一种低交叉轴灵敏度的面外轴向检测MEMS电容式加速度计制造技术

本发明专利技术公开了一种低交叉轴灵敏度的面外轴向检测MEMS电容式加速度计，涉及MEMS惯性器件领域。所述加速度计包括结构层、衬底层以及硅盖板。加速度计的敏感结构包括四组正交分布的敏感质量单元以及一个不平衡质量块。每组敏感质量单元与中心质量块通过两条连接梁相连。每个检测质量块中心包括两个锚点，每个锚点由两条弹性扭转梁连接到检测质量块。本发明专利技术的低交叉轴灵敏度的Z轴MEMS加速度计，其优点是具有大质量块的敏感结构，通过多差分质量块降低共模干扰，通过正交分布的敏感质量单元实现较低的交叉轴灵敏度。

【技术实现步骤摘要】
一种低交叉轴灵敏度的面外轴向检测MEMS电容式加速度计
本专利技术属于MEMS惯性器件领域，具体为一种低交叉轴灵敏度的面外轴向检测MEMS电容式加速度计。
技术介绍
MEMS加速度计是一种基于MEMS工艺技术制造的惯性传感器，用于载体倾斜角、所受惯性力、冲击和振动等惯性参数的测量。MEMS加速度计具有体积小、成本低、可靠性高、适合批量生产等优点，在航空航天、国防军事、消费电子、智能医疗、地震监测等多种领域得到广泛应用。随着近年来无人机、无人驾驶汽车、无人舰船等载具的研究走向热潮，各类微导航、微惯性系统对能够提供全方位加速度信息的三轴加速度计有着迫切需求，在这一过程中，用于提供面外方向加速度信息的高性能水平Z轴加速度成为MEMS加速度计研究的一个热点。常用的Z轴MEMS加速度计包括“三明治”结构和扭摆式结构。其中，扭摆式加速度计体积小、设计简单、可靠性高，与水平轴加速度计的加工工艺兼容，是MEMS三轴加速度计中Z轴结构的极佳选择。传统的扭摆式加速度计采用单扭摆质量块结构，对共模干扰以及工作温度变化引起误差的抑制能力较差，在工作温度发生变化时，由于材料热应力的变化，将会对仪表的温度特性造成影响。此外，交叉轴灵敏度是衡量加速度计性能水平的重要指标之一，传统的单质量块扭摆式加速度计的交叉轴灵敏度往往与其机械灵敏度存在一定联系，在提升机械灵敏度的同时交叉轴灵敏度通常也会相应增加。因此，需要针对传统扭摆式加速度计提出相应的结构改进方案。
技术实现思路
本专利技术为了克服上述扭摆式加速度计的不足，提出一种结构简单、检测电容大、灵敏度高、模态分离比大、交叉轴灵敏度小的阵列式扭摆加速度计的设计方案。多组敏感结构单元正交排布，并且采用多路差分运动的机制进行加速度检测。本专利技术采用如下的技术方式实现：一种低交叉轴灵敏度的面外轴向检测MEMS电容式加速度计，包括：敏感结构、硅基板和硅盖板；所述硅基板位于敏感结构的下方，通过锚点与敏感结构键合，并为敏感结构提供固定和支撑；所述敏感结构位于硅基板和硅盖板中间，作为实现加速度检测的核心结构；所述硅盖板位于敏感结构的上方，用于保护敏感结构。所述敏感结构包括四组敏感质量单元以及一块不平衡质量块；所述敏感结构的排布具有高度对称性，以垂直于加速度计芯片平面的轴向为Z轴，X轴与Y轴均平行于加速度计芯片平面，四组敏感质量单元在芯片面内各自朝向X轴正方向、X轴负方向、Y轴正方向、Y轴负方向，相邻两组敏感质量单元相互垂直分布；所有敏感质量单元均连接到不平衡质量块。所述的不平衡质量块，使得扭转梁两侧的结构质量不相等，用于为各敏感质量单元提供不平衡力矩；不平衡质量块位于整个敏感结构的中心，当Z轴方向加速度输入时，不平衡质量块沿敏感方向，即Z轴方向平动，同时带动各组敏感质量单元绕弹性扭转梁做扭摆运动。所述的敏感质量单元采用跷跷板式原理工作，包括一个检测质量块、两条连接梁、一个或两个锚点、两条或四条弹性扭转梁、第一检测电极、第二检测电极、第一加力电极、第二加力电极；所述敏感质量单元采用弹性扭转梁内置或弹性扭转梁外置结构。所述弹性扭转梁内置结构，锚点位于检测质量块中心且固定于硅基板上，弹性扭转梁收于检测质量块内部，连接锚点与检测质量块；若采用单锚点双弹性扭转梁结构，单锚点位于检测质量块几何中心，两条弹性扭转梁将敏感质量单元悬挂在锚点上；若采用双锚点四弹性扭转梁结构，双锚点并列位于检测质量块中线上，四条弹性扭转梁将敏感质量单元悬挂在两个锚点上；所述连接梁用于实现敏感质量块与不平衡质量块的机械连接，同组敏感质量单元的两条连接梁相互平行，相邻敏感质量单元的连接梁相互垂直，以限制水平轴输入引起敏感结构的形变；所述第一加力电极、第二加力电极关于锚点对称排布，且固定在硅基板上；所述第一检测电极、第二检测电极关于锚点对称固定在硅基板上，且分别位于第一加力电极、第二加力电极外侧；各组敏感质量单元的第一检测电极、第二检测电极分别各自通过引线形成电学连接并引出至压焊座；第一检测电极、第二检测电极分别与检测质量块形成一组检测电容，当敏感方向加速度输入时，两组检测电容差动变化。所述的弹性扭转梁外置结构，两个锚点分别位于检测质量块两外侧，锚点中线与检测质量块中线重合，各自通过一条弹性扭转梁连接至检测质量块；所述连接梁用于实现敏感质量块与不平衡质量块的机械连接，同组敏感质量单元的两条连接梁相互平行，相邻敏感质量单元的连接梁相互垂直，提升了敏感结构在水平方向上的刚度，以限制水平轴输入引起敏感结构的形变。所述第一加力电极、第二加力电极关于锚点对称排布，且固定在硅基板上。所述第一检测电极、第二检测电极关于锚点对称固定在硅基板上，且分别位于第一加力电极、第二加力电极外侧；各组敏感质量单元的第一检测电极、第二检测电极分别各自通过引线形成电学连接并引出至压焊座；第一检测电极、第二检测电极分别与检测质量块形成一组检测电容，当敏感方向加速度输入时，两组检测电容差动变化。本专利技术与现有技术相比的有益效果：所述低交叉轴灵敏度的面外轴向检测MEMS电容式加速度计，其优点是：(1)与现有的单质量块“跷跷板”式结构相比，本专利技术采用4组敏感质量单元实现多质量块差分结构，各组敏感质量单元在芯片面内的排布具有良好的对称性，各敏感质量单元间采用的多路差分电容检测机制，对于共模干扰或温度变化引起结构形变导致的误差具有更强的抑制作用。此外，采用多组敏感质量单元能够增加检测电极面积，在有限的面外空间下实现更高的机械灵敏度。(2)现有的加速度计多质量块差分结构，各质量块间完全独立工作或使用挠性结构进行铰链接，相当于多个小型加速度计并联使用，对各质量块的一致性要求较高，且由于质量较轻，每个小型加速度计的机械灵敏度、和噪声性能都受到较大限制。本专利技术中各组敏感质量单元均连接到同一不平衡质量块上，敏感结构在运动时具有更好的一致性和协同性，大型的不平衡质量块使得加速度计具有更大的惯性扭矩和整体质量，分别使得加速度计具备更高的机械灵敏度和更低的机械噪声。(3)现有的加速度计主要通过梁结构的参数调整或特殊设计使得非敏感轴方向具有较大刚度，降低加速度计的交叉轴灵敏度，但由于参数的耦合，梁结构在敏感轴方向的灵敏度通常也会相应增大，导致加速度计的机械灵敏度降低。本专利技术中，四组敏感质量单元正交排布且每组敏感质量单元利用两条平行连接梁连接到同一不平衡质量块上，有效限制敏感结构在水平轴方向的运动，降低了加速度计的交叉轴灵敏度，且避免了采用弹性扭转梁参数调整方案对机械灵敏度的牺牲。(4)本专利技术所述弹性扭转梁内置结构可采用双锚点四弹性梁或单锚点双弹性梁结构，分别适用于高抗冲击或高灵敏度场合。双锚点四弹性梁结构由四条弹性梁承载敏感质量单元，具有更好的稳定性，同时增加了敏感结构的抗冲击能力以及在非敏感轴方向上的刚度。单锚点双弹性梁结构在敏感轴方向的扭转刚度较小，适用于对敏感结构机械灵敏度较高的场合。附图说明图1为所述一种低交叉轴灵敏度的面外轴向检测ME本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低交叉轴灵敏度的面外轴向检测MEMS电容式加速度计，其特征在于，包括：敏感结构、硅基板和硅盖板；所述硅基板位于敏感结构的下方，通过锚点与敏感结构键合，并为敏感结构提供固定和支撑；所述敏感结构位于硅基板和硅盖板中间，作为实现加速度检测的核心结构；所述硅盖板位于敏感结构的上方，用于保护敏感结构。/n

【技术特征摘要】
1.一种低交叉轴灵敏度的面外轴向检测MEMS电容式加速度计，其特征在于，包括：敏感结构、硅基板和硅盖板；所述硅基板位于敏感结构的下方，通过锚点与敏感结构键合，并为敏感结构提供固定和支撑；所述敏感结构位于硅基板和硅盖板中间，作为实现加速度检测的核心结构；所述硅盖板位于敏感结构的上方，用于保护敏感结构。


2.根据权利要求1所述的一种低交叉轴灵敏度的面外轴向检测MEMS电容式加速度计，其特征在于：所述敏感结构包括四组敏感质量单元以及一块不平衡质量块；所述敏感结构的排布具有高度对称性，以垂直于加速度计芯片平面的轴向为Z轴，X轴与Y轴均平行于加速度计芯片平面，四组敏感质量单元在芯片面内各自朝向X轴正方向、X轴负方向、Y轴正方向、Y轴负方向，相邻两组敏感质量单元相互垂直分布；所有敏感质量单元均连接到不平衡质量块。


3.根据权利要求2所述的一种低交叉轴灵敏度的面外轴向检测MEMS电容式加速度计，其特征在于：所述的不平衡质量块，使得扭转梁两侧的结构质量不相等，用于为各敏感质量单元提供不平衡力矩；不平衡质量块位于整个敏感结构的中心，当Z轴方向加速度输入时，不平衡质量块沿敏感方向，即Z轴方向平动，同时带动各组敏感质量单元绕弹性扭转梁做扭摆运动。


4.根据权利要求2所述的一种低交叉轴灵敏度的面外轴向检测MEMS电容式加速度计，其特征在于：所述的敏感质量单元采用跷跷板式原理工作，包括一个检测质量块、两条连接梁、一个或两个锚点、两条或四条弹性扭转梁、第一检测电极、第二检测电极、第一加力电极、第二加力电极；所述敏感质量单元采用弹性扭转梁内置或弹性扭转梁外置结构。


5.根据权利要求4所述的一种低交叉轴灵敏度的面外轴向检测MEMS电容式加速度计，其特征在于：所述弹性扭转梁内置结构，锚点位于检测质量块中心且固定于硅基板上，弹性扭转梁收于检测质量块...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘国文，马智康，李兆涵，刘宇，赵亭杰，刘福民，杨静，
申请(专利权)人：北京航天控制仪器研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11