[發明專利]具有減小的振動校正誤差的MEMS測斜儀

有效

• 申請號: 202110208300.9
• 申請日: 2021-02-24
• 公開（公告）號: CN113375635B
• 公開（公告）日: 2023-06-30
• 發明（設計）人: G·加特瑞;F·里奇尼
• 申請（專利權）人: 意法半導體股份有限公司
• 主分類號: G01C9/00
• 分類號: G01C9/00;G01C9/02;G01C25/00
• 代理公司: 北京市金杜律師事務所 11256
• 代理人: 王茂華

一種具有減小的振動校正誤差的MEMS測斜儀。該MEMS測斜儀包括基底、第一移動質量塊和傳感單元。傳感單元包括第二移動質量塊、多個彈性元件，彈性元件被插入在第二移動質量塊與基底之間并且在與第一軸線平行的方向是柔順的，以及多個彈性結構，多個彈性結構中的每個彈性結構被插入在第一移動質量塊與第二移動質量塊之間并且在與第一軸線和第二軸線平行的方向是柔順的。傳感單元進一步包括相對于基底固定的固定電極以及相對于第二移動質量塊固定的移動電極，這形成了可變電容器。

技術領域

本公開涉及一種具有減小振動校正誤差的MEMS(微機電系統)測斜儀。

背景技術

眾所周知，測斜儀是用于監測物體或結構相對于一個或多個參考軸線或平面的傾斜角度的設備。特別地，已知由平面外加速度計(即，對沿著與參考平面垂直的軸線的加速度敏感的加速計，該軸線通常與地球重力的方向一致)形成的測斜儀，該測斜儀被設計用于測量受約束表面的傾斜度。

在工業領域，具有極高精度和分辨率的測斜儀是必要的，例如，用于監測天線的指向、建筑物和其他建筑結構的結構健康狀態以及海上平臺的水平狀態。

利用MEMS技術制造的測斜儀是在半導體材料(例如硅)的裸片上獲得的。由于這些設備的尺寸小、精度高、可以將它們集成到電路中以改進其性能以及成本低，這使得這些設備能夠廣泛地擴散。

MEMS測斜儀的操作機制通常基于電容測量，即，基于與彼此相對布置的至少兩個金屬電極相關聯的電容的測量。例如，已知測斜儀，每個測斜儀包括兩個電極，兩個電極彼此相對布置以便形成具有平行平面的電容器，如美國專利申請US2011/0023604A1中所述。

在上述解決方案中，描述了一種蹺蹺板架構，該架構包括移動質量塊、基底、多個底部電極以及多個頂部電極。所述底部電極被固定到所述基底并且面向對應的頂部電極，頂部電極相對于移動質量塊固定。移動質量塊在靜止時位于與基底平行的參考平面內，并且在使用中可以圍繞中心銷自由旋轉，中心銷將頂部電極分為第一組和第二組，第一組包括相對于中心銷布置在第一側的頂部電極，第二組包括相對于中心銷布置在第二側的頂部電極。在靜止位置，第一組和第二組的頂部電極與相應的底部電極等距，因此對應的電容器具有相同的電容。在使用中，當設備受到相對于參考平面橫向定向的加速度時，移動質量塊圍繞中心銷轉動。因此，例如，可能發生第一組的頂部電極接近相應的底部電極，并且第二組的頂部電極遠離相應的底部電極，從而生成電容差，這指示設備的傾斜。更詳細地說，第一電容C₁與第二電容C₂之間產生差異，第一電容C₁取決于第一組的頂部電極的位置，第二電容C₂取決于第二組的頂部電極的位置。特別地，第一電容C₁和第二電容C₂可以通過以下公式來描述：

其中ε₀是真空介電常數，A是電極的面積，g₀是頂部電極與底部電極之間的靜止距離。此外，x表示在靜止狀態下的位移，因此當第一電容C₁和第二電容C₂相等時，x為零。相反，當測斜儀傾斜角度α時，x表示第一組頂部電極的質心在對應的底部電極方向上的位移。

為了保證電容的測量以及因此傾角的測量的準確性，MEMS傾角儀應該對不期望的外部刺激具有魯棒性。特別地，兩個主要的干擾源是機械應力，例如由于溫度變化或者設備變形引起的機械應力，以及銷周圍的移動質量塊的虛假振動，該虛假振動通常具有從幾赫茲到幾千赫茲的頻率。

例如，在存在關于靜止位置的移動質量塊的虛假振動的情況下，位移x在絕對值彼此相同的正值Vp和負值Vn之間振蕩。此外，第一電容C₁與第二電容C₂之間的差相對于位移x不是線性的。