CN114354976A - 一种降低边缘效应的mems加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种降低边缘效应的MEMS加速度计，包括：固定框架，所述固定框架上设有左质量块和右质量块，所述左质量块上连接左可动梳齿，所述左质量块中部设有左固定锚点，所述左固定锚点上设有左固定梳齿，所述左可动梳齿和左固定梳齿底端均设有底部圆弧槽，所述左可动梳齿和左固定梳齿端部设有梳齿端部圆弧，所述左可动梳齿和左固定梳齿形成配合，所述左质量块和右质量块结构相同，所述左质量块和右质量块中间设有缓冲装置；本发明通过底部圆弧槽和梳齿端部圆弧的设计明显地降低了梳齿之间平板电容的边缘效应，并减弱了加速度计结构应力集中问题，有效地提升了加速度计的可靠性，提高了结构的抗高过载性能和使用寿命。

Description

一种降低边缘效应的MEMS加速度计

技术领域

本发明涉及惯性传感器技术领域，具体涉及一种降低边缘效应的MEMS加速度计。

背景技术

随着MEMS技术的发展，惯性传感器成为应用最广泛的微机电系统器件之一，而微加速度计就是惯性传感器的杰出代表。它涉及电子、机械、材料、物理学、化学等多种学科与技术，具有广阔的应用前景。电容式微加速度计因具有高精度、低温度敏感系数、低功耗、宽动态范围和微机械结构等优点而成为当前国内外的热点。

电容式微加速度计在进行加速度测量时，是通过检测电容的变化来进行加速度检测的，质量块上的活动电极与固定电极组成平板电容器，为消除共模噪声的影响，一般采用差动电容结构。当没有外界加速度作用时，质量块处于静止平衡状态，差动电容量相等，输出电压为零；当受到外界加速度作用时，在惯性力的作用下，活动极板产生位移运动，活动梳齿与固定极板间的间距发生变化，差动电容发生改变，通过检测差动电容的变化从而得到加速度的大小。

在MEMS加速度计器件领域，通常情况下，为了实现外界加速度信号的检测，该领域的加速度计结构上会设计数量众多的平行极板梳齿对，通过该梳齿对将外界加速度信号转换为可检测的电容信号，通过接口电路再将电容信号转换为电压信号，从而实现对外界加速度信号的检测。但此类平行极板梳齿结构通常会存在以下缺陷，该类平行极板梳齿在加速度计结构中并非无限大，因而使得极板梳齿中部的电场分布均匀，电荷在该极板梳齿中部位置上均匀排布，但越接近极板梳齿边缘，由于梳齿边缘尺寸的限制，电场分布越将不均，产生较大边缘效应，使加速度计产生明显的非线性，降低器件的精度，从而影响器件的工作性能，此外MEMS加速度计结构中的极板梳齿对成百上千，这使得该缺陷更加明显。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种降低边缘效应的MEMS加速度计,通过对固定梳齿和可动梳齿设计底部圆弧槽与梳齿端部圆弧解决了因加速度计电场分布不均和电荷集中分布在梳齿尖端和边缘，产生强边缘效应的问题，提高加速计的精度和灵敏度，抑制了共模噪声，提升信噪比。

本发明采用下述的技术方案：

一种降低边缘效应的MEMS加速度计方法，包括固定框架，所述固定框架上设有左质量块和右质量块，所述左质量块上连接左可动梳齿，所述左质量块中部设有左固定锚点，所述左固定锚点上设有左固定梳齿，所述左可动梳齿和左固定梳齿底端均设有底部圆弧槽，所述左可动梳齿和左固定梳齿端部设有梳齿端部圆弧，所述左可动梳齿和左固定梳齿形成配合，所述左质量块和右质量块结构相同；所述底部圆弧槽与梳齿端部圆弧间距与可动梳齿与固定梳齿间距相等，消除了动定梳齿上的极板边缘和尖角，使得梳齿上的电荷排布均匀，大大降低了梳齿的边缘效应，从而提高了器件的线性度，提升了器件的精度，保证了器件的工作性能。

进一步的，所述左质量块和右质量块中间设有缓冲装置；在装置使用过程中受应力作用下，进行缓冲。

进一步的，所述缓冲装置包括中间锚点，所述中间锚点左右两端分别设有多个止挡块；所述止挡块起到机械支撑的作用。

进一步的，所述中间锚点通过左右两个U形梁分别连接左质量块和右质量块，所述U形梁包围止挡块；U形梁起弹性梁的作用，跟左质量块和右质量块相连，确保左质量块和右质量块可以移动。

进一步的，所述止挡块上设有硅凝胶；硅凝胶在-65℃至+200℃均可保持长期弹性，保证了在使用时，该应力缓冲层不会失效，避免器件损坏及失效，以此实现结构的抗高过载性能。

进一步的，所述左质量块左端和右质量块右端分别设有双端固支梁，所述双端固支梁连接处分别设有止挡块，所述止挡块上设有硅凝胶；对左质量块左端和右质量块右端设置的缓冲和防撞设计。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过在梳齿端部设有圆弧结构，底部设有圆弧槽，使得每一对动定检测梳齿上的电荷均匀排布，消除了梳齿极板间的电场分布不均，由此降低了动定梳齿的边缘效应，从而明显增强了MEMS加速度计的线性度，提升了器件的精度，保证了器件的工作性能；

2、本发明通过独特的双质量块设计，对加速度信号进行左右差分式检测，提高了器件灵敏度，抑制了器件的共模噪声，提升了器件的信噪比；

3、本发明通过在加速度计结构上设计一系列的止挡块，并且在止挡块上设置一层硅凝胶，在高过载情况下，可利用该层硅凝胶进行应力缓冲，从而避免质量块与弹性梁发生刚性碰撞，防止器件出现损坏及失效的问题，提高了加速度计的可靠性；

4、本发明的加速度计梳齿底部圆弧槽与梳齿端部圆弧减弱了加速度计结构应力集中问题，有效地提升了加速度计的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明缓冲装置示意图；

图3为本发明固定梳齿和可动梳齿配合示意图；

图4为本发明梳齿电场图；

图中：

1-固定框架、2-双端固支梁、3-左质量块、4-左可动梳齿、5-左固定梳齿、6-左固定锚点、7-U形梁、8-右质量块、9-缓冲装置、10-底部圆弧槽、11-梳齿端部圆弧、12-中间锚点、13-硅凝胶、14-止挡块。

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做出创造性劳动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。

如图1至图4所示，本发明提供一种技术方案：一种降低边缘效应的MEMS加速度计，包括固定框架1，所述固定框架1上设有左质量块3和右质量块8，所述左质量块3左端和右质量块8右端分别设有双端固支梁2，所述双端固支梁2连接处分别设有止挡块14，所述止挡块14上设有硅凝胶13，通过双端固支梁2让左质量块3和右质量块8悬挂在固定框架1上，同时可以进行小幅度的缓冲，通过硅凝胶13保持弹性。

所述左质量块3上连接左可动梳齿4，所述左质量块3中部设有左固定锚点6，所述左固定锚点6上设有左固定梳齿5，所述左可动梳齿4和左固定梳齿5底端均设有底部圆弧槽10，所述左可动梳齿4和左固定梳齿5端部设有梳齿端部圆弧11，所述左可动梳齿4和左固定梳齿5形成配合，底部圆弧槽10与梳齿端部圆弧11间距与可动梳齿与固定梳齿间距相等，用于消除动定梳齿上的极板边缘和尖角，使得梳齿上的电荷排布均匀，降低梳齿的边缘效应，所述左质量块3和右质量块8结构相同。

所述左质量块3和右质量块8中间设有缓冲装置9，所述缓冲装置包括中间锚点12，所述中间锚点12左右两端分别设有多个止挡块14，所述止挡块14上设有硅凝胶13，所述中间锚点12通过左右两个U形梁7分别连接左质量块3和右质量块8，所述U形梁7包围止挡块14，止挡块14起到机械支撑的作用，硅凝胶13进行应力缓冲，硅凝胶13在-65℃至+200℃均可保持长期弹性，保证了工作情况下，该应力缓冲层不会失效，使用性能稳定。

底部圆弧槽10与梳齿端部圆弧11提高了器件的线性度，提升了器件的精度，保证了器件的工作性能，同时减弱了加速度计结构应力集中问题，有效地提升了加速度计的可靠性。

当使用MEMS加速度计时，MEMS加速度计的左质量块3和右质量块8带动可动梳齿产生位移的改变，MEMS加速度计受到水平方向上的大载荷冲击，通过缓冲装置9中的硅凝胶13进行缓冲；当MEMS加速度计受到外力的作用时，也可能在竖直方向受到冲击，也会导致左质量块3和右质量块8产生位移，U形梁7和双端固支梁2对竖直方向进行缓冲和减震，让MEMS加速度计的可靠性提高，使用寿命增加，还提高了MEMS加速度计的精度。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种降低边缘效应的MEMS加速度计，其特征在于，包括：固定框架（1），所述固定框架（1）上设有左质量块（3）和右质量块（8），所述左质量块（3）上连接左可动梳齿（4），所述左质量块（3）中部设有左固定锚点（6），所述左固定锚点（6）上设有左固定梳齿（5），所述左可动梳齿（4）和左固定梳齿（5）底端均设有底部圆弧槽（10），所述左可动梳齿（4）和左固定梳齿（5）端部设有梳齿端部圆弧（11），所述左可动梳齿（4）和左固定梳齿（5）形成配合，所述左质量块（3）和右质量块（8）结构相同。

2.根据权利要求1所述的一种降低边缘效应的MEMS加速度计，其特征在于，所述左质量块（3）和右质量块（8）中间设有缓冲装置（9）。

3.根据权利要求2所述的一种降低边缘效应的MEMS加速度计，其特征在于，所述缓冲装置包括中间锚点（12），所述中间锚点（12）左右两端分别设有多个止挡块（14）。

4.根据权利要求3所述的一种降低边缘效应的MEMS加速度计，其特征在于，所述中间锚点（12）通过左右两个U形梁（7）分别连接左质量块（3）和右质量块（8），所述U形梁（7）包围止挡块（14）。

5.根据权利要求3所述的一种降低边缘效应的MEMS加速度计，其特征在于，所述止挡块（14）上设有硅凝胶（13）。

6.根据权利要求1所述的一种降低边缘效应的MEMS加速度计，其特征在于，所述左质量块（3）左端和右质量块（8）右端分别设有双端固支梁（2），所述双端固支梁（2）连接处分别设有止挡块（14），所述止挡块（14）上设有硅凝胶（13）。

Images