[发明专利]一种静电刚度式硅微谐振加速度传感器芯片

说明书

技术领域

本发明涉及一种静电刚度式硅微谐振加速度传感器芯片。

背景技术

若振子与平行板电容的一个极板连接且平行板电容极板间存在直流偏置电压V_b，振子振动会引起平行板间静电力发生变化，且存在一个与振动位移成正比的静电力分量，相当于给振子引入一个附加的静电刚度                                                ，其中ε为介电常数、A为平行板电容有效面积、g₀为平衡位置对应的平行板电容间隙。若加速度作用下的质量块惯性力改变g₀，静电刚度将发生变化，从而改变振子谐振频率，通过测量振子谐振频率可以进行加速度测量。这就是静电刚度式硅微谐振加速度传感器的工作原理，它的灵敏度可以通过调节平行板电容极板间直流偏置电压V_b来调节，具有不需要很大的质量块而体积小、对工艺技术要求相对较低等优点。

目前，文献上报道的静电刚度式硅微谐振加速度传感器较少，已报道的静电刚度式硅微谐振加速度传感器通常由两根双端固支振梁、两个质量块、驱动梳齿电容固定极板组成，驱动梳齿可动极板和平行板电容可动极板链接在振梁上但沿振梁轴线不对称。这样，驱动梳齿电容只能单边驱动振梁，不能实现振梁的双边驱动，难以消除单边驱动模式中高频信号的影响，且检测振梁谐振频率的检测平行板电容同时作为给振梁引入静电刚度的平行板电容，使得振梁谐振频率检测电路设计时还需考虑对静电刚度的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种静电刚度式硅微谐振加速度传感器芯片。为了克服现有技术中的振梁单边驱动以及静电刚度与振梁谐振频率相互影响的缺点，本发明的静电刚度式硅微谐振加速度传感器芯片中的两个振梁采用完全对称的结构，且两个振梁共用一个质量块，可以实现两个振梁的双边驱动以及静电刚度引入与振梁频率检测的隔离。

本发明的静电刚度式硅微谐振加速度传感器芯片，其特点是：所述传感器芯片包括两个固支振梁、驱动梳齿电容固定极板、检测平行板电容固定极板、一个质量块；所述质量块位于所述两个固支振梁之间；所述固支振梁上的一组平行极板与质量块上的一组平行极板构成平行板电容用于给固支振梁引入静电刚度，所述固支振梁上的另一组平行极板与检测平行板电容固定极板构成检测平行板电容；所述驱动梳齿电容固定极板沿固支振梁轴线对称分布；所述检测平行板电容固定极板与所述质量块上平行极板沿所述传感器芯片的中心线对称分布。

所述的固支振梁的轴线两侧对称连接有多组驱动梳齿电容可动极板和两组平行板电容极板，其中一组平行板电容极板为检测平行板电容的可动极板，另一组平行板电容极板用于引入静电刚度。

所述的驱动梳齿电容可动极板与驱动梳齿电容固定极板组成驱动梳齿电容，驱动梳齿电容沿固支振梁对称分布，当固支振梁接地而两边的驱动梳齿电容固定极板分别施加带直流偏置的反相交流驱动电压，实现固支振梁的双边驱动。

所述的质量块上设置有用于防止平行电容极板吸合的位移阻挡块，所述位移阻挡块与附近锚点边缘在加速度敏感方向的间隙小于平行板电容极板初始间隙。

本发明采用的技术方案的原理是：传感器芯片主要由两个固支振梁、一个质量块、驱动梳齿电容固定极板和检测平行板电容固定极板组成，两个固支振梁完全相同，质量块位于两固支振梁之间，固支振梁与质量块之间通过平行板电容关联。工作时，固支振梁在静电力作用下沿垂直于固支振梁轴线的方向做简谐振动；质量块上与固支振梁之间施加固定直流偏置电压，这样固支振梁与质量块之间的平行板电容会给振梁引入一个附加的静电刚度。由于传感器芯片结构完全对称，在没有加速度作用时，质量块受到对称的静电力作用保持在初始位置，两个固支振梁的附加静电刚度相等，两个固支振梁的谐振频率差为零，传感器没有输出。当有加速度作用时，质量块在惯性力作用下发生位移，与一个固支振梁的距离增加，与另一个固支振梁距离减小，导致质量块与固支振梁之间的平行板电容极板间隙发生变化，从而改变两个固支振梁的附加静电刚度大小，使得一个固支振梁的静电刚度增加，谐振频率减小，另一个固支振梁静电刚度减小，谐振频率增加，传感器输出为两个固支振梁的谐振频率差，与加速度大小成线性关系。采用两个固支振梁的谐振频率差作为传感器输出不仅可以增加传感器灵敏度，而且可以在一定程度降低外界环境对传感器性能的影响。