专利名称：一种电容式双向微惯性传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于微电子机械技术领域，特别涉及一种超高分辨率的电容式双向微 惯性传感器。
背景技术：
电容式微惯性传感器是目前发展十分迅速、应用十分广泛的一种微电子机械器件，主要应用于汽车安全气囊、车辆稳定系统、数码产品的重力感应、游戏手柄的动作感应 等方面。相对于其他检测方式的微惯性传感器，如压阻、压电、热对流等，电容式微惯性传感 器具有温度系数小、灵敏度高、稳定性好、易于实现闭环检测等优点，是目前研发和市场应 用的热点。目前市场上超高分辨率的微惯性传感器一般只能进行单方向检测，而且这些器 件一般采用真空封装的形式，对封装技术的要求较高，提高了制作成本，同时由于真空封装 存在漏气的问题，会影响器件的工作寿命。电容式微惯性传感器的外围电路一般比较复杂，而外围电路噪声对传感器的整体 噪声具有重要的影响。为了得到较高的测量灵敏度和减小外围电路的复杂性，除采用增加 电极面积和减小电极之间的间距来获得较高的等效电容的方法外，还可以通过增大测试信 号电压的方法以减小电子噪声。而对于梳齿状的电容式传感器，测试信号电压增大产生的 非线性静电力对传感器的线性度、量程等的影响变的很明显，从而影响了器件的性能。而双 向(X-Y)敏感的惯性传感器有的采用两个单向器件惯性组合的方法，这种的方法组合时候 容易产生误差；有些传感器在设计时利用硅晶体的特性，加工倾斜面的支撑梁，从而达到双 向敏感的目的，但是这种方式空气压膜阻尼噪声大，测试信号电压容易产生非线性。
发明内容本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提供一种超高分辨率的双向微惯性传 感器。本实用新型包括正方形的硅质量块、锚点、U形硅支撑梁、玻璃衬底、铝电极、阻尼 梳齿。硅质量块四个边上分别设置有四根U形硅支撑梁，四根U形硅支撑梁分别与四个 锚点固定连接，硅质量块通过四根连接梁和四根U形硅支撑梁及四个锚点架设在玻璃衬底 上。硅质量块上设置有两个用于X方向敏感检测的栅形槽和两个用于Y方向敏感检测 的栅形槽；用于X方向敏感检测的栅形槽和用于Y方向敏感检测的栅形槽成田字形交错排 列。玻璃衬底上设置有四个检测模块，分别为通过铝线连接的两个X方向检测模块和 通过铝线连接的两个Y方向检测模块，所述的检测模块为玻璃衬底上的栅形铝电极。硅质量块上的两个用于X方向敏感检测的栅形槽分别与玻璃衬底上设置的两个X 方向检测模块位置对应，构成两组X方向检测差分检测电容；硅质量块上的两个用于Y方向敏感检测的栅形槽分别与玻璃衬底上设置的两个Y方向检测模块位置对应，构成两组Y方向检测差分检测电容。硅质量块上的用于X方向敏感检测的栅形槽和用于Y方向敏感检测的栅形槽在X 和Y方向上完全对称。所述的阻尼梳齿分布在硅质量块的边框四周，X方向的各个阻尼梳齿间通过铝连 接线连接，Y方向的各个阻尼梳齿间通过铝连接线连接。根据精度的不同调整梳齿的个数 和梳齿间的间距。当在质量块敏感方向上加载加速度信号时，硅质量块上栅形条和衬底间的电容因 叠加面积变化而变化，而通过检测电容变化来检测所加载的加速度的大小。本实用新型通过合理设计，使传感器在X和Y方向上具有相同的硅栅数目和总硅 栅面积，来实现了χ、γ方向上性能的对称。检测电容极板间的阻尼特性表现为滑膜阻尼，在 常压下具有较小的气体阻尼，从而减小了布朗噪声；由于敏感方向在XY平面，而测试信号 电压产生的非线性静电力在Z方向，从而可以通过增大测试电压来提高传感器的灵敏度， 而不会降低传感器的线性度。另外，通过改变支撑梁的尺寸还可以改变传感器的量程和响 应特性。本实用新型涉及的双向微惯性传感器结构新颖，分辨率和灵敏度高，制作工艺简 单，有利于降低成本和提高成品率，是一种可以实际应用的双向微惯性传感器。
图1为本实用新型的结构示意图；图2为图1中质量块的结构示意图；图3为图1中玻璃衬底上检测模块示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步说明。一种电容式双向微惯性传感器的结构如图1、2和3所示，图中1为质量块的外部 连接锚点，2为U形硅支撑梁，3为连接梁，4为X方向敏感的栅形槽，5为Y方向敏感的栅形 槽，6为可动阻尼梳齿，7为固定阻尼梳齿，8为铝连接线，9为质量块，10、11为X方向敏感的 栅形铝电极的引起焊点，12、13为Y方向敏感的栅形铝电极的引起焊点，14为质量块的引出 焊点，15为X方向敏感的栅形铝电极，16为Y方向敏感的栅形铝电极。该双向微惯性传感器主要包括正方形的硅质量块9、锚点1、U形硅支撑梁2、连接 梁3、玻璃衬底、X、Y方向铝电极4、5，固定阻尼梳齿7，可动阻尼梳齿6，X方向差分检测电 容的外部连接铝电极焊点10、11，Y方向差分检测电容的外部连接铝电极焊点12、13，质量 块的引出焊点14，Υ方向敏感的栅形槽5，铝连接线8，Χ方向敏感的栅形槽4，Υ方向敏感的 铝电极16，X方向敏感的铝电极15。 硅质量块9四个边上分别设置有四根U形硅支撑梁2，四根U形硅支撑梁分别与四 个锚点1固定连接，硅质量块通过四根连接梁3和四根U形硅支撑梁及四个锚点架设在玻 璃衬底上。 硅质量块上设置有两个用于X方向敏感检测的栅形槽4和两个用于Y方向敏感检测的栅形槽5 ；用于X方向敏感检测的栅形槽和用于Y方向敏感检测的栅形槽成田字形交 错排列。玻璃衬底上设置有四个栅形铝电极，分别为通过铝线连接的两个X方向栅形铝电 极15和通过铝线连接的两个Y方向栅形铝电极块16。硅质量块上的两个用于X方向敏感检测的栅形槽分别与玻璃衬底上设置的两个X 方向检测模块位置对应，构成两组X方向检测差分检测电容；硅质量块上的两个用于Y方向 敏感检测的栅形槽分别与玻璃衬底上设置的两个Y方向检测模块位置对应，构成两组Y方 向检测差分检测电容。硅质量块上的用于X方向敏感检测的栅形槽和用于Y方向敏感检测的栅形槽在X 和Y方向上完全对称。所述的可动阻尼梳齿6和固定阻尼梳齿7分布在硅质量块的边框四周，X方向的 各个阻尼梳齿间通过铝连接线8连接，Y方向的各个阻尼梳齿间通过铝连接线连接。根据 精度的不同调整梳齿的个数和梳齿间的间距。当在质量块敏感方向上加载加速度信号时，硅质量块上栅形条和衬底间的电容因 叠加面积变化而变化，而通过检测电容变化来检测所加载的加速度的大小。本实用新型通过合理设计，使传感器在X和Y方向上具有相同的硅栅数目和总硅 栅面积，来实现了χ、γ方向上性能的对称。检测电容极板间的阻尼特性表现为滑膜阻尼，在 常压下具有较小的气体阻尼，从而减小了布朗噪声；由于敏感方向在XY平面，而测试信号 电压产生的非线性静电力在Z方向，从而可以通过增大测试电压来提高传感器的灵敏度， 而不会降低传感器的线性度。另外，通过改变支撑梁的尺寸还可以改变传感器的量程和响 应特性。
权利要求一种电容式双向微惯性传感器，包括正方形的硅质量块、锚点、U形硅支撑梁、玻璃衬底、铝电极、阻尼梳齿，其特征在于硅质量块四个边上分别设置有四根U形硅支撑梁，四根U形硅支撑梁分别与四个锚点固定连接，硅质量块通过四根连接梁和四根U形硅支撑梁及四个锚点架设在玻璃衬底上；硅质量块上设置有两个用于X方向敏感检测的栅形槽和两个用于Y方向敏感检测的栅形槽；用于X方向敏感检测的栅形槽和用于Y方向敏感检测的栅形槽成田字形交错排列；玻璃衬底上设置有四个检测模块，分别为通过铝线连接的两个X方向检测模块和通过铝线连接的两个Y方向检测模块，所述的检测模块为玻璃衬底上的栅形铝电极；硅质量块上的两个用于X方向敏感检测的栅形槽分别与玻璃衬底上设置的两个X方向检测模块位置对应，构成两组X方向检测差分检测电容；硅质量块上的两个用于Y方向敏感检测的栅形槽分别与玻璃衬底上设置的两个Y方向检测模块位置对应，构成两组Y方向检测差分检测电容；硅质量块上的用于X方向敏感检测的栅形槽和用于Y方向敏感检测的栅形槽在X和Y方向上完全对称；所述的阻尼梳齿分布在硅质量块的边框四周，X方向的各个阻尼梳齿间通过铝连接线连接，Y方向的各个阻尼梳齿间通过铝连接线连接。
专利摘要本实用新型涉及一种电容式双向微惯性传感器。现有的传感器成本较高。本实用新型的硅质量块四个边上设置有四根U形硅支撑梁，硅质量块通过四根U形硅支撑梁和锚点架设在玻璃衬底上。硅质量块上交错设置有两个用于X方向敏感检测的栅形槽和两个用于Y方向敏感检测的栅形槽。玻璃衬底上设置有两个X方向检测模块和两个Y方向检测模块。用于X方向敏感检测的栅形槽与X方向检测模块位置对应，构成两组X方向检测差分检测电容；用于Y方向敏感检测的栅形槽与Y方向检测模块位置对应，构成两组Y方向检测差分检测电容。本实用新型制作工艺简单、分辨率和灵敏度高，并且成本较低。
文档编号G01P15/125GK201589787SQ200920295510
公开日2010年9月22日 申请日期2009年12月29日 优先权日2009年12月29日
发明者李永杰, 董林玺, 颜海霞 申请人:杭州电子科技大学