梳齿式体硅加工微机械加速度计
阅读：118发布：2020-05-11
专利汇可以提供梳齿式体硅加工微机械加速度计专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种梳齿式体 硅 加工微机械 加速 度计 属于惯性仪表领域,其结构包括由体加工形成的齿枢、多组动齿和折叠梁组构成的敏感 质量 元件、定齿偏置的固定齿和基片, 电路 包括微电容检测、 力 反馈伺服电路等部分。本 发明 将面加工梳齿结构通过定齿偏置结构等发展成体加工梳齿结构,增大了检测和加力电容,从而使 分辨率 和 精度 大大提高。此外,前置 放大器 采用低输入阻抗电路,闭环反馈加力采用差动直流 电压 方式,使仪表达到了较高的精度。，下面是梳齿式体硅加工微机械加速度计专利的具体信息内容。
1、一种梳齿式体硅加工微机械加速度计的微机械结构，包括一个由齿枢、多组动齿和折 叠梁组成的敏感质量元件，固定齿和基片；该动齿由齿枢向两侧伸出，形成双侧梳齿式结构， 该齿枢两端通过立柱固定于基片上，使齿枢、多组动齿相对基片悬空平行设置；所说的敏感 质量元件的每个动齿为可变电容的一个活动电极，与固定齿的每个梳齿交错配置，总体形成 差动电容，其特征是在敏感质量元件下方的基片上开有一凹槽。
2、一种梳齿式体硅加工微机械加速度计的电路，包括正弦信号发生电路，微磁环上绕制 的变压器，与微机械结构上相关点连接的接线块，前置放大电路，交流放大电路，相位调整 电路，解调器，低通滤波电路，比例加积分校正电路，其特征是前置放大电路是低阻抗输入 电路及比例加积分校正电路输出端加差动直流电压方式的闭环静电反馈加力电路。
技术领域
本发明涉及一种梳齿式体硅加工微机械加速度计，属微机电系统领域。
背景技术
微机械加速度计是近年来发展起来的。美国AD公司的ADXL50是市场上最具有代表性的 微机械加速度计。AD公司于1989年开始梳齿式电容加速度计的研究，1990年与德国Seimens 公司合作开发其电子测量电路，于1993年投产现已形成系列产品。这种力平衡的加速度计采 用表面加工工艺制成，敏感轴与基片平行，图1为其结构示意图。检测质量为“H”形。“H” 形的四根2μm宽的细梁将检测质量固定于基片上，检测质量可以自由地沿垂直于细梁的方向 运动。实际结构有42个梳齿，由中央质量杆向外侧伸出。每个梳齿为可变电容的一个活动电 极；固定电极与活动电极交错配置。器件由2μm厚的多晶硅表面加工而成，总长度为380μm， 宽度为580μm。梳齿长120μm，宽4μm。电容电极的间隙等于1.3μm。42个梳齿电容的 总电容量为0.1pF。检测电路采用电容电桥方案。在检测电容的固定电极上施加频率为1MHz 的载波信号。传感器的输出电压和两个检测电容的值成正比。该信号经过缓冲放大和同步解 调，反馈给力矩器的电容极板，产生静电力，使得检测质量回到零位。整个电路与微结构集 成在一片硅片上，用一个5V单电源供电，噪音指标为
1996年，AD公司推出了它的第二代加速度计产品——ADXL05。与上一代50g的加速度计 相比，这种量程5g的加速度计在设计上的改变为：将量测电极和加力电极分开，用其中8对 固定电极产生静电回复力，另外46对则用于位移检测；增加敏感质量和降低梁的弹性常数， 从而增加开环时每个g产生的位移；加大测量电容值并改善了电路的性能。使得该器件总的 噪声电平低于上一代的ADXL50。
1998年，AD公司又推出了它的双轴加速度计产品系列。量程从±2g到±100g。如ADXL202， 量程是±2g，带宽可以通过外界电容一直调到5KHz，噪音指数是 ，并且采用了 脉冲调制占空比输出，直接可以进入单片机处理，或者通过滤波可以转换成模拟量。
梳齿式微机械结构是微机械传感器的一种典型结构，已有的梳齿式微机械结构为面加工 定齿均匀配置结构。但由于表面加工得到的梳齿式结构测量电容偏小，影响了梳齿式微机械 传感器分辨率和精度的进一步提高。用体硅加工代替表面加工是克服上述缺点的有效途径， 但对于体加工梳齿结构，由于定齿均匀配置结构键合面小、加之体硅加工敏感质量活动片加 厚，质量加大，工艺流水下来后，键合的定齿脱落严重，通过探针台测得定齿间的电阻很大， 这主要是键合强度不够。另外，键合接触电阻也变大。名称为“定齿偏置的梳齿式体硅加工 微机械结构”的中国专利(申请号为：01141718.8)提出了一种定齿偏置的梳齿式体硅加工 微机械结构，但该结构的动片与基片之间的间隙小，在工作时容易受卡死，使工作不正常。
1996年，AD公司推出了它的第二代加速度计产品——ADXL05。与上一代50g的加速度计 相比，这种量程5g的加速度计在设计上的改变为：将量测电极和加力电极分开，用其中8对 固定电极产生静电回复力，另外46对则用于位移检测；增加敏感质量和降低梁的弹性常数， 从而增加开环时每个g产生的位移；加大测量电容值并改善了电路的性能。使得该器件总的 噪声电平低于上一代的ADXL50。
1998年，AD公司又推出了它的双轴加速度计产品系列。量程从±2g到±100g。如ADXL202， 量程是±2g，带宽可以通过外界电容一直调到5KHz，噪音指数是 ，并且采用了 脉冲调制占空比输出，直接可以进入单片机处理，或者通过滤波可以转换成模拟量。
梳齿式微机械结构是微机械传感器的一种典型结构，已有的梳齿式微机械结构为面加工 定齿均匀配置结构。但由于表面加工得到的梳齿式结构测量电容偏小，影响了梳齿式微机械 传感器分辨率和精度的进一步提高。用体硅加工代替表面加工是克服上述缺点的有效途径， 但对于体加工梳齿结构，由于定齿均匀配置结构键合面小、加之体硅加工敏感质量活动片加 厚，质量加大，工艺流水下来后，键合的定齿脱落严重，通过探针台测得定齿间的电阻很大， 这主要是键合强度不够。另外，键合接触电阻也变大。名称为“定齿偏置的梳齿式体硅加工 微机械结构”的中国专利(申请号为：01141718.8)提出了一种定齿偏置的梳齿式体硅加工 微机械结构，但该结构的动片与基片之间的间隙小，在工作时容易受卡死，使工作不正常。
发明内容
本发明的目的是提供一种键合强度高，键合面积大，键合难度低，键合接触电阻小、均 匀、成品率高的梳齿式体硅加工微机械加速度计。
本发明梳齿式体硅加工微机械加速度计包括梳齿式体硅加工微机械结构及电路两大部 分。
梳齿式体硅加工微机械结构，包括一个由齿枢、多组动齿和折叠梁组成的敏感质量元件， 固定齿和基片；该动齿由齿枢向两侧伸出，形成双侧梳齿式结构，该齿枢两端的折叠梁通过 立柱固定于基片上，使齿枢、多组动齿相对基片悬空平行设置；所说的敏感质量元件的每个 动齿为可变电容的一个活动电极，与固定齿的每个梳齿交错配置，总体形成差动电容；所说 的固定齿为直接固定在基片上的多组单侧梳齿结构，敏感质量元件的动齿与其相邻的固定齿 之间的距离不等。为解决齿枢与基片之间的间隙过小，所以在敏感质量元件下方的基片上开 有深槽，并在齿枢上开有若干小孔。
本发明的定齿偏置结构最重要的优点就是键合块少、键合面积大，大大降低了键合难度， 且键合接触电阻小、均匀。由于均置结构的每一个动齿两边的定齿为不同极性，由于引线的 关系，都要单独键合，键合强度小，很容易脱落；而本发明的定齿偏置结构中心线以左为一 种电极，中心线以右为另一种电极，故可采用数个定齿合在一起键合，大大缓解了矛盾。经 工艺流水证明，本发明显著提高了成品率，使微机械传感器从面加工到体加工成为可能，从 而使分辨率和精度大大提高。
此外，本发明的定齿偏置结构明显减少了玻璃极板上均置方案所必需的许多内部引线、 电极。这样，一方面避免了电极、引线间的分布电容及电信号的干扰；另一方面，减少了引 线输出数目，降低了引线键合的工作量。
虽然本发明的偏置结构的横向尺寸略大于定齿均置结构，但均置结构定齿较长(以满足 均置结构的电容及键合面积)，加工过程中，齿弯曲变形较大，工艺难度大；同时，定齿过长 造成的弯曲变形会直接影响传感器的正常工作。另外，均置结构的纵向尺寸大，版面利用率 低。所以，在版面利用、加工工艺上，本发明的定齿偏置结构也优于均置结构。
本发明的电路(见图3)由正弦信号发生电路(I)，微磁环上绕制的变压器(II)，与 微机械结构上相关点相连接的接线块(III)低阻抗输入的前置放大电路(IV)交流放大电路 (V)，相位调整电路(VI)，解调器(VII)低通滤波电器(VIII)比例加积分校正电路(IX) 闭环反馈加力电路(X、XI)共11部分组成。下面具体描述电路情况：图4中接线块III有引 线与微机械结构(图3)上的有关点相连，CAR11，CAR12，CAR21，CAR22，POW11，POW12， POW21，POW22，SEN1，SEN2分别与微机械结构上的CAR11，CAR12，CAR21，CAR22，POW11，POW12， POW21，POW22，SEN1，SEN2相连。正弦信号发生电路(I)的输出端SINO与变压器(II) 的原边相连，变压器副边输出端SIN+，SIN-分别与接线块(III)中的SIN+及SIN-相连， 接线块(III)的输出端通过电容C3与前置放大电路(IV)中运放反相输入端相连，实现低阻 抗输入，前置放大电路(IV)的输出端通过电容C6，电阻R11与交流放大电路(V)中的运放 反相输入端相连，交流放大电路(V)的输出端通过电容C8，电阻R13与相位调整电路(VI) 中运放的反相输入端相连，相位调整电路(VI)中的输出端通过电容C10，与解调器(VII)中 的输入端相连，解调器为AD630，解调器AD630的输出端与低通滤波电路(VIII)相连，低通滤 波电路的输出端通过电阻R24与比例加积分校正电路(IX)中的运放反相输入端相连，比例加 积分校正电路(IX)的输出端直接输出直流电压值，代表感受加速度的大小。并与闭环反馈 加力电路(X、XI)中的输入端相连。闭环反馈加力电路的输出端分别与接线块III的 POW11，POW21相连，本发明电路的特征是采用了低阻抗输入的前置放大电路及反馈静电力采 用差动直流电压方式。
微磁环上绕制的变压器其厚边与副边的匝数比为10∶50。
附图说明
图1：为对比技术ADXL50结构示意图
图2：为本发明梳齿式体硅加工微机械加速度计的微机械结构的示意图
图3：为本发明的电路原理图
图4：为图2的B-B剖视图
本发明梳齿式体硅加工微机械加速度计包括梳齿式体硅加工微机械结构及电路两大部 分。
梳齿式体硅加工微机械结构，包括一个由齿枢、多组动齿和折叠梁组成的敏感质量元件， 固定齿和基片；该动齿由齿枢向两侧伸出，形成双侧梳齿式结构，该齿枢两端的折叠梁通过 立柱固定于基片上，使齿枢、多组动齿相对基片悬空平行设置；所说的敏感质量元件的每个 动齿为可变电容的一个活动电极，与固定齿的每个梳齿交错配置，总体形成差动电容；所说 的固定齿为直接固定在基片上的多组单侧梳齿结构，敏感质量元件的动齿与其相邻的固定齿 之间的距离不等。为解决齿枢与基片之间的间隙过小，所以在敏感质量元件下方的基片上开 有深槽，并在齿枢上开有若干小孔。
本发明的定齿偏置结构最重要的优点就是键合块少、键合面积大，大大降低了键合难度， 且键合接触电阻小、均匀。由于均置结构的每一个动齿两边的定齿为不同极性，由于引线的 关系，都要单独键合，键合强度小，很容易脱落；而本发明的定齿偏置结构中心线以左为一 种电极，中心线以右为另一种电极，故可采用数个定齿合在一起键合，大大缓解了矛盾。经 工艺流水证明，本发明显著提高了成品率，使微机械传感器从面加工到体加工成为可能，从 而使分辨率和精度大大提高。
此外，本发明的定齿偏置结构明显减少了玻璃极板上均置方案所必需的许多内部引线、 电极。这样，一方面避免了电极、引线间的分布电容及电信号的干扰；另一方面，减少了引 线输出数目，降低了引线键合的工作量。
虽然本发明的偏置结构的横向尺寸略大于定齿均置结构，但均置结构定齿较长(以满足 均置结构的电容及键合面积)，加工过程中，齿弯曲变形较大，工艺难度大；同时，定齿过长 造成的弯曲变形会直接影响传感器的正常工作。另外，均置结构的纵向尺寸大，版面利用率 低。所以，在版面利用、加工工艺上，本发明的定齿偏置结构也优于均置结构。
本发明的电路(见图3)由正弦信号发生电路(I)，微磁环上绕制的变压器(II)，与 微机械结构上相关点相连接的接线块(III)低阻抗输入的前置放大电路(IV)交流放大电路 (V)，相位调整电路(VI)，解调器(VII)低通滤波电器(VIII)比例加积分校正电路(IX) 闭环反馈加力电路(X、XI)共11部分组成。下面具体描述电路情况：图4中接线块III有引 线与微机械结构(图3)上的有关点相连，CAR11，CAR12，CAR21，CAR22，POW11，POW12， POW21，POW22，SEN1，SEN2分别与微机械结构上的CAR11，CAR12，CAR21，CAR22，POW11，POW12， POW21，POW22，SEN1，SEN2相连。正弦信号发生电路(I)的输出端SINO与变压器(II) 的原边相连，变压器副边输出端SIN+，SIN-分别与接线块(III)中的SIN+及SIN-相连， 接线块(III)的输出端通过电容C3与前置放大电路(IV)中运放反相输入端相连，实现低阻 抗输入，前置放大电路(IV)的输出端通过电容C6，电阻R11与交流放大电路(V)中的运放 反相输入端相连，交流放大电路(V)的输出端通过电容C8，电阻R13与相位调整电路(VI) 中运放的反相输入端相连，相位调整电路(VI)中的输出端通过电容C10，与解调器(VII)中 的输入端相连，解调器为AD630，解调器AD630的输出端与低通滤波电路(VIII)相连，低通滤 波电路的输出端通过电阻R24与比例加积分校正电路(IX)中的运放反相输入端相连，比例加 积分校正电路(IX)的输出端直接输出直流电压值，代表感受加速度的大小。并与闭环反馈 加力电路(X、XI)中的输入端相连。闭环反馈加力电路的输出端分别与接线块III的 POW11，POW21相连，本发明电路的特征是采用了低阻抗输入的前置放大电路及反馈静电力采 用差动直流电压方式。
微磁环上绕制的变压器其厚边与副边的匝数比为10∶50。
附图说明
图1：为对比技术ADXL50结构示意图
图2：为本发明梳齿式体硅加工微机械加速度计的微机械结构的示意图
图3：为本发明的电路原理图
图4：为图2的B-B剖视图
具体实施方式
本发明的实施例梳齿式体硅加工微机械加速度计(见图2、4)。包括：一个由齿枢24、 多组动齿23和折叠梁22组成的敏感质量元件21，固定齿25和基片27；该动齿23由齿枢 24向两侧伸出，形成双侧梳齿式结构，该齿枢两端的折叠梁22通过立柱26固定于基片27 上，使齿枢、多组动齿相对基片悬空平行设置；该固定齿25为直接固定在基片上的多组单侧 梳齿式结构；所说的敏感质量元件的每个动齿为可变电容的一个活动电极，与固定齿的每个 梳齿交错配置，总体形成差动电容；本实施例与已有定齿均匀配置的梳齿式表面加工微机械 结构的不同之处在于，所说的敏感质量元件的每个梳齿和其相邻的两定齿距离不等，两侧距 离比值为1∶10，且形成以齿枢中点对称分布，主要敏感距离小的一侧形成的电容量，可忽略 距离大的一侧的电容量。若干对动齿和静齿形成总体差动检测的电容和差动加力电容。此外， 本实施例的固定齿结构更为简单，便于键合。
本实施例的微机械结构可用于加速度计，具体尺寸为：
总体平面尺寸2.8mm×2.8mm 敏感质量元件1500μm×1000μm；
梳齿长270μm，宽6μm，定齿与动齿重叠部分长250，非重叠部分长20μm；
总齿数22×2×2，梳齿间隙d0＝2μm D0＝2μm；
单侧 检测梳齿数量n1＝13 力反馈梳齿数n2＝9；
检测电容1.15pF，加力电容0.8pF；敏感质量元件质量77.6μg
折叠梁长370μm 宽2.5μm，折叠梁端头长27μm，宽30μm；
本实施例中定齿和其相邻的两个动齿间距为d0(2.0μm)和D0(约为d0的10倍)。这样， 就形成了定齿偏置结构的梳齿式加速度计。当D0＞＞d0时，D0一侧电容可以忽略不计。
在加速度计整个动片结构下面整个开一个大的矩形槽(坑)，由于该槽较深，因此槽的底 面对加速度计梳齿、摆片的静电力的影响就可以忽略，因此，对槽的表面要求很低，工艺上 更易实现。具体方法是：用缓冲氢氟酸(BHF)溶液腐蚀，通过反应时间来控制深度。另外， 由于玻璃上槽较深，存在较大的侧向腐蚀，所以在槽的平面尺寸选取上必须预留刻蚀余量以 免侧蚀侵吞了固定梳齿的键合面积而影响到键合强度。通过参考文献及单项工艺实验，对于 20μm深的槽，刻蚀量为10μm左右即可，为保险起见，留20μm。
本实施例的微机械结构可用于加速度计，具体尺寸为：
总体平面尺寸2.8mm×2.8mm 敏感质量元件1500μm×1000μm；
梳齿长270μm，宽6μm，定齿与动齿重叠部分长250，非重叠部分长20μm；
总齿数22×2×2，梳齿间隙d0＝2μm D0＝2μm；
单侧 检测梳齿数量n1＝13 力反馈梳齿数n2＝9；
检测电容1.15pF，加力电容0.8pF；敏感质量元件质量77.6μg
折叠梁长370μm 宽2.5μm，折叠梁端头长27μm，宽30μm；
本实施例中定齿和其相邻的两个动齿间距为d0(2.0μm)和D0(约为d0的10倍)。这样， 就形成了定齿偏置结构的梳齿式加速度计。当D0＞＞d0时，D0一侧电容可以忽略不计。
在加速度计整个动片结构下面整个开一个大的矩形槽(坑)，由于该槽较深，因此槽的底 面对加速度计梳齿、摆片的静电力的影响就可以忽略，因此，对槽的表面要求很低，工艺上 更易实现。具体方法是：用缓冲氢氟酸(BHF)溶液腐蚀，通过反应时间来控制深度。另外， 由于玻璃上槽较深，存在较大的侧向腐蚀，所以在槽的平面尺寸选取上必须预留刻蚀余量以 免侧蚀侵吞了固定梳齿的键合面积而影响到键合强度。通过参考文献及单项工艺实验，对于 20μm深的槽，刻蚀量为10μm左右即可，为保险起见，留20μm。
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