CN109507452A - 一种高性能体硅mems电容式加速度计 - Google Patents

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郭小伟
李绍荣
秦茂森
杨承
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    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
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Abstract

本发明提供了一种高性能体硅MEMS电容式加速度计，所述体硅MEMS电容式加速度计其结构包括由体加工形成的齿枢、多组动齿、折叠梁以及长浮动硅梁构成敏感质量元件和定齿偏置的固定齿及基片构成。本发明通过采用定齿偏置结构，增大了检测电容，从而使分辨率和精度大大增加；另外，通过将移动电极的固定锚设置于敏感方向的中间位置，形成长浮动硅梁电极结构，可大大减小温度变化引起的零漂，提高加速度计性能。

Description

一种高性能体硅MEMS电容式加速度计
技术领域
本发明设计一种高性能体硅MEMS电容式加速度计，属于微机电系统领域。
背景技术
微机电系统(MEMS)是20世纪80年代随着硅微机械加工技术的发展而逐渐成长起来的，是微电子平面加工技术和硅微机械加工技术发展相结合的产物。MEMS的特征尺寸在微米量级，集传感技术、制动技术、和控制技术于一体。采用MEMS技术实现的微型电容式加速度计，以其小型化、可集成性、高精度、低噪声、低温漂和低价格等优点，广泛应用于军事、汽车工艺、消费类电子产品等领域。
目前高精度MEMS电容式加速度计在许多应用中越来越需要，包括惯性导航，重力测量，振动测量等。目前，MEMS电容式加速度计由于高灵敏度，大读出带宽和良好的噪声性能而对于高精度器件更具吸引力和前景，梳齿式微机械结构是电容式加速度计的一种典型结构。然而，MEMS电容式加速度计不可避免地受到温度的影响，温度的变化会引起加速度计的参数漂移，尤其是其零漂和标度因素的变化，进而对整个加速度计的精度产生严重影响，高精度的加速度计必须尽量消除温度对加速度计性能的影响。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种高性能的MEMS电容式加速度计结构，其旨在降低温度变化引起的加速度计零漂的变化，从而提高加速度计性能。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种高性能的MEMS电容式加速度计结构，包括玻璃基板，一个由齿枢、多组动齿和折叠梁构成的敏感质量块，固定锚，连接敏感质量块与锚的长浮动硅梁和固定齿。该齿枢为H型，动齿由齿枢向两侧伸出，形成双侧梳齿式结构；齿枢、四组动齿以及折叠梁构成敏感质量块；同时，敏感质量块通过长浮动硅梁连接到固定锚上，使得敏感质量块相对于基片悬空平行设置，硅梁与质量块一起构成长浮动硅梁移动电极。固定齿为直接固定在基片上的四组单侧梳齿式结构，每组定齿与所对应的动齿交错配置，总体形成差动电容。
本发明所说的固定锚位于敏感方向的中间位置，敏感质量块的整体结构以固定锚为中心对称分布；
本发明所述的敏感质量块的梳齿与其相邻的两定齿的距离不相等，宽窄间隙比为5:1；
本发明的敏感质量元件可以沿齿枢轴向运动。这种结构主要是敏感距离小的一侧形成的电容量，可忽略距离大的一侧的电容量。若干对动齿和固定齿形成总体差动检测电容和差动加力电容。
本发明的最重要的优点是其能大大减小温度变化对加速度计零漂的影响，提高加速度计的性能；另外，采用定齿偏置结构，可以减少键合块，增大单位键合面积，降低键合难度，易于加工。
附图说明
图1为本发明一种高性能体硅MEMS电容式加速度计结构示意图。
图2为现有大部分定齿偏置式加速度计结构简图。
图3为本发明高性能体硅MEMS电容式加速度计结构简图。
具体实施方式
本发明设计的一种高性能的MEMS电容式加速度计结构，包括玻璃基板，一个由齿枢1、多组动齿2和折叠梁3构成的敏感质量块，固定锚4，连接敏感质量块与锚的长浮动硅梁5和固定齿6。该齿枢为H型，动齿由齿枢向两侧伸出，形成双侧梳齿式结构；齿枢、四组动齿以及折叠梁构成敏感质量块；同时，敏感质量块通过长浮动硅梁连接到固定锚上，使得敏感质量块相对于基片悬空平行设置，硅梁与质量块一起构成长浮动硅梁移动电极。固定齿为直接固定在基片上的四组单侧梳齿式结构，每组定齿与所对应的动齿交错配置，总体形成差动电容。
由于热膨胀，移动电极相对于检测质量的中心具有位移，对于大部分定齿偏置梳齿式加速度计，如图2所示，其单位温度变化所引起的加速度计零点漂移的值TDB可用下列公式表示：
其中，kA、kB代表连接检测质量的弹簧刚度(通常，由于制造误差的随机性，两个柔性弹簧具有不同的刚度)；m代表敏感质量块的质量；αeq代表等效热膨胀系数；αs代表硅的热膨胀系数；La代表从锚到中点的距离。
从上式中可以看出，TDB与La成比例，La由用于在敏感方向上移动电极的锚的位置确定。因此，为降低温度对MEMS加速度计性能的影响，将移动电极的锚定位于敏感方向的中间位置(如图3所示)，即可大大降低TDB，提高加速度计性能。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种高性能体硅MEMS电容式加速度计的微机械结构，包括敏感质量块、用于支撑质量块的固定锚、固定齿和基片。其中，敏感质量块由折叠梁及动齿齿枢组成，动齿齿枢向两侧延伸，形成四组可动梳齿；敏感质量块上的四组动齿作为可变电容的活动电极，与基片上固定的四组固定梳齿交错配置，构成形成差动电容，其特征在于每个动齿与其相邻的两个定齿距离不等。
2.根据权利要求1所述的一种高性能体硅MEMS电容式加速度计的微机械结构，其特征在于，动齿与相邻两个定齿之间的宽窄间隙比为5:1。
3.根据权利要求1所述的一种高性能体硅MEMS电容式加速度计的微机械结构，其特征在于，用于支撑质量块的固定锚位于敏感方向的中间位置，通过一长浮动硅梁将折叠梁及敏感质量块连接到固定锚，从而形成长浮动硅梁移动电极。
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