[发明专利]MEMS三轴加速度计及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及传感技术、微电子机械(MEMS)技术领域，具体地说，本发明涉及一种梳齿式MEMS三轴加速度计，更具体涉及一种单芯片变面积型三轴梳齿式加速度传感器及其制作方法。

背景技术

加速度计是惯性器件的一种，目前被广泛应用于汽车，医疗，消费电子，工业等各个领域。引入了微电子机械系统技术后的三轴加速度计具有尺寸小，重量轻，交叉灵敏度低，可批量生产等优点。MEMS加速度计在我们的生产与生活中发挥着巨大作用，目前主要应用于运动感知、动作识别、姿态控制、振动探测、安防报警等方面，基于加速度传感器还可以实现更多的检测功能，获得更为广泛的应用。

MEMS加速度计按其检测原理主要分为：压阻式、压电式、容感式以及热感式。对于灵敏度要求较高的低g加速度计一般采用电容检测方式。

许多应用需要能同时检测三分量加速度信号的三轴加速度传感器。传统的加速度计多为单矢量测量的单轴传感器，需要将三个(或两个)单轴的加速度计组装起来才能构成三轴(或两轴)加速度计。组装方法构成的三轴加速度计必然导致三轴正交性误差较大，体积大，成本高。为了实现单芯片的三轴加速度传感器，已有的三轴加速度计技术方案利用一个惯性敏感质量块实现三轴加速度测量，这种方案的不足是三个轴向的加速度检测将产生较大的偏轴灵敏度，同时不同轴向的灵敏度差异较大。实现三轴向的灵敏度基本相同、偏轴灵敏度小、三轴正交性好的三轴加速度传感器将是三轴加速度计的发展方向。

电容式加速度传感器一般包括平板敏感电容和变间隙梳齿敏感电容，这些技术方案利用电容极板间距的变化来感测加速度信号。为了增大检测灵敏度往往需要很小的电容极板间隙(如数微米)，电容极板运动时产生的压膜阻尼很强，导致MEMS加速度计由于空气阻尼产生的热机械噪声较高，严重影响检测精度，因此需要真空封装才能降低热机械噪声，增加封装难度和成本。

发明内容

鉴于上述情况，本发明提出了一种能够采用集成制造的单芯片MEMS三轴加速度计，其由三个独立的MEMS加速度传感元件组成，并且采用变面积型梳齿敏感电容检测方法，从而可以实现三轴向的灵敏度一致、低偏轴灵敏度、三轴正交性好的三轴加速度传感器。并且，本发明还提出了制造上述单芯片MEMS三轴加速度计的方法。

根据本发明的第一方面，提供了一种MEMS三轴加速度计，其包括敏感器件层、上盖板层和下支撑体层；敏感器件层与上盖板层、下支撑体层之间有间隙；其中敏感器件层包括支撑框体、弹性梁、三个独立的敏感质量块、可动梳齿、固定梳齿以及电极，并且敏感器件层中的三个独立的敏感质量块分别实现X、Y、Z三轴加速度信号的检测；X、Y、Z三轴的每个方向的加速度传感器由相应的一个敏感质量块通过仅对检测方向敏感的弹性梁悬挂于支撑框体之间，每个敏感质量块上利用体硅加工工艺制作了多对可动梳齿，支撑框体相应地制作多对固定梳齿，以构成一对差分电容作为敏感电容；从而不同方向的差分梳齿电容对该方向的加速度信号的响应产生差分电容变化，通过差分电容的检测得到X、Y、Z三轴加速度信号。

优选地，在上述MEMS三轴加速度计中，X、Y、Z三轴的每个方向的加速度传感器彼此独立，均采用双端固支弹性梁连接支撑框体与敏感质量块，通过双端固支弹性梁的参数设计实现仅对检测方向敏感。

优选地，在上述MEMS三轴加速度计中，X、Y轴加速度传感器在敏感质量块的相对的两侧对称设计偶数根梁，Z轴加速度传感器在敏感质量块的四周对称设计偶数根梁。

优选地，在上述MEMS三轴加速度计中，可动梳齿结构与固定梳齿结构错位平行放置，且每个静齿均位于两个动齿的中间位置，形成等间距的梳齿，可动梳齿与固定梳齿之间的电容构成敏感梳齿电容，可动梳齿与固定梳齿之间的交叠面积随敏感方向的加速度信号的线性变化。

优选地，在上述MEMS三轴加速度计中，敏感水平方向加速度信号的X轴与Y轴加速度传感器具有相同结构，其弹性梁的方向彼此垂直，X轴或Y轴加速度传感器在其敏感质量块的两侧的两个梳齿电容初始值相同，在其敏感方向的加速度信号的作用下，X轴和Y轴加速度传感器的的梳齿电容中的一个电容增大、另一个电容减小，以构成一对差分电容。

优选地，在上述MEMS三轴加速度计中，X轴、Y轴和Z轴加速度传感器的的梳齿电容之间的电容差值与加速度信号成线性关系。

优选地，在上述MEMS三轴加速度计中，敏感垂直方向加速度信号的Z轴在其敏感质量块的四周的动梳齿与支撑框体上对应制作的固定梳齿构成敏感梳齿电容。