CN101858931A

CN101858931A - 框架式电容硅微机械加速度计

Info

Publication number: CN101858931A
Application number: CN 201010186254
Authority: CN
Inventors: 裘安萍; 施芹; 苏岩
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2010-05-28
Filing date: 2010-05-28
Publication date: 2010-10-13

Abstract

本发明公开了一种框架式电容硅微机械加速度计，由上、下两层构成，上层为制作在单晶硅片上的加速度计机械结构，下层为制作在玻璃衬底上的信号引线，加速度计机械结构由框架式质量块、U型支撑梁、固定检测梳齿和止挡块组成，框架式质量块上的活动梳齿与固定检测梳齿组成差分检测电容，框架式质量块上下端分别通过上支撑梁和下支撑梁与上下固定基座相连，两个止挡块分别制作在上下固定基座上，上下固定基座安装在玻璃衬底上的固定基座键合点上，使上层的机械结构部分悬空在下层的玻璃衬底部分之上。本发明框架式质量块降低了交叉轴灵敏度，增加了结构的稳定性。

Description

框架式电容硅微机械加速度计

技术领域

本发明属于微电子机械系统和微惯性测量技术，特别是一种框架式电容硅微机械加速度计。

背景技术

微机械惯性仪表包括微机械陀螺仪和微机械加速度计。利用微电子加工工艺允许将微机械结构与所需的电子线路完全集成在一个硅片上，从而达到性能、价格、体积、重量、可靠性诸方面的高度统一。因而，这类仪表具有一系列的优点，如体积小、重量轻、价格便宜、可靠性高、能大批量生产等，在军民两方面都具有广泛的应用前景，并受到世界各发达国家的广泛重视。

电容式硅微机械加速度计是一种新型的加速度计，美国AD公司的ADXL系列的加速度计是市场上最具有代表性的硅微机械加速度计。ADXL系列加速度计采用表面工艺工作制作，结构厚度为2微米。该结构的检测质量块为H形，采用梳齿式电容检测，梳齿采用了定齿均匀配置结构形式。由于该结构采用表面工艺加工，结构厚度小，从而检测标称电容小，加速度计的分辨率和精度较低。

针对上述问题，清华大学高钟毓等提出了采用体硅工艺加工的梳齿式加速度计结构(高钟毓，王永梁，董景新等.梳齿式体硅加工微机械加速度计，清华大学，CN1359007A)。该结构采用了体硅工艺加工，增加了检测标称电容。但该结构的质量块仍采用了AD公司的H形质量块，H形质量块使得加速度计的交叉轴灵敏度高，结构不稳定，同时该H形质量块使得检测梳齿数量增加受到限制，不易进一步提高速度计的分辨率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大质量、检测电容大、分辨率高、低交叉轴灵敏度、结构稳定性好的框架式电容硅微机械加速度计。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种框架式电容硅微机械加速度计，由上、下两层构成，上层为制作在单晶硅片上的加速度计机械结构，下层为制作在玻璃衬底上的信号引线，加速度计机械结构由框架式质量块、U型支撑梁、固定检测梳齿和止挡块组成，框架式质量块上的活动梳齿与固定检测梳齿组成差分检测电容，框架式质量块上下端分别通过上支撑梁和下支撑梁与上下固定基座相连，两个止挡块分别制作在上下固定基座上，上下固定基座安装在玻璃衬底上的固定基座键合点上，使上层的机械结构部分悬空在下层的玻璃衬底部分之上。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)框架式质量块降低了交叉轴灵敏度，增加了结构的稳定性；(2)加速度计分辨率由刚度质量比和检测标称电容决定，在刚度质量比一定的情况下，框架式质量块实现了梳齿数量的较大增加，从而提高了分辨率，降低了后续调理电路的处理难度；(3)相比H形质量块，框架式质量块增加了加速度计结构设计的灵活性；(4)轴对称U型支撑梁不仅能有效地释放加工残余应力，还减小了加速度计的交叉轴灵敏度；(5)止挡块避免了大载荷情况下加速度计结构因粘接而失效；(6)梳齿式差分电容检测，消除了x、z方向加速度和绕x、y、z轴角加速度的影响，有效抑制了干扰信号，提高了检测输出的信噪比。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

附图是本发明框架式电容硅微机械加速度计的结构示意图。

具体实施方式

结合图1，本发明框架式电容硅微机械加速度计，用于测量平行于基座水平加速度的测量仪器，由上、下两层构成，上层为制作在单晶硅片上的加速度计机械结构，下层为制作在玻璃衬底上的信号引线，加速度计机械结构由框架式质量块1、U型支撑梁2a、2b、2c、2d、固定检测梳齿3a、3b、3c、3d、3e、3f和止挡块5a、5b组成，框架式质量块1上的活动梳齿与固定检测梳齿3a、3b、3c、3d、3e、3f组成差分检测电容，框架式质量块1上下端分别通过上支撑梁2a、2b和下支撑梁2c、2d与上下固定基座4a、4b相连，两个止挡块5a、5b分别制作在上下固定基座4a、4b上，上下固定基座4a、4b安装在玻璃衬底上的固定基座键合点上，使上层的机械结构部分悬空在下层的玻璃衬底部分之上。其中，四根U型支撑梁2a、2b、2c、2d相对于框架式质量块1中心对称布置，各U型支撑梁2a、2b、2c、2d为轴对称结构。

本发明电容框架式硅微机械加速度计的框架式质量块1由三条平行的横板和两条平行的竖板交错连接组成框架式结构形式，其中横板将两条竖板分成两个相等的上下区域，上下两组各四列活动梳齿设置在竖板上。其中，中间的横板形成框架式质量块1的x轴，两条竖板之间的中心线形成框架式质量块1的y轴，在x、y方向上可实现大尺寸设计，在刚度质量比一定的情况下，框架式质量块实现了梳齿数量的较大增加，从而提高了分辨率，降低了后续调理电路的处理难度。同时框架式结构相对稳定，可降低了交叉轴灵敏度，增加了结构的稳定性。框架式质量块1上布置了上下两组各四列活动梳齿，固定检测梳齿3a、3b、3c并排排列，位于质量块的上部，与质量块的上四列活动梳齿组成四组检测电容，固定检测梳齿3d、3e、3f并排排列，位于质量块的下部，与质量块的下四列活动对应的活动梳齿组成四组检测电容。活动梳齿和其相邻的固定检测梳齿间距不等，上下四组检测电容上下(关于x轴)对称，上下各四组检测电容构成差分检测电容，消除了x、z方向加速度和绕x、y、z轴角加速度的影响，有效抑制了干扰信号，提高了检测输出的信噪比。框架式质量块1通过轴对称U型支撑梁2a、2b、2c、2d与固定基座4a、4b相连，轴对称U型支撑梁2a、2b、2c、2d可有效释放加工残余应力，降低交叉轴灵敏度。制作在固定基座4a、4b上的止挡块5a、5b，避免了大载荷情况下加速度计结构发生粘接而失效。

本发明电容框架式硅微机械加速度计的上部分的固定检测梳齿3a、3b、3c并排排列，与框架式质量块1上区域的活动梳齿组成四组检测电容，下部分的固定检测梳齿3d、3e、3f并排排列，与框架式质量块1下区域的活动梳齿组成四组检测电容，上下八组检测电容构成差分检测电容；上下两组活动梳齿和其相邻的固定检测梳齿间距不等，上下八组检测电容关于框架式质量块1中间横板形成的x轴对称。

本发明的框架式硅微加速度计采用开环电容检测方式检测输入加速度，当有沿y方向的加速度a输入时，在框架式质量块上产生惯性力F＝-ma，在该惯性力的作用下，框架式质量块和位于其上的活动梳齿在y方向产生运动，运动位移为

Δy = \frac{- ma}{k}

式中，k为支撑梁的等效刚度。从而使得上下检测电容发生变化，上下检测电容分别为

C_{1} = n (\frac{ϵA}{d_{1} - Δy} + \frac{ϵA}{d_{2} + Δy})

C_{2} = n (\frac{ϵA}{d_{1} + Δy} + \frac{ϵA}{d_{2} - Δy})

上下部检测电容构成差分检测电容，则电容变化量为

ΔC = C_{1} - C_{2} = 2 nϵAΔy (\frac{1}{{d_{1}}^{2}} - \frac{1}{{d_{2}}^{2}})

可见，检测电容的变化量与框架式质量块的运动位移成正比，而位移与输入加速度成正比。在上下固定检测梳齿上施加相位相反幅值相同的交流电压信号，则可将检测电容的变化量转换为电压输出，从而实现了加速度的测量。

Claims

1.一种框架式电容硅微机械加速度计，由上、下两层构成，上层为制作在单晶硅片上的加速度计机械结构，下层为制作在玻璃衬底上的信号引线，其特征在于：加速度计机械结构由框架式质量块(1)、U型支撑梁(2a、2b、2c、2d)、固定检测梳齿(3a、3b、3c、3d、3e、3f)和止挡块(5a、5b)组成，框架式质量块(1)上的活动梳齿与固定检测梳齿(3a、3b、3c、3d、3e、3f)组成差分检测电容，框架式质量块(1)上下端分别通过上支撑梁(2a、2b)和下支撑梁(2c、2d)与上下固定基座(4a、4b)相连，两个止挡块(5a、5b)分别制作在上下固定基座(4a、4b)上，上下固定基座(4a、4b)安装在玻璃衬底上的固定基座键合点上，使上层的机械结构部分悬空在下层的玻璃衬底部分之上。

2.根据权利要求1所述的电容框架式硅微机械加速度计，其特征在于：框架式质量块(1)由三条平行的横板和两条平行的竖板交错连接组成框架式结构形式，其中横板将两条竖板分成两个相等的上下区域，上下两组各四列活动梳齿设置在竖板上。

3.根据权利要求1或2所述的电容框架式硅微机械加速度计，其特征在于：上部分的固定检测梳齿(3a、3b、3c)并排排列，与框架式质量块(1)上区域的活动梳齿组成四组检测电容，下部分的固定检测梳齿(3d、3e、3f)并排排列，与框架式质量块(1)下区域的活动梳齿组成四组检测电容，上下八组检测电容构成差分检测电容；上下两组活动梳齿和其相邻的固定检测梳齿间距不等，上下八组检测电容关于框架式质量块(1)中间横板形成的x轴对称。

4.根据权利要求1所述的电容框架式硅微机械加速度计，其特征在于：四根U型支撑梁(2a、2b、2c、2d)相对于框架式质量块(1)中心对称布置，各U型支撑梁(2a、2b、2c、2d)为轴对称结构。