本發(fā)明涉及一種MEMS(微機電系統(tǒng))加速度計，屬于MEMS慣性技術范疇，本發(fā)明主要解決了MEMS加速度計敏感芯片的諸多難題，特別是溫度特性、測量精度以及沖擊和過載的環(huán)境適應性，可用于航空、航天、兵器等領域的慣性測量和慣性導航的加速度敏感元件，也可以作為橋梁健康監(jiān)測、地質勘探等領域的加速度測量元件。

背景技術：
MEMS加速度計原理樣機國內研制較多，但當前面臨工程化的諸多難題。因此國內MEMS加速度計一直沒有大規(guī)模裝備使用，首先是精度問題，當前MEMS加速度計的偏置及標度因子的穩(wěn)定性及滿量程下非線性指標離慣性級技術指標仍然有較大差距；其次是溫度特性，當前MEMS加速度計樣機都面臨溫度系數(shù)大、溫度特性不重復，滯回大等問題，由于MEMS加速度計的快速啟動使用要求，其很少在恒溫范圍內環(huán)境使用，使得溫度特性是制約MEMS加速度計工程化應用的主要瓶頸之一，影響溫度特性的因素很多，諸如敏感芯片設計技術、封裝和微組裝工藝技術等等。而從敏感芯片的設計角度去解決溫度和應力造成的共模誤差，國內尚無報道。而就加速度敏感芯片的設計技術，美國AD公司推出的ADXL系列加速度計是市場上最具代表性的產品，但其采用表面工藝，結構厚度僅為2微米，并且采用定齒均勻配置方案，一方面不利于基礎電容的增加，另一方面其不適合體硅深硅刻蝕工藝，從而影響了加速度計的分辨率和精度。公開號為CN1336548，名稱為“定齒偏置的梳齒式體硅加工微機械結構”的中國發(fā)明專利申請中提出了采用體硅工藝加工的梳齒式加速度計結構，該結構采用了定齒偏置方案，增大了檢測電容，并適合體硅加工工藝，但采用類似于AD公司的H型設計不利于梳齒對數(shù)的增加，并增大了軸間耦合，限制了其靈 敏度。對MEMS加速度計敏感芯片而言，反饋產生的靜電力永遠都是吸力，因此限制了梳齒的配置方法，傳統(tǒng)的配置方式是驅動結構包含兩個驅動梳齒，一個提供正向反饋吸力，另一個提供反向反饋吸力，在現(xiàn)有技術方案中，這兩個極性的反饋力分別位于中間線的兩側。當MEMS加速度計采用全閉環(huán)設計方案時，根據(jù)控制系統(tǒng)設計原理，當I型及以上系統(tǒng)時，反饋靜電力平衡外部慣性力，那么方程成立，那么輸入加速度a的度量關系式為令我們稱為標度因數(shù)，式中ε是介電常數(shù)，S是梳齒有效電容正對面積，Vref為預載電壓，均為恒定值，而d0是梳齒相對間隙，當隨著時間或者環(huán)境(如溫度或者應力)的不同，使得活動梳齒和固定梳齒的間隙發(fā)生改變，而靜電力是和間隙平方呈反比關系，從而導致靜電力也發(fā)生改變，在閉環(huán)工作狀態(tài)，間隙的改變導致了標度因數(shù)的改變，從而影響了整個閉環(huán)系統(tǒng)的特性，而標度因數(shù)是輸入加速度的度量，從而間隙的改變影響了加速度計的整體性能。諸如溫度、沖擊、長期的應力釋放都會導致間隙變化，國內的SOG工藝，材料不匹配，活動框架及活動梳齒是采用硅結構，而固定梳齒鍵合在玻璃襯底上，溫度改變會導致固定梳齒和活動梳齒膨脹的幅度不同，盡管都是朝一個方向變化，而變化的速率不同，從而導致相對間隙發(fā)生改變，而溫度變化越劇烈，間隙的相對變化越明顯。參照圖4，當溫度或應力變化導致活動梳齒發(fā)生形變時，現(xiàn)有技術的測量體梳齒結構之間活動間隙同時增大或減小，導致差分電容變化量累加增大，產生共模誤差，導致加速度計在溫度變化或應力變化下不穩(wěn)定。

技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的技術解決問題在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種活動質量塊質量大、基礎電容大、交叉耦合誤差小，對由于溫度和應力造成的共模誤差有較好的抑制能力，全溫范圍的穩(wěn)定性好、精度高的MEMS加速度計。按照本發(fā)明所提供的一種MEMS加速度計，包括：基板以及設置在所述基板上的加速度敏感芯片和集成電路，所述基板上還設置有溫度傳感器，所述溫度傳感器緊鄰所述加速度敏感芯片；所述集成電路分別與所述加速度敏感芯片以及所述溫度傳感器相電連接；所述加速度敏感芯片包括多個測量體；每個所述測量體包括：質量塊以及梳齒結構；所述梳齒結構包括從所述質量塊上延伸出的活動梳齒，以及與所述活動梳齒相互間隔設置的固定梳齒，所述活動梳齒與所述固定梳齒之間形成有差分檢測電容；所述梳齒結構為多組，多組梳齒結構分成第一部分和第二部分，第一部分梳齒結構與第二部分梳齒結構活動間隙變化方向相反，第一部分梳齒結構中的一組和第二部分梳齒結構中的一組輸出一電信號。本發(fā)明還有以下附屬特征：在其中一個所述測量體中，所述梳齒結構為四組，其中，在因加速度產生位移時，第一組梳齒結構、第二組梳齒結構與第三組梳齒結構、第四組梳齒結構活動間隙變化方向相反，第一組梳齒結構和第二組梳齒結構輸出一電信號，第三組梳齒結構和第四組梳齒結構輸出一電信號；在膨脹或收縮時，第一組梳齒結構和第二組梳齒結構活動間隙變化方向相反，第三組梳齒結構和第四組梳齒結構活動間隙變化方向相反。所述第一組梳齒結構和所述第二組梳齒結構，以及所述第三組梳齒結構和所述第四組梳齒結構交叉設置在所述質量塊的兩端。多個所述測量體通過豎質量塊相互連接，形成質量塊整體，其中，所述質量塊整體外還設置有一框架，所述質量塊整體通過支撐梁與所述框架相連接，所述支撐梁設置在所述質量塊整體的四個端角。處于所述質量塊兩端的所述框架設有防撞止擋，其止擋間隙為1～3微米。所述基板為陶瓷基板。所述溫度傳感器為微型鉑電阻溫度傳感器。所述集成電路通過檢測所述溫度傳感器的溫度變化，對所述電信號進行補償。所述MEMS加速度計還包括一管殼，所述管殼內設置有接線引腳；所述加速度敏感芯片通過管殼與所述集成電路相連接。所述溫度傳感器通過導熱膠與所述基板相連接。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下優(yōu)點：1.梳齒結構包含兩個部分，一個提供正極性吸力，另一個提供負極性吸力。其采用同極性對角、對稱布置，這樣避免了由于溫度或者應力造成的差分梳齒間隙朝一個方向增大或者減小的情況。對角、對稱布置滿足了全溫度范圍內差分電容間隙的不變性，極大地抑制了由于溫度以及應力造成的共模誤差，從而保證了加速度計在全溫度范圍的偏置穩(wěn)定性和標度因數(shù)的穩(wěn)定性以及滿量程的線性度。2.本發(fā)明采用質量塊整體設計，在增加了結構穩(wěn)定性的前提下，增加了梳齒的個數(shù)，從而增大了基礎電容和活動質量塊質量。這樣不僅加大了檢測電容和檢測精度，也加大了工作模態(tài)和非工作模態(tài)之間的區(qū)分度。3.將多個測量體通過豎質量塊相連接，從而得到質量塊整體的設計，加大了質量塊的質量，檢測敏感度更高，使得實現(xiàn)四組以上敏感軸方向框架的個數(shù)成為可能，并保證了非工作模態(tài)和工作模態(tài)的區(qū)分度在五倍以上，同時保證了其在敏感方向上的自由度，所述豎質量塊的增加除了起到連接作用，還與多個質量塊構成大質量塊，形成大基礎電容、高模態(tài)區(qū)分度，從而保證了加速度計的分辨率。4.本發(fā)明采用的框架還設置有防撞止擋，所述防撞止擋既起到了防止吸合作用，又有效地阻止了活動梳齒運動時與固定梳齒撞擊的可能，從而保證了加 速度計的穩(wěn)定性和準確性。所述梳齒體型微小，因外界碰撞或加速度過大造成的活動梳齒與固定梳齒的撞擊，可能會導致所述梳齒斷裂，而所述防撞止擋的設置，有效地避免了撞擊，保護了梳齒，減少了因梳齒斷裂替換整個加速度敏感芯片的可能，提高了產品使用效率，降低了使用成本。5.本發(fā)明在加速度敏感芯片旁邊設置溫度傳感器，這樣可以迅速地感應到加速度敏感芯片的溫度變化。集成電路可以根據(jù)溫度變化來對檢測數(shù)據(jù)進行調整。解決了MEMS傳感器中常有的溫度滯回的問題。進一步防止了因為溫度變化而導致的檢測數(shù)據(jù)不準或不穩(wěn)定的情況。6.本發(fā)明采用的工藝是和國內MEMS工藝兼容的干法刻蝕SOG工藝實現(xiàn)，定齒和兩側的動齒間隙分別為3-4微米和8-15微米，總的單邊差分基礎電容大于50pF，保證了加速度計的高信噪比。附圖說明圖1為本發(fā)明MEMS加速度計的示意圖。圖2為本發(fā)明多個測量體的示意圖。圖3為本發(fā)明單個測量體的示意圖。圖4為現(xiàn)有技術單個測量體的示意圖。圖中：1-基板、2-集成電路、3-加速度敏感芯片、31-測量體、32-質量塊、33-梳齒結構、331-第一組梳齒結構、332-第二組梳齒結構、333-第三組梳齒結構、334-第四組梳齒結構、34-活動梳齒、35-固定梳齒、36-豎質量塊、37-防撞止擋、38-框架、39-支撐梁、4-管殼、5-溫度傳感器、51-接線引腳。具體實施方式下面結合附圖對本發(fā)明做進一步的詳述：參照圖1，按照本發(fā)明所提供的一種MEMS加速度計，包括：基板1以及設置在所述基板1上的加速度敏感芯片3和集成電路2，所述MEMS加速度計還包括一管殼4，所述管殼4內設置有接線引腳51；所述加速度敏感芯片3通 過管殼4與集成電路2相連接。參照圖2，所述加速度敏感芯片包括多個測量體31，每個測量體31包括：質量塊32以及梳齒結構33，所述多個測量體31通過所述豎質量塊36相互連接；所述梳齒結構33包括從所述質量塊32上延伸出的活動梳齒34，以及與所述活動梳齒34相互間隔設置的固定梳齒35，所述活動梳齒34與所述固定梳齒35之間形成有差分檢測電容；所述梳齒結構33為多組。優(yōu)選地，所述梳齒結構33的數(shù)量為四組，其中，在因加速度產生位移時，第一組梳齒結構331、第二組梳齒結構331與第三組梳齒結構333、第四組梳齒結構334活動間隙變化方向相反，第一組梳齒結構331和第二組梳齒結構332輸出一電信號，第三組梳齒結構333和第四組梳齒結構334輸出一電信號；在膨脹或收縮時，第一組梳齒結構331和第二組梳齒結構332活動間隙變化方向相反，第三組梳齒結構333和第四組梳齒結構334活動間隙變化方向相反，并且第一組梳齒結構331和第二組梳齒結構332以及第三組梳齒結構333和第四組梳齒結構334交叉設置在質量塊32的兩端。其中，第一組梳齒結構331和第二組梳齒結構332輸出一電信號，第三組梳齒結構333和第四組梳齒結構334輸出一電信號。所述第一組梳齒結構331和第二組梳齒結構332分別輸出一信號，集成電路2對輸出的兩組信號進行匯總處理，并輸出一總信號；第三組梳齒結構333和第四組梳齒結構334分別輸出一信號，集成電路2對輸出的兩組信號進行匯總處理，并輸出另一總信號。所述集成電路2根據(jù)這兩組總信號通過控制算法來測量加速度。參照圖3，所述第一組梳齒結構331和第二組梳齒結構332的極性相同，所述第三組梳齒結構333和第四組梳齒結構334的極性相同，在一實施例中，當外界有一向右的加速度時，所述第一組梳齒結構331和第二組梳齒結構332中活動梳齒34與固定梳齒35之間的活動間隙會增大，所述第三組梳齒結構333和第四組梳齒結構334中活動梳齒34與固定梳齒35之間的活動間隙會減小， 所述集成電路2差分檢測由梳齒間隙變化引起的電容變化，并輸出反饋校正電壓，形成系統(tǒng)的閉環(huán)控制。此外，參照圖2，多個所述測量體31通過豎質量塊36相互連接，形成質量塊整體，其中，所述質量塊整體外還設置有框架38，所述質量塊整體通過支撐梁39與所述框架38相連接，所述支撐梁39設置在所述質量塊整體的四個端角，所述框架38平行于所述豎質量塊36并分布在所述質量塊整體兩邊，所述豎質量塊36設置在質量塊32的中央部位?？蚣?8上還設置有防撞止擋37，所述防撞止擋37與質量塊整體之間的止擋間隙為1-3微米。由于MEMS加速度計通常為納米級結構，其活動梳齒34與固定梳齒35之間的間隙，以及梳齒自身的寬度都非常的細小。當外界的加速度過大時，活動梳齒34與固定梳齒35可能會發(fā)生碰撞，造成梳齒的形變，甚至折斷。在框架38上設置的防撞止擋37可以起一定的防吸合作用，能夠有效地防止因外界加速度過大失效。參照圖1，所述基板1上還設置有溫度傳感器5，所述溫度傳感器5設置在緊鄰所述加速度敏感芯片3，所述加速度敏感芯片3設置在陶瓷基板1上。溫度傳感器5為鉑電阻溫度傳感器，并通過高熱導率膠粘接在陶瓷基板1上。一方面，陶瓷基板1的溫度系數(shù)與加速度計敏感芯片3的溫度系數(shù)基本接近，使得二者在溫度變化時形變量相接近，從而降低了MEMS加速度計的溫度系數(shù)。另一方面，陶瓷基板1的快速熱傳導性，可以迅速地將溫度變化傳導給溫度傳感器5。而且溫度傳感器5設置在緊鄰所述加速度敏感芯片3的旁邊位置上，這樣可以快速地檢測到加速度敏感芯片3的溫度變化。集成電路2則可以根據(jù)溫度變化來對加速度敏感芯片3的檢測結果進行補償。參照圖1、圖2和圖3，當溫度或應力變化時，活動梳齒34和固定梳齒35之間的間隙會因溫度或應力的變化而產生變化，差分檢測電容的也會因為間隙的距離變化而變化。然而，本發(fā)明中的第一組梳齒結構331和第二組梳齒結構332梳齒間隙的變化方向相反，第三組梳齒結構333和第四組梳齒結構334梳 齒間隙的變化方向相反。因此，加速度敏感芯片3的整體檢測電容變化量是不變的。從而減少了因外部環(huán)境的溫度或應力變化對加速度敏感芯片3的影響，降低了本加速度計的溫度系數(shù)。同時，緊鄰在加速度敏感芯片3旁邊的溫度傳感器5可以迅速的檢測到溫度的變化，并快速地對加速度敏感芯片3的檢測結果進行補償。這樣降低了本加速度計的溫度滯回。參照圖1、圖2和圖3，在一實施例中，當溫度或應力變化導致所述質量塊32發(fā)生縮小形變時，所述第一組梳齒結構331和第三組梳齒結構333中活動梳齒34與固定梳齒35之間的活動間隙會增大，所述第二組梳齒結構332和第四組梳齒結構334中活動梳齒34與固定梳齒35之間活動間隙會減小，因同一質量塊32上所感受到的溫度或應力基本一致，每個梳齒結構之間活動間隙的增大與減小的形變量也基本相同，而所述第一組梳齒結構331和第二組梳齒結構332的極性相同，所述第三組梳齒結構333和第四組梳齒結構334的極性相同，故所述第一組梳齒結構331和第二組梳齒結構332因形變量導致的差分電容變化量抵消，所述第三組梳齒結構333和第四組梳齒結構334因形變量導致的差分電容變化量抵消，加速度敏感芯片3的整體檢測電容變化量是不變的。從而抑制了由于外部環(huán)境的溫度或應力變化產生的共模誤差，保證了加速度計在溫度變化或應力變化下的穩(wěn)定性。同時，緊鄰在加速度敏感芯片3旁邊的溫度傳感器5可以迅速的檢測到溫度的變化，并快速地對檢測結果進行補償。這樣降低了本加速度計的溫度滯回。上述詳細說明是針對發(fā)明的可行實施例的具體說明，該實施例并非用以限制本發(fā)明的專利范圍，凡未脫離本發(fā)明的等效實施或變更，均應當包含于本發(fā)明的專利范圍內。另外，本領域技術人員還可在本發(fā)明權利要求公開的范圍和精神內做其它形式和細節(jié)上的各種修改、添加和替換。當然，這些依據(jù)本發(fā)明精神所做的各種修改、添加和替換等變化，都應包含在本發(fā)明所要求保護的范圍之內。