一种基于SOI的全差分电容式MEMS加速度计的制作方法

本发明设计一种基于soi的全差分电容式mems加速度计，属于微机电系统领域。

背景技术：

微机电系统(mems)指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统。mems是一种具有高可靠性和高性能的制造传感器的技术。mems加速度计是市场上最有效的传感器之一。加速度计可以测量惯性力或机械刺激加速度。加速度计能够测量许多设备的加速度，倾斜度，冲击力和振动，并能感知一轴，两轴或三轴的加速度。

基于加速度传感的方法，加速度计分为各种类别，包括电容式，压电式，压阻式，热式和隧道式加速度计。但是，这些加速度计都不能满足所有市场需求。然而，由于结构简单，精度高，热灵敏度低，静态和动态响应以及低功耗，与其他加速度计相比，电容式加速度计具有相对优势。mems电容式加速度计具有许多应用，包括汽车，消费电子，游戏，引导系统和导航。

通过表面微机械加工制造的传统加速度计通常只含有一个敏感质量块，通过质量运动从而引起可变电容的变化来测量加速度。这种只含有一个质量块的加速度计难以实现全差分接口电路。然而，全差分接口电路比差分接口电路具有更多优势，包括降低共模噪声和改进共模抑制比(cmrr)和电源抑制比(psrr)。

另外，与体微加工加速度计相比，表面微机械加工的另一个缺点是大的寄生电容器。在表面微加工加速度计中，由于传感器在基板上实现，因此在检测质量和基板之间会产生大的寄生电容。

技术实现要素：

针对现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种基于soi的全差分电容式mems加速度计，其目的在于实现全差分接口电路，降低共模噪声，减小寄生电容，提高加速度计性能。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于soi的全差分电容式mems加速度计，包括soi基片；敏感结构，设置有可动梳齿；固定电极；两组对称分布的弹簧梁；四个支撑锚点。

其中，上述敏感结构由上下两个彼此之间电隔离的u型质量块组成，质量块的内侧与外侧均设置有数目不同的可动梳齿。此外，两个u型检测质量块用密度更高的金属镍制成，防止加速度计过度扩大，同时也能降低布朗噪声。敏感结构通过两组对称分布的弹簧梁与支撑锚点相连，弹簧梁采用π型梁，通过控制尺寸，π型梁可以在敏感方向具有低的刚度系数，而在其他轴具有更高的刚度系数。

上述支撑锚点为四个，位于机械结构的四个端点处，固定在soi基片上，使敏感结构悬空于soi基片。同时，支撑锚点上还嵌入止动块结构，以防止在高速度下损坏弹簧。

上述固定电极一共分为两组，分布位于敏感结构内侧与外侧，每组包含四个固定电极，每个固定电极由固定锚及固定锚上延伸出的固定梳齿组成。固定电极中的固定梳齿与其相对应的敏感结构上的可动梳齿一起构成差分电容结构。并且，每个敏感结构上的可动梳齿与其相邻的两个可动梳齿之间的距离不等，宽窄间隙比为3:1。

相对于传统加速度计只含有一个敏感质量块，本发明一种基于soi的全差分电容式mems加速度计通过设置两个彼此电隔离的检测质量块，能够很容易的实现全差分接口电路。相对于普通的差分电路，全差分电路具有更可靠的性能。

全差分电路由于有两个对称的输出，能够降低共模噪声和温度漂移，提高电源抑制比和共模抑制比，以此提高加速度计的性能。

此外，在表面微加工加速度计中，由于传感器在基板上实现，因此在检测质量和基板之间会产生大的寄生电容。本发明将激励电压施加在可动电极上，而不是施加在可动电极与固定电极上，以此减小寄生电容，提升加速度计的性能。

附图说明

图1为本发明一种基于soi的全差分电容式mems加速度计结构示意图。

图2本发明一种基于soi的全差分电容式mems加速度计止动块示意图。

图3为本发明一种基于soi的全差分电容式mems加速度计电极结构和电容分布。

图4为本发明一种基于soi的全差分电容式mems加速度计电极结构接口电路简化图。

具体实施方式

结合附图1，本发明一种基于soi的全差分电容式mems加速度计，用于测量平行于基座水平加速度的测量仪器，加速度计的结构是对称，其敏感结构有上下两个彼此电隔离的u型检测质量块1组成，敏感结构上设置有可动梳齿，可分为外侧梳齿1a和内侧梳齿1b，外侧梳齿数目多于内侧。与此对应的，八个固定电极也分为四个外批次固定电极2a～2d和四个内批次电极2e～2h。固定电极由固定锚固定于soi基片之上，每个固定电极上设置有固定检测梳齿，其余对应的可动梳齿构成差分电容结构。上述结构中，敏感结构中的每个可动梳齿与相邻的两个固定梳齿距离不等，宽窄间隙比为3：1。

连接敏感结构与支撑锚点的弹簧梁采用π型梁3，通过控制尺寸，π型梁可以在敏感方向具有低的刚度系数，而在其他轴具有更高的刚度系数。支撑锚点4位于机械结构的四个端点，用于支撑敏感结构，使其悬空于soi基片。支撑锚上还嵌入止动块，以防止高速度损坏弹簧。

在表面微加工加速度计中，由于传感器在基板上实现，因此在检测质量和基板之间会产生大的寄生电容。加速度计的电极结构如图3所示，激励电压vm和-vm施加在可动电极上，而不是施加在可动电极与固定电极上，因此可以较小寄生电容，提高加速度计性能。

相对于传统加速度计只含有一个敏感质量块，本发明一种基于soi的全差分电容式mems加速度计通过设置两个彼此电隔离的检测质量块，能够很容易的实现全差分接口电路，其电极结构和简化电路图如附图3和附图4所示。相对于普通的差分电路，全差分电路具有更可靠的性能。全差分电路由于有两个对称的输出，能够降低共模噪声和温度漂移，提高电源抑制比和共模抑制比，以此提高加速度计的性能。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：

技术总结
本发明提供了一种基于SOI的全差分电容式MEMS加速度计，所述全差分电容式表面加工MEMS加速度计其结构由敏感质量块、π型弹簧梁、止挡块和固定监测梳齿组成。其中，质量块上的活动梳齿与固定监测梳齿构成差分监测电容；四个π型梁分为两组，位于质量块的上下两端，将质量块与固定锚点相连；止挡块嵌入上下锚点中，防止在高速度下损坏弹簧；该质量块具有上下两个彼此电隔离的监测质量块，以此实现全差分接口电路，降低电路中的共模噪声。

技术研发人员：李绍荣;郭小伟;秦茂森;杨承
受保护的技术使用者：成都力创云科技有限公司
技术研发日：2018.12.19
技术公布日：2019.03.19