CN101089625A - 金属电容式微加速度计 - Google Patents

Abstract

一种金属电容式微加速度计，属于微机电系统技术领域。本发明包括：上、下基体，上、下极板，质量块，支撑梁，上、下止动块，支撑柱，输入输出引脚。上极板和上止动块位于上基体上，下极板和下止动块位于下基体上，质量块同时承担中间极板的功能，质量块上分布有通孔，质量块由高分布密度支撑梁支撑并位于上、下基体之间，输入输出引脚位于下基体上，上、下基体由支撑柱连接，并由支撑柱传递上极板与输入输出引脚之间的电信号。采用金属作为主要材料。本发明能提高抗冲击能力，提高抗高负载能力，提高谐振频率，提高量程，加工方便。

Description

金属电容式微加速度计

技术领域

本发明涉及一种微机电系统技术领域的微加速度计，具体涉及的是一种金属电容式微加速度计。

背景技术

加速度计是一种重要的传感器，广泛应用于工业、军事、航空、日常生活等众多领域。采用微加工工艺，实现微型化，有利于减小体积和功耗，有利于提高集成化和智能化程度，有利于大批量生产和减小生产成本，是当前加速度计的发展趋势。按工作原理，微加速度计可分为电容式、压阻式、压电式、谐振式、光纤式等等，其中电容式具有灵敏度高、温漂小等优点，因而发展迅速。电容式微加速度计的工作原理是：电容的动极板布置于质量块上，质量块承受加速度后发生位移和变形，从而引起动极板和定极板间的间隙厚度发生变化，导致电容值改变，通过测量电容变化值即可知加速度的大小。采用差分电容式结构，即传感器由上、下固定极板和中间活动极板构成，灵敏度大大提高，并可有效抑制噪声，提高测量精度。

经对现有技术文献的检索发现，中国专利公开号为CN1959417A、名称为“微机械电容式加速度传感器及其制作方法”的专利，提到一种电容式微加速度计，该微加速度计由上极板、下极板、质量块和质量块上的中间极板等构成，具有以下缺点：除极板采用金属薄膜外，其余材料均为硅系材料，但硅系材料具有脆性大、易断裂、抗冲击能力差的缺点；支撑梁根数较少，只在质量块的四角上各有2根支撑梁，单根梁所承受负载较大从而影响微加速度计承受高负载的能力，并且质量块-梁系统的谐振频率较低。此外，该微加速度计通过在硅系材料质量块的表面上覆盖金属薄膜方式构成中间极板，不但不同材料间易产生寄生电容，而且由于温度应力的作用，影响两者间的结合率，中间极板和质量块作为活动部件在冲击载荷作用下会发生振动甚至谐振，则易进一步发生剥离现象并导致寄生电容增大，甚至可能最终发生中间极板完全脱落现象。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种金属电容式微加速度计，使其解决电容式微加速度计的上述缺点，提高抗冲击能力，提高抗高负载能力，提高谐振频率，提高量程，并有利于工艺实现。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：上、下基体，上、下极板，质量块，支撑梁，上、下止动块，支撑柱，输入输出引脚等，连接方式为：上极板和上止动块位于上基体上，下极板和下止动块位于下基体上，质量块上分布有通孔，质量块由支撑梁支撑并位于上、下基体之间，输入输出引脚位于下基体上，上、下基体由支撑柱连接，并由支撑柱传递上极板与输入输出引脚之间的电信号。

本发明由上、下极板和质量块构成差分电容式结构，质量块同时承担中间极板的作用。质量块在加速度力作用下位移和变形后将导致差分电容的上、下电容值一者增大，另一者减小，两者变化方向相反，测量上、下电容的差值即可知道加速度的大小。差分结构可提高灵敏度、抑制噪声、提高测量精度。

所述质量块、支撑梁和支撑柱采用金属为材料。金属的断裂韧度远高于硅系材料的断裂韧度。微加速度计所承受的加速度力一般以冲击力形式加载，以金属为材料，可在很大程度上防止断裂发生，提高抗冲击能力。

所述质量块即为中间极板，两者合二为一。因质量块为金属材料，故质量块可同时承担中间极板的功能，不但简化了加工工艺，更重要的是能避免因质量块和中间极板为不同材料而产生寄生电容和温度应力，并防止中间极板在冲击作用下脱落。

所述支撑梁以高分布密度均匀分布，在质量块周边上的分布密度大于8根/mm。设计时，应首先确保梁的高密度均匀分布，然后根据材料的强度和韧度及梁的总刚度要求，决定每根梁的尺寸。支撑梁是微加速度计中最易发生机械破坏的部分，应能承受较大应力，并保证器件具有较高谐振频率。增加支撑梁的数目，不但可以减小每根支撑梁的受力大小，提高抗高负载能力，还可提高谐振频率。对于高量程微加速度计，为减小支撑梁所受力的大小，质量块较薄以减小加速度力，则工作时质量块将发生较明显的弯曲变形，其中心凸出并将最先到达极限位置，质量块沿测量方向的运动范围减小，从而限制了量程。采用高分布密度支撑梁，可使质量块在其周边上受力更加均匀，质量块变形减小。

本发明将支撑柱和引线柱合为一体。支撑柱采用金属材料，既具有高的断裂韧度，又具有导电作用。上、下基体之间由支撑柱连接，同时支撑柱又承担引线柱的功能，传递上极板与输入输出引脚之间的电信号。通过焊接方式将上基体固定于支撑柱上。上极板通过上基体上的引线连接至支撑柱，再通过下基体上的引线从支撑柱连接至输入输出引脚。这种结构降低了键合和引线加工工艺的困难程度。

所述上、下基体中心处各设置一凸起状止动块。止动块可防止过载和湿法刻蚀时中间极板被吸附至上、下极板。止动块的高度大于极板高度。为能承受较大冲击力，以金属为材料，并与极板绝缘。

所述质量块上分布有通孔。通孔可减小质量块运动时所受的阻尼力大小。通孔还有利于加工，能增大刻蚀液与牺牲层的接触面积，并有利于残余应力的释放。

本发明采用差分电容结构实现加速度测量，以金属为主要材料，支撑梁以高分布密度均匀分布，中间极板与质量块合二为一，并设置了止动块，与现有技术相比，可大大提高抗冲击能力，提高抗高负载能力，提高谐振频率，提高量程。此外，本发明的材料选用和结构设计还有利于微加速度计的工艺实现。

附图说明

图1为本发明结构主视图；

图2为图1所示A-A方向剖视图；

图3为本发明质量块和支撑梁结构侧视图；

图4为本发明下极板和下止动块结构侧视图；

图5为本发明下极板和下止动块结构俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例中，包括：上基体1、下基体2、下极板3、质量块4、下止动块5、支撑梁7、支撑柱8、输入输出引脚9、上极板10和上止动块11。以质量块4为中间极板，与上极板10、下极板3构成差分电容器结构。上极板10位于上基体1上，下极板3位于下基体2上，基体的厚度应比质量块4和支撑梁7的厚度高出3个数量级以上，保证其刚度远大于质量块4和支撑梁7。质量块4由支撑梁7支撑，加工时应保证质量块4与上极板10、下极板3等距离。

质量块4和支撑梁7均完全以金属为材料，并采用相同材料。因质量块4为导电材料，故同时承担中间极板的功能。

如图1、图2和图3所示，质量块4上分布有通孔6。通孔6以采用圆形为宜，孔径大小和数目应根据所需空气阻尼大小、湿法刻蚀所用刻蚀剂、牺牲层厚度及其它加工工艺步骤等决定。

如图2所示，支撑梁7以高分布密度均匀分布，其在质量块周边上的分布密度大于8根/mm。。设计时，应首先确保梁的高密度均匀分布，然后根据材料的强度和韧度及所有梁的总刚度要求，决定每根梁的尺寸。

如图4和图5所示，下基体2的中心处设有下止动块5，上基体1的中心处设有上止动块11。上止动块11、下止动块5以金属为材料，并与上极板10、下极板3绝缘。上止动块11、下止动块5应高于上极板10、下极板3，具体高度根据质量块4的直径等决定。

如图1和图2所示，支撑柱8采用金属材料，既具有支撑上基体1的功能，又具有传递上极板10与输入输出引脚9之间电信号的功能。支撑柱8呈均匀分布，其分布密度应保证上基体1有足够的刚度。上极板10通过上基体1上的引线连接至支撑柱8，再通过下基体2上的引线从支撑柱8连接至输入输出引脚9。加工时，可先在下基体2上制作完毕支撑柱8，并在上基体1中开设凹孔，凹孔内置有焊接材料，然后通过焊接方式将上基体1与支撑柱8连接。

在非测量状态下，质量块4与上极板10、下极板3等距离，质量块4与上极板10构成的上电容器、与下极板3构成的下电容器两者电容值大小相等，差值为零。在测量状态下，质量块4受到加速度力的作用，偏离中心位置，发生位移和变形。上基体1与下基体2的刚度很大，并由刚度也很大的多根支撑柱8支撑，故距离保持不变。质量块4的运动及支撑梁7自身所受的加速度力作用引起支撑梁7变形，导致支撑梁7产生与其变形方向相反，也即与加速度力方向相反的回复力。由于质量块4上分布有通孔6，运动时空气阻尼力可以忽略。当加速度力与回复力达到平衡时，质量块4和支撑梁7停止运动，此时质量块4与上极板10、下极板3的距离已发生变化，并引起上、下电容器的电容值发生变化。若加速度力向上，则上电容器的电容值大于下电容器的电容值；反之，若加速度力向下，则上电容器的电容值小于下电容器的电容值。利用业已非常成熟的差分测量技术测量上、下电容器的差值大小及正负方向，可知加速度的大小和方向。

当被测加速度大于量程范围，引起质量块4位移和变形超过设计范围时，质量块4上位移和挠度最大值处，即中心处将与上止动块11或下止动块5相碰，质量块4因此停止运动，从而可防止质量块4与上极板10或下极板3相碰而发生短路。

由于支撑梁7、质量块4、上止动块11、下止动块5、支撑柱8均以金属为材料，支撑梁7分布密度高，中间极板与质量块4合二为一，故本实施例能提高抗冲击能力，提高抗高负载能力，提高谐振频率，提高量程。

以微机电系统中常用材料镍为例，采用UV-LIGA微加工工艺得到的镍制件的静态断裂韧度为52.73Mpa·m^1/2，多晶硅的静态断裂韧度却仅为2Mpa·m^1/2，而动态断裂韧度最小值为静态断裂韧度的70％，可见镍的静态断裂韧度和动态断裂韧度都比多晶硅大得多。微加速度计承受加速度力作用，采用断裂韧度高的金属为材料，可在很大程度上防止断裂发生，提高抗冲击能力。

对以下两例作比较，第一例中支撑梁共36根、长0.3mm、横截面为边长0.005mm的正方形，质量块厚0.02mm、横截面为边长1mm的正方形，各支撑梁位于质量块厚度方向的中间处并沿质量块侧面均匀分布，第二例中质量块和支撑梁与第一例具有相同尺寸、形状及材料，但支撑梁为8根并按中国专利公开号为CN1959417A、名称为“微机械电容式加速度传感器及其制作方法”的专利进行布置，通过仿真分析可知第一例相较于第二例可减小最大应力80％左右，提高谐振频率1倍多。为将第二例中的最大应力减小到与第一例相同，需增大第二例中支撑梁的宽度，则质量块上各点位移变异系数，即位移标准差与平均值之商，将比第一例大30％左右，质量块弯曲变形程度增大，沿测量方向的运动范围减小，量程受到限制。可见，采用高分布密度支撑梁形式，能同时保证较小的最大应力、较高的谐振频率和较大的量程。

本发明还有利于加工。由于质量块4以金属为材料，故不需制作中间极板，减少了加工工艺步骤。在微加工过程中，质量块4与上极板10或下极板3的间隙常通过刻蚀牺牲层来实现，质量块上的通孔6可增大刻蚀液与牺牲层的接触面积，有利于刻蚀的完成。在加工过程中，由于温度变化等原因会产生残余应力，通过通孔则可释放部分残余应力。此外，上止动块11或下止动块5能防止刻蚀完毕后的残留液体造成质量块4吸附于上极板10或下极板3上。

Claims (10)

1.一种金属电容式微加速度计，包括：上基体(1)、下基体(2)、下极板(3)、质量块(4)、下止动块(5)、支撑梁(7)、支撑柱(8)、输入输出引脚(9)、上极板(10)和上止动块(11)，其特征在于：省略了中间极板，下极板(3)、质量块(4)和上极板(10)构成差分电容结构，上极板(10)和上止动块(11)位于上基体(1)上，下极板(3)和下止动块(5)位于下基体(2)上，质量块(4)由支撑梁(7)支撑并位于上基体(1)和下基体(2)之间，上基体(1)和下基体(2)之间由支撑柱(8)连接，上极板(10)由支撑柱(8)连接至位于下基体(2)上的输入输出引脚(9)。

2.根据权利要求1所述的金属电容式微加速度计，其特征是：所述质量块(4)、支撑梁(7)、支撑柱(8)、上止动块(11)、下止动块(5)的材料均为金属材料。

3.根据权利要求1或2所述的金属电容式微加速度计，其特征是：所述支撑梁(7)均匀分布。

4、根据权利要求3所述的金属电容式微加速度计，其特征是：所述支撑梁(7)在质量块周边上的分布密度大于8根/mm。

5.根据权利要求1所述的金属电容式微加速度计，其特征是：所述质量块(4)上分布有通孔(6)。

6.根据权利要求1所述的金属电容式微加速度计，其特征是：所述上止动块(11)设在上基体(1)的中心处，下止动块(5)设在下基体(2)的中心处，

7.根据权利要求1或6所述的金属电容式微加速度计，其特征是：所述上止动块(11)高于上极板(10)，下止动块(5)高于下极板(3)。

8.根据权利要求1或6所述的金属电容式微加速度计，其特征是：所述上止动块(11)、下止动块(5)分别与上极板(10)、下极板(3)绝缘。

9.根据权利要求1所述的金属电容式微加速度计，其特征是：所述支撑柱(8)呈均匀分布。

10.根据权利要求1所述的金属电容式微加速度计，其特征是：所述质量块(4)与上极板(10)、下极板(3)等距离。