[实用新型]基于刚度耦合的低应力Z轴MEMS加速度计

说明书

本实用新型公开了一种基于刚度耦合的低应力Z轴MEMS加速度计，敏感单元包括质量块、支撑梁和固定梳齿，所述支撑梁的主轴方向角偏离90度，使外力作用下的质量块产生面内偏转，所述固定梳齿的一端通过定齿锚点固定于衬底，所述质量块经支撑梁悬挂于中心锚点，所述中心锚点固定于衬底上，所述质量块包括可动梳齿，所述固定梳齿插设于可动梳齿之间，形成第一梳齿电容和第二梳齿电容，梳齿电容检测质量块面内偏转。该Z轴加速度计的支撑梁的主轴方向角偏离90度，基于支撑梁的刚度耦合原理，使面外加速度作用下的质量块同时产生面内偏转，通过梳齿电容检测该面内偏转完成加速度的检测，具有对称性好、对应力敏感性低、漂移低、非线性小等优点。

技术领域

本实用新型涉及硅微机械传感器技术领域，具体地涉及一种基于刚度耦合的低应力Z轴MEMS加速度计。

背景技术

MEMS硅微加速度计以低成本、小体积、低功耗、易集成、高可靠性等优点，广泛应用于惯性测量的各个领域。而MEMS电容式加速度计又以精度高、重复性好、漂移低、制作工艺简单等优良特性，成为目前研制最多、应用最广的惯性器件之一。随着技术的发展，对MEMS加速度计的精度要求越来越高，而应力和温度对MEMS电容式加速度计的精度影响尤为显著。

MEMS加速度计按敏感轴向分为X/Y轴和Z轴两种，X/Y轴加速度计敏感面内加速度，Z轴加速度计则敏感面外加速度。随着器件和组件的小型化发展，需要单片或单板实现三轴加速度的测量，这就要求X/Y轴和Z轴加速度计具备相当的精度。然而，从目前国内外相关MEMS电容式加速度计产品指标来看，总体而言，X/Y轴加速度计的温度漂移小于Z轴加速度计，即Z轴加速度计对应力和温度更为敏感。究其原因是敏感电容的结构差异，X/Y轴加速度计通常采用梳齿结构敏感电容，而Z轴加速度计更多采用平板结构敏感电容。

事实上，除了由待测加速度引起敏感电容变化外，其他任何因素导致的敏感电容变化均将被信号处理电路不同程度地检测得出，从而降低传感器的精度。其中以外界应力和温度等环境因素变化导致的敏感电容变化最为显著。这些应力经传递和作用最终表现为MEMS芯片的变形，如翘曲、弯曲等。置于MEMS芯片衬底上的加速度敏感单元，将不可避免地受到衬底变形的影响，造成假信号输出。衬底形变主要体现为Z轴向的位移，梳齿电容的Z轴向特征尺寸为梳齿高度（即质量块层厚度，通常几十微米），而平板电容的Z轴向特征尺寸为平板间隙（通常几微米）。因此，当衬底形变造成敏感电容结构在Z轴向产生相对位移时，该相对位移与梳齿高度之比远小于与平板间隙之比，也就是说该相对位移对平板电容造成的电容变化远大于对梳齿电容造成的电容变化，导致基于平板电容的Z轴加速度计温漂大于基于梳齿电容的X/Y轴加速度计，即对应力和温度更为敏感。

图1为现有跷跷板式Z轴加速度计受应力影响的原理示意图，其质量块平板下方关于扭转轴对称分布有两下电极平板，组成差分电容，电容初始间隙d0通常为1至3微米，下电极平板附着于衬底。受各种应力影响，衬底产生一定曲率的弯曲变形，下电极平板偏离原始位置δd，对平板电容造成的变化量近似为ΔC1≈δd/d0*C01。

目前Z轴MEMS加速度计多采用跷跷板结构和三明治结构，具体如下：

US6841992，US6935175，US7146856，US8079262公开了一类典型的跷跷板式Z轴加速度计，采用衬底上制作的关于扭转轴对称分布的下平板电极和质量块平板组成变间隙差动平板电容。

US9513310，CN201810650974.2，CN201710780370公开了一类多质量块耦合的跷跷板式Z轴硅微加速度计，其将相邻跷跷板敏感结构反向设置，采用变间隙平板检测电容。

US7140250、CN201911125779.9公开了两种基于梳齿电容检测的跷跷板式Z轴加速度计，采用不等高的梳齿电容代替平板电容，一定程度上降低了敏感电容对应力和温度的敏感性，不足的是机械位移至电容变化的增益偏低。