一种低阻尼电容式加速度传感器及其制备方法与流程

本发明涉及电容式加速度传感器，尤其涉及一种低阻尼电容式加速度传感器及其制备方法。

背景技术：

电容式加速度传感器具有体积小、测量精度高、灵敏度高、功耗低、稳定性好、温度系数小等优点，是目前研究得较多的一类加速度传感器，广泛应用于石油勘探、地震监测、汽车电子、消费类产品、导航等领域。实践证明，由于自身的结构和现有工艺的缺陷，现有的电容式加速度传感器普遍存在下述问题：其一，现有的电容式加速度传感器只采用变间距式或变面积式这样单一的电容传感器结构，不能达到较高的灵敏度；其二，现有的电容式加速度传感器的电容极板都是平整的，不能有效地减小空气阻尼；其三，由于现有的干法刻蚀工艺的限制，现有的电容式加速度传感器想要得到较大的初始电容，电容极板容易发生倾斜，因此难以得到较大的初始电容；其四：现有的电容式加速度传感器的初始电容都是固定值，工艺完成后就无法调节。基于此，为了解决现有电容式加速度传感器存在的上述问题，有必要发明一种全新的电容式加速度传感器。

技术实现要素：

目的：为了解决现有技术的不足，提供了一低阻尼电容式加速度传感器及其制备方法，器件制作工艺简单，克服了现有工艺的限制，具有低阻尼、噪声小、灵敏度高等特点。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种低阻尼电容式加速度传感器，其特征在于：包括变间距式和变面积式电容结构；所述的低阻尼电容式加速度传感器的中间部分采用栅状的变面积式电容结构，所述低阻尼电容式加速度传感器左右两侧采用梳齿状的变间距式电容结构。采用复合式结构有效提高传感器的灵敏度。

所述梳齿状变间距式电容结构包括梳齿状的可动电极和梳齿状的固定电极，将驱动器置于可动电极和固定电极上，并通过设置驱动器的驱动电压减小两电极的初始间距的方式，增大传感器工作的初始电容值，以提高传感器的灵敏度，固定电极中间部分设有挡板。驱动器对两电极间距的调节作用，克服了干法刻蚀工艺对高深宽比梳齿状电极结构制备的难题；防止可动电极与固定电极吸合。

所述的梳齿状的固定电极的极板设有倒三角形凹槽，根据槽板阻尼力系数修正公式和基于电容边缘效应的电容修正公式其中μ为空气分子的粘滞系数，l1为凹槽沿宽度，w为极板宽度，d0为常规极板的间距，n为开槽个数，l2为凹槽的宽度，d1为凹槽的深度，ε为相对介电常数，ε0为真空介电常数,l为极板有效感应长度。设计出梳齿状变间距式电容结构的主要参数范围为：l1<7um、d1<10um、n＝10。与已报道的矩形凹槽结构相比，所设计倒三角形变间距式电容结构的压膜阻尼系数降低了两个数量级，有效降低传感器件的系统噪声。同时，采用mems工艺制备这两种凹槽结构时，倒三角形凹槽结构具有更好的保真度。

所述变面积式电容结构包括栅状可动电极和栅状固定电极，可动电极为栅状结构体硅质量块，可动电极固定电极溅射在玻璃衬底的上表面。将变间距式和变面积式电容结构组合能够有效提高加速度传感器的灵敏度。

作为优选方案，所述的低阻尼电容式加速度传感器，还包括玻璃衬底及其上表面的铝电极、铝电极上的第一电极引线点、固定于玻璃衬底上的第一锚点和第二锚点、第一锚点上的第二电极引线点、第二锚点上的第三电极引线点、悬于铝电极上方的可沿纵向运动的硅敏感质量块、将第一锚点和硅敏感质量块相连的第一u形硅悬臂梁、悬于铝电极上方的可沿纵向运动的硅固定电极、将第二锚点与硅固定电极相连的第二u形硅悬臂梁、第二u形硅悬臂梁上的第二铝导线、硅固定电极上的第一铝导线；

作为优选方案，所述的低阻尼电容式加速度传感器，所述电极引线点采用铝材质；

作为优选方案，所述低阻尼电容式加速度传感器，其特征在于：所述锚点采用体硅材质；所述第一锚点关于硅敏感质量块的横向中心线成中心对称；所述第二锚点位于硅固定电极的四处角落；

作为优选方案，所述的低阻尼电容式加速度传感器，所述硅敏感质量块包括水平且等间距的栅状可动极板，连接栅状可动极板的第一矩形边框和边框两侧的水平且等间距的梳齿状可动极板；所述栅状可动极板组成栅状可动电极；所述梳齿状可动极板组成梳齿状可动电极；边框的每侧设有两组可动极板组，两组可动极板组关于硅敏感质量块的横向中心线对称；边框两侧的可动极板组关于硅敏感质量块的纵向中心线对称。

作为优选方案，所述低阻尼电容式加速度传感器，所述硅固定电极与每组可动极板一一对应设置，在驱动器的驱动下，硅固定电极上下运动，硅固定电极靠近硅敏感质量块这侧设有与每组可动极板数目相同的梳齿状固定极板；所述的梳齿状固定极板组成梳齿状固定电极，每组梳齿状固定极板与梳齿状可动极板对应交叉设置形成电容，每组电容的数目与可动极板的数目相同，边框每侧的两组电容一一对应形成差分结构；所述的梳齿状固定极板与梳齿状可动极板在无驱动器驱动下的距离为24μm，通过调节驱动器电压，可将两极板间距调节到4μm以下，根据电容公式可知，电容初始值可增加6倍及以上，其中ε为相对介电常数，ε0为真空介电常数，a为电容极板的相对面积，d为两极板之间的距离。

作为优选方案，所述的低阻尼电容式加速度传感器，：所述铝电极包括水平且等间距的栅状固定极板、连接栅状固定极板的第二矩形边框和边框两侧的矩形铝电极；所述栅状固定极板与栅状可动极板对应错位设置形成差分电容；所述栅状固定极板组成栅状固定电极；

作为优选方案，所述的低阻尼电容式加速度传感器，所述硅固定电极内部设有矩形挡板，矩形挡板防止梳齿状可动极板与梳齿状固定极板吸合；所述的矩形挡板与硅固定电极在无驱动器驱动下的距离为20μm；

作为优选方案，所述的低阻尼电容式加速度传感器，所述硅固定电极上的第一铝导线横向设置于靠近硅敏感质量块的横向中心线这侧并和第二u形硅悬臂梁上的第二铝导线相互连接；所述第二u形硅悬臂梁上的第二铝导线设置于靠近硅敏感质量块的横向中心线这侧；

上述的低阻尼电容式加速度传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤a)、选取双抛硅片，300μm的进口硅，电阻率小于0.01ω.cm，清洗硅片，然后在硅片的正背面形成2μm的氧化层。双抛硅片为n型(100)双抛硅片。

步骤b)、第一次光刻，最小线宽10μm，硅片背面涂胶，烘3分钟；硅片正面涂胶，前烘、后烘后，光刻板光刻硅片背面，形成悬浮区域；腐蚀二氧化硅；

步骤c)、腐蚀硅，腐蚀深度为4μm；腐蚀硅前清洗干净；

步骤d)、背面去胶，腐蚀掉二氧化硅，清洗硅片；

步骤e)、选取厚度为500μm的pyrex7740玻璃片，标准清玻璃片，玻璃片正面溅射铝，铝的厚度为2μm；

步骤f)、第二次光刻，腐蚀部分铝；

步骤g)、硅片背面和玻璃正面进行静电键合，保证硅片背面没有sio2，且两键合面都干净的情况下键合才牢靠；

步骤h)、清洗键合片，腐蚀硅片正面的二氧化硅，腐蚀完后继续清洗键合片；

步骤i)、硅片正面溅射铝，厚度为2μm；

步骤j)、第三次光刻，和第二次光刻板上的光刻图形精确对准，腐蚀掉部分铝，并清洗；第四次光刻，用厚胶，控制前烘、后烘时间，在深反应离子刻蚀以前观察图形边缘有否变形，塌陷；厚胶的厚度根据掩膜300μm硅片的深反应离子刻蚀来确定；利用深反应离子刻蚀工艺至结构释放，硅片厚度为300μm；等离子体去胶，＝并分片。深反应离子刻蚀为drie的中文释义。

采用以上技术方案，本发明的有益效果为：本发明提供的低阻尼电容式加速度传感器及其制备方法，采用变面积式和变间距式电容结构结合的复合式结构，相对于其它单一结构的有效的提高了电容式加速度传感器的灵敏度。本发明将驱动器置于梳齿状可动电极和梳齿状固定电极上，并通过设置驱动器的驱动电压调节两电极的初始间距，增大传感器工作的初始电容值，以提高传感器的灵敏度。本发明驱动器对两电极间距的调节作用，克服了干法刻蚀工艺对高深宽比梳齿状结构制备的难题。本发明在固定极板上制作出凹槽，凹槽采用倒三角形，与已报道的矩形凹槽结构相比，所设计倒三角形变间距式电容结构的压膜阻尼系数降低了两个数量级，有效降低传感器件的系统噪声。同时，本发明采用mems工艺制备这两种凹槽结构时，倒三角形凹槽结构具有更好的保真度。

附图说明

图1是本发明所述的一种低阻尼电容式加速度传感器的结构示意图。

图2是本发明所述的一种低阻尼电容式加速度传感器的复合式电极结构示意图。

图3是本发明所述的一种低阻尼电容式加速度传感器的铝电极结构示意图。

图4是图3中g区域的放大图。

图5是本发明所述的一种低阻尼电容式加速度传感器的剖面示意图。

图6是本发明所述的一种低阻尼电容式加速度传感器的变间距式电容的差分结构示意图。

图7是本发明所述的一种低阻尼电容式加速度传感器的槽型结构示意图，图2中f部分的放大图。

图8是本发明所述的一种低阻尼电容式加速度传感器的变面积式电容的极板结构示意图，图1中h部分的放大图。

图9是本发明所述的一种低阻尼电容式加速度传感器的变面积式电容的极板结构左视图。

图10是硅片背面结构示意图。

图11是本发明所述的一种低阻尼电容式加速度传感器的电极引线点以及铝导线分布示意图。

图12是本发明所述的一种低阻尼电容式加速度传感器的工艺流程图。

图中：1-第一电极引线点，2-第二电极引线点，3-第三电极引线点，4-第一铝导线，5-第二铝导线，6-第一锚点，7-第二锚点，8-硅敏感质量块，9-第一u形硅悬臂梁，10-硅固定电极，11-第二u形硅悬臂梁，12-横向中心线，13-栅状可动极板，14-第一矩形边框，15-梳齿状可动极板，16-纵向中心线，17-梳齿状固定极板，18-矩形挡板,19-铝电极，20-矩形铝电极，21-栅状固定极板，22-第二矩形边框，23-玻璃衬底，24-硅片，25-二氧化硅，26-电极引线点和铝导线。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明进一步说明，但本发明决非仅限于所介绍的实施例。

实施例1：

结合图1至图5，对本发明的整体结构进行说明。

一种低阻尼电容式加速度传感器包括玻璃衬底23及其上表面的铝电极19、铝电极19上的第一电极引线点1、固定于玻璃衬底23上的第一锚点6和第二锚点7、第一锚点6上的第二电极引线点2、第二锚点7上的第三电极引线点3、悬于铝电极19上方的可沿纵向运动的硅敏感质量块8、将第一锚点6和硅敏感质量块8相连的第一u形硅悬臂梁9、悬于铝电极19上方的可沿纵向运动的硅固定电极10、将第二锚点7与硅固定电极10相连的第二u形硅悬臂梁11、第二u形硅悬臂梁11上的第二铝导线5、硅固定电极10上的第一铝导线4。

第一锚点6关于硅敏感质量块8的横向中心线12成中心对称，第二锚点7位于硅固定电极10的四处角落。

硅敏感质量块8由水平且等间距的栅状可动极板13，连接栅状可动极板13的第一矩形边框14和边框14两侧的水平且等间距的梳齿状可动极板15组成。多个栅状可动极板13组成栅状可动电极；多个梳齿状可动极板15组成梳齿状可动电极。边框14的每侧存在两组可动极板组，两组可动极板组关于硅敏感质量块8的横向中心线12对称，边框14两侧的可动极板组关于硅敏感质量块8的纵向中心线16对称。

硅固定电极10与每组可动极板一一对应设置，在驱动器的驱动下，硅固定电极10上下运动，硅固定电极10靠近硅敏感质量块8这侧设有与每组可动极板数目相同的梳齿状固定极板17，多个梳齿状固定极板17组成梳齿状固定电极。每组梳齿状固定极板17与梳齿状可动极板15对应交叉设置形成电容，每组电容的数目与可动极板15的数目相同，边框14每侧的两组电容一一对应形成差分结构，梳齿状固定极板17与梳齿状可动极板15在无驱动器驱动下的距离为24μm。硅固定电极10内部设有矩形挡板18，防止梳齿状可动极板15与梳齿状固定极板17吸合，矩形挡板18与硅固定电极10在无驱动器驱动下的距离为20μm。硅固定电极10上的第一铝导线4横向设置于靠近硅敏感质量块8的横向中心线12这侧并和第二u形硅悬臂梁11上的第二铝导线5相互连接，第二u形硅悬臂梁11上的第二铝导线5设置于靠近硅敏感质量块8的横向中心线12这侧。

铝电极19由水平且等间距的栅状固定极板21、连接栅状固定极板21的第二矩形边框22和边框22两侧的矩形铝电极20组成。栅状固定极板21与栅状可动极板13对应错位设置形成差分电容，多个栅状固定极板21组成栅状固定电极。

根据电容公式(其中ε为相对介电常数，ε0为真空介电常数，a为电容极板的相对面积，d为两极板之间的距离)，当传感器接收到加速或减速运动时，第一u形硅悬臂梁9及硅敏感质量块8由于惯性与硅固定电极10和铝电极19发生相对运动，其导致梳齿状固定极板17与梳齿状可动极板15之间的间距发生变化，导致栅状固定极板21与栅状可动极板13的相对面积发生变化，从而使得其电容值发生相应变化，通过检测电容值的变化可以推导出传感器所处环境加速度值的大小。

结合图1、图2和图6，对本发明中变间距式电容结构进行说明。

如图1中的区域b所示，第二u形硅悬臂梁11固定在第二锚点7上，第二锚点7固定在玻璃衬底23上，第二锚点7上设有第三电极引线点3，第二u形硅悬臂梁11上设有第二铝导线5。矩形挡板18位于硅固定电极10中心部分，矩形挡板18的作用是防止硅敏感质量块8与硅固定电极10吸合，硅固定电极10与硅敏感质量块8形成梳齿状结构，区域d中的梳齿状固定极板17位于梳齿状可动极板15的下方，区域e梳齿状固定极板17位于梳齿状可动极板15的上方，组合在一起形成差分电容结构。当加速度到来时，根据电容公式(其中ε为相对介电常数，ε0为真空介电常数，a为电容极板的相对面积，d为两极板之间的距离)，硅敏感质量块8会根据加速度的方向进行运动，使得梳齿状可动极板15与梳齿状固定极板17的间距发生了变化。若硅敏感质量块8向下运动，硅敏感质量块8远离区域e的固定极板17(b)，但靠近区域d的固定极板17(a)，因此形成了差分结构，通过检测电容值的变化可以推导出传感器所处环境加速度值的大小。在第二电极引线点2和引第三电极引线点3加上驱动电压可以调节梳齿状固定极板17与梳齿状可动极板15的初始间距，增大传感器工作的初始电容值，以提高传感器的灵敏度；驱动电压对梳齿状固定极板17与梳齿状可动极板15间距的调节作用，克服了mems工艺对高深宽比梳齿状结构制备的难题。硅固定电极10与矩形挡板18的最大距离是20μm，梳齿状固定极板17与梳齿状可动极板15的最大距离是24μm，通过调节驱动器电压，可将两极板间距调节到4μm以下，根据电容公式(其中ε为相对介电常数，ε0为真空介电常数，a为电容极板的相对面积，d为两极板之间的距离)可知，电容初始值可增加6倍及以上。

结合图6和图7，对本发明中槽型结构进行说明。

梳齿状固定极板17表面设有倒三角形凹槽，根据槽板阻尼力系数修正公式和基于电容边缘效应的电容修正公式(其中μ为空气分子的粘滞系数，l1为凹槽沿宽度，w为极板宽度，d0为常规极板的间距，n为开槽个数，l2为凹槽的宽度，d1为凹槽的深度，ε为相对介电常数，ε0为真空介电常数,l为极板有效感应长度)，设计出梳齿状变间距式电容结构的主要参数范围为：l1<7um、d1<10um、n＝10。与已报道的矩形凹槽结构相比，所设计倒三角形变间距式电容结构的压膜阻尼系数降低了两个数量级，有效降低传感器件的系统噪声。同时，采用mems工艺制备这两种凹槽结构时，倒三角形凹槽结构具有更好的保真度。

结合图3、图4、图8和图9，对本发明中变面积式电容结构进行说明。

铝电极19位于硅敏感质量块8的正下方和玻璃衬底23的上表面，铝电极19的g区域采用栅状结构。铝电极19设有第一电极引线点1。根据电容公式(其中ε为相对介电常数，ε0为真空介电常数，a为电容极板的相对面积，d为两极板之间的距离)，当加速度到来时，硅敏感质量块8会随着加速度的方向运动，使得栅状可动极板13与栅状固定极板21的相对面积会发生变化，从而电容值发生了变化。若硅敏感质量块8向下运动，则栅状固定极板21与栅状可动极板13(a)的相对面积减小，与栅状可动极板13(b)的相对面积增大，从而形成了差分电容，通过检测电容值的变化可以推导出传感器所处环境加速度值的大小。栅状可动极板13运动时受到的阻尼力是滑膜阻尼力，相对于压膜阻尼，滑膜阻尼要小的多，增大了传感器的品质因数，降低了噪声。

本实施例涉及的低阻尼电容式加速度传感器的制作方法，参考图12所示的工艺流程图断面图进行说明，主要包括以下工艺步骤：

步骤a)、选取n型(100)双抛硅片，300μm的进口硅，电阻率小于0.01ω.cm，标准清洗硅片24，然后在硅片24的正背面形成2μm的氧化层25；

步骤b)、第一次光刻，最小线宽10μm，硅片24背面涂胶，烘3分钟；硅片24正面涂胶，前烘、后烘后，用图10光刻板光刻硅片24背面，形成悬浮区域；腐蚀二氧化硅25(b)；

步骤c)、腐蚀硅片24，腐蚀深度为4μm；腐蚀硅片24前清洗干净；

步骤d)、背面去胶，腐蚀掉二氧化硅25(b)，标准清洗硅片19；

步骤e)、选取厚度为500μm的pyrex7740玻璃片23，标准清玻璃片23，玻璃片23正面溅射铝19，铝的厚度为2μm；

步骤f)、第二次光刻，根据图3光刻，腐蚀部分铝19；

步骤g)、硅片24背面和玻璃23正面进行静电键合，保证硅片24背面没有sio2，且两键合面都干净的情况下键合才牢靠；

步骤h)、清洗键合片，腐蚀硅片24正面的二氧化硅25(a)，腐蚀完后继续清洗键合片；

步骤i)、硅片24正面溅射铝26，厚度为2μm；

步骤j)、第三次光刻，根据图11光刻，和第二次光刻板上的光刻图形精确对准，腐蚀掉部分铝26，并清洗；第四次光刻，用厚胶，根据图2光刻，适当控制前烘、后烘时间，在drie以前观察图形边缘有否变形，塌陷；厚胶的厚度根据掩膜300μm硅片24的drie来确定；利用drie工艺至结构释放，硅片24厚度为300μm；等离子体去胶，移动释放后的器件时，小心轻放；分片。

以上已以较佳实施例公开了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采用等同替换或者等效变换方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。