[发明专利]一种增大质量块的电容式三轴加速度计及其制作方法

说明书

本发明公开一种增大质量块的电容式三轴加速度计及其制作方法，所述的微加速度计采用SOI硅片制成，包括惯性质量块、敏感结构、外联电极三部分。惯性质量块为中心对称的米字型结构，包括中心的主质量块，以及延伸出的8个矩形质量块，矩形质量块的另一端通过梁连接锚点。矩形质量块两侧设置有可动梳齿电极，可动梳齿电极与外侧的固定梳齿电极构成敏感结构。外联电极包括锚点电极以及固定电极。本发明制作的三轴微加速度计采用了中心对称的米字形结构，独立检测Z轴加速度，避免了交叉轴干扰。同时利用了部分SOI硅片的底层硅，极大提高了惯性质量，从而可以获得更大的灵敏度。

技术领域

本发明属于微机械电子系统技术领域，具体涉及一种增大质量块的设计的电容式三轴加速度计，该加速度计具有较高的稳定性，高灵敏度的特点。

背景技术

微机电系统(MEMS，micro-electrical mechanical system)以及采用微机械技术的微型化传感器、执行器、谐振器以其低成本低、体积小、高可靠性、功耗低、集成度高、可大规模生产等特点在过去几十年中引起了广泛关注。

采用MEMS技术的微加速度计，广泛应用于惯性导航、导引、汽车气囊部署和运动控制系统。电容式MEMS加速度计具有温度系数低、功耗低、制造成本低、可与集成电路相集成等优点。基于电容传感的电容式MEMS加速度计由于其自身的优点，在MEMS市场中得到了广泛的应用和高度的关注。

SOI(silicon on insulator，绝缘体上硅)晶片以其优越的单晶材料特性、易于实现大厚度器件、易于实现高深宽比的制造、良好的机械稳定性、残余应力小以及后续制造工艺简单的优点逐渐在惯性传感器领域得到广泛应用。同时采用SOI晶片的MEMS加速度计很容易实现大的惯性质量块和低布朗噪声。因此，基于SOI的微加速度计是将来惯性传感技术的重要发展方向。

通常采用SOI硅片的微加速度计通常只是利用SOI硅片的顶层硅部分进行制作，因此微加速计的惯性质量块的质量有限，微加速度计存在器件噪声较大，灵敏度有限的问题。另外，有的三轴微加速度计采用同一个梳齿电极敏感结构来同时检测平面内(X轴、Y轴)与Z轴的加速度，因此这种微加速度计的交叉轴干扰较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种增大惯性质量块的电容式三轴加速度计，本发明的的微加速度计增大了惯性质量，提高了加速度计的灵敏度。采用了中心对称的米字形结构，独立检测Z轴加速度，避免了交叉轴干扰

本发明的增大质量块的电容式三轴加速度计，其特征在于：所述的微加速度计采用SOI硅片制成，包括惯性质量块、外联电极、敏感结构三部分；

所述惯性质量块为中心对称的米字型结构，包括中心对称的主质量块1，以及延伸出的相邻轴夹角为45度的8个矩形质量块2；所述主质量块上设置有均匀分布的阻尼孔3；所述矩形质量块的另一端通过梁结构4连接锚点5；所述矩形质量块两侧设置有可动梳齿电极6，可动梳齿电极与外侧的固定梳齿电极7构成敏感结构；所述固定梳齿电极一端连接外侧的U型固定结构8。

所述轴夹角为90度的四个敏感结构，其可动梳齿电极与固定梳齿电极高度相同；另外的两组敏感结构中，其中的一组可动梳齿电极为固定梳齿电极高度的一半，另一组固定梳齿电极为可动梳齿电极高度的一半。

所述外联电极包括锚点电极9以及固定电极10，所述锚点电极为设置于锚点上方的第一金属电极，所述固定电极为设置于U形固定结构上方的第二金属电极。

进一步地，所述主质量块的厚度包括顶层硅、中间氧化层以及部分底层硅的厚度。

进一步地，所述梁结构为蛇形梁或者U形梁。

进一步地，所述主质量块为圆柱形或者八棱柱形。

本发明的增大质量块的电容式三轴加速度计的制作方法，包括下列步骤(a-h为微加速度计正面工艺，i-m为背面工艺)：