一種基于soi的三軸電容式微加速度計的制作方法
【專利摘要】基于SOI的三軸電容式微加速度計包括SOI基片、帶阻尼孔的單一質(zhì)量塊、蛇形彈性梁、固定梳齒、與質(zhì)量塊相連的可動梳齒。使用SOI表面加工技術(shù)，使制造工藝能與普通的集成電路工藝兼容，降低成本。結(jié)構(gòu)為中心對稱圖形，通過單一質(zhì)量塊感知三個正交方向的加速度，極大縮小了器件結(jié)構(gòu)，增大了器件的集成度。通過Z軸方向上不等高垂直梳齒電極的設(shè)計，Z軸方向的線性度提高了至少10倍，同時工藝簡單。每個軸向都由4組梳齒電極構(gòu)成差分檢測電容，消除交叉干擾并大大提高了靈敏度。4對中心對稱的蛇形支撐梁，使加速度計有很大的量程。
【專利說明】
一種基于SO I的三軸電容式微加速度計
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及慣性傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于SOI的三軸電容式微加速度計。
【背景技術(shù)】
[0002]微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)是20世紀(jì)80年代隨著硅微機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展而逐漸成長起來的，是微電子平面加工技術(shù)和娃微機(jī)械加工技術(shù)發(fā)展相結(jié)合的產(chǎn)物。MEMS的特征尺寸在微米量級，集傳感技術(shù)、制動技術(shù)、和控制技術(shù)于一體。采用MEMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)的微型電容式加速度計，以其小型化、可集成性、高精度、低噪聲、低溫漂和低價格等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于軍事、汽車工藝、消費(fèi)類電子產(chǎn)品等領(lǐng)域。
[0003]目前絕大多數(shù)梳齒電容式微加速度計采用體硅微機(jī)械技術(shù)加工制造的，這種制造工藝不能很好地與集成電路制造工藝兼容，造成成本的增加和資源的浪費(fèi)。
[0004]采用S0I(Silicon-0n-1nsulator，絕緣襯底上的娃)技術(shù)能使集成電路工藝與MEMS加工工藝兼容，但電容式加速計在Z軸方向需要上下兩個極板，而在SOI片上制造兩個極板是很困難的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對上述現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)用新型目的在于提供一種基于SOI的三軸電容式微加速度計，其旨在解決現(xiàn)有技術(shù)與集成電路工藝兼容性差，還存在交叉干擾、靈敏度低且線性度不好等技術(shù)問題。
[0006]為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案如下:
[0007]一種基于SOI的三軸電容式微加速度計，包括SOI基片；質(zhì)量塊，設(shè)置有可動梳齒電極;六對固定錨點(diǎn)，安裝于SOI基片，均設(shè)置有固定梳齒電極，其中四對中每兩對固定錨點(diǎn)分別按X軸和Y軸呈軸對稱分布，剩余兩對固定錨點(diǎn)安裝于質(zhì)量塊內(nèi)，其固定梳齒電極通過可動梳齒電極與質(zhì)量塊匹配安裝，可動梳齒電極和固定梳齒電極分別構(gòu)成三軸向十二組相對于與空間坐標(biāo)軸原點(diǎn)重合的質(zhì)量塊重心呈中心對稱分布的差分檢測電容;至少兩個支撐錨點(diǎn)，每個支撐錨點(diǎn)通過兩根彈性蛇形梁安裝于質(zhì)量塊內(nèi)。
[0008]上述方案中，采用SOI表面加工工藝，與集成電路工藝很好地兼容，大大降低成本。
[0009]上述方案中，所述的質(zhì)量塊呈日字型結(jié)構(gòu)，剩余兩對固定錨點(diǎn)設(shè)置于質(zhì)量塊內(nèi)的中部梁兩側(cè)，構(gòu)成Z軸向四組差分檢測電容。
[0010]上述方案中，所述的支撐錨點(diǎn)，選為四個支撐錨點(diǎn)。
[0011 ]上述方案中，所述的質(zhì)量塊塊體設(shè)置有阻尼孔結(jié)構(gòu)。
[0012]上述方案中，所述的質(zhì)量塊內(nèi)還設(shè)置有用于限制慣性過沖的阻擋塊。
[0013]上述方案中7軸方向上的固定梳齒電極采用不等高定齒均置式垂直梳齒電極。
[0014]上述方案中，X軸和Y軸方向上的固定梳齒電極采用等高定齒均置式水平梳齒電極。
[0015]上述方案中，每個軸向由4組梳齒電極構(gòu)成差分檢測電容，以增大靈敏度并消除交叉干擾。
[0016]上述方案中，通過單一質(zhì)量塊來檢測三個軸向的加速度，極大地縮小了器件結(jié)構(gòu)，更利于集成。
[0017]上述方案中，Z軸方向采用定齒均置不等高垂直梳齒電極，采用變面積型檢測原理，正對面積大，較一般平板型線性度提高至少10倍，并且工藝簡單。
[0018]上述方案中，與Z軸不同，水平方向梳齒電極采用等高定齒均置式，采用變間距型檢測原理，以獲得更高的靈敏度。
[0019]上述方案中，采用4對中心對稱的蛇形支撐梁，使三個軸向都有很好的彈性系數(shù)，大大提高了量程。
[0020]上述方案中，質(zhì)量塊上的阻尼孔用來釋放質(zhì)量塊下的犧牲層(Si02)，使工藝精簡同時減少z軸向的壓膜阻尼大大提高了 Z軸向的靈敏度。
[0021]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果:
[0022]I)采用SOI表面加工技術(shù)，與集成電路制造工藝兼容，大大降低成本；
[0023]2)Z軸向采用定齒均置不等高垂直梳齒，變面積型檢測原理，線性度提高至少10倍；
[0024]3)單一感應(yīng)質(zhì)量塊，極大地縮小了器件結(jié)構(gòu)，更有利于器件的集成；
[0025]4)4對中心對稱的蛇形支撐梁，具有很高的彈性系數(shù)，大大提高了量程。
【附圖說明】

[0026]圖1為本實(shí)用新型基于SOI的三軸電容式微加速度計結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖2為本實(shí)用新型基于SOI的三軸電容式微加速度計縱剖面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
[0029]下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型做進(jìn)一步說明:
[0030]實(shí)施例1
[0031]如圖1所示的一種基于SOI的三軸電容式微加速度計，包括:12組可動梳齒固定在單一帶有阻尼孔的質(zhì)量塊上，通過8根蛇形彈性梁與4個錨點(diǎn)相連。12組固定梳齒1-12分別固定在12個錨點(diǎn)上。
[0032]如圖2所示水平方向梳齒為定齒偏置等高梳齒，垂直方向為定齒均置不等高梳齒且分為I類梳齒和2類梳齒。
[0033]通過敏感質(zhì)量塊將加速度轉(zhuǎn)化為慣性力，慣性力是敏感質(zhì)量塊發(fā)生位移，可動梳齒與質(zhì)量塊相連，可動梳齒的位移使梳齒間電容極板的間距或正對面積發(fā)生變化，通過測量梳齒間電容量的變化推算出被測加速度。在水平方向上，固定梳齒1-4與相應(yīng)可動梳齒構(gòu)成y軸加速度檢測電容，其中2和4、1和3通過引線相連，2、4與1、3構(gòu)成差分電極;固定梳齒5-8與相應(yīng)可動梳齒構(gòu)成X軸加速度檢測電容，其中5和7、6和8通過引線相連，5、7與6、8構(gòu)成差分電極。當(dāng)XY平面內(nèi)有加速度存在時，活動極板有所偏移，導(dǎo)致極板間間隙有所改變，最終表現(xiàn)為電容量的變化。在Z軸方向上，固定梳齒9-12與相應(yīng)可動梳齒構(gòu)成Z軸加速度檢測電容。其中梳齒9、12為I類梳齒，1、11為2類梳齒，這樣保證了重心的穩(wěn)定。9和12、1和11通過引線相連，9、12與10、11構(gòu)成差分電極。當(dāng)Z軸方向有加速度存在時，活動極板在Z軸方向有所偏移，導(dǎo)致極板間正對面積有所改變，最終表現(xiàn)為電容量的變化。通過后續(xù)的讀出電路顯示電容量的變化，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為加速度的變化，以達(dá)到檢測加速度的目的。
[0034]以上所述，僅為本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不局限于此，任何屬于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實(shí)用新型揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種基于SOI的三軸電容式微加速度計，其特征在于，包括 SOI基片; 質(zhì)量塊，設(shè)置有可動梳齒電極； 六對固定錨點(diǎn)，安裝于SOI基片，均設(shè)置有固定梳齒電極，其中四對中每兩對固定錨點(diǎn)分別按X軸和Y軸呈軸對稱分布，剩余兩對固定錨點(diǎn)安裝于質(zhì)量塊內(nèi)，其固定梳齒電極通過可動梳齒電極與質(zhì)量塊匹配安裝，可動梳齒電極和固定梳齒電極分別構(gòu)成三軸向十二組相對于與空間坐標(biāo)軸原點(diǎn)重合的質(zhì)量塊重心呈中心對稱分布的差分檢測電容； 至少兩個支撐錨點(diǎn)，每個支撐錨點(diǎn)通過兩根彈性蛇形梁安裝于質(zhì)量塊內(nèi)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于SOI的三軸電容式微加速度計，其特征在于，所述的質(zhì)量塊呈日字型結(jié)構(gòu)，剩余兩對固定錨點(diǎn)設(shè)置于質(zhì)量塊內(nèi)的中部梁兩側(cè)，構(gòu)成Z軸向四組差分檢測電容。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于SOI的三軸電容式微加速度計，其特征在于，所述的支撐錨點(diǎn)，選為四個支撐錨點(diǎn)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于SOI的三軸電容式微加速度計，其特征在于，所述的質(zhì)量塊塊體設(shè)置有阻尼孔結(jié)構(gòu)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于SOI的三軸電容式微加速度計，其特征在于，所述的質(zhì)量塊內(nèi)還設(shè)置有用于限制慣性過沖的阻擋塊。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于SOI的三軸電容式微加速度計，其特征在于，Z軸方向上的固定梳齒電極采用不等高定齒均置式垂直梳齒電極。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于SOI的三軸電容式微加速度計，其特征在于，X軸和Y軸方向上的固定梳齒電極采用等高定齒均置式水平梳齒電極。
【文檔編號】G01P15/125GK205720299SQ201620679970
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年6月29日
【發(fā)明人】戴麗萍, 宋文平, 夏萬順, 許龍來, 王姝婭, 鐘志親, 張國俊
【申請人】電子科技大學(xué)