[发明专利]一种MEMS加速度计

说明书

技术领域

本发明涉及一种MEMS(微机电系统)加速度计，属于MEMS惯性技术范畴，本发明主要解决了MEMS加速度计敏感芯片的诸多难题，特别是温度特性、测量精度以及冲击和过载的环境适应性，可用于航空、航天、兵器等领域的惯性测量和惯性导航的加速度敏感元件，也可以作为桥梁健康监测、地质勘探等领域的加速度测量元件。

背景技术

MEMS加速度计原理样机国内研制较多，但当前面临工程化的诸多难题。因此国内MEMS加速度计一直没有大规模装备使用，首先是精度问题，当前MEMS加速度计的偏置及标度因子的稳定性及满量程下非线性指标离惯性级技术指标仍然有较大差距；其次是温度特性，当前MEMS加速度计样机都面临温度系数大、温度特性不重复，滞回大等问题，由于MEMS加速度计的快速启动使用要求，其很少在恒温范围内环境使用，使得温度特性是制约MEMS加速度计工程化应用的主要瓶颈之一，影响温度特性的因素很多，诸如敏感芯片设计技术、封装和微组装工艺技术等等。而从敏感芯片的设计角度去解决温度和应力造成的共模误差，国内尚无报道。

而就加速度敏感芯片的设计技术，美国AD公司推出的ADXL系列加速度计是市场上最具代表性的产品，但其采用表面工艺，结构厚度仅为2微米，并且采用定齿均匀配置方案，一方面不利于基础电容的增加，另一方面其不适合体硅深硅刻蚀工艺，从而影响了加速度计的分辨率和精度。

公开号为CN1336548，名称为“定齿偏置的梳齿式体硅加工微机械结构”的中国发明专利申请中提出了采用体硅工艺加工的梳齿式加速度计结构，该结构采用了定齿偏置方案，增大了检测电容，并适合体硅加工工艺，但采用类似于AD公司的H型设计不利于梳齿对数的增加，并增大了轴间耦合，限制了其灵敏度。

对MEMS加速度计敏感芯片而言，反馈产生的静电力永远都是吸力，因此限制了梳齿的配置方法，传统的配置方式是驱动结构包含两个驱动梳齿，一个提供正向反馈吸力，另一个提供反向反馈吸力，在现有技术方案中，这两个极性的反馈力分别位于中间线的两侧。

当MEMS加速度计采用全闭环设计方案时，根据控制系统设计原理，当I型及以上系统时，反馈静电力平衡外部惯性力，那么方程成立，那么输入加速度a的度量关系式为令我们称为标度因数，式中ε是介电常数，S是梳齿有效电容正对面积，V_ref为预载电压，均为恒定值，而d₀是梳齿相对间隙，当随着时间或者环境(如温度或者应力)的不同，使得活动梳齿和固定梳齿的间隙发生改变，而静电力是和间隙平方呈反比关系，从而导致静电力也发生改变，在闭环工作状态，间隙的改变导致了标度因数的改变，从而影响了整个闭环系统的特性，而标度因数是输入加速度的度量，从而间隙的改变影响了加速度计的整体性能。诸如温度、冲击、长期的应力释放都会导致间隙变化，国内的SOG工艺，材料不匹配，活动框架及活动梳齿是采用硅结构，而固定梳齿键合在玻璃衬底上，温度改变会导致固定梳齿和活动梳齿膨胀的幅度不同，尽管都是朝一个方向变化，而变化的速率不同，从而导致相对间隙发生改变，而温度变化越剧烈，间隙的相对变化越明显。

参照图4，当温度或应力变化导致活动梳齿发生形变时，现有技术的测量体梳齿结构之间活动间隙同时增大或减小，导致差分电容变化量累加增大，产生共模误差，导致加速度计在温度变化或应力变化下不稳定。

发明内容

本发明的技术解决问题在于克服现有技术的不足，提供一种活动质量块质量大、基础电容大、交叉耦合误差小，对由于温度和应力造成的共模误差有较好的抑制能力，全温范围的稳定性好、精度高的MEMS加速度计。

按照本发明所提供的一种MEMS加速度计，包括：基板以及设置在所述基板上的加速度敏感芯片和集成电路，所述基板上还设置有温度传感器，所述温度传感器紧邻所述加速度敏感芯片；所述集成电路分别与所述加速度敏感芯片以及所述温度传感器相电连接；所述加速度敏感芯片包括多个测量体；每个所述测量体包括：质量块以及梳齿结构；所述梳齿结构包括从所述质量块上延伸出的活动梳齿，以及与所述活动梳齿相互间隔设置的固定梳齿，所述活动梳齿与所述固定梳齿之间形成有差分检测电容；所述梳齿结构为多组，多组梳齿结构分成第一部分和第二部分，第一部分梳齿结构与第二部分梳齿结构活动间隙变化方向相反，第一部分梳齿结构中的一组和第二部分梳齿结构中的一组输出一电信号。