CN103954793A - 一种mems加速度计 - Google Patents

Abstract

一种MEMS加速度计，包括：基板以及设置在所述基板上的加速度敏感芯片和集成电路，所述基板上还设置有温度传感器，所述温度传感器紧邻所述加速度敏感芯片；所述加速度敏感芯片包括多个测量体，每个所述测量体包括：质量块以及梳齿结构；所述梳齿结构包括从所述质量块上延伸出的活动梳齿，以及与所述活动梳齿相互间隔设置的固定梳齿，所述活动梳齿与所述固定梳齿形成有差分检测电容；所述梳齿结构为多组，多组梳齿结构分成第一部分和第二部分，第一部分梳齿结构与第二部分梳齿结构活动间隙变化方向相反，第一部分梳齿结构中的一组和第二部分梳齿结构中的一组输出一电信号。本发明的结构解决了传统MEMS加速度计温度系数大，温度滞回大的问题。

Description

一种MEMS加速度计

技术领域

本发明涉及一种MEMS(微机电系统)加速度计，属于MEMS惯性技术范畴，本发明主要解决了MEMS加速度计敏感芯片的诸多难题，特别是温度特性、测量精度以及冲击和过载的环境适应性，可用于航空、航天、兵器等领域的惯性测量和惯性导航的加速度敏感元件，也可以作为桥梁健康监测、地质勘探等领域的加速度测量元件。

背景技术

MEMS加速度计原理样机国内研制较多，但当前面临工程化的诸多难题。因此国内MEMS加速度计一直没有大规模装备使用，首先是精度问题，当前MEMS加速度计的偏置及标度因子的稳定性及满量程下非线性指标离惯性级技术指标仍然有较大差距；其次是温度特性，当前MEMS加速度计样机都面临温度系数大、温度特性不重复，滞回大等问题，由于MEMS加速度计的快速启动使用要求，其很少在恒温范围内环境使用，使得温度特性是制约MEMS加速度计工程化应用的主要瓶颈之一，影响温度特性的因素很多，诸如敏感芯片设计技术、封装和微组装工艺技术等等。而从敏感芯片的设计角度去解决温度和应力造成的共模误差，国内尚无报道。

而就加速度敏感芯片的设计技术，美国AD公司推出的ADXL系列加速度计是市场上最具代表性的产品，但其采用表面工艺，结构厚度仅为2微米，并且采用定齿均匀配置方案，一方面不利于基础电容的增加，另一方面其不适合体硅深硅刻蚀工艺，从而影响了加速度计的分辨率和精度。

公开号为CN1336548，名称为“定齿偏置的梳齿式体硅加工微机械结构”的中国发明专利申请中提出了采用体硅工艺加工的梳齿式加速度计结构，该结构采用了定齿偏置方案，增大了检测电容，并适合体硅加工工艺，但采用类似于AD公司的H型设计不利于梳齿对数的增加，并增大了轴间耦合，限制了其灵敏度。

对MEMS加速度计敏感芯片而言，反馈产生的静电力永远都是吸力，因此限制了梳齿的配置方法，传统的配置方式是驱动结构包含两个驱动梳齿，一个提供正向反馈吸力，另一个提供反向反馈吸力，在现有技术方案中，这两个极性的反馈力分别位于中间线的两侧。

当MEMS加速度计采用全闭环设计方案时，根据控制系统设计原理，当I型及以上系统时，反馈静电力平衡外部惯性力，那么方程成立，那么输入加速度a的度量关系式为令我们称为标度因数，式中ε是介电常数，S是梳齿有效电容正对面积，V_ref为预载电压，均为恒定值，而d₀是梳齿相对间隙，当随着时间或者环境(如温度或者应力)的不同，使得活动梳齿和固定梳齿的间隙发生改变，而静电力是和间隙平方呈反比关系，从而导致静电力也发生改变，在闭环工作状态，间隙的改变导致了标度因数的改变，从而影响了整个闭环系统的特性，而标度因数是输入加速度的度量，从而间隙的改变影响了加速度计的整体性能。诸如温度、冲击、长期的应力释放都会导致间隙变化，国内的SOG工艺，材料不匹配，活动框架及活动梳齿是采用硅结构，而固定梳齿键合在玻璃衬底上，温度改变会导致固定梳齿和活动梳齿膨胀的幅度不同，尽管都是朝一个方向变化，而变化的速率不同，从而导致相对间隙发生改变，而温度变化越剧烈，间隙的相对变化越明显。

参照图4，当温度或应力变化导致活动梳齿发生形变时，现有技术的测量体梳齿结构之间活动间隙同时增大或减小，导致差分电容变化量累加增大，产生共模误差，导致加速度计在温度变化或应力变化下不稳定。

发明内容

本发明的技术解决问题在于克服现有技术的不足，提供一种活动质量块质量大、基础电容大、交叉耦合误差小，对由于温度和应力造成的共模误差有较好的抑制能力，全温范围的稳定性好、精度高的MEMS加速度计。

按照本发明所提供的一种MEMS加速度计，包括：基板以及设置在所述基板上的加速度敏感芯片和集成电路，所述基板上还设置有温度传感器，所述温度传感器紧邻所述加速度敏感芯片；所述集成电路分别与所述加速度敏感芯片以及所述温度传感器相电连接；所述加速度敏感芯片包括多个测量体；每个所述测量体包括：质量块以及梳齿结构；所述梳齿结构包括从所述质量块上延伸出的活动梳齿，以及与所述活动梳齿相互间隔设置的固定梳齿，所述活动梳齿与所述固定梳齿之间形成有差分检测电容；所述梳齿结构为多组，多组梳齿结构分成第一部分和第二部分，第一部分梳齿结构与第二部分梳齿结构活动间隙变化方向相反，第一部分梳齿结构中的一组和第二部分梳齿结构中的一组输出一电信号。

本发明还有以下附属特征：在其中一个所述测量体中，所述梳齿结构为四组，其中，在因加速度产生位移时，第一组梳齿结构、第二组梳齿结构与第三组梳齿结构、第四组梳齿结构活动间隙变化方向相反，第一组梳齿结构和第二组梳齿结构输出一电信号，第三组梳齿结构和第四组梳齿结构输出一电信号；在膨胀或收缩时，第一组梳齿结构和第二组梳齿结构活动间隙变化方向相反，第三组梳齿结构和第四组梳齿结构活动间隙变化方向相反。所述第一组梳齿结构和所述第二组梳齿结构，以及所述第三组梳齿结构和所述第四组梳齿结构交叉设置在所述质量块的两端。

多个所述测量体通过竖质量块相互连接，形成质量块整体，其中，所述质量块整体外还设置有一框架，所述质量块整体通过支撑梁与所述框架相连接，所述支撑梁设置在所述质量块整体的四个端角。

处于所述质量块两端的所述框架设有防撞止挡，其止挡间隙为1～3微米。

所述基板为陶瓷基板。

所述温度传感器为微型铂电阻温度传感器。

所述集成电路通过检测所述温度传感器的温度变化，对所述电信号进行补偿。

所述MEMS加速度计还包括一管壳，所述管壳内设置有接线引脚；所述加速度敏感芯片通过管壳与所述集成电路相连接。

所述温度传感器通过导热胶与所述基板相连接。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.梳齿结构包含两个部分，一个提供正极性吸力，另一个提供负极性吸力。其采用同极性对角、对称布置，这样避免了由于温度或者应力造成的差分梳齿间隙朝一个方向增大或者减小的情况。对角、对称布置满足了全温度范围内差分电容间隙的不变性，极大地抑制了由于温度以及应力造成的共模误差，从而保证了加速度计在全温度范围的偏置稳定性和标度因数的稳定性以及满量程的线性度。

2.本发明采用质量块整体设计，在增加了结构稳定性的前提下，增加了梳齿的个数，从而增大了基础电容和活动质量块质量。这样不仅加大了检测电容和检测精度，也加大了工作模态和非工作模态之间的区分度。

3.将多个测量体通过竖质量块相连接，从而得到质量块整体的设计，加大了质量块的质量，检测敏感度更高，使得实现四组以上敏感轴方向框架的个数成为可能，并保证了非工作模态和工作模态的区分度在五倍以上，同时保证了其在敏感方向上的自由度，所述竖质量块的增加除了起到连接作用，还与多个质量块构成大质量块，形成大基础电容、高模态区分度，从而保证了加速度计的分辨率。

4.本发明采用的框架还设置有防撞止挡，所述防撞止挡既起到了防止吸合作用，又有效地阻止了活动梳齿运动时与固定梳齿撞击的可能，从而保证了加速度计的稳定性和准确性。所述梳齿体型微小，因外界碰撞或加速度过大造成的活动梳齿与固定梳齿的撞击，可能会导致所述梳齿断裂，而所述防撞止挡的设置，有效地避免了撞击，保护了梳齿，减少了因梳齿断裂替换整个加速度敏感芯片的可能，提高了产品使用效率，降低了使用成本。

5.本发明在加速度敏感芯片旁边设置温度传感器，这样可以迅速地感应到加速度敏感芯片的温度变化。集成电路可以根据温度变化来对检测数据进行调整。解决了MEMS传感器中常有的温度滞回的问题。进一步防止了因为温度变化而导致的检测数据不准或不稳定的情况。

6.本发明采用的工艺是和国内MEMS工艺兼容的干法刻蚀SOG工艺实现，定齿和两侧的动齿间隙分别为3-4微米和8-15微米，总的单边差分基础电容大于50pF，保证了加速度计的高信噪比。

附图说明

图1为本发明MEMS加速度计的示意图。

图2为本发明多个测量体的示意图。

图3为本发明单个测量体的示意图。

图4为现有技术单个测量体的示意图。

图中：1-基板、2-集成电路、3-加速度敏感芯片、31-测量体、32-质量块、33-梳齿结构、331-第一组梳齿结构、332-第二组梳齿结构、333-第三组梳齿结构、334-第四组梳齿结构、34-活动梳齿、35-固定梳齿、36-竖质量块、37-防撞止挡、38-框架、39-支撑梁、4-管壳、5-温度传感器、51-接线引脚。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详述：

参照图1，按照本发明所提供的一种MEMS加速度计，包括：基板1以及设置在所述基板1上的加速度敏感芯片3和集成电路2，所述MEMS加速度计还包括一管壳4，所述管壳4内设置有接线引脚51；所述加速度敏感芯片3通过管壳4与集成电路2相连接。

参照图2，所述加速度敏感芯片包括多个测量体31，每个测量体31包括：质量块32以及梳齿结构33，所述多个测量体31通过所述竖质量块36相互连接；所述梳齿结构33包括从所述质量块32上延伸出的活动梳齿34，以及与所述活动梳齿34相互间隔设置的固定梳齿35，所述活动梳齿34与所述固定梳齿35之间形成有差分检测电容；所述梳齿结构33为多组。优选地，所述梳齿结构33的数量为四组，其中，在因加速度产生位移时，第一组梳齿结构331、第二组梳齿结构331与第三组梳齿结构333、第四组梳齿结构334活动间隙变化方向相反，第一组梳齿结构331和第二组梳齿结构332输出一电信号，第三组梳齿结构333和第四组梳齿结构334输出一电信号；在膨胀或收缩时，第一组梳齿结构331和第二组梳齿结构332活动间隙变化方向相反，第三组梳齿结构333和第四组梳齿结构334活动间隙变化方向相反，并且第一组梳齿结构331和第二组梳齿结构332以及第三组梳齿结构333和第四组梳齿结构334交叉设置在质量块32的两端。其中，第一组梳齿结构331和第二组梳齿结构332输出一电信号，第三组梳齿结构333和第四组梳齿结构334输出一电信号。所述第一组梳齿结构331和第二组梳齿结构332分别输出一信号，集成电路2对输出的两组信号进行汇总处理，并输出一总信号；第三组梳齿结构333和第四组梳齿结构334分别输出一信号，集成电路2对输出的两组信号进行汇总处理，并输出另一总信号。所述集成电路2根据这两组总信号通过控制算法来测量加速度。

参照图3，所述第一组梳齿结构331和第二组梳齿结构332的极性相同，所述第三组梳齿结构333和第四组梳齿结构334的极性相同，在一实施例中，当外界有一向右的加速度时，所述第一组梳齿结构331和第二组梳齿结构332中活动梳齿34与固定梳齿35之间的活动间隙会增大，所述第三组梳齿结构333和第四组梳齿结构334中活动梳齿34与固定梳齿35之间的活动间隙会减小，所述集成电路2差分检测由梳齿间隙变化引起的电容变化，并输出反馈校正电压，形成系统的闭环控制。

此外，参照图2，多个所述测量体31通过竖质量块36相互连接，形成质量块整体，其中，所述质量块整体外还设置有框架38，所述质量块整体通过支撑梁39与所述框架38相连接，所述支撑梁39设置在所述质量块整体的四个端角，所述框架38平行于所述竖质量块36并分布在所述质量块整体两边，所述竖质量块36设置在质量块32的中央部位。框架38上还设置有防撞止挡37，所述防撞止挡37与质量块整体之间的止挡间隙为1-3微米。由于MEMS加速度计通常为纳米级结构，其活动梳齿34与固定梳齿35之间的间隙，以及梳齿自身的宽度都非常的细小。当外界的加速度过大时，活动梳齿34与固定梳齿35可能会发生碰撞，造成梳齿的形变，甚至折断。在框架38上设置的防撞止挡37可以起一定的防吸合作用，能够有效地防止因外界加速度过大失效。

参照图1，所述基板1上还设置有温度传感器5，所述温度传感器5设置在紧邻所述加速度敏感芯片3，所述加速度敏感芯片3设置在陶瓷基板1上。温度传感器5为铂电阻温度传感器，并通过高热导率胶粘接在陶瓷基板1上。一方面，陶瓷基板1的温度系数与加速度计敏感芯片3的温度系数基本接近，使得二者在温度变化时形变量相接近，从而降低了MEMS加速度计的温度系数。另一方面，陶瓷基板1的快速热传导性，可以迅速地将温度变化传导给温度传感器5。而且温度传感器5设置在紧邻所述加速度敏感芯片3的旁边位置上，这样可以快速地检测到加速度敏感芯片3的温度变化。集成电路2则可以根据温度变化来对加速度敏感芯片3的检测结果进行补偿。

参照图1、图2和图3，当温度或应力变化时，活动梳齿34和固定梳齿35之间的间隙会因温度或应力的变化而产生变化，差分检测电容的也会因为间隙的距离变化而变化。然而，本发明中的第一组梳齿结构331和第二组梳齿结构332梳齿间隙的变化方向相反，第三组梳齿结构333和第四组梳齿结构334梳齿间隙的变化方向相反。因此，加速度敏感芯片3的整体检测电容变化量是不变的。从而减少了因外部环境的温度或应力变化对加速度敏感芯片3的影响，降低了本加速度计的温度系数。同时，紧邻在加速度敏感芯片3旁边的温度传感器5可以迅速的检测到温度的变化，并快速地对加速度敏感芯片3的检测结果进行补偿。这样降低了本加速度计的温度滞回。

参照图1、图2和图3，在一实施例中，当温度或应力变化导致所述质量块32发生缩小形变时，所述第一组梳齿结构331和第三组梳齿结构333中活动梳齿34与固定梳齿35之间的活动间隙会增大，所述第二组梳齿结构332和第四组梳齿结构334中活动梳齿34与固定梳齿35之间活动间隙会减小，因同一质量块32上所感受到的温度或应力基本一致，每个梳齿结构之间活动间隙的增大与减小的形变量也基本相同，而所述第一组梳齿结构331和第二组梳齿结构332的极性相同，所述第三组梳齿结构333和第四组梳齿结构334的极性相同，故所述第一组梳齿结构331和第二组梳齿结构332因形变量导致的差分电容变化量抵消，所述第三组梳齿结构333和第四组梳齿结构334因形变量导致的差分电容变化量抵消，加速度敏感芯片3的整体检测电容变化量是不变的。从而抑制了由于外部环境的温度或应力变化产生的共模误差，保证了加速度计在温度变化或应力变化下的稳定性。同时，紧邻在加速度敏感芯片3旁边的温度传感器5可以迅速的检测到温度的变化，并快速地对检测结果进行补偿。这样降低了本加速度计的温度滞回。

上述详细说明是针对发明的可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明的等效实施或变更，均应当包含于本发明的专利范围内。

另外，本领域技术人员还可在本发明权利要求公开的范围和精神内做其它形式和细节上的各种修改、添加和替换。当然，这些依据本发明精神所做的各种修改、添加和替换等变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (11)

1.一种MEMS加速度计，包括：基板以及设置在所述基板上的加速度敏感芯片和集成电路，其特征在于，所述基板上还设置有温度传感器，所述温度传感器紧邻所述加速度敏感芯片；所述集成电路分别与所述加速度敏感芯片以及所述温度传感器相电连接；所述加速度敏感芯片包括多个测量体；每个所述测量体包括：质量块以及梳齿结构；所述梳齿结构包括从所述质量块上延伸出的活动梳齿，以及与所述活动梳齿相互间隔设置的固定梳齿，所述活动梳齿与所述固定梳齿之间形成有差分检测电容；所述梳齿结构为多组，多组梳齿结构分成第一部分和第二部分，第一部分梳齿结构与第二部分梳齿结构活动间隙变化方向相反，第一部分梳齿结构中的一组和第二部分梳齿结构中的一组输出一电信号。

2.如权利要求1所述的MEMS加速度计，其特征在于，在其中一个所述测量体中，所述梳齿结构为四组，其中，在因加速度产生位移时，第一组梳齿结构、第二组梳齿结构与第三组梳齿结构、第四组梳齿结构活动间隙变化方向相反，第一组梳齿结构和第二组梳齿结构输出一电信号，第三组梳齿结构和第四组梳齿结构输出一电信号。

3.如权利要求1所述的MEMS加速度计，其特征在于，在其中一个所述测量体中，所述梳齿结构为四组，其中，在膨胀或收缩时，第一组梳齿结构和第二组梳齿结构活动间隙变化方向相反，第三组梳齿结构和第四组梳齿结构活动间隙变化方向相反。

4.如权利要求2或3所述的MEMS加速度计，其特征在于，所述第一组梳齿结构和所述第二组梳齿结构，以及所述第三组梳齿结构和所述第四组梳齿结构交叉设置在所述质量块的两端。

5.如权利要求1所述的MEMS加速度计，其特征在于，多个所述测量体通过竖质量块相互连接，形成质量块整体，其中，所述质量块整体外还设置有框架，所述质量块整体通过支撑梁与所述框架相连接，所述支撑梁设置在所述质量块整体的四个端角。

6.如权利要求5所述的MEMS加速度计，其特征在于，处于所述质量块两端的所述框架上设有防撞止挡，其止挡间隙为1～3微米。

7.如权利要求1所述的MEMS加速度计，其特征在于，所述基板为陶瓷基板。

8.如权利要求1所述的MEMS加速度计，其特征在于，所述温度传感器为微型铂电阻温度传感器。

9.如权利要求1所述的MEMS加速度计，其特征在于，所述集成电路通过检测所述温度传感器的温度变化，对所述电信号进行补偿。

10.如权利要求1所述的MEMS加速度计，其特征在于，所述MEMS加速度计还包括一管壳，所述管壳内设置有接线引脚；所述加速度敏感芯片通过管壳与所述集成电路相连接。

11.如权利要求1所述的MEMS加速度计，其特征在于，所述温度传感器通过导热胶与所述基板相连接。