[发明专利]多轴传感器及其制作方法、差分的传感器系统

说明书

技术领域

本发明涉及MEMS技术领域，特别涉及一种多轴传感器及其制作方法、差分的传感器系统。

背景技术

MEMS(Micro Electromechanical System，微电子机械系统)是集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。近年来，MEMS加速度传感器在汽车电子、消费电子和工业电子领域逐渐取代传统的机械量传感器，具有广阔的市场前景。相对于传统的机械量传感器，MEMS加速度传感器的尺寸更小，控制精度更高，制作工艺可以与硅集成电路技术兼容，因而其性价比大幅度提高。

目前，最广泛应用的加速度传感器为电容性加速度传感器，其制造成本低、尺寸较小，主要由电容结构和惯性质量块组成，其主要利用了加速度作用下电容变化的原理，当衬底向某个方向移动时，惯性质量块的移动使电容结构的电容发生变化，例如使电容结构的电极间的距离发生变化，这些变化被读取后可以被转化为加速度的信号。

根据加速度传感器测量应用的不同需求，可以设计为用来测试沿一个轴、两个轴或三个轴的方向上的加速度，通常将测量相对于衬底的三个相互垂直方向的加速度的传感器分别称作X轴、Y轴和Z轴加速度传感器，X轴和Y轴加速度传感器为测量平行于衬底方向的加速度，Z轴加速度传感器为测量垂直于衬底方向的加速度。

在测量多个方向加速度的多轴加速度传感器的应用中，对于X轴和Y轴传感器，都是用来测量同一个平行于衬底平面内的加速度，通常具有相类似的结构，也容易设计在一起，而对于Z轴的传感器是测量垂直于X和Y轴传感器所测量平面的方向上的加速度，与X和/或Y轴传感器设计在一起时，设计上会复杂很多，如何设计出尺寸小且性能好的多轴传感器是多轴传感器设计的一个重要方向，尤其是Z轴与X和/或Y轴传感器结合的多轴传感器。

参考图1所示，为X轴、Y轴和Z轴结合的三轴传感器的设计的结构示意图，用来测试三个相互正交方向上的加速度。其中，Z轴的加速度传感器包含Z轴惯性质量块102，该Z轴惯性质量块102通过Z轴弹性结构(图未示出)连接至Z轴固定支撑104，Z轴固定支撑104固定于衬底100上，组成跷跷板结构(teeter-totter type configuration)，即Z轴惯性质量块102在Z轴固定支撑104两侧在质量上不平衡，Z轴惯性质量块102下方为电容电极结构106，电容电极结构包括第一电极1061和第二电极1062，分别设置在Z轴惯性质量块102转动轴的两侧的衬底上，与Z轴惯性质量块102相对设置，当在Z轴方向有加速度时，不平衡的Z轴惯性质量块102绕Z轴固定支撑沿Z轴运动，使由Z轴惯性质量块102与其下方的电极结构106所构成的电容大小发生变化：当Z轴方向的加速度使位于固定支撑左侧(较重)的Z轴惯性质量块一侧向靠近位于其下方的第一电极1061移动时，位于左侧的电容值会增大；与此同时位于固定支撑右侧(较轻)的Z轴惯性质量块一侧则向远离位于其下方的第二电极1062方向移动，使位于右侧的电容值减小。通过测量左右侧电容变化的差别，从而可以读出Z轴方向的加速度；X和Y轴的加速度传感器包含一个共同的中央惯性质量块110，Z轴惯性质量块102环绕中央惯性质量块110且通过间隙108隔离开，该中央惯性质块量110通过XY轴弹性结构(图未示出)连接至XY轴固定支撑112，XY轴固定支撑112固定于衬底100上，该中央惯性质量块110内设置有X轴电容可动电极120、X轴电容固定电极118以及Y轴电容可动电极116、Y轴电容固定电极114，XY轴弹性结构在X轴和Y轴方向具有相似的刚性，X轴电容可动电极120、Y轴电容可动电极116同中央惯性质量块110连接，当X轴或Y轴方向上有加速度时，X轴电容可动电极120或Y轴电容可动电极116随中央惯性质量块110移动使相应方向上的可动电极和固定电极之间形成的电容发生变化，从而可以读出X轴或Y轴方向的加速度。在此设计中，其X轴和Y轴传感器共用同样的质量块和质量块支撑，Z轴使用独立的质量块和质量块支撑，这种结构具有较高的灵敏度，也便于Z轴及X/Y轴的优化。

然而，由于质量块支撑同时也是将质量块以及可动电极与其他连线层电连接的通道，上述设计中的结构增加了连线布局的面积，也增加了整个传感器的占地面积。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种多轴传感器及其制作方法，能够减少相应电连接的设计和传感器的占地面积。

为解决上述问题，本发明提供一种多轴传感器，包括：

衬底；

固定于衬底之上的质量块支撑；