一种带耦合梁结构的单敏感质量元硅微二维加速度传感器

摘要

本发明公开了一种带耦合梁结构的单敏感质量元硅微二维加速度传感器，包括基底、固定支撑、惯性质量块和梳齿电容结构；惯性质量块为矩形结构，悬空设在基底的中部上方；惯性质量块的四侧分别设有梳齿电容结构，四个梳齿电容结构相对于惯性质量块对称分布；惯性质量块左侧和右侧的可动梳齿分别与对应侧的固定梳齿构成电容器Cx1和Cx2；惯性质量块后侧和前侧的可动梳齿分别与对应侧的固定梳齿构成电容器Cy1和Cy2。该传感器整体呈对称微结构，确保在两个检测方向的灵敏度一致；通过耦合梁连接惯性质量块与梳齿电容结构的齿枢，在实现单敏感质量元敏感X、Y两个方向加速度并完成差分电容检测的同时，能有效抑制交叉干扰。

权利要求

1.一种带耦合梁结构的单敏感质量元硅微二维加速度传感器，其特征在于：包括基底（1）、固定支撑（2）、惯性质量块（3）和梳齿电容结构；所述基底（1）为矩形结构，在其四角处分别设有两根竖直向上的固定支撑（2）；所述惯性质量块（3）为矩形结构，悬空设置在基底（1）的中部正上方，惯性质量块（3）的四个角与基底（1）的四个角一一对应，且基底（1）各个角的两根固定支撑（2）位于惯性质量块（3）的对应角的两侧；以基底（1）的左右为X 轴方向，前后为Y 轴方向；

所述惯性质量块（3）的四侧的中部分别设有垂直于与该惯性质量块（3）的侧边的凹槽（4），所述惯性质量块（3）的四侧、且在相对应侧的两根固定支撑（2）之间分别设有梳齿电容结构，四个梳齿电容结构相对于惯性质量块（3）对称分布；

所述梳齿电容结构包括可动齿枢（5）、固定齿枢（6）、可动梳齿（7）、固定梳齿（8）、U形结构的耦合梁（9）和U形结构的折叠梁（10）；每个梳齿电容结构中的耦合梁（9）为两个，分别位于惯性质量块（3）对应侧的凹槽（4）内，且开口向外；U形结构的耦合梁（9）的一端连接在惯性质量块（3）上，另一端连接在惯性质量块（3）对应侧边外设置的可动齿枢（5）上；

所述可动齿枢（5）的两端分别通过折叠梁（10）连接在相对应侧的固定支撑（2）上；所述可动齿枢（5）两端的折叠梁（10）开口相对，折叠梁（10）的一端连接在可动齿枢（5）的端部，另一端连接在对应侧的固定支撑（2）上；所述可动齿枢（5）上设有至少一个垂直于惯性质量块（3）对应侧边的可动齿枢外延板（12），所述可动齿枢外延板（12）上均布设有数个平行于惯性质量块（3）对应侧边的可动梳齿（7）；所述固定齿枢（6）设在可动齿枢（5）的外侧，固定齿枢（6）的底部固定在基底（1）上，所述固定齿枢（6）上设有至少一个垂直于惯性质量块（3）对应侧边的固定齿枢外延板（13），所述固定齿枢外延板（13）上均布设有数个平行于惯性质量块（3）对应侧边的固定梳齿（8）；所述可动齿枢外延板（12）上的可动梳齿（7）分别与对应侧的固定梳齿（8）交叉分布构成电容器；

所述惯性质量块（3）左侧的可动梳齿（7）和固定梳齿（8）构成电容器Cx1；右侧的可动梳齿（7）和固定梳齿（8）构成电容器Cx2；惯性质量块（3）后侧的可动梳齿（7）和固定梳齿（8）构成电容器Cy1；前侧的可动梳齿（7）和固定梳齿（8）构成电容器Cy2；

所述可动齿枢外延板（12）的外端部伸入矩形框结构的限位止挡（11）内，可动齿枢外延板（12）的外端部设有一可在矩形框结构的限位止挡（11）内移动的限位板（14）；所述限位板（14）在对应的敏感方向上与矩形框结构的限位止挡（11）的内侧之间的距离小于可动梳齿（7）与相邻的固定梳齿（8）之间的最小距离。

2.根据权利要求1所述的带耦合梁结构的单敏感质量元硅微二维加速度传感器，其特征在于：所述可动梳齿（7）与对应侧的固定梳齿（8）形成定齿偏置结构。

说明书

一种带耦合梁结构的单敏感质量元硅微二维加速度传感器

技术领域

[0001] 本发明属于MEMS传感器技术领域，尤其涉及一种带耦合梁结构的单敏感质量元硅微二维加速度传感器。

背景技术

[0002] 目前，单轴微型加速度传感器的技术比较成熟。但在一些特殊的应用场合，如飞行器姿态控制、导弹制导、战场机器人等，往往需要检测两个方向的加速度。如果仅仅采用早期的组合方式，即将两只单轴微型加速度传感器相互正交装配在一起，不仅传感器性能受装配精度的影响极大，而且存在集成度低、体积大、一致性差等问题。因此，二维集成式微型加速度传感器成为研究热点。

[0003] 现有的二维集成式微型加速度传感器，无论是在同一基片上制作两个独立的加速度传感器，还是采用单敏感质量元实现对两个方向加速度的检测，都存在交叉干扰严重的问题。因此，抑制交叉干扰是二维集成式微型加速度传感器研制中需要重点解决的问题。

发明内容

[0004] 针对二维集成式微型加速度传感器研制的关键技术问题，本发明提供了一种能有效抑制交叉干扰的带耦合梁结构的单敏感质量元硅微二维加速度传感器。

[0005] 本发明采用了如下技术方案：一种带耦合梁结构的单敏感质量元硅微二维加速度传感器，包括基底、固定支撑、惯性质量块和梳齿电容结构；所述基底为矩形结构，在其四角处分别设有两根竖直向上的固定支撑；所述惯性质量块为矩形结构，悬空设置在基底的中部正上方，惯性质量块的四个角与基底的四个角一一对应，且基底各个角的两根固定支撑位于惯性质量块的对应角的两侧；以基底的左右为X轴方向，前后为Y轴方向；

[0006] 所述惯性质量块的四侧的中部分别设有垂直于与该惯性质量块的侧边的凹槽，所述惯性质量块的四侧、且在相对应侧的两根固定支撑之间分别设有梳齿电容结构，四个梳齿电容结构相对于惯性质量块对称分布；

[0007] 所述梳齿电容结构包括可动齿枢、固定齿枢、可动梳齿、固定梳齿、U形结构的耦合梁和U形结构的折叠梁；每个梳齿电容结构中的耦合梁为两个，分别以与惯性质量块对应侧边相垂直的方式插入该惯性质量块侧边的两个凹槽内，且耦合梁的开口向外；U形结构的耦合梁的一端连接在惯性质量块上，另一端连接在惯性质量块对应侧边外设置的可动齿枢上；所述可动齿枢的两端分别通过折叠梁连接在相对应侧的固定支撑上；所述可动齿枢两端的折叠梁开口相对，折叠梁的一端连接在可动齿枢的端部，另一端连接在对应侧的固定支撑上；所述可动齿枢上设有至少一个垂直于惯性质量块的对应侧边的可动齿枢外延板，所述可动齿枢外延板上均布设有数个平行于惯性质量块对应侧边的可动梳齿；所述固定齿枢设在可动齿枢的外侧，固定齿枢的底部固定在基底上，所述固定齿枢上设有至少一个垂直于惯性质量块对应侧边的固定齿枢外延板，所述固定齿枢外延板上均布设有数个平行于惯性质量块的对应侧边的固定梳齿；所述可动齿枢外延板上的可动梳齿分别与对应侧的固定梳齿交叉分布构成电容器；

[0008] 所述惯性质量块左侧的可动梳齿和固定梳齿构成电容器Cx1；右侧的可动梳齿和固定梳齿构成电容器Cx2；惯性质量块后侧的可动梳齿和固定梳齿构成电容器Cy1；前侧的可动梳齿和固定梳齿构成电容器Cy2。电容器Cx1和电容器Cx2构成X 方向的差分电容以检测X 方向的加速度，电容器Cy1和电容器Cy2构成Y 方向的差分电容以检测Y 方向的加速度。

[0009] 作为本发明的一种优选方案，所述可动梳齿与对应侧的固定梳齿形成定齿偏置结构。

[0010] 作为本发明的又一种优选方案，所述梳齿电容结构还包括限位止挡，所述限位止挡为矩形框结构；所述可动齿枢外延板的外端部伸入矩形框结构的限位止挡内，可动齿枢外延板的外端部设有一可在矩形框结构的限位止挡内移动的限位板；所述限位板在对应的敏感方向上与矩形框结构的限位止挡的内侧之间的距离小于可动梳齿与相邻的固定梳齿之间的最小距离。

[0011] 本发明提供的一种带耦合梁结构的单敏感质量元硅微二维加速度传感器，与现有技术相比，具有如下优点：

[0012] 1、整体呈对称微结构，确保该传感器在两个检测方向的灵敏度一致；通过耦合梁连接惯性质量块与梳齿电容结构的齿枢，在实现惯性质量块敏感X、Y 两个方向加速度并完成差分电容检测的同时，能有效抑制交叉干扰。

[0013] 2、通过限位止挡实现过载保护，避免因可动梳齿和固定梳齿发生接触而导致传感器失效。

[0014] 3、以定齿偏置梳齿结构形成差分电容，可实现高的检测灵敏度，并具有很好的工艺性。

附图说明

[0015] 图1为带耦合梁结构的单敏感质量元硅微二维加速度传感器的横截面的结构示意图；

[0016] 图2为本发明的等效电学模型图。

具体实施方式

[0017] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明。 [0018] 图1为带耦合梁结构的单敏感质量元硅微二维加速度传感器的横截面的结构示意图，如图所示。带耦合梁结构的单敏感质量元硅微二维加速度传感器包括基底1、固定支撑2、惯性质量块3和梳齿电容结构。基底1为矩形结构，在其四角处分别设有两根竖直向上的固定支撑2。惯性质量块3为矩形结构，悬空设置在基底1的中部正上方，惯性质量块3的四个角与基底1的四个角一一对应，且基底1各个角的两根固定支撑2位于惯性质量块3的对应角的两侧。以基底1的左右为X轴方向，前后为Y 轴方向。惯性质量块3的四侧的中部分别设有垂直于与该惯性质量块3的侧边的凹槽4，惯性质量块3的四侧、且在相对应侧的两根固定支撑2之间分别设有梳齿电容结构，四个梳齿电容结构相对该惯性质量块3对称分布。

[0019] 其中，梳齿电容结构包括可动齿枢5、固定齿枢6、可动梳齿7、固定梳齿8、U形结构的耦合梁9、U形结构的折叠梁10和限位止挡11。每个梳齿电容结构中的耦合梁9为两个，分别以与惯性质量块3对应侧边相垂直的方式插入该惯性质量块3对应侧边的两个凹槽4内，且耦合梁9的开口向外（以惯性质量块3的左右两侧为例，耦合梁9沿X 方向设置；以惯性质量块3的前后两侧为例，耦合梁9沿Y方向设置）。U形结构的耦合梁9的一端连接在惯性质量块3上，另一端连接在惯性质量块3对应侧边外设置的可动齿枢5上。可动齿枢5的两端分别通过折叠梁10连接在相对应侧的固定支撑2上，可动齿枢5两端的折叠梁10的开口相对，折叠梁10的一端连接在可动齿枢5的端部，另一端连接在对应侧的固定支撑2上。以惯性质量块3的右侧为例，则可动齿枢5的两端是指可动齿枢5的前后两端，可动齿枢5两端的折叠梁10的开口相对是指两个折叠梁10沿Y 方向设置，且两个折叠梁
10的开口在Y方向对应。可动齿枢5上设有至少一个垂直于惯性质量块3的对应侧边的可动齿枢外延板12（本实施例中，每个梳齿电容结构中画出两个可动齿枢外延板），可动齿枢外延板12上均布设有数个平行于惯性质量块3对应侧边的可动梳齿7（本实施例中，每个可动齿枢外延板12上均布设有十二个可动梳齿7）。固定齿枢6设在可动齿枢5的外侧，固定齿枢6的底部固定在基底1上，固定齿枢6上设有至少一个垂直于惯性质量块3的对应侧边的固定齿枢外延板13，固定齿枢外延板13上均布设有数个平行于惯性质量块3的侧边的固定梳齿8（本实施例中，固定齿枢6的中部设有一个固定齿枢外延板，固定齿枢的两侧分别设有一个固定齿枢外延板；中部设置的固定齿枢外延板上均布十二个固定梳齿，两侧的固定齿枢外延板的内侧分别均布设有六个固定梳齿）。可动齿枢外延板12上的可动梳齿
7分别从一侧插入固定齿枢外延板13上的固定梳齿8内，并与对应侧的固定梳齿8交叉分布构成电容器。

[0020] 限位止挡11为矩形框结构，可动齿枢外延板12的外端部伸入矩形框结构的限位止挡11内，可动齿枢外延板12的外端部设有一可在矩形框结构的限位止挡11内移动的限位板14。限位板14在对应的敏感方向上与矩形框结构的限位止挡11的内侧之间的距离小于可动梳齿7与相邻的固定梳齿8之间的最小距离。以惯性质量块3的右侧为例，限位板14在X方向上移动过程中与矩形框结构的限位止挡11的内侧的左侧或右侧之间的距离小于可动梳齿7与相邻的固定梳齿8之间的最小距离。惯性质量块3的左右两侧的限位板14和限位止挡11构成了X 方向的止挡结构，实现了对惯性质量块3（亦即可动梳齿7）在X方向的运动限位，可防止在X 方向较强冲击下惯性质量块3的左右两侧的折叠梁10断裂，并避免因左右两侧的可动梳齿7和固定梳齿8发生接触而导致传感器失效。惯性质量块3的前后两侧的限位板14和限位止挡11构成了Y 方向的止挡结构，实现了对惯性质量块3（亦即可动梳齿7）在Y方向的运动限位，可防止在Y 方向较强冲击下惯性质量块3前后两侧的折叠梁10断裂，并避免因前后两侧的可动梳齿7和固定梳齿8发生接触而导致传感器失效。

[0021] 惯性质量块3左侧的可动梳齿7和固定梳齿8构成电容器Cx1；右侧的可动梳齿7和固定梳齿8构成电容器Cx2；惯性质量块3后侧的可动梳齿7和固定梳齿8构成电容器Cy1；前侧的可动梳齿7和固定梳齿8构成电容器Cy2。电容器Cx1和电容器Cx2构成X方向的差分电容以检测X 方向的加速度，电容器Cy1和电容器Cy2构成Y方向的差分电容以检测Y 方向的加速度，其等效电学模型如图2所示。

[0022] 本实施例中，可动梳齿7与对应侧的固定梳齿8形成定齿偏置结构。以定齿偏置梳齿结构形成差分电容，可实现高的检测灵敏度，并具有很好的工艺性。

[0023] 当惯性质量块3受到X 方向的加速度作用时，惯性质量块3前后的耦合梁9在XY平面内发生弯曲，惯性质量块3相对于基底1沿X 方向运动，惯性质量块3左右的耦合梁9将这种运动耦合到X方向检测电容器的可动梳齿7。由于左右两侧的折叠梁10在X方向刚度小而Y 方向刚度相对较大，所以左右两侧的可动梳齿7在X 方向的运动被允许而在Y 方向的位移受到限制，导致X 方向的电容器Cx1、电容器Cx2的电容值一个增大，一个减小。在左右两侧的固定齿枢6上分别设有固定电极引线点15，通过检测电容器Cx1、电容器Cx2的差分电容变化即可检测X 方向的加速度。左右两侧的限位止挡11，可防止在X 方向较强冲击下左右两侧的折叠梁10断裂，并避免因左右两侧的可动梳齿7和固定梳齿8发生接触而导致传感器失效。

[0024] 同理，当惯性质量块3受到Y方向的加速度作用时，惯性质量块3左右两侧的耦合梁9在XY 平面内发生弯曲，惯性质量块3相对于基底1沿Y 方向运动，惯性质量块3前后的耦合梁9将这种运动耦合到Y方向检测电容器的可动梳齿7。由于前后两侧的折叠梁10在Y 方向刚度小而X方向刚度相对较大，所以前后两侧的可动梳齿7在Y 方向的运动被允许而在X 方向的位移受到限制，导致Y方向的电容器Cy1、电容器Cy2的电容值一个增大，一个减小。在前后两侧的固定齿枢6上分别设有固定电极引线点15，通过检测电容器Cy1、电容器Cy2的差分电容变化即可检测Y方向的加速度。前后两侧的限位止挡11，可防止在Y方向较强冲击下前后两侧的折叠梁10断裂，并避免因前后两侧的可动梳齿7和固定梳齿8发生接触而导致传感器失效。

[0025] 该加速度传感器通过微机械加工技术制作在一个芯片上，传感器芯片的制作工艺：

[0026] 以N型（100）双面抛光硅片作为衬底材料，基于体硅工艺加工带耦合梁结构的单敏感质量元硅微二维加速度传感器芯片。主要工艺步骤包括：

[0027] （1）双面热氧化硅片；

[0028] （2）光刻，采用HF腐蚀液，去掉传感器可动结构区域的SiO2，形成腐蚀窗口；

[0029] （3）湿法腐蚀Si，形成键合固定支撑，并采用HF腐蚀液去除热氧化SiO2层；

[0030] （4）采用剥离法在玻璃上制作Ti/Pt/Au电极引线；

[0031] （5）硅—玻璃静电键合；

[0032] （6）湿法减薄Si至所需结构层厚度；

[0033] （7）蒸发Al，光刻、腐蚀形成深刻蚀掩膜；

[0034] （8）ICP深刻蚀释放结构。

[0035] 最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。