CN109270298A - Mems加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种MEMS加速度计，包括基底、两个支撑体、第一敏感结构、第二敏感结构以及用于连接第二敏感结构和第一敏感结构的承重梁。两个支撑体固定于基底表面，且相对间隔设置。承重梁架设于两个支撑体之间，且与两个支撑体分别固定连接。两个支撑体所在直线与承重梁垂直。本发明减少了锚点数量，避免多个锚点之间的热应力对第一敏感结构和第二敏感结构产生影响。基底产生的热应力通过两个支撑体传递到承重梁时，热应力在承重梁上的趋势表现在两个支撑体的所在直线上，与第一敏感结构与第二敏感结构的测量方向垂直，因此可以避免对测量结果产生影响。

Description

MEMS加速度计

技术领域

本发明涉及MEMS技术领域，特别是涉及一种MEMS加速度计。

背景技术

微机电***(Micro Electromechanical Systems，简称MEMS)是指关键结构尺寸在微米量级的机械电子***，集微机械结构、信号处理与控制电路、高性能电子集成器件等于一体，被誉为21世纪带有革命性的高新技术。随着微机械加工技术的发展，微机械惯性传感器在惯性导航领域发挥着越来越重要的作用。微机械加速度计凭借其体积小、功耗低、成本低等优势在很多领域已逐步取代传统加速度计。

MEMS加速度计常用硅、二氧化硅和玻璃等作为结构材料，采用硅-玻璃(SiliconOn Glass,SOG)或硅-绝缘体(Silicon On Insulator,SOI)的结构形式及相关工艺进行微加工，最后通过粘接或焊接的方法固定到封装管壳内。由于硅、玻璃、粘接剂、管壳基底等部件材料热膨胀系数不一致，在环境温度变化时，加速度计的敏感结构会受到热应力，导致输出信号产生温度漂移(由温度变化所引起的半导体器件参数的变化是产生器件输出漂移现象的主要原因，简称温漂。)。因此，传统的MEMS加速度计受热应力的影响有损长期稳定性。

发明内容

基于此，有必要针对传统的MEMS加速度计受热应力的影响有损长期稳定性的问题，提供一种MEMS加速度计。

一种MEMS加速度计，包括：

基底；

两个支撑体，固定于所述基底表面，且相对间隔设置；

第一敏感结构、第二敏感结构以及用于连接所述第二敏感结构和所述第一敏感结构的承重梁，所述承重梁架设于所述两个支撑体之间，且与所述两个支撑体分别固定连接，所述两个支撑体所在直线与所述承重梁垂直。

在其中一个实施例中，所述第一敏感结构与所述第二敏感结构的结构相同且对称设置。

在其中一个实施例中，所述两个支撑体设置于所述第一敏感结构和所述第二敏感结构的对称轴。

在其中一个实施例中，所述第一敏感结构包括第一隔离框，设置于所述第一敏感结构的周缘；

所述第二敏感结构包括第二隔离框，设置于所述第二敏感结构的周缘，所述第二隔离框通过所述承重梁连接所述第一隔离框。

在其中一个实施例中，所述第一敏感结构还包括质量块和至少一对支承梁，所述质量块通过所述支承梁与所述第一隔离框连接，所述至少一对支承梁相对设置于所述质量块远离所述承重梁的两侧，所述支承梁的形变方向与所述承重梁的延伸方向平行。

在其中一个实施例中，所述第一敏感结构还包括杠杆以及谐振器，所述谐振器一端与所述第一隔离框连接，另一端与所述杠杆连接，所述杠杆远离所述谐振器的一端与所述质量块连接，所述杠杆用于将所述质量块的力放大后传递给所述谐振器。

在其中一个实施例中，所述杠杆的数量为两个且对称设置，所述杠杆包括：

杠杆输入梁，一端与所述质量块连接；

杠杆主体梁，一端与所述杠杆输入梁远离所述质量块的端部连接，所述杠杆主体梁的延伸方向与所述支承梁的形变方向垂直；

杠杆输出梁，一端连接于所述杠杆主体梁远离所述杠杆输入梁的另一端，另一端与所述谐振器连接；

杠杆支点，靠近所述杠杆输出梁设置于所述杠杆主体梁；及

支点固定梁，连接于所述杠杆支点与所述第一隔离框之间。

在其中一个实施例中，所述谐振器包括：

两个平行设置的谐振梁，一端与所述杠杆输出梁连接，另一端与所述第一隔离框连接；

两个连接梁，分别设置于所述谐振梁的两端，且连接于所述两个谐振梁之间；

多个第一动梳齿，设置于所述谐振梁；及

多个第一静梳齿，固定于所述基底，且与所述多个动梳齿叉指状分布。

在其中一个实施例中，所述的MEMS加速度计包括多个固定块，固定于所述基底，所述第一静梳齿设置于所述固定块。

在其中一个实施例中，所述第一敏感结构包括：

多个第二动梳齿，设置于所述质量块；及

多个第二静梳齿，固定于所述基底，且与所述多个第二动梳齿叉指状分布。

在其中一个实施例中，所述的MEMS加速度计包括：

第一金属层，夹设于所述支撑体与所述基底之间，连接所述基底与所述支撑体；

第二金属层，夹设于所述固定块与所述基底之间，用于连接所述基底与所述固定块。

上述MEMS加速度计，包括基底、两个支撑体、第一敏感结构、第二敏感结构以及承重梁。所述第一敏感结构和所述第二敏感结构与所述基底通过所述两个支撑体进行连接，减少了所述第一敏感结构和所述第二敏感结构与所述基底之间的连接点的数量，避免多连接点之间的热应力对所述第一敏感结构和所述第二敏感结构产生影响。所述基底产生的热应力通过所述两个支撑体传递到所述承重梁时，所述热应力在所述承重梁上的趋势表现在所述两个支撑体的所在直线上，与所述第一敏感结构与所述第二敏感结构的测量方向垂直，因此可以避免对测量结果产生影响。且本申请采用两个支撑体，使所述第一敏感结构与所述第二敏感结构在生产流片过程中更加牢固，增加了成品率。

附图说明

图1为本申请一实施例提供的MEMS加速度计的俯视示意图；

图2为本申请一实施例提供的MEMS加速度计的主视示意图；

图3为本申请一实施例提供的MEMS加速度计的侧视示意图；

图4为本申请另一实施例提供的MEMS加速度计的俯视示意图。

附图标号说明书

10 MEMS加速度计

100 基底

200 支撑体

300 第一敏感结构

310 第一隔离框

320 质量块

330 支承梁

340 杠杆

341 杠杆输入梁

342 杠杆主体梁

343 杠杆输出梁

344 杠杆支点

345 支点固定梁

350 谐振器

351 谐振梁

352 连接梁

353 第一动梳齿

354 第一静梳齿

360 第二动梳齿

370 第二静梳齿

400 第二敏感结构

410 第二隔离框

500 承重梁

600 固定块

710 第一金属层

720 第二金属层

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参见图1。本申请一实施例提供一种MEMS加速度计10，包括基底100、两个支撑体200、第一敏感结构300、第二敏感结构400以及用于连接所述第二敏感结构400和所述第一敏感结构300的承重梁500。所述两个支撑体200固定于所述基底100表面，且相对间隔设置。所述承重梁500架设于所述两个支撑体200之间，且与所述两个支撑体200分别固定连接。所述两个支撑体200所在直线与所述承重梁500垂直。

在一个实施例中，所述基底100可以为玻璃或二氧化硅。在一个实施例中，所述基底100表面可以设置金属引线层，并通过所述两个支撑体200与所述第一敏感结构300和所述第二敏感结构400电连接。在一个实施例中，所述两个支撑体200与所述承重梁500可以一体设置。在一个实施例中，所述第一敏感结构300、所述第二敏感结构400以及所述承重梁500可以一体设置。在一个实施例中，所述第一敏感结构300、所述第二敏感结构400以及所述承重梁500的材质可以为硅，并通过刻蚀得到对应的形状。可以理解，所述第一敏感结构300和所述第二敏感结构400用于检测加速度。

可以理解，所述两个支撑体200用于将所述第一敏感结构300、第二敏感结构400以及所述承重梁500悬空。所述两个支撑体200即为两个锚点。所述两个支撑体200的形状、大小不限，可以根据实际需要进行设置。在一个实施例中，所述支撑体200可以为柱状。可以理解，所述第一敏感结构300与所述第二敏感结构400是所述MEMS加速度计10为了减小共模误差，采用的差动结构。将所述第一敏感结构300与所述第二敏感结构400的检测结果进行对比或协同处理，可以使得检测结果更加精确。

在本实施例中，所述第一敏感结构300和所述第二敏感结构400与所述基底100通过所述两个支撑体200进行连接，减少了锚点数量，避免多个锚点之间的热应力对所述第一敏感结构300和所述第二敏感结构400产生影响。所述基底100产生的热应力通过所述两个支撑体200传递到所述承重梁500时，所述热应力在所述承重梁500上的趋势表现在所述两个支撑体200的所在直线上，与所述第一敏感结构300与所述第二敏感结构400的测量方向垂直，因此可以避免对测量结果产生影响。所述第一敏感结构300与所述第二敏感结构400之间只通过所述承重梁500相连，接触面积小，可以尽量避免所述第一敏感结构300与所述第二敏感结构400之间的机械耦合。

在一个实施例中，所述承重梁500的数量为两个且间隔设置，一个所述承重梁500连接于所述第一敏感结构300与所述两个支撑体200之间，另一个所述承重梁500连接于所述第二敏感结构400与所述两个支撑体200之间。在本实施例中，所述第一敏感结构300与所述第二敏感结构400之间完全隔断，从而避免了所述第一敏感结构300与所述第二敏感结构400之间的机械耦合，使测量结果更精确。

在一个实施例中，所述第一敏感结构300与所述第二敏感结构400的结构相同且对称设置。在本实施例中，得到所述第一敏感结构300和所述第二敏感结构400的测量结构后，通过减法可以减少共模误差，从而使测量结果更精确。可以理解，所述第一敏感结构300与所述第二敏感结构400轴对称设置。在所述第二敏感结构400与所述第一敏感结构300相同的情况下，只需要对所述第一敏感结构300进行说明即可。

在一个实施例中，所述两个支撑体200设置于所述第一敏感结构300和所述第二敏感结构400的对称轴。可以理解，所述承重梁500的中心点设置于所述第一敏感结构300和所述第二敏感结构400的对称轴的中心点。所述第一敏感结构300与所述第二敏感结构400的对称轴即为所述两个支撑体200所在直线。在本实施例中，一方面可以使所述MEMS加速度计10的结构更加规律，从而有利于生产流程的简单化。另一方面，可以使所述MEMS加速度计10的结构更加稳定。

在一个实施例中，所述第一敏感结构300包括第一隔离框310。所述第一隔离框310设置于所述第一敏感结构300的周缘。所述第二敏感结构400包括第二隔离框410。所述第二隔离框410设置于所述第二敏感结构400的周缘。所述第二隔离框410通过所述承重梁500连接所述第一隔离框310。在本实施例中，所述第一隔离框310和所述第二隔离框410可以用于隔离所述基底100传递的热应力，还可以用于隔离所述第一敏感结构300与所述第二敏感结构400之间的影响，从而使测量结果更精确。

在一个实施例中，所述第一敏感结构300还包括质量块320和至少一对支承梁330。所述质量块320通过所述支承梁330与所述第一隔离框310连接。所述至少一对支承梁330相对设置于所述质量块320远离所述承重梁500的两侧。所述支承梁330的形变方向与所述承重梁500的延伸方向平行。在一个实施例中，所述支承梁330可以为U形梁。在一个实施例中，所述第一敏感结构300还包括两对所述支承梁330，分别相对设置于所述质量块320远离所述承重梁500的两侧。

在本实施例中，所述支承梁330可以使所述质量块320随着加速度的变化，在所述支承梁330的形变方向上移动，从而根据所述质量块320的移动距离得到加速度。

在一个实施例中，所述支承梁330与所述第一隔离框310连接的一端垂直于所述第一隔离框310，且平行于所述第一敏感结构300与所述第二敏感结构400的对称轴。可以在所述第一敏感结构300所在平面建立坐标系，所述第一敏感结构300与所述第二敏感结构400的对称轴所在直线为X轴，与所述对称轴垂直的方向为Y轴。在本实施例中，所述支承梁330在Y向的刚度小，而在X向的刚度较大，可以减小Y向的惯性力在所述支承梁330上的损耗，同时减少了X、Y方向的轴间耦合，使加速度测量结果更精确。

在一个实施例中，所述第一敏感结构300还包括杠杆340以及谐振器350。所述谐振器350一端与所述第一隔离框310连接，另一端与所述杠杆340连接。所述杠杆340远离所述谐振器350的一端与所述质量块320连接。所述杠杆340用于将所述质量块320的力放大后传递给所述谐振器350。在本实施例中，所述杠杆340可以放大所述质量块320由于移动产生的力至所述谐振器350，从而使所述谐振器350更容易检测到形变，增强敏感度。

在一个实施例中，所述杠杆340的数量为两个且对称设置。所述杠杆340包括杠杆输入梁341、杠杆主体梁342、杠杆输出梁343、杠杆支点344以及支点固定梁345。所述杠杆输入梁341一端与所述质量块320连接。所述杠杆主体梁342一端与所述杠杆输入梁341远离所述质量块320的端部连接。所述杠杆主体梁342的延伸方向与所述支承梁330的形变方向垂直。所述杠杆输出梁343一端连接于所述杠杆主体梁342远离所述杠杆输入梁341的另一端，另一端与所述谐振器350连接。所述杠杆支点344靠近所述杠杆输出梁343设置于所述杠杆主体梁342。所述支点固定梁345连接于所述杠杆支点344与所述第一隔离框310之间。

在本实施例中，所述质量块320施加的力通过所述杠杆输入梁341传递到所述杠杆主体梁342。所述杠杆主体梁342通过所述杠杆支点344的作用使力增大后传递给所述杠杆输出梁343。所述杠杆输出梁343将增大后的力传递给所述谐振器350，影响所述谐振器350的谐振频率。通过测量谐振频率的变化，可以得到加速度。

在一个实施例中，所述谐振器350可以为双端固定音叉结构。在一个实施例中，所述谐振器350包括两个平行设置的谐振梁351、两个连接梁352、多个第一动梳齿353以及多个第一静梳齿354。所述谐振梁351一端与所述杠杆输出梁343连接，另一端与所述第一隔离框310连接。所述两个连接梁352分别设置于所述谐振梁351的两端，且连接于所述两个谐振梁351之间。所述多个第一动梳齿353设置于所述谐振梁351。所述多个第一静梳齿354固定于所述基底100，且与所述多个动梳齿叉指状分布。

可以理解，所述第一动梳齿353与所述第一静梳齿354分别连接正负电极。在一个实施例中，所述谐振梁351两侧分别具有多对动、静梳齿对。可以理解，每个所述第一动梳齿353与相邻的所述第一静梳齿354之间形成差动电容。所述第一静梳齿354可以作为驱动电极(驱动所述谐振梁351振动)和检测电极(检测所述谐振梁351的谐振频率)，具体信号可以通过外部电路进行分离。在一个实施例中，所述多个第一动梳齿353可以通过梳齿架固定于所述谐振梁351。所述谐振梁351可以在所述第一动梳齿353的延伸方向振动。

在本实施例中，所述谐振梁351受到所述杠杆输出梁343传递的力后谐振频率发生改变，从而测量得到加速度。

请一并参见图3。在一个实施例中，所述MEMS加速度计10包括多个固定块600，固定于所述基底100。可以理解，所述第一静梳齿354设置于所述固定块600。所述固定块600用于固定所述第一静梳齿354的位置。所述固定块600还可以使所述第一静梳齿354连接所述基底100的导线，以连接电极。在一个实施例中，所述固定块600可以为导体。在一个实施例中，所述固定块600表面设置有金属涂层。

请一并参见图4。在一个实施例中，所述第一敏感结构300包括多个第二动梳齿360和多个第二静梳齿370。所述多个第二动梳齿360设置于所述质量块320。所述多个第二静梳齿370固定于所述基底100，且与所述多个第二动梳齿360叉指状分布。在一个实施例中，所述第二静梳齿370可以通过锚点固定于所述基底100，且与所述基底100表面的金属引线电连接。所述锚点也可以为所述固定块600。

在本实施例中，可以形成MEMS电容式加速度计，通过质量块320的移动引起电容的变化，从而测量得到加速度。

在一个实施例中，所述MEMS加速度计10包括第一金属层710和第二金属层720。所述第一金属层710夹设于所述支撑体200与所述基底100之间，连接所述基底100与所述支撑体200。所述第二金属层720，夹设于所述固定块600与所述基底100之间，用于连接所述基底100与所述固定块600。在一个实施例中，所述第一金属层710和所述第二金属层720可以溅射于所述基底100表面。在一个实施例中，所述支撑体200可以通过键合固定于所述第一金属层710上。所述固定块600可以键合于所述第二金属层720上。在一个实施例中，所述第一金属层710和所述第二金属层720可以为同一材质。在一个实施例中，所述第一金属层710和所述第二金属层720可以为纯金属(比如铜、金、镍)或合金。

在本实施例中，通过所述第一金属层710和所述第二金属层720分别将所述支撑体200和所述固定块600固定于所述基底100，使上下层结构更加牢固，增加了整体结构的稳定性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (11)

1.一种MEMS加速度计，其特征在于，包括：

基底(100)；

两个支撑体(200)，固定于所述基底(100)表面，且相对间隔设置；

第一敏感结构(300)、第二敏感结构(400)以及用于连接所述第二敏感结构(400)和所述第一敏感结构(300)的承重梁(500)，所述承重梁(500)架设于所述两个支撑体(200)之间，且与所述两个支撑体(200)分别固定连接，所述两个支撑体(200)所在直线与所述承重梁(500)垂直。

2.根据权利要求1所述的MEMS加速度计，其特征在于，所述第一敏感结构(300)与所述第二敏感结构(400)的结构相同且对称设置。

3.根据权利要求2所述的MEMS加速度计，其特征在于，所述两个支撑体(200)设置于所述第一敏感结构(300)和所述第二敏感结构(400)的对称轴。

4.根据权利要求2所述的MEMS加速度计，其特征在于，所述第一敏感结构(300)包括第一隔离框(310)，设置于所述第一敏感结构(300)的周缘；

所述第二敏感结构(400)包括第二隔离框(410)，设置于所述第二敏感结构(400)的周缘，所述第二隔离框(410)通过所述承重梁(500)连接所述第一隔离框(310)。

5.根据权利要求4所述的MEMS加速度计，其特征在于，所述第一敏感结构(300)还包括质量块(320)和至少一对支承梁(330)，所述质量块(320)通过所述支承梁(330)与所述第一隔离框(310)连接，所述至少一对支承梁(330)相对设置于所述质量块(320)远离所述承重梁(500)的两侧，所述支承梁(330)的形变方向与所述承重梁(500)的延伸方向平行。

6.根据权利要求5所述的MEMS加速度计，其特征在于，所述第一敏感结构(300)还包括杠杆(340)以及谐振器(350)，所述谐振器(350)一端与所述第一隔离框(310)连接，另一端与所述杠杆(340)连接，所述杠杆(340)远离所述谐振器(350)的一端与所述质量块(320)连接，所述杠杆(340)用于将所述质量块(320)的力放大后传递给所述谐振器(350)。

7.根据权利要求6所述的MEMS加速度计，其特征在于，所述杠杆(340)的数量为两个且对称设置，所述杠杆(340)包括：

杠杆输入梁(341)，一端与所述质量块(320)连接；

杠杆主体梁(342)，一端与所述杠杆输入梁(341)远离所述质量块(320)的端部连接，所述杠杆主体梁(342)的延伸方向与所述支承梁(330)的形变方向垂直；

杠杆输出梁(343)，一端连接于所述杠杆主体梁(342)远离所述杠杆输入梁(341)的另一端，另一端与所述谐振器(350)连接；

杠杆支点(344)，靠近所述杠杆输出梁(343)设置于所述杠杆主体梁(342)；及

支点固定梁(345)，连接于所述杠杆支点(344)与所述第一隔离框(310)之间。

8.根据权利要求7所述的MEMS加速度计，其特征在于，所述谐振器(350)包括：

两个平行设置的谐振梁(351)，一端与所述杠杆输出梁(343)连接，另一端与所述第一隔离框(310)连接；

两个连接梁(352)，分别设置于所述谐振梁(351)的两端，且连接于所述两个谐振梁(351)之间；

多个第一动梳齿(353)，设置于所述谐振梁(351)；及

多个第一静梳齿(354)，固定于所述基底(100)，且与所述多个动梳齿(354)叉指状分布。

9.根据权利要求8所述的MEMS加速度计，其特征在于，包括多个固定块(600)，固定于所述基底(100)，所述第一静梳齿(354)设置于所述固定块(600)。

10.根据权利要求5所述的MEMS加速度计，其特征在于，所述第一敏感结构(300)包括：

多个第二动梳齿(360)，设置于所述质量块(320)；及

多个第二静梳齿(370)，固定于所述基底(100)，且与所述多个第二动梳齿(360)叉指状分布。

11.根据权利要求1所述的MEMS加速度计，其特征在于，包括：

第一金属层(710)，夹设于所述支撑体(200)与所述基底(100)之间，连接所述基底(100)与所述支撑体(200)；

第二金属层(720)，夹设于所述固定块(600)与所述基底(100)之间，用于连接所述基底(100)与所述固定块(600)。