[发明专利]Z轴加速度计敏感结构及Z轴加速度计

说明书

本发明提供了一种Z轴加速度计敏感结构及Z轴加速度计，包括衬底和至少一个加速度计敏感结构组，加速度计敏感结构组包括两个加速度计敏感子结构，任一子结构均包括敏感质量块组、第一、第二偏置质量块、第一、第二弹簧支撑梁、第一、第二锚点单元、第一和第二极板，第一弹簧支撑梁分别与敏感质量块组的一侧以及第一锚点单元连接，第二弹簧支撑梁分别与敏感质量块组的另一侧以及第二锚点单元连接，第一偏置质量块与第二敏感质量块的一侧连接，第二偏置质量块与第二敏感质量块的另一侧连接，第一、第二极板与第一、第二敏感质量块一一相对设置。应用本发明的技术方案，以解决现有技术中Z轴加速度计零偏的稳定性和重复性差、滞回大的技术问题。

技术领域

本发明涉及微机械传感器技术领域，尤其涉及一种Z轴加速度计敏感结构及Z轴加速度计。

背景技术

随着武器装备的快速发展，硅微机电加速度计以其体积小、成本低、功耗小等显著优点被广泛应用于战术导弹制导、航空航天与无人驾驶等领域。近年来，随着微纳集成和电子电路技术的快速发展，对MEMS加速度计的综合性能要求也越来越高。

根据敏感轴向区分，电容式加速度计分为平面轴加速度计和Z轴(平面外)加速度计，其工作原理都是外界加速度输入引起质量块位移，导致梳齿(或极板电极)的间距(或重叠面积)发生改变，引起的电容变化与加速度输入呈比例关系，经前端放大电路拾取和处理后输出对应的加速度信号。

Z轴加速度计的敏感方式是面外运动(离面检测)，其机械灵敏度与检测电容面积呈正比，所以芯片的面积不容易做小。但较大的芯片面积会使得力学振动或温度变化带来的应力在敏感质量块上不均匀分布，导致零偏的稳定性和重复性差、滞回大等问题。因此，如何通过合理的设计加速度计结构来兼容灵敏度和应力的问题，减小环境温度变化以及外界应力对加速度计性能的影响，是高性能微机械加速度计亟需解决的问题。

发明内容

本发明提供了一种Z轴加速度计敏感结构及Z轴加速度计，能够解决现有技术中Z轴加速度计零偏的稳定性和重复性差、滞回大的技术问题。

根据本发明的一方面，提供了一种Z轴加速度计敏感结构，Z轴加速度计敏感结构包括衬底和至少一个加速度计敏感结构组，加速度计敏感结构组包括两个加速度计敏感子结构，任一加速度计敏感子结构均包括敏感质量块组、第一偏置质量块、第二偏置质量块、第一弹簧支撑梁、第二弹簧支撑梁、第一锚点单元、第二锚点单元、第一极板和第二极板，第一锚点单元、第二锚点单元、第一极板和第二极板均设置在衬底上，敏感质量块组包括相连接的第一敏感质量块和第二敏感质量块，第一弹簧支撑梁分别与敏感质量块组的一侧以及第一锚点单元连接，第二弹簧支撑梁分别与敏感质量块组的另一侧以及第二锚点单元连接，第一弹簧支撑梁与第二弹簧支撑梁同轴设置，第一敏感质量块和第二敏感质量块相对于第一弹簧支撑梁以及第二弹簧支撑梁对称设置，第一偏置质量块与第二敏感质量块的一侧连接，第二偏置质量块与第二敏感质量块的另一侧连接，第一极板与第一敏感质量块相对设置，第二极板与第二敏感质量块相对设置；第一加速度计敏感子结构的第一敏感质量块与第二加速度计敏感子结构的第一敏感质量块相连接以实现两个加速度计敏感子结构的连接或第一加速度计敏感子结构的第二敏感质量块与第二加速度计敏感子结构的第二敏感质量块相连接以实现两个加速度计敏感子结构的连接。

进一步地，任一加速度计敏感子结构均还包括第一应力释放单元和第二应力释放单元，第一弹簧支撑梁通过第一应力释放单元与第一锚点单元连接，第二弹簧支撑梁通过第二应力释放单元与第二锚点单元连接，第一应力释放单元和第二应力释放单元用于释放Z轴加速度计敏感结构的结构内应力。

进一步地，第一应力释放单元包括第一应力释放梁组和第一应力释放框架，第一应力释放梁组通过第一应力释放框架与第一锚点单元连接，第一弹簧支撑梁与第一应力释放梁组连接；第二应力释放单元包括第二应力释放梁组和第二应力释放框架，第二应力释放梁组通过第二应力释放框架与第二锚点单元连接，第二弹簧支撑梁与第二应力释放梁组连接。