[发明专利]一种叶片式Z轴MEMS加速度计

说明书

本发明揭示了一种叶片式Z轴MEMS加速度计，由硅衬底和硅帽相接构成空腔，硅衬底和硅帽上各设有检测电极。特别地，该空腔中设有锚点、支撑框架及两组以上具有不对称质量的叶片式质量块，每组质量块通过位于中间的弹性梁连接并围绕锚点等距分布在支撑框架上，且绕锚点旋转对称；在沿锚点轴向所在Z轴输入加速度下，该质量块绕弹性梁所在、支撑框架的支臂发生XY平面外旋转运动，检测电极与质量块构成检测加速度的两组以上差分电容。应用本发明该MEMS加速度计，通过将质量块设计成相对锚点旋转对称的叶片式结构，将封装应力误差得以最大化地差分抵销，可以大幅提高Z轴MEMS加速度计的温度特性，具有更高的抗误差干扰能力及其它MEMS相关器件的普适性。

技术领域

本发明涉及一种芯片级传感器设计，尤其涉及一种叶片式Z轴MEMS加速度计的创新结构，属于微机电技术领域。

背景技术

MEMS即微机电系统(Micro-electro Mechanical System)，是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域。它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术，具有广阔的应用前景。其中，MEMS压力传感器、加速度计、陀螺仪等都是典型的力敏感器件，它们多用作压力、加速度、角速度等物理量的高精度测量，具有体积小、功耗低、与集成电路工艺兼容、易于大批量生产等特点。

MEMS加速计是利用微型检测质量块来实现测量加速度的微型传感器。根据其检测原理，可分为压阻式、压电式、电容式、热流式等。目前高精度、商用的MEMS加速度计大多为电容式的。但是无论哪种检测原理的MEMS加速度计，其在封装过程中均无法避免地会引入额外的应力。

MEMS加速度计的MEMS芯片通常采用陶瓷、金属或塑料管壳封装。MEMS芯片通常采用粘胶固定在封装壳体腔体内。由于MEMS芯片、粘胶、封装管壳为不同材料，其热膨胀系数（coefficient of thermal expansion，CTE）不一致，导致当环境温度发生变化时，MEMS芯片、粘胶、封装管壳之间存在热应力失配，进而产生封装热应力（如图3所示）。在热应力作用下固定在硅衬底或硅帽上的固定电极将发生形变，进而导致固定电极与质量块自身的活动电极构成的平板电容发生变化。该变化不是输入加速度产生的，因此是误差信号。

传统Z轴MEMS加速度计的敏感结构为跷跷板结构形式（如图1所示）或三明治结构形式（如图2所示）。Z轴加速度计通常采用平板电容检测方式，因此其检测电容的固定电极通常固定在硅衬底或硅帽上，用于检测微质量块沿Z轴的运动位移。当有Z轴输入加速度时，微质量块沿Z轴运动产生正比于输入加速度的运动位移。布置在硅衬底和（或）硅帽上的固定电极与微质量块自身的活动电极构成了一对或多对平板电容。由于微质量块在输入加速度作用下发生了偏移位移，导致平板电容的容值发生了变化。通过检测平板电容容值的变化量可以计算出输入加速度的大小。

如何减小封装应力是进一步提高MEMS加速度计性能的一个需要解决的重要技术瓶颈。国内外相关研究人员提出了多种解决途径：

亚德诺半导体公司提出了一种“具有Z轴锚跟踪的MEMS加速度计”的方法，设计了跟踪锚结构，其将力施加耦合到质量的扭转弹簧，用于抵消应变对输出加速度的影响。

EP1571454B1公开了一种带芯片级应力隔离的三明治结构的Z轴硅微加速度计，其在中间层质量块的周围设置了应力释放梁，通过应力释放降低传递至三明治敏感结构的应力。

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。