[发明专利]一种低交叉轴灵敏度的面外轴向检测MEMS电容式加速度计

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明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；