一种高灵敏度开环MEMS加速度计传感器结构的制作方法

一种高灵敏度开环mems加速度计传感器结构
技术领域
1.本发明属于mems电容式加速度传感器领域，特别涉及一种高灵敏度开环mems加速度计传感器结构。


背景技术：

2.mems加速度计传感器结构是mems加速度计的组成部分，作为mems加速度计测量加速度信号的执行结构。传感器结构在控制电路的控制下，在加速度信号作用时，敏感质量体会在惯性力作用下发生位置变化，再由控制电路解算出加速度信号。现有的mems加速度计重，传感器结构采用4根悬臂梁支承，再加上传感器加工误差，造成传感器工作稳定性差，容易发生扭转等缺陷，限制了mems加速度计的工作特性。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种新的高灵敏度开环mems加速度计传感器结构来克服加速度计结构加工中的不对称性，提高加速度敏感轴的正交性，最终提高mems加速度计的非线性指标。
4.本发明的技术方案是：一种高灵敏度开环mems加速度计传感器结构，包括正交补偿电极梳齿结构1，框架结构2、检测电极梳齿结构3、敏感质量体4、锚点5、支承梁6和限位结构7；
5.所述锚点5用于固定传感器，分布在框架结构2四角位置；
6.所述正交补偿电极梳齿结构1、检测电极梳齿结构3、敏感质量体4和限位结构7位于框架结构2内侧，敏感质量体4通过支承梁6支承，所述支承梁6一端固定连接敏感质量体4，另一端固定连接框架结构2；
7.所述正交补偿电极梳齿结构1包括正交补偿电极活动梳齿和正交补偿电极固定梳齿，其中正交补偿电极活动梳齿与敏感质量体4固定连接，正交补偿电极固定梳齿固定在锚点5上，正交补偿电极活动梳齿和正交补偿电极固定梳齿相互插接，形成正交补偿电极梳齿结构1；
8.所述检测电极梳齿结构3包括检测电极活动梳齿和检测电极固定梳齿，其中检测电极活动梳齿与敏感质量体4固定连接，检测电极固定梳齿固定在锚点5上，检测电极活动梳齿和检测电极固定梳齿相互插接，形成检测电极梳齿结构3；
9.所述正交补偿电极活动梳齿和两侧正交补偿电极固定梳齿的间隙分为宽间隙和窄间隙，且宽间隙为窄间隙的3到5倍；所述检测电极活动梳齿和两侧检测电极固定梳齿的间隙分为宽间隙和窄间隙，且宽间隙为窄间隙的3到5倍；
10.所述敏感质量体4两端设有限位结构7，且在稳定状态下，敏感质量体4和限位结构7之间存在间隙，所述间隙不大于设定值，所述设定值根据敏感质量体在加速度作用下允许的最大位移确定。
11.本发明进一步的技术方案是：所述窄间隙为2～8um，宽间隙为5～25um。
12.本发明进一步的技术方案是：所述支承梁6由多个弹性梁组合并联形成，且对称分布于敏感质量体4上下两侧。
13.本发明进一步的技术方案是：所述梳齿结构分为四对八组，其中正交补偿电极梳齿结构1为四组，分布在框架结构2四角，且对称位于敏感质量体4两端上下两侧，形成正交补偿电极差动电容对；检测电极梳齿结构3为四组，分布在框架结构2中部敏感质量体4上下两侧，检测电极差动电容对。
14.本发明进一步的技术方案是：所述正交补偿电极梳齿结构1采用压膜电容方式形成。
15.本发明进一步的技术方案是：所述检测电极梳齿结构3采用压膜电容方式形成。
16.本发明进一步的技术方案是：所述支承梁6宽度为5～15um。
17.本发明进一步的技术方案是：所述锚点5数量至少为4个且为偶数个，并且沿敏感质量体均匀分布。
18.本发明进一步的技术方案是：所述限位点7能阻止敏感质量体4继续进动，起到限位并防止梳齿吸合、扭转，并实现回弹缓冲的作用。
19.发明效果
20.本发明的技术效果在于：
21.本发明提供了一种高灵敏度开环mems加速度计传感器结构，各结构部分对称分布；敏感质量体利用多组并联关系的支承梁支承，当受到外部加速度信号输入时，发生微小位移，并引起检测电极电容值变化。通过解调检测电极的电容值得到输入加速度的大小。在正交补偿电极上施加一定电压，能够驱动敏感质量体发生微小旋转，以消除传感器结构加工误差，有利于提高传感器的精度。框架结构上的限位结构，能够在敏感期质量体受到过大加速度输入时，物理阻止敏感期质量体发生过大位移，造成结构体损坏和梳齿吸附。通过正交电极补偿，减小传感器加工误差，提高了传感器工作的稳定性，使得传感器不发生扭转。通过多组上下左右对称的并联的支撑梁连接敏感质量体和框架，支撑点多，支撑牢靠，提升了mems加速度计的工作特性。
附图说明
22.图1为mems电容式加速度质量体限位点示意图。
23.图2为梳齿结构的放大图。
24.附图标记说明：1-正交补偿电极梳齿结构；2-框架结构；3-检测电极梳齿结构；4-敏感质量体；5-锚点；6-支承梁；7-限位点
具体实施方式
25.为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
26.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领
域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
27.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。
28.以下将结合附图及具体实施方案来详细说明本发明，但并不局限于此。
29.在此本发明的示意性实施以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
30.一种高灵敏度开环mems加速度计传感器结构，采用深硅刻蚀的工艺方法加工一次成型，包括正交补偿电极梳齿结构1、框架结构2、检测电极梳齿结构3、敏感质量体4、锚点5、支承梁6、限位点7。敏感质量体与正交补偿电极梳齿结构的活动梳齿以及检测电极梳齿结构的活动梳齿固连，并利用支承梁支承。框架结构与限位点、支承梁固定端，锚点固连。锚点用于固定整个传感器结构。
31.所述支承梁6由多个弹性梁组合形成，多个弹性梁关系为并联，且对称分布于敏感质量体4上下两侧。所述支承梁6与敏感质量体4之间为刚性连接。
32.所述正交补偿电极梳齿结构1活动梳齿与敏感质量体4固连，且沿敏感质量体4上下对称分布。所述检测电极梳齿结构3活动梳齿与敏感质量体4固连，且沿敏感质量体4上下对称分布。
33.所述锚点5与框架结构2固连，并支承整个传感器结构。锚点的数量至少为4个，也可大于4个，但为偶数个且沿敏感质量体均匀分布。本实施例中，锚点5对称分布在框架结构2的4个边角位置。所述锚点5还与正交补偿电极梳齿结构1固定梳齿、检测电极梳齿结构3固定梳齿固连，对正交补偿电极梳齿结构1固定梳齿、检测电极梳齿结构3固定梳齿起到固定作用。
34.正交补偿电极梳齿结构1以及检测电极梳齿结构3均采用压膜电容方式形成。敏感质量体上下对称分布的两对正交补偿电极梳齿结构，构成了正交补偿电极差动电容对；敏感质量体上下对称分布的两对检测电极梳齿，构成了检测电极差动电容对。
35.对于除了两端梳齿外的其余梳齿而言，每个梳齿与相邻梳齿之间的距离分为宽间隙和窄间隙，为了提高灵敏度，要求间隙2～8um且宽间隙5～25um，同时隙为窄间隙的3到5倍，通过窄间隙的范围设定，提高灵敏度，并且提供正交补偿力，窄间隙不能太小，否则容易吸附碰撞导致结构破坏，也不能太大，否则导致灵敏度太低。
36.支承敏感质量体结构的支承梁宽度为5～15um，其目的也是为了提高灵敏度，同样宽度不能太小，防止吸附碰撞导致结构破坏，也不能太大，否则导致灵敏度太低。
37.所述限位点7均布在敏感质量体4两侧，在稳定状态下，敏感质量体4和限位点7之间存在间隙，所述间隙不大于设定值，所述设定值根据敏感质量体在加速度作用下允许的最大位移确定。
38.在本实例中，敏感质量体4为传感器结构中的可动部分，敏感质量体4上均布四对八组梳齿，敏感质量体4通过与支承梁6连接，通过支承梁6的约束和支承，形成一个位移和方向受支承梁6影响的质量块，支承梁6的另一端连接着锚点5，敏感质量体4上的正交补偿电极活动梳齿结构与正交补偿电极梳齿结构1的固定梳齿彼此交叉形成正交电容对，达到给敏感质量体4施加外部作用力微调敏感质量体4运动方向的目的。敏感质量体4上的检测
电极活动梳齿结构与检测电极梳齿结构3的固定梳齿彼此交叉形成检测电容对，作为结构敏感加速度的输出结构。结构上限位点7起到缓冲，限位作用，结构敏感加速度超量程过多时，所述限位点7能阻止敏感质量体4继续进动，起到限位防止梳齿吸合，回弹缓冲的作用。
39.当使用外部电路控制传感器结构后，可以在传感器结构的敏感质量体4处施加一个载波信号，载波信号作用在敏感质量体的正交补偿电极活动梳齿上，并通过在正交补偿电极固定梳齿上施加信号，使正交电容对上下极板间产生作用力，调整敏感质量体的位移方式，使敏感质量体4位移方向与结构敏感轴的夹角变小，从而调整结构正交特性。当传感器位移发生变化时，检测电极梳齿结构的固定梳齿与敏感质量体4上的活动梳齿构成的检测电容对的电容值发生了变化，通过c2v功能电路将电容变化转化为电压变化，输出与敏感到的加速度成正比的电压信号。