一种基于零位校正的MEMS加速度计制造技术

本发明专利技术公开了一种基于零位校正的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。

A MOMS Accelerometer Based on Zero-position Correction

【技术实现步骤摘要】
一种基于零位校正的MEMS加速度计
本专利技术涉及微机械MEMS加速度计领域，具体地，涉及一种基于零位校正的MEMS加速度计。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。为实现上述专利技术目的，本申请提供了一种基于零位校正的MEMS加速度计，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。其中，本专利技术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：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。进一步的，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。进一步的，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。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，ε0为真空介电常数，ε1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，VM为加载在敏感质量块上的固定电压值，V校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：本专利技术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专利技术实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本专利技术实施例的限定；图1是本申请中基于零位校正的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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于零位校正的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。...

【技术特征摘要】
1.一种基于零位校正的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...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷龙海，周骏，王龙峰，王志，山永启，
申请(专利权)人：四川知微传感技术有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51