一种带补偿电极的面内平动式加速度计的制作方法

本发明涉及mems领域，尤其涉及一种带补偿电极的面内平动式加速度计。

背景技术：

基于微机电系统(mems，micro-electro-mechanical-system)加工制作的微型加速计因其体积小、成本低、集成性好、性能优良等诸多优点已在工业、医疗、民用、军事等非常广泛的领域得到了越来越多的应用。目前，在各类移动终端、相机、游戏手柄、导航仪等产品的应用中，在一定程度上，已经成为标准配置。在研制过程中，电容式、电阻式、压电式作为检测加速度的方式是主要应用的机理，其中，电容式加速度计因其结构简单，成本低廉，并可在低频范围内拥有较高的灵敏度和线性度等优势，成为最为流行的一类加速度计。

但正因为电容式加速度计容易设计，进入市场的技术门槛较低，从而导致价格战。为了能在这种激烈的竞争当中脱颖而出，必须在不影响或提高性能的同时，降低产品成本成为必须要考虑的问题，而减小加速计芯片的面积是最为有效的方法。

而对于三轴加速度计来说，目前，常用的简化设计方案是共享三个轴的质量块。但是通常质量块在面外运动的方向上是扭转的，由此带来的是，离转轴中心越近的位置，其敏感度越低，相反，越远则越高，这对传感器敏感的线性度有很大的影响，同时由于敏感效率不高，也不利于惯性质量和相应的面积的降低。

另一方面，由于电容式加速度计中不同材料之间的热膨胀系数的不同，或与外界接触点位置的不同，在有外界温度因素或应力变化时，结构部分与电极部分的正对面积会产生不同的变化，从而会导致加速度计的零点和灵敏度有不同程度的偏移。

技术实现要素：

鉴于现有技术中的问题，本发明提供一种电容式加速度计，其包括基底、质量块和固定锚点，所述固定锚点固定在所述基底和所述质量块之间，使两者间形成间隔；所述质量块包括第一质量块、第二质量块和第三质量块；所述第三质量块与所述固定锚点连接；所述第二质量块与所述第三质量块通过第一弹性件连接，从而使所述第二质量块能够面内转动；所述第一质量块与所述第二质量块通过第二弹性件连接，所述第二弹性件适于当所述第二质量块发生所述面内转动时，带动所述第一质量块做相对于所述基底的平动。

进一步地，当有第一方向驱动项输入时，所述第一质量块在所述第二弹性件的配合下，向第一方向做相对于所述基底的平动。

进一步地，所述面内转动是以所述第二质量块和所述第一弹性件的连接处为中心。

进一步地，当有第二方向驱动项输入时，所述第二质量块发生所述面内转动，并带动所述第一质量块向第二方向做相对于所述基底的平动。

进一步地，所述电容式加速度计还包括第一固定梳齿，所述第一质量块包括第一可动梳齿，所述第一可动梳齿与所述第一固定梳齿相配合限定了第一参考电容值。

进一步地，所述第三质量块包括第一补偿梳齿，所述第一补偿梳齿与所述第一固定梳齿相配合限定了第一补偿电容值，当所述第一固定梳齿因外界因素而发生变化时，所述第一参考电容值与所述第一补偿电容值的变化趋势相反。

进一步地，所述电容式加速度计还包括第二固定梳齿，所述第一质量块包括第二可动梳齿，所述第二可动梳齿与所述第二固定梳齿相配合限定了第二参考电容值。

进一步地，所述第三质量块包括第二补偿梳齿，所述第二补偿梳齿与所述第二固定梳齿相配合限定了第二补偿电容值，当所述第二固定梳齿因外界因素而发生变化时，所述第二参考电容值与所述第二补偿电容值的变化趋势相反。

进一步地，当有第三方向驱动项输入时，所述第二质量块能够以所述第二弹性件为轴进行面外转动。

进一步地，所述电容式加速度计还包括与所述第二质量块相配合的固定检测电极，所述固定检测电极固定在所述基底上，并位于所述基底与所述第二质量块之间，所述第二质量块与所述固定检测电极相配合限定了第三参考电容值，当所述第二质量块发生所述面外转动时，其与所述固定检测电极的间距相应变化。

进一步地，所述电容式加速度计还包括与所述第三质量块相配合的固定补偿电极，所述固定补偿电极固定在所述基底上，并位于所述基底与所述第三质量块之间，所述第三质量块与所述固定补偿电极相配合限定了第三补偿电容值，当所述固定检测电极和所述固定补偿电极因外界因素而发生变化时，所述第三参考电容值与所述第三补偿电容值的变化趋势相同，两者通过差分方式进行补偿。

进一步地，所述电容式加速度计设置有多个所述固定检测电极和对应的所述固定补偿电极。

进一步地，所述电容式加速度计具有偶数个相同单元，整体呈对称分布。

进一步地，当两个所述第二质量块相邻设置时，将两者通过第四弹性件连接。

本发明的带补偿电极的面内平动式加速度计，相比于现有技术，具有以下优点：

首先，在共享质量块设计的基础上，采用组合弹簧梁连接锚点和质量块，将面内转动模态转为平动模态，确保了质量块在面内两个方向上都是平动的，以大幅度提高传感器的敏感度。同时这种设计可以做到结构上的完全对称，以降低传感器对工艺和封装应力的影响。平动设计的另一个好处是可以结合共享检测电容的方法进一步提高性能和减小加速度计的芯片面积。

其次，本案通过补偿电极的方式，将外界变化产生的影响与加速度产生的影响区分开。在原有的检测电极外，再多加一组与检测电极锚点一致，大小一致，但不受加速度影响的固定补偿电极。通过固定补偿电极和检测电极的差分，可将外界温度和应力等原因产生的影响消除，以保证加速度计零点及灵敏度的稳定性。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的结构示意图；

图2是图1实施例中当有沿x轴的加速度输入时的示意图；

图3是图1实施例中当有沿y轴的加速度输入时的示意图；

图4是图1实施例中当有沿z轴的加速度输入时的示意图；

图5是图1实施例中当有基底的一角出现面内应力变化时的示意图；

图6是图1实施例中当有基底的一角出现面外应力变化时的示意图；

图7是沿图6中l1切割线的剖面示意图；

图8是沿图6中l2切割线的剖面示意图。

具体实施方式

在本发明的实施方式的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。附图为原理图或者概念图，各部分厚度与宽度之间的关系，以及各部分之间的比例关系等等，与其实际值并非完全一致。

如图1至图4所示，本实施例的电容式加速度计包括基底(图中未示出)、质量块m1～m5、固定锚点a1～a10、弹簧梁s1～s10和底电极e1～e16。基底和质量块平行或大致平行设置，固定锚点a1、a2固定在基底和质量块之间(分别与两者相固定)，从而使两者间形成间隔。

本实施例的加速度计整体布局在水平向和垂直向上均对称分布，其中，质量块m2、m3分别与固定锚点a1、a2连接，即固定锚点a1、a2具体是分别固定在质量块m2、m3的下方，其并未与其余质量块接触；质量块m1呈矩形框架结构，布置在加速度计的最外围区域，其余质量块和固定锚点均设置在框架区域内。

质量块m4上方通过弹簧梁s5与质量块m2连接，下方通过弹簧梁s6与质量块m3连接，左方通过弹簧梁s1、s2与质量块m1连接，右方通过弹簧梁s9、s10与主梁块m5连接；质量块m5上方通过弹簧梁s7与质量块m2连接，下方通过弹簧梁s8与质量块m3连接，左方通过弹簧梁s9、s10与质量块m4连接，右方通过弹簧梁s3、s4与质量块m1连接。从而质量块m1～m5通过弹簧梁s1～s10连成一个整体被设置在基底的上方，并且质量块m1～m5、弹簧梁s1～s10和固定锚点a1、a2在电路上也是连通的，共同组成pm极板，以下称质量块电极。本实施例中，弹簧梁s5～s8具有条状结构，弹簧梁s1～s4、s9、s10具有u型结构。

固定锚点a3～a10固定在基底上，其中固定锚点a3～a6被布置在加速度计的上方，固定锚点a7～10与固定锚点a3～a5对称地被布置在加速度计的下方。质量块m1部分区域的边缘设置有活动梳齿，质量块m2、m3部分区域的边缘设置有补偿梳齿，相应地，固定锚点a3～a10的边缘设置有与上述活动梳齿和补偿梳齿相对应的固定梳齿e17～e32。具体是，固定锚点a3设置有分别位于其左侧和右侧的固定梳齿e17和e21，固定梳齿e17与质量块m1的部分活动梳齿相配合形成检测电容，固定梳齿e21与质量块m2的部分补偿梳齿相配合形成补偿电容；固定锚点a4设置有分别位于其右侧和左侧的固定梳齿e18和e22，固定梳齿e18与质量块m1的部分活动梳齿相配合形成检测电容，固定梳齿e22与质量块m2的部分补偿梳齿相配合形成补偿电容；固定锚点a7设置有分别位于其左侧和右侧的固定梳齿e19和e23，固定梳齿e19与质量块m1的部分活动梳齿相配合形成检测电容，固定梳齿e23与质量块m3的部分补偿梳齿相配合形成补偿电容；固定锚点a8设置有分别位于其右侧和左侧的固定梳齿e20和e24，固定梳齿e20与质量块m1的部分活动梳齿相配合形成检测电容，固定梳齿e24与质量块m3的部分补偿梳齿相配合形成补偿电容；固定锚点a5设置有分别位于其上侧和下侧的固定梳齿e25和e29，固定梳齿e25与质量块m1的部分活动梳齿相配合形成检测电容，固定梳齿e29与质量块m2的部分补偿梳齿相配合形成补偿电容；固定锚点a6设置有分别位于其上侧和下侧的固定梳齿e26和e30，固定梳齿e26与质量块m1的部分活动梳齿相配合形成检测电容，固定梳齿e30与质量块m2的部分补偿梳齿相配合形成补偿电容；固定锚点a9设置有分别位于其下侧和上侧的固定梳齿e27和e31，固定梳齿e27与质量块m1的部分活动梳齿相配合形成检测电容，固定梳齿e31与质量块m3的部分补偿梳齿相配合形成补偿电容；固定锚点a10设置有分别位于其下侧和上侧的固定梳齿e28和e32，固定梳齿e28与质量块m1的部分活动梳齿相配合形成检测电容，固定梳齿e32与质量块m3的部分补偿梳齿相配合形成补偿电容。

底电极e1～e16被固定在基底上，并位于基底与质量块m2～m5之间，其中底电极e1、e2、e5、e6位于质量块m4下方，从而两者相配合形成检测电容；底电极e3、e4、e7、e8位于质量块m5下方，从而两者相配合形成检测电容；底电极e9～e12位于质量块m2下方，从而两者相配合形成补偿电容；底电极e13～e16位于质量块m3下方，从而两者相配合形成补偿电容。由于底电极e1～e16均位于相应的质量块下方，在整体结构视图中完全被阻挡，故用虚线表示。

如上所述，质量块m1、m4、m5通过弹簧梁s1～s10与固定锚点a1、a2连接，从而形成可动的结构。其中质量块m1与固定锚点a5、a6、a9、a10之间(具体是两者间相配合的梳齿对)，形成x方向检测电极；质量块m1与固定锚点a3、a4、a7、a8之间(具体是两者间相配合的梳齿对)，形成y方向检测电极；质量块m4、m5与底电极e1～e8之间，形成z方向检测电极。

质量块m2、m3通过固定锚点a1、a2与基底固定，从而形成固定结构。其中质量块m2与固定锚点a5、a6以及质量块m3与固定锚点a9、a10之间(具体是两者间相配合的梳齿对)，形成x方向固定补偿电极；质量块m2与固定锚点a3、a4以及质量块m3与固定锚点a7、a8之间(具体是两者间相配合的梳齿对)，形成y方向固定补偿电极；质量块m2与底电极e9～e12以及质量块m3与底电极e13～e16之间，形成z方向的底板补偿电极。由于质量块m2、m3是固定的，因此补偿电极不随加速度的变化而产生变化，并且活动梳齿、固定梳齿和补偿梳齿的设计，要使补偿电容大小变化方向与检测电容相反，即由于外界因素导致固定锚点发生微小位移时，检测电容若变大，补偿电容即变小。

本实施例中，质量块电极分别与固定锚点a6、a10测得的电容之和为输出电容cx+，质量块电极与固定锚点a6(或固定锚点a10)测得的电容是其上检测电容(基于相配合的活动梳齿和固定梳齿)和补偿电容(基于相配合的补偿梳齿和固定梳齿)之和，即cx+＝ce26+ce30+ce28+ce32，式中ce26表示固定梳齿e26上对应的电容，以下类同。

质量块电极分别与固定锚点a5、a9测得的电容之和为输出电容cx-，质量块电极与固定锚点a5(或固定锚点a9)测得的电容是其上的检测电容(基于相配合的活动梳齿和固定梳齿)和补偿电容(基于相配合的补偿梳齿和固定梳齿)之和，即cx-＝ce25+ce29+ce27+ce31。

质量块电极分别与固定锚点a7、a8测得的电容之和为输出电容cy+，质量块电极与固定锚点a7(或固定锚点a8)测得的电容是其上的检测电容(基于相配合的活动梳齿和固定梳齿)和补偿电容(基于相配合的补偿梳齿和固定梳齿)之和，即cy+＝ce19+ce23+ce20+ce24。

质量块电极分别与固定锚点a3、a4测得的电容之和为输出电容cy-，质量块电极与固定锚点a3(或固定锚点a4)测得的电容是其上的检测电容(基于相配合的活动梳齿和固定梳齿)和补偿电容(基于相配合的补偿梳齿和固定梳齿)之和，即cy-＝ce17+ce21+ce18+ce22。

质量块电极分别与底电极e2、e3、e6、e7、e9、e12、e13、e16测得的电容，其中包括与底电极e2、e3、e6、e7形成的检测电容，以及与底电极e9、e12、e13、e16形成的补偿电容(e9、e12、e13、e16分别是针对e1、e4、e5、e8的电容补偿)，将底电极e2、e3、e6、e7形成的检测电容与底电极e9、e12、e13、e16形成的补偿电容之和作为输出电容cz+，即cz+＝ce2+ce3+ce6+ce7+ce9+ce12+ce13+ce16。

质量块电极分别与底电极e1、e4、e5、e8、e10、e11、e14、e15测得的电容，其中包括与底电极e1、e4、e5、e8形成的检测电容，以及与底电极e10、e11、e14、e15形成的补偿电容(e10、e11、e14、e15分别是针对e2、e3、e6、e7的电容补偿)，将底电极e1、e4、e5、e8形成的检测电容与底电极e10、e11、e14、e15形成的补偿电容之和作为输出电容cz-，即cz-＝ce1+ce4+ce5+ce8+ce10+ce11+ce14+ce15。

如图2所示，当有沿x轴的加速度输入的时候，质量块m1会沿着x轴方向平动，此时初始值相等的检测x轴加速度的检测电容(即对应固定梳齿e25～e28上的电容)会产生细微变化，而补偿电容(即对应固定梳齿e29～e32上的电容)不变。通过设置这四个检测电容的梳齿的方向，可以使固定梳齿e26、e28上的电容值增大且固定梳齿e25、e27的电容值减小(反之亦可)。所以最终可以利用电容检测和信号处理电路测量出它们的相对变化，即δcx＝δcx+-δcx-＝δce26-δce25-δce27+δce28，再通过反推可以得出输入的x轴加速度的大小。图2中示出了沿x轴正向的加速度输入，当加速度沿x轴反向输入时，同样适用以上所述，此时δce26和δce28为负值，δce25和δce27为正值。

如图3所示，质量块m4和m5分别通过弹簧梁s1～s4与m1连接，当有沿y轴的加速度输入的时候，质量块m1、m4会绕弹簧梁s5、s6的连线的中点(即图3中附图标记m4的位置)在面内转动，即如图3中质量块m4顺时针方向转动；质量块m1、m5会绕弹簧梁s7、s8的连线的中点(即图3中附图标记m5的位置)在面内转动，即如图3中质量块m5逆时针方向转动。通过弹簧梁s1～s4的耦合作用，质量块m4、m5可以带动质量块m1使其沿y方向做水平运动。此时初始值相等的检测y轴加速度的检测电容(即对应固定梳齿e17～e20上的电容)会产生细微变化，而补偿电容(即对应固定梳齿e21～e24上的电容)不变。通过设置这四个检测电容的梳齿的方向，可以使固定梳齿e19、e20上的电容值增大且固定梳齿e17、e18的电容值减小(反之亦可)。所以最终可以利用电容检测和信号处理电路测量出它们的相对变化，即δcy＝δcy+-δcy-＝δce19-δce17-δce18+δce20，再通过反推可以得出输入的y轴加速度的大小。图3中示出了沿y轴正向的加速度输入，当加速度沿y轴反向输入时，同样适用以上所述，此时δce19和δce20为负值，δce17和δce18为正值。

通过上述的弹簧梁和质量块的设计，可以实现加速度计检测质量块在面内的平动，有利于质量的充分利用。

如图4所示，当有沿z轴的加速度输入的时候，质量块m1、m4会沿弹簧梁s5、s6所在轴线为轴做面外转动，即如图4中质量块m4位于转轴左边的部分会向外翻，右边的部分会向内翻；质量块m1、m5会沿弹簧梁s7、s8所在轴线为轴做面外转动，即如图4中质量块m5位于转轴左边的部分会向内翻，右边的部分会向外翻。此时初始值相等的检测z轴加速度的电容(即底电极e1～e8上的电容)会产生细微变化，底电极e2、e3、e6、e7上的电容值增大且底电极e1、e4、e5、e8上的电容值减小，而底电极e9～e16上的电容值保持不变。所以最终可以利用电容检测和信号处理电路测量出他们的相对变化，即δcz＝δcz+-δcz-＝δce2+δce3+δce6+δce7-δce1-δce4-δce5-δce8，再通过反推可以得出输入的z轴加速度的大小。图4中示出了沿z轴正向的加速度输入，当加速度沿z轴反向输入时，同样适用以上所述，此时δce2、δce3、δce6、δce7为负值，δce1、δce4、δce5、δce8为正值。

通过上述的结构设计，可实现xyz三个不同轴方向的检测，检测质量块分布完全对称，可消除工艺偏差等问题产生的影响，从而消除零点和灵敏度的偏差。

质量块m2、m3通过固定锚点a1、a2与基底固定，与固定锚点a5、a6、a9、a10之间，形成x方向固定补偿电极；还与固定锚点a3、a4、a7、a8之间，形成y方向固定补偿电极；还与底电极e9～e16形成z方向的固定补偿电极。

当有外界应力等因素介入，固定锚点产生偏移时，固定锚点与可动结构之间的检测电极电容会发生变化，从而影响加速度计的零点或灵敏度。此时外界应力等因素的介入，也会使固定锚点与固定质量块m2、m3之间的补偿电容发生相反的变化，即由外界导致的补偿电容的变化与检测电容的变化相互抵消，从而检测电极的输出电容值不受外界因素的影响。

如图5所示，当基底的一角由于应力产生变化时，固定锚点a3、a5产生向上的位移(如图5中左上角箭头方向所示)，而固定锚点a1并未发生变化，此时质量块电极与固定锚点a3、a5测得的电容值中ce17和ce25增大，增大量为δc，而ce21和ce29电容减小，其减小量也为δc，从而固定锚点a3上测得的电容值不变，即ca3＝ce17+δc+ce21-δc＝ce17+ce21，同样地，固定锚点a5上测得的电容值也不变，即ca5＝ce25+δc+ce29-δc＝ce25+ce29，从而消除了应力对某电极基底产生的影响而导致加速度计的零点和灵敏度的偏移问题。

如图6至图8所示，当基底的一角由于应力产生面外变化时，底电极e9、e1产生向上的位移，而固定锚点a1并未发生变化，此时质量块电极分别与底电极e9、e1之间的电容ce9和ce1均增大δc，变化前δcz＝δcz+-δcz-＝δce2+δce3+δce6+δce7+δce9+δce12+δce13+δce16-δce1-δce4-δce5-δce8-δce10-δce11-δce14-δce15，，变化后δcz＝δcz+-δcz-＝δce2+δce3+δce6+δce7+(δce9+δc)+δce12+δce13+δce16-(δce1+δc)-δce4-δce5-δce8-δce10-δce11-δce14-δce15，从而可以保持z方向的输出不变，即δcz＝δcz+-δcz-不受δc的影响，从而消除应力对基底电极产生的影响而导致加速度计的零点和灵敏度的偏移问题。

本实施例的方案针对现有三轴电容式加速度计中，质量块采用扭转的运动方式，限制了加速度计测量的敏感度以及外部温度、封装、应力等因素对内部加速度计的电极产生非对称的影响，从而导致加速度计的零点及灵敏度偏移的问题。在共享质量块设计的基础上，采用组合弹簧梁连接锚点和质量块，将面内转动模态转为平动模态，确保质量块在面内x和y方向上都是平动的，从而大幅度提高了传感器的敏感度。同时做到了结构上的完全对称，有益于降低传感器对工艺和封装应力的影响，并且可以结合共享检测电容的方法进一步提高性能和减小加速度计的芯片面积。此外在原有的检测电极外，再多加一组与检测电极锚点一致，大小一致，但不受加速度影响的固定补偿电极。通过固定补偿电极和检测电极的差分，可将外界温度和应力等原因产生的影响消除，以保证加速度计零点及灵敏度的稳定性。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。