[發(fā)明專利]一種具有應(yīng)力補(bǔ)償功能的MEMS加速度計(jì)

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202111571394.2
• 申請日: 2021-12-21
• 公開（公告）號: CN114264844A
• 公開（公告）日: 2022-04-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 蘇巖
• 申請（專利權(quán)）人: 蘇州感測通信息科技有限公司
• 主分類號: G01P15/125
• 分類號: G01P15/125
• 代理公司: 南京蘇科專利代理有限責(zé)任公司 32102
• 代理人: 周湛湛

1.一種具有應(yīng)力補(bǔ)償功能的MEMS加速度計(jì)，包括由上至下按序?qū)盈B設(shè)置的上方硅帽層(104)、平面結(jié)構(gòu)層及下方硅襯底層(103)，

所述平面結(jié)構(gòu)層包括沿Z軸運(yùn)動的質(zhì)量塊(101)及至少分布在質(zhì)量塊一側(cè)的檢測電極，所述質(zhì)量塊與檢測電極構(gòu)成一對平行板電容；

其特征在于：在所述質(zhì)量塊同一層結(jié)構(gòu)上設(shè)置有不敏感輸入加速度的結(jié)構(gòu)(601)，所述結(jié)構(gòu)(601)在對應(yīng)的硅帽上設(shè)置有檢測電極(602a)，在對應(yīng)的硅襯底上設(shè)置有檢測電極(602b)，通過結(jié)構(gòu)(601)與檢測電極(602a)構(gòu)成應(yīng)力檢測電容(603a)，通過結(jié)構(gòu)(601)與檢測電極(602b)構(gòu)成應(yīng)力檢測電容(603b)，以實(shí)現(xiàn)對封裝應(yīng)力的測量；所述應(yīng)力檢測電容(603a)和應(yīng)力檢測電容(603b)構(gòu)成一對差分電容(603)，其輸出的電容差分變化量為ΔC_σ。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有應(yīng)力補(bǔ)償功能的MEMS加速度計(jì)，其特征在于：所述不敏感輸入加速度的結(jié)構(gòu)(601)通過若干數(shù)量級的增加結(jié)構(gòu)(601)與MEMS加速度計(jì)框架或襯底的剛度，實(shí)現(xiàn)對輸入加速度的不敏感；通過增加不小于3個數(shù)量級剛度的結(jié)構(gòu)(601)，以實(shí)現(xiàn)敏感與不敏感的顯著區(qū)別。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有應(yīng)力補(bǔ)償功能的MEMS加速度計(jì)，其特征在于：通過將應(yīng)力檢測電容設(shè)置于MEMS加速度計(jì)平面結(jié)構(gòu)層的框架中，以實(shí)現(xiàn)對輸入加速度的不敏感；或?qū)?yīng)力檢測電容設(shè)置于MEMS加速度計(jì)平面結(jié)構(gòu)層的錨點(diǎn)附近區(qū)域。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有應(yīng)力補(bǔ)償功能的MEMS加速度計(jì)，其特征在于：所述差分電容(603)輸出的電容差分變化量為ΔC_σ，所述電容變化量ΔC_σ是關(guān)于應(yīng)力σ的函數(shù)g_σ(σ)，與輸入加速度無關(guān)，即ΔC_σ＝g_σ(σ)；

函數(shù)g_σ(σ)通過有限元仿真得出相關(guān)曲線，通過將高階復(fù)雜模型公式簡化為一個線性模型，即

ΔC_σ＝g_σ(σ)≈A_σ2C·σ+B_σ2C0。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有應(yīng)力補(bǔ)償功能的MEMS加速度計(jì)，其特征在于：所述函數(shù)g_a(σ)與函數(shù)g_σ(σ)表示為g_a(σ)＝K(g_σ(σ))，該相關(guān)函數(shù)K受電容位置、電容面積、應(yīng)力大小的影響，通過試驗(yàn)測量方式獲得；當(dāng)試驗(yàn)測量獲得應(yīng)力相關(guān)函數(shù)K后，通過測量出的差分電容(603)變化量ΔC_σ推算出差分電容(201)變化量ΔC_a中的應(yīng)力變化量成分g_a(σ)，并在加速度計(jì)檢測電路或外部信號處理電路中將差分電容(201)變化量ΔC_a中的應(yīng)力變化量成分g_a(σ)去除，即應(yīng)力補(bǔ)償后的輸出ΔC_out＝ΔC_a-K(ΔC_σ)；

函數(shù)K是一個高階函數(shù)，其近似簡化的關(guān)系式表示為：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有應(yīng)力補(bǔ)償功能的MEMS加速度計(jì)，其特征在于：所述檢測電極為分別分布于所述質(zhì)量塊(101)至少一側(cè)的上檢測電極(102a)和(或)下檢測電極(102b)，所述質(zhì)量塊與上檢測電極(102a)構(gòu)成一對平行板電容(201a)，質(zhì)量塊(101)與下檢測電極(102b)構(gòu)成一對平行板電容(201b)。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有應(yīng)力補(bǔ)償功能的MEMS加速度計(jì)，其特征在于：所述質(zhì)量塊通過梁結(jié)構(gòu)懸浮在MEMS結(jié)構(gòu)芯片內(nèi)部。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有應(yīng)力補(bǔ)償功能的MEMS加速度計(jì)，其特征在于：所述MEMS加速度計(jì)還包括用于實(shí)現(xiàn)所述硅襯底層(103)與所述質(zhì)量塊二者間連接的錨點(diǎn)結(jié)構(gòu)，所述錨點(diǎn)結(jié)構(gòu)通過梁與質(zhì)量塊相連接；所述質(zhì)量塊下方的設(shè)置有加速度檢測電極(904a)和(904b)，連接固定在錨點(diǎn)上的框架結(jié)構(gòu)(905a)和(905b)，以及位于框架結(jié)構(gòu)下方的應(yīng)力檢測電極(906a)和(906b)；

所述質(zhì)量塊與加速度檢測電極(904a)和質(zhì)量塊與加速度檢測電極(904b)構(gòu)成一對加速度檢測差分電容，實(shí)現(xiàn)對輸入加速度的檢測，所述框架結(jié)構(gòu)剛性固定連接到錨點(diǎn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對輸入加速度不敏感，所述質(zhì)量塊與應(yīng)力檢測電極(906a)和質(zhì)量塊與應(yīng)力檢測電極(906b)構(gòu)成一對應(yīng)力檢測差分電容，實(shí)現(xiàn)對應(yīng)力的檢測。