[发明专利]一种低噪声MEMS加速度计

权利要求书

1.一种低噪声MEMS加速度计，其特征在于，该加速度计由结构层和衬底层组成，结构层包括质量块、梁、梳齿组和铆点；其中铆点均固定在衬底上，梳齿组及与之相连的铆点分布在质量块的内部；所述梁一端与质量块连接且梁的另一端与铆点连接，梁及与之相连的铆点分布在质量块的四周；所述梳齿组包括检测梳齿且检测梳齿为变面积梳齿；

所述梳齿组还包括反馈梳齿，所述反馈梳齿为变面积梳齿，反馈梳齿由动齿和定齿构成，动齿和定齿之间的间距均相等，静电作用使得动齿和定齿重叠长度发生变化，采用若干组关于质量块中心对称的反馈梳齿构成差分驱动结构实现闭环控制。

2.根据权利要求1所述的一种低噪声MEMS加速度计，其特征在于，所述检测梳齿由动齿和定齿构成，动齿和定齿之间的间距均相等，质量块的运动使得动齿和定齿之间重叠长度的改变引起电容变化，采用若干组关于质量块的中心对称的检测梳齿构成差分检测电容实现加速度的测量。

3.根据权利要求2所述的一种低噪声MEMS加速度计，其特征在于，采用两组检测梳齿，两组检测梳齿的梳齿组数、重叠长度及间隙均相同，每组检测梳齿的动齿均与质量块连接，每组检测梳齿的定齿均与铆点连接，两组检测梳齿构成差分电容实现加速度的检测；两组检测梳齿之间的电容差为：

其中，C_s1为一组检测梳齿的电容，C_s2为另一组检测梳齿的电容，n_s为检测梳齿的单元组数，t为结构层厚度，ε为介电常数，d₀为动齿和定齿之间间隙，a为加速度大小，ω₀为谐振频率；

由上式可知，ΔC_s的大小与加速度大小a成正比，检测ΔC_s的大小可得加速度的大小。

4.根据权利要求1所述的一种低噪声MEMS加速度计，其特征在于，采用两组反馈梳齿，两组反馈梳齿的重叠长度及间隙均相同，每组反馈梳齿的动齿均与质量块连接，每组反馈梳齿的定齿均与铆点连接，则质量块上受到的静电作用为：

其中，F_e1为一组反馈梳齿受到的静电力，F_e2为另一组反馈梳齿受到的静电力，V_r和V_f分别为两组反馈梳齿的驱动电压，ε为介电常数，d₂为动齿和定齿之间间隙，n₂为反馈梳齿的单元组数，t为结构层厚度；

通过V_r，V_f的值可知静电作用的加速度大小，达到闭环检测。

5.根据权利要求1所述的一种低噪声MEMS加速度计，其特征在于，所述梳齿组还包括静电负刚度梳齿，所述静电负刚度梳齿为变间距梳齿，静电负刚度梳齿由动齿和定齿构成，动齿和定齿之间的间距均相同，动齿和定齿间施加电压会产生静电负刚度以降低系统谐振频率。

6.根据权利要求5所述的一种低噪声MEMS加速度计，其特征在于，所述静电负刚度梳齿的动齿与质量块连接，所述静电负刚度梳齿的定齿与铆点连接，所述静电负刚度梳齿的动齿和定齿的重叠长度为l₁，动齿和定齿之间的间隙为d₁，在动齿和定齿之间施加电压V，当质量块1的位移为Δx时，动齿受到的静电力为：

其中，n₁为梳齿的组数，ε为介电常数，t为结构层厚度，F_e对Δx求导：

k_e为静电负刚度，k_m为梁的刚度，考虑k_e的影响，系统的谐振频率为：

k_m为梁的刚度，因为物理尺寸限制，通过降低k_m减小谐振频率有一定限度，k_e的作用是进一步降低系统刚度，从而降低系统谐振频率，提高检测灵敏度。

7.根据权利要求1-3任一项所述的一种低噪声MEMS加速度计，其特征在于，所述质量块为中心对称结构。