專利名稱：框架式電容硅微機械加速度計的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于微電子機械系統和微慣性測量技術，特別是一種框架式電容硅微 機械加速度計。
背景技術：
微機械慣性儀表包括微機械陀螺儀和微機械加速度計。利用微電子加工工藝允許 將微機械結構與所需的電子線路完全集成在一個硅片上，從而達到性能、價格、體積、重量、 可靠性諸方面的高度統一。因而，這類儀表具有一系列的優點，如體積小、重量輕、價格便 宜、可靠性高、能大批量生產等，在軍民兩方面都具有廣泛的應用前景，并受到世界各發達 國家的廣泛重視。電容式硅微機械加速度計是一種新型的加速度計，美國AD公司的ADXL系列的加 速度計是市場上最具有代表性的硅微機械加速度計。ADXL系列加速度計采用表面工藝工 作制作，結構厚度為2微米。該結構的檢測質量塊為H形，采用梳齒式電容檢測，梳齒采用 了定齒均勻配置結構形式。由于該結構采用表面工藝加工，結構厚度小，從而檢測標稱電容 小，加速度計的分辨率和精度較低。針對上述問題，清華大學高鐘毓等提出了采用體硅工藝加工的梳齒式加速度計結 構(高鐘毓，王永梁，董景新等.梳齒式體硅加工微機械加速度計，清華大學，CN1359007A)。 該結構采用了體硅工藝加工，增加了檢測標稱電容。但該結構的質量塊仍采用了 AD公司的 H形質量塊，H形質量塊使得加速度計的交叉軸靈敏度高，結構不穩定，同時該H形質量塊使 得檢測梳齒數量增加受到限制，不易進一步提高速度計的分辨率。
實用新型內容本實用新型的目的在于提供一種大質量、檢測電容大、分辨率高、低交叉軸靈敏 度、結構穩定性好的框架式電容硅微機械加速度計。實現本實用新型目的的技術解決方案為一種框架式電容硅微機械加速度計，由 上、下兩層構成，上層為制作在單晶硅片上的加速度計機械結構，下層為制作在玻璃襯底上 的信號引線，加速度計機械結構由框架式質量塊、U型支撐梁、固定檢測梳齒和止擋塊組成， 框架式質量塊上的活動梳齒與固定檢測梳齒組成差分檢測電容，框架式質量塊上下端分別 通過上支撐梁和下支撐梁與上下固定基座相連，兩個止擋塊分別制作在上下固定基座上， 上下固定基座安裝在玻璃襯底上的固定基座鍵合點上，使上層的機械結構部分懸空在下 層的玻璃襯底部分之上。本實用新型與現有技術相比，其顯著優點(1)框架式質量塊降低了交叉軸靈敏 度，增加了結構的穩定性；( 加速度計分辨率由剛度質量比和檢測標稱電容決定，在剛度 質量比一定的情況下，框架式質量塊實現了梳齒數量的較大增加，從而提高了分辨率，降低 了后續調理電路的處理難度；C3)相比H形質量塊，框架式質量塊增加了加速度計結構設計 的靈活性；(4)軸對稱U型支撐梁不僅能有效地釋放加工殘余應力，還減小了加速度計的交叉軸靈敏度；( 止擋塊避免了大載荷情況下加速度計結構因粘接而失效；(6)梳齒式差分 電容檢測，消除了 χ、ζ方向加速度和繞x、y、z軸角加速度的影響，有效抑制了干擾信號，提 高了檢測輸出的信噪比。
以下結合附圖對本實用新型作進一步詳細描述。
附圖是本實用新型框架式電容硅微機械加速度計的結構示意圖。
具體實施方式
結合附圖，本實用新型框架式電容硅微機械加速度計，用于測量平行于基座水平 加速度的測量儀器，由上、下兩層構成，上層為制作在單晶硅片上的加速度計機械結構，下 層為制作在玻璃襯底上的信號引線，加速度計機械結構由框架式質量塊1、U型支撐梁2a、 2b、2c、2d、固定檢測梳齒3a、3b、3c、3d、3e、3f和止擋塊5a、5b組成，框架式質量塊1上的 活動梳齒與固定檢測梳齒3a、3b、3c、3d、;3e、3f組成差分檢測電容，框架式質量塊1上下端 分別通過上支撐梁2a、2b和下支撐梁2c、2d與上下固定基座4a、4b相連，兩個止擋塊5a、 5b分別制作在上下固定基座4a、4b上，上下固定基座4a、4b安裝在玻璃襯底上的固定基座 鍵合點上，使上層的機械結構部分懸空在下層的玻璃襯底部分之上。其中，四根U型支撐梁 2a、2b、2c、2d相對于框架式質量塊1中心對稱布置，各U型支撐梁2a、2b、2c、2d為軸對稱結 構。本實用新型電容框架式硅微機械加速度計的框架式質量塊1由三條平行的橫板 和兩條平行的豎板交錯連接組成框架式結構形式，其中橫板將兩條豎板分成兩個相等的上 下區域，上下兩組各四列活動梳齒設置在豎板上。其中，中間的橫板形成框架式質量塊1的 χ軸，兩條豎板之間的中心線形成框架式質量塊1的y軸，在x、y方向上可實現大尺寸設計， 在剛度質量比一定的情況下，框架式質量塊實現了梳齒數量的較大增加，從而提高了分辨 率，降低了后續調理電路的處理難度。同時框架式結構相對穩定，可降低了交叉軸靈敏度， 增加了結構的穩定性。框架式質量塊1上布置了上下兩組各四列活動梳齒，固定檢測梳齒 3a.3b.3c并排排列，位于質量塊的上部，與質量塊的上四列活動梳齒組成四組檢測電容，固 定檢測梳齒3d、3e、3f并排排列，位于質量塊的下部，與質量塊的下四列活動對應的活動梳 齒組成四組檢測電容。活動梳齒和其相鄰的固定檢測梳齒間距不等，上下四組檢測電容上 下(關于χ軸)對稱，上下各四組檢測電容構成差分檢測電容，消除了 x、z方向加速度和繞 x、y、z軸角加速度的影響，有效抑制了干擾信號，提高了檢測輸出的信噪比。框架式質量塊 1通過軸對稱U型支撐梁2a、2b、2c、2d與固定基座4a、4b相連，軸對稱U型支撐梁h、2b、 2c,2d可有效釋放加工殘余應力，降低交叉軸靈敏度。制作在固定基座4a、4b上的止擋塊 fe、5b，避免了大載荷情況下加速度計結構發生粘接而失效。本實用新型電容框架式硅微機械加速度計的上部分的固定檢測梳齒3a、3b、3c并 排排列，與框架式質量塊1上區域的活動梳齒組成四組檢測電容，下部分的固定檢測梳齒 3d.3e.3f并排排列，與框架式質量塊1下區域的活動梳齒組成四組檢測電容，上下八組檢 測電容構成差分檢測電容；上下兩組活動梳齒和其相鄰的固定檢測梳齒間距不等，上下八 組檢測電容關于框架式質量塊1中間橫板形成的χ軸對稱。本實用新型的框架式硅微加速度計采用開環電容檢測方式檢測輸入加速度，當有 沿y方向的加速度a輸入時，在框架式質量塊上產生慣性力F = -ma,在該慣性力的作用下，
4框架式質量塊和位于其上的活動梳齒在y方向產生運動，運動位移為
權利要求1.一種框架式電容硅微機械加速度計，由上、下兩層構成，上層為制作在單晶硅片上的 加速度計機械結構，下層為制作在玻璃襯底上的信號引線，其特征在于加速度計機械結構 由框架式質量塊(l)、u型支撐梁Oa、2b、2c、2d)、固定檢測梳齒(3a、3b、3c、3d、;3e、3f)和止 擋塊(fe、5b)組成，框架式質量塊(1)上的活動梳齒與固定檢測梳齒(3a、3b、3C、3d、;3e、3f) 組成差分檢測電容，框架式質量塊(1)上下端分別通過上支撐梁(h、2b)和下支撐梁Ce、 2d)與上下固定基座Ga、4b)相連，兩個止擋塊(fe、5b)分別制作在上下固定基座Ga、4b) 上，上下固定基座Ga、4b)安裝在玻璃襯底上的固定基座鍵合點上，使上層的機械結構部 分懸空在下層的玻璃襯底部分之上。
2.根據權利要求1所述的框架式電容硅微機械加速度計，其特征在于框架式質量塊 (1)由三條平行的橫板和兩條平行的豎板交錯連接組成框架式結構形式，其中橫板將兩條 豎板分成兩個相等的上下區域，上下兩組各四列活動梳齒設置在豎板上。
3.根據權利要求1或2所述的框架式電容硅微機械加速度計，其特征在于上部分的 固定檢測梳齒(3a、;3b、3C)并排排列，與框架式質量塊(1)上區域的活動梳齒組成四組檢測 電容，下部分的固定檢測梳齒(3d、;3e、3f)并排排列，與框架式質量塊(1)下區域的活動梳 齒組成四組檢測電容，上下八組檢測電容構成差分檢測電容；上下兩組活動梳齒和其相鄰 的固定檢測梳齒間距不等，上下八組檢測電容關于框架式質量塊(1)中間橫板形成的χ軸 對稱。
4.根據權利要求1所述的框架式電容硅微機械加速度計，其特征在于四根U型支撐 梁(h、2b、2c、2d)相對于框架式質量塊(1)中心對稱布置，各U型支撐梁(h、2b、2c、2d) 為軸對稱結構。
專利摘要本實用新型公開了一種框架式電容硅微機械加速度計，由上、下兩層構成，上層為制作在單晶硅片上的加速度計機械結構，下層為制作在玻璃襯底上的信號引線，加速度計機械結構由框架式質量塊、U型支撐梁、固定檢測梳齒和止擋塊組成，框架式質量塊上的活動梳齒與固定檢測梳齒組成差分檢測電容，框架式質量塊上下端分別通過上支撐梁和下支撐梁與上下固定基座相連，兩個止擋塊分別制作在上下固定基座上，上下固定基座安裝在玻璃襯底上的固定基座鍵合點上，使上層的機械結構部分懸空在下層的玻璃襯底部分之上。本實用新型框架式質量塊降低了交叉軸靈敏度，增加了結構的穩定性。
文檔編號B81B7/02GK201852851SQ20102020809
公開日2011年6月1日 申請日期2010年5月28日 優先權日2010年5月28日
發明者施芹, 蘇巖, 裘安萍 申請人:南京理工大學