CN114034884A - 一种多差分电容式加速度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多差分电容式微机械加速度传感器。该加速度传感器包括上极板、上结构敏感单元、中间极板、下结构敏感单元和下极板；上极板和上结构敏感单元上表面组成电容C1的上下极板，上结构敏感单元下表面和中间极板上表面形成电容C2的上下极板，C1和C2作为其中一组差分电容检测加速度；中间极板下表面与下结构敏感单元上表面形成电容C3的上下极板，下结构敏感单元的下表面和下极板形成了电容C4的上下极板，C3和C4作为另一组差分电容检测加速度。本发明加速度传感器利用SOI设计多差分电容式结构，可大幅降低振动整流误差的影响，提高加速度检测的精度。
Description
技术领域
本发明涉及微机械传感器领域，特别涉及一种多差分电容式加速度传感器。
背景技术
电容式加速度传感器是一种力平衡式MEMS加速度传感器，在测量加速度时是通过检测差分电容的变化来进行加速度测量。电容式微机械加速度传感器具有体积小，功耗低等优点。振动环境下的高稳定性是MEMS加速度传感器应用于惯性技术、导航等高精度领域的重要条件之一。
当前电容式加速度传感器主要有三明治结构加速度传感器。对于三明治结构的加速度传感器，如专利号CN 108344881 B提出的闭环微加速度计，通过在极板上制作二氧化硅层加大极板间的介电常数，提升静电力从而加大量程。但实际上表芯结构因工艺误差导致并非理想对称结构，在振动环境下易产生振动整流误差，导致系统稳定性不高。专利号CN106501548 A提出的双差分结构的微加速度计，通过对加速度的差分检测，提高器件的温度稳定性，但由于该设计为开环结构，寄生电容对检测电容的影响较大，且在测量原理中存在非线性的问题。因此，当前急需研发出一种新的多差分电容式加速度传感器，以消除当前加速度传感器的振动整流误差，并有效解决测量中输出信号的非线性误差。
发明内容
有鉴于此，本发明目的是提供一种多差分电容式加速度传感器，解决了现有的开环和闭环全硅单差分电容式加速度传感器中非线性的问题，并消除了振动整流误差。本发明是通过下述技术方案所实现：
一种多差分电容式加速度传感器，该加速度传感器包括上极板、上结构敏感单元、中间极板、下结构敏感单元和下极板；
连接关系从上至下是：上极板与上结构敏感单元上表面连接，上结构敏感单元下表面与中间极板上表面连接，中间极板下表面与下结构敏感单元上表面连接，下结构敏感单元下表面与下极板连接；
上极板和上结构敏感单元上表面组成电容Cl的上下极板，上结构敏感单元下表面和中间极板上表面形成电容C2的上下极板，Cl和C2作为其中一组差分电容检测加速度；中间极板下表面与下结构敏感单元上表面形成电容C3的上下极板，下结构敏感单元的下表面和下极板形成了电容C4的上下极板，C3和C4作为另一组差分电容检测加速度。
进一步，所述上结构敏感单元与下结构敏感单元结构相同。
进一步，上结构敏感单元由上结构悬臂梁和上结构敏感质量块组成；下结构敏感单元由下层悬臂梁和下结构敏感质量块组成。
进一步，所述上结构悬臂梁与下结构悬臂梁结构相同；上结构敏感质量块和下结构敏感质量块结构相同，质量相同，质量均为m。
进一步，上结构敏感质量块一端与上结构悬臂梁相连，共同组成上结构敏感单元的可动部分；下结构敏感质量块一端与下结构悬臂梁相连，共同组成下结构敏感单元的可动部分。
进一步，所述上结构敏感单元、下结构敏感单元均由干法刻蚀结合湿法腐蚀制备。
进一步，上极板电容面、下极板电容面均由湿法腐蚀氧化硅形成。
进一步，所述多差分电容式微机械加速度传感器的加速度满足以下关系式：
式中Vf1为上结构敏感单元的闭环反馈电压，Vf2为下结构敏感单元的闭环反馈电压，m为上结构敏感质量块或下结构敏感质量块的质量，d为上极板与中间极板间距的1/2，ε为介质中的介电常数，w为上结构敏感质量块宽度或下结构敏感质量块宽度，l为上结构悬臂梁或下结构悬臂梁的长度，Vp为上极板预载电压或下极板预载电压。
本发明的多差分电容式加速度传感器工作原理是：外界加速度输入时，两块敏感单元质量块分别对上结构悬臂梁与下结构悬臂梁产生惯性力，质量块发生位移进而改变质量块表面与极板之间的距离，敏感电容间距发生变化，导致C1，C2，C3，C4的电容大小产生差异。利用闭环电路控制敏感单元的位移，使其位移较小，最终使得C1＝C2，C3＝C4。最终通过敏感单元的闭环反馈电压来计算待测的加速度值。
本发明加速度传感器利用SOI设计多差分电容式结构，可大幅降低振动整流误差的影响，提高加速度检测的精度。本发明的特征在于上下极板、中间极板和两个敏感单元，其中敏感单元包括质量块和梁厚相同的悬臂梁。本发明目的在于解决现有电容式加速度传感器在振动条件下的振动整流误差问题，实现结构简单可靠、高精度的加速度传感器。
附图说明
图1为本发明多差分电容式加速度传感器三维结构示意图；
图2为本发明多差分电容式加速度传感器剖面侧视图；
图中，1.上极板，2.上结构敏感单元，3.中间极板，4.下结构敏感单元，5.下极板，6.上结构悬臂梁，7.下结构悬臂梁，8.上结构敏感单元质量块，9.下结构敏感质量块；
a.上极板氧化层，b.上键合层，c.下键合层，d.下极板氧化层。
具体实施方式
结合附图对本发明作进一步描述。
图1是本发明多差分电容式加速度传感器三维结构分解示意图，图2为本发明多差分电容式加速度传感器剖面侧视图。
一种多差分电容式加速度传感器，如图1，2所示，该加速度传感器包括上极板1、上结构敏感单元2、中间极板3、下结构敏感单元4和下极板5；
连接关系从上至下是：上极板1与上结构敏感单元2上表面连接，上结构敏感单元2下表面与中间极板3上表面连接，中间极板3下表面与下结构敏感单元4上表面连接，下结构敏感单元4下表面与下极板5连接。具体地，上极板1和上结构敏感单元2之间由上极板氧化层a连接，下极板5和下结构敏感单元4之间由下极板氧化层d连接，上结构敏感单元2与中间极板3之间通过键合b连接，下结构敏感单元4与中间极板3之间通过键合c连接。
上极板1与上结构敏感单元2为SOI结构，SOI结构中存在氧化层a；下结构敏感单元4及下极板5为SOI结构，SOI结构中存在氧化层d；上极板1和上结构敏感单元2上表面组成电容C1的上下极板，上结构敏感单元2下表面和中间极板3上表面形成电容C2的上下极板，C1和C2作为其中一组差分电容检测加速度；上结构敏感单元由干法刻蚀结合湿法腐蚀制备，上极板电容面由湿法腐蚀氧化硅形成。中间极板3下表面与下结构敏感单元4上表面形成电容C3的上下极板，下结构敏感单元4的下表面和下极板5形成了电容C4的上下极板，C3和C4作为另一组差分电容检测加速度；下结构敏感单元由干法刻蚀结合湿法腐蚀制备和上结构敏感单元结构相同，下极板电容面由湿法腐蚀氧化硅形成。
进一步，上结构敏感单元2由上结构悬臂梁6和上结构敏感质量块8组成；下结构敏感单元4由下层悬臂梁7和下结构敏感质量块9组成，材料均为单晶硅。
进一步，其中上结构悬臂梁6与下结构悬臂梁7结构完全相同；上结构敏感质量块8和下结构敏感质量块9结构相同，质量相同。
进一步，上结构敏感质量块8一端与上结构悬臂梁6相连，共同组成上结构敏感单元2的可动部分；下结构敏感质量块9一端与下结构悬臂梁7相连，共同组成下结构敏感单元4的可动部分。
下面对本发明多差分电容式加速度传感器与传统三明治结构加速度计进行对比说明。对于本发明多差分电容式加速度传感器，当外界输入加速度时，上结构敏感质量块和下结构敏感质量块在垂直于质量块表面方向上产生惯性力，质量块产生与外界加速度方向相反的位移，导致电容间隙发生变化，使两组差分电容Cl与C2，C3与C4大小发生变化。通过闭环电路，适当调整电极电压Vf1和Vf2，使得静电力与惯性力平衡，敏感单元质量块回到其初始平衡位置。
振幅为A的条件下，振动整流误差可以表示为：
式中a为输入加速度，K2和K3为二阶和三阶非线性系数。
假设质量块初始位置与几何对称中心发生偏移量Δd，忽略高阶小量，并且上下敏感单元悬臂梁由同批次工艺加工制作，故偏移量近似相等，可知加速度与闭环反馈电压的关系为：
式中Vf1为上结构敏感单元的闭环反馈电压，Vf2为下结构敏感单元的闭环反馈电压，m为上结构敏感质量块或下结构敏感质量块的质量，d为上极板与中间极板间距的l/2，ε为介质中的介电常数，w为上结构敏感质量块宽度或下结构敏感质量块宽度，l为上结构悬臂梁或下结构悬臂梁的长度，Vp为上极板预载电压或下极板预载电压。
由式(1)可知，在本发明中，加速度与悬臂梁的偏移量无关，即消除了质量块初始位置与几何对称中心偏移量Δd的影响，实现了消除由于工艺缺陷所导致的闭环MEMS加速度计非线性和振动整流误差。
然而，对于传统闭环三明治结构加速度计，实际应用中，由于反馈电压Vf与外界输入加速度a不满足线性关系，非线性项主要来源于工艺缺陷导致中间极板几何中心位置发生的偏移量Δd。由闭环平衡稳态下的力矩平衡方程可知，其中加速度a与反馈电压Vf的关系为：
式中k为质量块的扭转刚度，可知在传统一般的闭环三明治结构中，输出电压Vf与加速度a不满足线性关系，工艺缺陷将引入非线性项，导致加速度a发生漂移。
结合式(2)和式(3)可知，可知本发明的多差分电容式加速度传感器通过结构设计，消除了工艺误差导致的偏移量Δd所造成的影响。通过设计差分闭环MEMS加速度计消除了三明治结构加速度计的振动整流误差。
本发明的多差分电容式加速度传感器优点在于：
1.本发明的多差分电容结构，可降低工艺导致敏感结构不对称性所带来的振动整流误差等问题。
2.本发明的多差分电容结构设计，可克服开环系统的非线性缺陷，实现高线性度，解决在振动环境下的输出漂移问题。
上述实施例中，各个结构的大小、悬臂梁的厚度和悬臂梁的位置等结构可以根据实际测试量程、精度设计的需要进行调整。
Claims (8)
1.一种多差分电容式加速度传感器，其特征在于：该加速度传感器包括上极板(1)、上结构敏感单元(2)、中间极板(3)、下结构敏感单元(4)和下极板(5)；连接关系从上至下是：上极板(1)与上结构敏感单元(2)上表面连接，上结构敏感单元(2)下表面与中间极板(3)上表面连接，中间极板(3)下表面与下结构敏感单元(4)上表面连接，下结构敏感单元(4)下表面与下极板(5)连接；
上极板(1)和上结构敏感单元(2)上表面组成电容C1的上下极板，上结构敏感单元(2)下表面和中间极板(3)上表面形成电容C2的上下极板，C1和C2作为其中一组差分电容检测加速度；中间极板(3)下表面与下结构敏感单元(4)上表面形成电容C3的上下极板，下结构敏感单元(4)的下表面和下极板(5)形成了电容C4的上下极板，C3和C4作为另一组差分电容检测加速度。
2.根据权利要求1所述的多差分电容式微机械加速度传感器，其特征在于：所述上结构敏感单元(2)与下结构敏感单元(4)结构相同。
3.根据权利要求1或2所述的多差分电容式微机械加速度传感器，其特征在于：上结构敏感单元(2)由上结构悬臂梁(6)和上结构敏感质量块(8)组成；下结构敏感单元(4)由下结构悬臂梁(7)和下结构敏感质量块(9)组成。
4.根据权利要求3所述的多差分电容式微机械加速度传感器，其特征在于：所述上结构悬臂梁(6)与下结构悬臂梁(7)结构相同；上结构敏感质量块(8)和下结构敏感质量块(9)结构相同。
5.根据权利要求3所述的多差分电容式微机械加速度传感器，其特征在于：上结构敏感质量块(8)一端与上结构悬臂梁(6)相连，共同组成上结构敏感单元(2)的可动部分；下结构敏感质量块(9)一端与下结构悬臂梁(7)相连，共同组成下结构敏感单元(4)的可动部分。
6.根据权利要求1所述的多差分电容式微机械加速度传感器，其特征在于：所述上结构敏感单元(2)、下结构敏感单元(4)均由干法刻蚀结合湿法腐蚀制备。
7.根据权利要求1所述的多差分电容式微机械加速度传感器，其特征在于：上极板(1)电容面、下极板(5)电容面均由湿法腐蚀氧化硅形成。
8.根据权利要求1所述的多差分电容式微机械加速度传感器，其特征在于：所述多差分电容式微机械加速度传感器的加速度满足以下关系式：
式中Vf1为上结构敏感单元的闭环反馈电压，Vf2为下结构敏感单元的闭环反馈电压，m为上结构敏感质量块或下结构敏感质量块的质量，d为上极板与中间极板间距的1/2，ε为介质中的介电常数，w为上结构敏感质量块宽度或下结构敏感质量块宽度，l为上结构悬臂梁或下结构悬臂梁的长度，Vp为上极板预载电压或下极板预载电压。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20220211 |