集成电容角度传感器的MEMS万向节器件及其制备方法

本发明涉及mems，包括但不限于mems驱动器和mems微镜，特别是涉及一种集成电容角度传感器的mems万向节器件及其制备方法。

背景技术：

1、mems万向节(gimbal，又名平衡环)器件是一种基于mems加工技术制作的微型、可驱动、两自由度的mems扭转结构的mems运动器件，既可以是mems执行器，也可以mems传感器，或执行器与传感器相融合的mems器件。万向节的两自由度扭转运动(x轴扭转、y轴扭转)是彼此独立的、无耦合的，是mems器件中广泛采用的多轴独立运动结构。mems万向节还可以进一步集成活塞相位移，构成俯仰扭转、方位扭转、活塞相位移的ttp(tip-tilit-piston)mems三轴运动机构，称其为广义的万向节，其灵活性更强，应用广泛。万向节或广义万向节，可以与mems驱动器集成，实现多维运动的mems驱动器，该多轴驱动器可以承载多种功能元件，实现多种功能。目前应用最多的是激光技术中的扫描镜，主要用于光束扫描和指向，成为激光通信、激光雷达、激光加工、激光测量、光学成像等领域中的关键器件，具有广阔的市场前景。万向节上还可以承载光栅、棱镜、透镜等光学元件，以及rf天线、永磁体、质量块等各种功能部件，实现更广泛的应用。

2、常见的mems万向节基本结构是双框架结构，包括运动载台(如承载光学镜面等)、运动内框、固定外框、内/外轴扭转弹性梁，运动载台与运动内框、运动内框与固定外框的连接方式通常采用柔性扭转梁结构，而且内/外轴扭转梁相互垂直，这种结构可以保证运动载台相对固定外框实现双轴扭转，实现光束在一定角度范围内扫描和指向。这种万向节结构采用无轴承、无摩擦的柔性运动机构，可以实现高精度、高重复性的扫描运动。采用mems技术制造的万向节结构，具有外形尺寸小、加工精度高、一致性好、批量生产、低成本等巨大的优势，成为微小型、小型万向节结构制造的主流技术。

3、随着技术的发展，无论是激光通信、激光雷达、激光加工还是光学成像领域，都对mems器件的扫描精度提出了更高的要求，例如微弧度量级的扫描角度精度，在技术上挑战极大。然而，当前绝大多数mems万向节器件是无传感器监测的电信号开环操作驱动，无法实时感测扫描角度和扫描角度闭环反馈，驱动精度受到很大的限制，而且工作带宽完全受限于万向节器件扫描工作模态的自然频率，工作带宽不够宽。当需要高精度扫描时，不得不在万向节结构上粘结加应变片，或者采用电涡流传感器、光电传感器实现扫描角度的监测。采用应变片测量扫描角度，不仅安装困难、一致性差、存在严重温度漂移、电导引线困难，而且是一种间接测量方式，测量精度不高，且成本较高。电涡流传感器测量角度是一种非接触的传感器，通常与轴承配合，mems万向节器件无轴承，难以安装。光电传感器测量角度，是常用的非接触式扫描角度测量方法，但需要精密光学装调、成本高，体积偏大，也容易受到环境光的干扰。在万向节器件上集成制造角度传感器具有强烈的技术需求。

4、目前在mems万向节器件上集成角度传感器，主要的技术路线是硅压阻传感器，在扭转弹性梁的剪切应力最大处通过离子注入制作多个应变电阻，再连接成惠斯通电桥电路，其优势是检测电路简单，但也存在明显的不足。其不足是；1)需要专门的复杂工艺；2)扭转弹性梁一般尺寸很小，仅数微米宽度，在弹性梁上制作惠斯通电桥电路其电导引线困难，同时也对弹性梁的特性产生较大影响；3)压阻传感器温度系数高，需要专门的温度补偿措施；4)压阻式角度传感器对角度的检测精度不高，存在灵敏度漂移、噪声较大，难以达到微弧度精度。因此，集成压阻式角度传感器的mems万向节器件产品仍然很少。mems万向节器件上集成角度传感器另一条技术路线是电容式角度传感器，主要是平板电容角度传感器，该电容角度传感器需要双层的结构制作平板电容的两个极板，电容随角度的变化是非线性的，难以检测较大的扭转角度。

5、随着梳齿驱动技术的发展，也出现了梳齿电容式角度传感器。梳齿电容传感器的两组或多组梳齿电极之间需要电绝缘，必须进行深槽刻蚀实现电气隔离。现有的电气隔离结构设计中，常见为双层隔离岛结构、整块熔融玻璃回流或bcb真空条件填充隔离槽；对于双层隔离岛结构方案，需采用多层结构的设计，一层起到支撑作用，另一层用于制作孤立的电容传感器结构，工艺复杂、结构复杂且soi硅片的成本较高；对于整块熔融玻璃回流或bcb真空条件填充隔离槽方案，同样需要要求较高的填充环境且填充后需要cmp(chemicalmechanical polishing)磨抛残余的玻璃或bcb胶，同样存在工艺复杂、成本较高的问题。

6、正是由于深槽电隔离的存在，必须要采用带中间氧化层的双层硅结构，以保证深槽隔离的同时，保证微结构的整体强度而构成完整的器件。带中间氧化层的双层硅结构，需要采用昂贵的双层soi材料或两片soi键合而成，成本会很高。深槽的存在也给mems器件的内轴驱动器/传感器的电引线带来了巨大的困难。

7、在梳齿电容角度传感器中，其梳齿电容包括平面梳齿和垂直梳齿(也称为高低梳齿)两种情形，垂直梳齿的制作具有很高的工艺难度，一般制作的垂直梳齿是无交叠梳齿，而且通常采用双层soi材料或两片soi来制作，成本很高。但是无交叠垂直梳齿作为电容角度传感器时，存在不足：1)对于无交叠梳齿，动梳齿的转动时，其转动方向不同时梳齿电容变化特性差异巨大，当动梳齿向梳齿交叠量增大方向转动时，电容量随角度线性增加，可以很好地用于角度传感；而反方向时，梳齿电容量随转动角度迅速减小，并严重偏离线性变化，用于角度传感性能迅速下降；2)不能实现差分电容角度传感，因此不能消去非转动角度导致的电容量的变化，因此检测精度不高。交叠垂直梳齿的制作具有很高的工艺难度、而且制作成本很高，目前没有成熟的制作工艺。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供一种集成电容角度传感器的mems万向节器件及其制备方法，能够实时提供高精度的扫描角度的数据信息，以便实现高精度的反馈控制。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种集成电容角度传感器的mems万向节器件，包括：

3、运动载台，用于承载mems功能载荷，其上集成内轴驱动器，包括静电驱动器、电磁驱动器、压电驱动器或电热驱动器的一种；

4、运动内框，环绕在所述运动载台的外围，其上集成有外轴驱动器，包括静电驱动器、电磁驱动器、压电驱动器或电热驱动器的一种；

5、固定外框，布置在所述运动内框的外围，所述外框即是芯片的支撑衬底；

6、内扭转轴，包括一对内轴扭转梁，该对内轴扭转梁位于同一直线上，每根所述内轴扭转梁的一端连接所述运动载台，另一端连接所述运动内框，用于在所述内轴驱动器的作用下使得所述运动载台绕着所述内扭转轴做离面扭转；

7、外扭转轴，包括一对外轴扭转梁，该对外轴扭转梁位于同一直线上，每根所述外轴扭转梁的一端连接所述运动内框，另一端连接所述固定外框，用于在所述外轴驱动器的作用下使得所述运动内框绕着所述外扭转轴做离面扭转；

8、所述mems万向节器件还包括：

9、内轴差分电容角度传感器，包括一对内轴角度传感电容，所述一对内轴角度传感电容构成内轴差分电容，当所述运动载台绕着所述内扭转轴做离面扭转时，一对内轴角度传感电容中的一个的容值随内轴扭转角度的增大而增大，另一个的容值随内轴扭转角度的增大而减小，两个内轴角度传感电容的差分值与内轴扭转角度成正比，实现对内轴扭转角度的传感；

10、外轴差分电容角度传感器，包括一对外轴角度传感电容，所述一对外轴角度传感电容构成外轴差分电容，当所述运动内框绕着所述外扭转轴做离面扭转时，一对外轴角度传感电容中的一个的容值随外轴扭转角度的增大而增大，另一个的容值随外轴扭转角度的增大而减小，两个外轴角度传感电容的差分值与外轴扭转角度成正比，实现对外轴扭转角度的传感；

11、垂直隔离结构，布置在所述运动载台和所述运动内框、或所述运动内框和所述固定外框的内部或边缘处，用于实现所述内轴差分电容角度传感器和外轴差分电容角度传感器的之间以及差分电容的电气绝缘，同时也实现微结构的机械连接。

12、所述内扭转轴和外扭转轴的轴线相互垂直，实现双轴无耦合的独立扭转。

13、所述内轴角度传感电容包含四个内轴梳齿电容，所述四个内轴梳齿电容分别位于两根内轴扭转梁的两侧，且位于内扭转轴同侧的两个内轴梳齿电容以并联的方式连接，四个内轴梳齿电容构成一对内轴角度传感电容，所述内轴梳齿电容包括内轴动梳齿和内轴定梳齿，所述内轴动梳齿与所述运动载台连接，所述内轴定梳齿与所述运动内框连接；所述外轴角度传感电容包含四个外轴梳齿电容，所述四个外轴梳齿电容分别位于两根外轴扭转梁的两侧，且位于外扭转轴同侧的两个外轴梳齿电容以并联的方式连接，四个外轴梳齿电容构成一对外轴角度传感电容，所述外轴梳齿电容包括外轴动梳齿和外轴定梳齿，所述外轴动梳齿与所述运动内框连接，所述外轴定梳齿与所述固定外框连接。

14、所述内轴动梳齿和内轴定梳齿均为垂直梳齿，且所述内轴动梳齿与所述内轴定梳齿交错分布、梳齿高度不同，构成交叠垂直梳齿；所述外轴动梳齿和外轴定梳齿均为垂直梳齿，且所述外轴动梳齿与所述外轴定梳齿交错分布、梳齿高度不同，构成交叠垂直梳齿。

15、所述运动载台、所述运动内框、所述固定外框、所述内轴差分电容角度传感器和所述外轴差分电容角度传感器由单层低阻硅片加工而成，并构成一个单层的整体结构。

16、所述mems万向节器件还包括：金属导线和绝缘层，所述金属导线和绝缘层布置在所述整体结构的表面，用于将与所述角度传感器结构的电信号引至布置在所述固定外框表面的金属焊盘。

17、所述mems万向节器件可以进一步简化为单层的mems单轴扭转结构或进一步演化单层的mems三轴tip-tilt-piston运动结构，以拓展其应用范围。

18、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种集成电容角度传感器的mems万向节器件的制备方法，包括以下步骤：

19、提供一低阻单层硅片；

20、在所述低阻单层硅片的第一面通过硅深刻蚀形成梳齿之间电气绝缘所需的隔离结构沟槽；

21、在所述隔离结构沟槽内填充待固化填料粉末，优选低熔点玻璃粉末，将待固化填料粉末熔融，待其固化后形成电绝缘隔离回填沟槽结构，形成具有一定机械强度的隔离回填结构；

22、在所述低阻单层硅片的第一面去除焊盘位置的绝缘层，制作金属焊盘与金属导线。

23、在所述低阻单层硅片的第一面进行光刻、icp和刻蚀，完成差分电容角度传感器和运动载台、运动内框、固定外框、内轴扭转梁和外轴扭转梁的制作，并通过布置在运动载台、运动内框或固定外框或内轴扭转梁或外轴扭转梁的金属导线，实现差分电容角度传感器与固定外框表面的金属焊盘的电导连接。

24、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种集成电容角度传感器的mems万向节器件的制备方法，包括以下步骤：

25、提供一低阻单层硅片；

26、在所述低阻单层片的第一面制作位于下侧的差分梳齿的沟槽；

27、在所述低阻单层片的第二面制作位于上侧的差分梳齿的沟槽；

28、在所述沟槽内填充待固化微纳硅粉末，并对所述待固化微纳硅粉末进行高温氧化烧结形成保形sio2填充结构；

29、在所述低阻单层硅片的第一面形成梳齿之间电气绝缘所需的隔离结构沟槽；

30、在所述隔离结构沟槽内填充待固化填料粉末，将待固化填料粉末熔融，待其固化后形成电绝缘隔离回填沟槽结构；

31、在所述低阻单层硅片的第一面去除焊盘位置的绝缘层，制作金属焊盘与金属导线。

32、在所述低阻单层硅片的第一面进行光刻、icp和刻蚀，释放带有保形sio2填充结构的部分，完成运动载台、运动内框、固定外框、内轴扭转梁和外轴扭转梁的制作，并通过布置在运动载台、运动内框或固定外框或内轴扭转梁或外轴扭转梁的金属导线，实现差分电容角度传感器与固定外框表面的金属焊盘的电导连接。

33、将所述低阻单层硅片浸泡boe溶液，去除保形sio2填充结构。此处的sio2为多孔的结构，boe溶液中hf对多孔sio2进行快速腐蚀，由于hf腐蚀速率的巨大差异，可以完全腐蚀多孔sio2，同时保留所述电绝缘隔离回填沟槽结构，完成差分电容角度传感器的梳齿的制作及器件释放。

34、有益效果

35、由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明在mems万向节结构上单片单层集成电容式角度传感器，可以实时提供高精度的扫描角度的数据信息，同时便于引入扫描角度的闭环反馈控制，更有利于提高mems万向节器件的扫描精准度、拓展器件扫描带宽，为高端的激光扫描应用提供更好的技术方案。本发明使用同一套工艺、仅在一片低阻单晶硅片上即可完成万向节结构和集成电容式角度传感器的制作，大大节省了成本。本发明首次提出采用低温玻璃粉末熔融回流填充隔离沟槽，工艺简单，成本低，实现了在单层结构的单晶硅片上的横向垂直隔离结构设计，同时该垂直隔离结构相比于传统soi片隔离岛结构而言，具备工艺简单、结构简单、成本较低的显著优势，且避免了隔离岛结构复杂且兼容性较差的结构设计。本发明的mems万向节结构、单片集成的电容式角度传感器、电气隔离结构可以面向镜面尺寸为微米级以上的多轴mems微反射镜，可以为该尺寸的多轴mems微反射镜中引入角度实时监测与反馈控制功能提供重大的技术价值。