CN110501522A

CN110501522A - 一种微机电系统的电容式加速度计

Info

Publication number: CN110501522A
Application number: CN201910872020.0A
Authority: CN
Inventors: 郭慧芳; 裘进
Original assignee: SHANGHAI XIRUI TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SHANGHAI XIRUI TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2019-09-16
Filing date: 2019-09-16
Publication date: 2019-11-26
Anticipated expiration: 2039-09-16
Also published as: CN110501522B

Abstract

本发明涉及微机电系统技术领域，尤其涉及一种微机电系统的电容式加速度计，一种微机电系统的电容式加速度计，包括一检测板、一支撑基座、以及一可动结构，可动结构可旋转的连接于支撑基座上；支撑基座设置于检测板的第一中轴线和第二中轴线的交点；电容式加速计还包括：多个电极以第一中轴线为对称轴相对设置于检测板上；多个电极以第二中轴线为对称轴呈镜像对称设置于检测板上。发明技术方案的有益效果在于：通过改变电容式加速度计的结构，有效地降低了因支撑基座应力和检测板翘曲产生的零点漂移，从而提升电容式加速度计的检测精度。

Description

一种微机电系统的电容式加速度计

技术领域

本发明涉及微机电系统技术领域，尤其涉及一种微机电系统的电容式加速度计。

背景技术

众所周知，电容式加速度计的零漂一直是本领域技术人员需要攻克的技术难题，尤其是Z轴的零漂。如图1所示，微机电系统(Micro Electro Mechanical System，MEMS)的电容式加速度计的感测单元是由检测板1、支撑基座2、设置于支撑基座2上的可动结构3以及设置于检测板1上的多个电极4组成的差分电容。如图1所示，在理想情况下，当感测单元未受感测力或外力作用时，差分电容的左右两侧是完全相当的，输出为0；如图2所示，当感测单元受到垂直于结构平面方向的加速度时，可动结构3会产生倾斜，使得支撑基座两侧的电容发生变化，由CMOS信号处理电路读出两侧电容的差值，再将差值转换为对应的加速度值。

目前现有的电容式加速度计存在以下问题：(1)即使没有垂直于结构平面的加速度，由于感测单元的支撑基座的应力作用，可动结构3会相对于检测板1上的电极发生旋转，使得左右两侧的电容不对称，从而产生零漂；(2)如图3所示，检测板1在高温或者在表面贴装工艺(Surface MountTechnology，SMT)中也会发生翘曲，同样也会导致零点发生漂移。因此，现需一种降低零漂的电容式加速度计。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，现提供一种微机电系统的电容式加速度计。

具体技术方案如下：

本发明包括一种微机电系统的电容式加速度计，包括一检测板、一支撑基座以及一可动结构，所述可动结构可旋转的连接于所述支撑基座上；所述支撑基座设置于所述检测板的第一中轴线和第二中轴线的交点；所述电容式加速度计还包括：

多个电极以所述第一中轴线为对称轴相对设置于所述检测板上；

多个所述电极以所述第二中轴线为对称轴呈镜像对称设置于所述检测板上。

优选的，所述检测板包括由所述第一中轴线和所述第二中轴线划分出的四个检测区域，每个所述检测区域包括至少一对所述电极。

优选的，一对所述电极包括一正电极和一负电极。

优选的，每个所述检测区域内的多个所述电极交替设置，且每个所述电极与相邻的所述电极的极性相反。

优选的，以所述第一中轴线为对称轴相对设置的两个所述电极之间的极性相反。

优选的，以所述第二中轴线为对称轴对称设置的两个所述电极之间的极性相同。

优选的，多个所述电极的尺寸相同。

发明技术方案的有益效果在于：通过优化电容式加速度计的可动结构以及检测板上电极的分布，有效地降低了因支撑基座的应力和检测板的翘曲产生的零点漂移，从而提升了电容式加速度计的检测精度。

附图说明

参考所附附图，以更加充分地描述本发明的实施例。然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。

图1为理想状态下的电容式加速度计的结构示意图；

图2为支撑基座的应力作用下的电容式加速度计的结构示意图；

图3为检测板弯曲时的电容式加速度计的结构示意图；

图4为现有技术中的基本结构A的电极分布图；

图5为本发明实施例中第一优化结构B的电极分布图；

图6为本发明实施例中第二优化结构C的电极分布图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

具体地，首先对现有的电容式加速度计的基本结构存在的问题进行分析，如图4所示，在没有Z轴方向(垂直于结构平面的方向)加速度的情况下，由于感测单元支撑基座的应力作用，可动结构3会相对于检测板1旋转，可动结构3既可能绕第一中轴线(图4所示X轴)转动，也可能绕第二中轴线(图4所示Y轴)转动，同时，受高温或者表面贴装工艺的作用，检测板1可能发生弯曲，可动结构3与电极之间的间距Z会受到以上因素的影响，可以用下述公式表示：

Z＝Z(x,y)＝gap+R(x)+R(y)+Curv(x,y)；

R(x)＝Rx*x；R(y)＝Ry*y；Curv(x,y)＝K/2*(X²+Y²)；

Z用于表示感测单元发生变形后可动结构到电极之间的间距，Z是x,y的函数；以支撑基座坐标(0，0)，x和y用于表示电极中心的坐标值(x，y)；

gap用于表示感测单元没有发生变形时可动结构到检测板电极之间的原始间距；

Rx用于表示可动结构绕X轴的旋转角度；

Ry用于表示可动结构绕Y轴的旋转角度；

K用于表示检测板的弯曲值；

Curv用于表示由于弯曲值K造成的变形值。

相应地，可动结构3与电极之间的电容可以用下述公式表示：

C＝eps*A/Z

其中eps为电容极板间的介电常数，A为可动结构与检测板上电极对应的面积，电容值与对应的间距是非线性的。

由于感测单元变形，可动结构3相对于检测板1旋转，检测板1发生弯曲，如图4所示，我们可以将其总结为以下几种情形：

(1)可动结构只沿着X轴旋转，上电极(图4所示E1t、E2t)和下电极(图4所示E1b、E2b)与可动结构之间的间距随着可动结构绕X轴的旋转角度(即Rx)变化而变化；

(2)可动结构只沿着Y轴旋转，左电极(图4所示E1t、E1b)和右电极(图4所示E2t、E2b)与可动结构之间的间距随着可动结构绕Y轴的旋转角度(即Ry)变化而变化；

(3)检测板弯曲，电极与可动结构之间的间距随着电极与支撑基座的支撑点的距离不同而不同；

(4)Rx和Ry同时存在，即产生Rs角度的倾斜，可动结构绕S1或S2旋转(S1、S2只是其中一种实施例，根据Rx或Ry相对值的不同，也可能绕其它方向旋转)；

(5)检测板弯曲，同时存在Rx；

(6)检测板弯曲，同时存在Ry；

(7)检测板弯曲，同时存在Rx和Ry。

具体地，从以上七个情形来分析电极与可动结构之间的间距变化，从而分析Z轴零点的漂移情况。如图4所示，可动结构3的下方有四块相同面积的电极，其中，E1t、E2t为正电极；E1b、E2b为负电极，经CMOS信号处理电路读出的值正比于正电极的电容变化值与负电极的电容变化值的差值。

具体地，在上述情形(1)中，存在Rx倾斜,正电极E1t、E2t与可动结构3的间距增加，同时负电极E1b、E2b与可动结构3的间距减小，在这种结构中，即使电容信号随着间距的变化是线性的，Rx倾斜也会导致Z轴的零点漂移。在上述情形(2)中，存在Ry倾斜，左电极E1t、E1b与可动结构3的间距变化与右电极E2t、E2b与可动结构3的间距变化正好相反，可相互抵消。在上述情形(3)，检测板1弯曲，由于四块电极与支撑基座的支撑点具有相同的距离，电极与可动结构3的间距同时增加或者减小，可相互抵消。对于情形(6),检测板弯曲和存在Ry倾斜，尽管电容信号随着间距的变化是非线性的，情形(6)也不会产生z轴的零点漂移，主要原因在于Y轴的左右两侧同时存在正电极和负电极，可相互抵消。对于上述情形(1)、情形(4)、情形(5)以及情形(7),由于都存在Rx倾斜引起的间距变化，因此，情形(4)、(5)、(7)都会产生z轴的零点漂移。经过分析可以得知，现有的电容式加速度计的结构会在存在Rx倾斜时产生Z轴的零点漂移。

实施例一

本发明第一实施例提供一种微机电系统的电容式加速度计，包括一检测板、一支撑基座、一可动结构以及设置于检测板上的多个电极，可动结构可旋转的连接于支撑基座上；如图5所示，支撑基座设置于检测板1的第一中轴线(X轴)和第二中轴线(Y轴)的交点；

多个电极以X轴为对称轴相对设置于检测板1上；

多个电极以Y轴为对称轴呈镜像对称设置于检测板1上；

检测板1包括由X轴和Y轴划分出的四个检测区域，每个检测区域包括一对电极；

每个检测区域内的多个电极交替设置，且每个电极与相邻的电极的极性相反；

以X轴为对称轴相对设置的两个电极之间的极性相反；

以Y轴为对称轴对称设置的两个电极之间的极性相同。

具体地，在本实施例中，在现有的电容式加速度计结构上提出第一种优化结构，如图5所示，在现有的基本结构A的基础上，在X轴的上下两侧各增加了两块电极，此增加电极(R1t、R2t、R1b、R2b)与可动结构之间的间距不会因有垂直结构平面加速度而发生变化，只会因感测单元本身的整体变形而发生变化，以此来降低感测单元自身变形带来的零点漂移。

在X轴上侧的两块正电极(E1t、E2t)的两侧分别增加一块负电极(R1t、R2t)，在X轴下侧的两块负电极(E1b、E2b)的两侧各增加一块正电极(R1b、R2b)，以使X轴上下两侧均设置同等数量的正电极和负电极，并且每个电极都与X轴的另一侧的相对位置设置的电极的极性相反，同时，每个电极与Y轴的另一侧的对称位置的电极的极性相同。

具体地，在本实施例中，为了便于描述，如图5所示，将检测板1分别划分为四个检测区域，第一检测区域包括R1t、E1t，第二检测区域包括E2t、R2t，第三检测区域包括R1b、E1b，第四检测区域包括E2b、R2b。

具体地，可动结构3的下方包括八块相同尺寸的电极，每个检测区域都设有一个正电极和一个负电极。其中，E1t、E2t、R1b、R2b为正电极，E1b、E2b、R1t、R2t为负电极。在第一优化结构B中，Y轴左右两侧各有两对极性相反的电极，因此，仅存在Ry倾斜不会导致Z轴零点漂移；检测板1的四个角上有两对极性相反的电极分布，因此，仅存在检测板弯曲也不会产生Z轴零点漂移；X轴上下两侧各有两对极性相反的电极，因此，仅存在Rx倾斜也不会产生Z轴零点漂移。

在上述情形(4)、(5)、(7)中，由于存在检测板弯曲和/或同时存在Rx和Ry倾斜，Rx倾斜会破坏上下电极的对称性，Ry倾斜会破坏左右电极的对称性，且检测板弯曲会破坏远处和近处电极的对称性，再加上电容随电极和可动结构的间距的变化是非线性的，电容随间距的非线性是指电容正比于间距的倒数，如果间距变化正负号不同但幅度相同，造成的电容变化也是不同的。所以在这三种情形下仍然会产生Z轴零点漂移。例如，当Rx和Ry同时存在，可动结构绕S1或S2旋转，S1或S2两侧的电极与可动结构之间的间距变化不能相互抵消。第一种优化结构B产生零点漂移的根本原因是电容随着间距的变化是非线性的。若电容随着电极和可动结构间的间距的变化是线性的，那么在第一种优化结构B中上述三种情形不会产生Z轴零点漂移，因为所有的正电极与可动结构之间的间距变化总和与所有的负电极与可动结构之间的间距变化总和相同。简而言之，第一种优化结构B只解决了情形(1)可动结构在Rx倾斜时产生的Z轴零点漂移，但无法解决电容随着间距的变化是非线性的情况下产生的零点漂移。

实施例二

本发明提供一种微机电系统的电容式加速度计，包括一检测板、一支撑基座、一可动结构以及设置于检测板上的多个电极，可动结构可旋转的连接于支撑基座上；如图6所示，支撑基座设置于检测板1的第一中轴线(X轴)和第二中轴线(Y轴)的交点；

多个电极以X轴为对称轴相对设置于检测板1上；

多个电极以Y轴为对称轴呈镜像对称设置于检测板1上；

检测板1包括由X轴和Y轴划分出的四个检测区域，每个检测区域包括两对电极；

以X轴为对称轴相对设置的两个电极之间的极性相反；

以Y轴为对称轴对称设置的两个电极之间的极性相同。

具体地，为了减小电容非线性对零点漂移的影响，本实施在第一种优化结构B的基础上提出第二种优化结构C，在X轴的上下两侧各增加了四块极性相反的电极，并优化可动结构的布局，使得电极(R1t,R2t,R3t,R4t,R1b,R2b,R3b,R4b)与可动结构之间的间距不会因有垂直结构平面加速度而发生变化，只会因感测单元本身的整体变形而发生变化，以此来降低感测单元自身变形带来的零点漂移。第二种优化结构总共包括16块相同面积的电极，其中，E1t、E2t、E3t、E4t和R1b、R2b、R3b、R4b为正电极；E1b、E2b、E3b、E4b和R1t、R2t、R3t、R4t为负电极。

具体地，如图6所示，Y轴两侧的电极对称分布，即第一检测区域内的电极(E1t、R1t、R3t、E3t)与第二检测区域内的电极(E2t、R2t、R4t、E4t)对称分布，第三检测区域内的电极(R1b、E1b、E3b、R3b)与第四检测区域内的电极(R2b、E2b、E4b、R4b)对称分布，例如，正电极R3t和正电极R4t两个极性相同的电极沿Y轴对称，正电极E3t与正电极E4t对称；而X轴两侧的电极相对设置，每一个电极于X轴另一侧的相对位置都设有一个与其极性相反的电极，例如，正电极R1t与负电极R1b相对设置。

具体地，如图6所示，在上述情形(4)、(5)、(7)中，即使存在检测板弯曲和/或同时存在Rx和Ry倾斜，即电容随着间距的变化是非线性的情况下，S1或S2两侧的电极与可动结构之间的间距变化可以相互抵消，因此，可以有效地降低Z轴的零点漂移。

本发明实施例中提供了上述三种结构(现有的基本结构A、第一优化结构B、第二优化结构C)的零漂值分析数据，假设可动结构和检测板的间距是2.5um，电容式加速度计的灵敏度是20nm/gee(1gee表示一个重力加速度)，且在第一检测区域所在位置产生结构倾斜，检测板1产生弯曲，R(x)＝0.1um，R(y)＝0.1,Curv(x,y)＝1um。针对上述七种情形分别进行了理论分析，表1所示为针对上述三种结构得到的零点漂移的相对值。

具体地，情形(1)用于表示在Rx倾斜的情况下三种结构的零点漂移的相对值；情形(2)用于表示在Ry倾斜的情况下三种结构的零点漂移的相对值；情形(3)用于表示在检测板弯曲的情况下三种结构的零点漂移的相对值；情形(4)用于表示在Rx和Ry同时存在的情况下三种结构的零点漂移的相对值；情形(5)用于表示在检测板弯曲和Rx存在的情况下三种结构的零点漂移的相对值；情形(6)用于表示在检测板弯曲和Ry存在的情况下三种结构的零点漂移的相对值；情形(7)用于表示在检测板弯曲且Rx、Ry同时存在的情况下三种结构的零点漂移的相对值。

表1

具体地，从上述分析得到的结论是：即使电容与间距的变化是线性的，基本结构A也会产生很大的零点漂移；第一优化结构B在电容与间距的变化呈非线性的情况下产生零点漂移；第二优化结构C可以有效地降低电容与间距变化呈非线性的情况下导致的零点漂移问题，从表1的数据来看，第二优化结构C的零点漂移要明显低于A和B；第一种优化B相比与基本结构A，大概降低Z轴零漂3～4倍；第二优化结构C相比与第一种优化结构B，可使得Z轴零点漂移再降低10～20倍。

本发明技术方案的有益效果在于：通过优化电容式加速度计的可动结构以及检测板上电极的分布，有效地降低了因支撑基座的应力和检测板的翘曲产生的零点漂移，从而提升了电容式加速度计的检测精度。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种微机电系统的电容式加速度计，包括一检测板、一支撑基座以及一可动结构，所述可动结构可旋转的连接于所述支撑基座上；其特征在于，所述支撑基座设置于所述检测板的第一中轴线和第二中轴线的交点；所述电容式加速计还包括：

2.根据权利要求1所述的电容式加速度计，其特征在于，所述检测板包括由所述第一中轴线和所述第二中轴线划分出的四个检测区域，每个所述检测区域包括至少一对所述电极。

3.根据权利要求2所述的电容式加速度计，其特征在于，一对所述电极包括一正电极和一负电极。

4.根据权利要求2所述的电容式加速度计，其特征在于，每个所述检测区域内的多个所述电极交替设置，且每个所述电极与相邻的所述电极的极性相反。

5.根据权利要求1所述的电容式加速度计，其特征在于，以所述第一中轴线为对称轴相对设置的两个所述电极之间的极性相反。

6.根据权利要求1所述的电容式加速度计，其特征在于，以所述第二中轴线为对称轴对称设置的两个所述电极之间的极性相同。

7.根据权利要求1所述的电容式加速度计，其特征在于，多个所述电极的尺寸相同。