[发明专利]电容式单质量块全梳齿电极三轴加速度传感器及制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种微机电电容式单质量块全梳齿电极三轴加速度传感器及其制作方法。

背景技术

21世纪以来，微机电(Micro-Electro-Mechanical Systems)技术得到了迅猛的发展，基于微加工和微电子技术的微机电器件在人类的生产生活中得到了不断广泛的应用。微机电器件的发展趋势是体积更小，耗能更低，价格更低，性能更优越。

微机电加速度传感器是一种重要的微机电惯性器件，一直广泛应用于汽车的安全气囊触发装置，机器设备的结构振动监测等等，近年来随着产品不断的小型化和成本的大幅度降低，微机电加速度传感器也逐步应用于消费类电子产品领域，在手机、数码相机和笔记本电脑中已经有很多新颖的应用，比如手机的屏幕自动翻转感应装置，游戏机手柄控制装置，笔记本电脑跌落时的自动保护数据装置等等。

微机电加速度传感器按照感应原理可以分为压阻式、压电式、电容式、热敏式和电磁式等等，其中电容式加速度传感器具有受温度变化影响小、加工容易、灵敏度高、带宽大等诸多特点而受到业界的广泛青睐。目前，微机电电容式加速度传感器多为单轴或双轴感应，实现三轴感应功能是采用不同器件的正交装配或者是在一个芯片上集成多个传感器，这样会使器件体积偏大，加工工艺复杂，成本加大，而且正交装配的精度也不好保证。近一两年，出现了一些采用单质量块的电容加速度传感器来同时感应三轴加速度，一般是采用表面微加工技术，利用梳齿电极来测量x和y轴的加速度，而z轴加速度的测量则采用上下极板式设计，这样增加了工艺难度，而且由于表面微加工工艺的局限性，不能得到大体积的质量块，因而不能获得良好的灵敏度。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种能获得良好灵敏度的微机电电容式单质量块全梳齿电极三轴加速度传感器。

本发明的这一目的通过如下技术方案来实现的：一种电容式单质量块全梳齿电极三轴加速度传感器，其特征是：它包括基底、感应机构和信号输出机构，所述基底上竖向固定设置有外围支撑和多个固定支撑，其中外围支撑位于基底之上的外边缘处；

所述的感应机构包括质量块、梳齿结构和弹簧机构，所述质量块、梳齿结构和弹簧机构至基底中心向外围分布，质量块和梳齿结构位于同一平面内，所述质量块为单质量块，质量块悬浮在所述基底中心的上方，其四周分别与梳齿结构相连，所述的梳齿结构为由x轴梳齿结构、y轴梳齿结构和z轴梳齿结构构成的三轴全梳齿结构电极，其中，所述的x轴梳齿结构有两组，沿x轴在xy平面内以质量块为中心对称分布，用于测量x轴加速度，所述y轴梳齿结构有两组，沿y轴在xy平面内以质量块为中心对称分布，用于测量y轴加速度，所述z轴梳齿结构有四组，沿与x轴或者y轴呈45°线和135°线夹角的位置在xy平面内以质量块为中心对称分布，用于测量z轴加速度，各轴梳齿结构均包括固定梳齿和活动梳齿，各轴梳齿结构的固定梳齿通过固定支撑支撑于所述基底上，x轴和y轴梳齿结构的活动梳齿一端连接于质量块，另一端于与所述的弹簧机构的一端相连，z轴疏齿结构的活动疏齿一端连接于质量块，另一端呈悬臂状，质量块通过活动梳齿和弹簧机构可以实现在x、y、z轴上的运动，弹簧机构的另一端与外围支撑相连，通过外围支撑支撑在所述基底上，所述各轴梳齿结构的固定梳齿和活动梳齿分别与电源电连接且导电后构成梳齿电容的两极；

所述的信号输出机构包括固定在所述的固定支撑和外围支撑上用于与外部信号电路相连的多个金属连接点，该多个金属连接点分别与所述各轴梳齿结构的固定梳齿电连接。

本发明中，所述的弹簧机构共四组，沿x轴和y轴对称分布于所述质量块四周，每一组弹簧机构包括至少两根位于中部起到梁支撑作用的梁结构以及对称分布于梁结构两边的U型弹簧，U型弹簧开口端朝向梁结构且两端口分开连接在相邻的两根梁结构上，梁结构的一端分别与相应的各轴梳齿结构的活动梳齿相连，另一端与所述的外围支撑相连。

所述弹簧机构的梁结构为工字梁或矩形梁。

本发明中，所述各轴梳齿结构的梳齿均为竖向板状，其中固定梳齿和活动梳齿呈相互交错状交替分布，并且相邻的梳齿间间隔一定间距。

所述质量块上设计有用于降低空气阻尼的竖向释放孔。

本发明中，所述的基底包括衬底和沉积在所述衬底之上的介质绝缘层，所述衬底的材料为单晶硅，所述介质绝缘层的材料为氧化硅或氮化硅。

本发明的目的之二是提供一种电容式单质量块全梳齿电极三轴加速度传感器的制作方法。

本发明的这一目的通过如下技术方案来实现的：一种电容式单质量块全梳齿电极三轴加速度传感器的制作方法，其包括如下步骤：