[发明专利]一种可变间距电容的微惯性传感器及其制作方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子机械技术领域，涉及一种微惯性传感器，具体涉及一种带栅形条电容和小阻尼可变间距电容的高精度微惯性传感器及其制作方法。

背景技术

最近十几年来，用微机械技术制作的加速度计得到了迅速的发展。其主要的加速度检测技术有压阻检测、压电检测、热检测、共振检测、电磁检测、光检测、隧道电流检测和电容检测等。此外，还有一些基于别的检测技术的加速度计，如光加速度计、电磁加速度计、电容加速度计等。光加速度计的发展主要是为了结合光和微机械的优点，制作高电磁屏蔽或者好线性度的传感器。在这些传感器中，电容式加速度传感器，由于具有温度系数小，灵敏度高，稳定性好等优点，是目前研制得最多的一类加速度传感器。微机械电容式传感器的制作方法有表面微机械加工方法和体硅微机械加工方法。采用表面微机械加工工艺可以和集成电路工艺兼容，从而集成传感器的外围电路，成本低，但是传感器的噪声大、稳定性差，量程和带宽小。采用体硅微机械加工工艺可以提高传感器芯片的质量，从而降低噪声，改善稳定性，提高灵敏度。缺点是体积稍大，但可以制作出超高精度的微机械惯性传感器。为了得到较高的测量灵敏度和减小外围电路的复杂性，可以通过增加传感器振子的质量和增大传感器的静态测试电容的方法，从而减小机械噪声和电路噪声。而对于用体硅工艺如深反应粒子刻蚀(Deep RIE)加工的梳齿状的电容式传感器，其极板电容的深宽比一般小于30∶1，这就限制了传感器振子的质量增加和极板间距的减小。而对于小间距极板电容，其压膜空气阻尼较大，增大了传感器的机械噪声。减小该机械噪声的方法一是可以通过在极板上刻蚀阻尼条，一是把电容改为变面积的方式，使阻尼表现为滑膜阻尼。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种超高分辨率的带栅形条电容和小阻尼可变间距电容的微惯性传感器，同时提供该传感器的制作方法。该双向微惯性传感器可以更加有效的测量X或Y方向上的微小加速度信号(或振动信号)。

本发明包括玻璃衬底、敏感器质量块、驱动器质量块和固定驱动硅条。

敏感器质量块为矩形硅片，敏感器质量块的两对应端通过敏感器U形硅支撑梁与敏感器锚点连接，敏感器锚点固定设置在玻璃衬底上，敏感器质量块与玻璃衬底平行设置；敏感器质量块的另两个对应端分别设置有n组硅条组，每组硅条组包括平行设置的m条硅条，n≥2、m≥1，敏感器质量块两端的硅条数量相同、位置对应，硅条与敏感器质量块侧边垂直；敏感器质量块上刻蚀有与硅条平行的栅形条。

敏感器质量块的两侧分别设置有n个驱动器质量块；所述的驱动器质量块为矩形硅片，驱动器质量块的两对应端通过驱动器U形硅支撑梁与驱动器锚点连接，驱动器锚点固定设置在玻璃衬底上，驱动器质量块与玻璃衬底平行设置；每个驱动器质量块的一侧设置有m个可动驱动硅条，另一侧设置有检测硅条，所述的检测硅条为梳齿状，齿间为阻尼条，检测硅条与敏感器质量块连接的硅条平行、位置对应，敏感器质量块连接的硅条与对应的检测硅条组成检测电容；驱动器质量块中间刻有环行槽。

两个梳齿状的固定驱动硅条固定设置在玻璃衬底上，每个固定驱动硅条的梳齿条与可动驱动硅条位置对应；固定驱动硅条的梳齿条与对应的可动驱动硅条组成驱动电容；两个固定驱动硅条通过玻璃衬底表面上的引线与驱动器外部连接锚点连接。

玻璃衬底表面对应两个敏感器锚点位置设置有两个敏感器质量块焊点，敏感器质量块焊点与敏感器锚点连接；玻璃衬底表面对应敏感器质量块设置有叉指铝电极，敏感器质量块上刻蚀的每条栅形条与叉指铝电极中的每对叉指相对应。

制作该微惯性传感器的具体步骤是：

(1)在玻璃衬底上通过蒸发或者溅射铝，并用光刻胶作为掩膜层，用浓磷酸溶液腐蚀铝，形成铝电极和铝连接线；

(2)选取双面抛光的低电阻率的硅片，氧化后光刻形成敏感器质量块和驱动器质量块的悬浮区域，并用氧化层作为掩膜层，用氢氧化钾溶液腐蚀硅片形成凹槽；

(3)用光刻胶做掩膜，用深反应粒子刻蚀工艺刻蚀驱动电容间距、检测电容间距和质量块上的栅形槽，其刻蚀深度决定了驱动器质量块上检测硅条上梳齿条的长度；

(4)硅片的有凹槽面和玻璃片键合，键合温度为T，键合电压为V，360℃≤T≤400℃，600v≤V≤1000v；

(5)用碱性溶液腐蚀硅片，利用腐蚀时间控制质量块的厚度；

(6)对硅片光刻形成质量块形状，并用厚光刻胶作为掩膜，用深反应离子刻蚀工艺在硅片上加工出传感器单元的形状。