一种提高MEMS加速度计电容间隙一致性的电极布置方法与流程

一种提高mems加速度计电容间隙一致性的电极布置方法
技术领域
1.本发明属于微电子机械技术领域，可在航空、汽车电子、交通及基础设施、地质监测及植入式医疗器械等中高端领域应用，具体涉及一种提高mems加速度计电容间隙一致性的电极布置方法。


背景技术：

2.微机电系统是指尺寸在几毫米甚至更小的高科技装置，其内部的构造往往在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统，随着机械科学与微电子技术的迅猛发展，也为了满足技术的微型化，小型化的需求，市场上出现了大量mems加速度计，其中电容式加速度计最为常见，该结构的加速度计结构简单，通过极板间的电容变化来将外界的加速度信号转变为电信号。相比其他基于mems技术的加速度计，电容式加速度计具有温漂效应较小，结构简单，灵敏度高等优点；
3.目前的高精度mems电容式加速度计受到了不同领域应用的重视，其中包括振动监测、重力检测、惯性导航等，其良好的噪声性能对于很多高精度的器件来说意义重大。梳齿式mems电容式加速度计是一种典型的结构，该结构的加工相对简单，制作精度较高，具有良好的泛用性；
4.为了提高线性度及抑制共模效应(例如温度效应引起的电容变化)，当前的mems电容式加速度计通常采用差分电容原理：加速度计包含两个彼此对称的电容，待测加速度导致一个电容增大和另一个电容减小，加速度计的输出则正比于两个电容的差值；
5.理论上，构成差分电容的两个电容应该具有完全一样的电容间隙，然而加工误差会导致两个电容的实际电容间隙不一致。电容间隙的不一致使加速度计存在输出偏值(没有加速度输入时的输出)，同时还劣化线性度及共模效应抑制效果。
6.公开号为cn109507452a的专利公开了“一种高性能体硅mems电容式加速度计”，该专利的电极布置方案存在一个重要缺点：由于两个差分电容分别位于中心对称线的左右两侧，因此两个电容的空间距离比较远。在mems加工工艺中，两个位置的空间距离越大，则这两个位置的加工误差的区别越大，因而当两个电容的空间距离比较远时，两个电容的电容间隙非常不一致，致使线性度及共模效应抑制效果较差。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种新的电极布置方法，以提升电容式加速度计的电容间隙一致性，以此来提高mems加速度计的线性度和共模效应抑制效果。
8.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种提高mems加速度计电容间隙一致性的电极布置方法，包括衬底，所述衬底的一侧设置有外侧固定梳齿锚点、折叠梁、质量块锚点、质量块、外部可动梳齿、外部固定梳齿、内部固定梳齿锚点和内部固定梳齿，所述外侧固定梳齿锚点、质量块锚点和内部固定梳齿锚点均与衬底固连，所述折叠梁质量块、外部可动梳齿、外部固定梳齿和内部固定梳齿均悬浮设置于衬底一侧。
9.优选的，所述外侧固定梳齿锚点、质量块锚点和内部固定梳齿锚点厚度相同。
10.优选的，所述外侧固定梳齿锚点与内部固定梳齿锚点处于同一水平线。
11.优选的，所述折叠梁质量块、外部可动梳齿、外部固定梳齿和内部固定梳齿厚度相同。
12.优选的，所述外部固定梳齿包括第一外部固定梳齿、第二外部固定梳齿、第三外部固定梳齿和第四外部固定梳齿；所述外部可动梳齿包括第一外部可动梳齿、第二外部可动梳齿、第三外部可动梳齿和第四外部可动梳齿；所述内部固定梳齿包括第一内部固定梳齿、第二内部固定梳齿、第三内部固定梳齿和第四内部固定梳齿；所述内部可动梳齿包括第一内部可动梳齿、第二内部可动梳齿、第三内部可动梳齿和第四内部可动梳齿。
13.优选的，所述方法如下：
14.当质量块感应到竖直方向的加速度时，折叠梁形变并导致质量块产生位移；
15.a.当加速度方向向下时，质量块向上移动，第一外部固定梳齿与第一外部可动梳齿之间的电容间隙变小，第二外部固定梳齿、第二外部可动梳齿之间的电容间隙变小，第三内部可动梳齿、第三内部固定梳齿之间的电容间隙变小，第四内部可动梳齿、第四内部固定梳齿之间的电容间隙变小，导致第一个电容变大；第一内部可动梳齿、第一内部固定梳齿之间的电容间隙变大，第二内部可动梳齿、第二内部固定梳齿之间的电容间隙变大，第三外部固定梳齿、第三外部可动梳齿之间的电容间隙变大，第四外部固定梳齿、第四外部可动梳齿之间的电容间隙变大，导致第二个电容变小；
16.b.当加速度方向向上时，质量块向下移动，第一外部固定梳齿与第一外部可动梳齿之间的电容间隙变大，第二外部固定梳齿、第二外部可动梳齿之间的电容间隙变大，第三内部可动梳齿、第三内部固定梳齿之间的电容间隙变大，第四内部可动梳齿、第四内部固定梳齿之间的电容间隙变大，导致第一个电容变小；第一内部可动梳齿、第一内部固定梳齿之间的电容间隙变小，第二内部可动梳齿、第二内部固定梳齿之间的电容间隙变小，第三外部固定梳齿、第三外部可动梳齿之间的电容间隙变小，第四外部固定梳齿、第四外部可动梳齿之间的电容间隙变小，导致第二个电容变大；
17.通过差分测量技术可测出第一个电容与第二个电容的差值大小和正负方向，以此可以检测出加速度的大小和方向。
18.本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
19.该提高mems加速度计电容间隙一致性的电极布置方法，通过改善了加速度计的结构，首先将质量块挖孔，然后针对每一对外部固定梳齿结构及可动梳齿配置一对内部固定梳齿和可动梳齿，并使内部梳齿形成的电容与外部梳齿形成的电容形成差分电容，由于形成差分电容的内部梳齿与外部梳齿的空间距离非常近，因此形成差分电容的两个电容的间隙非常一致，从而使加速度计具有非常小的输出偏值，同时具有非常高的线性度和共模效应抑制效果。
附图说明
20.图1为本发明梳齿式加速度计结构示意图；
21.图2为本发明加速度计俯视图；
22.图中：1、衬底；2、外侧固定梳齿锚点；3、折叠梁；4、质量块锚点；5、质量块；6、外部
可动梳齿；6-1、第一外部可动梳齿；6-2、第二外部可动梳齿；6-3、第三外部可动梳齿；6-4、第四外部可动梳齿；7、外部固定梳齿；7-1、第一外部固定梳齿；7-2、第二外部固定梳齿；7-3、第三外部固定梳齿；7-4、第四外部固定梳齿；8、内部固定梳齿锚点；9、内部固定梳齿；9-1、第一内部固定梳齿；9-2、第二内部固定梳齿；9-3、第三内部固定梳齿；9-4、第四内部固定梳齿；10、内部可动梳齿；10-1、第一内部可动梳齿；10-2、第二内部可动梳齿；10-3、第三内部可动梳齿；10-4、第四内部可动梳齿。
具体实施方式
23.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.请参阅图1-图2所示，本发明提供如下技术方案：一种提高mems加速度计电容间隙一致性的电极布置方法，包括衬底1，衬底1的一侧设置有外侧固定梳齿锚点2、折叠梁3、质量块锚点4、质量块5、外部可动梳齿6、外部固定梳齿7、内部固定梳齿锚点8、内部固定梳齿9和内部可动梳齿10，外侧固定梳齿锚点2、质量块锚点4和内部固定梳齿锚点8均与衬底1固连，折叠梁3质量块5、外部可动梳齿6、外部固定梳齿7和内部固定梳齿9均悬浮设置于衬底1一侧。
25.进一步的，外侧固定梳齿锚点2、质量块锚点4和内部固定梳齿锚点8厚度相同。
26.进一步的，外侧固定梳齿锚点2与内部固定梳齿锚点8处于同一水平线。
27.进一步的，折叠梁3、质量块5、外部可动梳齿6、外部固定梳齿7、内部固定梳齿9和内部可动梳齿10厚度相同。
28.进一步的，外部可动梳齿6，包括第一外部可动梳齿6-1、第二外部可动梳齿6-2、第三外部可动梳齿6-3、第四外部可动梳齿6-4及其他尚未提及的外部可动梳齿；外部固定梳齿7包括第一外部固定梳齿7-1、第二外部固定梳齿7-2、第三外部固定梳齿7-3、第四外部固定梳齿7-4及其他尚未提及的外部固定梳齿；内部固定梳齿9包括第一内部固定梳齿9-1、第二内部固定梳齿9-2、第三内部固定梳齿9-3和第四内部固定梳齿9-4及其他尚未提及的内部固定梳齿；内部可动梳齿10包括第一内部可动梳齿10-1、第二内部可动梳齿10-2、第三内部可动梳齿10-3和第四内部可动梳齿10-4及其他尚未提及的内部可动梳齿。
29.进一步的，方法如下：
30.当质量块5感应到竖直方向的加速度时，折叠梁3形变并导致质量块5产生位移；
31.a.当加速度方向向下时，质量块5向上移动，第一外部固定梳齿7-1与第一外部可动梳齿6-1之间的电容间隙变小，第二外部固定梳齿7-2、第二外部可动梳齿6-2之间的电容间隙变小，第三内部可动梳齿10-3、第三内部固定梳齿9-3之间的电容间隙变小，第四内部可动梳齿10-4、第四内部固定梳齿9-4之间的电容间隙变小，导致第一个电容变大；第一内部可动梳齿10-1、第一内部固定梳齿9-1之间的电容间隙变大，第二内部可动梳齿10-2、第二内部固定梳齿9-2之间的电容间隙变大，第三外部固定梳齿7-3、第三外部可动梳齿6-3之间的电容间隙变大，第四外部固定梳齿7-4、第四外部可动梳齿6-4之间的电容间隙变大，导致第二个电容变小；
32.b.当加速度方向向上时，质量块5向下移动，第一外部固定梳齿7-1与第一外部可动梳齿6-1之间的电容间隙变大，第二外部固定梳齿7-2、第二外部可动梳齿6-2之间的电容间隙变大，第三内部可动梳齿10-3、第三内部固定梳齿9-3之间的电容间隙变大，第四内部可动梳齿10-4、第四内部固定梳齿9-4之间的电容间隙变大，导致第一个电容变小；第一内部可动梳齿10-1、第一内部固定梳齿9-1之间的电容间隙变小，第二内部可动梳齿10-2、第二内部固定梳齿9-2之间的电容间隙变小，第三外部固定梳齿7-3、第三外部可动梳齿6-3之间的电容间隙变小，第四外部固定梳齿7-4、第四外部可动梳齿6-4之间的电容间隙变小，导致第二个电容变大；
33.通过差分测量技术可测出第一个电容与第二个电容的差值大小和正负方向，以此可以检测出加速度的大小和方向。
34.工作时，通过在质量块5的内外部配置空间距离较近的梳齿，大幅减小了差分电容的第一个电容和第二电容的空间距离，从而使两个电容的间隙非常一致，保证了加速度计具有非常小的输出偏值，同时具有非常高的线性度和共模效应抑制效果。
35.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。