[发明专利]基于静电预加载具有准零刚度特性的MEMS微重力传感器芯片

说明书

基于静电预加载具有准零刚度特性的MEMS微重力传感器芯片，包括单晶硅衬底，单晶硅衬底上生长二氧化硅绝缘层，二氧化硅绝缘层上键合单晶硅结构层，单晶硅结构层中制作有MEMS加速度传感器芯片；MEMS加速度传感器芯片包括芯片框架,其四角分别分布有1组电极锚点，每组电极锚点之间连接的成阵列A、B电极板组成电容驱动单元，电极板端部与电极锚点连接，上下侧B电极板和中间臂连接，中间臂通过弹簧和质量块连接，除电极锚点及芯片框架，其余部分下的单晶硅衬底和二氧化硅绝缘层被腐蚀掉；采用静电驱动对弹簧进行轴向位移加载，在不降低弹簧垂向刚度的前提下使质量块在垂向获得一段具有准零刚度的工作区间，可用于微重力加速度检测，具有结构简单等特点。

技术领域

本发明涉及加速度传感器技术领域，特别涉及一种基于静电预加载具有准零刚度特性的MEMS微重力传感器芯片。

背景技术

地球重力场蕴含着丰富的物理信息，随着人类生产活动逐步深入地下，重力加速度的测量环境及指标变得更加严苛，人们对于高分辨率、高精度的微重力加速度检测技术的需求愈发急切。随着制造技术的迭代发展，体积小、能耗低、精度高的微机电系统(MEMS)加速度传感器越来越具有取代传统加速度传感器成为主流的趋势。无论是利用光学、电容还是谐振式的测量方式，具有高灵敏度的弹簧质量系统是实现低g值加速度测量的核心结构，对高精度微重力测量领域有重要意义。

桑迪亚国家实验室提出过一种基于亚微米波长光栅检测技术的面内加速度传感器，该传感器具有nano-g(1nano-g＝9.81×10^-9m/s²)分辨率；它是使用四组折型弹簧来悬挂质量块，结合纳米尺寸的差分光栅结构得到了高分辨率的信号，但其本身弹簧质量系统谐振频率并不太低,芯片主体结构的灵敏度还具有提升空间。

格拉斯哥大学Middlemiss等人将MEMS制造工艺运用到加速度传感器上，利用反弹簧结构来设计加速度传感器的弹簧质量系统，得到了具有超低面内振动谐振频率的系统。不过该反弹簧结构特征尺寸很小，对制造工艺要求很高，而且存在带宽较窄的缺点。

综上所述，由于弹簧—质量块系统在竖直方向上的灵敏度与它此方向的刚度是成反比，如果为了提高其灵敏度而单纯降低弹簧的垂向刚度，则系统的承载力也随之下降，即连接的质量块质量下降且能承受的加速度也很小，所以现有的面内运动MEMS加速度传感器主体结构的敏感方向刚度还不能做得很低，质量块灵敏度也因此受限，低g值检测的分辨率仍待提升。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种基于静电预加载具有准零刚度特性的MEMS微重力传感器芯片，采用静电驱动来对弹簧进行轴向位移加载，在不直接降低弹簧垂向刚度的前提下使质量块在竖直方向获得一段具有高灵敏度的工作区间，同时不改变系统原有的对质量块质量或较大加速度的承载能力，从而可用于微重力加速度值检测，且具有可批量化、低成本、结构简单的特点。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于静电预加载具有准零刚度特性的MEMS微重力传感器芯片，包括单晶硅衬底1，单晶硅衬底1上生长有二氧化硅绝缘层2，二氧化硅绝缘层2上键合有单晶硅结构层3，单晶硅结构层3的电极锚点3-2上沉积有金属电极层4，单晶硅结构层3中制作有MEMS加速度传感器芯片；