一种基于零位校正的微机械MEMS加速度计论文和设计-雷龙海

全文摘要

本实用新型公开了一种基于零位校正的微机械MEMS加速度计，包括：基片，基片上设有氧化层，若干个锚点通过氧化层固定在基片上，氧化层上设有敏感器件层，敏感器件层包括：差动电容检测结构、加速度计闭环反馈电极结构、若干个悬臂梁、零位校正结构、敏感质量块、2个止挡结构、2个固定结构；通过对加速度计结构的设计可以校正结构由于加工误差、安装误差以及环境温度等变化带来的零位输出变化不一的问题，消除由于零位变化对器件稳定性、温度特性等性能造成的影响。

主设计要求

1.一种基于零位校正的微机械MEMS加速度计，其特征在于，所述加速度计包括：基片，基片上设有氧化层，若干个锚点通过氧化层固定在基片上，氧化层上设有敏感器件层，敏感器件层包括：差动电容检测结构、加速度计闭环反馈电极结构、若干个悬臂梁、零位校正结构、敏感质量块、2个止挡结构、2个固定结构；差动电容检测结构与锚点和敏感质量块连接，用于对加速度信号引起的电容变化进行检测；加速度计闭环反馈电极结构与锚点和敏感质量块连接，用于对加速度信号引起的位移进行平衡，使敏感质量块保持在机械零位；敏感质量块上设有若干个第一空腔，若干第一空腔关于敏感质量块的中心对称分布，每个第一空腔的中心分别设有一锚点，每个第一空腔内关于第一空腔的中心对称分布有2个悬臂梁，悬臂梁的一端与锚点连接，悬臂梁的另一端与敏感质量块连接；敏感质量块中部设有第二空腔，零位校正结构位于第二空腔内，零位校正结构包括：上下零位校正电极、2个锚点，上零位校正电极与上锚点和敏感质量块连接，下零位校正电极与下锚点和敏感质量块连接，零位校正结构上半部分与下半部分关于零位校正结构中心对称，零位校正结构用于对敏感质量块进行零位校正；2个止挡结构和2个固定结构分别关于敏感质量块的中心左右对称，固定结构与锚点连接，止挡结构一端与敏感质量块连接，固定结构用于对止挡结构另一端进行限位保护。

设计方案

1.一种基于零位校正的微机械MEMS加速度计，其特征在于，所述加速度计包括：

基片，基片上设有氧化层，若干个锚点通过氧化层固定在基片上，氧化层上设有敏感器件层，敏感器件层包括：差动电容检测结构、加速度计闭环反馈电极结构、若干个悬臂梁、零位校正结构、敏感质量块、2个止挡结构、2个固定结构；

差动电容检测结构与锚点和敏感质量块连接，用于对加速度信号引起的电容变化进行检测；加速度计闭环反馈电极结构与锚点和敏感质量块连接，用于对加速度信号引起的位移进行平衡，使敏感质量块保持在机械零位；

敏感质量块上设有若干个第一空腔，若干第一空腔关于敏感质量块的中心对称分布，每个第一空腔的中心分别设有一锚点，每个第一空腔内关于第一空腔的中心对称分布有2个悬臂梁，悬臂梁的一端与锚点连接，悬臂梁的另一端与敏感质量块连接；

敏感质量块中部设有第二空腔，零位校正结构位于第二空腔内，零位校正结构包括：上下零位校正电极、2个锚点，上零位校正电极与上锚点和敏感质量块连接，下零位校正电极与下锚点和敏感质量块连接，零位校正结构上半部分与下半部分关于零位校正结构中心对称，零位校正结构用于对敏感质量块进行零位校正；

2个止挡结构和2个固定结构分别关于敏感质量块的中心左右对称，固定结构与锚点连接，止挡结构一端与敏感质量块连接，固定结构用于对止挡结构另一端进行限位保护。

2.根据权利要求1所述的基于零位校正的微机械MEMS加速度计，其特征在于，所述加速度计中的悬臂梁为8个，敏感质量块上设有4个第一空腔，4个第一空腔关于敏感质量块的中心对称分布，每个第一空腔的中心分别设有一锚点，每个第一空腔内关于第一空腔的中心对称分布有2个悬臂梁，悬臂梁的一端与锚点连接，悬臂梁的另一端与敏感质量块连接。

3.根据权利要求1所述的基于零位校正的微机械MEMS加速度计，其特征在于，所述加速度计具体包括：2个止挡结构和2个凹形固定结构，2个止挡结构和2个凹形固定结构分别关于敏感质量块的中心左右对称，凹形固定结构包括：固定块和锚点，固定块与锚点连接，固定块上设有凹槽，止挡结构一端与敏感质量块连接，止挡结构另一端延伸至凹槽内。

4.根据权利要求1所述的基于零位校正的微机械MEMS加速度计，其特征在于，差动电容检测结构包括：

上下两组检测电极，上检测电极包括若干对上检测电容，下检测电极包括若干对下检测电容，每对上检测电容包括：上检测固定梳齿、上检测可动梳齿，上检测固定梳齿一端与锚点连接，上检测可动梳齿一端与敏感质量块连接，上检测可动梳齿另一端向上检测固定梳齿另一端延伸，且上检测固定梳齿与上检测可动梳齿在竖直方向具有重叠部分；每对下检测电容包括：下检测固定梳齿、下检测可动梳齿，下检测固定梳齿一端与锚点连接，下检测可动梳齿一端与敏感质量块连接，下检测可动梳齿另一端向下检测固定梳齿另一端延伸，且下检测固定梳齿与下检测可动梳齿在竖直方向具有重叠部分。

5.根据权利要求1所述的基于零位校正的微机械MEMS加速度计，其特征在于，加速度计闭环反馈电极结构包括：

上、下两组力反馈电极，上力反馈电极包括若干对上力反馈电容，下力反馈电极包括若干对下力反馈电容，上力反馈电容包括：上力反馈固定梳齿、上力反馈可动梳齿；上力反馈固定梳齿一端与锚点连接，上力反馈可动梳齿一端与敏感质量块连接，上力反馈可动梳齿另一端向上力反馈固定梳齿另一端延伸，且上力反馈固定梳齿与上力反馈可动梳齿在竖直方向具有重叠部分；下力反馈固定梳齿一端与锚点连接，下力反馈可动梳齿一端与敏感质量块连接，下力反馈可动梳齿另一端向下力反馈固定梳齿另一端延伸，且下力反馈固定梳齿与下力反馈可动梳齿在竖直方向具有重叠部分。

6.根据权利要求1所述的基于零位校正的微机械MEMS加速度计，其特征在于，零位校正结构包括：

关于X轴对称的两个零位校正模块，零位校正模块包括：锚点、零位校正电极，零位校正电极包括若干对零位校正电容，每对零位校正电容包括：零位校正固定梳齿和零位校正可动梳齿，零位校正固定梳齿一端与锚点连接，零位校正可动梳齿一端与敏感质量块连接，零位校正可动梳齿另一端向零位校正固定梳齿另一端延伸，且零位校正固定梳齿与零位校正可动梳齿在竖直方向具有重叠部分。

7.根据权利要求6所述的基于零位校正的微机械MEMS加速度计，其特征在于，零位校正固定梳齿与两侧的零位校正可动梳齿间距相等。

8.根据权利要求1所述的基于零位校正的微机械MEMS加速度计，其特征在于，基片其材料可为掺杂多晶硅或者玻璃；敏感器件层材料为重掺杂硅。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及微机械MEMS加速度计领域，具体地，涉及一种基于零位校正的微机械MEMS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结构加工误差，使用过程中存在安装误差以及周围环境温度等变化，将造成器件零位输出变化不一，这不仅影响MEMS加速度计的批量生产，还将对器件的稳定性、温度特性等性能造成较大影响，综合精度不高，这将严重阻碍其在高精度领域的应用。因此，需要采取改进策略对MEMS加速度计零位输出进行校正。

实用新型内容

本实用新型提出了一种基于零位校正的MEMS加速度计，通过对加速度计结构的设计可以校正结构由于加工误差、安装误差以及环境温度等变化带来的零位输出变化不一的问题，消除由于零位变化对器件稳定性、温度特性等性能造成的影响。

为实现上述实用新型目的，本申请提供了一种基于零位校正的微机械MEMS加速度计，所述加速度计包括：

其中，本实用新型该加速度计的特点是：1、零位校正结构分为上、下两个模块，每个模块包括固定锚点、零位校正固定电极、零位校正可动电极，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相等，具有一定长度的重叠部分，两个模块关于加速度计结构原点中心对称分布；2、支撑梁为悬臂梁，共八根，位于可动质量块四角，每两根通过固定锚点连接在一起构成一组，四组梁关于结构原点中心对称分布，该设计可以很好地避免X轴向、Z轴向的干扰，防止结构塌陷，增强了结构抗振动能力；3、通过设计凹形防撞击结构，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；5、整体结构设计紧凑，芯片尺寸小。

进一步的，所述加速度计中的悬臂梁为8个，敏感质量块上设有4个第一空腔，4个第一空腔关于敏感质量块的中心对称分布，每个第一空腔的中心分别设有一锚点，每个第一空腔内关于第一空腔的中心对称分布有2个悬臂梁，悬臂梁的一端与锚点连接，悬臂梁的另一端与敏感质量块连接。

进一步的，所述加速度计具体包括：2个止挡结构和2个凹形固定结构，2个止挡结构和2个凹形固定结构分别关于敏感质量块的中心左右对称，凹形固定结构包括：固定块和锚点，固定块与锚点连接，固定块上设有凹槽，止挡结构一端与敏感质量块连接，止挡结构另一端延伸至凹槽内。

进一步的，差动电容检测结构包括：

进一步的，加速度计闭环反馈电极结构包括：

进一步的，零位校正结构包括：

进一步的，零位校正固定梳齿与两侧的零位校正可动梳齿间距相等。

进一步的，基片其材料可为掺杂多晶硅或者玻璃；敏感器件层材料为重掺杂硅。

进一步的，加速度计通过MEMS加工工艺制作完成。

进一步的，零位校正结构中的零位校正固定梳齿与零位校正可动梳齿的间隙为d，零位校正固定梳齿与零位校正可动梳齿在竖直方向的重叠长度为l，零位校正固定梳齿与零位校正可动梳齿的梳齿厚度h，则在零位校正模块构成的电容值为：

式中，N为零位校正模块电容的对数，ε_{0<\/sub>为真空介电常数，ε_{1<\/sub>为空气相对介电常数；}}

由式(1)可得到零位校正模块在梳齿重叠长度发生变化时，所产生的静电力，即零位校正力大小为：

式中，V_{M<\/sub>为加载在敏感质量块上的固定电压值，V_{校<\/sub>为加载在零位校正固定梳齿上的可调电压值，可通过改变V_{校<\/sub>的值来改变零位校正力的大小。}}}

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：

本实用新型提出了一种基于零位校正的MEMS加速度计，通过对加速度计结构的设计可以校正结构由于加工误差、安装误差以及环境温度等变化带来的零位输出变化不一的问题，消除由于零位变化对器件稳定性、温度特性等性能造成的影响，有助于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，整体线性度好，整体结构设计紧凑，芯片尺寸小，抗冲击能力强；测量精度高。

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是本申请中基于零位校正的微机械MEMS加速度计的结构示意图；

图2是本申请中零位校正结构的结构示意图。

具体实施方式

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基于零位校正的微机械MEMS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2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，敏感器件层包括有上检测固定梳齿4，上检测可动梳齿3，下检测固定梳齿14，下检测可动梳齿13，上力反馈固定梳齿5，上力反馈可动梳齿6，下力反馈固定梳齿7，下力反馈可动梳齿8，悬臂梁9，零位校正结构10，敏感质量块15，止挡结构11，凹形固定结构12，各结构通过MEMS加工工艺制作完成。

所述上、下检测固定梳齿4、14分别通过所述锚点2固定在所述基片1上，所述上、下检测可动梳齿3、13一端与所述敏感质量块15连接，所述上、下检测固定梳齿4、14分别与所述上、下检测可动梳齿3、13构成一对检测电容，若干对检测电容构成一组检测电极，上、下两组检测电极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。

所述上、下力反馈固定梳齿5、7分别通过所述锚点2固定在所述基片1上，所述上、下力反馈可动梳齿6、8一端与所述敏感质量块15连接，所述上、下力反馈固定梳齿5、7分别与所述上、下力反馈可动梳齿6、8构成一对力反馈电容，若干对力反馈电容构成一组力反馈电极，上、下两组力反馈电极构成加速度计闭环反馈电极结构，对加速度信号引起的位移进行平衡，使敏感质量块始终保持在机械零位。

所述零位校正结构10，如图2所示，分为上、下两个模块，每个模块包括有固定锚点10e，零位校正固定梳齿10b、10c，零位校正可动梳齿10a、10d，所述零位校正固定梳齿10b、10c分别通过所述固定锚点10e固定在所述基片1上，所述零位校正可动梳齿10a、10d一端与所述敏感质量块15连接，所述零位校正固定梳齿10b、10c分别与所述零位校正可动梳齿10a、10d构成一对零位校正电容，若干对零位校正电容构成一组零位校正电极，即零位校正模块，上、下两个模块构成加速度计零位校正结构，通过对模块相应参数的设计可实现器件的零位校正。

所述止挡结构11，一端与所述敏感质量块15连接，通过凹形固定结构12，实现对结构在X轴向、Y轴向的过载保护。

需要注意的是：本实施例给出的检测电极、力反馈电极、零位校正结构，分别关于敏感器件的中心对称分布，但并不是说本实用新型只限于一组单元结构，根据需要可以增减若干组同类单元结构。

本实用新型闭环工作原理：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。

本实用新型零位校正工作原理：

不妨设零位校正结构固定梳齿与可动梳齿间的间隙为d，重叠长度为l，梳齿厚度h，则在零位校正模块构成的电容值为：

式中，N为零位校正模块电容的对数，ε_{0<\/sub>为真空介电常数，ε_{1<\/sub>为空气相对介电常数。}}

由式(1)可得到零位校正模块在梳齿重叠长度发生变化时，所产生的静电力，即零位校正力大小为：

当加速度计结构由于加工误差、安装误差以及环境温度等变化造成零位输出为非零值时，不妨假设加速度计结构机械零位向上偏移时，零位输出为正，此时可启动零位校正上模块单元，通过调节加载在零位校正上固定梳齿的电压值V_{校<\/sub>来改变零位校正力的大小，从而完成对加速度计结构机械零位的校正，使零位输出为零；当加速度计结构机械零位向下偏移时，零位输出为负，此时可启动零位校正下模块单元，通过调节加载在零位校正下固定梳齿的电压值V_{校<\/sub>来改变零位校正力的大小，从而完成对加速度计结构机械零位的校正，使零位输出为零，至此即实现加速度计结构的零位校正。}}

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型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型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型在内。

设计图

一种基于零位校正的微机械MEMS加速度计论文和设计

一种基于零位校正的微机械MEMS加速度计论文和设计-雷龙海

全文摘要

主设计要求

设计方案

设计说明书

设计图

相关信息详情

猜你喜欢