CN206725600U - 一种多量程的mems闭环加速度计 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多量程的MEMS闭环加速度计，所述MEMS闭环加速度计包括：基片、敏感器件层，基片与敏感器件层之间有绝缘层；敏感器件层包括：固定框架、锚点、敏感质量块、多个折叠梁、多个固定检测梳齿、多个可动检测梳齿、多个固定平衡梳齿、多个可动平衡梳齿；多个固定平衡梳齿与多个可动平衡梳齿分别组成4组平衡梳齿对，分别构成：第一静电力矩器、第二静电力矩器、第三静电力矩器，可实现小中高多量程的应用，线性度好，灵敏度高，芯片尺寸小，易加工，制造成本低的技术效果。

Description

一种多量程的MEMS闭环加速度计

技术领域

本实用新型涉及加速度计领域，具体地，涉及一种多量程的MEMS闭环加速度计。

背景技术

MEMS加速度计主要用于测量运动物体相对于惯性空间的加速度，由于其体积小、功耗低、易集成、可批量生产等特点，使其在汽车工程、振动检测、航空导航和军事应用等场合中发挥着越来越重要的作用，市场潜力巨大。

MEMS加速度计根据其应用领域的不同将对其量程具有不同的要求，在倾角检测、地震检测等领域需要低量程高精度的加速度计，在振动检测、惯性导航等领域则需要中高量程的加速度计，而对于弹体整个飞行测试中，需要测量发射过程及飞行过程中不同g值范围的加速情况。

单一量程的MEMS加速度计，只能应用在某一特定的量程范围内进行测试，而超过其量程的应用将受到限制，更不能运用到多量程工作环境中进行检测任务，这将造成极大的资源浪费，目前已有的多量程加速度计技术方案主要采用多个敏感质量单元进行分段测量的方式，这种方案不足的是：需要在加速度计灵敏度和量程之间作选择，改变量程将影响灵敏度的大小，使得各量程内的精度不一，而且芯片尺寸面积大，结构复杂，加工难，成本高。

实用新型内容

为克服现有技术中存在的不足，本实用新型提供了一种多量程的MEMS闭环加速度计，可实现小中高多量程的应用，线性度好，灵敏度高，芯片尺寸小，易加工，制造成本低的技术效果。

为解决上述技术问题，本申请提供了一种多量程的MEMS闭环加速度计：包括基片、敏感器件层，基片与敏感器件层之间有绝缘层；敏感器件层包括固定框架、锚点、折叠梁、敏感质量块、固定梳齿、可动梳齿以及限位结构；敏感器件层中可动质量块结合十二梁中心对称设计与检测梳齿组、第一静电力平衡梳齿组、第二静电力平衡梳齿组实现多量程的加速度信号检测；敏感质量块上利用表面硅加工工艺制作了多对可动检测梳齿，n_f对第一静电力平衡可动梳齿，2n_f对第二静电力平衡可动梳齿，固定框架上相对应的制作了多对固定检测梳齿，n_f对第一静电力平衡固定梳齿，对第二静电力平衡固定梳齿，以分别组成多对敏感电容和n_f对、2n_f对静电力平衡电容，当加速度计需要应用在不同量程领域时，通过对设计的静电力平衡梳齿组结构进行不同连接方式控制，便可实现小中高多量程的加速度测量。

进一步的，所述的多量程MEMS闭环加速度计中的所述折叠梁为十二梁中心对称设计，其中四组梁位于所述质量块敏感轴向的两边角，另外八组梁位于质量块的内腔，两两串联，呈中心对称分布，所述折叠梁的一端连接至所述固定框架，另一端连接至所述敏感质量块。

进一步的，所述折叠梁在敏感轴Y轴方向刚度相对较小，容易变形，在非敏感轴方向刚度很大，不易变形，可抑制交叉灵敏度，防止正交误差影响，同时所述折叠梁非线性度很小，可以释放结构残余应力，降低残余应力和温度对器件的影响。

进一步的，所述锚点分为位于所述质量块四周的锚点以及所述质量块内腔中的锚点，四周的锚点用于固定检测梳齿，与对应的可动梳齿组成敏感电容对，内腔中的锚点用于固定静电力平衡梳齿，与对应的静电力平衡可动梳齿组成平衡梳齿对。

其中，平衡梳齿对共有四组，第一组平衡梳齿对与第二组平衡梳齿对构成第一静电力矩器，用于小量程测量，第三组平衡梳齿对与第四组平衡梳齿对构成第二静电力矩器，用于中量程测量，第一、三组平衡梳齿对与第二、四组平衡梳齿对分别并联后构成第三静电力矩器，用于中高量程测量。

其中，静电力矩器通过与外部电容检测读出电路连接，构成加速度计闭环控制回路，用于平衡外界加速度信号所产生的惯性力，实现闭环加速度信号检测。

进一步的，所述固定梳齿与所述可动梳齿平行，且两者在水平方向具有重叠区域，为使加速度计灵敏度足够大，同时提高芯片面积的利用，使芯片结构紧凑，所述可动梳齿与相邻的两个固定梳齿之间的间隙相差2～5倍，但不限于此值。

进一步的，所述限位结构为凹形嵌套，对称分布在所述质量块两侧，可分别实现X轴、Y轴方向的加速度过载保护。

进一步的，所述基片的材料可以为硅或玻璃材料，所述敏感器件层材料为重掺杂的硅材料，通过MEMS加工工艺完成。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

1、本实用新型通过单质量块设计实现了加速度计小中高多量程的应用，各量程内精度一致，并且敏感质量块大，加速度计灵敏度高，同时采用差分式电容检测，能够有效抑制共模干扰，提高了加速度计信噪比。

2、本实用新型采用十二折叠梁中心对称设计，有效地抑制了结构性正交误差，有效降低了交叉干扰，具有较高的检测精度。

3、本实用新型采用闭环静电力平衡式检测方式，加速度计线性度好。

4、通过在质量块两侧设计对称的凹形嵌套限位结构，防止了动、定梳齿的过载吸合、失效问题，增加了多量程加速度计的稳定性和可靠性。

5、本实用新型结构紧凑，芯片尺寸小，加工易，可批量制造，成本低。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定；

图1是本申请中多量程的MEMS闭环加速度计的结构示意图；

图2是本申请中限位结构的结构示意图；

图3是本申请中第一静电力矩器信号检测控制回路示意图；

图4是本申请中第二静电力矩器信号检测控制回路示意图；

图5是本申请中第三静电力矩器信号检测控制回路示意图；

图6是本申请中电容检测读出电路示意图。

具体实施方式

为克服现有技术中存在的不足，本实用新型提供了一种多量程的MEMS闭环加速度计，可实现小中高多量程的应用，线性度好，灵敏度高，芯片尺寸小，易加工，制造成本低的技术效果。

为了能够更清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是，本实用新型还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本实用新型的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

请参考图1-图5，本申请提供了根据本实用新型实施例的多量程的MEMS闭环加速度计，包括有基片101，其材料为n型掺杂硅；基片101上有层较薄的氧化硅层，氧化硅层起到绝缘隔离和固定作用；氧化硅层上面是敏感器件层，敏感器件层材料为p型重掺杂硅，敏感器件层包括有固定框架102，锚点103，敏感质量块104，折叠梁105，固定检测梳齿106、108，可动检测梳齿107、109，固定平衡梳齿111、113、115、117，可动平衡梳齿110、112、114、116，限位结构：凹形止挡齿118、一字止挡臂119，各结构通过MEMS加工工艺制作完成；固定框架102通过锚点103被固定在基片101上，固定框架102和锚点103分布在敏感结构四周和内部，中心对称设计的十二个折叠梁105，分布在结构的敏感轴向上，其中四个分布在敏感质量块104的两侧，其余八个分布在质量块内腔中，折叠梁105一端与固定框架102连接，一端与敏感质量块104连接，固定检测梳齿106、108设计在结构的四周，通过齿梳与四周固定框架连接，每个固定检测梳齿106、108都有一个相对应的可动检测梳齿107、109与之对应构成一对检测电容结构，可动检测梳齿107、109通过齿梳与敏感质量块104连接，每个固定检测梳齿106、可动检测梳齿107和每个固定检测梳齿108、可动检测梳齿109分别关于结构X轴向对称，它们一起组成多对上下差分敏感电容结构，每个可动检测梳齿107、109与相邻的两固定检测梳齿之间的间隙相差2～5倍，但不限于此值，固定平衡梳齿111、113、115、117设计在敏感结构的内部，通过齿梳与内部固定框架连接，每个固定平衡梳齿111、113、115、117都有一个相对应的可动平衡梳齿110、112、114、116与之对应构成一对平衡电容结构，可动平衡梳齿110、112、114、116通过齿梳与敏感质量块104连接，固定平衡梳齿113和可动平衡梳齿112组成第一组平衡梳齿对，固定平衡梳齿111和可动平衡梳齿110组成第二组平衡梳齿对，固定平衡梳齿115和可动平衡梳齿114组成第三组平衡梳齿对，固定平衡梳齿117和可动平衡梳齿116组成第四组平衡梳齿对，第一组平衡梳齿对与第二组平衡梳齿对关于结构X轴向对称，构成第一静电力矩器，第三组平衡梳齿对与第四组平衡梳齿对关于结构X轴向对称，构成第二静电力矩器，每个可动平衡梳齿110、112、114、116与相邻的两固定平衡梳齿之间的间隙相差2～5倍，但不限于此值。

限位结构：凹形止挡齿118、一字止挡臂119，如图2所示，为凹形嵌套设计，对称分布在敏感质量块104两侧，其中118与敏感质量块104连接为一体，119通过锚点113固定在框架上，118与119之间的间隙小于固定梳齿与可动梳齿之间的最小间隙，可分别实现X轴、Y轴方向的加速度过载保护。

本实用新型工作实现原理：将被测加速度信号通过多对上下差分敏感电容结构单元转换为电容变化信号，经过外接电容检测读出电路处理后输出敏感电压信号，将电压信号分别反馈至设计的第一静电力矩器、第二静电力矩器、第三静电力矩器，可实现多量程的MEMS闭环加速度检测。

小量程测量：如图3所示，当加速度计需要应用在小量程范围时，此时电压信号接入至第一静电力矩器204，通过第一静电力矩器204来平衡加速度计敏感外界加速度所产生的惯性力大小，实现闭环检测。

当敏感质量块104在加速度信号a作用下在敏感轴方向发生位移x，经过外接电容检测读出电路202，输出敏感电压信号，反馈至第一静电力矩器204，经过第一静电力矩器204作用产生静电平衡力平衡外界加速度产生的惯性力，此时第一静电力矩器204产生的总静电平衡力大小为：

其中，n_f为第一组平衡梳齿对数，ε为介电常数，s为梳齿极板重叠面积，d₀,D₀为梳齿极板间距，V_r为预加载直流电压，V_f为静电力平衡电压。

加速度计正常闭环工作时，动极板的位移x≈0，x<<d0，忽略x2项，由(1)式可得，

因此由第一静电力矩器204平衡加速度计敏感外界加速度所产生的惯性力大小可得：第一静电力矩器204所能测量的加速度量程为：

中量程测量：如图4所示，当加速度计需要应用在中量程范围时，此时电压信号接入至第二静电力矩器205，通过第二静电力矩器205来平衡加速度计敏感外界加速度所产生的惯性力大小，实现闭环检测。

当敏感质量块104在加速度信号a作用下在敏感轴方向发生位移x，经过外接电容检测读出电路202，输出敏感电压信号，反馈至第二静电力矩器205，经过第二静电力矩器205作用产生静电平衡力平衡外界加速度产生的惯性力，此时第二静电力矩器205产生的总静电平衡力大小为：

其中，2*n_f为第二组平衡梳齿对数。

因此由第二静电力矩器205平衡加速度计敏感外界加速度所产生的惯性力大小可得：第二静电力矩器205所能测量的加速度量程为：

中高量程测量：如图5所示，当加速度计需要应用在中高量程范围时，此时电压信号接入至第三静电力矩器206，其中，第三静电力矩器206由第一静电力矩器204和第二静电力矩器205并联组成，通过第三静电力矩器206来平衡加速度计敏感外界加速度所产生的惯性力大小，实现闭环检测。

当敏感质量块104在加速度信号a作用下在敏感轴方向发生位移x，经过外接电容检测读出电路202，输出敏感电压信号，反馈至第三静电力矩器206，经过第三静电力矩器206作用产生静电平衡力平衡外界加速度产生的惯性力，此时第三静电力矩器206产生的总静电平衡力大小为：

其中，3*n_f为第三组平衡梳齿对数。

因此由第三静电力矩器206平衡加速度计敏感外界加速度所产生的惯性力大小可得：第三静电力矩器206所能测量的加速度量程为：

由式(3)、(5)、(7)可以看出，本实用新型可以实现小中高多量程的MEMS加速度闭环检测，并且在各量程范围内均是同一敏感检测电容，同一敏感质量块，多量程的应用不需要牺牲灵敏度，精度一致性好，灵敏度高。

上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

1、本实用新型通过单质量块设计实现了加速度计小中高多量程的应用，各量程内精度一致，并且敏感质量块大，加速度计灵敏度高，同时采用差分式电容检测，能够有效抑制共模干扰，提高了加速度计信噪比。

2、本实用新型采用十二折叠梁中心对称设计，有效地抑制了结构性正交误差，有效降低了交叉干扰，具有较高的检测精度。

3、本实用新型采用闭环静电力平衡式检测方式，加速度计线性度好。

4、通过在质量块两侧设计对称的凹形嵌套限位结构，防止了动、定梳齿的过载吸合、失效问题，增加了多量程加速度计的稳定性和可靠性。

5、本实用新型结构紧凑，芯片尺寸小，加工易，可批量制造，成本低。

尽管已描述了本实用新型的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本实用新型范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种多量程的MEMS闭环加速度计，其特征在于，所述MEMS闭环加速度计包括：

基片、敏感器件层，基片与敏感器件层之间有绝缘层；敏感器件层包括：固定框架、锚点、敏感质量块、多个折叠梁、多个固定检测梳齿、多个可动检测梳齿、多个固定平衡梳齿、多个可动平衡梳齿；固定框架通过锚点固定在基片上，固定框架包括外部固定框架和内部固定框架，固定检测梳齿与可动检测梳齿一一对应，固定平衡梳齿与可动平衡梳齿一一对应；固定检测梳齿与外部固定框架连接，可动检测梳齿与敏感质量块连接；折叠梁一端与外部固定框架连接，折叠梁另一端与敏感质量块连接；敏感质量块内设有空腔，固定平衡梳齿和可动平衡梳齿均位于空腔内，固定平衡梳齿通过齿梳与内部固定框架连接，可动平衡梳齿通过齿梳与敏感质量块连接；多个固定平衡梳齿与多个可动平衡梳齿分别组成4组平衡梳齿对，分别为：第一组平衡梳齿对、第二组平衡梳齿对、第三组平衡梳齿对、第四组平衡梳齿对，其中，第一组平衡梳齿对与第二组平衡梳齿对关于X轴向对称，构成第一静电力矩器，第三组平衡梳齿对与第四组平衡梳齿对关于X轴向对称，构成第二静电力矩器，第一、三组平衡梳齿对与第二、四组平衡梳齿对分别并联后构成第三静电力矩器。

2.根据权利要求1所述的多量程的MEMS闭环加速度计，其特征在于，所述敏感器件层还包括限位结构，所述限位结构包括：凹形止挡齿、一字止挡臂，凹形止挡齿与基片连接，一字止挡臂与敏感质量块连接，一字止挡臂的突出端嵌入凹形止挡齿的凹槽中进行限位。

3.根据权利要求1所述的多量程的MEMS闭环加速度计，其特征在于，所述MEMS闭环加速度计与电容检测读出电路连接，电容检测读出电路分别与第一静电力矩器、第二静电力矩器、第三静电力矩器连接。

4.根据权利要求1所述的多量程的MEMS闭环加速度计，其特征在于，折叠梁为12个，12个折叠梁关于X轴和Y轴均对称，其中，四个梁位于敏感质量块敏感轴向的两边角；另外八个梁位于敏感质量块的内腔，内腔中的折叠梁两两串联，呈中心对称分布。

5.根据权利要求1所述的多量程的MEMS闭环加速度计，其特征在于，闭环加速度计中的锚点包括：位于敏感质量块四周的外锚点以及位于敏感质量块内腔中的内锚点，外锚点用于固定检测梳齿，固定检测梳齿与对应的可动梳齿组成敏感电容对，内锚点用于固定固定平衡梳齿，固定平衡梳齿与对应的可动平衡梳齿组成平衡梳齿对。

6.根据权利要求1所述的多量程的MEMS闭环加速度计，其特征在于，第一静电力矩器用于小量程测量，第二静电力矩器用于中量程测量，第三静电力矩器用于中高量程测量。

7.根据权利要求1所述的多量程的MEMS闭环加速度计，其特征在于，固定检测梳齿与可动检测梳齿平行且水平方向具有重叠区域，固定平衡梳齿与可动平衡梳齿平行且水平方向具有重叠区域，可动检测梳齿与相邻的两个固定检测梳齿之间的间隙比值为1比2至5，可动平衡梳齿与相邻的两个固定平衡梳齿之间的间隙比值为1比2至5。

8.根据权利要求1所述的多量程的MEMS闭环加速度计，其特征在于，所述基片的材料为硅或玻璃材料，所述敏感器件层材料为重掺杂的硅材料。