CN206321662U - 一种mems双轴加速度计 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种MEMS双轴加速度计，所述加速度计由下到上依次包括：基片、绝缘层、敏感器件层；敏感器件层包括：固定框架、折叠梁、敏感质量块、梳齿组合、锚点；其中，固定框架通过绝缘层固定在基片上，敏感质量块的4个端角分别设有一对折叠梁，每对折叠梁的中线正交，折叠梁的一端与固定框架连接，折叠梁的另一端与敏感质量块连接；敏感质量块四周分布有多个梳齿组合，梳齿组合包括：固定梳齿和可动梳齿，固定梳齿一端与固定框架连接，可动梳齿一端与敏感质量块连接，实现了电容式MEMS双轴加速度计灵敏度高、正交误差小的技术效果。

Description

一种MEMS双轴加速度计

技术领域

本实用新型涉及MEMS加速度计设计研究领域，具体地，涉及一种MEMS双轴加速度计。

背景技术

MEMS加速度计被广泛应用在消费电子、汽车工业、航空军事等诸多领域，并且随着微电子技术的发展以及微机械制造技术的不断进步，MEMS加速度计在可穿戴设备、无人机、物联网(IoT)、振动及导航等传感领域也体现出了极为重要的价值，具有广阔的市场前景。

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，根据其检测原理不同可分为压阻式、压电式、谐振式、隧穿电流式和电容式，对于温度系数、分辨率、精度等要求较高的低g加速度计一般采用电容式检测。

电容式加速度计主要分为梳齿式和平板式两种，平板式加速度计主要存在以下几个问题：需要双面光刻、键合，加工难度大，若降低器件热噪声，提高精度，还必须进行真空封装，封装成本高，重复性差，器件成品率低。梳齿式加速度计(变面积型/变间距型)无需双面光刻，加工工艺简单，可通过在质量块上制作阻尼孔降低器件热噪声，可进行常压封装，制造成本低，工艺成熟，可实现批量生产。

传统的加速度计多为单矢量检测的单轴传感器，随着传感器应用环境的不断改变，单轴加速度计已不能满足应用需求，需要采用双轴的加速度计，而传统的双轴加速度计采用将两个单轴加速度计正交地封装起来，这必然引入较大的正交误差，影响传感器精度，同时装配困难、器件体积大、制造成本高；已有的双轴加速度计技术方案有采用梳齿变面积型结构和采用正交蛇形支撑梁梳齿结构来进行双轴加速度测量，这两种方案不足的是：前者构成的加速度计灵敏度较低，分辨率较差，后者构成的加速度计会产生较大的交叉灵敏度，稳定性差。

实用新型内容

本实用新型提供了一种MEMS双轴加速度计，解决了现有的双轴加速度计灵敏度低、交叉灵敏大的技术问题，实现了电容式MEMS双轴加速度计灵敏度高、正交误差小的技术效果。

为解决上述技术问题，本申请提供了一种MEMS双轴加速度计，所述加速度计由下到上依次包括：

基片、绝缘层、敏感器件层；敏感器件层包括：固定框架、折叠梁、敏感质量块、梳齿组合、锚点；其中，固定框架通过锚点固定在基片上，敏感质量块的4个端角分别设有一对折叠梁，每对折叠梁的中线正交，折叠梁的一端与固定框架连接，折叠梁的另一端与敏感质量块连接；敏感质量块四周分布有多个梳齿组合，梳齿组合包括：固定梳齿和可动梳齿，固定梳齿一端与固定框架连接，可动梳齿一端与敏感质量块连接。

其中，所述敏感质量块可通过设计改变腔体的大小和数量来实现质量调节，可根据实际应用需要，调节所述敏感质量块质量，实现较高灵敏度检测。

其中，所述折叠梁在敏感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非常小，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。

其中，4对折叠梁关于敏感质量块的几何中心对称，多个梳齿组合关于敏感质量块的中心线对称。

其中，所述加速度计还包括：第二固定框架，所述第二固定框架位于敏感质量块内，第二固定框架包括：第一固定杆、第二固定杆，第一固定杆与第二固定杆交叉连接呈十字状，第一固定杆与第二固定杆的中心重合，第一固定杆两侧和第二固定杆两侧均对称分布有多个第二梳齿组合，第二梳齿组合包括：第二固定梳齿和第二可动梳齿，第二固定梳齿一端与固定杆连接，第二可动梳齿一端与敏感质量块内壁连接。

其中，第一固定杆的两端和第二固定杆的两端分别朝敏感质量块内壁延伸，第一固定杆的两端和第二固定杆的两端分别设有限位结构。

其中，所述敏感质量块内均匀设有至少一个空腔。

其中，所述绝缘层上设有中心锚点，所述第二固定框架通过所述中心锚点固定在基片上，所述绝缘层上设有四周锚点，所述固定框架通过四周锚点固定在基片上。

其中，固定梳齿与可动梳齿平行，且两者在水平方向或竖直方向具有重叠区域，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比值为1:4。

其中，分布在固定框架四周的固定梳齿连接相同的电极，分布在第二固定框架两侧的第二固定梳齿连接相同的电极，固定梳齿与第二固定梳齿数量相等，电极性相反。

其中，基片的材料为硅或玻璃，敏感器件层为重掺杂的硅，加速度计通过MEMS加工工艺完成。

本实用新型提供了一种单芯片梳齿式变间距型双轴加速度计，通过对加速度计梁、质量块以及限位结构(stopper)的创新设计，解决传统双轴加速度计灵敏度低、分辨率差、交叉灵敏度大、稳定性差等问题，同时该实用新型有效的抑制了结构性正交误差，噪声低，体积小，加工工艺简单，成本低，可实现批量生产。

单芯片梳齿式变间距型双轴加速度计：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stopper；敏感器件层中单质量块结构结合八梁中心对称设计和梳齿变间距对称布局分别实现X、Y双轴加速度信号的检测；敏感质量块上利用表面硅加工工艺制作了多对可动梳齿，固定框架上相应地制作多对固定梳齿，以组成多对差分敏感电容，当加速度计在不同方向有加速度信号输入时，差分敏感电容将发生相应的电容变化，通过对变化电容的检测实现双轴加速度测量。

stopper设计在中心十字交叉型固定框架上，形成对称分布结构。折叠梁为八梁中心对称设计，每敏感轴向有四折叠梁对称分布于所述质量块敏感轴向两边角，同时与非敏感轴方向对称分布的四折叠梁结构两两正交，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。

所述折叠梁在敏感轴方向上容易变形，在非敏感轴方向刚度较大。所述敏感质量块的敏感质量可调节，所述敏感质量块主要由四个带腔体结构的小质量块对称分布组成，可通过设计腔体的大小和数量改变所述敏感质量块质量。

所述锚点分为分布在四周的锚点，还包括设计了中心锚点，中心十字交叉型固定框架通过中心锚点固定并连接在一起。所述固定梳齿与所述可动梳齿错位平行放置，所述可动梳齿与相邻的两个所述固定梳齿之间的间隙比值为1:4。分布在所述固定框架四周位置的所述固定梳齿连接相同的电极，分布在中心十字交叉所述固定框架位置的所述固定梳齿连接相同的电极，并且两位置处所述固定梳齿数量相等，电极性相反，在X或Y敏感轴向上有加速度信号时，四周梳齿结构与中心十字交叉位置梳齿结构形成总差分电容信号。

本实用新型与现有技术相比，具有如下有益效果：

1、本实用新型采用八折叠梁两两正交中心对称设计，实现了两敏感轴(X轴和Y轴)方向的正交解耦，有效地抑制了结构性正交误差，具有较高的双轴检测精度。

2、本实用新型通过敏感质量块的质量可调节设计，即质量块中的空腔大小和数目来进行调整，一方面可增大质量块质量，实现双轴加速度计的高灵敏度、高分辨率检测；另一方面也可在保证灵敏度、分辨率要求时，适当减小质量块质量，增大加速度计的量程。

3、本实用新型通过设计中心位置十字型固定框架以及中心锚点结构，使电极金属引线只需一个Pad便可从中心锚点处(即第一固定杆与第二固定杆的中心重合处)引出，极大的减小了加工工艺上的难度，提高了产品良率，降低了成本。

4、通过在十字型固定框架上设计对称stopper结构，防止了动、定梳齿的过载吸合、失效问题，增加了双轴加速度计的稳定性和可靠性。

5、通过带腔质量块的设计，减小了双轴加速度计的***阻尼，降低了加速度计热机械噪声，提升了双轴加速度计的信噪比。

6、采用四周框架、中心位置分别同极性连接的固定梳齿设计，有效避免了双轴输入信号相互干扰，双轴加速度计无交叉敏感，提高了加速度计的检测精度，同时与可动梳齿形成差分式电容检测，能够有效抑制共模干扰，提高了加速度计综合性能。

7、利用梳齿变间距型电容设计，增加了动、定梳齿间的初始电容值，降低了后端微小电容信号检测电路的设计难度。

8、单芯片双轴加速度的设计，避免了组合加速度计封装垂直性差的问题，同时体积小，重量轻，无需真空封装，加工工艺成熟，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MEMS双轴加速度计的结构示意图；

图2是本申请中敏感质量块的结构示意图。

具体实施方式

本实用新型提供了一种MEMS双轴加速度计，解决了现有的双轴加速度计灵敏度较差、交叉灵敏度较大的技术问题，实现了电容式MEMS双轴加速度计灵敏度高，正交误差小的技术效果。

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。

如图1所示，根据本实用新型实施例的单芯片梳齿式变间距型双轴加速度计，包括有基片1，其材料为n型掺杂多晶硅；基片1上有较薄的氧化硅层，氧化硅层起绝缘隔离及固定作用，锚点3通过氧化硅层固定在基片上；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2，折叠梁4，敏感质量块5，可动梳齿6、7、8、9、10、11，固定梳齿12、13、14、15、16、17和stopper18，各结构通过MEMS加工工艺制作完成；固定框架2通过锚点3被固定在基片1上，中心对称设计的八折叠梁4，通过两两正交方式其一端分别连接在敏感质量块5的四个边角处，另一端则连接在对应的四周固定框架2上；固定梳齿12、13、14、15、16、17设计制作在十字交叉型固定框架2和四周固定框架2上，与固定框架2垂直，并彼此沿中心对称分布，而且分布在四周固定框架2的固定梳齿数量与分布在中心十字交叉型固定框架2的固定梳齿数量相等，每个固定梳齿12、13、14、15、16、17都有一个相对应的可动梳齿6、7、8、9、10、11与之构成一对差分电容结构，可动梳齿6、7、8、9、10、11设计制作在敏感质量块5上，沿中心对称，并垂直分布在敏感质量块5的四边和内壁，每个可动梳齿6、7、8、9、10、11与相邻的两固定梳齿之间的间隙比为1:4；stopper18设计制作在十字交叉型固定框架2上，与敏感质量块5的内壁有一定间隙。

敏感质量块5主要由四个带腔体结构的小质量块对称分布组成，通过折叠梁4连接在固定框架2上，折叠梁4、敏感质量块5、可动梳齿6、7、8、9、10、11通过结构腔体和结构间隙结合MEMS腐蚀工艺直接腐蚀释放，得到悬空结构。

需要注意的是：敏感质量块5质量可调节，如图2所示，可通过改变腔体的大小和数量去改变敏感质量块5的质量，进而优化双轴加速度计的综合性能。

本实用新型工作原理：将被测加速度信号通过敏感元件转换为电容变化量信号，通过后续信号处理电路的分析，实现加速度的线性检测。

相邻的一对平行梳齿之间的初始电容C₀可表示为(由于梳齿结构采用定齿偏值式，且可动梳齿距两侧定齿间隙比为1:4，故忽略距离较大的一侧电容量)：

式中，ε₀为真空介电常数，ε₁为相对介电常数，a、h、d₀分别为动、定梳齿间的交叠长度，厚度和间距。

由式(1)可得到梳齿间有微小位移变化时一对电容的变化量ΔC为：

当本实用新型工作在一维情况时，不妨假设加速度计仅受沿Y轴负方向加速度作用，此时，敏感质量块5由于惯性力作用将向Y轴正方向发生微小位移，外部可动梳齿6与固定梳齿12构成的梳齿电容将由于间隙增大而减小，同时，内部可动梳齿7与固定梳齿13构成的梳齿电容将由于间隙减小而增大，两部分构成内外差分电容检测信号，当然，可动梳齿8、9、10、11此时也将沿Y轴正方向发生微小平动，但可动梳齿8、9和10、11分别与固定梳齿14、15和16、17是同极性变化，各极性电容变化量为零，因此在X轴向电容检测端无差分信号输出，Y轴向加速度输入对X轴向信号检测无影响；同理，当加速度计仅受沿X轴向加速度作用时，也可得到类似的变化，在X轴向内外结构形成差分电容检测信号，同时对Y轴向信号检测端无影响。因此本实用新型中的双轴加速度计工作在一维情况时，可完全替代单轴加速度计。

当本实用新型正常工作在二维情况时，即同时受到沿X、Y轴向加速度作用(假设均沿负方向)，可动梳齿6、7、8、9、10、11位置变化情况可以根据具体情况考虑，设敏感质量块5沿X、Y轴向的微位移分别为Δx，Δy，则可以得出：

一对可动梳齿6与固定梳齿12构成的梳齿电容变化量为：

一对可动梳齿7与固定梳齿13构成的梳齿电容变化量为：

一对可动梳齿8或9与固定梳齿14或15构成的梳齿电容变化量为：

一对可动梳齿10或11与固定梳齿16或17构成的梳齿电容变化量为：

由于可动梳齿6、8、9与固定梳齿12、14、15是同极性变化，可动梳齿7、10、11与固定梳齿13、16、17是同极性变化，各极性总的交叉干扰电容变化量为零，于是最终可得到沿X、Y轴向的一对差分检测电容大小分别为：

由式(7)、(8)可以看出，双轴加速度计敏感轴向的差分电容变化量与质量块沿敏感轴方向的微位移分量成线性比例关系，即与外界加速度输入信号在两敏感轴向的分量成线性比例关系，且双轴无交叉敏感。通过多对梳齿电容并联后将总差分电容变化信号接入后端处理检测电路，便可实现沿X、Y双轴向的加速度测量。

本实用新型与现有技术相比，具有如下有益效果：

1、本实用新型采用八折叠梁两两正交中心对称设计，实现了两敏感轴(X轴和Y轴)方向的正交解耦，有效地抑制了结构性正交误差，具有较高的双轴检测精度。

2、本实用新型通过敏感质量块的质量可调节设计，即质量块中的空腔大小和数目来进行调整，一方面可增大质量块质量，实现双轴加速度计的高灵敏度、高分辨率检测；另一方面也可在保证灵敏度、分辨率要求时，适当减小质量块质量，增大加速度计的量程。

3、本实用新型通过设计中心位置十字型固定框架以及中心锚点结构，使电极金属引线只需一个Pad便可从中心锚点处(即第一固定杆与第二固定杆的中心重合处)引出，极大的减小了加工工艺上的难度，提高了产品良率，降低了成本。

4、通过在十字型固定框架上设计对称stopper结构，防止了动、定梳齿的过载吸合、失效问题，增加了双轴加速度计的稳定性和可靠性。

5、通过带腔质量块的设计，减小了双轴加速度计的***阻尼，降低了加速度计热机械噪声，提升了双轴加速度计的信噪比。

6、采用四周框架、中心位置分别同极性连接的固定梳齿设计，有效避免了双轴输入信号相互干扰，双轴加速度计无交叉敏感，提高了加速度计的检测精度，同时与可动梳齿形成差分式电容检测，能够有效抑制共模干扰，提高了加速度计综合性能。

7、利用梳齿变间距型电容设计，增加了动、定梳齿间的初始电容值，降低了后端微小电容信号检测电路的设计难度。

8、单芯片双轴加速度的设计，避免了组合加速度计封装垂直性差的问题，同时体积小，重量轻，无需真空封装，加工工艺成熟，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形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形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形在内。

Claims (10)

1.一种MEMS双轴加速度计，其特征在于，所述加速度计由下到上依次包括：

基片、绝缘层、敏感器件层；敏感器件层包括：固定框架、折叠梁、敏感质量块、梳齿组合、锚点；其中，固定框架通过锚点固定在基片上，敏感质量块的4个端角分别设有一对折叠梁，每对折叠梁的中线正交，折叠梁的一端与固定框架连接，折叠梁的另一端与敏感质量块连接；敏感质量块四周分布有多个梳齿组合，梳齿组合包括：固定梳齿和可动梳齿，固定梳齿一端与固定框架连接，可动梳齿一端与敏感质量块连接，敏感质量块的质量大小能够调节。

2.根据权利要求1所述的MEMS双轴加速度计，其特征在于，4对折叠梁关于敏感质量块的几何中心对称，多个梳齿组合关于敏感质量块的中心线对称。

3.根据权利要求1所述的MEMS双轴加速度计，其特征在于，所述加速度计还包括：第二固定框架，所述第二固定框架位于敏感质量块内，第二固定框架包括：第一固定杆、第二固定杆，第一固定杆与第二固定杆交叉连接呈十字状，第一固定杆与第二固定杆的中心重合，第一固定杆两侧和第二固定杆两侧均对称分布有多个第二梳齿组合，第二梳齿组合包括：第二固定梳齿和第二可动梳齿，第二固定梳齿一端与固定杆连接，第二可动梳齿一端与敏感质量块内壁连接。

4.根据权利要求3所述的MEMS双轴加速度计，其特征在于，第一固定杆的两端和第二固定杆的两端分别朝敏感质量块内壁延伸，第一固定杆的两端和第二固定杆的两端分别设有限位结构。

5.根据权利要求3所述的MEMS双轴加速度计，其特征在于，所述敏感质量块内均匀设有至少一个空腔。

6.根据权利要求3所述的MEMS双轴加速度计，其特征在于，所述绝缘层上设有中心锚点，所述第二固定框架通过所述中心锚点固定在基片上，所述绝缘层上设有四周锚点，所述固定框架通过四周锚点固定在基片上。

7.根据权利要求1所述的MEMS双轴加速度计，其特征在于，固定梳齿与可动梳齿平行，且两者在水平方向或竖直方向具有重叠区域，可动梳齿与相邻的两个固定梳齿之间的间隙比值为1:4。

8.根据权利要求3所述的MEMS双轴加速度计，其特征在于，分布在固定框架四周的固定梳齿连接相同的电极，分布在第二固定框架两侧的第二固定梳齿连接相同的电极，固定梳齿与第二固定梳齿数量相等，电极性相反。

9.根据权利要求1所述的MEMS双轴加速度计，其特征在于，基片的材料为硅或玻璃，敏感器件层为重掺杂的硅，加速度计通过MEMS加工工艺完成。

10.根据权利要求1所述的MEMS双轴加速度计，其特征在于，敏感质量块通过改变敏感质量块内腔体的大小和数量来实现质量调节。