[发明专利]单质量块三轴MEMS惯性加速度计及其制备方法

说明书

本发明公开了一种单质量块三轴MEMS惯性加速度计，包括自下而上依次键合的底板、空腔结构层、质量块与悬臂梁结构层、顶板；空腔结构层底面四边的空腔基板底面键合环与底板顶面四边的底板键合环金金键合，悬臂梁固支边框的底面与空腔结构层顶面四边的空腔基板顶面键合环金硅键合，使各个悬臂梁悬置于空腔之上并使质量块悬置于空腔之中，顶板底面四边的接地引出电极与悬臂梁固支边框顶面的接地电极金金键合，最终形成一个气密封闭结构，本发明采用单质量块惯性敏感方式和平面平行板电容检测方式，总体结构简单、制备过程简便，各个轴向加速度的感测灵敏度和感测精度高。

技术领域

本发明涉及一种惯性加速度计，特别涉及一种单质量块三轴MEMS惯性加速度计。

背景技术

加速度计广泛应用于汽车、消费电子、工业控制等领域，是惯性传感器中最重要的一类。MEMS加速度计基于微机械电子(MEMS)技术，采用微细加工工艺制作，具有体积小、重量轻、能耗低、可靠性高等优点。

MEMS加速度计的运动敏感结构主体包括质量块和质量块悬挂支撑系统，通过检测质量块的相对位移而感测直线加速运动的加速度。MEMS加速度计的运动敏感方式有电容式、压阻式、压电式、谐振式等，其中最为成功且应用最广泛的是电容式MEMS加速度计。

MEMS加速度计有面硅和体硅两种结构形式。面硅电容式加速度计的典型敏感结构为梳齿式电容(Mukherjee等,“Automated optimal synthesis of micro-accelerometers”,MEMS’99,pp.326–331)，其结构单元尺寸较小，一般采用表面硅加工工艺制作，但相应地其电容电极交叠面积较小，感测电容值也较小，对加速度的感测动态范围和分辨率相对较低，主要应用于要求不高的消费电子领域。可以通过增加梳齿对数来获得较大的电容值，但相应地也增加了结构的复杂度和制备工艺要求。体硅加速度计以大质量块为典型特征，采用压阻(Amarasinghe等,Simulation,fabrication and characterizationof a three-axis piezoresistive accelerometer,Smart Materials and Structures,vol.15,2006,pp.1691–1699；Yazdi等,All-silicon single-wafer micro-gaccelerometer with a combined surface and bulk micromachining process,Journalof Microelectromechanical Systems,vol.9,no.4,pp.544–550)和平面电容敏感方式，后者可获得较大的电容值，但制备高深宽比体硅结构的工艺难度较大。

加速度计包括用于测量单一轴向运动加速度的单轴加速度计和用于测量多个正交轴向运动加速度的多轴加速度计。传统的多轴加速度计采用将多个单轴加速度计正交组装的方式，用以测量各个正交轴向的运动加速度，结构复杂、体积大，成本高，同时其各个轴向加速度计的组装正交误差会增加输出信号的噪声，降低检测精度。

MEMS多轴加速度计在单一芯片上制作运动加速度敏感结构，包括单质量块和多质量块等结构形式。单质量块结构的MEMS多轴加速度计，利用同一质量块敏感多个正交轴向的运动加速度，相比于采用多个质量块分别敏感各个轴向加速度的MEMS多轴加速度计，具有结构简单、便于加工制作等优点，但存在各个轴间感测量的交叉耦合和互扰，影响感测灵敏度和精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种单质量块三轴MEMS惯性加速度计及其制备方法，采用单质量块惯性敏感方式和平面平行板电容检测方式，总体结构简单、制备过程简便，各个轴向加速度的感测灵敏度和感测精度高。

本发明的目的是这样实现的：一种单质量块三轴MEMS惯性加速度计，包括自下而上依次键合的底板(1)、空腔结构层(2)、质量块与悬臂梁结构层(3)、顶板(4)；