阅读说明：本技术 对应力不敏感的mems电容式z轴加速度计 (MEMS capacitive Z-axis accelerometer insensitive to stress ) 是由 周铭 鞠莉娜 黄艳辉 白小丽 于 2019-11-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种对应力不敏感的MEMS电容式Z轴加速度计,敏感单元包含衬底、可动质量块、固定梳齿、定齿锚点、支撑梁和中心锚点；可动质量块经两支撑梁悬挂于中心锚点,中心锚点固定于衬底上；可动质量块以支撑梁为扭转轴,分布在支撑梁两侧的可动质量块具有质量差；中心锚点两侧的衬底上设置有以支撑梁为对称的定齿锚点,固定梳齿设置在定齿锚点上；可动质量块朝向定齿锚点的方向设有可动梳齿,可动梳齿配合地插设在固定梳齿之间,在中心锚点两侧各形成一组梳齿电容。本发明的对应力不敏感的MEMS电容式Z轴加速度计,具有线性度好、温度漂移小、长期稳定性好、不显著增加制造难度等优点。(The invention discloses an MEMS capacitive Z-axis accelerometer insensitive to stress, wherein a sensitive unit comprises a substrate, a movable mass block, fixed comb teeth, fixed tooth anchor points, a support beam and a central anchor point; the movable mass block is suspended at a central anchor point through the two support beams, and the central anchor point is fixed on the substrate; the movable mass blocks take the supporting beam as a torsion shaft, and the movable mass blocks distributed on two sides of the supporting beam have poor mass; fixed tooth anchor points which are symmetrical by the support beam are arranged on the substrate on the two sides of the central anchor point, and the fixed comb teeth are arranged on the fixed tooth anchor points; the movable mass block is provided with movable comb teeth facing the fixed tooth anchor points, the movable comb teeth are inserted between the fixed comb teeth in a matching mode, and a group of comb tooth capacitors are formed on two sides of the central anchor point respectively. The MEMS capacitive Z-axis accelerometer insensitive to stress has the advantages of good linearity, small temperature drift, good long-term stability, no obvious increase of manufacturing difficulty and the like.)

对应力不敏感的MEMS电容式Z轴加速度计

技术领域

本发明涉及硅微机械传感器技术领域，尤其涉及一种对应力不敏感的MEMS电容式Z轴加速度计。

背景技术

作为MEMS技术的一个重要应用领域，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，已广泛应用于惯性测量各个领域。电容式硅微加速度计以其制作工艺简单、重复性好、漂移低等优良特性，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加速度计的性能要求越来越高，而外界应力和温度对MEMS电容式加速度计性能的影响尤为显著。

电容式加速度计的基本工作原理是待测加速度产生的惯性力引起敏感电容的极板间隙（变间隙型）或极板交叠面积（变面积型）变化，电容变化与加速度大小成比例关系，通过信号处理电路获取敏感电容的变化即可获得加速度的大小。

变间隙型电容敏感方式多采用平板电容结构，其特点是灵敏度高、非线性大、吸合效应明显。变面积型电容敏感方式多采用梳齿电容结构，梳齿电容由可动梳齿和固定梳齿构成，具有线性度好、不受施加电压信号影响等优点。

对于Z轴（平面外）加速度计，由于其运动方式，目前大多采用变间隙型平板电容结构。US6935175、US8079262介绍了两种典型结构，两者均采用衬底上制作的下电极板和可动质量平板组成敏感电容。由外界应力和温度变化造成的衬底变形将直接导致下电极板变形，从而产生敏感电容的变化，使输出漂移。

1996年美国密歇根大学的Arjun Selvakumar等人首次提出了基于变面积型梳齿电容实现Z轴加速度检测的设计方法。US7140250提出了一种差分梳齿电容检测的Z轴扭摆式加速度计。两种设计中，质量块锚点和定齿锚点均采用了分散布置的设计，该设计不能很好地适应由外界应力和温度变化造成的衬底变形，产生因敏感电容变化导致的输出漂移。

目前，缓减或抑制外界应力和温度变化对MEMS电容式加速度计漂移影响的手段主要有两种：一是应力释放或隔离设计，如ZL201410306360.4介绍了一种基于硅硅键合制作凸块支撑层的应力隔离结构，CN201510473172介绍了一种整块一体化的嵌入式应力隔离结构，上述应力隔离结构一方面增加了芯片制作或封装的难度，且不能从敏感单元源头对应力、变形影响进行抑制；二是设计对应力不敏感的敏感单元，CN201510114611.3介绍了一种对封装应力不敏感的MEMS芯片，通过将平板电容的下电极板单点悬浮，使得下电极板不受衬底变形的影响，该方案涉及多次硅硅键合工艺，制造难度大。

发明内容

发明目的：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种对应力不敏感的MEMS电容式Z轴加速度计，具有线性度好、温度漂移小、长期稳定性好、不显著增加制造难度等优点。

技术方案：

一种对应力不敏感的MEMS电容式Z轴加速度计，敏感单元包含衬底、可动质量块、固定梳齿、定齿锚点、支撑梁和中心锚点；

可动质量块经两支撑梁悬挂于中心锚点，中心锚点固定于衬底上；

可动质量块以支撑梁为扭转轴，分布在支撑梁两侧的可动质量块具有质量差；

中心锚点两侧的衬底上设置有以支撑梁为对称的定齿锚点，固定梳齿设置在定齿锚点上；

可动质量块朝向定齿锚点的方向设有可动梳齿，可动梳齿配合地插设在固定梳齿之间，在中心锚点两侧各形成一组梳齿电容。

进一步地，所有定齿锚点和中心锚点集中布置于以中心锚点为几何中心的设定的锚区内，锚区的面积<<可动质量块所占芯片面积。

进一步地，两组梳齿电容组成一对差分电容，梳齿电容为不等高梳齿结构。

进一步地，可动梳齿的顶部与固定梳齿的顶部之间具有第一高度差。

进一步地，可动梳齿的底部与固定梳齿的底部之间具有第二高度差。

进一步地，由多个所述敏感单元组成阵列，各敏感单元之间由耦合梁连接实现同频同向转动。

进一步地，阵列中包含的敏感单元的数量为三个、四个、五个或六个。

进一步地，所述耦合梁采用可翻转扭动的铰链式结构。

进一步地，所述耦合梁为折叠梁。

进一步地，所述耦合梁的平面外刚度大于平面内刚度。

本发明所达到的有益效果：

本发明的对应力不敏感的MEMS电容式Z轴加速度计，具有线性度好、温度漂移小、长期稳定性好、不显著增加制造难度等优点。

附图说明

图1A为现有的基于变间隙型敏感电容的Z轴加速度计结构示意图及其对应力敏感的原理示意图（衬底无变形）。

图1B为现有的基于变间隙型敏感电容的Z轴加速度计结构示意图及其对应力敏感的原理示意图（衬底发生变形）。

图2A为现有的基于变面积型敏感电容的Z轴加速度计结构示意图及其对应力敏感的原理示意图（衬底无变形）。

图2B为现有的基于变面积型敏感电容的Z轴加速度计结构示意图及其对应力敏感的原理示意图（衬底发生变形）。

图3A为本发明所述对应力不敏感的MEMS电容式Z轴加速度计的整体示意图。

图3B为图3A的A-A剖视图。

图4为本发明所述对应力不敏感的MEMS电容式Z轴加速度计的不等高梳齿电容结构三维示意图。

图5为本发明所述对应力不敏感的MEMS电容式Z轴加速度计的工作原理示意图。

图6为本发明所述对应力不敏感的MEMS电容式Z轴加速度计对应力不敏感的原理示意图。

图7为本发明所述对应力不敏感的MEMS电容式Z轴加速度计的阵列形式的示意图。

图8为图7的本发明所述对应力不敏感的MEMS电容式Z轴加速度计的阵列形式B-B视图的应力释放原理示意图。

图中，1为敏感单元，11为衬底，13为可动质量块，14为支撑梁，15为中心锚点，101a、101b为下电极板，16为梳齿电容，16a为可动梳齿，16b为固定梳齿，16c为梳齿臂，17为定齿锚点，17a为左定齿锚点，17b为右定齿锚点，22为耦合梁。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明的对应力不敏感的MEMS电容式Z轴加速度计，整体示意图如图3A和图3B所示，其敏感单元1包含衬底11、可动质量块13、固定梳齿16b、定齿锚点17、支撑梁14和中心锚点15。可动质量块13经两支撑梁14悬挂于中心锚点15，中心锚点15固定于衬底11上，可动质量块13以支撑梁14为扭转轴，两侧具有质量差。固定梳齿16b含有梳齿臂16c，经定齿锚点17固定于衬底，梳齿臂16c即为伸出定齿锚点17的悬臂结构。定齿锚点17包括紧挨中心锚点15对称布置的左右两侧的左、右定齿锚点17a、17b。可动质量块13含有与固定梳齿16b相配合的可动梳齿16a，可动梳齿16a插设在固定梳齿16b之间，在支撑梁14两侧各形成一组梳齿电容，两组梳齿电容组成一对差分电容。敏感单元整体呈单支点准悬浮结构。

所有定齿锚点17和中心锚点15以紧挨形式集中布置于以中心锚点15为几何中心圆形锚区内，圆形锚区的面积应远小于可动质量块13所占芯片面积。

Z轴加速度计的可动质量块13作平面外摇摆运动，要使这种运动引起差分电容产生差模量须采用不等高的梳齿电容结构，结合图4所示，由可动梳齿16a、固定梳齿16b组成，固定梳齿16b准悬浮于定齿锚点17上，可动梳齿16a的顶部和底部与固定梳齿16b的顶部和底部均存有一高度差Top Offset、Bot Offset，该高度差应大于可动质量块13在正常工作范围内的最大平面外位移量，以保证梳齿电容的线性度。不等高梳齿电容采用深硅刻蚀工艺制作，以高深宽比刻蚀技术制作出间隙较小的梳齿结构，提高梳齿电容的灵敏度。

图5为对应力不敏感的MEMS电容式Z轴加速度计工作原理，在垂直于质量块平面的加速度作用下，可动质量块的质量差产生致使其绕支撑梁偏转的惯性力矩，偏转角度正比于待测加速度，同时反比于支撑梁的扭转刚度

。可动质量块的偏转使得差分梳齿电容的交叠面积一个增大一个减小，即差分梳齿电容一个增大（），一个减小（）,

、

分别为两梳齿电容的基电容，

为待测加速度引起的电容变化量。

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，温度变化在材料热失配时将引入组封装热应力。这些应力经传递最终表现为MEMS芯片的变形，如翘曲、弯曲等。实施例中加速度计的敏感单元置于MEMS芯片的衬底上。实际中，因外界应力和温度变化导致的衬底变形不可避免地存在。

对应力不敏感的MEMS电容式Z轴加速度计，其不同于现有的两种Z轴加速度计典型结构。一种如图1A、图1B所示，由可动质量块13（上电极）和下电极板101a、101b组成变间隙型敏感电容，下电极板101a、101b整块依附于衬底11表面，下电极板设于可动质量块13下方，对称分布于以支撑梁为轴的两侧，组成一对差动电容。当衬底因外界应力或温度变化产生变形时，可动质量块13因单点支撑结构特征具有完全自由的力学特性，即可动质量块13没有变形，但下电极板会跟随衬底11的变形，使敏感电容的间隙变化，间隙变化大小取决于下电极板的分布，与扭转轴（支撑梁）距离L越大，间隙变化越大，电容变化也越大。假以曲率半径ρ表示衬底的弯曲程度，则电容变化

。理想情况下，电容变化属于差分电容的共模量，实际中敏感单元不可能完全对称、且信号处理电路也存有共模泄漏，因而电容变化

将造成输出的漂移。

另一种现有的Z轴加速度计如图2A、图2B所示，可动质量块13经中心锚点15固定于衬底11，可动梳齿和固定梳齿组成变面积型敏感电容，固定梳齿置于可动梳齿的外侧，固定梳齿经定齿锚点17a、17b固定于衬底，定齿锚点与中心锚点呈多点分散布置。衬底弯曲变形时，定齿锚点随衬底发生位移，该位移量正比于定齿锚点与中心锚点距离L的二次方、反比于衬底曲率半径，从而使得固定梳齿偏离原始位置，梳齿电容因交叠面积变化导致电容变化，产生输出漂移。

而本发明的对应力不敏感的MEMS电容式Z轴加速度计，在衬底发生变形时的情形如图6所示。可动质量块13因单点支撑的结构特征具有完全自由的力学特性，即可动质量块没有变形。圆形锚区内紧挨布置的左定齿锚点17a和中心锚点15，假设其间距为L’，衬底曲率半径为ρ，则固定梳齿在平面外（Z轴）方向的位移

近似为

。由于圆形锚区的面积远小于可动质量块所占芯片面积，因此L’在设计时通常取值很小，与图2A、图2B中的现有方案相比，L’<<L，即衬底变形引入的梳齿电容变化非常小，甚至L’足够小时，几乎可以忽略衬底变形对梳齿电容交叠面积的影响，从而实现对应力不敏感的Z轴加速度计敏感单元设计。

图3A和图3B所示对应力不敏感的MEMS电容式Z轴加速度计还可以通过阵列形式进一步提升性能，以适应高灵敏度、低噪声的应用需求。在圆形锚区内集中紧挨布置中心锚点和定齿锚点的设计虽然很好地解决了应力敏感性问题，但也限制了固定梳齿在X轴方向伸出定齿锚点的长度，伸出过长会降低固定梳齿的结构稳定性，因而一定程度上限制了梳齿电容的灵敏度。

实施例中采用图7所示阵列形式来改善电容灵敏度的问题。将多个相同的对应力不敏感的MEMS电容式Z轴加速度计敏感单元1沿Y轴阵列布置，相邻敏感单元1的可动质量块之间由两个关于支撑梁对称分布的耦合梁22连接。耦合梁22具有平面外（Z轴向）刚度相对较大、平面内（Y轴向）刚度相对很小、可沿X轴扭转等特性，典型的如图7所示的折叠梁。平面外刚度相对较大的特性用以耦合各敏感单元的运动，使得多个敏感单元1整体绕Y轴作同频同向转动，以此成倍增大电容灵敏度和有效质量。多个敏感单元1阵列后，各敏感单元1的中心锚点沿Y轴呈分散式布置、且间距相对较大，衬底11的变形将使所有锚点产生位移，导致所有可动质量块上产生应力，然而耦合梁22平面内（Y轴向）刚度相对很小和可沿X轴扭转的特性可以几乎完全释放可动质量块上的应力，从而最大程度地避免加速度计的支撑梁刚度、机械灵敏度受外界应力和热应力的影响。此时，阵列中的每个敏感单元1的梳齿电容对衬底变形仍是不敏感的。

敏感单元1的阵列数量可以是三个、四个、五个、六个等，具体由设计决定，实施例中采用五敏感单元阵列。图8为多敏感单元阵列形式的组封装应力仿真模拟，根据仿真模拟，可以看出耦合梁22以弯曲和扭转变形释放了可动质量块上的应力，整个可动质量块和支撑梁上的应力保持在了很低的量级。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。