[发明专利]谐振‑力平衡电容式三轴加速度传感器及制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及三轴加速度传感器的工作原理、结构及制造方法，特别是一种谐振-力平衡电容式三轴加速度传感器的工作机理、结构及制作方法，属于微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)领域。

背景技术

微型加速度传感器是一类重要的力学量传感器。早在上世纪60年代末人们就开始研究一维微型硅加速度传感器。80年代末开始一维微型加速度传感器的规模化生产。进入到90年代，随着科学技术的发展和军事、商业市场的需求，开始研究三维微型加速度传感器，应用于军事、汽车电子、工业自动化、机器人技术、消费类电子产品等领域。由于微型加速度传感器具有体积小、重量轻、功耗和成本低、过载能力强、易集成、可大规模批量生产等优点，不仅成为微惯性测量组合的核心元件，也迅速应用到车辆控制、高速铁路、机器人、工业自动化、探矿、玩具、医疗等民用领域。

微型加速度计是利用传感质量的惯性力测量加速度的传感器。按照检测质量的运动方式可以分为线加速度计和摆式加速度计；按照信号检测方式分可为压阻式、电容式、隧道电流式、谐振式、热对流式、压电式加速度传感器。按照有无反馈信号可分为开环偏差式和闭环力平衡式加速度传感器。按照敏感轴的数量，分为单轴、双轴以及三轴加速度传感器。上世纪90年代以后，随着MEMS技术的不断发展以及军事、商业市场的需求，单一方向的加速度测试已经不能满足对加速度传感器越来越高的需求，加速度传感器正向三维方向发展，以用于检测空间加速度，为卫星导航、导弹制导、炮弹定向等军工项目和汽车防震保护、自动刹车、医疗等民用项目服务。三轴微型加速度传感器能够同时测量相互正交的三个轴向加速度。其测量原理包括电容式、压阻式、压电式和热对流式，按照质量块数目可分为多质量块和单质量块系统。

电容检测的三轴加速度传感器最容易实现，并且性能较好。1996年T.Mineta研制了一种三轴电容式加速度传感器。三个轴向的加速度测量灵敏度相同，质量块的重心在支撑梁之上，利用质量块的平移检测X轴和Y轴加速度，质量块的倾斜检测Z轴加速度。三个轴向加速度每改变1g，电容间隙改变0.3μm，灵敏度40mV/g，横向灵敏度约为10％。1997年加州大学伯克利分校的研究人员在单轴微加速度计的研究基础上研制了一种采用表面微加工工艺制作的单片三轴电容式加速度计，采用三个不同的质量块检测三个轴向的加速度。X、Y轴加速度的测量利用梳状叉指电容测量，垂直方面的Z轴加速度用平板电容测量。传感器采用表面微机械工艺制造，微结构与CMOS电路集成，结构层为2μm的多晶硅，电路含有Sigma-Delta调制器的反馈闭环控制电路和片上集成AD转换电路。X、Y、Z轴的电容分别为101fF、78fF和322fF；叉指间隙分别为2.13、2.13和2.3μm；噪声为和同年，该研究小组还成功研制出单质量块电容传感力平衡式三轴微加速度计，采用三个含有Sigma-Delta调制器的反馈闭环控制系统，每个方向的检测电容各使用一个。传感部分包括质量块、四个对角支撑的弹性梁以及叉指电容。平面加速度依靠叉指电容检测，垂直方向的加速度依靠质量块与下电极组成的电容检测。微结构为2.3μm厚的多晶硅，叉指静止时的间隙为2.2μm，质量块为0.2μg。电路为2μm的CMOS技术制作，5V供电。X、Y、Z轴的电容分别为98fF、98fF和177fF。最大量程为11g、11g、5.5g。灵敏度分别为0.24fF/g、0.24fF/g和0.82fF/g。噪声为和最大交叉轴干扰为-36dB。2003年，密西根大学的Junseok Chae等人研制成功一种电容式三轴微加速度计。该加速度计包含三个独立的单轴加速度计，多晶硅传感和驱动电极面积较大，由牺牲氧化层形成的微小感应间隙仅1.5μm。该加速度计系统的尺寸是7×9mm²，量程1g，灵敏度大于5pF/g，三个轴的最低噪声都低于与接口电路集成之后的加速度计工作时其XY平面内和Z轴向的最低噪声分别是和2008年台湾工业技术研究所微系统技术研究中心的Y.W.Hsu采用SOG体微机工艺和DRIE刻蚀技术研制了一种三轴电容式加速度传感器，其平面尺寸仅为1.3×1.28mm²，量程±2g，其Z轴输出灵敏度高达1.434V/g，分辨率为X轴灵敏度和交叉灵敏度分别为1.442V/g和0.03％，Y轴灵敏度和交叉灵敏度分别为1.241V/g和0.21％。2008年Hongwei Qu报道了一种采用单一质量块实现的单片集成电容式CMOS-MEMS三轴加速度传感器。在芯片上设计有低功耗、低噪声、双斩波的放大电路以降低传感器的噪声。传感器X、Y、Z轴的灵敏度分别为520mV/g，460mV/g，320mV/g。相应地，其噪声水平分别为2010年Chih-Ming Sun报道了一种单质量块三轴电容式加速度传感器。包含传感部分和测量电路在内的芯片面积只有1.78×1.38mm²，量程为0.8～6g。X、Y、Z轴的灵敏度分别为0.53mV/，0.28mV/g和0.2mV/g，非线性度分别为2.64％、3.15％和3.36％。交叉灵敏度在1％～8.3％之间，X、Y、Z轴的噪声分别为和