[发明专利]一种对称的MEMS加速度敏感芯片及其制造工艺

说明书

一种对称的MEMS加速度敏感芯片，所述加速度敏感芯片包括上半部及下半部，所述上半部与所述下半部键合后形成框架整体以及设置在所述框架内的质量块整体；所述框架整体及所述质量块整体之间通过弹性梁相连接，所述质量块整体的上下两端分别形成有多个凹陷部及第一连接部，所述框架整体的上下两端分别形成有第二连接部；所述弹性梁连接所述第一连接部和第二连接部；所述凹陷部上方设置有多组梳齿结构；每组梳齿结构包括从所述第一连接部延伸出的活动梳齿以及从第二连接部延伸出的固定梳齿，所述活动梳齿与所述固定梳齿之间形成差分检测电容。本加速度敏感芯片实现同时具有高对称性，大质量块，大电容，低阻尼的高灵敏度加速度计。

技术领域

本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种加速度敏感芯片，该敏感芯片的制造工艺以及带有该敏感芯片的加速度计。

背景技术

现今，加速度计可适用于诸多应用，例如在测量地震的强度并收集数据、检测汽车碰撞时的撞击强度、以及在手机及游戏机中检测出倾斜的角度和方向。而在微电子机械系统(MEMS)技术不断进步的情况下，许多纳米级的小型加速度测量仪已经被商业化广泛采用。

现今的加速度敏感芯片分为两种，一种为平板式的，例如公开号为CN102768290A的中国发明专利，平板式的加速度敏感芯片是依靠通电后上盖板、质量块和下盖板之间所形成的平板电容来检测加速度。当外界有加速度时，质量块会应惯性向加速度的反方向相对敏感芯片框架产生位移。该位移同时会产生质量块与上盖板以及下盖板之间的间隔距离或者投影面积的的变化，因而产生上盖板与质量块、下盖板与质量块之间的电容变化。集成电路会根据检测到的电容变化来计算出加速度的方向和幅度。

另外一种为梳齿式的，例如公开号为CN1605871的中国专利申请，梳齿式加速度敏感芯片是通过检测两个相互间隔的梳齿结构上的电容变化来检测加速度的。梳齿结构包括设置在质量块上的活动梳齿，以及与活动梳齿相互间隔设置的固定梳齿。当质量块受加速度活动的时候，活动梳齿会与质量块同时活动，因而跟固定梳齿之间会产生间隔距离或者投影面积的变化，从而产生电容变化。集成电路会根据检测到的电容变化来计算出加速度的方向和幅度。

平板式电容加速度敏感芯片中的质量块都比较大；质量对于检测精度的影响可以体现在：

噪声等效加速度：

k_B为玻尔兹曼常数，T为温度，ω₀为谐振频率，Q为品质因数，m为质量，由此可见，谐振频率与Q值确定，增大质量将减小噪声影响。质量块与盖板之间形成的电容值也比较大。其在检测加速度时的灵敏度也比较高。然而，在制造过程中，平板式电容加速度敏感芯片的压膜阻尼比较高，需要在真空的环境下封装，这样大大地增加了封装和制造成本。相比之下，梳齿式的加速度敏感芯片的压膜阻尼小，根据鲍敏航的书《Analysis and DesignPrinciples ofMEMS Devices》中所述，MEMS芯片的阻尼力系数：

L＞＞B，β＝1，β＝0.42；

以1000um×1000um的电容转化为等正对面积等间距的100对500um×20um的梳齿为例计算，阻尼力系数减小为原来的1.5‰。因此，梳齿式的加速度敏感芯片在非真空的环境下就可以进行封装，其封装成本相对较低。但由于梳齿结构的特性，其质量块均比较小，所产生的电容值也相比平板式结构小很多，因而其检测灵敏度相比起平板式加速度敏感芯片要低。此外，梳齿结构主要通过光刻和刻蚀的方式来制造，活动梳齿与固定梳齿所间隔的距离有一定的受刻蚀工艺深宽比的限制，最小的间隔距离大致为2um，而平板式敏感芯片都是靠键合工艺，其质量块和盖板之间的间隔可以控制在1um左右。但平板加速度计的关键工艺是键合工艺，其精准度低于梳齿加速度计的关键工艺光刻和刻蚀。因此，平板式和梳齿式的两种敏感芯片都有其自己的优点和缺点。

发明内容