【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種三軸mems加速度傳感器的結構，以及其z軸感測單元的的制造方法，屬于芯片制造的。
技術介紹
1、mems(micro-electro-mechanical?system)芯片是通過微加工技術制造的微機械芯片，mems傳感器是其中最重要的產品。mems加速度傳感器是測量物體線性加速度的微型傳感器，由于其體積小、智能化、成本低，已被廣泛應用于汽車安全、工業自動化、消費類電子等領域。三軸mems加速度傳感器一顆芯片可以同時測量x/y/z三維度分析的加速度，其工作原理有壓電式、壓阻式、光電式、諧振式等，但最廣泛采用的是基于胡克定律原理設計的電容式傳感器結構，通常用硅作結構材料，通過與集成電路類似的芯片加工技術加工出立體mems結構，其中x、y軸傳感器結構比較容易加工，它們的可動結構的運動方向與芯片表面平行，z軸傳感結構比較難加工，它的可動結構的運動方向與芯片表面垂直，需要垂直方向的電極，如果電極制作在襯底或蓋板上，封裝或使用過程中外界的應力會傳導到垂直電極上，電極會發生形變，從而z軸傳感器性能劣化。專利us9134337b2公開了一種典型的z軸mems加速度傳感器結構，帶有上下阻擋塊保護可動結構，但它的整個感測電極固定在襯底上，無法隔離襯底應力的影響。專利us9476905b2公開的也是相似的z軸mems加速度傳感器結構，下阻擋塊上有絕緣層，保護可動結構，但它的整個感測電極同樣固定在襯底上，無法隔離襯底應力的影響。專利us20210214213a1則是外延多晶硅作為結構材料的z軸加速度傳感器結構，其下層薄多晶硅與一部分
技術實現思路
1、本專利技術要解決的技術問題是克服現有技術存在的不足，提供一種三軸mems加速度傳感器，采用雙層多晶硅作為三軸mems加速度傳感器的結構材料，下層多晶硅通過z軸電極錨點固定在襯底上，作為z軸感測單元的固定下電極，上層外延多晶硅作為可動結構，作為z軸感測單元的可動上電極，由于mems結構只通過支撐錨點與襯底連接，襯底應力對器件影響小，加工成本低。
2、為解決上述技術問題，本專利技術采用的技術方案是：提供一種三軸mems加速度傳感器，包括x軸感測單元、y軸感測單元和z軸感測單元，由二層多晶硅材料構成，分別測量x、y、z三個軸向的加速度；
3、x軸感測單元由x軸質量塊、x軸固定電極、x軸可動電極、x軸彈簧和x軸質量塊錨點、x軸電極錨點構成，x軸質量塊通過x軸彈簧和x軸質量塊錨點固定在襯底上，x軸固定電極通過x軸電極錨點固定在襯底上，x軸可動電極連接在x軸質量塊上，隨x軸質量塊一起移動，x軸固定電極與x軸可動電極構成x軸測量電容，x軸測量電容的x軸電極間距的大小隨x軸質量塊的移動而改變；
4、y軸感測單元與x軸感測單元相互成90度布局，y軸感測單元由y軸質量塊，y軸固定電極，y軸可動電極，y軸彈簧和y軸質量塊錨點、y軸電極錨點構成，y軸質量塊通過y軸彈簧和y軸質量塊錨點固定在襯底上，y軸固定電極通過y軸電極錨點固定在襯底上，y軸可動電極連接在y軸質量塊上，隨y軸質量塊一起移動，y軸固定電極與y軸可動電極構成y軸測量電容，y軸測量電容的y軸電極間距的大小隨y軸質量塊的移動而改變；
5、z軸感測單元采用蹺板結構，包括外延多晶硅和下層多晶硅，所述的外延多晶硅包括z軸框架、z軸質量塊、z軸可動電極、z軸扭轉彈簧和z軸質量塊錨點，z軸質量塊與z軸可動電極的正電極連接，兩者間有應力隔離溝，z軸可動電極通過z軸框架連接z軸扭轉彈簧，z軸扭轉彈簧通過z軸質量塊錨點固定在襯底上，z軸質量塊、z軸可動電極和框架構成z軸可動結構；所述的下層多晶硅包括z軸固定電極和z軸電極錨點，z軸固定電極通過z軸電極錨點固定在襯底上，z軸固定電極懸空于襯底上，，z軸質量塊繞z軸扭轉彈簧在z方向作蹺蹺板運動，z軸可動電極與z軸固定電極構成z軸測量電容，z軸固定電極與z軸可動電極之間垂直間距構成z軸測量電容的z軸電極間距。
6、當受到+x軸方向的加速度作用時，x軸質量塊相對于x軸質量塊錨點向-x方向移動，帶動x軸可動電極向-x方向移動，導致x軸固定電極的正電極與x軸可動電極間的間距變小，正電極電容變大，x軸固定電極的負電極與x軸可動電極間的間距變大，負電極電容變小，多組電極的正負電容差分計算出電容變化值，對應的就是x軸的加速度信號；
7、當受到+y軸方向的加速度作用時，y軸質量塊相對于y軸質量塊錨點向-y方向移動，帶動y軸可動電極向-y方向移動，導致y軸固定電極的正電極與y軸可動電極間的間距變小，正電極電容變大，y軸固定電極的負電極與y軸可動電極間的間距變大，負電極電容變小，多組電極的正負電容差分計算出電容變化值，就是y軸的加速度信號；
8、當z軸方向加速度為零時，外延多晶硅與下層多晶硅是平行的，它們間的垂直間距是一個固定值；當有z軸方向的加速度施加在mems加速度傳感器上時，例如施加一個與地球引力大小相等、方向相反的力，產生一個大小為一個地球引力單位的加速度時，我們稱之為+1g，z軸可動結構沿z軸扭轉彈簧相對于襯底作旋轉運動，z軸質量塊與z軸可動電極的正電極向-z方向運動，z軸可動電極的負電極向+z方向運動；z軸質量塊錨點和z軸電極錨點和固定在其上的z軸固定電極相對于襯底不發生運動，這樣由z軸可動電極的正電極和z軸固定電極的正電極組成的感應電容c+的間距變小，電容值c＝εs/d，ε為介電常數，s為面積，這二者都不變，d為電極間距，當它變小時，電容值c+增加，同樣地，由z軸可動電極的負電極和z軸固定電極的負電極組成的感應電容c-的電極間距變大，電容值c-減小，計算δc＝(c+)-(c-)，就可以輸出z軸的加速度值。
9、本專利技術采用下層多晶硅和上層外延多晶硅的雙層多晶硅作為三軸mems加速度傳感器的結構材料，下層多晶硅通過z軸電極錨點固定在襯底上，作為z軸感測單元的固定下電極，上層外延多晶硅作為可動結構，作為z軸感測單元的可動上電極，由于mems結構只通過錨點與襯底連接，其余部分懸空于襯底，襯底應力對器件的影響較小，測量精度高；而且不需要昂貴的soi圓片，加工成本低。
10、由于mems圓片加工工藝的局限，下層多晶硅的厚度一般在0.5～3μm之間，比較薄，機械剛度不夠，獨立作為懸空的固定下電極時會在加速度作用下產生一定量的移動，也就是說z軸測量電容c會變得不穩定，所以用外延多晶硅的一部分制作懸臂作為加強筋，用來固定下層多晶硅，懸臂通過通孔多晶硅連接z軸固定電極的加強區，作為加強筋增加下電極區的剛性。
11、優選地，所述的x軸質量塊上制作有x軸釋放孔；y軸質量塊上制作有y軸釋放孔；z軸框架、z軸質量塊、z軸可動電極本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種三軸MEMS加速度傳感器，包括X軸感測單元、Y軸感測單元和Z軸感測單元，由二層多晶硅材料構成，分別測量X、Y、Z三個軸向的加速度；
2.根據權利要求1所述的三軸MEMS加速度傳感器，其特征在于：外延多晶硅上還形成有懸臂，懸臂與Z軸可動結構之間有Z軸空隙，懸臂通過通孔多晶硅與Z軸固定電極的加強區連接。
3.根據權利要求1或2所述的三軸MEMS加速度傳感器，其特征在于：所述的X軸質量塊上還制作有X軸釋放孔；Y軸質量塊上制作有Y軸釋放孔；Z軸框架、Z軸質量塊、Z軸可動電極上制作有外延釋放孔，Z軸固定電極上制作有下層釋放孔。
4.根據權利要求2所述的三軸MEMS加速度傳感器，其特征在于：懸臂上制作有懸臂釋放孔。
5.一種三軸MEMS加速度傳感器Z軸感測單元的制造方法，其特征在于，包括以下步驟：
6.根據權利要求5所述的三軸MEMS加速度傳感器Z軸感測單元的制造方法，其特征在于：步驟(4)還在外延多晶硅上形成懸臂，Z軸可動結構與懸臂之間有Z軸空隙，懸臂通過通孔多晶硅與Z軸固定電極的加強區連接。
7.根據權利要求
8.根據權利要求5所述的三軸MEMS加速度傳感器Z軸感測單元的制造方法，其特征在于：步驟(3)中外延多晶硅通過原位摻雜工藝成為導體，電阻率<0.02Ω·cm。
...【技術特征摘要】
1.一種三軸mems加速度傳感器，包括x軸感測單元、y軸感測單元和z軸感測單元，由二層多晶硅材料構成，分別測量x、y、z三個軸向的加速度；
2.根據權利要求1所述的三軸mems加速度傳感器，其特征在于：外延多晶硅上還形成有懸臂，懸臂與z軸可動結構之間有z軸空隙，懸臂通過通孔多晶硅與z軸固定電極的加強區連接。
3.根據權利要求1或2所述的三軸mems加速度傳感器，其特征在于：所述的x軸質量塊上還制作有x軸釋放孔；y軸質量塊上制作有y軸釋放孔；z軸框架、z軸質量塊、z軸可動電極上制作有外延釋放孔，z軸固定電極上制作有下層釋放孔。
4.根據權利要求2所述的三軸mems加速度傳感器，其特征在于：懸臂上制作有懸...
【專利技術屬性】
技術研發人員：華亞平，蘇佳樂，
申請(專利權)人：安徽芯動聯科微系統股份有限公司，
類型：發明
國別省市：
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