CN109946481B - 一种基于刚度补偿的mems闭环加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于刚度补偿的MEMS闭环加速度计，包括：关于加速度计中心对称的上半部分和下半部分，上半部分和下半部分均包括：基片，锚点固定在基片上，基片上设有绝缘层，绝缘层上设有敏感器件层，敏感器件层包括：敏感质量块、支撑梁、力反馈梳齿单元、检测梳齿单元、刚度补偿单元；上半部分和下半部分的敏感质量块上均设有第一镂空区域和第二镂空区域；第一镂空区域内安装有：支撑梁锚点、支撑梁、检测梳齿单元锚点、检测梳齿单元；第二镂空区域内安装有：支撑梁锚点、支撑梁、力反馈梳齿单元、力反馈梳齿单元锚点、刚度补偿单元、刚度补偿单元锚点；通过对加速度计刚度补偿结构的设计可以补偿工艺加工造成的机械刚度偏大的问题。

Description

一种基于刚度补偿的MEMS闭环加速度计

技术领域

本发明涉及微机械MEMS加速度计领域，具体地，涉及一种基于刚度补偿的MEMS闭环加速度计。

背景技术

微机械MEMS加速度计是一种测量加速度大小的器件或装置，其在工业控制、航空、航天、军事等高精度领域具有广泛的应用需求。然而，由于MEMS加速度计在生产过程中存在一致性较差、加工误差等原因，可能使生产得到的加速度计机械结构刚度比理论设计值偏大，从而致使加速度计灵敏度降低、噪声变大、分辨率变差等，这将严重阻碍其在高精度领域的应用。因此，需要采取策略来补偿由工艺误差带来的机械刚度偏大的影响。

发明内容

本发明提出了一种基于刚度补偿的MEMS闭环加速度计，通过对加速度计刚度补偿结构的设计可以补偿工艺加工造成的机械刚度偏大的问题，消除由于刚度偏大对器件灵敏度、噪声、分辨率等性能造成的影响，从而使加速度计结构保持理论设计时的高性能特性。

为实现上述发明目的，本申请提供了一种基于刚度补偿的MEMS闭环加速度计，所述加速度计包括：

关于加速度计中心对称的上半部分和下半部分，其中，上半部分和下半部分均包括：基片，锚点固定在基片上，基片上设有绝缘层，绝缘层上设有敏感器件层，敏感器件层包括：敏感质量块、支撑梁、力反馈梳齿单元、检测梳齿单元、刚度补偿单元；上半部分和下半部分的敏感质量块上均设有第一镂空区域和第二镂空区域；第一镂空区域内安装有：支撑梁锚点、支撑梁、检测梳齿单元锚点、检测梳齿单元；支撑梁一端与敏感质量块连接，支撑梁另一端与支撑梁锚点连接；检测梳齿单元通过检测梳齿单元锚点固定在基片上，上半部分和下半部分的两个检测梳齿单元构成加速度计差动电容检测结构，对加速度信号引起的电容变化进行检测；第二镂空区域内安装有：支撑梁锚点、支撑梁、力反馈梳齿单元、力反馈梳齿单元锚点、刚度补偿单元、刚度补偿单元锚点；支撑梁一端与敏感质量块连接，支撑梁另一端与支撑梁锚点连接；力反馈梳齿单元通过力反馈梳齿单元锚点固定在基片上，上半部分和下半部分的两个力反馈梳齿单元构成加速度计力反馈电极结构，对加速度信号引起的位移进行平衡；刚度补偿单元通过刚度补偿单元锚点固定在基片上，上半部分和下半部分的两个刚度补偿单元构成加速度计刚度补偿结构，对加速度计进行刚度补偿。

进一步的，敏感器件层还包括：X轴向防撞结构、Y轴向防撞结构；第一镂空区域内还安装有：X轴向防撞结构，X轴向防撞结构安装在支撑梁锚点上，并向X轴方向的敏感质量块内壁延伸；第二镂空区域内还安装有Y轴向防撞结构，Y轴向防撞结构安装在刚度补偿单元锚点上，并向Y轴方向的敏感质量块内壁延伸。

进一步的，所述检测梳齿单元包括：若干对检测固定梳齿和检测可动梳齿，检测固定梳齿与检测可动梳齿一一对应，检测固定梳齿通过检测梳齿单元锚点固定在基片上，检测可动梳齿一端与敏感质量连接，检测可动梳齿另一端朝与其对应的检测固定梳齿延伸，检测固定梳齿与检测可动梳齿在竖直方向具有重叠部分，每个检测固定梳齿与其对应的检测可动梳齿构成一对检测电容。

进一步的，力反馈梳齿单元包括：若干对力反馈固定梳齿和力反馈可动梳齿；力反馈固定梳齿与力反馈可动梳齿一一对应，力反馈固定梳齿通过力反馈梳齿单元锚点固定在基片上，力反馈可动梳齿一端与敏感质量块连接，力反馈可动梳齿另一端朝与其对应的力反馈固定梳齿延伸，力反馈固定梳齿与力反馈可动梳齿在竖直方向具有重叠部分。

进一步的，所述刚度补偿单元包括：若干对刚度补偿固定梳齿和刚度补偿可动梳齿，刚度补偿固定梳齿与刚度补偿可动梳齿一一对应；刚度补偿固定梳齿通过刚度补偿单元锚点固定在所述基片上；刚度补偿可动梳齿一端与敏感质量块连接，刚度补偿可动梳齿另一端朝与其对应的刚度补偿固定梳齿延伸，刚度补偿固定梳齿与刚度补偿可动梳齿在竖直方向具有重叠部分。

进一步的，所述X轴向防撞结构实现对结构在X轴向的过载保护，所述Y轴向防撞结构实现对结构在Y轴向的过载保护。

进一步的，上半部分刚度补偿固定梳齿电气连通；下半部分刚度补偿固定梳齿电气连通。

进一步的，刚度补偿单元中的刚度补偿固定梳齿与上下的刚度补偿可动梳齿之间的间距不等。

进一步的，支撑梁为折叠梁，共十六根，分为两类：其中第一类包括八根折叠梁，第一类折叠梁均匀分布在敏感质量块中心四周，第二类包括八根折叠梁，第二类折叠梁均匀分布在敏感质量块四个端角，每两根折叠梁通过固定锚点连接在一起构成一组，第一类折叠梁和第二类折叠梁均关于结构原点中心对称分布。

进一步的，第二镂空区域内设有2个刚度补偿单元，第二镂空区域内的2个刚度补偿单元关于第二镂空区域中心对称。

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：

本发明提出了一种基于刚度补偿的MEMS闭环加速度计，通过对加速度计刚度补偿结构的巧妙设计可以补偿工艺加工造成的机械刚度偏大的问题，消除由于刚度偏大对器件灵敏度、噪声、分辨率等性能造成的影响，从而使加速度计结构保持理论设计时的高性能特性，与此同时可提高工艺制造良率，提高批次一致性，大大降低生产成本；采用闭环工作控制方式，有效地限制了加速度计可动结构的位移，可防止刚度补偿结构所带来的静电力的不利影响，同时巧妙地布局折叠梁及X/Y轴向防撞结构，可以很好地避免交叉灵敏度的干扰，抗冲击能力强；整体结构设计紧凑，芯片尺寸小，整体线性度好，测量精度高。

附图说明

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

图1基于刚度补偿的MEMS闭环加速度计结构示意图；

图2检测梳齿单元结构示意图；

图3力反馈梳齿单元结构示意图；

图4刚度补偿单元结构示意图；

图5刚度补偿单元工作原理示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明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发明，但是，本发明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，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明提供了一种基于刚度补偿的MEMS闭环加速度计，该加速度计的特点是：1、刚度补偿结构分为上下两个模块，上下模块各包括两个单元，各模块的两个单元电气连通，每个单元包括固定锚点、刚度补偿固定电极、刚度补偿可动电极，固定电极一端与锚点连接，可动电极一端与质量块连接，固定电极与两侧的可动电极间距不等，四个单元关于加速度计结构原点中心对称分布；2、支撑梁为折叠梁，共十六根，其中八根位于结构中间位置，另八根位于结构四角，每两根通过固定锚点连接在一起构成一组，中间位置及四角位置形成的四组梁均关于结构原点中心对称分布，该设计可以很好地避免Z轴向的交叉干扰，防止结构塌陷，增强了结构抗振动能力；3、通过在固定锚点上巧妙地设计圆弧形防撞击结构，可以有效地增强结构的抗冲击能力；4、采用差动检测，闭环工作的方式，可增强加速度计信噪比，有效地限制了加速度计可动结构的位移，整体线性度好，测量精度高，同时可防止刚度补偿结构所带来的静电力的不利影响；5、整体结构设计紧凑，芯片尺寸小。

如图1所示，根据本发明实施例的基于刚度补偿的MEMS闭环加速度计，包括有基片1，其材料可为掺杂多晶硅或者玻璃；基片1上有层较薄的氧化层，氧化层起绝缘隔离及固定作用，锚点4、10通过氧化层固定在基片1上，氧化层上面是敏感器件层，其材料为重掺杂硅，敏感器件层包括有敏感质量块2，折叠梁3，X轴向防撞结构5，Y轴向防撞结构6，力反馈梳齿单元结构7a、7b，检测梳齿单元结构8a、8b，刚度补偿单元结构9a、9b，各结构通过MEMS加工工艺制作完成。

所述检测梳齿单元结构8a、8b，如图2所示，包括有检测固定梳齿8a1、8b1，检测可动梳齿8a2、8b2，固定锚点8a3、8b3，所述检测固定梳齿8a1、8b1分别通过所述固定锚点8a3、8b3固定在所述基片1上，所述检测可动梳齿8a2、8b2一端与所述敏感质量2连接，所述检测固定梳齿8a1、8b1分别与所述检测可动梳齿8a2、8b2构成一对检测电容，N对检测电容构成一组检测电极，即检测梳齿单元，上下两个检测梳齿单元8a、8b构成加速度计差动电容检测结构，对加速度信号引起的电容变化进行检测。

所述力反馈梳齿单元结构7a、7b，如图3所示，包括有力反馈固定梳齿7a1、7b1，力反馈可动梳齿7a2、7b2，固定锚点7a3、7b3，所述力反馈固定梳齿7a1、7b1分别通过所述固定锚点7a3、7b3固定在所述基片1上，所述力反馈可动梳齿7a2、7b2一端与所述敏感质量2连接，所述力反馈固定梳齿7a1、7b1分别与所述力反馈可动梳齿7a2、7b2构成一对力反馈电容，N对力反馈电容构成一组力反馈电极，即力反馈梳齿单元，上下两个力反馈梳齿单元7a、7b构成加速度计力反馈电极结构，对加速度信号引起的位移进行平衡，使敏感质量始终保持在机械零位。

所述刚度补偿单元结构9a、9b，如图4所示，包括有刚度补偿固定梳齿9a1、9b1，刚度补偿可动梳齿9a3、9b3，固定锚点9a2、9b2，所述刚度补偿固定梳齿9a1、9b1分别通过所述固定锚点9a2、9b2固定在所述基片1上，所述刚度补偿可动梳齿9a3、9b3一端与所述敏感质量2连接，所述刚度补偿固定梳齿9a1、9b1分别与所述刚度补偿可动梳齿9a3、9b3构成一对刚度补偿电容，N对刚度补偿电容构成一组刚度补偿电极，即刚度补偿单元，上面两组刚度补偿单元电气连通，构成上刚度补偿模块，下面两组刚度补偿单元电气连通，构成下刚度补偿模块，上下两个模块构成加速度计刚度补偿结构，通过对补偿模块相应参数的设计可实现器件的刚度补偿。

所述X轴向防撞结构5通过所述锚点4固定在所述基片1上，实现对结构在X轴向的过载保护，所述Y轴向防撞结构6通过所述锚点9a2、9b2固定在所述基片1上，实现对结构在Y轴向的过载保护。

需要注意的是：本实施例给出的检测梳齿单元、力反馈梳齿单元、刚度补偿模块，分别关于敏感器件的中心对称分布，但并不是说本发明只限于两个单元结构，根据需要可以增减若干组同类单元结构。

本发明闭环工作原理：当有外界加速度信号作用时，差动电容检测结构将被测加速度信号转换为电容变化信号，通过后续接口电路的分析，将反馈电压作用到力反馈电极结构上，对加速度信号引起的惯性力进行平衡，使敏感质量保持在机械零位，同时输出相应电压信号，实现对加速度的闭环测量。

本发明刚度补偿工作原理：如图5所示，不妨假设所述刚度补偿可动梳齿9a3与所述刚度补偿固定梳齿9a1两侧的间隙分别为y1，y2(y2>y1)。

当有外界加速度作用在Y轴向(敏感轴)时，敏感质量块发生位移量为△y，方向向下，此时上刚度补偿模块的静电力为：

式中，N为刚度补偿电容的对数，ε为空气介电常数，A为电容对的正对面积，V为加载在所述刚度补偿固定锚点9a2、9b2上的电压值。

下刚度补偿模块的静电力为：

于是，可以得到上下两刚度补偿模块构成的总静电力为：

将上式进行化简，可得：

由式(4)知，总的静电力方向向下，与敏感质量块位移方向相同，与结构弹性力方向相反，对总静电力进行微位移偏微分，忽略Δy²项的影响，于是可得到上下刚度补偿模块引入的电刚度大小为：

因为静电力的作用方向始终与结构弹性力的方向相反，故电刚度表现为一种负弹性系数效应，当加速度计结构由于工艺误差造成器件机械刚度偏大时，便可通过对补偿模块相应参数，比如加载在所述刚度补偿固定锚点9a2、9b2上的电压值V进行调节控制，使产生的负刚度系数完全中和掉机械刚度的偏大量，消除工艺误差，使加工得到的器件结构刚度大小与理论设计值一致，使加速度计结构保持理论设计时的高性能特性，至此即实现加速度计结构的刚度补偿。

由于本发明采用的是闭环工作控制方式，敏感质量块即可动结构始终工作在机械零位附近，Δy位移量极小，刚度补偿模块产生的静电力大小几乎为零，不会对闭环系统控制产生影响。

尽管已描述了本发明的优选实施例，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发明范围的所有变更和修改。

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

Claims (7)

1.一种基于刚度补偿的MEMS闭环加速度计，其特征在于，所述加速度计包括：

关于加速度计中心对称的上半部分和下半部分，其中，上半部分和下半部分均包括：基片，锚点固定在基片上，基片上设有绝缘层，绝缘层上设有敏感器件层，敏感器件层包括：敏感质量块、支撑梁、力反馈梳齿单元、检测梳齿单元、刚度补偿单元；上半部分和下半部分的敏感质量块上均设有第一镂空区域和第二镂空区域；第一镂空区域内安装有：支撑梁锚点、支撑梁、检测梳齿单元锚点、检测梳齿单元；支撑梁一端与敏感质量块连接，支撑梁另一端与支撑梁锚点连接；检测梳齿单元通过检测梳齿单元锚点固定在基片上，上半部分和下半部分的两个检测梳齿单元构成加速度计差动电容检测结构，对加速度信号引起的电容变化进行检测；第二镂空区域内安装有：支撑梁锚点、支撑梁、力反馈梳齿单元、力反馈梳齿单元锚点、刚度补偿单元、刚度补偿单元锚点；支撑梁一端与敏感质量块连接，支撑梁另一端与支撑梁锚点连接；力反馈梳齿单元通过力反馈梳齿单元锚点固定在基片上，上半部分和下半部分的两个力反馈梳齿单元构成加速度计力反馈电极结构，对加速度信号引起的位移进行平衡；刚度补偿单元通过刚度补偿单元锚点固定在基片上，上半部分和下半部分的两个刚度补偿单元构成加速度计刚度补偿结构，对加速度计进行刚度补偿；

敏感器件层还包括：X轴向防撞结构、Y轴向防撞结构；第一镂空区域内还安装有：X轴向防撞结构，X轴向防撞结构安装在支撑梁锚点上，并向X轴方向的敏感质量块内壁延伸；第二镂空区域内还安装有Y轴向防撞结构，Y轴向防撞结构安装在刚度补偿单元锚点上，并向Y轴方向的敏感质量块内壁延伸；

所述刚度补偿单元包括：若干对刚度补偿固定梳齿和刚度补偿可动梳齿，刚度补偿固定梳齿与刚度补偿可动梳齿一一对应；刚度补偿固定梳齿通过刚度补偿单元锚点固定在所述基片上；刚度补偿可动梳齿一端与敏感质量块连接，刚度补偿可动梳齿另一端朝与其对应的刚度补偿固定梳齿延伸，刚度补偿固定梳齿与刚度补偿可动梳齿在竖直方向具有重叠部分；

支撑梁为折叠梁，共十六根，分为两类：其中第一类包括八根折叠梁，第一类折叠梁均匀分布在敏感质量块中心四周，第二类包括八根折叠梁，第二类折叠梁均匀分布在敏感质量块四个端角，每两根折叠梁通过固定锚点连接在一起构成一组，第一类折叠梁和第二类折叠梁均关于结构原点中心对称分布。

2.根据权利要求1所述的基于刚度补偿的MEMS闭环加速度计，其特征在于，所述检测梳齿单元包括：若干对检测固定梳齿和检测可动梳齿，检测固定梳齿与检测可动梳齿一一对应，检测固定梳齿通过检测梳齿单元锚点固定在基片上，检测可动梳齿一端与敏感质量连接，检测可动梳齿另一端朝与其对应的检测固定梳齿延伸，检测固定梳齿与检测可动梳齿在竖直方向具有重叠部分，每个检测固定梳齿与其对应的检测可动梳齿构成一对检测电容。

3.根据权利要求1所述的基于刚度补偿的MEMS闭环加速度计，其特征在于，力反馈梳齿单元包括：若干对力反馈固定梳齿和力反馈可动梳齿；力反馈固定梳齿与力反馈可动梳齿一一对应，力反馈固定梳齿通过力反馈梳齿单元锚点固定在基片上，力反馈可动梳齿一端与敏感质量块连接，力反馈可动梳齿另一端朝与其对应的力反馈固定梳齿延伸，力反馈固定梳齿与力反馈可动梳齿在竖直方向具有重叠部分。

4.根据权利要求1所述的基于刚度补偿的MEMS闭环加速度计，其特征在于，所述X轴向防撞结构实现对结构在X轴向的过载保护，所述Y轴向防撞结构实现对结构在Y轴向的过载保护。

5.根据权利要求1所述的基于刚度补偿的MEMS闭环加速度计，其特征在于，上半部分刚度补偿固定梳齿电气连通；下半部分刚度补偿固定梳齿电气连通。

6.根据权利要求1所述的基于刚度补偿的MEMS闭环加速度计，其特征在于，刚度补偿单元中的刚度补偿固定梳齿与上下的刚度补偿可动梳齿之间的间距不等。

7.根据权利要求1所述的基于刚度补偿的MEMS闭环加速度计，其特征在于，第二镂空区域内设有2个刚度补偿单元，第二镂空区域内的2个刚度补偿单元关于第二镂空区域中心对称。