一种梳齿交叠长度可调的锯齿形结构MEMS加速度计的制作方法

一种梳齿交叠长度可调的锯齿形结构mems加速度计
技术领域
1.本实用新型涉及mems加速度计技术领域，具体涉及一种梳齿交叠长度可调的锯齿形结构mems加速度计。

背景技术：

2.mems加速度计是利用mems加工工艺制造的加速度传感器，是检测加速度的装置。mems加速度计具有体积小、集成度高、精度高等优点，被用在越来越多的领域，尤其是惯性导航、无人机、工业机器人等领域。在mems加速度计中，电容式mems加速度计是应用最广泛的mems加速度计之一。作用在质量块上的加速度，会使与质量块相连的梳齿发生位移，则会改变梳齿对之间的电容值，通过检测电容值的改变来检测加速度值的大小。
3.电容式mems加速度计的灵敏度和分辨率等关键指标是由梳齿对间隙决定的，而梳齿对间隙完全取决于流片厂工艺水平的高低，尤其是决定梳齿间隙大小的刻蚀工艺，能做到高深宽比、梳齿间隙小、一致性高的流片厂寥寥无几，更重要的是加工精度高的成熟工艺流片费用高、流片周期长，且大多在国外，这严重掣肘了国内高灵敏度、高分辨率mems加速度计的发展和应用。
4.现有技术中，专利号cn114088976：“一种梳齿间隙可调式mems加速度计”使用静电合力改变固定检测梳齿与可动检测梳齿之间的间隙，从而提高加速度计的敏感度和补偿零偏，但是静电力调节方向与器件敏感方向相同，增加了调节的难度与准确性。

技术实现要素：

5.针对上述问题，本实用新型提供一种梳齿交叠长度可调的锯齿形结构mems加速度计，通过调整锯齿形固定梳齿的位置，增大锯齿形固定梳齿与可动梳齿的交叠长度，从而提高了mems加速度计的灵敏度，并且锯齿形固定梳齿调整方向与器件敏感方向垂直，降低了调节的难度。
6.本实用新型采用下述的技术方案：
7.一种梳齿交叠长度可调的锯齿形结构mems加速度计，其特征在于，包括基底层，所述基底层上设有结构层，所述结构层上设有可动质量块，所述可动质量块中部对称设有正闭环反馈单元和负闭环反馈单元；所述可动质量块上下两端分别设有正敏感单元和负敏感单元。
8.所述正敏感单元和负敏感单元结构相同，包括梳齿交叠长度调节装置、第一固定锚点、敏感电极、锯齿形固定敏感梳齿、锯齿形可动敏感梳齿；所述敏感电极下侧设有锯齿形固定敏感梳齿；所述锯齿形可动敏感梳齿设置在可动质量块上，与锯齿形固定敏感梳齿相互配合；所述锯齿形梳齿对的交叠长度，通过梳齿交叠长度调节装置可以进行灵活的调节。
9.所述梳齿交叠长度调节装置包括梳齿交叠长度调节梁、交叠长度调节施力梳齿对、正梳齿交叠长度调节施力电极、负梳齿交叠长度调节施力电极；所述梳齿交叠长度调节
梁上方连接第一固定锚点、下方连接敏感电极；所述敏感电极左右两端设有交叠长度调节施力梳齿对；所述交叠长度调节施力梳齿对上下端分别连接正梳齿交叠长度调节施力电极和负梳齿交叠长度调节施力电极。通过调节正、负梳齿交叠长度调节施力电极的电压大小，驱动梳齿交叠长度调节梁移动，进而调节锯齿形固定敏感梳齿的位置，增大锯齿形固定敏感梳齿与锯齿形可动敏感梳齿的交叠长度。并且得益于锯齿形梳齿的特性，增大锯齿形敏感梳齿对之间正对面积的同时还缩小了梳齿间隙，进一步增加了加速度计的敏感度和分辨率。
10.进一步的，所述正闭环反馈单元和负闭环反馈单元结构相同，均包括反馈电极和设置在可动质量块上的力反馈梳齿对，所述反馈电极上设有第二固定锚点。
11.进一步的，所述锯齿形固定敏感梳齿和锯齿形可动敏感梳齿的齿尖为圆弧结构。一方面削弱了电荷的边缘效应，增强了器件的线性度；另一方面，减小了制造产生的应力，提高了结构可靠性。
12.进一步的，所述可动质量块左右两端通过弹性连接装置连接并悬浮于基底层。
13.进一步的，所述基底层材料为硅。
14.进一步的，所述基底层材料为玻璃。
15.进一步的，所述结构层材料为硅。
16.本实用新型的有益效果是：
17.1、初始设计时，将锯齿形固定敏感梳齿与锯齿形可动敏感梳齿在交叠方向上适当分离，使得结构层的梳齿间隙特征尺寸变大，对工艺要求变低，提高了工艺友好性和可实现性；
18.2、通过梳齿交叠长度调节装置，可增大固定敏感梳齿与可动敏感梳齿间的交叠长度，增加梳齿正对面积，减小梳齿间隙，进一步地提高器件的灵敏度及分辨率，提高mems加速度计的综合精度；
19.3、本发明采用了差分检测，闭环控制方式，器件的噪声小，线性度好；
20.4、本发明结构简单，与现有技术相比，对加工工艺的要求大大降低，可实现基于国内工艺的大批量生产，成本低，加工周期短。
附图说明
21.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本实用新型的一些实施例，而非对本实用新型的限制。
22.图1为本发明结构示意图；
23.图2为本发明梳齿交叠长度调节装置未工作时状态示意图；
24.图3为本发明梳齿交叠长度调节装置未工作时锯齿形梳齿状态示意图；
25.图4为本发明梳齿交叠长度调节装置工作时状态示意图；
26.图5为本发明梳齿交叠长度调节装置工作时锯齿形梳齿状态示意图。
27.图中：
28.1-基底层、2-结构层、3-正敏感单元、4-负敏感单元、5-可动质量块、6-正闭环反馈单元、7-负闭环反馈单元、8-梳齿交叠长度调节装置、9-第一固定锚点、10-敏感电极、11-锯
齿形固定敏感梳齿、12-锯齿形可动敏感梳齿、13-梳齿交叠长度调节梁、14-交叠长度调节施力梳齿对、15-正梳齿交叠长度调节施力电极、16-负梳齿交叠长度调节施力电极、17-弹性连接装置、18-力反馈电极、19-第二固定锚点、20-力反馈梳齿对。
具体实施方式
29.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例的附图，对本实用新型实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
30.下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
31.如图1所示，一种梳齿交叠长度可调的锯齿形结构mems加速度计，其特征在于，包括基底层1，材料为硅或玻璃，所述基底层1上设有结构层2，材料为硅，所述结构层2上设有可动质量块5，所述可动质量块5中部对称设有正闭环反馈单元6和负闭环反馈单元7；所述可动质量块5上下两端分别设有正敏感单元3和负敏感单元4。
32.所述正敏感单元3和负敏感单元4结构相同，包括梳齿交叠长度调节装置8、第一固定锚点9、敏感电极10、锯齿形固定敏感梳齿11、锯齿形可动敏感梳齿12；所述敏感电极10下侧设有锯齿形固定敏感梳齿11；所述锯齿形可动敏感梳齿12设置在可动质量块5上，与锯齿形固定敏感梳齿11相互配合。
33.所述梳齿交叠长度调节装置8包括梳齿交叠长度调节梁13、交叠长度调节施力梳齿对14、正梳齿交叠长度调节施力电极15、负梳齿交叠长度调节施力电极16；所述梳齿交叠长度调节梁13上方连接第一固定锚点9、下方连接敏感电极10；所述敏感电极10左右两端设有交叠长度调节施力梳齿对14；所述交叠长度调节施力梳齿对14上下端分别连接正梳齿交叠长度调节施力电极15和负梳齿交叠长度调节施力电极16。
34.所述正闭环反馈单元6和负闭环反馈单元7结构相同，均包括反馈电极18和设置在可动质量块上的力反馈梳齿对20，所述反馈电极18上设有第二固定锚点19。
35.所述锯齿形固定敏感梳齿11和锯齿形可动敏感梳齿12的齿尖为圆弧结构，一方面削弱了电荷的边缘效应，增强了器件的线性度；另一方面，减小了制造产生的应力，提高了结构可靠性。齿尖的角度大小可在设计时进行调整，以改变梳齿交叠长度调节装置8正对面积和梳齿间隙调节的强弱。
36.所述可动质量块5左右两端通过弹性连接装置17连接并悬浮于基底层1。
37.如图2和图3所示，梳齿交叠长度调节装置8未工作时，此时正梳齿交叠长度调节施力电极15和负梳齿交叠长度调节施力电极16的电压为零，当mems加速度计受到敏感轴向的加速度时，可动质量块5在惯性力的作用下发生微小位移，即偏离结构机械零位，此时正敏感单元3、负敏感单元4的锯齿形固定敏感梳齿11与锯齿形可动敏感梳齿12之间的间隙发生改变，因此引起敏感电极间的电容变化，通过接口电路可以读出该电容的变化值，从而得到加速度的大小，并通过正闭环反馈单元6和负闭环反馈单元7平衡惯性力，将可动质量块5恢
复到机械零位，实现加速度的闭环检测，本发明采用差分电容检测，消除了绝大部分的干扰噪声，极大地提高了信噪比，利用闭环控制，使器件线性度好。
38.如图4所示，梳齿交叠长度调节装置8工作时，在正敏感单元3和负敏感单元4中，通过设置正梳齿交叠长度调节施力电极15和负梳齿交叠长度调节施力电极16电压的大小，使梳齿交叠长度调节装置8产生合适的静电合力，驱使敏感电极10发生微位移，进而使与敏感电极10相连的锯齿形固定敏感梳齿11位置发生微改变，增大锯齿形固定敏感梳齿11与锯齿形可动敏感梳齿12的交叠长度。并且得益于锯齿形梳齿的特性，如图5所示，在增大锯齿形敏感梳齿对之间正对面积的同时还缩小了梳齿间隙，进一步增加了加速度计的敏感度和分辨率。
39.加载在正梳齿交叠长度调节施力电极15和负梳齿交叠长度调节施力电极16的电压分别为v
dc
+v
ac
、v
dc-v
ac
，交叠长度调节施力梳齿对14的厚度为h(结构层厚度)，交叠长度为l0，共n对，则梳齿交叠长度调节装置8产生的静电合力f：
[0040][0041]
式中，ε为真空介电常数，无量纲；n为交叠长度调节施力梳齿对14对数，单位为对；h为交叠长度调节施力梳齿对14的厚度(结构层厚度)，μm；v
dc
、v
ac
为电压，v；l0为交叠长度调节施力梳齿对14的两个梳齿间的交叠长度距离，μm。
[0042]
此时通过mems加速度计梳齿交叠长度调节装置8使梳齿交叠长度调节梁13产生的微位移δx：
[0043][0044]
式中，k为梳齿交叠长度调节梁的刚度，n/m。
[0045]
通过控制正梳齿交叠长度调节施力电极15和负梳齿交叠长度调节施力电极16电压的大小，进而调节δx值的大小，在器件稳定工作前提下，将锯齿形固定敏感梳齿11、锯齿形可动敏感梳齿12之间的初始交叠长度调大，可以提高器件的灵敏度及分辨率，进而提高器件的综合精度。
[0046]
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

技术特征：

1.一种梳齿交叠长度可调的锯齿形结构mems加速度计，其特征在于，包括基底层(1)，所述基底层(1)上设有结构层(2)，所述结构层(2)上设有可动质量块(5)，所述可动质量块(5)中部对称设有正闭环反馈单元(6)和负闭环反馈单元(7)；所述可动质量块(5)上下两端分别设有正敏感单元(3)和负敏感单元(4)；所述正敏感单元(3)和负敏感单元(4)结构相同，包括梳齿交叠长度调节装置(8)、第一固定锚点(9)、敏感电极(10)、锯齿形固定敏感梳齿(11)、锯齿形可动敏感梳齿(12)；所述敏感电极(10)下侧设有锯齿形固定敏感梳齿(11)；所述锯齿形可动敏感梳齿(12)设置在可动质量块(5)上，与锯齿形固定敏感梳齿(11)相互配合；所述梳齿交叠长度调节装置(8)包括梳齿交叠长度调节梁(13)、交叠长度调节施力梳齿对(14)、正梳齿交叠长度调节施力电极(15)、负梳齿交叠长度调节施力电极(16)；所述梳齿交叠长度调节梁(13)上方连接第一固定锚点(9)、下方连接敏感电极(10)；所述敏感电极(10)左右两端设有交叠长度调节施力梳齿对(14)；所述交叠长度调节施力梳齿对(14)上下端分别连接正梳齿交叠长度调节施力电极(15)和负梳齿交叠长度调节施力电极(16)。2.根据权利要求1所述的一种梳齿交叠长度可调的锯齿形结构mems加速度计，其特征在于，所述正闭环反馈单元(6)和负闭环反馈单元(7)结构相同，均包括反馈电极(18)和设置在可动质量块上的力反馈梳齿对(20)，所述反馈电极(18)上设有第二固定锚点(19)。3.根据权利要求1所述的一种梳齿交叠长度可调的锯齿形结构mems加速度计，其特征在于，所述锯齿形固定敏感梳齿(11)和锯齿形可动敏感梳齿(12)的齿尖为圆弧结构。4.根据权利要求1所述的一种梳齿交叠长度可调的锯齿形结构mems加速度计，其特征在于，所述可动质量块(5)左右两端通过弹性连接装置(17)连接并悬浮于基底层(1)。5.根据权利要求1所述的一种梳齿交叠长度可调的锯齿形结构mems加速度计，其特征在于，所述基底层(1)材料为硅。6.根据权利要求1所述的一种梳齿交叠长度可调的锯齿形结构mems加速度计，其特征在于，所述基底层(1)材料为玻璃。7.根据权利要求1所述的一种梳齿交叠长度可调的锯齿形结构mems加速度计，其特征在于，所述结构层(2)材料为硅。

技术总结

本实用新型公开了一种梳齿交叠长度可调的锯齿形结构MEMS加速度计，包括基底层，所述基底层上设有结构层，所述结构层上设有可动质量块，所述可动质量块中部对称设有正闭环反馈单元和负闭环反馈单元；所述可动质量块上下两端分别设有正敏感单元和负敏感单元，所述敏感单元设有梳齿交叠长度调节装置。本发明使得结构层的梳齿间隙特征尺寸变大，对工艺要求变低，提高了工艺友好性和可实现性；并且通过梳齿交叠长度调节装置，可增大敏感单元梳齿间的交叠长度，增加梳齿正对面积的同时减小梳齿间隙，进一步地提高了器件的灵敏度及分辨率，优化了MEMS加速度计的综合精度。化了MEMS加速度计的综合精度。化了MEMS加速度计的综合精度。