CN1291232C - 一种微型角速度传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微型角速度传感器及其制作方法。传感器由第一基板及其上的两组检测用交叉梳齿状固定对电极、固定于第一基板上的中央锚点和两侧锚点、第二基板的上表面的中点电极、悬于第一基板上方的可沿第一方向运动的两组全同且对称的驱动质量块、中央锚点与驱动质量块相连接的第一弹性折叠梁、两侧锚点与驱动质量块相连接的第二弹性折叠梁、连接两组驱动质量块的耦合梁、悬于第一基板上方的可沿垂直于第一方向的第二方向运动的两个检测质量块、检测质量块与驱动质量块之间的连接弹性梁、第一弹性折叠梁上的电绝缘层及其上的驱动配线、第二弹性折叠梁上的电绝缘层及其上的感应配线构成。采用微电子机械系统技术，工艺简单、可靠性好。

Description

一种微型角速度传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种微型角速度传感器及其制作方法，采用微电子机械加工技术作为关键技术制作。属于微电子机械系统领域。

背景技术

角速度传感器在汽车导航和控制系统、摄像机消振系统等领域获得广泛应用。利用微电子机械加工技术(Micro-machining Technology)制作的微机械角速度传感器，具有成本低、可批量生产、稳定性好等特点。目前的微型角速度传感器，以驱动方式划分主要有静电式、压电式、电磁式等，以检测方式划分则有电容式、压阻式、压电式等。

M.Lutz等提出的典型的高精度硅基微型角速度传感器(M.Lutz，et al，“APrecision Yaw Rate Sensor in Silicon Micro-machining”，Tech.Digest ofTransducers’97(1997 Intl.Conf.On Solid-State Sensors and Actuators)，p.847-850)，是由电磁洛伦兹(Lorentz)力驱动反相(out-phase)运动的两个质量块及其上的梳齿结构的加速度计，外加角速度引起的Coriolis力引起梳齿间静电电容的正比例变化，通过检测这种变化可以获得相对应的角速度值。虽然这种结构的角速度传感器具有精度高、零点稳定性好、可靠性好等特点，但是该传感器的制作工艺是表面微机械加工技术和体微机械加工技术的混合工艺，较为复杂；同时，检测Coriolis力的加速度计是梳齿结构的，梳齿间的相向运动受到的是压膜阻尼，品质因子(Q-factor)比较小，对传感器灵敏度的提高不利；为了获得较高的灵敏度，该传感器的驱动增幅达到了50微米左右，这对结构的长期可靠性提出了挑战。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微型角速度传感器及其制作方法以制作工艺简单、灵敏度高、长期可靠性好的微型角速度传感器。

本发明提供的微型角速度传感器特征在于由第一基板及其上的两组检测用交叉梳齿状固定对电极、固定于第一基板上的中央锚点和两侧锚点、第二基板上的中点电极、悬于第一基板上方的可沿第一方向运动的两组完全相同且对称的驱动质量块、中央锚点与驱动质量块相连接的第一弹性折叠梁、两侧锚点与驱动质量块相连接的第二弹性折叠梁、连接两组驱动质量块的耦合梁、连接两组驱动质量块的耦合梁、悬于第一基板上方的可沿垂直于第一方向的第二方向运动的两个检测质量块、检测质量块与驱动质量块之间的连接弹性梁、第一弹性折叠梁上的电绝缘层及其上的驱动配线、第二弹性折叠梁上的电绝缘层及其上的感应配线组成的微型角速度传感器来实现的。

所述的检测质量块是由栅状电极和连接栅状电极的栅条的边框组成，该栅状电极的厚度不大于第二基板厚度。

所述的检测用交叉梳齿状固定电极由沿长度方向相对交叉的第一组和第二组梳齿电极及各自的引出电极组成，各梳齿间的间隙不小于一微米。

所述的栅状电极的各栅条位于所述第一组和第二组梳齿电极的对应梳齿电极对的正上方。

所述的栅状电极下表面与所述检测用交叉梳齿状固定对电极的上表面的间隙不大于栅状电极的栅条宽度。

本发明的目的是通过由如下步骤的制作方法制作出来的微型角速度传感器来实现的：

(1)在第一基板的上表面形成两组检测用的交叉梳齿状固定对电极；

(2)在第二基板的上表面形成电绝缘层；

(3)在第二基板的下表面形成凹部；

(4)在第二基板的下表面的所述凹部区域形成栅状电极；

(5)将所述第一基板的上表面与所述第二基板的下表面相向键合，所述栅状电极与所述检测用交叉梳齿状固定对电极互相对准，形成栅状电极下表面与检测用交叉梳齿状固定对电极的上表面间的间隙；

(6)刻蚀所述第二基板上的绝缘层，形成第一和第二弹性折叠梁上的电绝缘层图形，同时在第二基板的上表面形成中点电极区；

(7)在所述第一和第二弹性折叠梁上的电绝缘层、以及中点电极区分别形成驱动配线、感应配线和中点电极；

(8)刻蚀所述第二基板，形成悬于第一基板上方的可沿第一方向运动的两组全同且对称的两组驱动质量块、悬于第一基板上方的可沿垂直于第一方向的第二方向运动的两个检测质量块、固定于第一基板上的中央锚点和两侧锚点、中央锚点与驱动质量块相连接的第一弹性折叠梁、两侧锚点与驱动质量块相连接的第二弹性折叠梁、连接两组驱动质量块的耦合梁、检测质量块与驱动质量块之间的连接弹性梁。

综上所述，根据本发明可以实现由由第一基板及其上的两组检测用交叉梳齿状固定对电极、固定于第一基板上的中央锚点和两侧锚点、第二基板的上表面的中点电极、悬于第一基板上方的可沿第一方向运动的两组完全相同且对称的驱动质量块、中央锚点与驱动质量块相连接的第一弹性折叠梁、两侧锚点与驱动质量块相连接的第二弹性折叠梁、连接两组驱动质量块的耦合梁、悬于第一基板上方的可沿垂直于第一方向的第二方向运动的两个检测质量块、检测质量块与驱动质量块之间的连接弹性梁、第一弹性折叠梁上的电绝缘层及其上的驱动配线、第二弹性折叠梁上的电绝缘层及其上的感应配线构成的微型角速度传感器。第二基板下表面形成的栅状电极与第一基板上表面的检测用交叉梳齿状固定对电极互相对准。检测质量块的栅状电极与第一基板上的交叉梳齿状固定对电极之间起主要作用的是滑膜阻尼，因滑膜阻尼与压膜阻尼比较要小得多，因而检测方向的品质因子得以大幅提高，可以有效地提高器件的灵敏度。灵敏度的提高也降低了对驱动速度、幅度的要求，有利于提高器件的长期可靠性。

1.在驱动速度一定的情况下，可以检测到更小的角速度变化。器件的总体检测灵敏度和分辨率等指标相应得到提高。

2.在可检测的最小角速度一定的情况下，需要的驱动速度更小。器件的功耗可以得到相应降低。

本发明涉及的微型角速度传感器包括两个检测质量块，从而可以消除因具有检测方向分量的外部加速度引起的干扰，有利于提高系统的抗干扰性和稳定性。

同时，本发明涉及的微型角速度传感器的制作方法是通用的微电子机械系统技术工艺，制作工艺单纯、简单，有利于提高制作成品率和降低成本。

附图说明

下面通过附图说明和实施例进一步阐明本发明实质性特点和显著进步，但本发明决非仅限于介绍的实施例。

图1(a)实施例1中涉及的微型角速度传感器结构的全体俯视图

图1(b)图1(a)中沿A-A’截线取的器件结构的分解断面图

图1(c)第一基板上检测用交叉梳齿状固定对电极的示意图

图1(d)图1(a)中沿B-B’截线取的器件结构的分解断面图

图2图1(a)中微型角速度传感器工艺流程断面图

图3图1(a)中微型角速度传感器中的栅状电极的制作工艺流程断面图

图4微型角速度传感器的工作原理示意图

图5(a)实施例2中涉及的微型角速度传感器结构的全体俯视图

图5(b)图5(a)中沿C-C’截线取的器件结构的分解断面图

图5(c)图5(a)中沿D-D’截线取的器件结构的分解断面图

具体实施方式

通过以下实施例阐述本发明涉及的微型角速度传感器及其制作方法的实质性特点和显著进步，但本发明绝非仅限于实施例。

实施例1

本发明的实施例1涉及一种微型角速度传感器，参考图1进行说明。图1(a)为微型角速度传感器结构的全体俯视图，图1(b)为图1(a)中沿A-A’截线的器件结构的分解断面图。

如图1(a)所示，第一基板1上形成有两组检测用交叉梳齿状固定对电极2a和2b、固定引线电极3a和3b；悬于第一基板1上方的全同且对称的两组驱动质量块20、两组驱动质量块20之间的耦合梁27、中央锚点22和22a、两侧锚点25和25a、驱动质量块20与中央锚点22和22a之间的第一弹性折叠梁21、驱动质量块20与两侧锚点25和25a之间的第二弹性折叠梁19、悬于第一基板1上方的两个检测质量块17、检测质量块17与驱动质量块20之间的连接弹性梁24、中央锚点22上的中点电极16、第一弹性折叠梁21和驱动质量块20以及中央锚点22和22a的表面上的电绝缘层14、该电绝缘层14上形成的驱动配线15及引线焊区15a、第二弹性折叠梁19和驱动质量块20以及两侧锚点25和25a的表面上的电绝缘层13、该电绝缘层13上形成的感应配线18及引线焊区18a、以及如图1(b)中所示的第一基板1与驱动质量块20间的间隙11、栅状电极23和栅条间隙23a以及栅状电极23下表面与检测用交叉梳齿状固定对电极2a和2b的上表面间的间隙28。

为清楚起见，将第一基板1及其表面上的两组检测用交叉梳齿状固定对电极2a和2b、固定引线电极3a和3b再次示意于图1(c)中，对电极2a和2b中的每一组交叉梳齿间的间隙不小于一微米。

同时，检测质量块17及邻近区域的沿B-B’线的断面结构示意于图1(d)中，包括第一基板1及其上的交叉梳齿状固定对电极2a和2b、栅状电极23、栅条间隙23a、连接弹性梁24、驱动质量块20、两侧锚点25和25a。其中，栅条电极23的高度D’小于第二基板20的厚度D，间隙28的高度d不大于栅条23a的宽度w；同时，栅状电极23的任一栅条的初始位置在相应的交叉梳齿状固定对电极2a和2b的间隙的正上方。

本实施例1涉及的微型角速度传感器的制作方法，参考图2所示的工艺流程断面图进行说明，结构断面仍然取自图1(b)中A-A’截线，主要包括以下工艺步骤：

(a)选用玻璃基板作为第一基板1，但并不局限于玻璃基板，也可选用表面有热氧化层的硅片基板等。(b)在第一基板1的上表面形成铝(Al)材料的两组检测用交叉梳齿状固定对电极2a和2b。

(c)选用硅片作为第二基板10。(d)在第二基板10的上表面形成热氧化层作为电绝缘层12。(e)利用碱性水溶液在第二基板10的下表面腐蚀形成凹部11和中央锚点22。(f)在凹部11区域，利用硅深刻蚀技术(ICP-DRIE)刻蚀第二基板10，形成栅状电极23和间隙23a(该步骤将参考图3进行说明)。

(g)将栅状电极23与检测用交叉梳齿状固定对电极2a和2b互相对准，实现第一基板1的上表面与第二基板10的下表面之间的相向键合，形成栅状电极23下表面与检测用交叉梳齿状固定对电极2a和2b的上表面间的间隙28。(h)刻蚀第二基板10上的电绝缘层12，形成第一弹性折叠梁区域及两侧锚点区的电绝缘层13和第二弹性折叠梁区域及中央锚点区的电绝缘层14，同时形成中点电极区16a。(i)分别在电绝缘层13上形成铝材料的驱动配线15、在电绝缘层14上形成铝材料的感应配线18和两侧锚点区的引线焊区18a、在中点电极区16a上形成铝材料的中点电极16。(j)利用硅深刻蚀技术(ICP-DRIE)刻蚀第二基板10，同时形成悬于第一基板1上方的两组全同且对称的驱动质量块20、悬于第一基板1上方的两个检测质量块17、固定于第一基板1上的中央锚点22和两侧锚点25、连接中央锚点22与驱动质量块20的第一弹性折叠梁21、连接两侧锚点25与驱动质量块20的第二弹性折叠梁19、连接两组驱动质量块20的耦合梁27、检测质量块17与驱动质量块20之间的连接弹性梁24。

参考图3说明工艺步骤(f)，断面仍然沿图1(d)中的B-B’线。(e’)利用碱性水溶液在第二基板10的下表面腐蚀形成凹部11。(f1)在第二基板10的下表面及凹部11中形成感光树脂材料(一般称为光刻胶)的掩膜层30，该掩膜层30的图形由光刻技术形成。(f2)利用硅深刻蚀技术(ICP-DRIE)刻蚀第二基板10至一定深度，形成栅状电极23和间隙23a；随后将掩膜层30去除。

由以上工艺步骤，制作出本发明涉及的一种微型角速度传感器。

结合图4对传感器的工作原理进行说明。如图4(a)中所示，在驱动配线15中施加一定频率的交变驱动电流50，该交变电流在垂直于传感器表面的外加磁场B(Z轴方向)作用下驱动全同的两组驱动质量块20作沿粗箭头方向(X轴方向)的反相谐振运动；当有沿Z轴方向的外部角速度分量施加于系统时，在Y轴方向产生Coriolis加速度，如公式(1)表示：

$\stackrel{\→}{a}=2\×\stackrel{\→}{v}\×\stackrel{\→}{\mathrm{\Ω}}---\left(1\right)$

其中， 是驱动质量块20和检测质量块28在X轴方向的运动速度， 是外部角速度，是发生的Coriolis加速度。

两个检测质量块17受Coriolis加速度作用，沿细箭头方向(Y轴方向)作反相运动。如图4(b)所示断面图的是质量块17上的栅状电极23的任一栅条及其下对应的一对检测用交叉梳齿状固定对电极2a和2b构成电容C1和C2，当栅状电极23位移Δy时，栅状电极23与交叉梳齿状固定对电极2a和2b之间的交叠距离相对于初始距离y₀发生变化，从而引起电容C1和C2发生变化，每一组检测差分电容可由公式(2)表示如下：

$\mathrm{\ΔC}=C_2-C_1=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}L}{d}\·2\mathrm{\Δy}=2\·C_0\·\frac{\mathrm{\Δy}}{y_0}---\left(2\right)$

其中，ε₀为空气的介电常数，Δy是栅状电极在Y方向的位移，y₀分别是静态下栅状电极23与交叉梳齿状固定对电极2a和2b的交叠宽度，L是栅状电极23与交叉梳齿状固定对电极2a和2b的任一梳齿在Y方向的长度，d为栅状电极23与交叉梳齿状固定对电极2a和2b间的间隙高度，C₀为C₁和C₂的静态电容。

由公式(1)可知，角速度与Coriolis加速度成正比例关系，从而与检测差分电容ΔC也成正比例关系，因此，通过检测ΔC的变化，就可以得出外加角速度的值。

每一个检测质量块17与交叉梳齿状固定对电极2a和2b之间的电容总变化是上述ΔC的多组总和，即可以通过与检测质量块17电连通的检测中点电极16与固定引线电极3a和3b之间的电容变化来获得。

如上所述，在栅状电极23与第一基板1上的检测用交叉梳齿状固定对电极2a和2b之间起主要作用的是滑膜阻尼，而滑膜阻尼与压膜阻尼比较要很多，检测方向的品质因子可以得到大幅提高，检测灵敏度也因而得到提高。检测灵敏度的提高意味着可以检测更小的，这可带来以下好处：

1.在驱动速度一定的情况下，可以检测到更小的角速度变化。器件的总体检测灵敏度和分辨率等指标相应得到提高。

2.在可检测的最小角速度一定的情况下，需要的驱动速度更小。器件的功耗可以得到相应降低。

实施例2

如图5所示，本发明涉及另一种微型角速度传感器，与实施例1中的传感器在结构上的不同之处在于检测质量块上的栅状电极的间隙是贯穿第二基板的。微型角速度传感器结构的全体俯视图如图5(a)，沿C-C’截线取器件结构的分解断面图如图5(b)。

如图5(a)所示，第一基板1上形成有两组检测用交叉梳齿状固定对电极2a和2b、固定引线电极3a和3b；悬于第一基板1上方的全同且对称的两组驱动质量块20、两组驱动质量块20之间的耦合梁27、中央锚点22和22a、两侧锚点25和25a、驱动质量块20与中央锚点22和22a之间的第一弹性折叠梁21、驱动质量块20与两侧锚点25和25a之间的第二弹性折叠梁19、悬于第一基板1上方的两个检测质量块17、检测质量块17上的栅状电极23和贯穿第二基板10的间隙23a、检测质量块17与驱动质量块20之间的连接弹性梁24、中央锚点22上的中点电极区16、第一弹性折叠梁21和驱动质量块20以及中央锚点22和22a的表面上的电绝缘层14、该电绝缘层14上形成的驱动配线15及引线焊区15a、第二弹性折叠梁19和驱动质量块20以及两侧锚点25和25a的表面上的电绝缘层13、该电绝缘层13上形成的感应配线18及引线焊区18a、以及如图5(b)中所示的第一基板1与驱动质量块20间的间隙11、栅状电极23下表面与检测用交叉梳齿状固定对电极2a和2b的上表面间的间隙28。

同时，检测质量块17及邻近区域的沿D-D’线的断面结构示意于图5(c)中，包括第一基板1及其上的交叉梳齿状固定对电极2a和2b、栅状电极23、连接弹性梁24、驱动质量块20、两侧锚点25和25a。由图可见，栅条间隙23a贯穿第二基板10，间隙28的高度d不大于栅条23a的宽度w；同时，栅状电极23的任一栅条的初始位置在相应的交叉梳齿状固定对电极2a和2b的间隙的正上方。

本实施例涉及的微型角速度传感器的制作方法与实施例1中传感器的制作工艺流程的不同之处在于利用硅深刻蚀技术(ICP-DRIE)刻蚀第二基板10形成栅状电极23和贯穿第二基板10的栅条间隙23a。

本实施例中栅条间隙23a贯穿整个第二基板10，这有利于间隙23a中的气体与间隙11中的气体，以及栅状电极23上方的气体之间的流动，可以进一步减少空气阻尼，有利于检测灵敏度的改善。

由以上二个实施例可清楚看出，根据本发明可以实现由第一基板及其上的两组检测用交叉梳齿状固定对电极、第二基板上的中点电极、悬于第一基板上方的可沿第一方向运动的两组全同且对称的两组驱动质量块、悬于第一基板上方的可沿垂直于第一方向的第二方向运动的两个检测质量块、用于第一基板上的锚点与驱动质量块相连接的第一和第二弹性折叠梁、连接两组驱动质量块的耦合梁、检测质量块与驱动质量块之间的连接弹性梁、第一弹性折叠梁上的电绝缘层及其上的驱动配线、第二弹性折叠梁上的电绝缘层及其上的感应配线组成的微型角速度传感器。检测质量块的栅状电极与第一基板上的交叉梳齿状固定对电极之间起主要作用的是滑膜阻尼，品质因子得以大幅提高，可以有效地提高器件的灵敏度。灵敏度的提高也降低了对驱动速度、幅度的要求，有利于提高器件的长期可靠性。

同时，本发明涉及的微型角速度传感器的制作采用通用的微电子机械系统技术工艺，制作工艺简单，有利于提高制作成品率和降低成本。

Claims (6)

1.一种微型角速度传感器，其特征在于传感器由第一基板及其上的两组检测用交叉梳齿状固定对电极、固定于第一基板上的中央锚点和两侧锚点、第二基板的上表面的中点电极、悬于第一基板上方的可沿第一方向运动的两组完全相同且对称的驱动质量块、中央锚点与驱动质量块相连接的第一弹性折叠梁、两侧锚点与驱动质量块相连接的第二弹性折叠梁、连接两组驱动质量块的耦合梁、悬于第一基板上方的可沿垂直于第一方向的第二方向运动的两个检测质量块、检测质量块与驱动质量块之间的连接弹性梁、第一弹性折叠梁上的电绝缘层及其上的驱动配线、第二弹性折叠梁上的电绝缘层及其上的感应配线组成；所述的第二基板下表面形成的栅状电极与第一基板上表面的检测用交叉梳齿状固定对电极是互相对准的。

2.根据权利要求1所述的微型角速度传感器，其特征在于所述检测质量块由栅状电极和连接栅条的边框组成，同时，栅状电极的厚度不大于所述驱动质量块的厚度。

3.根据权利要求1所述的微型角速度传感器，其特征在于所述检测用交叉梳齿状固定对电极由沿长度方向相对交叉的第一组和第二组梳齿电极及各自的引出电极组成，各梳齿间的间隙不小于一微米。

4.根据权利要求2或3所述的微型角速度传感器，其特征在于所述的栅状电极的各栅条位于第一组和第二组梳齿电极的对应梳齿电极对的正上方。

5.根据权利要求1所述的微型角速度传感器，其特征在于所述栅状电极下表面与检测用交叉梳齿状固定对电极的上表面间的间隙不大于栅状电极的栅条宽度。

6.根据权利要求1所述的微型角速度传感器的制作方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)在第一基板的上表面形成所述两组检测用交叉梳齿状固定对电极；

(2)在第二基板的上表面形成电绝缘层；

(3)在第二基板的下表面形成凹部；

(4)在第二基板的下表面的所述凹部区域形成栅状电极；

(5)将所述第一基板的上表面与所述第二基板的下表面相向键合，所述栅状电极与所述检测用交叉梳齿状固定对电极互相对准，形成栅状电极下表面与检测用交叉梳齿状固定对电极的上表面间的间隙；

(6)刻蚀所述第二基板上的绝缘层，形成第一和第二弹性折叠梁上的电绝缘层，同时在第二基板的上表面形成中点电极区；

(7)在所述第一和第二弹性折叠梁上的电绝缘层、以及中点电极区分别形成驱动配线、感应配线和中点电极；

(8)刻蚀所述第二基板，形成悬于第一基板上方的可沿第一方向运动的两组全同且对称的两组驱动质量块、悬于第一基板上方的可沿垂直于第一方向的第二方向运动的两个检测质量块、固定于第一基板上的中央锚点和两侧锚点、中央锚点与驱动质量块相连接的第一弹性折叠梁、两侧锚点与驱动质量块相连接的第二弹性折叠梁、连接两组驱动质量块的耦合梁、检测质量块与驱动质量块之间的连接弹性梁。

Images