[发明专利]静电悬浮六轴微加速度计及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种微机电系统技术领域的装置及方法，具体是一种静电悬浮六轴微加速度计及其制造方法。

背景技术

静电悬浮微加速度传感器不同于一般带支撑梁的微机械加速度传感器，它采用静电悬浮的方式使检测质量和上下定子间没有机械连接，大大减少了传感器的热噪声，提高了加速度计的分辨率和灵敏度。它采用MEMS微加工技术制造，利用微小电容检测技术测量悬浮质量块和电极之间的变化电容经信号处理得到三轴线加速度和三轴角加速度。

经过对现有技术的检索发现，采用MEMS技术制造，利用静电悬浮技术测量加速度的微加速度传感器有：美国专利号6,668,648的“加速度检测型陀螺装置Acceleration detection typegyro device”和中国专利申请号200810103052“一种制备悬浮式微硅静电陀螺/加速度计敏感结构的方法”，上述技术都采用体硅刻蚀工艺的环形硅转子作为悬浮质量块，能同时测量二轴角速度和三轴线加速度。只是陀螺仪兼有加速度计功能，不能同时测量六轴的加速度信号。该静电悬浮转子微陀螺/加速度计采用玻璃-硅-玻璃三层键合结构，工作部分由硅环形转子和布置于环形转子周围的轴向悬浮控制电极、径向悬浮控制电极、旋转驱动电极、电容检测公共电极组成。主要采用感应耦合等离子体深反应离子刻蚀ICP DRIE和阳极键合工艺制作。

以中国专利申请号200810103052为例，其主要工艺步骤是：Pyrex玻璃刻蚀工艺形成电极凹槽，玻璃溅金工艺，玻璃打孔工艺形成通孔；硅片第一次反应离子刻蚀RIE形成与底部键合的台面，硅片第二次反应离子刻蚀形成键合台面和止挡，薄膜梁工艺硅表面干氧化及腐蚀在止挡表面形成绝缘膜；第一次玻硅静电键合，反应离子刻蚀形成径向电极，导通硅和质量环；第三次RIE形成顶部键合台面，第四次RIE形成键合台面和止挡；采用ICP刻蚀机穿过玻璃通孔将薄膜梁刻蚀掉，释放质量环。这种制造方法工艺过程较为复杂，制造成本较高，灵活性不强。主要是由于硅-玻璃阳极键合工艺须在高电压1000-1200V高温300-400摄氏度下进行，质量块易吸附于玻璃上，而通过在径向电极和质量块间设计二氧化硅薄膜梁牺牲层来释放质量块，使得工艺变得较为复杂。且ICPDRIE工艺的加工设备成本较高。另外，上述硅-玻璃阳极键合工艺限定了悬浮质量块为硅材料，由于硅的密度2.7g/cm³较小，相比金属如镍，铜，金等质量块，硅微加速度计的检测灵敏度要低。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种静电悬浮六轴微加速度计及其制造方法，基于非硅MEMS工艺制造得到采用方形质量块具有六轴加速度测量功能的高灵敏度静电悬浮微加速度计，该方法简便灵活且制造成本低。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种静电悬浮六轴微加速度计，为下定子、悬浮质量块和上定子的三明治式三层键合结构，其中：上定子和下定子均采用玻璃作为衬底，悬浮质量块位于上定子和下定子之间的键合空腔中，悬浮质量块所处的位置为键合空腔的中心且不与上定子或下定子接触以实现沿XYZ轴平移或绕XYZ轴转动，悬浮质量块的中心即为惯性坐标系OXYZ的原点O，OZ方向垂直于上下定子所在的平面。

所述的下定子上设有薄膜金属轴向电极、轴向止挡、厚金属侧向电极、侧向止挡及上极板引线柱、公共电极和引脚；所述的上定子上对称设有薄膜金属轴向电极、轴向止挡、焊接凹坑和公共电极，其中：上极板引线柱和焊接凹坑相焊接以实现电馈通，下定子的引脚引出所有引线，悬浮质量块分别与上定子和下定子的薄膜金属轴向电极以及厚金属侧向电极之间形成轴向电极间隙和侧向电极间隙。

所述的下定子或上定子上的薄膜金属轴向电极包括：位于中心部位的公共电极以及两组分别沿X轴和Y轴的正向和负向且关于X轴和Y轴对称布置的轴向悬浮控制电极对，其中：轴向悬浮控制电极对是由两个大小和形状完全相同的轴向电极组成，用于悬浮质量块Z轴向线位移和绕X轴或Y轴的转角位移的悬浮控制；所述的下定子上的厚金属侧向电极分布在方体质量块的四周，包括：八对分别沿X轴和Y轴正向和负向且关于X轴和Y轴对称布置的四对侧向悬浮控制电极对，其中：侧向悬浮控制电极对由两个形状和大小完全相同的侧向电极组成，用于控制悬浮质量块沿X轴或Y轴方向的线位移和绕Z轴的转角位移。

所述的上定子和所述的下定子上分别设置若干轴向止挡，且所述下定子的侧向悬浮控制电极对之间分别均匀设有侧向止挡，用于约束质量块轴向和侧向的过大位移、减少悬浮起支过程中的静摩擦力和释放积累的净电荷。