一种多级限位抗过载MEMS电容式加速度传感器结构及传感器
一种多级限位抗过载MEMS电容式加速度传感器结构及传感器
随着半导体加工制造技术的不断发展，微机电系统器件（Microelectromechanical System，MEMS）顺势而生，并以其精度高、功耗低、体积小、成本低等优势，应用于许多领域，尤其是在交通运输业和航天航空业，MEMS加速度传感器进一步向智能化、集成化发展，正逐步取代传统加速度传感器。
本发明涉及微机电系统(MEMS)制造，具体为一种多级限位抗过载MEMS电容式加速度传感器结构及传感器。
背景技术
加速度测量技术，在科研、消费电子等领域意义重大，是惯性导航、地质勘探、地动监测、故障诊断、姿态捕获等重要应用方向的核心技术，针对不同的需求，也衍生出大量不同的产品。
MEMS电容式加速度传感器主要有三种加速度检测方案：梳齿式电容加速度传感器、跷跷板式电容加速度传感器和三明治式电容加速度传感器。
其中，梳齿式电容加速度传感器是当前研究最深入、产品应用最广泛的MEMS加速度传感器之一；梳齿式电容加速度传感器的检测原理为：当受到敏感方向加速度时，敏感质量块带动可动电极梳齿运动产生位移，导致可动电极梳齿和不可动电极梳齿之间的极板间隙或者正对面积改变，电容量由此变化，通过C-V转换电路将电容变化量信号转换为电压变化量信号，再通过比例-积分-微分（Proportional-Integral-Derivative，PID）控制系统改变反馈于电容梳齿的直流电压使敏感质量块始终保持在平衡位置，PID控制系统的反馈电压值可反映输入加速度的大小。梳齿式电容加速度传感器敏感质量块普遍为硅，其弹性模量为190GPa，硬度为6.5。当受到面内方向加速度过载时，敏感质量块与止挡结构直接接触，易崩坏，刚性止挡结构设计难度大。另外，MEMS电容式加速度传感器敏感质量块面积普遍较大，当受到面外方向加速度过载时，敏感质量块易与衬底或盖板接触，且衬底或盖板普遍为大面积金属电极或为未镀电极的大面积硅/玻璃，难以在面外方向设计并加工复杂的立体止挡结构。
现有提高梳齿式电容加速度传感器敏感芯片抗过载能力的技术通常为在结构层设计凸起的刚性止挡凸块或柔性的止挡弹簧。例如，授权公开号为CN100483137C的中国发明专利公开了一种电容式微机械加速度计，该电容式微机械加速度计结构在敏感方向两侧设置了止挡块，但当质量块受到极大加速度时，其与止挡块的接触可能会使质量块崩坏、敏感弹性梁断裂，且对面外加速度过载无保护作用。授权公开号为CN204302308U的中国实用新型专利公开了一种多齿型梳齿式硅微加速度计，在“日”字型结构的四角处设置了双向抗过载止挡块，保证对应的动齿和静齿不吸合和可动质量块结构在面内不发生过度扭转，但该结构未考虑到面外方向加速度过载；授权公开号为CN110596423B的中国发明专利公开了一种抗高过载的梳齿电容式单轴加速度计结构，设计了正方形凸块止档结构，在中间使用弹性梁提高面外运动刚度以提升面外轴向的抗冲击能力，但是硬质止挡块无法吸收冲击形变，会使结构碎裂，且其未采用差分电容梳齿，加速度检测精度低。
技术实现思路
针对现有技术中存在的加速度传感器抗过载能力低、可靠性差的问题，本发明提供一种多级限位抗过载MEMS电容式加速度传感器结构及传感器。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明提供一种多级限位抗过载MEMS电容式加速度传感器结构，以所述加速度传感器结构的中心点为原点，以横轴为X轴，以纵轴为Y轴，以法向轴为Z轴建立坐标系；
包括对称设置在衬底上的敏感质量块、若干的U形敏感弹性梁和若干非可动电极梳齿；所述U形敏感弹性梁对称分布在X轴及Y轴两侧，且U形敏感弹性梁的一端连接有止挡结构连接部，所述止挡结构连接部通过止挡结构锚点固定在衬底上；所述止挡结构连接部靠近敏感质量块的一侧设置有柔性孔缝；所述U形敏感弹性梁的另一端连接敏感质量块；
所述敏感质量块横轴方向以Y轴作为对称轴，纵轴方向以X轴作为对称轴，呈对称结构；所述敏感质量块沿Y轴方向的两端连接有M形止动梁，所述M形止动梁与衬底连接，用于对敏感质量块的Z轴方向进行限位；所述敏感质量块上设置有若干的可动电极梳齿，所述可动电极梳齿与所述非可动电极梳齿一一对应，构成梳齿电容结构；
所述敏感质量块沿Y轴两侧对称设置有空心结构，所述空心结构内部设置有刚性限位锚点，靠近所述空心结构的端部的敏感质量块上分别设置有质量块孔缝；
所述敏感质量块的外侧边缘设置有刚性凸起，所述刚性凸起一一对应柔性孔缝。
进一步地，所述M形止动梁包括位于中间的中部梁和分位于中部梁两侧的外侧梁，所述中部梁通过面外止动梁锚点固定在衬底上，所述外侧梁连接敏感质量块。
优选地，所述外侧梁与中部梁之间的平行距离为5～20μm。
优选地，所述柔性孔缝为矩形孔缝，且柔性孔缝的尺寸≥50μm×5μm。
优选地，所述空心结构为十字空心结构，所述刚性限位锚点为十字刚性限位锚点，所述空心结构与刚性限位锚点之间的空隙小于电容式加速度传感器的过载安全距离。
进一步地，还包括非可动电极梳齿连接梁，所述非可动电极梳齿连接梁通过检测梳齿锚点固定在衬底上，所述非可动电极梳齿连接梁平行于Y轴设置；所述非可动电极梳齿平行于X轴，且沿Y轴方向依次排布于非可动电极梳齿连接梁上。
进一步地，还包括与敏感质量块连接的可动电极梳齿连接梁，所述可动电极梳齿连接梁平行于Y轴设置；所述可动电极梳齿平行于X轴，且沿Y轴方向依次排布于可动电极梳齿连接梁上。
优选地，所述刚性凸起为长宽比＞2的矩形凸起，或刚性凸起的凸角处设置有凸角补偿。
优选地，所述敏感质量块上设置有若干的孔。
一种多级限位抗过载MEMS电容式加速度传感器，包括上述传感器结构。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明一种多级限位抗过载MEMS电容式加速度传感器结构，包括敏感质量块、可动电极梳齿、非可动电极梳齿、U形敏感弹性梁、止挡结构锚点、刚性凸起、柔性孔缝、质量块孔缝和刚性限位锚点。通过动电极梳齿与非可动电极梳齿一一对应，形成梳齿电容结构；所述刚性凸起与柔性孔缝以及质量块孔缝与刚性限位锚点，分别构成两套刚性加柔性双级限位结构；所述刚性凸起与柔性孔缝可限制质量块因X轴冲击加速度导致的大位移；所述刚性限位锚点与质量块孔缝可限制质量块因X轴和Y轴冲击加速度导致的大位移；所述M形止动梁作为第三级限位结构可限制质量块因Z轴冲击加速度导致的大位移。当加速度传感器受到加速度过载时，敏感质量块首先与止挡结构连接部直接接触，如果加速度过大，柔性孔缝发生变形，起到吸收加速度过载接触形变的作用；所述敏感质量块中部的刚性限位锚点，有助于提升硅结构层刻蚀均匀性，缓解结构层小线宽处的过刻蚀现象。该传感器敏感结构抗过载能力高、可靠性好。
所述M形止动梁包括位于中间的中部梁和分位于中部梁两侧的外侧梁，所述中部梁通过面外止动梁锚点固定在衬底上，所述外侧梁连接敏感质量块；所述外侧梁与中部梁之间的平行距离为5～20μm，有助于增加面外刚度，提升模态抑制比，对敏感质量块面外方向位移起到更多的抑制作用。
所述柔性孔缝的尺寸≥50μm×5μm，以保证对加速度过载的吸收能力。
所述空心结构内与刚性限位锚点之间的空隙小于电容式加速度传感器的过载安全距离，有助于提升硅结构层刻蚀均匀性，缓解结构层小线宽处的过刻蚀现象。
所述非可动电极梳齿连接梁的设置，便于非可动电极梳齿的排布和设计。
所述可动电极梳齿连接梁的设置，便于可动电极梳齿的排布和设计。
所述刚性凸起为长宽比＞2的矩形凸起，或凸起的凸角处设置有凸角补偿，可以有效克服湿法刻蚀对凸起结构的过刻蚀。
所述敏感质量块上设置有若干的孔，有助于加速度传感器弹簧质量系统的模态设计，增强对高阶复杂模态振动的抑制。
本发明提供一种多级限位抗过载MEMS电容式加速度传感器，包括上述的传感器结构。该传感器具有更好的抗过载能力和更好的稳定性，检测灵敏度高、结果准确。