[发明专利]一种具有应力补偿功能的MEMS加速度计

权利要求书

1.一种具有应力补偿功能的MEMS加速度计，包括由上至下按序层叠设置的上方硅帽层(104)、平面结构层及下方硅衬底层(103)，

所述平面结构层包括沿Z轴运动的质量块(101)及至少分布在质量块一侧的检测电极，所述质量块与检测电极构成一对平行板电容；

其特征在于：在所述质量块同一层结构上设置有不敏感输入加速度的结构(601)，所述结构(601)在对应的硅帽上设置有检测电极(602a)，在对应的硅衬底上设置有检测电极(602b)，通过结构(601)与检测电极(602a)构成应力检测电容(603a)，通过结构(601)与检测电极(602b)构成应力检测电容(603b)，以实现对封装应力的测量；所述应力检测电容(603a)和应力检测电容(603b)构成一对差分电容(603)，其输出的电容差分变化量为ΔC_σ。

2.根据权利要求1所述的具有应力补偿功能的MEMS加速度计，其特征在于：所述不敏感输入加速度的结构(601)通过若干数量级的增加结构(601)与MEMS加速度计框架或衬底的刚度，实现对输入加速度的不敏感；通过增加不小于3个数量级刚度的结构(601)，以实现敏感与不敏感的显著区别。

3.根据权利要求2所述的具有应力补偿功能的MEMS加速度计，其特征在于：通过将应力检测电容设置于MEMS加速度计平面结构层的框架中，以实现对输入加速度的不敏感；或将应力检测电容设置于MEMS加速度计平面结构层的锚点附近区域。

4.根据权利要求1所述的具有应力补偿功能的MEMS加速度计，其特征在于：所述差分电容(603)输出的电容差分变化量为ΔC_σ，所述电容变化量ΔC_σ是关于应力σ的函数g_σ(σ)，与输入加速度无关，即ΔC_σ＝g_σ(σ)；

函数g_σ(σ)通过有限元仿真得出相关曲线，通过将高阶复杂模型公式简化为一个线性模型，即

ΔC_σ＝g_σ(σ)≈A_σ2C·σ+B_σ2C0。

5.根据权利要求4所述的具有应力补偿功能的MEMS加速度计，其特征在于：所述函数g_a(σ)与函数g_σ(σ)表示为g_a(σ)＝K(g_σ(σ))，该相关函数K受电容位置、电容面积、应力大小的影响，通过试验测量方式获得；当试验测量获得应力相关函数K后，通过测量出的差分电容(603)变化量ΔC_σ推算出差分电容(201)变化量ΔC_a中的应力变化量成分g_a(σ)，并在加速度计检测电路或外部信号处理电路中将差分电容(201)变化量ΔC_a中的应力变化量成分g_a(σ)去除，即应力补偿后的输出ΔC_out＝ΔC_a-K(ΔC_σ)；

函数K是一个高阶函数，其近似简化的关系式表示为：

6.根据权利要求1所述的具有应力补偿功能的MEMS加速度计，其特征在于：所述检测电极为分别分布于所述质量块(101)至少一侧的上检测电极(102a)和(或)下检测电极(102b)，所述质量块与上检测电极(102a)构成一对平行板电容(201a)，质量块(101)与下检测电极(102b)构成一对平行板电容(201b)。

7.根据权利要求1所述的具有应力补偿功能的MEMS加速度计，其特征在于：所述质量块通过梁结构悬浮在MEMS结构芯片内部。

8.根据权利要求1所述的具有应力补偿功能的MEMS加速度计，其特征在于：所述MEMS加速度计还包括用于实现所述硅衬底层(103)与所述质量块二者间连接的锚点结构，所述锚点结构通过梁与质量块相连接；所述质量块下方的设置有加速度检测电极(904a)和(904b)，连接固定在锚点上的框架结构(905a)和(905b)，以及位于框架结构下方的应力检测电极(906a)和(906b)；

所述质量块与加速度检测电极(904a)和质量块与加速度检测电极(904b)构成一对加速度检测差分电容，实现对输入加速度的检测，所述框架结构刚性固定连接到锚点结构，实现对输入加速度不敏感，所述质量块与应力检测电极(906a)和质量块与应力检测电极(906b)构成一对应力检测差分电容，实现对应力的检测。