一種嵌入u形梁的帶自標(biāo)功能的微慣性傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于微電子機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種微慣性傳感器，具體涉及一種嵌入U(xiǎn)形梁的含自我標(biāo)定功能的高精度微慣性傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]最近十幾年來，用微機(jī)械技術(shù)制作的加速度計(jì)得到了迅速的發(fā)展，主要有光加速度計(jì)、電磁加速度計(jì)、電容加速度計(jì)等。在這些傳感器中，電容式加速度傳感器，由于具有溫度系數(shù)小，靈敏度高，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，是目前研制的最多的一類加速度傳感器。隨著加速度傳感器的發(fā)展，加速度傳感器的標(biāo)定方法也得到了迅速的發(fā)展。對加速度傳感器的常用標(biāo)定方法有Ig動態(tài)翻滾試驗(yàn)、高g值離心機(jī)試驗(yàn)、振動沖擊試驗(yàn)等。傳統(tǒng)標(biāo)定加速度傳感器時(shí)需要使傳感器收到已知的慣性力的作用，觀察記錄傳感器輸出信號與外界加速度的關(guān)系。這種標(biāo)定方法往往需要高精度的儀器提供加速度信號，費(fèi)用比較昂貴，而且操作復(fù)雜，后來陸續(xù)有人研究用靜電力對傳感器進(jìn)行自我標(biāo)定，代替外界加速度產(chǎn)生的慣性力，可以降低成本，但產(chǎn)生靜電力時(shí)所施加的電壓易超過加速度傳感器的工作電壓。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本實(shí)用新型的目的在于提供一種嵌入U(xiǎn)形梁的含自我標(biāo)定功能的高精度微慣性傳感器。
[0004]本實(shí)用新型提供的電容式微慣性傳感器包括玻璃襯底、敏感器質(zhì)量塊、驅(qū)動器質(zhì)量塊、固定驅(qū)動硅條和驅(qū)動導(dǎo)線。
[0005]敏感器質(zhì)量塊分為條形敏感器質(zhì)量塊和一對柵形敏感器質(zhì)量塊。條形敏感器質(zhì)量塊由矩形塊和條形敏感器質(zhì)量塊矩形凸起組成，條形敏感器質(zhì)量塊的兩對應(yīng)端通過敏感器U型硅支撐梁與敏感器錨點(diǎn)連接，敏感器錨點(diǎn)固定設(shè)置在玻璃襯底上。一對柵形敏感器質(zhì)量塊分別位于條形敏感器質(zhì)量塊兩側(cè)，每個(gè)柵形敏感器質(zhì)量塊由縱向等間距、橫向平行的柵形電極以及柵型敏感器質(zhì)量塊矩形凸起組成，其縱向長度和條形敏感器質(zhì)量塊的主體長度相同；柵形敏感器質(zhì)量塊矩形凸起和條形質(zhì)量塊矩形凸起相對，形成電容調(diào)整間隙。柵形敏感器質(zhì)量塊的兩個(gè)對應(yīng)端分別設(shè)置有兩組矩形硅條組，每組硅條組包括平行設(shè)置的m條硅條，m多2，柵形敏感器質(zhì)量塊兩端的硅條數(shù)目相同、位置對應(yīng)，硅條與柵形敏感器質(zhì)量塊側(cè)邊垂直；柵形敏感器質(zhì)量塊對應(yīng)玻璃襯底一面刻蝕有與矩形硅條平行的矩形柵條形井。柵形敏感器質(zhì)量塊和條形敏感器質(zhì)量塊通過兩對位于柵形敏感器質(zhì)量塊和條形敏感器質(zhì)量塊之間的U形敏感器連接梁相連，該兩對U形敏感器連接梁沿著條形敏感器質(zhì)量塊的橫向中心線對稱設(shè)置。
[0006]敏感器質(zhì)量塊的兩側(cè)分別設(shè)置有兩個(gè)驅(qū)動器質(zhì)量塊；所述的驅(qū)動器質(zhì)量塊為矩形硅片，驅(qū)動器質(zhì)量塊的兩對應(yīng)端通過驅(qū)動器U形支撐梁與錨點(diǎn)連接，驅(qū)動器錨點(diǎn)固定設(shè)置在玻璃襯底上，驅(qū)動器質(zhì)量塊與玻璃襯底平行設(shè)置；每個(gè)驅(qū)動器質(zhì)量塊的一側(cè)設(shè)置有m個(gè)驅(qū)動器驅(qū)動硅條，另一側(cè)設(shè)置有m個(gè)質(zhì)量塊驅(qū)動硅條，所述的質(zhì)量塊驅(qū)動硅條為梳齒狀，齒上刻蝕有凹形阻尼條，質(zhì)量塊驅(qū)動硅條與敏感器質(zhì)量塊連接的矩形硅條平行、位置對應(yīng)，敏感器質(zhì)量塊連接的矩形硅條與對應(yīng)的質(zhì)量塊驅(qū)動硅條組成質(zhì)量塊驅(qū)動電容；驅(qū)動器質(zhì)量塊中間刻有方環(huán)形槽。
[0007]兩個(gè)梳齒狀的固定驅(qū)動硅條固定設(shè)置在玻璃襯底上，每個(gè)固定驅(qū)動硅條的梳齒條與驅(qū)動器驅(qū)動硅條位置對應(yīng)；固定驅(qū)動硅條的梳齒條與對應(yīng)的驅(qū)動器驅(qū)動硅條的組成驅(qū)動器驅(qū)動電容；兩個(gè)固定驅(qū)動硅條通過玻璃襯底表面上的引線與驅(qū)動器外部連接錨點(diǎn)連接。
[0008]驅(qū)動導(dǎo)線共有兩根，分別縱向設(shè)置于相應(yīng)的柵形敏感器質(zhì)量塊的內(nèi)側(cè)邊框上，每根驅(qū)動導(dǎo)線的一端通過沿對應(yīng)的敏感器連接梁和敏感器U型硅支撐梁上所鋪設(shè)的金屬導(dǎo)線引出電極連接。驅(qū)動導(dǎo)線以及連接驅(qū)動導(dǎo)線與電極之間的連接線與敏感器柵質(zhì)量塊對應(yīng)部分之間設(shè)置有電絕緣層。
[0009]玻璃襯底表面對應(yīng)兩個(gè)敏感器錨點(diǎn)位置設(shè)置有兩個(gè)敏感器質(zhì)量塊錨點(diǎn)，敏感器質(zhì)量塊焊點(diǎn)與敏感器錨點(diǎn)連接；玻璃襯底表面對應(yīng)敏感器質(zhì)量塊設(shè)置有叉指鋁電極，敏感器質(zhì)量塊上刻蝕的柵條形井的長條邊與叉指鋁電極中的每對叉指相對應(yīng)。
[0010]本實(shí)用新型專利基本的構(gòu)思是設(shè)計(jì)嵌入U(xiǎn)形梁的帶有自我標(biāo)定功能的高精度微慣性傳感器，同時(shí)增大傳感器的標(biāo)定范圍。傳感器質(zhì)量塊驅(qū)動電容的初始設(shè)計(jì)間距較大，從而解決深反應(yīng)離子刻蝕深寬比小于30:1對傳感器振子的質(zhì)量不能做厚的限制，而后通過驅(qū)動器減小了電容極板間距，從而增大了傳感器的初始質(zhì)量塊驅(qū)動電容以增大傳感器的標(biāo)定范圍，再在驅(qū)動器上施加電壓，產(chǎn)生靜電力驅(qū)動敏感質(zhì)量塊，使敏感質(zhì)量塊在敏感方向上產(chǎn)生偏移，等效于施加外界加速度，實(shí)現(xiàn)自我標(biāo)定功能。同時(shí)，通過磁場驅(qū)動?xùn)判蚊舾衅髻|(zhì)量塊，減小檢測電容間距，從而增大傳感器的初始檢測電容，提高傳感器精度，降低檢測電路噪聲。本實(shí)用新型專利還在敏感器質(zhì)量塊上刻蝕柵形條井，并和襯底上的叉指鋁電極組成差分檢測電容降低了電路噪聲，且柵條形井和玻璃襯底上叉指間的差動表現(xiàn)為滑膜阻尼特性，從而也減小了布朗噪聲。本實(shí)用新型專利通過在驅(qū)動器的質(zhì)量塊驅(qū)動硅條上刻蝕凹形阻尼條來減小壓膜空氣阻尼從而減小機(jī)械噪聲。另外，通過改變支撐梁和質(zhì)量塊的尺寸還可以改變傳感器的量程和響應(yīng)特性。
[0011]本實(shí)用新型提供的微慣性傳感器大大增大了振子質(zhì)量，從而減小了布朗噪聲，而通過驅(qū)動器減小了電容極板間距，并在驅(qū)動器的質(zhì)量塊驅(qū)動硅條上刻蝕阻尼條，增大了質(zhì)量塊驅(qū)動電容，減少了質(zhì)量塊驅(qū)動電壓，增大了標(biāo)定范圍，同時(shí)減小了壓膜空氣阻尼，從而降低了機(jī)械噪聲和電路噪聲，而變面積式的梳齒對和敏感器質(zhì)量塊上新增的柵形條井電容差分運(yùn)動時(shí)空氣阻尼表現(xiàn)為滑膜阻尼，從而降低了布朗噪聲，同時(shí)也增大了檢測電容。
[0012]本實(shí)用新型涉及的高精度微慣性傳感器結(jié)構(gòu)新穎，分辨率和靈敏度高，制作工藝簡單，有利于降低成本和提高成品率，是一種可以實(shí)際應(yīng)用的微慣性傳感器。
【附圖說明】
[0013]圖1為實(shí)用新型的玻璃襯底及表面上的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖2為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)俯視圖；
[0015]圖3為本實(shí)用新型的柵條形井的剖面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]以下結(jié)合實(shí)施例和附圖對本實(shí)用新型進(jìn)一步說明，但本實(shí)用新型決非僅限于所介紹的實(shí)施例。
[0017]如圖1、2和3所示，一種嵌入U(xiǎn)形梁的帶自我標(biāo)定的微慣性傳感器包括玻璃襯底1、敏感器質(zhì)量塊20、驅(qū)動器質(zhì)量塊14、固定驅(qū)動硅條16和驅(qū)動導(dǎo)線29。
[0018]敏感器質(zhì)量塊分為條形敏感器質(zhì)量塊35和一對柵形敏感器質(zhì)量塊20。條形敏感器質(zhì)量塊35由矩形塊34和條形敏感器質(zhì)量塊矩形凸起31組成，條形敏感器質(zhì)量塊35的兩對應(yīng)端通過敏感器U型硅支撐梁18與敏感器錨點(diǎn)19連接，敏感器錨點(diǎn)19固定設(shè)置在玻璃襯底I上。一對柵形敏感器質(zhì)量塊20分別位于條形敏感器質(zhì)量塊35兩側(cè)，每個(gè)柵形敏感器質(zhì)量塊20由縱向等間距、橫向平行的柵形電極21、22以及柵型敏感器質(zhì)量塊矩形凸起32組成，其縱向長度和條形敏感器質(zhì)量塊的主體長度相同；柵形敏感器質(zhì)量塊矩形凸起32和條形質(zhì)量塊矩形凸起31相對，形成電容調(diào)整間隙33。柵形敏感器質(zhì)量塊20的兩個(gè)對應(yīng)端分別設(shè)置有兩組矩形硅條組，每組矩形硅條組包括平行設(shè)置的m條硅條23，m ^ 2，柵形敏感器質(zhì)量塊20兩端硅條23的數(shù)量相同、位置對應(yīng)，硅條23與柵形敏感器質(zhì)量塊20的側(cè)邊垂直；柵形敏感器質(zhì)量塊20對應(yīng)玻璃襯底一面等間距刻蝕有與硅條23平行的12個(gè)矩形柵條形井22 ;敏感器質(zhì)量塊和外部封裝的連接通過玻璃襯底I上的敏感器質(zhì)量塊焊點(diǎn)5來實(shí)現(xiàn)，柵形敏感器質(zhì)量塊20下表面的柵條形井的長條邊21位于襯底叉指鋁電極9組成的電極對的正上方。柵形敏感器質(zhì)量塊20和條形敏感器質(zhì)量塊35通過兩對位于柵形敏感器質(zhì)量塊20和條形敏感器質(zhì)量塊35之間的U形敏感器連接梁30相連，該兩對U形敏感器連接梁30沿著條形敏感器質(zhì)量塊35的橫向中心線對稱設(shè)置。
[0019]敏感器質(zhì)量塊的兩側(cè)分別設(shè)置有兩個(gè)驅(qū)動器質(zhì)量塊14，驅(qū)動器質(zhì)量塊14為矩形硅片，驅(qū)動器質(zhì)量塊14的兩對應(yīng)端通過驅(qū)動器U形硅支撐梁10與驅(qū)動器錨點(diǎn)17連接，驅(qū)動器錨點(diǎn)17固定設(shè)置在玻璃襯底I上，驅(qū)動器質(zhì)量塊14與玻璃襯底I平行設(shè)置；每個(gè)驅(qū)動器質(zhì)量塊14的一側(cè)設(shè)置有2個(gè)驅(qū)動器驅(qū)動硅條11，另一側(cè)設(shè)置有2個(gè)質(zhì)量塊驅(qū)動硅條25，其中質(zhì)量塊驅(qū)動硅條25上刻蝕有凹形阻尼條24，以降低壓膜空氣阻尼，質(zhì)量塊驅(qū)動硅條25與敏感器質(zhì)量塊20連接的矩形硅條23平行、位置對應(yīng)，敏感器質(zhì)量塊連接的矩形硅條23與對應(yīng)的質(zhì)量塊驅(qū)動硅條25組成質(zhì)量塊驅(qū)動電容；驅(qū)動器質(zhì)量塊14與矩形孤島13之間形成方形環(huán)槽12。敏感器質(zhì)量塊兩側(cè)對應(yīng)的驅(qū)動器質(zhì)量塊14通過玻璃襯底I表面上的引線8與焊點(diǎn)4連接。
[0020]兩個(gè)梳齒狀的固定驅(qū)動