[发明专利]一种MEMS叉梁电容式加速度计及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种微电子机械系统（MEMS）器件及其制造技术，尤其涉及一种MEMS叉梁电容式加速度计及其制作方法。

背景技术

加速度计是用来测量加速度的仪器，在航天、制导、航海以及汽车等领域具有重要的应用价值。随着微机电MEMS产业的兴起，加速度计逐渐向微型化、集成化方向发展。由于加速度计具有体积小、质量轻、成本低、功耗低、易批量生产等优点，因此具有广泛的军事和民用前景。其中电容式加速度计具有温度系数小、稳定性好、灵敏度高、可以通过静电回复力工作在力平衡模式等优点。电容式加速度计的工作原理是通过检测电容间隙变化引起的电容变化来确定加速度。

采用硅工艺加工的微加速度计在结构形式上主要有叉指式、扭摆式和三明治式。叉指式硅微加速度计按照加工工艺可以分为表面加工叉指式硅微加速度计和体硅加工叉指式硅微加速度计。表面加工叉指式结构的测量电容小，限制了叉指式硅微加速度计的分辨率和精度的提高。体硅加工叉指式硅微加速度计非敏感轴灵敏度难以抑制，结构电容输出值小。扭摆式硅微加速度计又称“跷跷板”式微加速度计，由于质量片分别位于支承扭梁两边的质量和惯性矩不相等，所以当存在垂直于质量片的加速度输入时，质量片绕着支承梁扭转，从而电容大小发生变化，通过检测差分电容即可检测敏感轴输入的加速度。“三明治”电容式加速度计又称作悬臂梁式硅微加速度计，其结构是从石英挠性摆式加速度计结构借鉴延续下来，夹在中间的敏感质量摆片与镀在上下两边玻璃上的检测电极形成一对差动电容，敏感输入加速度的大小。“三明治”电容式加速度计结构电容值大，精度相对较高。传统的“三明治”加速度计在结构方面存在的问题是工作模态与相邻模态的交叉干扰，即干扰信号很容易使加速度计偏离工作模态。制作工艺中存在的问题是为了得到位于结构层中间的梁需要多次刻蚀不同的深度，工艺难度较高且一致性较差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种MEMS叉梁电容式加速度计，通过对加速度计中的硅层结构进行创新设计，使得加速度计工作模态的频率与相邻模态频率相差十倍以上，有效的抑制了交叉干扰，并降低了尺寸误差，使器件整体性大大提高。

本发明的另外一个目的在于提供一种MEMS叉梁电容式加速度计的制作方法，由于硅层结构中的悬臂梁、叉梁与质量块等厚，只需一次刻蚀就可制作出硅层的敏感结构，大大降低了工艺难度。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

一种MEMS叉梁电容式加速度计，采用玻璃-硅-玻璃三层结构，包括依次设置的第一玻璃层、硅层和第二玻璃层，第一玻璃层包括第一玻璃基底、在第一玻璃基底的一个面上形成的第一槽、在第一槽的表面上形成的第一玻璃层金属电极、通孔，第二玻璃层包括第二玻璃基底、在第二玻璃基底的一个面上形成的第二槽、在第二槽的表面上形成的第二玻璃层金属电极，所述硅层包括矩形外框、悬臂梁、叉梁、质量块、硅岛和硅层电极引出区域，所述叉梁设置在两根悬臂梁中间，且两根叉梁位于两根悬臂梁、质量块、矩形外框围成的矩形框的对角线位置，且每根叉梁均与矩形外框、两根悬臂梁和质量块连接；所述硅岛形成在矩形外框内部，并与悬臂梁和叉梁通过间隙隔开，硅岛分别与第一玻璃层金属电极和第二玻璃层金属电极接触，硅层电极引出区域通过与矩形外框相连实现与质量块的同电位，通过所述通孔分别将第一玻璃层金属电极、第二玻璃层金属电极和硅层电极引出区域引出。

在上述MEMS叉梁电容式加速度计中，硅层上还包括防撞块，防撞块形成在质量块的上下表面，当加速度计工作时起防静电吸附和限位保护作用。

在上述MEMS叉梁电容式加速度计中，矩形外框、悬臂梁、叉梁和质量块的厚度相同。

在上述MEMS叉梁电容式加速度计中，第一悬臂梁的一端与矩形外框和第一叉梁相连，另一端与质量块和第二叉梁相连；第二悬臂梁的一端与矩形外框和第二叉梁相连，另一端与质量块和第一叉梁相连。

在上述MEMS叉梁电容式加速度计中，硅岛的形状为方形、圆形或三角形。

一种MEMS叉梁电容式加速度计的制造方法，包括以下步骤：

步骤（一）、形成第一玻璃层，具体方法为：

在第一玻璃上形成第一槽、多个通孔，然后在第一槽上形成第一玻璃层金属电极；

步骤（二）、形成第二玻璃层，具体方法为：

在第二玻璃上形成第二槽，然后在第二槽上形成第二玻璃层金属电极；

步骤（三）、第一次玻璃-硅键合，具体方法为：

将第二玻璃层、硅层在真空条件下进行键合；

步骤（四）、形成硅结构层，具体方法为：