MEMS加速度传感器及其补偿方法与流程

本发明涉及微机电系统（mems）领域，具体地，涉及mems加速度传感器及其补偿方法。

背景技术：

1、加速度计是感测载体运动的重要传感器，其输出的加速度信息通常需要通过积分运算以获取速度和位移信息。然而，传感器的测试误差，特别是零偏误差，会给积分计算带来累积偏差，严重影响测量结果的长期可信性。零偏是mems加速度计的一个主要误差项，且其值易受环境因素如温度、湿度及应力的影响，从而限制了传感器在需要高稳定性的应用场景中的表现。

2、现有技术中，电容式加速度计通过检测加速度引起的电容变化来感测加速度信号。其敏感结构通常包括通过弹性梁锚定在衬底上的质量块，以及由可动极板和固定极板构成的检测电容。可动极板与质量块相连，而固定极板则通过锚点固定在衬底上。双锚点敏感质量块结构是一种常用的单轴加速度计设计，其质量块通过两个锚点与衬底连接，以提高结构的稳定性。当mems芯片与信号处理asic芯片一同封装时，封装及使用过程中的热应力和机械应力会导致mems衬底发生弯曲或拉伸的静态变形，进而引起固定在衬底上的锚点产生位移。该位移通过弹性梁传递至质量块，导致检测电容的极板间距发生变化，从而在无加速度输入时产生错误的输出信号，即零偏误差。

3、为了抑制该误差，美国专利us10203352b2提出了锚点位移跟踪补偿方案，通过设置与质量块锚点刚性连接的跟踪补偿电极，引入与检测电容变化方向相反的补偿电容，以抵消锚点位移带来的影响。

4、然而，美国专利us10203352b2提出的跟踪补偿电极设计方案仅仅适用于多轴公用并且多锚点支撑的敏感质量块加速度计，而在更加常见的单轴双锚点支撑敏感质量块加速度计上则呈现诸多的不适配性。由于双锚点支撑敏感质量块在衬底静态变形下各锚点的位移量通常是不一样的，因此需要为每个锚点分别设置独立的跟踪补偿电极，导致结构设计复杂。因此，现有技术方案在简化结构、提升单轴加速度计零偏稳定性方面仍有待改进。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，本发明的目的是提供mems加速度传感器及其补偿方法，其中，补偿电极可以跟随质量块的质心漂移而移动，引入与检测电容变化方向相反的补偿电容变化，以实现零偏的补偿。

2、根据本发明的一方面，提供一种mems加速度传感器，包括：衬底；质量块，经由第一弹性结构悬挂在所述衬底上；固定极板，固定在所述衬底上；可动极板，固定在所述质量块上；补偿电极，经由第二弹性结构悬挂在所述衬底上，其中，所述可动极板与相应的固定极板形成检测电容，所述补偿电极与相应的固定极板形成补偿电容，所述第一弹性结构包括固定在所述衬底上的第一锚点和第二锚点，所述第二弹性结构设置在所述第一锚点和所述第二锚点之间。

3、可选地，所述固定极板经由第三锚点固定在所述衬底上。

4、可选地，在衬底发生静态变形时，所述补偿电极发生的位移是所述第一锚点和所述第二锚点的平均位移，使得所述补偿电容的偏移方向与所述检测电容的偏移方向相反。

5、可选地，所述mems加速度传感器的总差分电容输出cout为：

6、cout=δcsense+δccomp=δm*（1/gsense*csense-1/gcomp*ccomp）

7、其中，δcsense表示检测电容的差分电容输出，δccomp表示补偿电容的差分电容输出，δm表示质量块的位移，csense表示总补偿电容，ccomp 表示总补偿电容，gsense表示检测电容的极板间隙，gcomp表示补偿电容的极板间隙。

8、可选地，所述第一弹性结构还包括：第一支撑臂，固定于所述第一锚点上；第二支撑臂，固定于所述第二锚点上；第一弹性梁，连接在所述第一支撑臂与所述质量块之间；以及第二弹性梁，连接在所述第二支撑臂与所述质量块之间。

9、可选地，第二弹性结构包括：第三弹性梁，与所述补偿电极相连接；第三支撑臂，连接在所述第三弹性梁与所述第一锚点之间的；以及第四支撑臂，连接在所述第三弹性梁与所述第二锚点之间。

10、可选地，所述第一弹性梁、所述第三弹性梁、所述第二弹性梁位于第一方向的同一轴线上，且所述第一弹性梁和所述第二弹性梁对称地设置在所述第三弹性梁的两侧，所述第一方向是mems加速度传感器的感测方向。

11、可选地，所述第三弹性梁的刚度大于所述第一弹性梁和所述第二弹性梁的刚度。

12、可选地，所述第三弹性梁的形状为选自矩形块、矩形框、弹簧形状中的任意一种。

13、可选地，所述第三弹性梁的形状为矩形块，且通过所述矩形块的尺寸设计来调节所述第三弹性梁的刚度。

14、可选地，所述补偿电极包括相第二方向对称布置的第一子电极和第二子电极，每个子电极包括沿第一方向延伸的主干，以及与所述主干相连接且沿第二方向延伸的多个板状电极，所述多个板状电极延伸至所述固定极板的多个板状电极之间，所述第一方向是所述mems加速度传感器的感测方向，所述第二方向是所述mems加速度传感器的非感测方向。

15、可选地，所述补偿电极的多个板状电极表面形成有多个凹槽。

16、可选地，所述固定极板的多个板状电极与所述补偿电极的多个板状电极相对的表面上形成有互补形状的多个凹槽。

17、可选地，所述凹槽的截面形状为三角形或矩形。

18、可选地，所述质量块呈具有中间空腔的矩形框状结构，所述第一弹性结构和所述第二弹性结构设置于所述中间空腔内部。

19、根据本发明的另一方面，提供一种用于mems加速度传感器的补偿方法，所述mems加速度传感器包括衬底、经由第一弹性结构悬挂在所述衬底上的质量块、固定在所述衬底上的固定极板、固定在所述质量块上的可动极板、以及经由第二弹性结构悬挂在所述衬底上的补偿电极，所述方法包括：将所述可动极板和相应的固定极板设置成检测电容；将所述补偿电极和相应的固定极板设置成补偿电容；在所述衬底发生静态变形时，将所述补偿电极的位移设置为与所述质量块的质心位移一致；以及根据所述检测电容和所述补偿电容获得所述mems加速度传感器的总差分电容输出。

20、可选地，将所述补偿电极的位移设置为与所述质量块的质心位移一致的步骤包括：在所述衬底上形成彼此隔开的第一锚点和第二锚点；采用所述第一锚点和所述第二锚点，将所述第一弹性结构固定在所述衬底上；以及将所述第二弹性结构固定在所述第一锚点和所述第二锚点之间。

21、可选地，在衬底发生静态变形时，所述补偿电极发生的位移是所述第一锚点和所述第二锚点的平均位移，使得所述补偿电容的偏移方向与所述检测电容的偏移方向相反。

22、可选地，所述mems加速度传感器的总差分电容输出cout为：

23、cout=δcsense+δccomp=δm*（1/gsense*csense-1/gcomp*ccomp）

24、其中，δcsense表示检测电容的差分电容输出，δccomp表示补偿电容的差分电容输出，δm表示质量块的位移，csense表示总补偿电容，ccomp 表示总补偿电容，gsense表示检测电容的极板间隙，gcomp表示补偿电容的极板间隙。

25、可选地，所述第一弹性结构包括与所述质量块相连接且沿着第一方向彼此隔开的第一弹性梁和第二弹性梁，所述第二弹性结构包括位于所述第一弹性梁和所述第二弹性梁之间的第三弹性梁，所述第一方向是mems加速度传感器的感测方向。

26、可选地，所述第三弹性梁的刚度大于所述第一弹性梁和所述第二弹性梁的刚度。

27、可选地，所述第三弹性梁的形状为选自矩形块、矩形框、弹簧形状中的任意一种。

28、可选地，所述第三弹性梁的形状为矩形块，且通过所述矩形块的尺寸设计来调节所述第三弹性梁的刚度。

29、本技术通过将补偿电极经由第二弹性结构悬挂于衬底上，并使该第二弹性结构直接连接于用于悬挂质量块的第一锚点与第二锚点之间，使得在静态衬底变形作用下，补偿电极的位移能够综合反映第一锚点与第二锚点的位移信息，从而与质量块质心的位移保持一致，进而产生与检测电容变化方向相反的补偿电容变化，实现对质量块因锚点位移引起的零偏误差的一次性补偿，避免了现有技术中需分别为单个锚点设置独立补偿电极所导致的结构复杂问题，显著提升了零偏补偿的准确性，同时通过弹性结构自身变形缓冲两个锚点之间的相对位移，避免极端变形场景下补偿结构内部可能出现的应力集中，大幅提升补偿效果的鲁棒性。

30、在进一步的方案中，通过将第一弹性结构设置为包括第一支撑臂、第二支撑臂、第一弹性梁及第二弹性梁的布置方式将质量块悬挂于衬底上方，并将第二弹性结构通过第三支撑臂、第四支撑臂及第三弹性梁与补偿电极相连接，且将第三弹性梁的刚度设计为大于第一弹性梁和第二弹性梁的刚度，使得在沿感测方向存在加速度输入时，作用于质量块上的惯性力主要引起第一弹性梁和第二弹性梁发生弹性变形，而补偿电极因第三弹性梁的高刚度特性几乎不产生显著的惯性位移，从而有效避免了补偿电极对正常加速度检测的干扰；同时在静态的衬底变形作用下，第三弹性梁又足以通过自身弹性变形吸收两个锚点之间的相对位移，并将综合后的位移传递至补偿电极，确保补偿电极能够准确跟随锚点的缓慢漂移而移动，兼顾了零偏补偿的有效性与加速度检测的准确性。

31、在更进一步的方案中，通过在补偿电极的多个板状电极表面形成多个凹槽，并在固定极板的多个板状电极的相对表面上形成互补形状的凹槽，能够有效增加补偿电容的极板有效面积，在有限的位移范围内提供更大的电容变化率，从而允许在不牺牲补偿灵敏度的前提下减少板状电极的数量和补偿电极的空间占用量，或者通过调整凹槽的开口角度和深度来灵活调节补偿电容的灵敏度，实现更优的线性补偿特性，进而进一步降低加速度计零偏对衬底变形的敏感度。

32、此外，通过将质量块设计为具有中间空腔的矩形框状结构，并将第一弹性结构和第二弹性结构设置于该中间空腔内部，同时将补偿电极沿第二方向对称布置，实现了传感器结构的紧凑化与集成化布局，有利于使补偿电极在衬底变形时保持均匀的位移响应，确保补偿电容变化的平衡性，同时有效节省了芯片面积，为传感器的小型化设计提供了有利条件，并有助于维持结构在应力作用下的机械稳定性。