[实用新型]一种多量程的MEMS闭环加速度计

说明书

技术领域

本实用新型涉及加速度计领域，具体地，涉及一种多量程的MEMS闭环加速度计。

背景技术

MEMS加速度计主要用于测量运动物体相对于惯性空间的加速度，由于其体积小、功耗低、易集成、可批量生产等特点，使其在汽车工程、振动检测、航空导航和军事应用等场合中发挥着越来越重要的作用，市场潜力巨大。

MEMS加速度计根据其应用领域的不同将对其量程具有不同的要求，在倾角检测、地震检测等领域需要低量程高精度的加速度计，在振动检测、惯性导航等领域则需要中高量程的加速度计，而对于弹体整个飞行测试中，需要测量发射过程及飞行过程中不同g值范围的加速情况。

单一量程的MEMS加速度计，只能应用在某一特定的量程范围内进行测试，而超过其量程的应用将受到限制，更不能运用到多量程工作环境中进行检测任务，这将造成极大的资源浪费，目前已有的多量程加速度计技术方案主要采用多个敏感质量单元进行分段测量的方式，这种方案不足的是：需要在加速度计灵敏度和量程之间作选择，改变量程将影响灵敏度的大小，使得各量程内的精度不一，而且芯片尺寸面积大，结构复杂，加工难，成本高。

实用新型内容

为克服现有技术中存在的不足，本实用新型提供了一种多量程的MEMS闭环加速度计，可实现小中高多量程的应用，线性度好，灵敏度高，芯片尺寸小，易加工，制造成本低的技术效果。

为解决上述技术问题，本申请提供了一种多量程的MEMS闭环加速度计：包括基片、敏感器件层，基片与敏感器件层之间有绝缘层；敏感器件层包括固定框架、锚点、折叠梁、敏感质量块、固定梳齿、可动梳齿以及限位结构；敏感器件层中可动质量块结合十二梁中心对称设计与检测梳齿组、第一静电力平衡梳齿组、第二静电力平衡梳齿组实现多量程的加速度信号检测；敏感质量块上利用表面硅加工工艺制作了多对可动检测梳齿，n_f对第一静电力平衡可动梳齿，2n_f对第二静电力平衡可动梳齿，固定框架上相对应的制作了多对固定检测梳齿，n_f对第一静电力平衡固定梳齿，对第二静电力平衡固定梳齿，以分别组成多对敏感电容和n_f对、2n_f对静电力平衡电容，当加速度计需要应用在不同量程领域时，通过对设计的静电力平衡梳齿组结构进行不同连接方式控制，便可实现小中高多量程的加速度测量。

进一步的，所述的多量程MEMS闭环加速度计中的所述折叠梁为十二梁中心对称设计，其中四组梁位于所述质量块敏感轴向的两边角，另外八组梁位于质量块的内腔，两两串联，呈中心对称分布，所述折叠梁的一端连接至所述固定框架，另一端连接至所述敏感质量块。

进一步的，所述折叠梁在敏感轴Y轴方向刚度相对较小，容易变形，在非敏感轴方向刚度很大，不易变形，可抑制交叉灵敏度，防止正交误差影响，同时所述折叠梁非线性度很小，可以释放结构残余应力，降低残余应力和温度对器件的影响。

进一步的，所述锚点分为位于所述质量块四周的锚点以及所述质量块内腔中的锚点，四周的锚点用于固定检测梳齿，与对应的可动梳齿组成敏感电容对，内腔中的锚点用于固定静电力平衡梳齿，与对应的静电力平衡可动梳齿组成平衡梳齿对。

其中，平衡梳齿对共有四组，第一组平衡梳齿对与第二组平衡梳齿对构成第一静电力矩器，用于小量程测量，第三组平衡梳齿对与第四组平衡梳齿对构成第二静电力矩器，用于中量程测量，第一、三组平衡梳齿对与第二、四组平衡梳齿对分别并联后构成第三静电力矩器，用于中高量程测量。

其中，静电力矩器通过与外部电容检测读出电路连接，构成加速度计闭环控制回路，用于平衡外界加速度信号所产生的惯性力，实现闭环加速度信号检测。

进一步的，所述固定梳齿与所述可动梳齿平行，且两者在水平方向具有重叠区域，为使加速度计灵敏度足够大，同时提高芯片面积的利用，使芯片结构紧凑，所述可动梳齿与相邻的两个固定梳齿之间的间隙相差2～5倍，但不限于此值。

进一步的，所述限位结构为凹形嵌套，对称分布在所述质量块两侧，可分别实现X轴、Y轴方向的加速度过载保护。

进一步的，所述基片的材料可以为硅或玻璃材料，所述敏感器件层材料为重掺杂的硅材料，通过MEMS加工工艺完成。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

1、本实用新型通过单质量块设计实现了加速度计小中高多量程的应用，各量程内精度一致，并且敏感质量块大，加速度计灵敏度高，同时采用差分式电容检测，能够有效抑制共模干扰，提高了加速度计信噪比。