[發(fā)明專利]一種基于SOI的全差分電容式MEMS加速度計(jì)

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• 申請日: 2018-12-19
• 公開（公告）號: CN109490576A
• 公開（公告）日: 2019-03-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李紹榮;郭小偉;秦茂森;楊承
• 申請（專利權(quán)）人: 成都力創(chuàng)云科技有限公司
• 主分類號: G01P15/125
• 分類號: G01P15/125
• 代理公司: 成都正華專利代理事務(wù)所(普通合伙) 51229
• 代理人: 李林合;李蕊

本發(fā)明提供了一種基于SOI的全差分電容式MEMS加速度計(jì)，所述全差分電容式表面加工MEMS加速度計(jì)其結(jié)構(gòu)由敏感質(zhì)量塊、π型彈簧梁、止擋塊和固定監(jiān)測梳齒組成。其中，質(zhì)量塊上的活動(dòng)梳齒與固定監(jiān)測梳齒構(gòu)成差分監(jiān)測電容；四個(gè)π型梁分為兩組，位于質(zhì)量塊的上下兩端，將質(zhì)量塊與固定錨點(diǎn)相連；止擋塊嵌入上下錨點(diǎn)中，防止在高速度下?lián)p壞彈簧；該質(zhì)量塊具有上下兩個(gè)彼此電隔離的監(jiān)測質(zhì)量塊，以此實(shí)現(xiàn)全差分接口電路，降低電路中的共模噪聲。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明設(shè)計(jì)一種基于SOI的全差分電容式MEMS加速度計(jì)，屬于微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)指尺寸在幾毫米乃至更小的高科技裝置，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米量級，是一個(gè)獨(dú)立的智能系統(tǒng)。MEMS是一種具有高可靠性和高性能的制造傳感器的技術(shù)。MEMS加速度計(jì)是市場上最有效的傳感器之一。加速度計(jì)可以測量慣性力或機(jī)械刺激加速度。加速度計(jì)能夠測量許多設(shè)備的加速度，傾斜度，沖擊力和振動(dòng)，并能感知一軸，兩軸或三軸的加速度。

基于加速度傳感的方法，加速度計(jì)分為各種類別，包括電容式，壓電式，壓阻式，熱式和隧道式加速度計(jì)。但是，這些加速度計(jì)都不能滿足所有市場需求。然而，由于結(jié)構(gòu)簡單，精度高，熱靈敏度低，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及低功耗，與其他加速度計(jì)相比，電容式加速度計(jì)具有相對優(yōu)勢。MEMS電容式加速度計(jì)具有許多應(yīng)用，包括汽車，消費(fèi)電子，游戲，引導(dǎo)系統(tǒng)和導(dǎo)航。

通過表面微機(jī)械加工制造的傳統(tǒng)加速度計(jì)通常只含有一個(gè)敏感質(zhì)量塊，通過質(zhì)量運(yùn)動(dòng)從而引起可變電容的變化來測量加速度。這種只含有一個(gè)質(zhì)量塊的加速度計(jì)難以實(shí)現(xiàn)全差分接口電路。然而，全差分接口電路比差分接口電路具有更多優(yōu)勢，包括降低共模噪聲和改進(jìn)共模抑制比(CMRR)和電源抑制比(PSRR)。

另外，與體微加工加速度計(jì)相比，表面微機(jī)械加工的另一個(gè)缺點(diǎn)是大的寄生電容器。在表面微加工加速度計(jì)中，由于傳感器在基板上實(shí)現(xiàn)，因此在檢測質(zhì)量和基板之間會產(chǎn)生大的寄生電容。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于SOI的全差分電容式MEMS加速度計(jì)，其目的在于實(shí)現(xiàn)全差分接口電路，降低共模噪聲，減小寄生電容，提高加速度計(jì)性能。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種基于SOI的全差分電容式MEMS加速度計(jì)，包括SOI基片；敏感結(jié)構(gòu)，設(shè)置有可動(dòng)梳齒；固定電極；兩組對稱分布的彈簧梁；四個(gè)支撐錨點(diǎn)。

其中，上述敏感結(jié)構(gòu)由上下兩個(gè)彼此之間電隔離的U型質(zhì)量塊組成，質(zhì)量塊的內(nèi)側(cè)與外側(cè)均設(shè)置有數(shù)目不同的可動(dòng)梳齒。此外，兩個(gè)U型檢測質(zhì)量塊用密度更高的金屬鎳制成，防止加速度計(jì)過度擴(kuò)大，同時(shí)也能降低布朗噪聲。敏感結(jié)構(gòu)通過兩組對稱分布的彈簧梁與支撐錨點(diǎn)相連，彈簧梁采用π型梁，通過控制尺寸，π型梁可以在敏感方向具有低的剛度系數(shù)，而在其他軸具有更高的剛度系數(shù)。

上述支撐錨點(diǎn)為四個(gè)，位于機(jī)械結(jié)構(gòu)的四個(gè)端點(diǎn)處，固定在SOI基片上，使敏感結(jié)構(gòu)懸空于SOI基片。同時(shí)，支撐錨點(diǎn)上還嵌入止動(dòng)塊結(jié)構(gòu)，以防止在高速度下?lián)p壞彈簧。

上述固定電極一共分為兩組，分布位于敏感結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)與外側(cè)，每組包含四個(gè)固定電極，每個(gè)固定電極由固定錨及固定錨上延伸出的固定梳齒組成。固定電極中的固定梳齒與其相對應(yīng)的敏感結(jié)構(gòu)上的可動(dòng)梳齒一起構(gòu)成差分電容結(jié)構(gòu)。并且，每個(gè)敏感結(jié)構(gòu)上的可動(dòng)梳齒與其相鄰的兩個(gè)可動(dòng)梳齒之間的距離不等，寬窄間隙比為3:1。

相對于傳統(tǒng)加速度計(jì)只含有一個(gè)敏感質(zhì)量塊，本發(fā)明一種基于SOI的全差分電容式MEMS加速度計(jì)通過設(shè)置兩個(gè)彼此電隔離的檢測質(zhì)量塊，能夠很容易的實(shí)現(xiàn)全差分接口電路。相對于普通的差分電路，全差分電路具有更可靠的性能。

全差分電路由于有兩個(gè)對稱的輸出，能夠降低共模噪聲和溫度漂移，提高電源抑制比和共模抑制比，以此提高加速度計(jì)的性能。