具有补偿电容的电容式Z轴加速度计的制作方法

本发明涉及一种微型加速度计结构，尤其涉及一种具有补偿电容的电容式z轴加速度计，属于半导体应用微结构领域。

背景技术：

1、mems即微机电系统(micro-electro mechanical system)，是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的研究领域。mems电容式加速度计是利用外部加速度改变敏感质量的位移，进而转变为电容的变化量进行测量。加速度计可以检测来自三个轴的加速度。其中z轴结构设计形式一般为扭摆式电容加速度计，其结构中的敏感质量块在扭摆弹性梁两边不对称分布，形成偏心转矩。当有外界加速度输入时，敏感质量块绕着梁摆动，并与下方检测电容极板形成差分电容，根据电容变化量的大小获得加速度的大小。

2、根据当前此类加速度计的工艺制造流程：mems芯片由下到上依次设为硅衬底层、氧化硅绝缘层、硅走线层、硅锚点层、硅结构层等。最终mems芯片通过粘胶等方式粘接于管壳内部完成封装。芯片整体由多层不同材料组成，由于各层材料热膨胀系数不同，当外界温度发生变化时，尤其芯片的硅衬底层会发生较明显的翘曲变形。对于z轴电容式加速度计，硅衬底层的翘曲变形会导致绝缘层上方的检测电容极板发生翘曲变形。且两侧检测电容极板的翘曲变形通常都是不对称的，严重制约加速度计的温度稳定特性。除了温度变化以外，封装应力导致的翘曲变形也会对加速度计的性能产生很大影响。

3、为了减小温度变化和封装应力对加速度计芯片输出造成的影响，现有通常采用电路芯片算法进行补偿。其方法为：通过采集不同温度下的芯片输出，建立温度-输出关系曲线；再通过电路芯片算法实现对不同温度下的输出进行补偿。该方法需内置温度传感器，同时需要专门的电路芯片实现算法补偿，同时由于需要建立准确可靠的温度-输出关系曲线，需要采集大量的数据。由此可见，该补偿方案成本高、原理复杂且工作量较大。

技术实现思路

1、本发明的目的旨在提出一种具有补偿电容的电容式z轴加速度计，以消除芯片附加外设并优化输入响应。

2、本发明实现上述目的的技术解决方案是，具有补偿电容的电容式z轴加速度计，由衬底、绝缘层、走线层、锚点层和结构层构成，其特征在于：所述结构层设有固定质量块及成组的扭摆弹性梁和可动质量块，所述可动质量块非对称耦合于扭摆弹性梁并通过扭摆弹性梁与锚点层中所设一个锚点相接，所述固定质量块与锚点层中所设另一个锚点相接，所述走线层设有对应可动质量块的一组检测电容极板和对应固定质量块的一组补偿电容极板，两组信号极板设为单独的差分电容结构且对应输出信号同极性相挨近，在加速度输入下，可动质量块绕扭摆弹性梁扭转，固定质量块保持平稳。

3、上述具有补偿电容的电容式z轴加速度计，进一步地，所述加速度计仅设有一组检测电容极板和一组补偿电容极板，所述检测电容极板相对其间所设的扭摆弹性梁对称设置，可动质量块覆盖并悬设于检测电容极板上且单侧偏重，所述补偿电容极板与检测电容极板为输出信号极性一致的并排设置，固定质量块覆盖并悬设于补偿电容极板上。

4、上述具有补偿电容的电容式z轴加速度计，更进一步地，所述可动质量块和固定质量块两者的主体非接触式并排设置。

5、上述具有补偿电容的电容式z轴加速度计，更进一步地，所述可动质量块非接触式包容固定质量块，两者的主体嵌套设置。

6、上述具有补偿电容的电容式z轴加速度计，进一步地，所述加速度计仅设有一组检测电容极板和一组补偿电容极板，所述检测电容极板相对其间所设的扭摆弹性梁相隔一段距离对称设置，可动质量块覆盖并悬设于检测电容极板上且单侧偏重、中部留空，所述补偿电容极板在检测电容极板之间相对扭摆弹性梁对称设置，且对应输出信号同极性相挨近，固定质量块独立覆盖并悬设于补偿电容极板的每个信号极板上，整体嵌套于可动质量块之中。

7、上述具有补偿电容的电容式z轴加速度计，进一步地，所述加速度计设有两组补偿电容极板和两组并排的检测电容极板，每组检测电容极板相对其间所设的扭摆弹性梁对称设置，并通过扭摆弹性梁耦合悬设有一个覆盖本组检测电容极板且单侧偏重的可动质量块，一组补偿电容极板在一组检测电容极板两侧相对扭摆弹性梁对称设置，且对应输出信号同极性相挨近；在检测电容极板的旁侧，固定质量块跨组覆盖并悬设于补偿电容极板的各一个信号极板上。

8、应用本发明的加速度计结构优化，具备突出的实质性特点和显著的进步性，其技术效果及优点表现为：结合mems工艺在靠近检测电容极板处引入补偿电容极板及固定质量块，在不使用电路芯片算法的情况下即可实现实时的电容补偿，大幅降低了温度变化或封装应力对加速度计输出的影响，提升了加速度计的温度-输出特性；同时，无需再为算法模型生成而大量采集数据，为降低成本提供了可靠保障。

技术特征：

1.具有补偿电容的电容式z轴加速度计，由衬底、绝缘层、走线层、锚点层和结构层构成，其特征在于：所述结构层设有固定质量块及成组的扭摆弹性梁和可动质量块，所述可动质量块非对称耦合于扭摆弹性梁并通过扭摆弹性梁与锚点层中所设一个锚点相接，所述固定质量块与锚点层中所设另一个锚点相接，所述走线层设有对应可动质量块的一组检测电容极板和对应固定质量块的一组补偿电容极板，两组信号极板设为单独的差分电容结构且对应输出信号同极性相挨近，在加速度输入下，可动质量块绕扭摆弹性梁扭转，固定质量块保持平稳。

2.根据权利要求1所述具有补偿电容的电容式z轴加速度计，其特征在于：所述加速度计仅设有一组检测电容极板和一组补偿电容极板，所述检测电容极板相对其间所设的扭摆弹性梁对称设置，可动质量块覆盖并悬设于检测电容极板上且单侧偏重，所述补偿电容极板与检测电容极板为输出信号极性一致的并排设置，固定质量块覆盖并悬设于补偿电容极板上。

3.根据权利要求2所述具有补偿电容的电容式z轴加速度计，其特征在于：所述可动质量块和固定质量块两者的主体非接触式并排设置。

4.根据权利要求2所述具有补偿电容的电容式z轴加速度计，其特征在于：所述可动质量块非接触式包容固定质量块，两者的主体嵌套设置。

5.根据权利要求1所述具有补偿电容的电容式z轴加速度计，其特征在于：所述加速度计仅设有一组检测电容极板和一组补偿电容极板，所述检测电容极板相对其间所设的扭摆弹性梁相隔一段距离对称设置，可动质量块覆盖并悬设于检测电容极板上且单侧偏重、中部留空，所述补偿电容极板在检测电容极板之间相对扭摆弹性梁对称设置，且对应输出信号同极性相挨近，固定质量块独立覆盖并悬设于补偿电容极板的每个信号极板上，整体嵌套于可动质量块之中。

6.根据权利要求1所述具有补偿电容的电容式z轴加速度计，其特征在于：所述加速度计设有两组补偿电容极板和两组并排的检测电容极板，每组检测电容极板相对其间所设的扭摆弹性梁对称设置，并通过扭摆弹性梁耦合悬设有一个覆盖本组检测电容极板且单侧偏重的可动质量块，一组补偿电容极板在一组检测电容极板两侧相对扭摆弹性梁对称设置，且对应输出信号同极性相挨近；在检测电容极板的旁侧，固定质量块跨组覆盖并悬设于补偿电容极板的各一个信号极板上。

技术总结
本发明揭示了一种具有补偿电容的电容式Z轴加速度计，由衬底、绝缘层、走线层、锚点层和结构层构成，其中结构层设有固定质量块及成组的扭摆弹性梁和可动质量块，可动质量块非对称耦合于扭摆弹性梁并通过扭摆弹性梁与锚点层中所设一个锚点相接，固定质量块与锚点层中所设另一个锚点相接，走线层设有对应可动质量块的一组检测电容极板和对应固定质量块的一组补偿电容极板，两组信号极板设为单独的差分电容结构且对应输出信号同极性相挨近，在加速度输入下，可动质量块绕扭摆弹性梁扭转，固定质量块保持平稳。应用本发明的加速度计结构优化，大幅降低了温度变化或封装应力对加速度计输出的影响和成本，同时提升了器件的温度‑输出特性。

技术研发人员：张可
受保护的技术使用者：苏州感测通信息科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17