一种新型电容式三轴MEMS加速度计

一种新型电容式三轴mems加速度计
技术领域
1.本发明属于微机电系统技术领域，具体涉及一种新型电容式三轴mems加速度计。


背景技术：

2.mems技术是极具发展潜力的技术之一，是当前十分活跃的研究领域。mems技术广泛应用于诸多领域，包括国防、汽车工业和生物医学等。微加速度计是mems技术应用的一个重要领域，mems技术的最初成功和商业化的产品就是微加速度计。目前微加速度计凭借其体积小、重量轻、功耗低和高灵敏度等优点已成为惯性导航领域的关键部件。mems加速度计是mems领域最早开始研究的传感器之一。经过多年的发展，mems加速度计的设计和加工技术已经日趋成熟。按敏感机理不同，mems加速度计可以分为电容式、压阻式、压电式等；相对于其它方式，电容式三轴加速度计的优点是结构简单，灵敏度较高，功耗小，温度漂移小，因而设计中广泛采用。
3.对于目前出现的三轴加速度计，很多采用三个质量块来减少轴间干扰。然而现有的三轴加速度计，往往会出现以下问题，从而影响加速度计的性能：一是由于制造过程中各轴向因不对准引起的误差；而是因三个轴向分别对应一个质量块使加速度计的集成度较低；三是弹性梁刚度较低时，容易使加速度计处于过载加速度，从而导致结构间撞击损坏或弹性梁过度弯曲而损坏等。由于以上两个影响因素使得电容加速度计的应用受到了限制，因此本领域技术人员致力于研发能克服以上问题的电容式加速度计。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种新型电容式三轴mems加速度计，以解决现有三轴加速度计，很多采用三个质量块来减少轴间干扰。然而现有的三轴加速度计，往往会出现以下问题，从而影响加速度计的性能：一是由于制造过程中各轴向因不对准引起的误差；而是因三个轴向分别对应一个质量块使加速度计的集成度较低；三是弹性梁刚度较低时，容易使加速度计处于过载加速度，从而导致结构间撞击损坏或弹性梁过度弯曲而损坏的问题。
5.本发明采用的技术方案如下：
6.一种新型电容式三轴mems加速度计，其特征在于，包括玻璃基板和设在玻璃基板上的质量块；所述质量块的四个拐角处设有弹性梁，所述弹性梁与玻璃基板的锚定区连接；所述质量块设有两个镂空区，两个所述镂空区上下对称排列，所述镂空区的中部都设有与质量块固定的安装梁，所述安装梁的左右两侧分别设有y轴检测活动梳齿，且所述镂空区内都设有与两个y轴检测活动梳齿配合的两个y轴检测固定梳齿；所述质量块的上下两端分别设有x轴检测活动梳齿，所述基板上设有与x轴检测活动梳齿配合的x轴固定梳齿。
7.该技术方案中，y轴检测固定梳齿固定在玻璃基板上，x轴固定梳齿固定在玻璃基板上；左右两个弹性梁以过质量块中心的竖截面为对称面呈镜像设置，上下两个弹性梁以过质量块中心的横截面为对称面呈镜像设置；在外部受到x方向的加速度时，两个x轴固定梳齿的检测电容组一个电容增加，一个电容减小，从而形成差分电容来检测x方向的加速
度；同理，在外部受到y方向的加速度时，两个y轴检测活动梳齿的检测电容组一个电容增加，一个电容减小，从而形成差分电容来检测y方向的加速度；而z轴方向则是多个固定梳齿构成变面积式差分检测电容，从而实现z轴方向加速度的检测。综上所述，本发明加速度计采用作用对称结构，锚点分布均匀，能够降低因较大应力导致的结构形变；本发明的电容加速度计使用单质量块和弹簧系统同时对所有三个轴进行加速度测量，这使得可以在低占用率的水平下实现高灵敏度。
8.优选的，所述质量块上还设有镂空部，所述镂空部位于质量块的中部，且位于两个镂空区之间，所述镂空部设有的左右两端都分别设有悬臂梁，所述悬臂梁的末端锚定在玻璃基板上。
9.该技术方案中，通过锚定以及增加止动块来提升加速度计的抗冲击能力。
10.优选的，所述弹性梁为l型，所述弹性梁的一端与质量块的拐角处连接，所述弹性梁的另一端和玻璃基板的固定锚点连接。
11.优选的，位于所述质量块左右两侧的两个弹性梁呈中心对称分布，位于所述质量块上下两侧的两个弹性梁呈中心对称分布。
12.该技术方案中，由于位于所述质量块左右两侧的两个弹性梁呈中心对称分布，位于所述质量块上下两侧的两个弹性梁呈中心对称分布，使得整个质量块结构稳定，能够进一步降低因较大应力导致的结构形变。
13.优选的，所述弹性梁的折叠处设有加固部，所述加固部的厚度大于弹性梁的厚度。
14.该技术方案中，在弹性梁的折叠处做加宽处理，提高弹性梁的性能，以及在质量块中央加两个悬臂梁进一步提升了加速度计的抗冲击能力。
15.优选的，所述玻璃基板上设有四个基板，四个所述基板分别位于质量块四周，每个所述基板朝向质量块的一侧都设有凸起。
16.该技术方案中，在质量块和弹性梁的最大位移处对应的基板处设置若干个凸点结构，相对于质量块对称分布，以在冲击加速期间保护装置，提高了敏感结构的抗面外冲击能力。
17.优选的，动齿与相邻两个定齿之间的宽窄间隙比为3.5:1。
18.综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
19.1.本发明加速度计采用作用对称结构，锚点分布均匀，能够降低因较大应力导致的结构形变。
20.2.本发明的电容加速度计使用单质量块和弹簧系统同时对所有三个轴进行加速度测量，这使得可以在低占用率的水平下实现高灵敏度。
21.3.本发明在弹性梁的折叠处做加宽处理，提高弹性梁的性能，以及在质量块中央加两个悬臂梁进一步提升了加速度计的抗冲击能力。
22.4.在质量块和弹性梁的最大位移处对应的上下基板处设置若干个凸点结构，相对于质量块对称分布，以在冲击加速期间保护装置，提高了敏感结构的抗面外冲击能力。
附图说明
23.本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
24.图1是本发明一种新型电容式三轴mems加速度计结构示意图；
25.图2是本发明一种新型电容式三轴mems加速度计的折叠梁的折叠处处理细节图；
26.图3是本发明活动梳齿与相邻固定梳齿分布图。
27.附图标记
28.1-弹性梁，11-加固部，12-x轴检测活动梳齿，13-x轴固定梳齿，2-镂空区，21-安装梁，22-y轴检测活动梳齿，23-y轴检测固定梳齿，3-镂空部，31-悬臂梁。
具体实施方式
29.为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
30.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
31.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。
32.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
33.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
34.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
35.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
36.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。
37.实施例
38.如图1-3所示，本实施提出一种新型电容式三轴mems加速度计，包括玻璃基板和设在玻璃基板上的质量块；所述质量块的四个拐角处设有弹性梁1，所述弹性梁1与玻璃基板的锚定区连接；所述质量块设有两个镂空区2，两个所述镂空区2上下对称排列，所述镂空区2的中部都设有与质量块固定的安装梁21，所述安装梁21的左右两侧分别设有y轴检测活动梳齿22，且所述镂空区2内都设有与两个y轴检测活动梳齿22配合的两个y轴检测固定梳齿；所述质量块的上下两端分别设有x轴检测活动梳齿12，所述基板上设有与x轴检测活动梳齿12配合的x轴固定梳齿13。需要说明的是，y轴检测固定梳齿固定在玻璃基板上，x轴固定梳齿13固定在玻璃基板上；左右两个弹性梁1以过质量块中心的竖截面为对称面呈镜像设置，上下两个弹性梁1以过质量块中心的横截面为对称面呈镜像设置；在外部受到x方向的加速度时，两个x轴固定梳齿13的检测电容组一个电容增加，一个电容减小，从而形成差分电容来检测x方向的加速度；同理，在外部受到y方向的加速度时，两个y轴检测活动梳齿22的检测电容组一个电容增加，一个电容减小，从而形成差分电容来检测y方向的加速度；而z轴方向则是多个固定梳齿构成变面积式差分检测电容，从而实现z轴方向加速度的检测。综上所述，本发明加速度计采用作用对称结构，锚点分布均匀，能够降低因较大应力导致的结构形变；本发明的电容加速度计使用单质量块和弹簧系统同时对所有三个轴进行加速度测量，这使得可以在低占用率的水平下实现高灵敏度。
39.如图1所示，本实施例中，所述质量块上还设有镂空部3，所述镂空部3位于质量块的中部，且位于两个镂空区2之间，所述镂空部3设有的左右两端都分别设有悬臂梁31，所述悬臂梁31的末端锚定在玻璃基板上。需要说明的是，通过锚定以及增加止动块来提升加速度计的抗冲击能力。
40.如图1所示，本实施例中，所述弹性梁1为l型，所述弹性梁1的一端与质量块的拐角处连接，所述弹性梁1的另一端和玻璃基板的固定锚点连接。
41.如图2所示，本实施例中，所述弹性梁1的折叠处设有加固部11，所述加固部11的厚度大于弹性梁1的厚度。在弹性梁1的折叠处做加宽处理，提高弹性梁1的性能，以及在质量块中央加两个悬臂梁31进一步提升了加速度计的抗冲击能力。
42.本实施例中，所述玻璃基板上设有四个基板，四个所述基板分别位于质量块四周，每个所述基板朝向质量块的一侧都设有凸起。在质量块和弹性梁1的最大位移处对应的基板处设置若干个凸点结构，相对于质量块对称分布，以在冲击加速期间保护装置，提高了敏感结构的抗面外冲击能力。
43.如图3所示，本实施例中，动齿与相邻两个定齿之间的宽窄间隙比为3.5:1。
44.本发明新型电容式三轴mems加速度计的质量块由四条平行的横板和三条竖板交错连接组成结构，其中中间两条横板把中间的竖板分成两个相等的上下区域，上下两组各两列活动梳齿设置在竖板上。其中质量块上的活动梳齿与固定检测梳齿组成x轴向差分检测电容，与固定梳齿组成y轴向差分检测电容，同时它们共同构成z轴的变面积式差分检测电容。活动梳齿和其相邻的固定检测梳齿间距不等，在竖板两边的梳齿形成变间隙差分检测电容，消除了非检测方向的加速度和绕轴角加速度的影响，有效抑制了干扰信号。在x,y,z方向可实现大尺寸设计，可以在低占用率的水平下实现了梳齿数量的较大增加，从而实现高灵敏度。同时该结构相对稳定，可以降低交叉灵敏度。若干止挡块分别在质量块和弹性梁的最大位移处对应的上下基板处设置若干个凸点结构，以在冲击加速期间保护装置，提高
了敏感结构的抗面外冲击能力。
45.当加速度计受到沿z轴正向的加速度时(垂直纸面向外)，检测质量将通过弹性梁和悬臂梁的作用,在z轴方向上平动。质量块的固定梳齿初始状态下与活动梳齿的正对面积相等，但固定梳齿正对面积为梳齿的z方向的上半部分，固定梳齿正对面积为梳齿的z方向的下半部分，当受到z方向的加速度时，第一z轴检测电容组cz1与第二z轴检测电容组cz2(具有幅度相同且方向相反的变化，那么检测电路检测第一z轴检测电容组cz1的变化量(
△
cz1)与第二z轴检测电容组cz2的变化量(
△
cz2)的差值，计算沿z轴输入的加速度，即检测电路测量差分信号
△
cz1
‑△
cz2的大小，反推得到输z轴的加速度的大小。
46.对于x,y轴，当结构受到x(y)方向的加速度a时，在质量块上的产生的力为f＝ma,在力的作用下，质量块与质量块上的活动梳齿在x(y)方向产生位移为：其中k为弹性梁的刚度，使得检测电容发生变化，电容分别为
[0047][0048][0049]
因此检测电容变化量为
[0050]
式中：δc
x
为电容变化量；c
x1
为第一x轴检测电容组；c
x2
为第二x轴检测电容组；n＝4πk为平行板电容的系数；ε为电介质的相对介电常数；a为电容的正对面积；δx为质量块与活动梳齿在x方向产生的位移差；d0和d1为动齿与相邻两个定齿之间的宽窄间距。
[0051]
由此可见，检测电容与质量块位移成正比，而位移与加速度成正比，当给该结构连接输出电路，将可以很好实现加速度的测量。
[0052]
涉及到电路和电子元器件和模块均为现有技术，本领域技术人员完全可以实现，无需赘言，本发明保护的内容也不涉及对于软件和方法的改进。
[0053]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0054]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种新型电容式三轴mems加速度计，其特征在于，包括玻璃基板和设在玻璃基板上的质量块；所述质量块的四个拐角处设有弹性梁(1)，所述弹性梁(1)与玻璃基板的锚定区连接；所述质量块设有两个镂空区(2)，两个所述镂空区(2)上下对称排列，所述镂空区(2)2的中部都设有与质量块固定的安装梁(21)，所述安装梁(21)的左右两侧分别设有y轴检测活动梳齿(22)，且所述镂空区(2)内都设有与两个y轴检测活动梳齿(22)配合的两个y轴检测固定梳齿；所述质量块的上下两端分别设有x轴检测活动梳齿(12)，所述基板上设有与x轴检测活动梳齿(12)配合的x轴固定梳齿(13)。2.根据权利要求1所述的一种新型电容式三轴mems加速度计，其特征在于，所述质量块上还设有镂空部(3)，所述镂空部(3)位于质量块的中部，且位于两个镂空区(2)之间，所述镂空部(3)设有的左右两端都分别设有悬臂梁(31)，所述悬臂梁(31)的末端锚定在玻璃基板上。3.根据权利要求1所述的一种新型电容式三轴mems加速度计，其特征在于，所述弹性梁(1)为l型，所述弹性梁(1)的一端与质量块的拐角处连接，所述弹性梁(1)的另一端和玻璃基板的固定锚点连接。4.根据权利要求3所述的一种新型电容式三轴mems加速度计，其特征在于，位于所述质量块左右两侧的两个弹性梁(1)呈中心对称分布，位于所述质量块上下两侧的两个弹性梁(1)呈中心对称分布。5.根据权利要求3所述的一种新型电容式三轴mems加速度计，其特征在于，所述弹性梁(1)的折叠处设有加固部(11)，所述加固部(11)的厚度大于弹性梁(1)的厚度。6.根据权利要求1所述的一种新型电容式三轴mems加速度计，其特征在于，所述玻璃基板上设有四个基板，四个所述基板分别位于质量块四周，每个所述基板朝向质量块的一侧都设有凸起。7.根据权利要求6所述的一种新型电容式三轴mems加速度计，其特征在于，所述凸起与对应弹性梁(1)之间的距离，小于相邻的活动梳齿齿条与固定梳齿齿条的最远距离。8.根据权利要求1所述的一种新型电容式三轴mems加速度计，其特征在于，动齿与相邻两个定齿之间的宽窄间隙比为3.5:1。

技术总结
本发明公开了一种新型电容式三轴MEMS加速度计，属于微机电系统技术领域，解决现有三轴加速度计因三个轴向分别对应一个质量块使加速度计的集成度较低的问题，其包括玻璃基板和设在玻璃基板上的质量块；所述质量块的四个拐角处设有弹性梁，弹性梁与玻璃基板的锚定区连接；所述质量块设有镂空区，镂空区的中部都设有与质量块固定的安装梁，所述安装梁的左右两侧分别设有Y轴检测活动梳齿，且镂空区内都设有与两个Y轴检测活动梳齿配合的两个Y轴检测固定梳齿，质量块的上下两端分别设有X轴检测活动梳齿，所述基板上设有与X轴检测活动梳齿配合的X轴固定梳齿。本发明加速度计采用作用对称结构，锚点分布均匀，能够降低因较大应力导致的结构形变。力导致的结构形变。力导致的结构形变。


技术研发人员：李开富 谭小波 黄斌 李云 武焱林 王瑞 张兴 郭威 邵斌华 蒋婷 杨承 郭小伟 李绍荣
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2023.04.20
技术公布日：2023/8/28