CN112834783B

CN112834783B - 微机械检测结构及mems惯性测量器件

Info

Publication number: CN112834783B
Application number: CN202011634859.XA
Authority: CN
Inventors: 张志勇; 杨拥军; 罗蓉
Original assignee: CETC 13 Research Institute
Current assignee: CETC 13 Research Institute
Priority date: 2020-12-31
Filing date: 2020-12-31
Publication date: 2022-09-13
Anticipated expiration: 2040-12-31
Also published as: CN112834783A

Abstract

本发明提供了一种微机械检测结构及MEMS惯性测量器件，属于MEMS器件技术领域，包括中央锚点、连接梁、振动质量、固定电极和活动电极，中央锚点用于固设在衬底上，连接梁一端固连中央锚点，另一端向中央锚点的外侧伸出，振动质量呈框形结构并位于中央锚点的外围，振动质量通过弹性元件连接上述连接梁的伸出端，弹性元件的预期变形方向与敏感轴平行，固定电极用于固设在衬底上，活动电极固定连接在振动质量上，活动电极与固定电极相邻设置并与固定电极组成电容单元，活动电极随振动质量移动，从而改变与固定电极的距离。本发明提供的微机械检测结构及MEMS惯性测量器件，能够极大的改善、降低现有单轴MEMS惯性测量器件存在交叉加速度误差的技术问题。

Description

微机械检测结构及MEMS惯性测量器件

技术领域

本发明属于MEMS器件技术领域，更具体地说，是涉及一种微机械检测结构及MEMS惯性测量器件。

背景技术

MEMS即Micro-Electro-Mechanical System微机电系统，其是一门以微电子、微机械及材料科学为基础，研究、设计和制造具有特定功能的微型装置的一门科学。MEMS器件具有体积小、质量轻、可靠性高等一系列优点，而且因为其加工工艺一定程度上与传统的集成电路工艺兼容，易于实现批量生产，因此得以被广泛生产、应用。

MEMS电容式加速度传感器包括微机械检测结构和信号调理电路。微机械检测结构包括振动质量和检测电极，当有加速度输入时，振动质量受迫运动，导致检测电极间的电容发生改变，电容信号经调理电路处理后得到可用的加速度信号。对于单轴加速度传感器而言，其目的是检测敏感轴轴向的加速度，敏感轴正交方向上的加速度理论上不引起加速度传感器输出。但是由于检测结构形式和结构参数的原因，敏感轴正交方向上的加速度也会引起加速度输出，产生交叉加速度误差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微机械检测结构及MEMS惯性测量器件，旨在极大的改善、降低现有单轴MEMS惯性测量器件存在交叉加速度误差的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种微机械检测结构，包括中央锚点、连接梁、振动质量、固定电极和活动电极；

所述中央锚点用于固设在衬底上；

所述连接梁一端固连所述中央锚点，另一端向所述中央锚点的外侧伸出；

所述振动质量呈框形结构并位于所述中央锚点的外围，所述振动质量通过弹性元件连接所述连接梁的伸出端，所述弹性元件的预期变形方向与敏感轴平行；

所述固定电极用于固设在所述衬底上；

所述活动电极固定连接在所述振动质量上，所述活动电极与所述固定电极相邻设置并与所述固定电极组成电容单元，所述活动电极随所述振动质量移动，从而改变与所述固定电极的距离。

进一步地，所述连接梁的数量为四个并构成十字形结构，四个所述连接梁分别为两个平行于敏感轴的第一连接梁和两个垂直于敏感轴的第二连接梁。

进一步地，所述第一连接梁与所述振动质量之间设有两个所述弹性元件且分别为第一弹性元件和第二弹性元件，所述第一弹性元件和第二弹性元件的预期变形方向平行于所述第一连接梁。

进一步地，所述第一弹性元件和第二弹性元件均连接所述第一连接梁的伸出端，并且分设在所述第一连接梁的两侧。

进一步地，所述第二连接梁与所述振动质量之间设有一个所述弹性元件且为第三弹性元件，所述第三弹性元件的预期变形方向垂直于所述第二连接梁。

进一步地，所述第三弹性元件连接所述第二连接梁的伸出端，并且所述第三弹性元件与所述第二连接梁同向延伸。

进一步地，所述活动电极位于所述振动质量围成的区域内且数量为多个，所述活动电极为长条形且垂直于敏感轴。

进一步地，所述弹性元件包括U型梁，所述U型梁包括相互垂直的长边和短边，所述长边垂直于敏感轴。

进一步地，所述振动质量为方框型结构，所述振动质量的四个外侧边沿均设有止挡结构，所述止挡结构用于固设在所述衬底上。

本发明还提供了MEMS惯性测量器件，所述MEMS惯性测量器件包括上述的微机械检测结构。

本发明提供的微机械检测结构，与现有技术相比，中央锚点位于振动质量的中心位置，振动质量通过连接梁连接中央锚点，当微机械检测结构受到干扰模态影响时，即微机械检测结构发生转动时，因为连接梁的刚度很大，振动质量的转动中心位于其与连接梁的连接位置，即连接梁的伸出端；而连接梁的伸出端远离中央锚点，相比于现有技术振动质量绕自身中心转动的方式，大大减小了转动半径；根据质点转动惯量公式J＝mr²，其中J表示转动惯量，m表示质量，r表示转动半径，结合微积分思想，将上述公式由质点拓展至一般物体，可以推断，当振动质量的转动半径减小时，其转动惯量将减小；根据物体固有频率公式

其中ω表示固有频率，k表示扭转刚度，J表示转动惯量，当振动质量的转动惯量减小时，其固有频率将提高，即振动质量的干扰模态频率得到了提高，远高于敏感轴的工作模态频率，从而提高了微机械检测结构的抗干扰能力，减小干扰输入，极大的降低交叉加速度误差。另外，本发明提供的微机械检测结构，结构拓扑采用单锚点“中央悬挂”形式，锚点位于结构中心，能够极大的减小现有的双锚点和多锚点形式带来的应力失配问题，减小结构整体的残余应力，改善由于温度变化引起的热漂移，从而减小交叉加速度误差。

本发明提供的MEMS惯性测量器件，相比现有技术，采用了上述的微机械检测结构，因此交叉加速度误差较小，提高了器件的测量精度和整体性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的微机械检测结构的结构示意图；

图2为图1中A区域的放大视图；

图3为本发明实施例提供的微机械检测结构中第二弹性元件处的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的微机械检测结构中第三弹性元件处的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的微机械检测结构中止挡结构处的放大视图。

图中：1、中央锚点；2、振动质量；3、固定电极；4、活动电极；5、衬底；61、第一连接梁；62、第二连接梁；71、第一弹性元件；72、第二弹性元件；73、第三弹性元件；74、长边；75、短边；8、止挡结构。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请一并参阅图1及图2，现对本发明提供的微机械检测结构进行说明。微机械检测结构，包括中央锚点1、连接梁、振动质量2、固定电极3和活动电极4，中央锚点1用于固设在衬底5上，连接梁一端固连中央锚点1，另一端向中央锚点1的外侧伸出；振动质量2呈框形结构并位于中央锚点1的外围，振动质量2通过弹性元件连接连接梁的伸出端，弹性元件的预期变形方向与敏感轴平行；固定电极3用于固设在衬底5上；活动电极4固定连接在振动质量2上，活动电极4与固定电极3相邻设置并与固定电极3组成电容单元，活动电极4随振动质量2移动，从而改变与固定电极3的距离。

需要说明的是，图1至图5中的填充符号只用于区分各个组成部分，使示意图更加清楚、明了，除此之外没有其他含义。图1至图4中，X轴为敏感轴方向，Y和Z为敏感轴正交方向，其中Z为垂直纸面方向。弹性元件的预期变形方向一般通过结构设计实现，在该方向上，弹性元件容易变形，刚度较小，在其它方向上，弹性元件不容易变形，刚度较大。

本发明提供的微机械检测结构，与现有技术相比，中央锚点1位于振动质量2的中心位置，振动质量2通过连接梁连接中央锚点1，当微机械检测结构受到扭转干扰模态影响，即微机械检测结构发生转动时，因为连接梁的刚度很大，振动质量2的转动中心位于其与连接梁的连接位置，即连接梁的伸出端；而连接梁的伸出端远离中央锚点1，相比于现有技术振动质量2绕自身中心转动的方式，大大减小了转动半径；根据质点转动惯量公式J＝mr²，其中J表示转动惯量，m表示质量，r表示转动半径，结合微积分思想，将上述公式由质点拓展至一般物体，可以推断，当振动质量2的转动半径减小时，其转动惯量将减小；根据物体固有频率公式

其中ω表示固有频率，k表示扭转刚度，J表示转动惯量，当振动质量2的转动惯量减小时，其固有频率将提高，即振动质量2的干扰模态频率得到了提高，远高于敏感轴的工作模态频率，从而提高了微机械检测结构的抗干扰能力，减小干扰输入，极大的降低交叉加速度误差。另外，本发明提供的微机械检测结构，结构拓扑采用单锚点“中央悬挂”形式，锚点位于结构中心，能够极大的减小现有的双锚点和多锚点形式带来的应力失配问题，减小结构整体的残余应力，改善由于温度变化引起的热漂移，从而减小交叉加速度误差。

本发明提供的微机械检测结构的工作原理为：中中央锚点1、连接梁和固定电极3固定在衬底5上，振动质量2连同活动电极4通过弹性元件“悬挂”在连接梁的伸出端；振动质量2在外加载荷作用下受迫运动时，带动活动电极4移动，活动电极4与固定电极3之间的距离改变，导致极板间电容发生变化，通过调理电路的检测和处理，得到最终有用的加速度信号。微机械检测结构通常尺寸在微米级，其敏感结构厚度一般为几十微米，MEMS电容式加速度传感器是最典型的应用之一。

MEMS电容式加速度传感器用的材料较多，根据功能可分为衬底材料、掩膜材料和牺牲层材料等，具体可从单晶硅、二氧化硅、碳化硅、氮化硅和多晶硅等材料中选用。MEMS电容式加速度传感器的制造工艺可供选用的有表面工艺、体硅工艺、LIGA工艺和SOI+DRIE工艺等。

作为本发明提供的微机械检测结构的一种具体实施方式，请参阅图1和图2，连接梁的数量为四个并构成十字形结构，四个连接梁分别为两个平行于敏感轴的第一连接梁61和两个垂直于敏感轴的第二连接梁62。

四个连接梁，每个连接梁的伸出端均可以为振动质量2提供一个刚性连接点，使振动质量2可以通过多个弹性元件连接衬底5，实现稳定可靠的“悬挂”，同时还能够通过合理设置弹性元件的分布方式，优化振动质量2的悬挂结构，提高敏感轴方向的灵敏度，钝化敏感轴正交方向的灵敏度，达到降低、减小交叉加速度误差的目的。具体的，两个第一连接梁61关于中央锚点1对称布置，两个第二连接梁62关于中央锚点1对称布置。

作为本发明提供的微机械检测结构的一种具体实施方式，请参阅图1，第一连接梁61与振动质量2之间设有两个弹性元件且分别为第一弹性元件71和第二弹性元件72，第一弹性元件71和第二弹性元件72的预期变形方向平行于第一连接梁61。每个第一连接梁61的伸出端均设有第一弹性元件71和第二弹性元件72，第一弹性元件71和第二弹性元件72的数量均为两个。

第一弹性元件71和第二弹性元件72的预期变形方向平行于第一连接梁61，第一连接梁61平行于敏感轴，因此第一弹性元件71和第二弹性元件72的预期变形方向与敏感轴平行，它们可以灵敏的感知敏感轴方向的加速度，同时降低对非检测轴向加速度输入的敏感性，降低交叉加速度误差。具体的，第一弹性元件71和第二弹性元件72连接第一连接梁61的位置不限，它们一般对称分布在第一连接梁61的两侧；第一弹性元件71和第二弹性元件72的结构相同。

作为本发明提供的微机械检测结构的一种具体实施方式，请参阅图1，第一弹性元件71和第二弹性元件72均连接第一连接梁61的伸出端，并且分设在第一连接梁61的两侧。

第一弹性元件71和第二弹性元件72均一端连接第一连接梁61，另一端连接振动质量2的内侧边沿。第一连接梁61的伸出端远离中央锚点1，两个第一连接梁61对称设置，它们的伸出端相距较远，使振动质量2与弹性元件的连接点在较大范围内均匀分布，有利于优化弹性元件对振动质量2的约束效果，使其在敏感轴灵活移动，在非敏感轴向的移动得到抑制。

作为本发明提供的微机械检测结构的一种具体实施方式，请参阅图1和图2，第二连接梁62与振动质量2之间设有一个弹性元件且为第三弹性元件73，第三弹性元件73的预期变形方向垂直于第二连接梁62。第二连接梁62与敏感轴垂直，第三弹性元件73的预期变形方向与敏感轴平行。每个第二连接梁62上均连接一个第三弹性元件73，第三弹性元件73的数量为两个。

作为本发明提供的微机械检测结构的一种具体实施方式，请参阅图1和图2，第三弹性元件73连接第二连接梁62的伸出端，并且第三弹性元件73与第二连接梁62同向延伸。第三弹性元件73的一端连接第二连接梁62的伸出端，另一端与振动质量2的框体相连。两个第二连接梁62和两个第三弹性元件73均对称设置。

作为本发明提供的微机械检测结构的一种具体实施方式，请参阅图2，活动电极4位于振动质量2围成的区域内且数量为多个，活动电极4为长条形且垂直于敏感轴。具体的，振动质量2围成的方形区域被十字形的连接梁划分为四块，每块区域均设有多个活动电极4和与之配套设置的固定电极3。

具体的，一个活动电极4与两个固定电极3配套使用，活动电极4位于两个固定电极3之间，构成两个差分电容。当敏感方向加速度为零时，活动电极4位于中间位置，两个差分电容的数值相等，当敏感方向有加速度输入时，振动质量2受迫运动，带动活动电极4移动，两个差分电容产生差值，通过该差值即可得出加速度的大小。差分测量方式可以提高信噪比，从而提高检测精度。

图1和图2中，位于活动电极4左侧的为第一固定电极，它们均布置在衬底5上并实现互联，并且通过第一连接元件置于第一电势上；位于活动电极4右侧的为第二固定电极，它们也都布置在衬底5上实现互联，并且通过第二连接元件置于第二电势上。

作为本发明提供的微机械检测结构的一种具体实施方式，请参阅图3和图4，弹性元件包括U型梁，U型梁包括相互垂直的长边74和短边75，长边74垂直于敏感轴。

具体的，弹性元件还可以是其它形式，除了U型梁还可以是直梁、折叠梁或蟹腿梁等。图3和图4所示的弹性元件可以看作由多个U型梁复合而成的折叠梁结构。根据折叠梁刚度公式

其中k表示折叠梁的刚度，E表示弹性模量，h表示梁的厚度，w表示折叠梁敏感轴方向的宽度，l表示梁的长度，k与w的三次方成正比。而物体平动模态固有频率公式为

其中ω表示固有

频率，m表示质量，k表示刚度。从上面两个公式可以看出，通过调节折叠梁梁宽w可以很方便的调节折叠梁工作模态频率。而本发明中设计的折叠梁及其对称分布形式使得沿Y和Z向的平动刚度k_y和k_z很大，能够提高与Y和Z轴平行的非工作平动模态频率，减小交叉加速度误差。

具体的，如图1至图4所示，弹性元件均通过长边74的端部连接振动质量2和连接梁，可以最大程度的减小对弹性元件在X轴方向自由移动的影响，即减小对工作模态频率的影响；同时，长边74均与Y轴平行且垂直于振动质量2和连接梁的边沿，可以最大程度的抑制沿Y轴的移动，提高非工作模态频率，从而减小交叉加速度误差。

作为本发明提供的微机械检测结构的一种具体实施方式，请参阅图1，振动质量2为方框型结构，振动质量2的四个外侧边沿均设有止挡结构8，止挡结构8用于固设在衬底5上。多个止挡结构8，不仅布置在敏感方向，而且还布置在非敏感方向，相比现有的单个止挡结构，能够减轻结构在过载碰撞中的应力集中现象，减小结构的冲击损伤，同时也能够限制扭转位移，减小交叉加速度误差。

具体的，如图5所示止挡结构8的截面呈矩形，并且边沿设有凸起，这些凸起可以确保止挡结构8与振动质量2接触时不会由于静电粘附的问题导致检测结构失效。

本发明提供的微机械检测结构，如图1至图5所示，连接在中央锚点1上的四个十字形连接梁将方框型的振动质量2围成的方形区域分成了四个子区域，每个子区域设有多个活动电极4和固定电极3构成的差分电容；每个连接梁的伸出端均连接有弹性元件，四个连接梁共连接有六个弹性元件，这些弹性元件均布在振动质量2围成的方形区域内，一端固定连接连接梁，另一端固定连接振动质量2，使振动质量2按照一定的结构“悬挂”在中央锚点1上；弹性元件的预期变形方向与X轴方向平行，当有X轴方向的加速度输入时，振动质量2能够灵敏的带动活动电极4移动，实现加速度的测量。

而对于围绕X轴、Y轴和Z轴的干扰扭转模态，由于第一连接梁61和第二连接梁62改变了结构的绕转转动点，使得振动质量2绕第一连接梁61和第二连接梁62远离中央锚点1的端部转动，极大的减小了转动惯量，大幅提升了绕X轴的干扰扭转模态频率；同理，第一连接梁61和第二连接梁62能大幅提升绕Y轴的干扰扭转模态频率；在第一连接梁61和第二连接梁62的共同作用下，绕Z轴的转动模态频率同样也得到了大幅提升。

同时，弹性元件使用特定的折叠梁结构，通过控制折叠梁在X轴方向的宽度，可以方便的调节弹性元件沿X轴的平动工作模态频率。而本发明中设计的折叠梁及其对称分布形式使得沿Y和Z向的平动刚度k_y和k_z很大，能够提高与Y和Z轴平行的非工作平动模态频率，减小交叉加速度误差。综上，本发明提供的微机械检测结构，不仅能够方便的设置敏感轴X方向的工作模态频率，提高检测灵敏度，而且还能有效提高绕X轴、Y轴和Z轴的扭转干扰模态频率，和沿Y轴和Z轴的平动干扰模态频率，从而有效减小交叉加速度误差。

本发明还提供了MEMS惯性测量器件，该MEMS惯性测量器件包括上述的微机械检测结构，因此交叉加速度误差较小，测量精度较高。

MEMS惯性测量器件包括MEMS电容式加速度传感器，MEMS电容式加速度传感器在工业领域有着广泛应用，例如发动机、数控机床等。它具有电路结构简单、灵敏度高、输出稳定等优点，具有较高的实际应用价值。

MEMS电容式加速度传感器核心部分一般为三层结构，本发明提供的微机械检测结构为三层结构的中间层，上下层分别为盖板和衬底5；核心结构封装后加上外部电路，最后装上外壳即可形成可销售的产品。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.微机械检测结构，其特征在于，包括：

中央锚点，用于固设在衬底上；

连接梁，一端固连所述中央锚点，另一端向所述中央锚点的外侧伸出；

振动质量，呈框形结构并位于所述中央锚点的外围，所述振动质量通过弹性元件连接所述连接梁的伸出端，所述弹性元件的预期变形方向与敏感轴平行；

固定电极，用于固设在所述衬底上；以及

活动电极，固定连接在所述振动质量上，所述活动电极与所述固定电极相邻设置并与所述固定电极组成电容单元，所述活动电极随所述振动质量移动，从而改变与所述固定电极的距离；

所述连接梁的数量为四个并构成十字形结构，四个所述连接梁分别为两个平行于敏感轴的第一连接梁和两个垂直于敏感轴的第二连接梁，所述第一连接梁与所述振动质量之间设有两个所述弹性元件且分别为第一弹性元件和第二弹性元件，所述第一弹性元件和第二弹性元件的预期变形方向平行于所述第一连接梁，所述第一弹性元件和第二弹性元件均连接所述第一连接梁的伸出端，并且分设在所述第一连接梁的两侧。

2.如权利要求1所述的微机械检测结构，其特征在于，所述第二连接梁与所述振动质量之间设有一个所述弹性元件且为第三弹性元件，所述第三弹性元件的预期变形方向垂直于所述第二连接梁。

3.如权利要求2所述的微机械检测结构，其特征在于，所述第三弹性元件连接所述第二连接梁的伸出端，并且所述第三弹性元件与所述第二连接梁同向延伸。

4.如权利要求1所述的微机械检测结构，其特征在于，所述活动电极位于所述振动质量围成的区域内且数量为多个，所述活动电极为长条形且垂直于敏感轴。

5.如权利要求1所述的微机械检测结构，其特征在于，所述弹性元件包括U型梁，所述U型梁包括相互垂直的长边和短边，所述长边垂直于敏感轴。

6.如权利要求1所述的微机械检测结构，其特征在于，所述振动质量为方框型结构，所述振动质量的四个外侧边沿均设有止挡结构，所述止挡结构用于固设在所述衬底上。

7.MEMS惯性测量器件，其特征在于，包括权利要求1至6任一项所述的微机械检测结构。