一种双轴微机械系统换能器结构的制作方法

一种双轴微机械系统换能器结构【技术领域】1.本发明涉及微机械系统技术领域，尤其涉及一种双轴微机械系统换能器结构。背景技术：2.微机械系统(micro‑electro‑mechanical systems，mems)，是利用集成电路(ic)制造技术将微纳传感器、控制电路以及通信接口和电源等元件制造在一块或多块芯片上的微纳集成系统，其主要作用是通过与周边环境进行互动，从而为使用者提供感知与操控环境的能力。因其体积小、集成度高、性能优良等诸多优点已在军事装备、消费电子、工业制造、医疗服务等领域得到了广泛应用。典型的mems器件包括加速度计、角速度计、磁场传感器、压力传感器、温湿度传感器、生化传感器、麦克风等等。3.虽然目前mems设计技术与ic制造技术取得了巨大进步，但二者仍有诸多局限性。随着mems应用的普及推广，往往需要相应芯片具有更强大的运算能力与更复杂的微系统，这就要求mems芯片缩减使用面积并具有更高的集成度，同时mems器件在工作过程中可能产生平面转动引入正交误差，极大的影响测量精度。4.因此，亟需提出一种新的技术方案来解决上述问题。技术实现要素：5.本发明的目的之一在于提供一种双轴微机械系统换能器结构，其具有集成度高、正交误差小的优点。6.根据本发明的一个方面，本发明提供一种双轴微机械系统换能器结构，其包括：固定基板(100)；7.可移动基板(110)，其悬置于所述固定基板(100)上方；多个第一锚定结构(120)，其设置于所述可移动基板(110)的外侧；多组折叠梁，其设置于所述可移动基板(110)的外侧，且每组折叠梁均包括相互垂直正交的第一折叠梁(130)和第二折叠梁(131)，所述第一折叠梁(130)和第二折叠梁(131)均连接所述可移动基板(110)和对应的所述第一锚定结构(120)；多个第二锚定结构(121)，其设置于所述可移动基板(110)的外侧；多个梳齿电容元件(140)，其设置于所述可移动基板(110)和所述第二锚定结构(121)之间，所述梳齿电容元件(140)包括成叉指状排布的可动梳齿和固定梳齿，其可动梳齿与所述可移动基板(110)连接，其固定梳齿与对应的第二锚定结构(121)连接。8.与现有技术相比，本发明提供的双轴微机械系统换能器结构双轴微机械系统换能器结构，其包括：固定基板(100)；可移动基板(110)，其悬置于所述固定基板(100)上方；多个第一锚定结构(120)，其设置于所述可移动基板(110)的外侧；多组折叠梁，其设置于所述可移动基板(110)的外侧，且每组折叠梁均包括相互垂直正交的第一折叠梁(130)和第二折叠梁(131)，所述第一折叠梁(130)和第二折叠梁(131)均连接所述可移动基板(110)和对应的所述第一锚定结构(120)；多个第二锚定结构(121)，其设置于所述可移动基板(110)的外侧；多个梳齿电容元件(140)，其设置于所述可移动基板(110)和所述第二锚定结构(121)之间。与现有技术相比，本发明具有集成度高、正交误差小的优点。【附图说明】9.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：10.图1为本发明在一个实施例中的双轴微机械系统换能器结构的俯视图；11.图2为本发明在一个实施例中的双轴微机械系统换能器结构的侧视图；12.图3为本发明在一个实施例中的双轴微机械系统换能器结构在标准硅晶圆中的设置方向示意图。【具体实施方式】13.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。14.此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。除非特别说明，本文中的连接、相连、相接的表示电性连接的词均表示直接或间接电性相连。15.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。16.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”“耦接”等术语应做广义理解；例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。17.针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种双轴微机械系统换能器结构，其可以与其它mems(micro‑electro‑mechanical systems，即微机械系统)类型器件结合使用。18.请参考图1所示，其为本发明在一个实施例中的双轴微机械系统换能器结构的俯视图；请参考图2所示，其为本发明在一个实施例中的双轴微机械系统换能器结构的侧视图。19.图1和图2所示的双轴微机械系统换能器结构包括固定基板100、可移动基板110、多个第一锚定结构120、多个第二锚定结构121、多组折叠梁、多个梳齿电容元件140。其中，所述可移动基板110悬置于所述固定基板100上方；多个第一锚定结构120设置于所述可移动基板110的外侧，且所述第一锚定结构120固定于所述固定基板100上；多组折叠梁设置于所述可移动基板110的外侧，且每组折叠梁均包括相互垂直正交的第一折叠梁130和第二折叠梁131，所述第一折叠梁130和第二折叠梁131均连接所述可移动基板110和对应的所述第一锚定结构120；多个第二锚定结构121设置于所述可移动基板110的外侧，且所述第二锚定结构121固定于所述固定基板100上；多个梳齿电容元件140设置于所述可移动基板110的外侧，且每个梳齿电容元件140设置于所述可移动基板110和对应的第二锚定结构121之间，所述梳齿电容元件140包括呈叉指状排布的可动梳齿和固定梳齿，所述梳齿电容元件140的可动梳齿与所述可移动基板110连接，其固定梳齿与对应的第二锚定结构121连接。20.为了更好的说明本发明所示的双轴微机械系统换能器结构，可以建立一个二维直角坐标系，在图1所示的实施例中，x轴和y轴相互垂直并且定义了固定基板100或可移动基板110所在的平面，且x轴沿左右方向，y轴沿前后方向，坐标原点o为所述可移动基板110的中心。21.在图1和图2所示的实施例中，所述固定基板100位于结构最下方并为整个结构提供固定端，所述固定基板100内部埋有金属引线101，用以向本发明所示的双轴微机械系统换能器结构内部的各个组件输入/输出电信号(或外部可以通过该金属引线对本发明所示的双轴微机械系统换能器结构进行电信号输入/读取)。在一个实施例中，固定基板100可由单晶硅、多晶硅、非晶硅、金属或聚合物等材料制成。22.在图1所示的实施例中，所述可移动基板110为#形的中心对称多边形结构，其中，111和112分别为可移动基板110的中轴线和对角线，以可移动基板110的中心为坐标原点o，中轴线111为x轴和y轴(或以x轴和y轴作为所述可移动基板110的中轴线111)，可建立x‑y二维坐标系。在一个实施例中，所述可移动基板110由各向异性单晶硅材料制成。23.在一个实施例中，第一锚定结构120与第二锚定结构121垂直固定于固定基板100表面，锚定结构120、121可由单晶硅、多晶硅、非晶硅、金属或聚合物等材料制成。24.在图1所示的实施例中，所述第一锚定结构120为四个，其分别位于所述可移动基板110外侧的四个边角。具体的，四个所述第一锚定结构120分别位于x‑y二维坐标系的四个象限内沿对角线112分布于所述可移动基板110的外侧，并且关于所述坐标原点o呈中心对称分布。25.在图1所示的实施例中，所述折叠梁为四组(8根)，其分布于所述可移动基板110外侧的四个边角，且所述四组折叠梁与所述四个第一锚定结构120一一对应，其中，四根第一折叠梁130的设置方向与y轴平行，且分别连接四个所述第一锚定结构120和所述可移动基板110；四根第二折叠梁131的设置方向与x轴平行，且分别连接四个所述第一锚定结构120和所述可移动基板110；连接于同一个第一锚定结构120的第一折叠梁130和第二折叠梁131为同一组，两者正交垂直。在图1所示的实施例中，四组折叠梁关于所述坐标原点o呈中心对称分布。在一个实施例中，第一折叠梁130和第二折叠梁131由各向异性单晶硅材料制成。也就是说，所述可移动基板110通过折叠梁130、131与第一锚定结构120连接，折叠梁130、131与第一锚定结构120将共同支撑起可移动基板110，使之悬浮于固定基板110上方。26.在图1所示的实施例中，多个第二锚定结构121分布于所述可移动基板110外侧的前后左右四个边侧。在图1所示的具体实施例中，所述第二锚定结构121为8个，每两个所述第二锚定结构121为一组，4组第二锚定结构121分布于所述可移动基板110外侧的前后左右四个边侧，且4组第二锚定结构121关于所述坐标原点o呈中心对称分布，每组中的两个第二锚定结构121关于其所在侧的坐标轴对称。27.在图1所示的实施例中，多个梳齿电容元件140分布于所述可移动基板110外侧的前后左右四个边侧，其中，位于所述可移动基板110前后两侧的梳齿电容元件140称为x轴梳齿结构，位于所述可移动基板110左右侧边的梳齿电容元件140称为y轴梳齿结构。当敏感到x轴方向的外界作用因素输入时，会使得所述可移动基板110沿x轴发生运动或位移，从而使得所述x轴梳齿结构(即位于所述可移动基板110前后两侧的梳齿电容元件140)中的可动梳齿和固定梳齿的相对距离增大或减小，进而使得该可动梳齿和固定梳齿间的电容随之减小或增大。当敏感到y轴方向的外界作用因素输入时，会使得所述可移动基板110沿y轴发生运动或位移，从而使得所述y轴梳齿结构(即位于所述可移动基板110左右两侧的梳齿电容元件140)中的可动梳齿和固定梳齿的相对距离增大或减小，进而使得该可动梳齿和固定梳齿间的电容随之减小或增大。其中，所述外界作用因素可以为加速度或作用力(如压力，静电力等)。在一个实施例中，梳齿电容元件140由各向异性单晶硅材料制成。28.在图1所示的具体实施例中，所述梳齿电容元件140为8个，每两个所述梳齿电容元件140为一组，4组梳齿电容元件140分布于所述可移动基板110的前后左右四个边侧，且4组梳齿电容元件140关于所述坐标原点o呈中心对称分布，每组中的两个梳齿电容元件140关于其所在侧的坐标轴对称。每组中的两个梳齿电容元件140将形成差分电容，即每组中的一个梳齿电容元件140的电容增大或减小时，另一个梳齿电容元件140的电容减小或增大，两者差分得到该组梳齿电容元件140的电容变化。29.在图2所示的实施例中，通过金属引线101，外界可对第一锚定结构120、第二锚定结构121及其相连的其他元件输入与读取电信号，从而利用梳齿电容元件140的电容变化读取可移动基板110的位移信息，并进而转换为本发明所示的双轴微机械系统换能器结构所要检测的外界环境参数(或外界作用因素)。30.请参考图3所示，其为本发明在一个实施例中的双轴微机械系统换能器结构在标准硅晶圆(即上表面为硅(100)晶面的晶圆)中的设置方向示意图。其中，300为标准各向异性单晶硅晶圆，所述双轴微机械系统换能器结构由所述标准硅晶圆300制成，301为晶圆300的中轴线，与晶圆300的参考边垂直，此方向为晶圆300的[110]晶向，直线302过晶圆300参考边中点，沿半径方向与参考边呈45°或135°，此方向为晶圆的[100]晶向，310为本发明换能器结构，其中轴线311与直线302平行或垂直。[0031]结合图3和图1可知，对角线112与标准硅晶圆300的参考边垂直或平行；所述中轴线111与标准硅晶圆300的参考边呈45°或135°；折叠梁130和131的设置方向与标准硅晶圆300的[100]晶向平行或垂直。在图1所示的具体实施例中，所述折叠梁130、131的设置方向与换能器边缘呈垂直90°或0°，且与标准硅晶圆300的[100]晶向平行或垂直。[0032]以下介绍本发明的工作原理。[0033]mems(micro‑electro‑mechanical systems，即微机械系统)所检测的外界环境参量作用于本发明所示的换能器结构，使换能器的可移动基板110受到沿x轴或y轴的外力或加速度等外界作用因素的作用,可移动基板110将在外界作用因素与折叠梁130和131的弹力下产生位移从而引起梳齿电容元件140上的电信号改变，进而使检测到的外界环境参量(或外界作用因素)转变为电信号，位移大小d∝1/k，其中k为折叠梁130和131的弹性系数。对于标准硅晶片(或晶圆)300而言，其[100]晶向的杨氏模量为各取向中的最小值，由于k∝e*n1/[n2*l^3]成比例，其中e是杨氏模量，n1是折叠梁数量，n2是折叠段数，l是折叠段的长度。减小杨氏模量，可以有效缩减折叠梁的尺寸，缩小必要的换能器装置所占面积。[0034]此外，通过相互正交垂直的折叠梁130和131组合，一方面可以实现单个可移动基板110在x与y方向的双轴检测，避免单轴组合式结构(即两个分离的单轴检测结构正交组合封装实现双轴检测)所带来的封装难度与正交误差，提高系统集成度，同时也由于折叠梁的设置使移动基板110沿x或y方向运动时横向阻力增大，从而可避免平面内横向扭动，进而减少正交误差。[0035]综上所述，本发明的创新优势在于：[0036]1.本发明采用双轴检测结构，相较于单轴组合式(即两个分离的单轴检测结构正交组合封装实现双轴检测)，该结构提高了系统集成度；同时通过折叠梁的设置方向沿标准硅晶圆的[100]晶向，降低材料属性中的杨氏模量，进一步缩减了折叠梁所需使用面积或换能器所需的使用面积。[0037]2.本发明通过设置垂直正交的折叠梁加强了运动过程中的稳定性，减少了在工作过程中的横向转动，有效地抑制了结构性正交误差，具有较高的双轴检测精度。该设计与现有工艺技术及设备兼容，易于实现。[0038]在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。[0039]尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改和变型。