[发明专利]低噪声多轴微机电系统加速度计

说明书

本发明涉及低噪声多轴微机电系统加速度计。本发明通过使用较大的单个检测质量块测量沿两个正交轴的加速度提供了一种高精度、低噪声的MEMS加速度计。新颖的电极布置可以被动地防止加速度测量中的跨轴误差。新颖的弹簧布置和新颖的检测质量块布局进一步降低了噪声。

技术领域

本发明涉及微机电系统，并且特别地涉及用于测量加速度的微机电结构和对应的微机电加速度计装置。

背景技术

微机电结构可以用于快速且准确地检测物理特性的变化，例如测量物体遭受的加速度。

MEMS加速度计的基本元件是检测质量块(proof mass)、周围的支撑结构以及将检测质量块连接至支撑结构的弹簧。当MEMS加速度计遭受外部加速度时，检测质量块也由于弹簧耦接而被迫加速。然而，由于弹簧不是完全刚硬，因此弹簧发生偏转并且支撑结构与检测质量块之间的距离发生变化。距离的变化与加速度成比例，因此通过测量检测质量块与支撑结构之间的距离变化，可以测量加速度。

MEMS加速度计通常使用电容式传感器来测量检测质量块与支撑结构之间的距离变化。在这样的电容式传感器中，支撑结构上的电极和检测质量块上的电极彼此电绝缘，并且其电容被测量。随着支撑结构上的电极与检测质量块上的电极之间的距离减小，电容增加。类似地，当距离增加时，电容减小。

弹簧的偏转通常被布置成定向的，使得弹簧以所选择弹簧常数的刚度响应检测质量块沿一个方向即沿感测轴的位移，并且使检测质量块沿其他方向的位移最小化或将其消除。取决于应用的需求，可以针对特定的灵敏度、测量范围和频率响应设计加速度计装置。加速度计装置也可以适于沿两个或更多个方向进行感测，即使用具有不同感测轴的单独检测质量块的组合来进行多轴感测。为了试图减小加速度计装置的尺寸，也可以使用包括具有多于一个自由度的一个或多个部分的更复杂的检测质量块结构，并且因此能够单独检测在多于一个感测轴方向上的位移。然而，具有多于一个自由度的检测质量块结构的多轴传感器包括嵌套在平面内并且使用定向弹簧结构彼此机械耦接的部件的组合。这些弹簧结构易于允许相对于被感测运动的垂直加速度，并且从而使跨轴误差增加，即由于检测质量块沿不同轴的移动而导致的对沿感测轴的加速度的不正确指示。

惯性检测质量块的尺寸很重要，因为它们通常确定检测的灵敏度范围。不同类型的加速度传感器具有不同的要求，并且具体挑战是检测不同范围内的加速度。感测较低加速度(低g加速度计)需要大的检测质量块，而在较高加速度(高g加速度计)中，可以使用较小的检测质量块实现对运动的检测。

此外，高精度加速度计例如在电子稳定控制系统中使用的那些高精度加速度计通常要求每个感测轴独立——即，每个感测轴具有单独的检测质量块——以减少由跨轴干扰造成的不精确性。然而，由于MEMS系统通常受到显著的尺寸约束，因此针对感测轴使用单独的检测质量块减小了每个单独检测质量块的最大尺寸。作为较小检测质量块的结果，加速度计更容易受到噪声的影响。其他MEMS加速度计例如智能手机中使用的MEMS加速度计通常针对多个轴使用单个检测质量块以使系统的复杂性(并因此使成本)下降。虽然这使得能够使用较大的检测质量块，但是这些加速度计极易受到跨轴误差和检测质量块的寄生运动模式的影响，这显著降低了这些加速度计的精度。

发明内容

本发明通过使用较大的单个检测质量块来测量沿两个正交轴的加速度提供了一种高精度、低噪声的MEMS加速度计。新颖的电极布置被动地防止了加速度测量中的跨轴误差。

本发明的两轴MEMS加速度计包括：基板，其限定基板平面；检测质量块；以及两个或更多个梳状电容器，其包括从检测质量块延伸的可移动梳状电极和锚定至基板的固定梳状电极。

本发明的特征在于，每个梳状电容器包括：

·第一组可移动梳状齿，其沿梳状电容器的电容器轴在第一方向上远离检测质量块延伸，所述电容器轴平行于基板平面；

·第二组可移动梳状齿，其沿电容器轴在与第一方向相反的第二方向上远离检测质量块延伸；