CN107356785A - 一种具有柔性铰链结构的mems扭摆式加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有柔性铰链结构的MEMS扭摆式加速度计，包含至少4个位于硅材料衬底上呈两排排列的敏感单元；每排中相邻的两个敏感单元的质量块经H形柔性铰链连接形成机械耦合，由H形柔性铰链连接的两相邻敏感单元关于H形柔性铰链的转轴呈对称分布，两质量块作同向转动运动；两排之间相邻的两个敏感单元的质量块经X形柔性铰链连接形成机械耦合，由X形柔性铰链连接的两相邻敏感单元关于X形柔性铰链的转轴呈对称分布，两质量块作反向转动运动。本发明的具有柔性铰链结构的MEMS扭摆式加速度计，其优点是易于实现大质量扭摆式敏感结构、降低敏感结构对热应力和衬底变形的敏感性，同时避免了大尺寸质量块平板柔度带来的问题。

Description

一种具有柔性铰链结构的MEMS扭摆式加速度计

技术领域

本发明属于硅微机械传感器技术领域，尤其涉及一种具有柔性铰链结构的MEMS扭摆式加速度计。

背景技术

MEMS(微机电***)加速度计自问世以来，以其体积小、成本低、可靠性高、功耗低、抗恶劣环境能力强、易集成等优点受到了广泛的关注。MEMS电容式加速度计更以其灵敏度高、稳定性好、温度系数低等优良特性，成为当下研制最多、应用最广的MEMS器件之一。目前MEMS加速度计的敏感结构主要有三种结构：三明治摆式加速度计、梳齿式平动式加速度计和扭摆式加速度计。

随着MEMS微惯性测量领域的发展，对MEMS加速度计的精度要求也越来越高。进一步提高MEMS加速度计精度时，首先需要大幅降低机械噪声，机械噪声的主要来源是布朗热噪声，其计算公式为：TNEA＝√(4k_BTω_r/Q/M)，其中k_B是波尔兹曼常数，ω_r是谐振频率，M是敏感结构的有效质量，Q是品质因数，T是绝对温度。实际情况限制了谐振频率、温度、Q值的可改变设计范围，因此降低布朗噪声较为可行的方法是增大敏感质量块的质量；其次，为进一步提高MEMS加速度计的性能，需降低各种应力、变形对敏感结构带来的影响。

扭摆式加速度计，因其敏感质量块绕弹性梁的扭转形似跷跷板而得名，当存在垂直于质量块的加速度输入时，质量块绕弹性梁扭转，从而使敏感质量块下方相应的一对差动电容一个增大一个减小，通过测量差动电容的变化即可得到沿敏感轴输入的加速度。扭摆式加速度计具有单一锚点、灵敏度高等优点，其典型结构为单支点扭摆式结构，为降低布朗噪声，增大敏感质量块的质量有增加质量块厚度和增大质量块尺寸两种方式。增大质量块厚度存在刻蚀深宽比、材料选择比等问题，增加了工艺制作难度。而增大质量块尺寸对于单支点扭摆式结构则存在以下缺点：(1)尺寸较大的敏感质量块因相对较“薄”会带来平板柔度问题，即很难再将质量块理想化为刚性体，平板柔度问题在扭摆式加速度计的闭环力平衡模式中，会导致质量块平板出现两端下沉式的弯曲变形，影响加速度计的闭环非线性；(2)源自材料热膨胀系数不匹配产生的热应力对传感器芯片造成的弯曲变形在所难免，而扭摆式加速度计的敏感下电极通常附着于芯片衬底之上，随芯片一起产生弯曲变形，质量块尺寸越大，分布在其下方的敏感下电极离扭转弹性梁的距离也越大，对热应力造成的变形也更为敏感。

发明内容

发明目的：

为解决单支点扭摆式结构在增大质量块尺寸后带来的上述问题，本发明提出了一种可行的方案为具有柔性铰链结构的多敏感单元耦合结构。多个敏感单元通过柔性铰链耦合成一个面阵质量块整体，其中单个敏感单元即为典型的单支点扭摆结构。面阵质量块通过同频同幅的反向转动来敏感待测加速度。带有柔性铰链结构的多敏感单元耦合结构通过“分而合之”的方式，有效增大了敏感结构的尺寸(质量)，同时避免了大尺寸单支点扭摆结构的上述两个缺点。

技术方案：

一种具有柔性铰链结构的MEMS扭摆式加速度计，其特征是，包含至少4个位于硅材料衬底上呈两排排列的敏感单元；每排中相邻的两个敏感单元的质量块经H形柔性铰链连接形成机械耦合，由H形柔性铰链连接的两相邻敏感单元关于H形柔性铰链的转轴呈对称分布，两质量块作同向转动运动；两排之间相邻的两个敏感单元的质量块经X形柔性铰链连接形成机械耦合，由X形柔性铰链连接的两相邻敏感单元关于X形柔性铰链的转轴呈对称分布，两质量块作反向转动运动。

所述敏感单元为单支点扭摆式结构，包含质量块、弹性梁、中心锚点以及位于质量块下方的第一下电极、第二下电极；所述质量块经两弹性梁悬挂于中心锚点上，质量块的一侧设有凹腔，使质量块位于弹性梁的两侧具有质量差；所述中心锚点固定于所述衬底上。

所述第一下电极、第二下电极附着于衬底上，第一下电极、第二下电极关于弹性梁呈对称分布；第一下电极、第二下电极与质量块之间存有一间隙，形成用于敏感加速度的一对差动电容。

所述间隙的值为1～3μm。

各个敏感单元的第一下电极、第二下电极分别连接在一起形成电学连接。

所述X形柔性铰链包括外连端、中心动支点、相互垂直的第一柔性梁和第二柔性梁；X形柔性铰链为关于中心动支点的对称结构；所述外连端用于与质量块相连，所述第一柔性梁的一端与外连端相连，另一端与第二柔性梁的一端相连，第二柔性梁的另一端连接至中心动支点。

所述H形柔性铰链包括连接端、第三柔性梁和中心连接点；H形柔性铰链为关于中心连接点的对称结构，所述连接端用于与质量块相连，所述第三柔性梁的一端与连接端相连，另一端连接至中心连接点。

所述敏感单元的数量为4个、6个或8个。

有益效果：

本发明的具有柔性铰链结构的MEMS扭摆式加速度计，其优点是易于实现大质量扭摆式敏感结构、降低敏感结构对热应力和衬底变形的敏感性，同时避免了大尺寸质量块平板柔度带来的问题。

附图说明

图1为本发明所述一种具有柔性铰链结构的MEMS扭摆式加速度计的整体示意图。

图2为本发明所述一种具有柔性铰链结构的MEMS扭摆式加速度计的四敏感单元耦合结构示意图。

图3为本发明所述一种具有柔性铰链结构的MEMS扭摆式加速度计的敏感单元结构示意图。

图4为本发明所述一种具有柔性铰链结构的MEMS扭摆式加速度计的H形柔性铰链结构示意图。

图5为本发明所述一种具有柔性铰链结构的MEMS扭摆式加速度计的X形柔性铰链结构示意图。

图6为本发明所述一种具有柔性铰链结构的MEMS扭摆式加速度计的反向转动模态图。

图7为本发明所述一种具有柔性铰链结构的MEMS扭摆式加速度计的同向转动模态图。

图8为本发明所述一种具有柔性铰链结构的MEMS扭摆式加速度计的八敏感单元耦合结构示意图。

图中，1为四敏感单元耦合结构，3为衬底。1e为第一敏感单元，2e为第二敏感单元，3e为第三敏感单元，4e为第四敏感单元。11为质量块，12为弹性梁，13为中心锚点，14为凹腔；25a为第一下电极，25b为第二下电极；3x为X形柔性铰链，37为外连端，33为第一柔性梁，35为第二柔性梁，39为中心“动支点”。4h为H形柔性铰链，47为连接端，45为第三柔性梁，49为中心连接点；16为压焊座。

具体实施方式

以下结合附图以一种具有柔性铰链结构的MEMS扭摆式加速度计为例对本发明进行详细说明。

一种具有柔性铰链结构的MEMS扭摆式加速度计，整体示意图如图1所示，其含有一衬底3，所述衬底3通常为半导体硅材料，可选用SOI(绝缘层上硅)硅片的底层硅作为该衬底3，衬底3厚度380μm左右。衬底3上制作有四个敏感单元，按照直角坐标系四个象限分别为第一敏感单元1e、第二敏感单元2e、第三敏感单元3e、第四敏感单元4e，四个敏感单元呈矩形分布。

所述敏感单元如图3所示，为单支点扭摆式结构，由质量块11、弹性梁12、中心锚点13、以及位于质量块11下方的第一下电极25a、第二下电极25b组成。第一下电极25a、第二下电极25b、中心锚点13附着在衬底3上，由SOI硅片的顶层硅经两次刻蚀形成，顶层硅厚度5μm，第一次刻蚀形成中心锚点13形貌，刻蚀深度即为下电极与质量块11之间的间隙，第二次刻蚀形成下电极形貌。SOI硅片的顶层硅与底层硅之间存有2μm左右的二氧化硅埋氧层，该埋氧层作为介质绝缘层，将第一下电极25a、第二下电极25b、中心锚点13与衬底3之间形成电绝缘。第一下电极25a、第二下电极25b关于弹性梁12呈对称分布，第一下电极25a、第二下电极25b与质量块11之间的间隙为2μm左右，自此形成用于敏感加速度的一对差动电容。另取一顶层硅厚度75μm的SOI硅片，采用硅硅键合将该SOI硅片的顶层硅面与形成下电极的SOI硅片键合在一起，去除SOI硅片的底层硅和埋氧层后，经两次干法刻蚀，释放形成质量块11、弹性梁12、中心锚点13、X形柔性铰链3x、H形柔性铰链4h以及凹腔14，第一次刻蚀深度为25μm，此过程中，凹腔14图形表面覆盖有一层氧化硅保护层，第二次刻蚀前，先腐蚀去除凹腔14图形表面的氧化硅保护层，接着在第一次刻蚀的基础上，再刻蚀50μm至结构被完全释放，此时凹腔14深度为50μm。释放后的质量块11经两弹性梁12悬挂于中心锚点13，中心锚点13则固定于衬底3之上。凹腔14位于质量块11的一侧，以使质量块11两侧具有质量差，当衬底3沿着垂直于质量块11的方向被加速时，质量块11绕弹性梁12发生偏转，待测加速度信号转化为差动电容的电容变化信号。

如图2所示，第一敏感单元1e、第二敏感单元2e的质量块11分别与第四敏感单元4e、第三敏感单元3e的质量块11经H形柔性铰链4h连接形成机械耦合，由H形柔性铰链4h连接的两相邻敏感单元关于H形柔性铰链4h的转轴呈对称分布，耦合后的两质量块11作同向转动运动；第一敏感单元1e、第四敏感单元4e的质量块11分别与第二敏感单元2e、第三敏感单元3e的质量块11经X形柔性铰链3x连接形成机械耦合，由X形柔性铰链3x连接的两相邻敏感单元关于X形柔性铰链3x的转轴呈对称分布，经耦合的两质量块11作反向转动运动。至此，通过两个X形柔性铰链3x和两个H形柔性铰链4h的耦合连接，四个质量块11耦合成为一个大的面阵质量块。在敏感加速度时，该面阵质量块作为整体作同频同幅的反向转动运动，如图6所示，即反向转动为工作模态。

如图1所示，四个敏感单元的第一下电极25a、第二下电极25b分别连接在一起形成电学连接，组成一对差分电极，由下电极引线引出至相应的压焊座16。面阵质量块反向转动(图6所示)时，差动电容输出差模量，而图7所示面阵质量块的同向转动对于该差动电容则属于共模量。

图5为X形柔性铰链3x的结构示意图，由外连端37、第一柔性梁33、第二柔性梁35和中心“动支点”39组成。X形柔性铰链3x为关于中心“动支点”39的对称结构，外连端37与质量块11相连，第一柔性梁33的一端与外连端37相连，另一端与第二柔性梁35的一端相连，第二柔性梁35的另一端连接至中心“动支点”39。第一柔性梁33垂直于第二柔性梁35。第一柔性梁33、第二柔性梁35分别发生弯曲和扭转变形，实现X形柔性铰链3x绕e2轴的转动。面阵质量块绕e2轴的反向转动(图6)为工作模态，同向转动模态(图7)为寄生模态。为反向转动模态提供刚度的弹性部件为第二柔性梁35与敏感单元的弹性梁12，第二柔性梁35提供扭转刚度K2，弹性梁12提供扭转刚度Kt，反向转动模态的谐振频率可表示为：

n为敏感单元的数量，此处取n＝4，I为质量块11的转动惯量。而为同向转动模态提供刚度的弹性部件为第一柔性梁33、第二柔性梁35与敏感单元的弹性梁12，其中第一柔性梁33提供弯曲刚度K₁，第二柔性梁35提供扭转刚度K₂，弹性梁12提供扭转刚度K_t，同向转动模态的谐振频率表示为：

由上述两公式可知，同向转动模态的谐振频率总是高于反向转动模态，这正是我们所期望的模态分布。通过优化第一柔性梁33的尺寸，比如缩短其长度，可将同向转动模态的谐振频率远高于反向转动模态。图6、图7为基于ANSYS有限元仿真软件的模态分析结果，其中一阶反向转动模态频率为3500Hz，二阶同向转动模态频率为18500Hz，二阶寄生模态频率五倍于一阶工作模态频率，实现了较好的模态设计。

图4为H形柔性铰链4h的结构示意图，由连接端47，第三柔性梁45，中心连接点49组成。H形柔性铰链4h为关于中心连接点49的对称结构，连接端47与质量块11相连，所述第三柔性梁45的一端与连接端47相连，另一端连接至中心连接点49。第三柔性梁45发生扭转变形时，H形柔性铰链4h可实现绕e1轴的转动，图4所示。H形柔性铰链4h除了耦合被其连接的两个质量块11外，还被用于释放面阵质量块上的应力，由于面阵质量块由四个敏感单元组成，面阵质量块也因此而具有四个锚点，多锚点敏感结构对其所在衬底3上的应力较为敏感。借助H形柔性铰链4h的第三柔性梁45和X形柔性铰链3x的第二柔性梁35产生的扭转变形，可使各敏感单元绕柔性铰链结构的转轴产生微小的偏转，从而释放源自衬底3的应力，缓减应力对敏感结构的影响。

该具有柔性铰链结构的MEMS扭摆式加速度计，其敏感单元的数量还可以是六个、八个，如图8所示，适用于拥有较高谐振频率的具有柔性铰链结构的MEMS扭摆式加速度计。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种具有柔性铰链结构的MEMS扭摆式加速度计，其特征是，包含至少4个位于硅材料衬底上呈两排排列的敏感单元；每排中相邻的两个敏感单元的质量块经H形柔性铰链连接形成机械耦合，由H形柔性铰链连接的两相邻敏感单元关于H形柔性铰链的转轴呈对称分布，两质量块作同向转动运动；两排之间相邻的两个敏感单元的质量块经X形柔性铰链连接形成机械耦合，由X形柔性铰链连接的两相邻敏感单元关于X形柔性铰链的转轴呈对称分布，两质量块作反向转动运动。

2.根据权利要求1所述的一种具有柔性铰链结构的MEMS扭摆式加速度计，其特征是，

所述敏感单元为单支点扭摆式结构，包含质量块、弹性梁、中心锚点以及位于质量块下方的第一下电极、第二下电极；所述质量块经两弹性梁悬挂于中心锚点上，质量块的一侧设有凹腔，使质量块位于弹性梁的两侧具有质量差；所述中心锚点固定于所述衬底上。

3.根据权利要求2所述的一种具有柔性铰链结构的MEMS扭摆式加速度计，其特征是，所述第一下电极、第二下电极附着于衬底上，第一下电极、第二下电极关于弹性梁呈对称分布；第一下电极、第二下电极与质量块之间存有一间隙，形成用于敏感加速度的一对差动电容。

4.根据权利要求3所述的一种具有柔性铰链结构的MEMS扭摆式加速度计，其特征是，所述间隙的值为1～3μm。

5.根据权利要求2所述的一种具有柔性铰链结构的MEMS扭摆式加速度计，其特征是，各个敏感单元的第一下电极、第二下电极分别连接在一起形成电学连接。

6.根据权利要求1所述的一种具有柔性铰链结构的MEMS扭摆式加速度计，其特征是，所述X形柔性铰链包括外连端、中心动支点、相互垂直的第一柔性梁和第二柔性梁；X形柔性铰链为关于中心动支点的对称结构；所述外连端用于与质量块相连，所述第一柔性梁的一端与外连端相连，另一端与第二柔性梁的一端相连，第二柔性梁的另一端连接至中心动支点。

7.根据权利要求1所述的一种具有柔性铰链结构的MEMS扭摆式加速度计，其特征是，所述H形柔性铰链包括连接端、第三柔性梁和中心连接点；H形柔性铰链为关于中心连接点的对称结构，所述连接端用于与质量块相连，所述第三柔性梁的一端与连接端相连，另一端连接至中心连接点。

8.根据权利要求1所述的一种具有柔性铰链结构的MEMS扭摆式加速度计，其特征是，所述敏感单元的数量为4个、6个或8个。