多軸電容式加速度計的制作方法
【專利摘要】本發明提供了一種多軸電容式加速度計，所述多軸電容式加速度計的XY軸結構層的彈性結構采用中間長、兩邊遞減的扇形結構，該扇形結構具有較好的應力釋放能力，并且相對于傳統的長條形的折疊梁結構而言其長度較短，形成于基底上的用作布線的第一層多晶硅可不經過所述彈性結構正下方，可減小工藝制作過程中由于底層布線形成的臺階對所述彈性結構性能的影響。
【專利說明】多軸電容式加速度計
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及一種探測加速度的微機電結構，尤其涉及一種多軸電容式加速度計。【背景技術】
[0002]采用表面工藝制作的微機電(Micro-Electro-Mechanic System,簡稱MEMS)慣性傳感器是以硅片為基體，通過多次薄膜淀積和圖形加工制備的三維微機械結構。常用的薄膜層材料包括:多晶硅、氮化硅、二氧化硅和金屬。典型的工藝步驟包括:基片準備，一次氧化形成絕緣層，淀積第一層多晶硅，刻蝕多晶硅形成電極和互連線，二次氧化形成犧牲層，氧化層刻蝕形成通孔，淀積第二層多晶硅，淀積金屬層，刻蝕金屬層形成互連線，刻蝕第二層多晶硅形成機械結構圖形，最后去除犧牲層形成可動結構單元。
[0003]加速度計，即加速度感應器，是一種能夠測量加速力的電子設備，是微機電(MEMS)慣性傳感器常用器件之一。加速度感應器主要應用在位置感應、位移感應或者運動狀態感應等。如，在手機上使用加速度感應器，就可以探測到手機的放置狀態，是平放還是傾斜等，根據狀態啟動不同的程序以達到某種效果，再如，可應用到筆記本電腦上，來探測筆記本的移動狀況，并根據這些數據，系統會智能地選擇關閉硬盤還是讓其繼續運行，這樣可以最大程度的保護由于振動，比如顛簸的工作環境，或者不小心摔了電腦所造成的硬盤損害，最大程度的保護里面的數據。另外一個用途就是目前使用的數碼相機和攝像機中也采用加速度傳感器，用于檢測拍攝時候的手部的振動，并根據這些振動自動調節相機的聚焦。
[0004]加速度計主要包括雙軸加速度計和三軸加速度計。雙軸加速度計檢測X軸和Y軸方向的加速度值。三軸加速度計檢測X軸、Y軸和Z軸三個方向的加速度值，其中，X軸和Y軸加速度計用于檢測作用在與主平面平行的兩個相互正交方向上的加速度，Z軸加速度計用于檢測作用在與主平面垂直方向上的加速度。通常，加速度計主要由可動質量塊、固定錨點、彈性結構和固定電極等組成。其中，彈性結構一端與固定錨點相連，另一端與可動質量塊相連，固定電極與可動質量塊之間形成可變電容。當外部加速度作用在可動質量塊上時形成慣性力，該慣性力對可動質量塊形成位移量，電容式加速度計通過感應固定電極與可動質量塊之間的電容變化來檢測位移變化量，從而確定外部加速度。
[0005]多軸電容式加速度計的主要指標有:靈敏度、線性度、溫度漂移以及抗沖擊能力。然而，實踐中發現，目前的多軸電容式加速度計的溫度漂移以及抗沖擊能力性能仍不能滿足要求。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于，提供一種具有較強的應力釋放能力和較小溫度漂移的多軸電容式加速度計。
[0007]為解決上述技術問題，本發明提供一種多軸電容式加速度計，包括基底以及XY軸結構層，所述XY軸結構層包括可動質量塊、中心錨點、彈性結構以及多個檢測電極，所述多個檢測電極用于檢測X方向和Y方向的加速度，所述可動質量塊與中心錨點以及彈性結構相連，所述彈性結構為扇形折疊梁結構。
[0008]本發明還提供另一種多軸電容式加速度計，包括基底和XY軸結構層，所述XY軸結構層包括可動質量塊、中心錨點、彈性結構以及多個檢測電極，所述多個檢測電極用于檢測X方向和Y方向的加速度，所述可動質量塊與所述中心錨點和彈性結構相連，所述中心錨點為具有缺口的結構，所述彈性結構為扇形折疊梁結構。
[0009]與現有技術相比，本發明的多軸電容式加速度計的XY軸加速度計的彈性結構采用中間長、兩邊遞減的扇形結構，該扇形結構具有較好的應力釋放能力。進一步的，所述扇形結構相對于傳統的長條形的折疊梁結構而言長度較短，如此，形成于基底上的用作布線的第一層多晶硅可以不經過彈性結構正下方，可減小工藝制作過程中由于底層布線形成的臺階對彈性結構性能的影響。
[0010]另外，本發明的多軸電容式加速度計的XY軸加速度計的中心錨點采用帶缺口的正方形，減小了溫度變化時由于基底和中心錨點的材料熱膨脹系數不同而產生的應力，因而減小了中心錨點的形變，進而減小了溫度漂移。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1是本發明實施例一的多軸電容式加速度計的整體示意圖；
[0012]圖2a是圖1中中心錨點的示意圖；
[0013]圖2b是另一種中心鋪點的不意圖；
[0014]圖3是圖1中彈性結構的示意圖；
[0015]圖4是圖1中檢測電容的示意圖；
[0016]圖5是圖1中檢測電容對應的底層布線的示意圖；
[0017]圖6是本發明實施例二的多軸電容式加速度計的整體示意圖；
[0018]圖7是圖6所示結構的基底發生翹曲時沿著直線a的截面示意圖；
[0019]圖8是圖6中Z軸結構層的示意圖。
【具體實施方式】
[0020]如【背景技術】所述，現有的多軸電容式加速度計的溫度漂移以及抗沖擊能力性能仍不能滿足要求。經本 申請人:發明人長期研究發現，這是因為傳統的多軸電容式加速度計的彈性結構通常是長條形的折疊梁結構，長度相對較長，一方面抗沖擊能力較弱，另一方面彈性結構底下的布線(電極和互連線)可能會影響彈性結構的剛度。為此，本發明提供一種多軸電容式加速度計，其XY軸加速度計的彈性結構采用中間長、兩邊遞減的扇形結構，該扇形結構具有較好的應力釋放能力；并且相對于傳統的長條形的折疊梁結構而言該扇形結構的長度較短，如此，形成于基底上的用作布線的第一層多晶硅可以不經過彈性結構正下方，可減小工藝制作過程中由于底層布線形成的臺階對彈性結構性能的影響。
[0021]此外，傳統的多軸電容式加速度計的XY軸加速度結構，起支撐作用的中心錨點為規則的正方形，其加工過程中產生的應力較難釋放。為此，本發明的多軸電容式加速度計中，XY軸加速度計的中心錨點采用帶缺口的正方形，減小了溫度變化時由于基底和中心錨點的材料熱膨脹系數不同而產生的應力，因而減小了中心錨點的形變，進而減小了溫度漂移。[0022]下面將結合示意圖對本發明進行更詳細的描述，其中表示了本發明的優選實施例，應該理解本領域技術人員可以修改在此描述的本發明，而仍然實現本發明的有利效果。因此，下列描述應當被理解為對于本領域技術人員的廣泛知道，而并不作為對本發明的限制。需說明的是，附圖均采用非常簡化的形式且均使用非精準的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發明實施例的目的。
[0023]【實施例一】 [0024]本實施例的多軸電容式加速度計是雙軸電容式加速度計，即X和Y軸加速度計。圖1是本實施例的多軸電容式加速度計的整體示意圖。如圖1所示，所述多軸電容式加速度計包括基底(圖1中未示出)和XY軸結構層，所述XY軸結構層包括可動質量塊31，中心錨點32，彈性結構33以及檢測電極34a、34b。
[0025]繼續參考圖1,本實施例中,XY軸結構層Ia共包含八個檢測電極，八個檢測電極對稱分布于可動質量塊31的四個頂角，該放置方式有效的利用了芯片面積，有利于提高加速度計的靈敏度。詳細的，其中四個檢測電極34a對稱分布于中心錨點32的左右兩側，用于檢測X方向的加速度；另外四個檢測電極34b對稱分布于中心錨點32的上下兩側，用于檢測Y方向的加速度。即，所述八個檢測電極以中心錨點32為中心呈輻射狀分布于其四周。當然，本發明并不限定檢測電極的數量和排布方式，還可設置其它數量例如四組檢測電極以及采取其它方式例如以中心錨點32為中心等間距排布在中心錨點32的周圍。
[0026]圖2a是圖1的中心錨點的示意圖。如圖2a所示，XY軸結構層Ia的中心錨點32的形狀為四角帶缺口的正方形。具體地說，中心錨點32大致呈十字形，十字交叉點處向內凹陷形成缺口 41、42、43、44，所述缺口 41、42、43、44的形狀相同，均是方形。在實踐中發現，由于基底與中心錨點32的材料不同，相應的熱膨脹系數也不同，例如基底為單晶硅，其熱膨脹系數典型值為2.5E-6 (1/K)，中心錨點32為多晶硅，其熱膨脹系數典型值為4.7E-6 (I/K)，當不同熱膨脹系數的材料相互接觸且溫度發生變化時，則會產生應力，從而產生形變。本實施例的多軸電容式加速度計采用帶缺口的中心錨點結構，該缺口有利于釋放應力，從而減小形變，進而減小溫度漂移。可以理解的是，本發明的中心錨點的形狀并不局限于十字形，其它帶缺口的形狀均在本發明的創作精神所包含的范圍內。例如，中心錨點32’的形狀同樣為四角帶缺口的正方形，缺口 41’、42’、43’、44’均呈梯形，如圖2b所示，亦可實現釋放應力的目的。
[0027]圖3是圖1中彈性結構的示意圖。如圖3所示，XY軸結構層Ia的彈性結構33為中間長、兩邊遞減的扇形折疊梁結構。這種扇形折疊梁結構一方面具有較好的應力釋放能力，另一方面在不影響彈性結構剛度的條件下，扇形折疊梁結構整體長度可以比傳統的長條形折疊梁結構長度短，如此，彈性結構33布局時可以繞過基底10上的布線，即所述彈性結構33與其底層的布線錯開設置，亦即，用作布線的第一層多晶硅可以不經由彈性結構33正下方，因而大大減小了工藝制作過程中由于底層布線形成的臺階對彈性結構剛度的影響。
[0028]圖4是圖1中檢測電容的示意圖。結合圖1和圖4所示，每組檢測電極包括:第一檢測電極61以及第二檢測電極62和63。第一檢測電極61與可動質量塊31相連，可動質量塊31與中心錨點32以及彈性結構33相連，第二檢測電極62和63分別固定于基底10表面上。當受到Y方向的加速度時，第一檢測電極61與可動質量塊31 —起運動，因而第一檢測電極61與第二檢測電極62和63之間的電容值一個增加、一個減小，通過輸出電路對兩個電容值做差分處理即可得出相應的加速度。輸出電路結構以及差分處理方法是本領域公知技術，在此不予贅述。
[0029]本實施例中，所述多軸電容式加速度計還包括多個止動塊35，均勻分布于所述可動質量塊31的周圍并與所述可動質量塊31相連。較佳的，共包含四個止動塊35，四個止動塊35對稱分布在多軸電容式加速度計的四個頂角，用于減小外部沖擊力對多軸電容式加速度計的影響，避免影響其靈敏度。
[0030]本實施例中，所述多軸電容式加速度計還包括形成于基底10上的布線(電極和互連線)。基底10例如是硅基底，其中繪示于圖1中的可動質量塊31，中心錨點32，彈性結構33，檢測電極34a、34b可通過蝕刻工藝而為一體成形的結構。此外，XY軸結構層還包括金屬層(圖中未示出)，用以將產生的感測信號傳遞至基底10上的布線。
[0031]具體的，所述多軸電容式加速度計可通過如下工藝步驟包括:基底準備，一次氧化形成絕緣層，淀積第一層多晶硅，刻蝕第一層多晶硅形成電極和互連線，二次氧化形成犧牲層，犧牲層刻蝕形成通孔，淀積第二層多晶硅，淀積金屬層，刻蝕金屬層形成互連線，刻蝕第二層多晶硅形成機械結構圖形即結構層，最后去除犧牲層形成可動結構單元即加速度計。
[0032]圖5是圖1中檢測電容對應的底層連線示意圖。結合圖1和圖5所示，本實施例中，中心錨點32位于中心，四個止動塊35均勻分布于四角，中心錨點32與位于四角的止動塊35相連。具體地說，所述基底10上的布線包括四條止動塊連線35’和四組第二檢測電極連線62’、63’(共八條第二檢測電極連線)。中心錨點32與四個止動塊35均通過第二層多晶硅形成，第二檢測電極連線62’、63’與止動塊連線35’均通過第一層多晶硅形成。四個止動塊35通過四條止動塊連線35’與中心錨點32連接，大致呈X形分布于基底10上。第二檢測電極連線62’與第二檢測電極連線63’均是彎折成三段的折線，每組第二檢測電極連線62’、63’平行分布于兩條止動塊連線35’之間的基底空白處，第二檢測電極連線62’在內側，第二檢測電極連線63’位于第二檢測電極連線62’外側，彈性結構33正對于第二檢測電極連線63’的外側。即，第二檢測電極62和63的連線未分布在彈性結構33正下方，可以避免工藝制作過程中連線上方的彈性結構形成臺階，從而消除了其對彈性結構剛度的影響。`
[0033]【實施例二】
[0034]本實施例的多軸電容式加速度計是三軸電容式加速度計，即，包括如實施例一所述的X和Y軸加速度計，還包括Z軸加速度計。具體如圖6所示，所述的X和Y軸加速度計包括XY軸結構層la，所述Z軸加速度計包括位于XY軸結構層Ia兩側的扭擺式Z軸結構層lb、lc，所述XY軸結構層Ia整體呈正方形，所述Z軸結構層lb、lc整體呈長方形，以盡可能節省面積。
[0035]圖7是圖6所示結構的基底發生翹曲時沿著直線a的截面示意圖，圖8是圖6中Z軸結構層Ib的示意圖。如圖6至圖8所示，Z軸結構層lb、lc包括:可動質量塊17、18，固定錨點15b、15c，彈性結構16b、16c，固定電極11、12、13、14。
[0036]繼續參考圖6、圖7和圖8，固定電極11、12、13、14分別固定于基底10表面上。固定電極11和固定電極12寬度相同，且關于Z軸結構層Ib的彈性結構16b對稱。固定電極13和固定電極14寬度相同，且關于Z軸加速度計Ic的彈性結構16c對稱。彈性結構16b與固定錨點15b和可動質量塊17相連,如此,可動質量塊17可浮置于基底10上方，固定電極11、12與可動質量塊17之間形成可變電容；類似的，彈性結構16c與固定錨點15c和可動質量塊18相連,如此,可動質量塊18可浮置于基底10上方，固定電極13、14與可動質量塊18之間形成可變電容。所述彈性結構16b、16c可以是彈片或者彈簧或及其等效的構件。Z軸結構層lb、lc對應的可動質量塊17、18通過固定錨點15b、15c下的第一層多晶硅電學上相連，固定電極11和固定電極13電學上相連，固定電極12和固定電極14電學上相連。
[0037]優選的，Z軸結構層Ib的可動質量塊17的質心不在彈性結構16b上，Z軸加速度計Ic的可動質量塊18的質心不在彈性結構16c上。即，固定錨點15b、15c左右兩側的可動質量塊寬度不同，因而對應的質量不同。Z軸結構層Ib的彈性結構16b左側的可動質量塊的質量與Z軸結構層Ic的彈性結構16c左側的可動質量塊的質量相同，所述Z軸結構層Ib的彈性結構16b右側的可動質量塊的質量與所述Z軸結構層Ic的彈性結構16c右側的可動質量塊的質量相同。也就是說，XY軸加速度計左側的Z軸可動質量塊較寬部分靠近XY軸加速度計，XY軸加速度計右側的Z軸可動質量塊較窄部分靠近XY軸加速度計。
[0038]本實施例還提供一種多軸電容式加速度計進行加速度檢測的方法，當存在沿Z軸的外部加速度時，兩個Z軸結構層的可動質量塊分別繞與其連接的彈性結構做扭擺運動；其中一個Z軸結構層的可動質量塊與該Z軸結構層的一個固定電極之間的電容值為Cl，另一個Z軸結構層的可動質量塊與該Z軸結構層的一個固定電極之間的電容值為C2，所述其中一個Z軸結構層的可動質量塊與該Z軸結構層的另一個固定電極之間的電容值為C3，所述另一個Z軸結構層的可動質量塊與該Z軸結構層的另一個固定電極之間的電容值為C4，通過檢測所述電容值C3與C4之和與所述電容值Cl與C2之和的差值確定Z軸的外部加速度。
[0039]詳細的，當存在沿Z軸的外部加速度時，則在慣性力的作用下可動質量塊17、18會繞彈性結構16b、16c做扭擺運動。若外部加速度指向Z軸負方向時，則可動質量塊17靠近固定電極12，遠離固定電極11，相應地，可動質量塊17與固定電極12之間的電容值增加，可動質量塊17與固定電極11之間的電容值減小。類似地，可動質量塊18靠近固定電極14，遠離固定電極13，相應地，可動質量塊18與固定電極14之間的電容值增加，可動質量塊18與固定電極13之間的電容值減小。固定電極11和13電學上相連，固定電極12和14電學上相連，若可動質量塊17與固定電極11之間的電容值Cl和可動質量塊18與固定電極13之間電容值C2之和為Ca，可動質量塊17與固定電極12之間的電容值C3和可動質量塊18與固定電極14之間電容值C4之和為Cb，則兩者之差Λ C=Cb-Ca= (C3+C4) - (C1+C2)，通過檢測AC即可獲得外部加速度。
[0040]更詳細地，當封裝等應力較大時，基底10可能會向上或者向下翹曲，以向上翅曲為例，若Z軸加速度計的可動質量塊17、18如圖6所示放置，則可動質量塊17與固定電極12之間的應力形變引起的電容值變化量AC3近似于可動質量塊18與固定電極13之間的應力形變引起的電容值變化量AC2 ;類似地，可動質量塊17與固定電極11之間的應力形變引起的電容值變化量ACl近似于可動質量塊18與固定電極14之間的應力形變引起的電容值變化量AC4，則Δ C=Cb-Ca= ((C3+ Δ C3) + (C4+ Δ C4))-((C1+AC1) + (C2+AC2)) ^ (C3+C4)-(C1+C2);即上述放置可以基本消除基底翹曲引起的檢測電容值變化量。
[0041]所述Z軸結構層的可動質量塊17、18，固定錨點15b、15c，彈性結構16b、16c可通過蝕刻和熏蒸工藝而為一體成形的結構(刻蝕工藝形成相應的圖形，熏蒸工藝將可動質量塊下的犧牲層移除)，可與XY軸結構層的可動質量塊31，中心錨點32，彈性結構33，檢測電極34a、34b—同利用第二層多晶硅形成，所述固定電極11、12、13、14與基底上的布線同是利用第一層多晶硅形成，所述固定電極11與固定電極13通過基底上的固定電極連線(圖中未示出)電學上相連，所述固定電極12與固定電極14通過基底上的固定電極連線(圖中未示出)電學上相連。詳細的，所述固定電極11、12、13、14與固定電極連線、第二檢測電極連線62’、63’以及止動塊連線35’均通過第一層多晶硅形成。
[0042]需要說明的是，本說明書中各個實施例采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。對于實施例二公開的電容式加速度計的XY軸結構層而言，由于與實施例一公開的電容式加速度計的XY軸結構層相對應，所以描述的比較簡單，相關之處參見實施例一對應部分即可。
[0043]上述描述僅是對本發明較佳實施例的描述，并非對本發明范圍的任何限定，本發明領域的普通技術人員根據上述揭示內容做的任何變更、修飾，均屬于權利要求書的保護范圍。
【權利要求】
1.一種多軸電容式加速度計，其特征在于，包括基底和XY軸結構層，所述XY軸結構層包括可動質量塊、中心錨點、彈性結構以及多個檢測電極，所述多個檢測電極用于檢測X方向和Y方向的加速度，所述可動質量塊與所述中心錨點和彈性結構相連，所述彈性結構為扇形折疊梁結構。
2.如權利要求1所述的多軸電容式加速度計，其特征在于，所述多軸電容式加速度計還包括形成于所述基底上的布線，所述XY軸結構層的彈性結構與所述布線錯開設置。
3.如權利要求1所述的多軸電容式加速度計，其特征在于，所述XY軸結構層包括八個檢測電極，所述八個檢測電極以所述中心錨點為中心呈輻射狀分布于其四周；其中四個檢測電極對稱分布于中心錨點的左右兩側，用于檢測X方向的加速度；另外四個檢測電極對稱分布于中心錨點的上下兩側，用于檢測Y方向的加速度。
4.如權利要求3所述的多軸電容式加速度計，其特征在于，每個所述檢測電極均包括第一檢測電極以及兩個第二檢測電極，所述第一檢測電極與所述XY軸結構層的可動質量塊相連，所述兩個第二檢測電極固定于所述基底上。
5.如權利要求1所述的多軸電容式加速度計，其特征在于，所述XY軸結構層還包括固定于所述基底上的多個止動塊，所述多個止動塊均勻分布于所述XY軸結構層的可動質量塊的周圍并與所述XY軸結構層的可動質量塊相連。
6.一種多軸電容式加速度計，其特征在于，包括基底和XY軸結構層，所述XY軸結構層包括可動質量塊、中心錨點、彈性結構以及多個檢測電極，所述多個檢測電極用于檢測X方向和Y方向的加速度，所述可動質量塊與所述中心錨點和彈性結構相連，所述中心錨點為具有缺口的結構，所述彈性結構為扇形折疊梁結構。
7.如權利要求6所述的多軸電容式加速度計，其特征在于，所述中心錨點呈十字形，其十字交叉點處向內凹陷形成缺口。
8.如權利要求7所述的多軸電容式加速度計，其特征在于，所述缺口為方形缺口或梯形缺口。
9.如權利要求6所述的多軸電容式加速度計，其特征在于，所述多軸電容式加速度計還包括形成于所述基底上的布線，所述XY軸結構層的彈性結構與所述布線錯開設置。
10.如權利要求6所述的多軸電容式加速度計，其特征在于，所述XY軸結構層包括八個檢測電極，所述八個檢測電極以所述中心錨點為中心呈輻射狀分布于其四周；其中四個檢測電極對稱分布于中心錨點的左右兩側，用于檢測X方向的加速度；另外四個檢測電極對稱分布于中心錨點的上下兩側，用于檢測Y方向的加速度。
11.如權利要求10所述的多軸電容式加速度計，其特征在于，每個所述檢測電極均包括第一檢測電極以及兩個第二檢測電極，所述第一檢測電極與所述XY軸結構層的可動質量塊相連，所述兩個第二檢測電極固定于所述基底上。
12.如權利要求6所述的多軸電容式加速度計，其特征在于，所述XY軸結構層還包括固定于所述基底上的多個止動塊，所述多個止動塊均勻分布于所述XY軸結構層的可動質量塊的周圍并與所述XY軸結構層的可動質量塊相連。
【文檔編號】G01P15/18GK103645345SQ201310659201
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月6日 優先權日:2013年12月6日
【發明者】汪建平, 鄧登峰 申請人:杭州士蘭微電子股份有限公司