專利名稱：用于單軸精密加速度計(jì)的差分微電容及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及單軸精密加速度計(jì)，具體的說，涉及一種用于單軸精密加速度傳感器中的高靈敏度差分微電容及制備方法。
背景技術(shù)：
電容式加速度傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好、抗過載能力大， 對(duì)高溫、輻射和強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣條件適應(yīng)性強(qiáng)、價(jià)格便宜等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此被認(rèn)為是一種很有發(fā)展前途的傳感器。幾十年來，人們多用壓電式加速度傳感器或壓阻式加速度傳感器來測量振動(dòng)和沖擊。但是對(duì)于測量持續(xù)時(shí)間長的沖擊運(yùn)動(dòng)，所用的傳感器具有零頻響應(yīng)是極其重要的。壓電加速度傳感器牢固，但是頻響不能到零，而壓阻式加速度傳感器雖能測敏感穩(wěn)態(tài)加速度， 但是容易過量沖擊和共振造成損壞，它不具有某些應(yīng)用場合要求的堅(jiān)固程度和低g值測量時(shí)所需要的精度，并且對(duì)溫度敏感。變電容式加速度傳感器正好彌補(bǔ)了上述缺陷，這種加速度傳感器能承受較大的過沖量而且由于其避開了壓阻溫度效應(yīng)，因此溫度特性比較好。利用現(xiàn)代新的工藝技術(shù)制成的、根據(jù)變電容原理工作的電容式加速度傳感器是專用于測量穩(wěn)態(tài)或低頻的低g值的振動(dòng)，但又可耐受高g值的沖擊而不損壞。中國專利(專利號(hào)200610118484. 5)中提出了基于硅基底差分電容式加速度傳感器，本發(fā)明基于電容邊緣效應(yīng)帶來的靈敏度誤差，設(shè)計(jì)了一種含有等位環(huán)的差分微電容，大大增加了靈敏度，而且本發(fā)明基于非硅(玻璃)基底，大大減小了成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于單軸精密加速度計(jì)的差分微電容，在不增加工藝復(fù)雜程度的同時(shí)，制作出高靈敏度的微可變電容，本發(fā)明中的微可變電容用作加速度傳感器用于各種場合。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案
本發(fā)明提供了一種用于單軸精密加速度計(jì)的差分微電容，為了提高靈敏度，減小非線性誤差，本發(fā)明采用差動(dòng)式電容，這樣由于對(duì)稱性可以減小靜電力引起的測量誤差，同時(shí)能有效的補(bǔ)償溫度變化等環(huán)境因素造成的誤差。同時(shí)由于電容的邊緣效應(yīng)帶來的靈敏度誤差和非線性誤差，本發(fā)明采用等位環(huán)保護(hù)來大大減小電容的邊緣效應(yīng)。本發(fā)明所述用于單軸精密加速度計(jì)的差分微電容包括上電極、下電極和可動(dòng)電極，上電極和可動(dòng)電極通過柱子來懸空，上下電極均采用等位環(huán)保護(hù)?？蓜?dòng)電極通過柱子懸空且采用彈簧作為柔性支撐達(dá)到易動(dòng)的目的。上下電極和可動(dòng)電極均采用圓形電極，每個(gè)電極均有信號(hào)引出接入到信號(hào)電路中?？蓜?dòng)電極和上下電極分別組成兩個(gè)差分電容，檢測的時(shí)候一個(gè)電容值增大，另一個(gè)電容值減小，且增加量等于減小量。每個(gè)電容的信號(hào)均輸入到反相求和電路中，輸出值反映了電容的變化，間接反映了被測加速度值。
上述技術(shù)方案中，整個(gè)含等位環(huán)的差分微電容在玻璃基片上加工，下電極與玻璃基片接觸，可動(dòng)電極通過柱子和彈簧與上電極保持極小的間距，上電極通過柱子和橫梁支撐與可動(dòng)電極保持極小的間距。上述技術(shù)方案中，為了保證可動(dòng)電極的靈敏度，可動(dòng)電極采用彈簧來支撐，且需要在可動(dòng)電極上增設(shè)一個(gè)質(zhì)量塊。上述技術(shù)方案中，為了保證加速度傳感器的精確度，上電極和下電極在外界的沖擊下要保持相對(duì)靜止。因此上電極采用較厚且較窄的橫梁來支撐。等位環(huán)也采用橫梁來支撐，而不采用彈簧。上述技術(shù)方案中，除了每個(gè)電極都要引出信號(hào)之外，上下電極的等位環(huán)也要引出信號(hào)來保證電極和等位環(huán)在施加同樣的電壓后擁有同樣的電位，從而大大減小邊緣效應(yīng)。上述技術(shù)方案中，為了保證上電極、可動(dòng)電極、下電極之間相互絕緣，采用玻璃基底，而不采用有導(dǎo)電能力的硅作為基底。本發(fā)明提供一種用于單軸精密加速度計(jì)的差分微電容的制備方法，包括步驟如下
1)清洗玻璃基片；
2)在玻璃基片上的一面濺射第一層Cr/Cu種子層；
3)在第一層Cr/Cu種子層上甩正性光刻膠作為第一層光刻膠；
4)烘膠后進(jìn)行曝光，通過曝光將含等位環(huán)的下電極的圖形和所有支撐柱子的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上；
5)顯影使光刻膠上的圖形顯現(xiàn)出來；
6)電鍍，經(jīng)過等離子水沖洗干凈后，鍍金；
7)在電鍍好下電極和柱子的玻璃基片上，甩正膠；
8)烘膠后，曝光、顯影得到所有柱子的圖形，電鍍出柱子的圖形；
9)濺射第二層Cr/Cu種子層，濺射好種子層后，再甩正膠，這是第三層光刻膠；
10)烘膠，曝光顯影得到可動(dòng)電極和彈簧的圖形，然后鍍鎳，再鍍金；
11)電鍍好后烘透，再甩正膠，這是第四層光刻膠，再曝光、顯影、電鍍得到加厚電極；
12)電鍍好后烘透，再甩正膠，這是第五層光刻膠，再曝光、顯影、電鍍得到剩余柱子的圖形；
13)濺射第三層Cr/Cu種子層，濺射好種子層后，再甩正膠，這是第六層光刻膠；
14)烘膠，曝光顯影得到上電極和橫梁的圖形，然后鍍鎳，再鍍金；
15)釋放出電容結(jié)構(gòu)。上述技術(shù)方案中，所述的微電容采用標(biāo)準(zhǔn)的MEMS工藝中的光刻、濺射、電鍍、腐蝕等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。可動(dòng)電極和上電極的懸空采用犧牲層技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。上述技術(shù)方案中，為了保證最后能腐蝕掉犧牲層，上電極和可動(dòng)電極設(shè)計(jì)了一定數(shù)目的刻蝕孔，以便于腐蝕液能通過刻蝕孔與犧牲層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使可動(dòng)電極和上電極懸空。上述技術(shù)方案中，所有電極和支撐結(jié)構(gòu)均采用MEMS工藝中的電鍍來形成的，主要材料是鎳，電極表面電鍍一層薄薄的金，金和鎳有較好的結(jié)合力，且金便于焊接。本發(fā)明根據(jù)MEMS工藝、基于變電容式原理，設(shè)計(jì)了一種用于單軸精密加速度計(jì)的差分微電容作為加速度傳感器。當(dāng)外界存在檢測范圍內(nèi)的加速度時(shí)，慣性力作用于電容的三個(gè)電極上，由于上下電極采用剛性支撐，保持相對(duì)靜止，而可動(dòng)電極由于采用柔性支撐， 在慣性力作用下，會(huì)移動(dòng)微小的距離，導(dǎo)致兩個(gè)電容中一個(gè)電容值增大，一個(gè)電容值減小， 信號(hào)輸入到信號(hào)電路中，輸出值反映加速度的大小。本發(fā)明上述的用于單軸精密加速度計(jì)的差分微電容，等位環(huán)和差動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)大大減小了非線性誤差，增大了靈敏度。相對(duì)其他原理的微加速度計(jì)，靈敏度較高，分辨力較高，重復(fù)性好，非線性誤差小。適應(yīng)惡劣的環(huán)境，且易于封裝，成本低。


圖1是一種用于單軸精密加速度計(jì)的差分微電容總體結(jié)構(gòu)示意圖2是一種用于單軸精密加速度計(jì)的差分微電容下可動(dòng)電極和下電極的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是一種用于單軸精密加速度計(jì)的差分微電容下電極結(jié)構(gòu)俯視圖。圖中1上電極等位環(huán)、2上電極、3橫梁、4焊盤、5刻蝕孔、6上電極支撐柱、7 加厚電極(質(zhì)量塊)、8可動(dòng)電極、9彈簧、10可動(dòng)電極支撐柱、11下電極等位環(huán)、12下電極、13、玻璃基底。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明本實(shí)施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。實(shí)施例1
如圖1-3所示，本實(shí)施例提供一種用于單軸精密加速度計(jì)的差分微電容包括上電極、 下電極12和可動(dòng)電極8，上電極和可動(dòng)電極8通過上電極支撐柱6、可動(dòng)電極支撐柱10來懸空，上電極、下電極12均采用等位環(huán)1、11保護(hù)?？蓜?dòng)電極8通過可動(dòng)電極支撐柱10懸空且采用彈簧9作為柔性支撐達(dá)到易動(dòng)的目的。上下電極和可動(dòng)電極8均采用圓形電極， 每個(gè)電極均引出焊盤4，，將信號(hào)引出接入到信號(hào)電路中。可動(dòng)電極8和上下電極分別組成兩個(gè)差分電容，檢測的時(shí)候一個(gè)電容值增大，另一個(gè)電容值減小，且增加量等于減小量。每個(gè)電容的信號(hào)均輸入到反相求和電路中，輸出值反映了電容的變化，間接反映了被測加速度值。本實(shí)施例中，所述微電容設(shè)置在玻璃襯底上13，下電極12與玻璃基底13接觸，可動(dòng)電極8通過可動(dòng)電極支撐柱10和彈簧9與下電極12保持極小的間距，該間距小于或等于5 μ m，上電極通過上電極支撐柱6和橫梁3與可動(dòng)電極8保持極小的間距，改間距大小等于可動(dòng)電極8與下電極12之間的距離。本實(shí)施例中，上下電極和可動(dòng)電極8均采用圓形電極，上電極和下電極12采用等位環(huán)設(shè)計(jì)，等位環(huán)為圓環(huán)，包圍著圓形電極，且與圓形電極保持絕緣。圓環(huán)的寬度大于兩倍的等位環(huán)與電極之間的絕緣間隙。本實(shí)施例中，為了保證可動(dòng)電極的靈敏度，可動(dòng)電極采用彈簧來支撐，且需要在可動(dòng)電極上增設(shè)一個(gè)質(zhì)量塊7。本實(shí)施例中，為了保證加速度傳感器的精確度，上電極和下電極在外界的沖擊下要保持相對(duì)靜止。因此上電極采用的橫梁3來支撐，橫梁厚度一般在30 μ πΓ50 μ m,寬度與厚度的比大約為0. 5 1，這樣保證橫梁在豎直方向有較大的剛度。等位環(huán)也采用橫梁3來支撐，而不采用彈簧。本實(shí)施例中，為了保證最后能腐蝕掉犧牲層，上電極和可動(dòng)電極設(shè)計(jì)了一定數(shù)目的刻蝕孔5，以便于腐蝕液能通過刻蝕孔與犧牲層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使可動(dòng)電極8和上電極懸空。本實(shí)施例中，除了每個(gè)電極都要引出信號(hào)之外，上下電極的等位環(huán)1、11也要引出信號(hào)來保證電極和等位環(huán)在施加同樣的電壓后擁有同樣的電位，從而大大減小邊緣效應(yīng)。上述技術(shù)方案中，為了保證上電極、可動(dòng)電極、下電極之間相互絕緣，采用玻璃基底13，而不采用有導(dǎo)電能力的硅作為基底。實(shí)施例2
本實(shí)施例提供一種用于單軸精密加速度計(jì)的差分微電容的制備方法，其步驟如下 1)清洗Imm厚的玻璃基片
先用碳酸鈣粉末擦洗玻璃基片，洗干凈后，分別用堿性清洗液和酸性堿性液清洗玻璃基片，然后等離子水沖洗干凈，置于60°C烘箱中1小時(shí)。)在玻璃基片上的一面濺射第一層Cr/Cu種子層。)在第一層Cr/Cu種子層上甩5μ m正性光刻膠AZ P4620作為第一層光刻膠。)烘膠后采用KarlSuss MA6雙面對(duì)準(zhǔn)光刻機(jī)進(jìn)行曝光。通過曝光將下電極(含等位環(huán))的圖形和所有支撐柱子的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上。)顯影使光刻膠上的圖形顯現(xiàn)出來。)電鍍。待鍍層厚度為4μ m時(shí)，經(jīng)過等離子水沖洗干凈后，置于鍍金液中電鍍1 μ m 厚度的金，以便于焊接。)采用步驟4中的甩膠方法，在電鍍好下電極和柱子的玻璃基片上，甩5μ m正膠。 甩膠工藝基本參數(shù)一致。)烘膠后采用上述步驟中的方法，曝光、顯影得到所有柱子的圖形，電鍍出柱子的圖形。)采用步驟2中的方法濺射第二層Cr/Cu種子層。工藝參數(shù)一樣。濺射好種子層后，再甩IOym正膠AZP4903，工藝參數(shù)為1000 rpmX30s。這是第三層光刻膠。)烘膠，曝光顯影得到可動(dòng)電極和彈簧的圖形，和上述方法一樣，顯影時(shí)間稍長。然后在同樣電鍍槽中鍍9 μ m鎳，在鍍1 μ m金。)電鍍好后烘透，再甩30 μ m正膠，和上述甩膠參數(shù)一樣，這是第四層光刻膠，再曝光、顯影、電鍍得到加厚電極，目的是為了增加可動(dòng)電極的質(zhì)量。)電鍍好后烘透，再甩5μ m正膠，和上述甩膠參數(shù)一樣，這是第五層光刻膠，再曝光、顯影、電鍍得到剩余柱子的圖形。)采用步驟2中的方法濺射第三層Cr/Cu種子層。工藝參數(shù)一樣。濺射好種子層后，再甩IOym正膠AZP4903，工藝參數(shù)為1000 rpmX30s。這是第六層光刻膠。)烘膠，曝光顯影得到上電極和橫梁的圖形，和上述方法一樣，顯影時(shí)間稍長。然后在同樣電鍍槽中鍍9 μ m鎳，在鍍1 μ m金。)釋放出電容結(jié)構(gòu)
主要采用濕法腐蝕的方法去掉光刻膠和種子層，釋放出懸空結(jié)構(gòu)。方法是在光刻膠釋放液和種子層釋放液中來回腐蝕，當(dāng)所有暴露的光刻膠和種子層腐蝕完畢后，最后釋放犧牲層，也就是懸空結(jié)構(gòu)中隱藏的光刻膠。釋放光刻膠的方法是夾住片子置于丙酮溶液中，上下反復(fù)拖動(dòng)十下左右，用肉眼觀察最上面一層光刻膠是否已經(jīng)去掉，使種子層將暴露出來。釋放種子層的方法是采用雙氧水-氨水刻蝕液來刻蝕銅的選擇性刻蝕液，其能刻蝕銅的同時(shí)保留鎳和金元素。一般按照雙氧水氨水水=1:3:12比例配置，雙氧水最后加，攪拌均勻后使用?？涛g銅的速率很快，一般幾分鐘內(nèi)完成。然后用酸性高錳酸鉀溶液刻蝕Cr。釋放犧牲層，將片子置于已配置好的氫氧化鈉溶液中，通過磁力攪拌，使堿性刻蝕液通過上電極的刻蝕孔進(jìn)入到犧牲層，由于上下電極之間的光刻膠需要通過刻蝕液從上電極的刻蝕孔進(jìn)入，所以腐蝕速率極慢，需要長時(shí)間的反應(yīng)，大概需要10小時(shí)的反應(yīng)時(shí)間才能充分去掉。最后浸泡于丙酮溶液中20 分鐘，取出后自然干燥。本實(shí)施例中，差分微電容采用標(biāo)準(zhǔn)的MEMS工藝中的光刻、濺射、電鍍、腐蝕等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。上電極和可動(dòng)電極的懸空采用犧牲層技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。本實(shí)施例中，所述上電極、可動(dòng)電極、下電極、柱子、彈簧、橫梁、等位環(huán)均采用電鍍方式形成。主要電鍍材料為鎳，為了便于焊接引出信號(hào)，在電極表面鍍一層薄薄的金，厚度大約1 μ m。盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對(duì)于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。
權(quán)利要求
1.一種用于單軸精密加速度計(jì)的差分微電容，包括上電極、可動(dòng)電極、下電極，上電極和可動(dòng)電極通過柱子與下電極保持懸空，其特征在于上下電極均采用等位環(huán)保護(hù)，可動(dòng)電極通過柱子懸空且采用彈簧作為柔性支撐，上下電極和可動(dòng)電極均采用圓形電極，每個(gè)電極均有信號(hào)引出接入到信號(hào)電路中，可動(dòng)電極和上下電極分別組成兩個(gè)差分電容，檢測的時(shí)候一個(gè)電容值增大，另一個(gè)電容值減小，且增加量等于減小量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于單軸精密加速度計(jì)的差分微電容，其特征在于，所述微電容設(shè)置在玻璃襯底上，下電極與玻璃基底接觸，可動(dòng)電極通過柱子和彈簧與下電極保持極小的間距，間距小于或等于5 μ m，上電極通過柱子和橫梁與可動(dòng)電極保持極小的間距，間距大小等于可動(dòng)電極與下電極之間的距離。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于單軸精密加速度計(jì)的差分微電容，其特征在于，所述可動(dòng)電極上設(shè)有一個(gè)質(zhì)量塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于單軸精密加速度計(jì)的差分微電容，其特征在于，所述上電極采用橫梁支撐，等位環(huán)也采用橫梁支撐。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于單軸精密加速度計(jì)的差分微電容，其特征在于，所述上電極和下電極的等位環(huán)為圓環(huán)，包圍著圓形電極，且與圓形電極保持絕緣，圓環(huán)的寬度大于兩倍的等位環(huán)與電極之間的絕緣間隙。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于單軸精密加速度計(jì)的差分微電容，其特征在于，所述上下電極的等位環(huán)引出信號(hào)保證電極和等位環(huán)在施加同樣的電壓后擁有同樣的電位。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于單軸精密加速度計(jì)的差分微電容，其特征在于，所述電極表面鍍一層金。
8.—種如權(quán)利要求1至6所述的用于單軸精密加速度計(jì)的差分微電容的制備方法，其特征在于，包括如下步驟1)清洗玻璃基片；2)在玻璃基片上的一面濺射第一層Cr/Cu種子層；3)在第一層Cr/Cu種子層上甩正性光刻膠作為第一層光刻膠；4)烘膠后進(jìn)行曝光，通過曝光將含等位環(huán)的下電極的圖形和所有支撐柱子的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上；5)顯影使光刻膠上的圖形顯現(xiàn)出來；6)電鍍，經(jīng)過等離子水沖洗干凈后，鍍金；7)在電鍍好下電極和柱子的玻璃基片上，甩正膠；8)烘膠后，曝光、顯影得到所有柱子的圖形，電鍍出柱子的圖形；9)濺射第二層Cr/Cu種子層，濺射好種子層后，再甩正膠，這是第三層光刻膠；10)烘膠，曝光顯影得到可動(dòng)電極和彈簧的圖形，然后鍍鎳，再鍍金；11)電鍍好后烘透，再甩正膠，這是第四層光刻膠，再曝光、顯影、電鍍得到加厚電極；12)電鍍好后烘透，再甩正膠，這是第五層光刻膠，再曝光、顯影、電鍍得到剩余柱子的圖形；13)濺射第三層Cr/Cu種子層，濺射好種子層后，再甩正膠，這是第六層光刻膠；14)烘膠，曝光顯影得到上電極和橫梁的圖形，然后鍍鎳，再鍍金；15)釋放出電容結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于單軸精密加速度計(jì)的差分微電容的制備方法，其特征在于，所述電極表面鍍一層金，厚度為1 μ m。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于單軸精密加速度計(jì)的差分微電容的制備方法，其特征在于，所述上電極和可動(dòng)電極上設(shè)有一定數(shù)目的刻蝕孔，便于腐蝕液能進(jìn)入到犧牲層并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，上電極的刻蝕孔形狀、數(shù)量和位置分布都要與可動(dòng)電極保持一致。
全文摘要
一種用于單軸精密加速度計(jì)的差分微電容及其制備方法，所述微電容包括上電極、可動(dòng)電極、下電極，上電極和可動(dòng)電極通過柱子與下電極保持懸空，上下電極均采用等位環(huán)保護(hù)，可動(dòng)電極通過柱子懸空且采用彈簧作為柔性支撐，上下電極和可動(dòng)電極均采用圓形電極，每個(gè)電極均有信號(hào)引出接入到信號(hào)電路中，可動(dòng)電極和上下電極分別組成兩個(gè)差分電容。差分微電容采用標(biāo)準(zhǔn)的MEMS工藝中的光刻、濺射、電鍍、腐蝕等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。上電極和可動(dòng)電極的懸空采用犧牲層技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明中，三個(gè)電極構(gòu)成差分電容，工作時(shí)，一個(gè)電容值增大，另一個(gè)電容值等值減小，通過信號(hào)處理，輸出值直接反映了檢測量的大小，達(dá)到檢測加速度的目的。
文檔編號(hào)G01P15/125GK102435773SQ201110298158
公開日2012年5月2日 申請(qǐng)日期2011年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月28日
發(fā)明者丁桂甫, 何明軒, 馮建智, 劉瑞鴻, 汪紅, 趙小林, 陳欣 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)