ACN102023248A2/10页60008面微加工MEMS传感器件被制造在单一硅片上。美国专利公告书USPATNO5,345,824中的面微加工MEMS加速度传感器即为一例。这种面微加工MEMS加速度传感器通常具有较低的灵敏度和较高的噪声。因此它不能满足许多高精度应用的基本性能。

18、要求。0009体微加工MEMS传感器件须用多层晶片加工制造而成。此MEMS传感器件可由多层晶片制成三维结构。具有较大质量块的加速度器件拥有较高的灵敏度和较低的噪声。体微加工MEMS传感器件的制造工艺之一是晶片键合WAFERBONDING，该制造工艺复杂，直接影响产品的质量与成本。体微加工MEMS加速度传感器可见于已有技术和美国专利公告书USPATNO4,922,756，USPATNO4,930,043，USPATNO5,095,752，USPATNO5,616,844，USPATNO5,652,384，USPATNO5,852,242，USPATNO6,035,694，USPATNO6,805。

19、,008，USPATNO6,829,937，USPATNO7,398,683等。0010图3为一典型的体微加工MEMS差动电容加速度传感器件示意图。此MEMS传感器件的质量块302由固定在框架结构上的一个或多个弹簧支撑于两个平行电极板301和303之间。当一低于此传感器件结构共振频率的外界加速度施加于此支撑结构上时，引起质量块302偏离原参考位置，而此偏离原参考位置的位移量与所施加的加速度成比例。0011由一对平行电极板构成的电容器的电容量C为00120013其中，为介电常数，A为平板电极有效面积，D0为电容器两电极板之间的名义间隙。0014图3中，上电极板301与质量块302上表面形成的上部。

20、电容器的电容量为CT，下电极板303与质量块302下表面形成的下部电容器的电容量为CB。假设当质量块位于上下两电极板的中间参考位置时，其位移X为零，且上下间隙均为D0。当外界加速度使质量块产生的位移X为正时，上部间隙减小，而下部间隙增大，从而使电容量CT和CB产生差动变化，此差动电容量由下式给出00150016其中，0017如图4所示，此差动电容量可由开关电容电路所检测，图中检测电路的输出电压VS正比于CTCB00180019上式表示电容检测电路输出VS是差动电容量CTCB的线性函数。然而，差动电容量CTCB与质量块位移是非线性关系，从而差动电容量CTCB与加速度也为非线性关系。CTCB还可表。

21、达为00200021如上式所示，第一项谐波分量即三次谐波分量与线性分量之比是11。美说明书CN102023234ACN102023248A3/10页7国专利公告书USPATNO4,922,756中指出，此非线性误差可通过闭环负反馈得以减小。0022如图5所示，当VR连接在上电极板301，VR连接在下电极板303，前向电路的模拟输出电压VO加于质量块302，从而在极板之间产生对质量块的连续模拟静电力。该模拟静电力大小由下式确定，00230024数字电路系统的静电力产生原理如图6A和图6B所示。如图6A所示，当上电极板301连接VR，下电极板303连接VR，质量块302连接VR，则产生向上的静电力。

22、FU，此向上的静电力由下式确定，00250026如图6B所示，当上电极板301连接VR，下电极板303连接VR，质量块302连接VR，则产生一向下的静电力FD，此向下的静电力由下式确定，00270028通过多路开关，相同的电极可分时用于检测电容和施加静电力。0029高阶闭环系统通常用于高性能的加速度传感器，以减小非线性误差并降低量化噪声。此类加速度传感器由MEMS传感器件、信号检测、调节及控制电路所组成。例如美国专利公告书USPATNO6,805,008，其MEMS传感器件具有一个双层晶片厚度的质量块，该质量块被对称地支撑于上、下极板之间。此加速度传感器可以设置成一个五阶闭环系统。然而，这种加。

23、速度传感器采用四层晶片结构，其设计复杂，需要多次键合处理，其成本昂贵。0030目前由扭矩弹簧支撑的体微加工MEMS加速度传感器件，其较短的扭矩弹簧臂刚性地支撑着较大的质量块。如美国专利公告书USPATNO6,829,937所示的MEMS加速度传感器件。这种结构易于被过载冲击损坏，在诸多如地震信号采集、汽车电子稳定性控制的应用中，难以生存。0031据理论与实践可知，角加速度可由两个平行安装在同一刚性物体上的线性加速度传感器的检测结果计算得出。该物体的旋转平面上角加速度可由下式确定，00320033其中，D为两个加速度传感器平行测量轴的间距，A1和A2分别是两个加速度传感器所测得的线性加速度。上式。

24、表示，对于给定的两个加速度传感器的分辨率，角加速度的检测精度取决于两个加速度传感器平行测量轴的间距D。很明显，该距离不能为零或太小。换言之，为保证角加速度的测量精度，这两个加速度传感器不能被封装在一个很小的器件内。发明内容0034本发明所要解决的技术问题是，克服上述现有技术的不足，提供一种新型的MEMS加速度传感器及其制作方法。该加速度传感器耐受冲击震动，低成本、高性能，说明书CN102023234ACN102023248A4/10页8易于生产，用途广泛。特别重要的是，通过将两个本发明的加速度传感器件背靠背，面对面，或处于同一平面上且其中一个加速度传感器沿扭矩轴翻转180度首尾正反向相接组装在。

25、一起，可同时检测物体的线性加速度和角加速度。将三对背靠背组装的加速度传感器件正交安装，可进行高达六个运动自由度线性加速度和角加速度的惯性测量。0035本发明解决上述技术问题所采取的技术方案是，提供一种新型的扭矩弹簧质量块支撑结构的一体结构MEMS加速度传感器件。该MEMS加速度传感器件具有多对共面电极以感测其差动电容的变化，并对传感器质量块转子施以静电力。该微机械结构的质量块是一带有切割空缺区的平面硅片。扭矩弹簧由一对带有两个分支的扭矩臂构成。该扭矩弹簧位于质量块的切割空缺区并连接于质量块和微机械结构的框架，这一创新结构不仅起到支撑质量块的功能，还减小了加速度传感器件的体积，从而降低其材料成本。

26、。这种带有两个分支的扭矩臂具有衰减扭矩轴向冲击震动的特性，从而改进了加速度传感器件的可靠性，增加了加速度传感器件在许多应用环境下的使用寿命。0036该MEMS加速度传感器件还包括一上部电极盖板和一下部电极盖板。上部电极盖板可有一对或多对共面电极板，称为第一共面电极板组。该电极板组对称地位于质量块上平面的上方，并平行于质量块角位移的参考平面。此参考平面即质量块角位移为零的平面位置。这些共面电极板与质量块上平面形成差动电容器组。质量块的角位移在相应的电容器组中引起其电容量的差动变化。因此，质量块的角位移可通过检测相应的差动电容而获得。此方法的优点之一，其差动电容检测的线性度优于图3所示的传统的加速。

27、度传感器件的差动电容检测的线性度。0037下部电极盖板可有一对或多对共面电极板，称为第二共面电极板组。该电极板组对称地位于质量块下平面的下方，并平行于质量块角位移的参考平面，即质量块角位移为零的平面位置。这些共面电极板与质量块下平面形成差动电容器组。质量块的角位移在相应的电容器组中引起其电容量的差动变化。该电极板组可在闭环反馈系统中专门用于静电加力。此外，第二共面电极组也可与第一共面电极组并联相接以增加电容检测的灵敏度。因此，该传感器件特殊的微机械结构为传感器件不同的应用提供了灵活性。本发明还提供了用一至六支本发明的MEMS加速度传感器件的不同的组装方法，以适用于多种用途。0038本发明提供了。

28、一体结构MEMS加速度传感器的微电子机械加工方法。应用该微电子机械加工技术，在单晶硅基板上制作扭矩弹簧质量块支撑结构，在单晶硅基板上制作具有多个共面电极的上、下电极盖板，并采用键合工艺制作该MEMS加速度传感器的一体结构。附图说明0039下面结合附图对本发明做进一步说明。0040图1为一典型的连续模拟力反馈MEMS加速度传感器系统框图。0041图2是一典型的数字力反馈MEMS加速度传感器系统框图。0042图3为一典型的体微加工MEMS差动电容加速度传感器件示意图。0043图4为一典型的差动电容检测电路图。0044图5为一典型的MEMS加速度传感器模拟静电施力示意图。说明书CN102023234。

29、ACN102023248A5/10页90045图6A为一典型的数字电路系统的向上静电施力示意图。0046图6B为一典型的数字电路系统的向下静电施力示意图。0047图7为本发明的扭矩弹簧质量块支撑结构的MEMS加速度传感器件的工作原理示意图。0048图8为图7所示本发明的具有多对共面电极的MEMS加速度传感器件的工作原理示意图。0049图9为本发明的MEMS加速度传感器件的外观立体图。0050图10为本发明的扭矩弹簧质量块支撑结构的平面俯视图。0051图11A为本发明MEMS加速度传感器件上部电极盖板的底视图。0052图11B为图11A所示的上部电极盖板沿AA面的截面图。0053图12为本发明M。

30、EMS加速度传感器件下部电极盖板的底视图。0054图13A图13C展示了本发明扭矩弹簧质量块支撑结构的加工步骤。0055图14A图14C展示了本发明的上、下电极盖板通孔及电极焊盘的加工步骤。0056图15A图15B展示了将两个本发明加速度传感器件背靠背地组装在一起可同时检测物体的线性加速度和角加速度的工作原理。0057图16是由两个MEMS加速度传感器件背靠背组装的、可同时检测物体的线性加速度和角加速度的传感器组件的系统框图。该系统包括两个背靠背组装的MEMS加速度传感器件，两个差动电容信号检测电路，两个调节及控制电路和一个简单的计算电路。0058图17A图17B展示了将三对背靠背组装的加速度。

31、传感器组件正交安装在一起可同时检测六个自由度的三维线性加速度和三维角加速度的工作原理。0059图18展示了两个并排组装在同一平面上的加速度传感器件可同时检测物体的线性加速度和角加速度的工作原理。这两个并排组装在同一平面上加速度传感器，其中之一沿其扭矩轴翻转180度。具体实施方式0060图1至图6B为现有技术，上面已经作了陈述。以下结合图7至图18描述本发明及其实施方案。图7和图8展示了本发明新型加速度传感器件的工作原理。图7中，质量块700由与微机械结构框架相连接的扭矩弹簧所支撑，图中703为质量块700的质量中心，扭矩轴701位于板型质量块700质量中心703的正上部。板型质量块700可围绕。

32、扭矩轴701旋转。检测结构可感测X轴方向的线性加速度A，如图7所示，此X轴平行于质量块板面而垂直于扭矩轴701，施加于板型质量块700X轴方向的线性加速度A，由此产生扭矩，并使得板型质量块700绕其扭矩轴701转动。该扭矩由下式确定，0061MAH00062其中，M是板型质量块700的质量，H0是质心703距扭矩轴701的距离。板型质量块700的角位移由以下二阶动态系统方程确定，00630064其中，DR是转动衰减系数，KR为机械扭矩弹性系数。当此系统静态平衡时，该角位移是线性加速度的函数A，为说明书CN102023234ACN102023248A6/10页1000650066如图8所示，一对。

33、第一共面电极801对称地位于板型质量块700平面的上方，并平行于板型质量块角位移参考平面。此参考平面即板型质量块位于上、下盖板的中间且其角位移为零的位置。每块第一共面电极801面对位于扭矩轴701两边的板型质量块上半平面。第一对共面电极801和板型质量块700形成第一差动电容组CTL和CTR。板型质量块700的角位移可通过检测这组电容的差动电容量来确定。当板型质量块700逆时针转动时，CTL的电容量增大，CTR的电容量减小，其差动电容由下式确定，00670068其中，是角位移，D0是第一共面电极801与板型质量块700上部平面间的名义间隙，L是电极的长度，A是单个共面电极的面积。如上式所示，式。

34、中第一项即三次谐波分量与线性部分之比是051。这表明，同图3所示的传统的MEMS加速度传感器差动电容检测结构与方法相比，本发明的差动电容检测结构与方法将第一项非线性三次谐波分量减小50。这里，第一共面电极801结构是通过感测差动电容量来精确检测板型质量块700角位移的关键。而对于图3所示传统的MEMS结构，其质量块302的纯转动使得上、下电容的电容量变化相同，从而其差动电容检测电路无法检测出质量块302的转动。0069如图8所示，一组第二共面电极802对称地位于板型质量块700平面的下方，并平行于板型质量块角位移参考位平面。此参考平面即板型质量块位于上、下盖板的中间且其角位移为零的位置。每块第。

35、二共面电极802面对位于扭矩轴701两边的、板型质量块下半平面。此第二组共面电极802和板型质量块700形成第二差动电容组CBL和CBR。这对电极可在闭环系统中用于静电施力。0070模拟静电力反馈可通过将前向电路的输出电压VO加于板型质量块700，并将参考电压VR加于第二共面电极组802见图8，来实现。其模拟静电力扭矩为00710072数字静电扭矩反馈则是通过幅值为VR的静电反馈电压VO产生的，此时VO的值是由前向电路输出的一位数字流来确定的。该数字静电力扭矩分别为007300740075共面电极802结构是扭矩力反馈的关键。当在共面电极802中一个电极如CBL的电极与板型质量块700之间施以。

36、最大的电压，并在共面电极802中另一个电极如CBR的电极与板型质量块700之间施以最小的电压时，板型质量块700所受扭矩力最大。0076很显然，第一共面电极组和第二共面电极组可以并联相接，并可通过分时多路开关交替进行电容检测和静电加力。说明书CN102023234ACN102023248A7/10页110077本发明MEMS加速度传感器件的组装结构如图9所示，上部电极盖板901键合在扭矩弹簧质量块支撑结构900的上部，下部电极盖板902键合在扭矩弹簧质量块支撑结构900的下部。0078扭矩弹簧质量块支撑结构900的平面俯视图如图10所示，扭矩弹簧质量块支撑结构900由支撑框架1003，平板型质。

37、量块1000和两个扭矩臂1001所组成。板型质量块1000具有质量中心，其X轴中心线为图中的1006，其Y轴中心线为图中的1007。0079扭矩臂1001由扭矩臂主干1005和与该主干1005相连接的两个分支臂1004组成，且位于板型质量块1000的切割空缺区域1002。该扭矩臂主干1005连接于微机械结构的框架1003，两个分支臂1004连接于板型质量块1000。因此，板型质量块由两支扭矩臂1001支撑于框架间，并形成沿Y轴中心线1007方向的扭矩轴。值得注意的是，扭矩轴位于板型质量块1000质量中心的正上部。0080扭矩臂1001对称地位于X轴中心线1006的两边，从而由板型质量块1000。

38、俯视图看，该对扭矩臂1001彼此镜像于X轴中心线1006。0081在本发明中，扭矩臂1001的两个分支臂1004被设置成直线臂并与扭矩臂1001的主干1005相垂直从而与其形成“T”型。两个分支臂1004还可以被设置成与扭矩臂1001的主干1005呈“个”或“丫”型。当两个分支臂1004与主干1005的夹角小于90度时，两个分支臂1004与扭矩臂1001的主干1005形成“个”型；当两个分支臂1004与主干1005的夹角大于90度时，两个分支臂1004与扭矩臂1001的主干1005形成“丫”型。扭矩臂1001内外拐角处均加工成圆弧形以减小应力集中。0082在本发明中，扭矩臂1001位于板型质量。

39、块1000的切割空缺区域1002内。此外，还可将扭矩臂1001臂的大部分设置在板型质量块1000之外。0083在本发明中，首选的板型质量块1000为矩形。此外，板型质量块1000还可被设计成对称于X轴和Y轴的其它形状。0084在本发明中，位于板型质量块1000的切割空缺区域1002形状与扭矩臂1001的轮廓相似而围绕在扭矩臂1001周围，以使板型质量块1000的板面为最大。此外，该切割空缺区域1002还可加工成矩形或对称于X轴和Y轴的其它形状。0085如图11A和图11B所示，上部电极盖板包括第一极板间隙1105，第一凹面区1106，和置于第一凹面区1106的第一共面电极板组1100。其中，第。

40、一凹面区1106面冲下对着平板型质量块，第一共面电极板组1100通过二氧化硅或氮化硅与硅片基底电绝缘。本发明将第一共面电极板组1100设置成两对共面电极组。上部电极盖板901中的每块电极板均包括一个与硅片基底电绝缘的通孔905。该通孔905中由多晶硅充填，用作机械封装及极板导电体。上部电极盖板901还包括位于极板上表面中心附近的焊盘903，第一导线组906连接于极板焊盘903和通孔905之间，见图9。0086上部电极盖板901的每块电极还具有均匀排列的非穿透孔矩阵1102，该第一非穿透孔矩阵1102设于所述第一凹面区1106，用于阻尼控制。上部电极盖板901每块电极板还具有一行程止停块1101。

41、，称之为行程止停块。上部电极盖板901的第一键合面1103与扭矩弹簧质量块支撑结构900上部的相应面键合在一起。0087下部电极盖板902的结构基本上与上部电极盖板901相似并与其相对称。下部电极盖板902包括第二极板间隙，第二凹面区，置于凹面区的多个电极板，其中该第二说明书CN102023234ACN102023248A8/10页12凹面区面冲上对着所述平板型质量块，该电极板通过介电材料与硅片基底电绝缘。本专利中，将第二共面电极板组设置成两对第二共面电极组。底部电极盖板902中的每块电极板均包括一个与硅片基底电绝缘的通孔1205。该通孔1205中由多晶硅充填用作机械封装及极板导电体。下部电极。

42、盖板902的每块电极还具有均匀排列的非穿透孔矩阵，该第二非穿透孔矩阵设于所述第二凹面区，用作阻尼控制。第二行程止停块位于电极板的第二凹面区。下部电极盖板902还包括位于极板下表面中心附近的焊盘1206，连接于极板焊盘1206和通孔1205之间的第二导线组1208，以及防止焊锡将底部电极间交叉连接的极板隔离槽904，该极板隔离槽904设置在下部电极盖板下表面，参见图12与图9。下部电极盖板902的第二键合面与扭矩弹簧质量块支撑结构900底部的相应面键合在一起。0088本发明提供了扭矩弹簧质量块支撑结构900的加工方法。如图13A图13C所示，扭矩弹簧质量块支撑结构900被加工在具有P层1301，。

43、P层1302，和P层的硅晶片上。首先如图13A所示，根据板型质量块1000的板形和其切割空缺区域1002，从多层硅晶片的底层P层1300刻蚀掉其厚度的8590。此工序由深度离子反应刻蚀DRIE工艺来完成。此DRIE工艺是一项非常普通的半导体加工工艺。然后如图13B所示，根据板型质量块1000的边缘板形，由氢氧化钾KOH湿法刻蚀工艺去掉剩余的1015厚度的P层1300至P层1302。在此道加工步骤中，P层1302起到终止此刻蚀的作用。KOH湿法刻蚀工艺也是一项非常普通的半导体加工工艺。晶片平面1304由KOH湿法刻蚀加工而成。最后如图13C所示，按照板型质量块1000与扭矩臂1001见图10的间。

44、隙1306尺寸，应用DRIE工艺由上至下精确地刻蚀掉P层1301和P层1302，从而形成具有扭矩臂部分1305的扭矩弹簧质量块支撑结构。0089本发明还提供了上部电极盖板901的加工方法。上部电极盖板901由普通的P型硅片加工而成。第一共面电极板组1100及其通孔905的加工步骤展示于图14A图14C。首先，在P型硅片1400的底部，通过两次计时湿法刻蚀工艺制成第一凹面区1106和第一组行程止停块1101。然后，应用DRIE工艺从晶片底部加工第一非穿透孔矩阵1102和第一组通孔905。此时，所有孔洞的刻蚀深度均为晶片厚度的7080。然后，如图14A所示，在第一穿透孔905的位置上，应用DRIE。

45、工艺从晶片顶部刻蚀一直径比非穿透孔较小的穿透孔洞1401从而形成了穿透孔1402，它将用于继续加工成第一组通孔905。然后，如图14B所示，将二氧化硅绝缘层1403沉积在穿透孔1402内壁和硅片基底表面。然后，如图14C所示，将多晶硅1404生长在穿透孔1402内和硅片基底表面上的二氧化硅绝缘层1403上，以形成封闭的第一组通孔905和第一共面电极板组1100。最后，在上部电极盖板901上镀金，形成焊盘903与连至通孔905的导线906。0090类似的加工方法也应用于制造下部电极盖板902。同样，下部电极盖板902由普通的P型硅片加工而成。首先，在P型硅片的顶部，通过两次计时湿法刻蚀工艺制成第。

46、二凹面区和第二组行程止停块。然后，应用DRIE工艺从晶片上部加工第二非穿透孔矩阵和第二组通孔1205。此时，所有孔洞的蚀刻深度均为晶片厚度的7080。然后，在第二通孔1205的位置上，应用DRIE工艺从晶片底部刻蚀一直径比非穿透孔较小的穿透孔洞，用于继续加工成第二组通孔1205。同时在底部刻蚀出用以防止焊锡将底部电极间的交叉连接的极板隔离槽904。然后，将二氧化硅绝缘层沉积在穿透孔内壁和硅片基底表面。然后，将多晶硅生长在穿透孔内和硅片基底表面上的二氧化硅绝缘层上，以形成说明书CN102023234ACN102023248A9/10页13封闭的第二组通孔1205和第二组电极板组。最后，在底部电极。

47、盖板902的底部镀金，形成焊盘1206与连至通孔1205的导线1208。0091在真空条件下采用单晶键合将上部电极盖板901、下部电极盖板902和扭矩弹簧质量块支撑结构900键合在一起以构成一体结构的MEMS加速度传感器件。单晶键合法也是一项常见的MEMS加工工艺。0092此外，还可用金熔接工艺在大气环境下将上部电极盖板901、下部电极盖板902和扭矩弹簧质量块支撑结构900熔接在一起，以构成MEMS加速度传感器件。金熔接法是一项非常普通的MEMS加工工艺。0093连接板型质量块1000的导线焊盘可通过硅片切割工艺切割成型并向上外露出来。硅切割工艺是一项非常普通的MEMS加工工艺。0094在实。

48、际应用中，MEMS传感器件可由焊锡与印刷线路板PCB连接并封装在一起，也可被封装在陶瓷壳体内以减小温度及其它环境的影响。0095电子信号检测控制电路检测所述电容式MEMS加速度传感器的电子信号，并对电子信号进行调节控制，并与MEMS传感器件一起构成一个电容式加速度传感器。0096本发明的MEMS传感器件可用在闭环模拟力反馈系统中构成模拟加速度传感器，见图1。当图1中MEMS传感器件100为本发明的加速度传感器件时，传感器结构的角位移便可由图4所示的差动电容检测电路101检测到。滤波器102即为一系统补偿器电路，例如典型的比例积分微分PID调节器电路。模拟扭矩力反馈可由反馈电路103执行，如图8。

49、所示。0097本发明MEMS传感器件还可用于闭环数字力反馈系统中以构成数字加速度传感器，如图2所示。当图2中MEMS传感器件200为本发明的加速度传感器件时，传感器结构的角位移便可由图4所示的差动电容检测电路201检测到。滤波器202即为一系统补偿器电路，如PID调节器电路。数字扭矩力反馈可由反馈电路203执行，如图8所示。0098本发明提供了用多个本发明的MEMS加速度传感器件的不同的组装方法，以适用于多种用途。0099本发明提出了一个由两个本发明加速度传感器件以两个上部电极盖板相贴合方式组装在一起的加速度传感器组件，或称作两个本发明加速度传感器背靠背组装。该组件可通过比较检测到的两个电子信号，同时检测物体的线性加速度和角加速度。图15A图15B展示了由两个本加速度传感器件1500和1502背靠背地组装在一起时，可同时检测和计算线性加速度与角加速度的工作原理。图中隔离层1501可为PCB。对于图15A中两个背靠背组装在一起的加速度传感器件，线性加速度A使这两个加速度传感器件1500和1502的输出幅度相同，但相位相反；而角加速度使它们的输出同幅同相，如图15B所示。假定，加速度传感器1500的输出是V1，加速度传感器1502的输出是V2，所测得的角加速度Y为01000101且线性加速度AX为0102。