CN117706115A - 具有补偿电容的电容式z轴加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种具有补偿电容的电容式Z轴加速度计，由衬底、绝缘层、走线层、锚点层和结构层构成，其中结构层设有固定质量块及成组的扭摆弹性梁和可动质量块，可动质量块非对称耦合于扭摆弹性梁并通过扭摆弹性梁与锚点层中所设一个锚点相接，固定质量块与锚点层中所设另一个锚点相接，走线层设有对应可动质量块的一组检测电容极板和对应固定质量块的一组补偿电容极板，两组信号极板设为单独的差分电容结构且对应输出信号同极性相挨近，在加速度输入下，可动质量块绕扭摆弹性梁扭转，固定质量块保持平稳。应用本发明的加速度计结构优化，大幅降低了温度变化或封装应力对加速度计输出的影响和成本，同时提升了器件的温度‑输出特性。

Description

具有补偿电容的电容式Z轴加速度计

技术领域

本发明涉及一种微型加速度计结构，尤其涉及一种具有补偿电容的电容式Z轴加速度计，属于半导体应用微结构领域。

背景技术

MEMS即微机电系统(Micro-electro Mechanical System)，是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的研究领域。MEMS电容式加速度计是利用外部加速度改变敏感质量的位移，进而转变为电容的变化量进行测量。加速度计可以检测来自三个轴的加速度。其中Z轴结构设计形式一般为扭摆式电容加速度计，其结构中的敏感质量块在扭摆弹性梁两边不对称分布，形成偏心转矩。当有外界加速度输入时，敏感质量块绕着梁摆动，并与下方检测电容极板形成差分电容，根据电容变化量的大小获得加速度的大小。

根据当前此类加速度计的工艺制造流程：MEMS芯片由下到上依次设为硅衬底层、氧化硅绝缘层、硅走线层、硅锚点层、硅结构层等。最终MEMS芯片通过粘胶等方式粘接于管壳内部完成封装。芯片整体由多层不同材料组成，由于各层材料热膨胀系数不同，当外界温度发生变化时，尤其芯片的硅衬底层会发生较明显的翘曲变形。对于Z轴电容式加速度计，硅衬底层的翘曲变形会导致绝缘层上方的检测电容极板发生翘曲变形。且两侧检测电容极板的翘曲变形通常都是不对称的，严重制约加速度计的温度稳定特性。除了温度变化以外，封装应力导致的翘曲变形也会对加速度计的性能产生很大影响。

为了减小温度变化和封装应力对加速度计芯片输出造成的影响，现有通常采用电路芯片算法进行补偿。其方法为：通过采集不同温度下的芯片输出，建立温度-输出关系曲线；再通过电路芯片算法实现对不同温度下的输出进行补偿。该方法需内置温度传感器，同时需要专门的电路芯片实现算法补偿，同时由于需要建立准确可靠的温度-输出关系曲线，需要采集大量的数据。由此可见，该补偿方案成本高、原理复杂且工作量较大。

发明内容

本发明的目的旨在提出一种具有补偿电容的电容式Z轴加速度计，以消除芯片附加外设并优化输入响应。

本发明实现上述目的的技术解决方案是，具有补偿电容的电容式Z轴加速度计，由衬底、绝缘层、走线层、锚点层和结构层构成，其特征在于：所述结构层设有固定质量块及成组的扭摆弹性梁和可动质量块，所述可动质量块非对称耦合于扭摆弹性梁并通过扭摆弹性梁与锚点层中所设一个锚点相接，所述固定质量块与锚点层中所设另一个锚点相接，所述走线层设有对应可动质量块的一组检测电容极板和对应固定质量块的一组补偿电容极板，两组信号极板设为单独的差分电容结构且对应输出信号同极性相挨近，在加速度输入下，可动质量块绕扭摆弹性梁扭转，固定质量块保持平稳。

上述具有补偿电容的电容式Z轴加速度计，进一步地，所述加速度计仅设有一组检测电容极板和一组补偿电容极板，所述检测电容极板相对其间所设的扭摆弹性梁对称设置，可动质量块覆盖并悬设于检测电容极板上且单侧偏重，所述补偿电容极板与检测电容极板为输出信号极性一致的并排设置，固定质量块覆盖并悬设于补偿电容极板上。

上述具有补偿电容的电容式Z轴加速度计，更进一步地，所述可动质量块和固定质量块两者的主体非接触式并排设置。

上述具有补偿电容的电容式Z轴加速度计，更进一步地，所述可动质量块非接触式包容固定质量块，两者的主体嵌套设置。

上述具有补偿电容的电容式Z轴加速度计，进一步地，所述加速度计仅设有一组检测电容极板和一组补偿电容极板，所述检测电容极板相对其间所设的扭摆弹性梁相隔一段距离对称设置，可动质量块覆盖并悬设于检测电容极板上且单侧偏重、中部留空，所述补偿电容极板在检测电容极板之间相对扭摆弹性梁对称设置，且对应输出信号同极性相挨近，固定质量块独立覆盖并悬设于补偿电容极板的每个信号极板上，整体嵌套于可动质量块之中。

上述具有补偿电容的电容式Z轴加速度计，进一步地，所述加速度计设有两组补偿电容极板和两组并排的检测电容极板，每组检测电容极板相对其间所设的扭摆弹性梁对称设置，并通过扭摆弹性梁耦合悬设有一个覆盖本组检测电容极板且单侧偏重的可动质量块，一组补偿电容极板在一组检测电容极板两侧相对扭摆弹性梁对称设置，且对应输出信号同极性相挨近；在检测电容极板的旁侧，固定质量块跨组覆盖并悬设于补偿电容极板的各一个信号极板上。

应用本发明的加速度计结构优化，具备突出的实质性特点和显著的进步性，其技术效果及优点表现为：结合MEMS工艺在靠近检测电容极板处引入补偿电容极板及固定质量块，在不使用电路芯片算法的情况下即可实现实时的电容补偿，大幅降低了温度变化或封装应力对加速度计输出的影响，提升了加速度计的温度-输出特性；同时，无需再为算法模型生成而大量采集数据，为降低成本提供了可靠保障。

附图说明

图1是无温度变化或封装影响时加速度计对应锚点位置的剖视结构示意图。

图2是图1对应有温度变化或封装影响时的剖视结构示意图。

图3是本发明加速度计一优选实施例的俯视结构示意图。

图4是本发明加速度计较佳实施例一的俯视结构示意图。

图5是本发明加速度计较佳实施例二的俯视结构示意图。

图6是本发明加速度计较佳实施例三的俯视结构示意图。

具体实施方式

以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握，从而对本发明的保护范围做出更为清晰的界定。

如图1和图2所示，通常MEMS结构的加速度计由衬底1、绝缘层2、走线层、锚点层和结构层5构成。通过日渐成熟的制作工艺，以衬底为基础由下而上逐层成型为与功能设计相符的微型器件。图示可见，上述衬底1表面完全覆盖绝缘层2，而绝缘层2表面根据预设的布线图案成型有走线层。对应加速度计的功能要求，该走线层包含一组相互隔开的检测电容极板，并在其间成型锚点4。该锚点4的顶部与结构层5的扭摆弹性梁51相耦合，并支撑整个跷跷板式的结构层。在无温度变化或封装影响时，该加速度计的衬底、绝缘层和检测电容极板整体保持平整状；而在有温度变化或封装影响时，衬底便会发生翘曲变形，并由此带动绝缘层及其表面检测电容极板都发生翘曲变形。尤其检测电容极板的变形通常都是不对称的，导致整个芯片产生电容输出。

为了减弱温度变化和封装应力对加速度计的影响，也不再使用电路芯片算法进行补偿，本发明从加速度计本身的MEMS结构挖掘技改可能性，创新提出了一种具有补偿电容的电容式Z轴加速度计。从概述的技术特征来看，其结构层5设有固定质量块53及成组的扭摆弹性梁51和可动质量块52。该可动质量块52非对称耦合于扭摆弹性梁51并通过扭摆弹性梁51与锚点层中所设一个锚点4相接，而固定质量块53与锚点层中所设另一个锚点4相接；该走线层设有对应可动质量块的一组检测电容极板3和对应固定质量块的一组补偿电容极板6，两组信号极板设为单独的差分电容结构且对应输出信号同极性相挨近，在加速度输入下，可动质量块52绕扭摆弹性梁51扭转，固定质量块53保持平稳。

以上概述方案中，为了达到更好的补偿效果，上述两组信号极板适合进行尺寸微化处理，且都分布在一个相对较小的区域，以使在受到温度变化或封装应力影响下，补偿电容极板与检测电容极板两者所受的影响一致。籍此，便可通过信号处理利用补偿电容极板的输出对检测电容极板的输出进行补偿修正，从而获得准确性更高的加速度检测结果，提升加速度计的温度-输出特性。同时，由于补偿电容极板上方所设为固定质量块，当有加速度输入时，该补偿电容极板不会对加速度计的输出添加干扰。

如图3所示的优选实施例，实际上述图1所示为图3中沿A-A线的局部剖视结构。该加速度计仅设有一组检测电容极板3和一组补偿电容极板6，检测电容极板3相对其间所设的扭摆弹性梁51对称设置，可动质量块52覆盖并悬设于检测电容极板3上且单侧偏重。实施例图示可见，该可动质量块52与固定质量块53两者的主体非接触式并排设置，且其中可动质量块一侧朝固定质量块延伸有一段折臂，并使整体半包围固定质量块。从而形成非对称耦合的单侧偏重形状。而该补偿电容极板6与检测电容极板3为输出信号极性一致的并排设置，即相对于扭摆弹性梁同侧同为正极或同为负极，固定质量块53覆盖并通过单独一个锚点4悬设于补偿电容极板6之上。

如图4所示的较佳实施例一，其走线层和结构层的整体布局与上述优选实施例大致相同。惟区别之处在于可动质量块的外形及其与固定质量块的相对位置的布局上。具体地，在优先实施例的走线层基础上，该实施例中可动质量块52a设为局部透孔状的整幅片体，且其相对扭摆弹性梁51一侧加宽以实现单侧偏重，而透孔区域则对应补偿电容极板所在。该固定质量块53通过单独一个锚点4悬设于补偿电容极板6之上，并在透孔区域与可动质量块呈嵌套状布置。

如图5所示的较佳实施例二，该加速度计也仅设有一组检测电容极板3和一组补偿电容极板6。与前述两个实施例所不同的是走线层布局。具体地，该检测电容极板3相对其间所设的扭摆弹性梁相隔一段距离对称设置，可动质量块52b则覆盖并悬设于检测电容极板上且单侧偏重、中部留空，留空区域对应补偿电容极板所在。而补偿电容极板6在检测电容极板3之间相对扭摆弹性梁对称设置（即内嵌形式），且对应输出信号同极性相挨近。固定质量块53则独立覆盖并悬设于补偿电容极板的每个信号极板上，整体嵌套于可动质量块52b之中。虽然同为嵌套状布置，但由于共用锚点且固定质量块需要让出扭摆弹性梁的位置，故本实施例中该固定质量块实为两小片方体通过锚点局部相连成一体。

如图6所示的较佳实施例三，该加速度计不同于上述所有实施例的是，其设有两组补偿电容极板6a、6b和两组并排的检测电容极板3a、3b，其中检测电容极板3a相对其间所设的扭摆弹性梁51a对称设置，并通过扭摆弹性梁51a耦合悬设有一个覆盖本组检测电容极板且单侧偏重的可动质量块52c，而检测电容极板3b相对其间所设的扭摆弹性梁51b对称设置，并通过扭摆弹性梁51b耦合悬设有一个覆盖本组检测电容极板且单侧偏重的可动质量块52d。由图示可见，可动质量块52c局部朝检测电容极板3b突出而形成单侧偏重，而可动质量块52d也局部朝检测电容极板3a突出而形成单侧偏重，两者外突部分形成互补，从而保证芯片整体的矩形外形且布局紧凑。而一组补偿电容极板6a在一组检测电容极板3a两侧相对扭摆弹性梁51a对称设置，且对应输出信号同极性相挨近；另一组补偿电容极板6b在另一组检测电容极板3b两侧相对扭摆弹性梁51b对称设置，且对应输出信号同极性相挨近。与上述实施例不同的是，由于可动质量块占据的中部位置和补偿电容极板的外侧布局，故本实施例中该固定质量块53分别通过设于中央检测区域两旁侧的锚点，跨组覆盖并悬设于补偿电容极板的各一个信号极板上。这里中央检测区域指的是两组检测电容极板及两个可动质量块所覆盖的区域。

当然，除上述实施例外，根据加速度计的具体成型结构，该补偿电容极板的排布位置和固定质量块的定位设置均可作合适的形状和布局调整，上述实施例的图示及说明对此不作限定。

综上关于本发明具有补偿电容的电容式Z轴加速度计的方案介绍及实施例详述可见，本方案具备实质性特点和进步性，表现为：结合MEMS工艺在靠近检测电容极板处引入补偿电容极板及固定质量块，在不使用电路芯片算法的情况下即可实现实时的电容补偿，大幅降低了温度变化或封装应力对加速度计输出的影响，提升了加速度计的温度-输出特性；同时，无需再为算法模型生成而大量采集数据，为降低成本提供了可靠保障。

Claims (6)

1.具有补偿电容的电容式Z轴加速度计，由衬底、绝缘层、走线层、锚点层和结构层构成，其特征在于：所述结构层设有固定质量块及成组的扭摆弹性梁和可动质量块，所述可动质量块非对称耦合于扭摆弹性梁并通过扭摆弹性梁与锚点层中所设一个锚点相接，所述固定质量块与锚点层中所设另一个锚点相接，所述走线层设有对应可动质量块的一组检测电容极板和对应固定质量块的一组补偿电容极板，两组信号极板设为单独的差分电容结构且对应输出信号同极性相挨近，在加速度输入下，可动质量块绕扭摆弹性梁扭转，固定质量块保持平稳。

2.根据权利要求1所述具有补偿电容的电容式Z轴加速度计，其特征在于：所述加速度计仅设有一组检测电容极板和一组补偿电容极板，所述检测电容极板相对其间所设的扭摆弹性梁对称设置，可动质量块覆盖并悬设于检测电容极板上且单侧偏重，所述补偿电容极板与检测电容极板为输出信号极性一致的并排设置，固定质量块覆盖并悬设于补偿电容极板上。

3.根据权利要求2所述具有补偿电容的电容式Z轴加速度计，其特征在于：所述可动质量块和固定质量块两者的主体非接触式并排设置。

4.根据权利要求2所述具有补偿电容的电容式Z轴加速度计，其特征在于：所述可动质量块非接触式包容固定质量块，两者的主体嵌套设置。

5.根据权利要求1所述具有补偿电容的电容式Z轴加速度计，其特征在于：所述加速度计仅设有一组检测电容极板和一组补偿电容极板，所述检测电容极板相对其间所设的扭摆弹性梁相隔一段距离对称设置，可动质量块覆盖并悬设于检测电容极板上且单侧偏重、中部留空，所述补偿电容极板在检测电容极板之间相对扭摆弹性梁对称设置，且对应输出信号同极性相挨近，固定质量块独立覆盖并悬设于补偿电容极板的每个信号极板上，整体嵌套于可动质量块之中。

6.根据权利要求1所述具有补偿电容的电容式Z轴加速度计，其特征在于：所述加速度计设有两组补偿电容极板和两组并排的检测电容极板，每组检测电容极板相对其间所设的扭摆弹性梁对称设置，并通过扭摆弹性梁耦合悬设有一个覆盖本组检测电容极板且单侧偏重的可动质量块，一组补偿电容极板在一组检测电容极板两侧相对扭摆弹性梁对称设置，且对应输出信号同极性相挨近；在检测电容极板的旁侧，固定质量块跨组覆盖并悬设于补偿电容极板的各一个信号极板上。