专利名称：Mems加速度传感器的制作方法
MEMS加速度传感器
技术领域：
本发明涉及微机电领域，具体指一种应用于电子设备上，能检测沿着三个正交轴加速度的MEMS加速度传感器。
背景技术：
目前，大多数CMOS兼容的微机电加工过程是基于多晶硅或多晶硅、锗作为衬底材 料，其使用二氧化硅作为牺牲材料，并且通过湿刻蚀等工艺步骤将衬底材料成型为所需的。 使用MEMS构造的加速度计元件包括类似于标准加速度计的结构检测质量块、复原弹簧、 移位换能器、某种形式的阻尼和所有元件所依附的壳体。电容式加速度计的基本工作原理 是待测加速度产生的惯性力引起敏感电容的极板间隙或极板交叠面积变化，使电容变化与 加速度大小成比例关系，通过信号处理电路获取敏感电容的变化即可获得加速度的大小。 目前市场上多为单轴或X-Y轴平面及与ζ轴分开实现各自传感功能的加速度计，这样势必 将增加器件的整个面积。随着器件微型化的发展，对传感器的尺寸有了新的挑战和要求，而 且这种单轴或双轴传感器也不满足某些环境的应用。
发明内容本发明的目的在于解决现有加速度计不能检测三轴方向加速度的不足，而提出一 种三轴集成MEMS加速度传感器。为了达到上述目的，本发明的技术方案如下一种MEMS加速度传感器，其包括衬底、位于衬底上可运动的质量块，该质量块设 有相互平行的上下表面以及连接上下表面的侧面，该MEMS加速度传感器还包括沿第一方向排布并垂直于质量块的侧面的法向的若干第一动电极、平行于第一动 电极且固定连接至衬底的若干第一定电极，第一动电极通过第一弹簧结构连接至衬底，第 一动电极与第一定电极之间具有重叠面积，第一动电极具有平行于质量块上表面的第一动 电极顶面以及第一动电极底面，第一定电极具有平行于质量块上表面的第一定电极顶面以 及第一定电极底面，且，第一动电极顶面相较第一定电极顶面更远离质量块的上表面；且垂直于第一方向的第二方向上，具有垂直于质量块的侧面的法向的若干第二动 电极，平行于第二动电极且固定连接至衬底的若干第二定电极，第二动电极通过第二弹簧 结构连接至衬底，第二动电极与第二定电极之间具有重叠面积，第二动电极具有平行于质 量块上表面的第二动电极顶面以及第二动电极底面，第二定电极具有平行于质量块上表面 的第二定电极顶面以及第二定电极底面，且，第二动电极顶面相较第二定电极顶面更靠近 质量块的上表面。优选的，第一动电极沿第一方向设有与第一弹簧结构连接的第一动电极轴，所述 第一弹簧结构还连接第一固定动电极至衬底；所述第一定电极顺第一方向还设有一对第一 定电极轴，第一定电极轴连接第一固定定电极至衬底；所述第一动电极轴夹设在每对第一 定电极轴之间，第一固定动电极夹设在每对第一固定定电极之间；第二动电极沿第二方向设有与第二弹簧结构连接的第二动电极轴，所述第二弹簧结构还连接第二固定动电极至衬 底；所述第二定电极顺第二方向还设有一对第二定电极轴，第二定电极轴连接第二固定定 电极至衬底；所述第二动电极轴夹设在每对第二定电极轴之间，第二固定动电极夹设在每 对第二固定定电极之间。
所述每对第一定电极轴与第一固定定电极及第一固定动电极形成三角区域；每对 第二定电极轴与第二固定定电极及第二固定动电极形成三角区域。所述相邻的第一定电极轴与第二定电极轴平行设置，且具有一定间距。
所述第一动电极顶面与第二定电极顶面具有相同的水平高度。本发明MEMS加速度传感器，其包括衬底、质量块，沿第一方向排布并垂直于质量 块的侧面的法向的若干第一动电极、平行于第一动电极的若干第一定电极，第一动电极与 第一定电极之间具有重叠面积，第一动电极相较第一定电极更靠近质量块的上表面；垂直 于第一方向的第二方向上，具有垂直于质量块的侧面的法向的若干第二动电极，平行于第 二动电极的若干第二定电极，第二动电极与第二定电极之间具有重叠面积，第二动电极相 较第二定电极更远离质量块的上表面。将实现三轴方向的加速度检测，采用固定电极单元 和运动电极单元之间的交叠面积变化来实现Z轴的传感性能，减少了结构的整体尺寸。
图1为本发明平面结构示意图；图2为本发明的立体结构示意图；图3为图2沿E-E线的剖面图。
具体实施方式下面结合附图，对本发明电容MEMS麦克风作详细说明。如图1、2、3所示，为本发明MEMS加速度传感器的一较佳实施例，它包括基于多晶 硅或多晶硅锗材料作为衬底(未标号)，在衬底上部中央位置设有质量块20、所述质量块20 分别设有相互平行的上表面21、下表面(未标号)以及连接上下表面的侧面23。第一方向 为图1中所示的X轴，第二方向为图1中所示的Y轴方向，X轴方向与Y轴方向相互垂直。 将传感区域分为10A、10B、10C、IOD四个区域，传感区域IOA与IOB结构对称设置，传感区域 IOC与IOD结构对称设置；传感区域IOA与IOB位于X轴方向，传感区域IOC与IOD位于Y 轴方向，在X轴方向质量块20衍生排布并垂直于质量块20的侧面的法向的若干第一动电 极18A、18B，平行于第一动电极18A、18B且固定连接至衬底的若干第一定电极19A、19B，第 一动电极18A、18B分别通过第一弹簧结构12A、12B连接至衬底。同理在Y轴方向具有垂直 于质量块20的侧面的法向的若干第二动电极18C、18D，平行于第二动电极18C、18D且固定 连接至衬底的若干第二定电极19C、19D，第二动电极18C、18D分别通过第二弹簧结构12C、 12D连接至衬底。上述第一、第二动电极18A、18B、18C、18D分别与第一、第二定电极19A、 19B、19C、19D相互交叉构成梳齿电容系统。所述第一动电极18A、18B分别与第一定电极19A、19B之间具有重叠面积，第一动 电极18A、18B具有平行于质量块20上表面21的第一动电极顶面181A以及第一动电极底 面(未标号)，位于质量块20两侧的第一定电极19A、19B具有平行于质量块20上表面21的第一定电极顶面(未标号)以及第一定电极底面(未标号)，且，第一动电极顶面181A相 较第一定电极顶面(未标号)更远离质量块20的上表面21，也就是说第一动电极18A、18B 的顶面高度比第一定电极19A、19B的顶面高度�。芯嗬敫叨炔頗2，见图3所示。同理第二 动电极18C、18D与第二定电极19C、19D之间具有重叠面积，第二动电极18C、18D具有平行 于质量块20上表面21的第二动电极顶面181C以及第二动电极底面182C，传感区IOD的 第二定电极19D具有平行于质量块20上表面21的第二定电极顶面191D以及第二定电极 底面192D，且，第二动电极顶面181C相较第二定电极顶面191D更靠近质量块20的上表面 21，也就是说第二动电极18C、18D的顶面高度比第二定电极19C、19D的顶面高度大，有距离 高度差H1，如图3所示。所述第一动电极18A、18B分别沿X轴方向设有与第一弹簧结构12A、12B连接的第 一动电极轴11A、11B，所述第一弹簧结构12A、12B还连接第一固定动电极13A、13B至衬底； 所述第一定电极19A、19B分别顺第一方向还设有一对第一定电极轴15A、17A、15B、17B，第 一定电极轴15A、17A、15B、17B连接第一固定定电极14A、16A、14B、16B至衬底；所述第一动 电极轴1认、118夹设在每对第一定电极轴154、174、158、178之间，第一固定动电极13々、138 夹设在每对第一固定定电极之间15A、17A、15B、17B ；所述每对第一定电极轴15A、17A、15B、 17B与第一固定定电极14A、16A、14B、16B及第一固定动电极13A、13B形成三角区域； 同理，第二动电极18C、18D沿第二方向设有与第二弹簧结构12C、12D连接的第二 动电极轴11C、11D，所述第二弹簧结构12C、12D还连接第二固定动电极13C、13D至衬底；所 述第二定电极19C、19D顺第二方向还设有一对第二定电极轴15C、17C、15D、17D，第二定电 极轴15C、17C、15D、17D连接第二固定定电极14C、16C、14D、16D至衬底；所述第二动电极轴 11C、1ID夹设在每对第二定电极轴15C、17C、15D、17D之间，第二固定动电极13C、13D夹设在 每对第二固定定电极15C、17C、15D、17D之间。且每对第二定电极轴15C、17C、15D、17D与第 二固定定电极14C、16C、14D、16D及第二固定动电极13C、13D形成三角区域。这样，传感区 域分为10A、10B、10C、10D将传感区域平均分为四个区域。所述相邻的第一定电极轴15A、 17A、15B、17B分别与第二定电极轴17C、15D、17D、15C平行设置，且具有一定间距。为了更加 测量的精确度以及制造工艺的可靠，所述第一定电极顶面与第二动电极顶面具有相同的水 平高度，以图3显示，即传感区域IOA的第一定电极19A顶面与传感区域IOD的第二动电极 顶面181D具有相同的水平高度，则整个传感器的表面更加平整。所述传感区域10AU0B感测X轴正负方向的加速度变化，传感区域10CU0D感测 Y轴正负方向的加速度变化，都是通过动电极与定电极间隙距离变化来感测实现，而垂直于 X-Y平面的Z轴加速度的检测则通过动电极与定电极重叠面积变化实现。即X轴与Y轴构 成平面的传感机理为是改变动电极与定电极之间距离来改变电容的变化从而实现X和y轴 的加速度感应；而垂直于X轴与Y轴的Z轴传感机理是改变动电极与定电极之间的重叠面 积来改变电容的变化从而实现Z轴的加速度感应。本发明MEMS加速度传感器将集成实现 三轴方向的加速度检测，结构简单可靠，减少了结构的整体尺寸。以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为 限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权 利要求书中记载的保护范围内。
权利要求
一种MEMS加速度传感器，其包括衬底、位于衬底上可运动的质量块，该质量块设有相互平行的上下表面以及连接上下表面的侧面，其特征在于该MEMS加速度传感器还包括沿第一方向排布并垂直于质量块的侧面的法向的若干第一动电极、平行于第一动电极且固定连接至衬底的若干第一定电极，第一动电极通过第一弹簧结构连接至衬底，第一动电极与第一定电极之间具有重叠面积，第一动电极具有平行于质量块上表面的第一动电极顶面以及第一动电极底面，第一定电极具有平行于质量块上表面的第一定电极顶面以及第一定电极底面，且，第一动电极顶面相较第一定电极顶面更远离质量块的上表面；且垂直于第一方向的第二方向上，具有垂直于质量块的侧面的法向的若干第二动电极，平行于第二动电极且固定连接至衬底的若干第二定电极，第二动电极通过第二弹簧结构连接至衬底，第二动电极与第二定电极之间具有重叠面积，第二动电极具有平行于质量块上表面的第二动电极顶面以及第二动电极底面，第二定电极具有平行于质量块上表面的第二定电极顶面以及第二定电极底面，且，第二动电极顶面相较第二定电极顶面更靠近质量块的上表面。
2.根据权利要求1所述的MEMS加速度传感器，其特征在于第一动电极沿第一方向 设有与第一弹簧结构连接的第一动电极轴，所述第一弹簧结构还连接第一固定动电极至衬 底；所述第一定电极顺第一方向还设有一对第一定电极轴，第一定电极轴连接第一固定定 电极至衬底；所述第一动电极轴夹设在每对第一定电极轴之间，第一固定动电极夹设在每 对第一固定定电极之间；第二动电极沿第二方向设有与第二弹簧结构连接的第二动电极轴，所述第二弹簧结构 还连接第二固定动电极至衬底；所述第二定电极顺第二方向还设有一对第二定电极轴，第 二定电极轴连接第二固定定电极至衬底；所述第二动电极轴夹设在每对第二定电极轴之 间，第二固定动电极夹设在每对第二固定定电极之间。
3.根据权利要求2所述的MEMS加速度传感器，其特征在于所述每对第一定电极轴与 第一固定定电极及第一固定动电极形成三角区域；每对第二定电极轴与第二固定定电极及 第二固定动电极形成三角区域。
4.根据权利要求1或2所述的MEMS加速度传感器，其特征在于所述相邻的第一定电 极轴与第二定电极轴平行设置，且具有一定间距。
5.根据权利要求4所述的MEMS加速度传感器，其特征在于所述第一定电极顶面与第 二动电极顶面具有相同的水平高度。
全文摘要
本发明涉及微机电领域，具体指一种能检测沿着三个正交轴加速度的MEMS加速度传感器，其包括衬底、质量块，沿第一方向排布并垂直于质量块的侧面的法向的若干第一动电极、平行于第一动电极的若干第一定电极，第一动电极与第一定电极之间具有重叠面积，第一动电极相较第一定电极更远离质量块的上表面；垂直于第一方向的第二方向上，具有垂直于质量块的侧面的法向的若干第二动电极，平行于第二动电极的若干第二定电极，第二动电极与第二定电极之间具有重叠面积，第二动电极相较第二定电极更靠近质量块的上表面。将实现三轴方向的加速度检测，采用固定电极单元和运动电极单元之间的交叠面积变化来实现Z轴的传感性能，减少了结构的整体尺寸。
文档编号G01P15/18GK101871952SQ20101019862
公开日2010年10月27日 申请日期2010年6月11日 优先权日2010年6月11日
发明者杨斌 申请人:瑞声声学科技(深圳)有限公司;瑞声微电子科技(常州)有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
