CN104764903A - 一种机械调制的硅电容式加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种机械调制的硅电容式加速度计，包括基片、硅片和金属电极，所述硅片包括中心质量块（100）；所述中心质量块（100）包括内部中频活动部分（601）和围绕在所述内部中频活动部分（601）四周的外部低频活动部分（602），所述内部中频活动部分（601）和外部低频活动部分（602）之间通过梁（701）相连；所述金属电极包括：通过梁（702）与所述中心质量块（100）相连的质量块电极（101）、反馈负电极（202）、反馈正电极（201）、驱动正电极（501）、驱动负电极（502）、驱动检测正电极（401）、驱动检测负电极（402）、外界加速度检测正电极（301）和外界加速度检测负电极（302）。

Description

一种机械调制的硅电容式加速度计

技术领域

本发明涉及加速度计技术领域，特别涉及一种机械调制的硅电容式加速度计。

背景技术

硅电容式加速度计隶属微机电***领域（MEMS，micro-electro-mechanicalsystem），是应用MEMS加工技术将硅晶圆(silicon wafer)制成敏感外界视加速度（所谓视加速度，是指在加速度计敏感方向上的惯性加速度分量与引力加速度分量之和，下文简称加速度）的可变电容，并辅以后续电路，形成的一类微加速度计。与传统加速度计相比，微加速度计具有体积、质量、功耗、成本、产能、环境适应性等多方面优势，但与传统加速度计中较高精度的石英挠性加速度计等相较而言，目前各类微加速度计在精度上无明显优势。在众多微加速度计门类中，力敏感的硅微谐振式加速度计和位移敏感的硅电容式加速度计均有较高精度的报道，较其他压阻式加速度计、压电式加速度计、热对流式加速度计等更具精度潜力。

对于硅微谐振式加速度计而言，在结构上有中国专利CN1979175、CN101303365、CN101858927、CN102749479等广泛研究，在后续电路上也有如中国专利CN1405566、CN102136830等技术将其细节改善，使得硅微谐振式加速度计的精度进一步提高。

就硅电容式加速度计而言，从结构形式上一般分为形如中国专利CN102175890的三明治硅电容式加速度计和形如中国专利CN201852851的梳齿硅电容式加速度计。对于三明治硅电容式加速度计而言，中国专利CN102175890、CN101625372、CN1570651等已有技术都为提高硅电容式微加速度计的精度做出了努力，使得三明治硅电容式加速度计的精度显著提高。

但是，硅微谐振式加速度计存在温漂大、带宽低、难于闭环、交叉耦合抑制难提高、高精度结构造价昂贵等技术难点，在短时间内制约了精度提高和产品推广。三明治硅电容式加速度计也存在工艺实现难度较高、电气引线困难的问题，从而制约了产品推广和产能，影响了高精度的电路技巧实现。

虽然如此，但由于力敏感的硅微谐振式加速度计从工作原理上不受驱动载波干扰，三明治硅电容式加速度计的结构灵敏度较高，较之传统的梳齿硅电容式加速度计仍然有精度优势。因此，如何对上述两种加速度计的特性进行扬长避短，提供一种抗干扰性好、灵敏度高、易于推广应用的加速度计成为本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于，针对前述现有技术中硅微谐振式加速度计、三明治硅电容式加速度计和梳齿硅电容式加速度计的各自局限与优势，以及硅微陀螺解耦技术的局限与优势，提出一种不受驱动载波干扰、结构灵敏度较高、根据结构特点应用解耦技术、兼容低难度SOG生产工艺、电气引线灵活的硅电容式加速度计。从而在维持其他性能指标相当的前提下，使噪声和抗干扰等性能指标得到明显改善，从而使加速度计精度进一步提高，且更易于低成本大规模生产。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：

一种机械调制的硅电容式加速度计，包括基片、硅片和金属电极，其中：

所述硅片包括中心质量块（100）；所述中心质量块（100）包括内部中频活动部分（601）和围绕在所述内部中频活动部分（601）四周的外部低频活动部分（602），所述内部中频活动部分（601）和外部低频活动部分（602）之间通过梁（701）相连；

所述金属电极包括：位于所述中心质量块附近的质量块电极（101），所述质量块电极（101）通过梁（702）与所述中心质量块（100）相连；位于所述中心质量块附近的反馈负电极（202）、反馈正电极（201）；位于所述内部中频活动部分（601）附近的驱动正电极（501）、驱动负电极（502）、驱动检测正电极（401）、驱动检测负电极（402）、外界加速度检测正电极（301）、外界加速度检测负电极（302）、驱动正电极（501）、驱动负电极（502）、驱动检测正电极（401）和驱动检测负电极（402）。

根据本发明提出的机械调制的硅电容式加速度计，其中，所述质量块电极（101）用于约束活动的中心质量块（100）并将其电信号引出；所述外界加速度检测正电极（301）、外界加速度检测负电极（302）、驱动正电极（501）、驱动负电极（502）、驱动检测正电极（401）、驱动检测负电极（402）、反馈负电极（202）和反馈正电极（201）均为梳状电极。

根据本发明提出的机械调制的硅电容式加速度计，其中，所述内部中频活动部分（601）是由驱动正电极（501）和驱动负电极（502）通过升频驱动方法利用高频电信号来进行驱动的。

根据本发明提出的机械调制的硅电容式加速度计，其中，所述外界加速度检测正电极（301）和外界加速度检测负电极（302）是通过将驱动检测正电极（401）和驱动检测负电极（402）检出的信号作为载波的方式来检测外界加速度的。

根据本发明提出的机械调制的硅电容式加速度计，其中，所述外界加速度检测正电极（301）和外界加速度检测负电极（302）是通过直接检测幅值的方式来检测外界加速度的。

根据本发明提出的机械调制的硅电容式加速度计，其中，所述内部中频活动部分（601）的一阶自振频率高于所述中心质量块（100）的一阶自振频率，且所述内部中频活动部分（601）和所述中心质量块（100）的振型方向相互正交。

根据本发明提出的机械调制的硅电容式加速度计，其中，所述硅电容式加速度计的检测精度通过减小工作气压的方式来提高，且所述检测精度最高与大气压值成反比。

根据本发明提出的机械调制的硅电容式加速度计，其中，所述硅电容式加速度计由SOG生产工艺制成。

根据本发明提出的机械调制的硅电容式加速度计，其中，所述内部中频活动部分（601）和所述外部低频活动部分（602）之间通过解耦结构相连。

与现有技术相比，本发明提出的硅电容式加速度计具有较高的灵敏度和较大的工作带宽范围，其线性度好、工作精度高、电器引线灵活，具有良好的环境适应性，易于低成本大规模生产。

附图说明

图1为本发明实施例的机械结构图。

附图标记说明：100-中心质量块；101-质量块电极；201-反馈正电极；202-反馈负电极；301-外界加速度检测正电极；302-外界加速度检测负电极；401-驱动检测正电极；402-驱动检测负电极；501-驱动正电极；502-驱动负电极；601-内部中频活动部分；602-外部低频活动部分；701-直梁；702-折叠梁。

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付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。

本发明主要是提供了一种机械调制的硅电容式加速度计。现有技术中，硅微谐振式加速度计精度高却存在温漂大、带宽低、难于闭环、交叉耦合抑制难提高、高精度结构造价昂贵等技术难点；三明治硅电容式加速度计精度高但也存在工艺实现难度高和电气引线困难的技术难点；常见梳齿硅电容式加速度计虽然加工工艺简便易行且电气引线灵活，却存在由于梳齿较多易受干扰、灵敏度不够高等技术难点从而制约了其精度提高。正是针对上述所列各类加速度计的局限与优势，本发明才提出一种不受驱动载波干扰、结构灵敏度较高、根据结构特点应用解耦技术、兼容低难度SOG生产工艺、电气引线灵活的硅电容式加速度计，从而在维持其他性能指标相当的前提下，使噪声和抗干扰等性能指标得到明显改善，从而使加速度计精度进一步提高，且更易于低成本大规模生产。下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

请参见图1，本发明的硅电容式加速度计包括中心质量块100及质量块电极101、反馈正电极201、反馈负电极202、外界加速度检测正电极301、外界加速度检测负电极302、驱动检测正电极401、驱动检测负电极402、驱动正电极501和驱动负电极502，上述所有电极均为固定设置。其中，两质量块电极101分别位于中心质量块100的上下两侧，并分别通过两个折叠梁702与中心质量块100相连，从而使得中心质量块100可沿垂直方向上下运动。

中心质量块100又分为位于内部中心的内部中频活动部分601和围绕在内部中频活动部分601四周的外部低频活动部分602，其中内部中频活动部分601和外部低频活动部分602之间通过四个沿上下方向设置的直梁701相连，从而保证内部中频活动部分601可沿着水平方向左右运动。

正常工作时，本发明通过驱动正电极501和驱动负电极502的电压信号产生静电力，驱动内部中频活动部分601沿X轴方向来回振荡。可以通过驱动检测正电极401和驱动检测负电极402来检测内部中频活动部分601的振动情况，并根据检测结果调整驱动正电极501和驱动负电极502上的电压信号，形成控制驱动内部中频活动部分601振动效果的闭环回路。此时，如果外界加速度为零，由于外界加速度检测正电极301和外界加速度检测负电极302的每个齿相对质量块电极100的每个齿的Y方向距离相等，而其X方向的正对面积在振动过程中恒定，故外界加速度检测正电极301和外界加速度检测负电极302相对质量块电极101的电容在内部中频活动部分601的每个振动周期中没有变化。一旦出现Y方向的外界加速度时，中心质量块100会受到惯性力的作用沿Y轴移动，此时虽然外界加速度检测正电极301和外界加速度检测负电极302相对质量块电极101在X方向的正对面积在振动过程中仍然恒定，但由于中心质量块100全体沿Y轴方向移动，两侧的电容在振动过程中的变化不再能相互抵消，故外界加速度检测正电极301和外界加速度检测负电极302相对质量块电极100的电容在内部中频活动部分601的每个振动周期中产生与振动同频的变化且反相。这样，外界输入的沿Y轴方向的加速度信号就被沿X轴方向振动的内部中频活动部分601结构调制了。

至此，可以将该与内部中频活动部分601的振动同频的电容变化信号通过外界加速度检测正电极301和外界加速度检测负电极302直接检出作为加速度计输出，也可以将通过电极301和302检出的电容变化信号作为依据，控制反馈正电极201和反馈负电极202上的电压信号，从而通过反馈正电极201和反馈负电极202产生静电力来抵消外界输入加速度在中心质量块100上产生的惯性力，形成静电力反馈硅电容式加速度计的闭环回路，同时读出所产生的静电力的大小作为加速度计输出，用以表征外界加速度。

本发明在通过所述的外界加速度检测正电极301和外界加速度检测负电极302检测外界加速度时，允许利用驱动检测正电极401和驱动检测负电极402检出的信号提供载波信号的方案，也允许不利用驱动检测正电极401和驱动检测负电极402检出的信号而直接检出幅值的方案。如果应用驱动检测正电极401和驱动检测负电极402检出的信号提供的载波信号，可以评价传感器结构本身对输出信号误差的影响并予以修正；如果不利用驱动检测正电极401和驱动检测负电极402检出的信号而直接检出幅值，则可以提高检测电路的效率。与之相比，常见的硅电容式加速度计后续处理均需要载波信号，因此会对检测精度产生影响。

优选的，本发明中内部中频活动部分601的一阶自振频率高于整体中心质量块100的一阶自振频率，且这两者的振型方向相互正交。使内部中频活动部分601的一阶自振频率高于整体中心质量块100的一阶自振频率是为了通过模态的分离减小两者的相互耦合，使两者的振型方向相互正交则有益于解耦。

优选的，本发明的外部低频活动部分602的结构设计允许兼容梳齿硅电容式加速度计的常见方案，如CN1359007所公开的内容；同时本发明的外部低频活动部分602与内部中频活动部分601之间的连接结构，允许兼容微陀螺的常见解耦方案，如CN1851401所公开的内容。

优选的，本发明的硅电容式加速度计允许在低于一个标准大气压的环境中工作并取得更高精度。由于使用本发明提出的结构，使得常见后续处理电路手段用在本发明的结构上精度得到提高后，硅电容式加速度计的机械噪声占有更多的比重，因此通过减少硅电容式加速度计工作的气压来降低其机械噪声后，可以显著地进一步提高加速度计的精度。为此，本发明允许设计者在布置相对可动的梳齿对时自由选择常见的变面积式结构或变间隙式结构。

另外，由于本发明的结构形式与常见梳齿硅电容式加速度计兼容，故本发明的硅电容式加速度计的制备方法可在提高精度的基础上兼容普遍用于梳齿硅电容式加速度计和微陀螺加工的常见SOG（Silicon On Glass）生产工艺。

综上所述，采用本发明结构的硅电容式加速度计在维持其他性能指标相当的前提下，使噪声和抗干扰等性能指标得到明显改善，从而使加速度计精度进一步提高，且更易于低成本大规模生产。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种机械调制的硅电容式加速度计，包括基片、硅片和金属电极，其特征在于：

所述硅片包括中心质量块（100）；所述中心质量块（100）包括内部中频活动部分（601）和围绕在所述内部中频活动部分（601）四周的外部低频活动部分（602），所述内部中频活动部分（601）和外部低频活动部分（602）之间通过梁（701）相连；

所述金属电极包括：位于所述中心质量块附近的质量块电极（101），所述质量块电极（101）通过梁（702）与所述中心质量块（100）相连；位于所述中心质量块附近的反馈负电极（202）、反馈正电极（201）；位于所述内部中频活动部分（601）附近的驱动正电极（501）、驱动负电极（502）、驱动检测正电极（401）、驱动检测负电极（402）、外界加速度检测正电极（301）、外界加速度检测负电极（302）、、驱动正电极（501）、驱动负电极（502）、驱动检测正电极（401）和驱动检测负电极（402）。

2.根据权利要求1所述的机械调制的硅电容式加速度计，其特征在于，所述质量块电极（101）用于约束活动的中心质量块（100）并将其电信号引出；所述外界加速度检测正电极（301）、外界加速度检测负电极（302）、驱动正电极（501）、驱动负电极（502）、驱动检测正电极（401）、驱动检测负电极（402）、反馈负电极（202）和反馈正电极（201）均为梳状电极。

3.根据权利要求1所述的机械调制的硅电容式加速度计，其特征在于，所述内部中频活动部分（601）是由驱动正电极（501）和驱动负电极（502）通过升频驱动方法利用高频电信号来进行驱动的。

4.根据权利要求1所述的机械调制的硅电容式加速度计，其特征在于，所述外界加速度检测正电极（301）和外界加速度检测负电极（302）是通过将驱动检测正电极（401）和驱动检测负电极（402）检出的信号作为载波的方式来检测外界加速度的。

5.根据权利要求1所述的机械调制的硅电容式加速度计，其特征在于，所述外界加速度检测正电极（301）和外界加速度检测负电极（302）是通过直接检测幅值的方式来检测外界加速度的。

6.根据权利要求1所述的机械调制的硅电容式加速度计，其特征在于，所述内部中频活动部分（601）的一阶自振频率高于所述中心质量块（100）的一阶自振频率，且所述内部中频活动部分（601）和所述中心质量块（100）的振型方向相互正交。

7.根据权利要求1所述的机械调制的硅电容式加速度计，其特征在于，所述硅电容式加速度计的检测精度通过减小工作气压的方式来提高，且所述检测精度最高与大气压值成反比。

8.根据权利要求1所述的机械调制的硅电容式加速度计，其特征在于，所述硅电容式加速度计由SOG生产工艺制成。

9.根据权利要求1所述的机械调制的硅电容式加速度计，其特征在于，所述内部中频活动部分（601）和所述外部低频活动部分（602）之间通过解耦结构相连。