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CN114966111B - 一种叶片式z轴mems加速度计 - Google Patents

一种叶片式z轴mems加速度计

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CN114966111B
CN114966111B CN202210378577.0A CN202210378577A CN114966111B CN 114966111 B CN114966111 B CN 114966111B CN 202210378577 A CN202210378577 A CN 202210378577A CN 114966111 B CN114966111 B CN 114966111B
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Suzhou Gst Infomation Technology Co ltd
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Abstract

本发明揭示了一种叶片式Z轴MEMS加速度计，由硅衬底和硅帽相接构成空腔，硅衬底和硅帽上各设有检测电极。特别地，该空腔中设有锚点、支撑框架及两组以上具有不对称质量的叶片式质量块，每组质量块通过位于中间的弹性梁连接并围绕锚点等距分布在支撑框架上，且绕锚点旋转对称；在沿锚点轴向所在Z轴输入加速度下，该质量块绕弹性梁所在、支撑框架的支臂发生XY平面外旋转运动，检测电极与质量块构成检测加速度的两组以上差分电容。应用本发明该MEMS加速度计，通过将质量块设计成相对锚点旋转对称的叶片式结构，将封装应力误差得以最大化地差分抵销，可以大幅提高Z轴MEMS加速度计的温度特性，具有更高的抗误差干扰能力及其它MEMS相关器件的普适性。

Description

一种叶片式Z轴MEMS加速度计
技术领域
本发明涉及一种芯片级传感器设计，尤其涉及一种叶片式Z轴MEMS加速度计的创新结构，属于微机电技术领域。
背景技术
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前沿研究领域。它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术，具有广阔的应用前景。其中，MEMS压力传感器、加速度计、陀螺仪等都是典型的力敏感器件，它们多用作压力、加速度、角速度等物理量的高精度测量，具有体积小、功耗低、与集成电路工艺兼容、易于大批量生产等特点。
MEMS加速计是利用微型检测质量块来实现测量加速度的微型传感器。根据其检测原理，可分为压阻式、压电式、电容式、热流式等。目前高精度、商用的MEMS加速度计大多为电容式的。但是无论哪种检测原理的MEMS加速度计，其在封装过程中均无法避免地会引入额外的应力。
MEMS加速度计的MEMS芯片通常采用陶瓷、金属或塑料管壳封装。MEMS芯片通常采用粘胶固定在封装壳体腔体内。由于MEMS芯片、粘胶、封装管壳为不同材料，其热膨胀系数（coefficient of thermal expansion，CTE）不一致，导致当环境温度发生变化时，MEMS芯片、粘胶、封装管壳之间存在热应力失配，进而产生封装热应力（如图3所示）。在热应力作用下固定在硅衬底或硅帽上的固定电极将发生形变，进而导致固定电极与质量块自身的活动电极构成的平板电容发生变化。该变化不是输入加速度产生的，因此是误差信号。
传统Z轴MEMS加速度计的敏感结构为跷跷板结构形式（如图1所示）或三明治结构形式（如图2所示）。Z轴加速度计通常采用平板电容检测方式，因此其检测电容的固定电极通常固定在硅衬底或硅帽上，用于检测微质量块沿Z轴的运动位移。当有Z轴输入加速度时，微质量块沿Z轴运动产生正比于输入加速度的运动位移。布置在硅衬底和（或）硅帽上的固定电极与微质量块自身的活动电极构成了一对或多对平板电容。由于微质量块在输入加速度作用下发生了偏移位移，导致平板电容的容值发生了变化。通过检测平板电容容值的变化量可以计算出输入加速度的大小。
如何减小封装应力是进一步提高MEMS加速度计性能的一个需要解决的重要技术瓶颈。国内外相关研究人员提出了多种解决途径：
亚德诺半导体公司提出了一种“具有Z轴锚跟踪的MEMS加速度计”的方法，设计了跟踪锚结构，其将力施加耦合到质量的扭转弹簧，用于抵消应变对输出加速度的影响。
EP1571454B1公开了一种带芯片级应力隔离的三明治结构的Z轴硅微加速度计，其在中间层质量块的周围设置了应力释放梁，通过应力释放降低传递至三明治敏感结构的应力。
US7140250、CN201911125779.9公开了两种基于梳齿电容检测的跷跷板式Z轴加速度计，采用不等高的梳齿电容代替平板电容，一定程度上降低了敏感电容对应力和温度的敏感性，不足的是机械位移至电容变化的增益偏低。
另有公司（简称为“北方芯动联科”）提出了一种具有降低封装应力结构的MEMS元件（专利申请号为：201320205008.2），其在背面层上装上至少一个装片柱，封装管壳底板上有粘片胶，粘片胶包围装片柱。通过MEMS芯片背面层上的装片柱和封装管壳底板上的粘片胶将MEMS芯片固定在封装管壳底板上，但是其均匀性及对称性难以控制，而且其减小芯片与管壳粘接的总面积会造成抗机械冲击能力不足。
上述三明治式Z轴MEMS加速度计的结构可简化成如图2所示，其由沿Z轴运动的质量块201和分布在质量块上方和下方的检测电极，及其硅帽204和硅衬底205构成。质量块201与上检测电极202a构成一对平行板电容203a，质量块201与下检测电极202b构成另一对平行板电容203b。
上述跷跷板式Z轴MEMS加速度计的结构可简化成如图1所示，其由沿Z轴运动的质量块101和分布在质量块两侧（上方和下方）的检测电极，及其硅帽104和硅衬底105构成。质量块101与左上检测电极102a构成一对电容值为Ca的平行板电容103a，质量块101与左下检测电极102b构成一对电容值为的平行板电容103b，质量块101与右上检测电极102c构成一对电容值为的平行板电容103c，质量块101与右下检测电极102d构成一对电容值为的平行板电容103d。当外界没有Z轴输入加速度时，质量块101位于上检测电极102a、102c和下检测电极102b、102d的中间，质量块101与上检测电极102a、102c的间距和质量块101与下检测电极102b、102d的间距相等，因此平行板电容103a与平行板电容103b的容值相等，平行板电容103c与平行板电容103d的容值相等。平行板电容103a与平行板电容103b构成一对差分电容，平行板电容103c与平行板电容103d构成另一对差分电容。当外界存在Z轴输入加速度时，在加速度作用下质量块绕弹性梁发生XY平面外运动，使得质量块与一侧检测电极的间距减小，而质量块与另一侧检测电极的间距增大，进而使得两个平板电容一个增大一个减小。通过检测差分电容的差分变化量△Cout=(Ca－)－(－)，可以推算出Z轴加速度的大小和方向。
图3所示为不含硅帽和前侧壁的跷跷板式Z轴MEMS加速度计结构简化等轴视图。鉴于前述多层材料热应力变形的原理说明。MEMS芯片通常采用将芯片底面整体涂覆粘片胶的面粘方式或者在芯片底面中心区域涂覆圆形粘片胶的点粘方式。这两种常规粘片工艺方法中涂覆粘片胶都是关于芯片中心轴全对称的。相应地，其产生的封装应力对芯片产生的形变也是关于芯片中心轴全对称的，如图4和图5所示。
热应力作用下MEMS结构芯片会发生变形，图1所示实施例下，附着在硅衬底上的检测电极102b、102d和附着在硅帽上的检测电极102a、102c会随之发生形变，一种形变方式如图6所示。由于质量块通过梁结构悬浮在MEMS结构芯片内部，梁结构具有应力释放效果，因此质量块不会发生较大的形变。而热应力作用下的上述变形会导致平行板电容103a与平行板电容103b的容值不相等，平行板电容103c与平行板电容104d的容值不相等。这种不等容值是由于应力产生的，而不是输入加速度产生的。
因此当有应力产生引起MEMS结构变形后，无论是否有输入加速度，MEMS芯片都会检测到电容变化，即平行板电容103a变化了，平行板电容103b变化了，平行板电容103c变化了，平行板电容103d变化了。由于≠且≠，
△Cout=(Ca－)－(－)=(－)－(－)≠0。此时器件会输出一个非零的误差信号，这个误差信号是产生MEMS加速度计的测量误差的一个主要原因。也就是说，实际情况下，差分电容的变化量是由关于输入加速度a的函数和关于应力σ的函数构成的，即△Cout=+。
另外，如图7所示，封装应力在芯片硅衬底上产生的形变的等高线701是圆环形的。理想情况下，应力在各个电极构成的电容上产生的电容变化量＝，＝。但实际情况中，由于各种加工误差，例如涂胶的厚度不均匀，涂胶位置的偏离等原因均会导致分布在两侧的电极所受应力存在差异。传统三明治结构和跷跷板结构的加速度计检测质量块及其检测电极在XY平面内的投影形状与这种应力变形形状在XY平面内的投影形状并不完全吻合，因此这种差异无法通过传统三明治式结构和跷跷板式结构的差分电容检测方式消除。
发明内容
本发明的目的旨在提出一种叶片式Z轴MEMS加速度计，解决封装引入应力带来加速度测量误差的问题。
本发明实现上述目的的技术解决方案是，一种叶片式Z轴MEMS加速度计，由硅衬底和硅帽相接构成空腔，硅衬底和硅帽上各设有检测电极，其特征在于：空腔中设有锚点、支撑框架及两组以上具有不对称质量的叶片式质量块，每组质量块通过位于中间的弹性梁连接并围绕锚点等距分布在支撑框架上，且绕锚点旋转对称；在沿锚点轴向所在Z轴输入加速度下，所述质量块绕弹性梁所在、支撑框架的支臂发生XY平面外旋转运动，检测电极与质量块构成检测加速度的两组以上差分电容。
上述叶片式Z轴MEMS加速度计，进一步地，所述质量块沿支臂外形对称但质量不对称。
上述叶片式Z轴MEMS加速度计，进一步地，所述质量块设为与应力在硅衬底上产生的应变形状共形且对应分布。
上述叶片式Z轴MEMS加速度计，更进一步地，所述检测电极与质量块在XY平面的投影相重合。
上述叶片式Z轴MEMS加速度计，更进一步地，所述检测电极与质量块在XY平面的投影等比例放大或等比例缩小。
上述叶片式Z轴MEMS加速度计，进一步地，所述质量块为平均分割圆盘的四组扇形叶片，每组扇形叶片对中隔断且通过弹性梁相接为一体，弹性梁定位插接于支撑框架的开槽中，相邻各组扇形叶片之间由支撑框架隔断。
上述叶片式Z轴MEMS加速度计，进一步地，所述质量块为锚点径向范围下的内、外环嵌套形式，其中内环设为平均分割圆盘的两组以上扇形叶片，每组扇形叶片对中隔断且通过弹性梁相接为一体，相邻各组扇形叶片之间由支撑框架隔断；外环设为平均分割圆环的两组以上扇环叶片，每组扇环叶片对中隔断且通过弹性梁相接为一体，相邻各组扇环叶片之间由支撑框架隔断，弹性梁定位插接于支撑框架的开槽中。
上述叶片式Z轴MEMS加速度计，更进一步地，所述支撑框架对应内环、外环各自弹性梁相容的开槽所在支臂共线或相互错位。
上述叶片式Z轴MEMS加速度计，进一步地，所述质量块的叶片外形至少为矩形、梯形、圆环形。
应用本发明的叶片式Z轴MEMS加速度计，具备显著的进步性：该加速度计通过将质量块设计成相对锚点旋转对称的叶片式结构，将封装应力误差得以最大化地差分抵销，可以大幅提高Z轴MEMS加速度计的温度特性，具有更高的抗误差干扰能力。同样适用于其它敏感轴向的MEMS加速度计或其它受应力敏感的MEMS器件。
附图说明
图1为跷跷板式Z轴MEMS加速度计的前视轴剖结构示意图。
图2为三明治式Z轴MEMS加速度计的前视轴剖结构示意图。
图3为不含硅帽和前侧壁的跷跷板式Z轴MEMS加速度计的等轴视角示意图。
图4为芯片受温度影响形变的侧视示意图。
图5为芯片硅衬底受温度影响变形的等轴视角示意图。
图6为跷跷板式Z轴MEMS加速度计受应力变形后的前视示意图。
图7为理想情况下受应力变形后硅衬底的应力变形示意图。
图8为叶片式Z轴MEMS加速度计前视示意图。
图9为叶片式Z轴MEMS加速度计等轴视角示意图（硅帽和侧壁未显示）
图10为叶片式Z轴MEMS加速度计硅帽及硅帽上固定电极等轴视角示意图。
图11为叶片式Z轴MEMS加速度计硅衬底及硅衬底上固定电极等轴视角示意图。
图12为叶片式Z轴MEMS加速度计的一个叶片结构示意图。
图13为多层嵌套的叶片式Z轴MEMS加速度计结构示意图。
具体实施方式
以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握，从而对本发明的保护范围做出更为清晰的界定。
本发明设计者针对现有Z轴MEMS加速度计结构对封装引入应力变形敏感性高、应对能力不足，造成加速度测量误差难以通过差分抵销等缺陷，仰赖于长期的产线经验，创新提出了一种叶片式Z轴MEMS加速度计，以降低应力变形对测量加速度的干扰。
从技术概述来看，该叶片式Z轴MEMS加速度计的优选实施例如图8和图9所示，其由硅衬底808和硅帽807相接构成空腔，硅衬底808上设有检测电极805，硅帽807上设有检测电极804。作为结构优化的核心设计，该空腔中设有锚点803（中心轴柱体）、支撑框架809及四组具有不对称质量的叶片式质量块801a~801d。各组质量块通过位于中间的弹性梁802a~802d连接并围绕锚点803等距分布在支撑框架上，且绕锚点803旋转对称。从最小的可实施案例来看，两组不对称质量的叶片式质量块即可满足测量要求，而图示实施例为便于理解及更优的实施效果，故选定为四组。在沿锚点803轴向所在Z轴输入加速度a下，各组质量块绕弹性梁所在、支撑框架809的支臂8091发生XY平面外旋转运动，检测电极与质量块构成检测加速度的四组差分电容。其中各组质量块沿支臂外形对称但质量不对称；而检测电极设为与相对应的质量块共形。
以上概述反映了本发明所提出的一种形状类似叶片的全新Z轴MEMS加速度计结构。该结构设计不同与传统三明治结构或跷跷板结构，其中各叶片绕中心轴分布，形成多组差分结构。这种多组差分结构可以最大限度地消除衬底应力变形产生的共模误差，以及XY平面内输入加速度产生的耦合误差。
细节地来看，锚点位于整个结构的中央，将整个结构沿Z轴支撑在硅衬底和硅帽构成的空腔中间。支撑框架从锚点沿径向外延伸而出，用于将质量块悬浮支撑。设计将若干个叶片式质量块通过弹性梁连接并围绕中心锚点等距分布在支撑框架上。这就使得若干个叶片式质量块绕整体结构的中心轴旋转对称；弹性梁具备使叶片式质量块易于产生XY面外扭转的功能。
所设计的叶片式质量块的质量关于连接其弹性梁所在支臂不对称。质量的不对称可通过微加工减薄弹性梁一侧质量块的上表面实现，或通过在弹性梁一侧质量块内加工多组孔结构，以减小一侧质量的方式实现。当有Z轴输入加速度时，在加速度的作用下不对称的质量产生绕弹性梁所在支臂的非零力矩，使得质量块绕弹性梁发生XY平面外旋转运动。借助于布置在硅衬底上和/或硅帽上的检测电极，可以检测出叶片式质量块的扭转位移或角度，进而推算出输入加速度大小和方向。通过将加速度计结构形状设计成关于中心轴旋转对称的叶片，可以最大化的实现封装应力误差的差分抵消。
从更进一步可选优化的特征来看，为降低应力对检测加速度的干扰，上述结构优化具有两方面优点：质量块结构设计与应力在硅衬底上产生的应变形状共形，对应固定的检测电极也设计成与应力在硅衬底上产生的应变形状共形及分布，这便使得应力在所有检测电极上产生的变形是相同的，因此应力在所有固定电极上产生的电容变化量也是相同；传统跷跷板式加速度计中，检测电极分布在质量块的两侧，距离较远。而通常距离越远，应力越可能不相同；而在一个较小的区域内，应力几乎不会发生突变，因此较小区域内应力很接近，故而应力产生的变形也很接近。
如图8至图11所示的优选实施例不同视角、繁简程度的结构示意图可见，其中四组叶片式质量块801a、801b、801c、801d为平均分割圆盘的四组扇形叶片，每组扇形叶片对中隔断且各自通过弹性梁802a、802b、802c、802d相接为一体，弹性梁定位插接于支撑框架的开槽中，相邻各组扇形叶片之间由支撑框架隔断。各质量块绕锚点的中心轴等间距分布，每个质量块通过各弹性梁连接到支撑框架及锚点803。通过设置质量块使其关于弹性梁不对称的质量分布。当有Z轴输入加速度a时，该质量块在加速度作用下将绕弹性梁所在支臂扭转，从而分布在硅帽及硅衬底上的检测电极将测出相应的电容变化量。图示可见，分布在硅帽807上的检测电极804a、804b、804c、804d、804e、804f、804g、804h和硅衬底808上的检测电极805a、805b、805c、805d、805e、805f、805g、805h，均与质量块的叶片形状共形；且检测电极与质量块在XY平面的投影相重合、等比例放大或等比例缩小。
更具体地，如图12所示，硅帽上的检测电极804a、804b和硅衬底上的检测电极805a、805b与质量块801a构成一组差分电容806a；硅帽上的检测电极804c、804d和硅衬底上的检测电极805c、805d与质量块801b构成一组差分电容806b；硅帽上的检测电极804e、804f和硅衬底上的检测电极805e、805f与质量块801c构成一组差分电容806c；硅帽上的检测电极804g、804h和硅衬底上的检测电极805g、805h与质量块801d构成一组差分电容806d。
质量块801a与检测电极804a构成的电容811a变化△C811a，质量块801a与检测电极804b构成的电容811b变化△C811b，质量块801a与检测电极805a构成的电容812a变化，质量块801a与检测电极805b构成的电容812b变化。并以此类推其它各组质量块801b、801c、801d。当有Z轴加速度输入时，电容变化量和增大（或减小），电容变化量和减小（或增大）。故差分电容（806a）输出电容变化量△C'a=(△C811a－△C812a)+(△C812b－△C811b)。类似地，其它叶片结构（801b、801c、801d）的差分电容采用相同计算方法。计差分电容806b输出电容变化量，差分电容806c输出电容变化量，差分电容806d输出电容变化量。最终加速度计的检测电容输出电容变化量为△C'out=△C'a+++。
当存在封装应力使得检测电极发生形变时，由于叶片式质量块及其对应检测电极设计成与应变等高线共形形状，因此应变对所有检测电极的影响几乎相同。同时由于每个质量块对应的一组检测电极间距比传统结构的电极间距小数倍，其质量块对应的检测电极受应变的影响几乎相同。以质量块801a为例。当存在封装应力时，电容变化量和相同，电容变化量和相同。因此受应力影响而产生的差分电容806a输出电容变化量=0。通过与应变共形的差分电容设计可以较传统跷跷板结构形式大幅降低应力产生的检测误差。
除以上优选实施例外，如图13的另一较佳实施例图示可见，该质量块为锚点径向范围下的内、外环嵌套形式，其中内环设为平均分割圆盘的四组扇形叶片901a、901b、901c、901d，每组扇形叶片对中隔断且通过弹性梁相接为一体，相邻各组扇形叶片之间由支撑框架隔断；外环设为平均分割圆环的四组扇环叶片901e、901f、901g、901h，每组扇环叶片对中隔断且通过弹性梁相接为一体，相邻各组扇环叶片之间由支撑框架902隔断，弹性梁定位插接于支撑框架的开槽中。其中支撑框架对应内环、外环各自弹性梁相容的开槽所在支臂904共线或相互错位45°（图示实施例可见）。从另一个角度来看，当内、外环嵌套的实施中扇环叶片的组数发生增减变化，则其支臂可能共线或相互错位任意角度。
此外，上述质量块的叶片外形也不仅限于图示实施例，其还可以为矩形、梯形、圆环形等形状；而质量块的分布数量也可以为3片、5片、6片或更多。
综上关于本发明叶片式Z轴MEMS加速度计的方案介绍及实施例详述可见，本方案具备突出的实质性特点和显著的进步性：该加速度计通过将质量块设计成相对锚点旋转对称的叶片式结构，将封装应力误差得以最大化地差分抵销，可以大幅提高Z轴MEMS加速度计的温度特性，具有更高的抗误差干扰能力。同样适用于其它敏感轴向的MEMS加速度计或其它受应力敏感的MEMS器件。
除上述实施例外，本发明还可以有其它实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (8)

1.一种叶片式Z轴MEMS加速度计，由硅衬底和硅帽相接构成空腔，硅衬底和硅帽上各设有检测电极，其特征在于：空腔中设有锚点、支撑框架及两组以上具有不对称质量的叶片式质量块，每组质量块通过位于中间的弹性梁连接并围绕锚点等距分布在支撑框架上，且绕锚点旋转对称，所述质量块设为与应力在硅衬底上产生的应变形状共形且对应分布；在沿锚点轴向所在Z轴输入加速度下，所述质量块绕弹性梁所在、支撑框架的支臂发生XY平面外旋转运动，检测电极与质量块构成检测加速度的两组以上差分电容。
2.根据权利要求1所述叶片式Z轴MEMS加速度计，其特征在于：所述质量块沿支臂外形对称但质量不对称。
3.根据权利要求1所述叶片式Z轴MEMS加速度计，其特征在于：所述检测电极与质量块在XY平面的投影相重合。
4.根据权利要求1所述叶片式Z轴MEMS加速度计，其特征在于：所述检测电极与质量块在XY平面的投影等比例放大或等比例缩小。
5.根据权利要求1所述叶片式Z轴MEMS加速度计，其特征在于：所述质量块为平均分割圆盘的四组扇形叶片，每组扇形叶片对中隔断且通过弹性梁相接为一体，弹性梁定位插接于支撑框架的开槽中，相邻各组扇形叶片之间由支撑框架隔断。
6.根据权利要求1所述叶片式Z轴MEMS加速度计，其特征在于：所述质量块为锚点径向范围下的内、外环嵌套形式，其中内环设为平均分割圆盘的两组以上扇形叶片，每组扇形叶片对中隔断且通过弹性梁相接为一体，相邻各组扇形叶片之间由支撑框架隔断；外环设为平均分割圆环的两组以上扇环叶片，每组扇环叶片对中隔断且通过弹性梁相接为一体，相邻各组扇环叶片之间由支撑框架隔断，弹性梁定位插接于支撑框架的开槽中。
7.根据权利要求6所述叶片式Z轴MEMS加速度计，其特征在于：所述支撑框架对应内环、外环各自弹性梁相容的开槽所在支臂共线或相互错位。
8.根据权利要求1所述叶片式Z轴MEMS加速度计，其特征在于：所述质量块的叶片外形至少为矩形、梯形、圆环形。
CN202210378577.0A 2022-04-12 2022-04-12 一种叶片式z轴mems加速度计 Active CN114966111B (zh)

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