一种锯齿形梳齿结构的MEMS加速度计

摘要

本发明公开了一种锯齿形梳齿结构的MEMS加速度计，包括衬底层和结构层，所述结构层包括可动质量块悬浮于所述衬底层之上，受到加速度时，可在左右方向上发生位移，所述可动质量块两侧设有梁，所述梁通过第一锚点固定在衬底层上，可动质量块内部设有梳齿对，所述梳齿对包括在可动质量块中间对称设置一组、四个角分别设置一组的敏感梳齿对和对称设置两组的反馈梳齿对，所述敏感梳齿对为锯齿形梳齿，反馈梳齿对为矩形梳齿。本发明创新性地引入锯齿形梳齿结构，使可动质量块在受到加速度运动时，几乎只产生滑膜阻尼，大大减少了热机械噪声，并且锯齿形梳齿使MEMS加速度计电容的变化量更大，有效提高了灵敏度和分辨率。

权利要求

1.一种锯齿形梳齿结构的MEMS加速度计，其特征在于，包括衬底层和结构层(1)，所述结构层(1)包括可动质量块(3)悬浮于所述衬底层之上，所述可动质量块(3)两侧设有梁(4)，所述梁(4)通过第一锚点(2)固定在衬底层上，可动质量块(3)内部设有梳齿对(5)，所述梳齿对(5)包括在可动质量块(3)中间对称设置一组、四个角分别设置一组的敏感梳齿对和对称设置两组的反馈梳齿对，所述敏感梳齿对为锯齿形梳齿，反馈梳齿对为矩形梳齿；所述敏感梳齿对包括正敏感梳齿对(6)和负敏感梳齿对(7)，所述正敏感梳齿对(6)包括正敏感固定梳齿(10)和正敏感可动梳齿(11)，所述正敏感固定梳齿(10)通过正敏感电极(12)与第二锚点(13)连接固定，所述正敏感可动梳齿(11)与可动质量块(3)相连，可随可动质量块(3)左右移动，正敏感固定梳齿(10)与正敏感可动梳齿(11)配合，每个梳齿对的间隙均相同，构成了正敏感单元，负敏感单元与正敏感单元结构相同，成对称放置，共同构成敏感单元；所述敏感单元之间的电容差为：式中，ε为介电常数；h为梳齿厚度；Δx为可动质量块位移距离；d为梳齿间正对间隙距离；θ为锯齿形梳齿顶角的一半；l为正敏感固定梳齿和正敏感可动梳齿重叠长度。

2.根据权利要求1所述的一种锯齿形梳齿结构的MEMS加速度计，其特征在于，所述反馈梳齿对包括正反馈梳齿对(8)和负反馈梳齿对(9)，所述正反馈梳齿对(8)包括正反馈固定梳齿(14)和正反馈可动梳齿(15)，所述正反馈固定梳齿(14)通过正反馈电极(16)与第三锚点(17)连接固定，所述正反馈可动梳齿(15)与可动质量块(3)相连，可驱动可动质量块(3)左右移动，正反馈固定梳齿(14)与正反馈可动梳齿(15)配合，每个梳齿对的间隙不同，分为大间隙和小间隙，构成了正反馈单元，负反馈单元与正反馈单元结构相同，成中心对称放置，共同构成反馈单元。

3.根据权利要求2所述的一种锯齿形梳齿结构的MEMS加速度计，其特征在于，所述第一锚点(2)、第二锚点(13)、第三锚点(17)均固定在衬底层上。

4.根据权利要求1所述的一种锯齿形梳齿结构的MEMS加速度计，其特征在于，所述锯齿形梳齿顶部为圆弧结构。

5.根据权利要求1所述的一种锯齿形梳齿结构的MEMS加速度计，其特征在于，所述结构层(1)材料为硅。

6.根据权利要求1所述的一种锯齿形梳齿结构的MEMS加速度计，其特征在于，所述衬底层材料为硅或玻璃。

说明书

一种锯齿形梳齿结构的MEMS加速度计

技术领域

[0001] 本发明涉及MEMS传感器设备技术领域，具体涉及一种锯齿形梳齿结构的MEMS加速度计。

背景技术

[0002] MEMS加速度计是利用MEMS加工工艺制造的加速度传感器，是检测加速度的装置。MEMS加速度计具有体积小、集成度高、精度高等优点，被用在越来越多的领域，尤其是惯性导航、无人机、工业机器人等领域。

[0003] 在MEMS加速度计中，电容式MEMS加速度计是应用最广泛的MEMS加速度计之一。作用在质量块上的加速度，会使与质量块相连的梳齿发生位移，则会改变梳齿对之间的电容值，通过检测电容值的改变来检测加速度值的大小。

[0004] 变面积式MEMS加速度计是通过改变相对梳齿正对面积，来改变其间电容的加速度计，此类加速度计的质量块在运动过程中，梳齿与空气产生的阻尼是滑膜阻尼，避免了压膜阻尼产生的热机械噪声，是一种低噪声的加速度计，与变间隙式加速度计相比，其灵敏度一般较低。

发明内容

[0005] 针对上述问题，本发明提供一种锯齿形梳齿结构的MEMS加速度计，与传统变面积式MEMS加速度计相比，在相同的加速度作用下，电容的变化量更大，灵敏度更高。

[0006] 本发明采用下述的技术方案：

[0007] 一种锯齿形梳齿结构的MEMS加速度计，包括衬底层和结构层，所述结构层包括可动质量块悬浮于所述衬底层之上，受到加速度时，可在左右方向上发生位移，所述可动质量块两侧设有梁，所述梁通过第一锚点固定在衬底层上，可动质量块内部设有梳齿对，所述梳齿对包括在可动质量块中间对称设置一组、四个角分别设置一组的敏感梳齿对和对称设置两组的反馈梳齿对，所述敏感梳齿对为锯齿形梳齿，反馈梳齿对为矩形梳齿。

[0008] 优选的，所述敏感梳齿对包括正敏感梳齿对和负敏感梳齿对，所述正敏感梳齿对包括正敏感固定梳齿和正敏感可动梳齿，所述正敏感固定梳齿通过正敏感电极与第二锚点连接固定，所述正敏感可动梳齿与可动质量块相连，可随可动质量块左右移动，正敏感固定梳齿与正敏感可动梳齿配合，每个梳齿对的间隙均相同，构成了正敏感单元，负敏感单元与正敏感单元结构相同，成对称放置，以形成差分输出，共同构成敏感单元。

[0009] 优选的，所述反馈梳齿对包括正反馈梳齿对和负反馈梳齿对，所述正反馈梳齿对包括正反馈固定梳齿和正反馈可动梳齿，所述正反馈固定梳齿通过正反馈电极与第三锚点连接固定，所述正反馈可动梳齿与可动质量块相连，可驱动可动质量块左右移动，正反馈固定梳齿与正反馈可动梳齿配合，每个梳齿对的间隙不同，分为大间隙和小间隙，构成了正反馈单元，负反馈单元与正反馈单元结构相同，成中心对称放置，分别负责提供两个方向的反馈力，共同构成反馈单元。

[0010] 优选的，所述第一锚点、第二锚点、第三锚点均固定在衬底层上。

[0011] 优选的，所述锯齿形梳齿顶部为圆弧结构，一方面削弱了电荷的边缘效应，增强了器件的线性度；另一方面，减小了制造产生的应力，提高了结构可靠性。

[0012] 优选的，所述结构层材料为硅。

[0013] 优选的，所述衬底层材料为硅或玻璃。

[0014] 所述正敏感固定梳齿和正敏感可动梳齿重叠面积为S，重叠长度为 ，梳齿厚度为h，梳齿间正对间隙为d，则正敏感单元的初始电容 ：

[0015]

[0016] 当可动质量块受到加速度，发生位移 后，梳齿正对重叠长度变化 ，梳齿间隙变化 ，正敏感单元电容 ：

[0017]

[0018] 同理，负敏感单元电容 ：

[0019]

[0020] 则差分输出后，电容变化量 为：

[0021]

[0022] 由于 ，所以：

[0023]

[0024] 式中 是锯齿形梳齿顶角的一半，则：

[0025]

[0026] 式中， 为介电常数； 为梳齿厚度； 为可动质量块位移距离； 为梳齿间正对间隙距离； 为锯齿形梳齿顶角的一半； 为正敏感固定梳齿和正敏感可动梳齿重叠长度。

[0027] 通过上式可知通过调节 与 的比值关系及 的大小，可以调节加速度计灵敏度大小。

[0028] 本发明的有益效果是：

[0029] 1、通过创新性地引入锯齿形梳齿结构，使得加速度计内的质量块在受到加速度运动时，几乎只产生滑膜阻尼，大大减少了热机械噪声。

[0030] 2、梳齿正对面积的变化和间隙的变化，都会引起梳齿间电容的变化，在相同加速度情况下，锯齿形梳齿比传统矩形梳齿正对面积变化和间隙变化更大，电容的变化量更大，因此有效提高了灵敏度和分辨率。

[0031] 3、本发明采用了差分检测，闭环控制方式，器件的噪声小，线性度好。

[0032] 4、通过调节正敏感固定梳齿和正敏感可动梳齿重叠长度与梳齿间正对间隙的比值关系及锯齿形梳齿顶角的大小，可以精准地调节MEMS加速度计的灵敏度大小。

[0033] 5、本发明结构简单，对工艺要求低，可实现大批量生产，成本低，加工周期短，经济效益好。

附图说明

[0034] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。

[0035] 图1为本发明示意图；

[0036] 图2为本发明锯齿形梳齿结构示意图。

[0037] 图中：1‑结构层、2‑第一锚点、3‑可动质量块、4‑梁、5‑梳齿对、6‑正敏感梳齿对、7‑负敏感梳齿对、8‑正反馈梳齿对、9‑负反馈梳齿对、10‑正敏感固定梳齿、11‑正敏感可动梳齿、12‑正敏感电极、13‑第二锚点、14‑正反馈固定梳齿、15‑正反馈可动梳齿、16‑正反馈电极、17‑第三锚点。

具体实施方式

[0038] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0039] 除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

[0040] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

[0041] 如图1所示，一种锯齿形梳齿结构的MEMS加速度计，包括衬底层和结构层1，所述结构层1包括可动质量块3悬浮于所述衬底层之上，受到加速度时，可在左右方向上发生位移，所述可动质量块3两侧设有梁4，所述梁4通过第一锚点2固定在衬底层上，可动质量块3内部设有梳齿对5，所述梳齿对5包括在可动质量块3中间对称设置一组、四个角分别设置一组的敏感梳齿对和对称设置两组的反馈梳齿对，所述敏感梳齿对为锯齿形梳齿，反馈梳齿对为矩形梳齿。

[0042] 所述敏感梳齿对包括正敏感梳齿对6和负敏感梳齿对7，所述正敏感梳齿对6包括正敏感固定梳齿10和正敏感可动梳齿11，所述正敏感固定梳齿10通过正敏感电极12与第二锚点13连接固定，所述正敏感可动梳齿11与可动质量块3相连，可随可动质量块3左右移动，正敏感固定梳齿10与正敏感可动梳齿11配合，每个梳齿对的间隙均相同，构成了正敏感单元，负敏感单元与正敏感单元结构相同，成对称放置，以形成差分输出，共同构成敏感单元。

[0043] 所述反馈梳齿对包括正反馈梳齿对8和负反馈梳齿对9，所述正反馈梳齿对8包括正反馈固定梳齿14和正反馈可动梳齿15，所述正反馈固定梳齿14通过正反馈电极16与第三锚点17连接固定，所述正反馈可动梳齿15与可动质量块3相连，可驱动可动质量块3左右移动，正反馈固定梳齿14与正反馈可动梳齿15配合，每个梳齿对的间隙不同，分为大间隙和小间隙，构成了正反馈单元，负反馈单元与正反馈单元结构相同，成中心对称放置，分别负责提供两个方向的反馈力，共同构成反馈单元。

[0044] 所述第一锚点2、第二锚点13、第三锚点17均固定在衬底层上。

[0045] 如图2所示，所述锯齿形梳齿顶部为圆弧结构，一方面削弱了电荷的边缘效应，增强了器件的线性度；另一方面，减小了制造产生的应力，提高了结构可靠性。

[0046] 所述结构层1材料为硅。

[0047] 所述衬底层材料为硅或玻璃。

[0048] 当MEMS加速度计受到敏感轴向左右方向的加速度时，可动质量块3在惯性力的作用下发生微小位移，即偏离结构机械零位，此时正敏感固定梳齿10与正敏感可动梳齿11之间的正对面积和间隙发生改变，负敏感单元发生相反变化，引起敏感电极间的电容变化，通过接口电路可以读出该电容的变化值，从而得到加速度的大小，并通过正反馈单元和负反馈单元平衡惯性力，将可动质量块3恢复到机械零位，实现加速度的闭环检测，本发明采用差分电容检测，消除了绝大部分的干扰噪声，极大地提高了信噪比，利用闭环控制，使器件线性度好。

[0049] 所述正敏感固定梳齿10和正敏感可动梳齿11重叠面积为S，重叠长度为 ，梳齿厚度为h，梳齿间正对间隙为d，则正敏感单元的初始电容 ：

[0050]

[0051] 当可动质量块3受到加速度，发生位移 后，梳齿正对重叠长度变化 ，梳齿间隙变化 ，正敏感单元电容 ：

[0052]

[0053] 同理，负敏感单元电容 ：

[0054]

[0055] 则差分输出后，电容变化量 为：

[0056]

[0057] 由于 ，所以：

[0058]

[0059] 式中 是锯齿形梳齿顶角的一半，则：

[0060]

[0061] 式中， 为介电常数； 为梳齿厚度； 为可动质量块位移距离； 为梳齿间正对间隙距离； 为锯齿形梳齿顶角的一半，为正敏感固定梳齿和正敏感可动梳齿重叠长度。

[0062] 若敏感梳齿为普通的矩形梳齿，则

[0063]

[0064] 由于在梳齿结构中，往往是 的数倍，所以

[0065]

[0066] 即，在相同的位移 的情况下，锯齿形梳齿相比普通矩形梳齿可引起更大的电容变化，也就是说具有更高的灵敏度。

[0067] 在设计时，可通过调节 与 的比值关系及 的大小，精准地调节灵敏度大小至实际所需。

[0068] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。