CN101876665A - 一种全解耦双轴电容式微机械加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全解耦双轴电容式微机械加速度计，属于微机电系统中的惯性传感器技术领域。加速度计中，立柱固定在加速度计的基片上，横向和纵向折叠梁通过立柱固定在加速度计的基片上，横向和纵向可动电极分别与横向和纵向折叠梁相对固定，横向和纵向固定电极固定在加速度计的基片上，且分别与横向和纵向可动电极的位置相对，横向隔离梁与纵向可动电极相对固定，纵向隔离梁与横向可动电极相对固定，敏感质量块位于由横向和纵向隔离梁围成的方框中，敏感质量块的四角分别与横向和纵向隔离梁相对固定。本发明的加速度计，完全解决了双轴电容式微机械加速度计的机械交叉耦合问题，降低了测量误差，实现了对加速度的高精度测量。

Description

一种全解耦双轴电容式微机械加速度计

技术领域

本发明涉及一种全解耦双轴电容式微机械加速度计，属于微机电系统(以下简称MEMS)中的惯性传感器技术领域。

背景技术

MEMS是尺寸从微米到毫米级的将电子元件和机械元件集成到一起的系统，可以对微小尺寸进行敏感、控制、驱动，单独地或配合地完成特定的功能。具有体积和质量小、成本和能耗低、集成度和智能化程度高等一系列特点。作为其中典型性、代表性成果，以集成电路工艺和微机械加工工艺为基础制作的微机械加速度计以其体积小、重量轻、功耗小、成本低、易集成、过载能力强和可批量生产等特点，不仅成为微型惯性测量组合的核心元件，也迅速扩大到其他民用领域。

美国AD(Analog Devices)公司于1989年开始微硅梳齿式电容加速度计的研究，1993年投产形成系列产品。1998年AD公司成功推出了它的双轴加速度计产品系列。量程从±2g到±1000g，在一块IC芯片上集成了双轴加速度敏感元件、信号调理和脉宽调制信号输出电路。市场上现有的微机械加速度计产品大多是单轴的，而在实际应用中常常需要双轴或三轴加速度计来测量加速度矢量。中国目前的双轴加速度计(中国发明专利：CN1844934A)主要以梳齿电容的形式实现差动的静电驱动、电容检测，以中心对称的结构通过一个质量块敏感两个正交方向的加速度。图1所示为梳齿结构的双轴电容式微机械加速度计的平面结构示意图，包括基片1、质量块2、由固支梁3和斜置梁4组成的弹性支撑、可动电极6、固定电极5、锚点8。整个结构为中心对称图形，通过一个质量块敏感两个正交方向的加速度，质量块2居于结构的中心，外围是弹性支撑和可动电极，弹性支撑由四个双端固支梁3和四个斜置梁4构成，四个双端固支梁构成正方形，正方形的四个角是锚点8，每个斜置梁的一端与质量块2固连，另一端与其对应的双端固支梁中间固连；可动电极6与质量块2固连，固定电极5与齿枢7固连，以梳齿偏置结构实现差动的静电驱动和电容检测。

为了实现双轴结构，弹性支撑由四个固支梁和四个悬臂梁组成。这种斜置梁结构没有完全解决交叉耦合，容易带来较大的测量误差。另外，斜置梁结构的弹性刚度很大，使系统无阻尼自振角频率较高，使质量块在感知加速度变化时运动幅度和反应灵敏度受到限制，降低了微机械加速度计的灵敏度，不易实现高精度的加速度测量。

发明内容

本发明的目的是提出一种全解耦双轴电容式微机械加速度计，改变已有微机械加速度计的结构，以克服已有技术的交叉耦合和弹性支撑刚性过大的不足之处，达到完全解耦、弹性支撑刚度较小、灵敏度高等目的，实现高精度的二维加速度测量。

本发明提出的全解耦双轴电容式微机械加速度计，包括敏感质量块、横向隔离梁、横向折叠梁、横向可动电极、横向固定电极、纵向隔离梁、纵向可动电极、纵向固定电极、纵向折叠梁和立柱；所述的立柱固定在加速度计的基片上；所述的横向折叠梁和纵向折叠梁通过立柱固定在加速度计的基片上；所述的横向可动电极和纵向可动电极分别与横向折叠梁和纵向折叠梁相对固定；所述的横向固定电极和纵向固定电极固定在加速度计的基片上，且分别与横向可动电极和纵向可动电极的位置相对；所述的横向隔离梁与纵向可动电极相对固定，所述的纵向隔离梁与横向可动电极相对固定；所述的敏感质量块位于由横向隔离梁和纵向隔离梁围成的方框中，敏感质量块的四角分别与横向隔离梁和纵向隔离梁相对固定。

本发明提出的全解耦双轴电容式微机械加速度计，具有以下优点：

1、本发明的微机械加速度计中，采用了隔离梁和独立的折叠梁结构，使横向可动电极和纵向可动电极的运动各自相互独立，敏感质量块的横向运动只能引起横向可动电极的运动，敏感质量块的纵向运动只引起纵向可动电极的运动，因此完全解决了双轴电容式微机械加速度计的机械交叉耦合问题，降低了测量误差。

2、本发明的微机械加速度计中，采用的隔离梁和折叠梁结构弹性刚度较小，因此提高了微机械加速度计的灵敏度，实现了对加速度的高精度测量，可以作为微惯性器件广泛应用于汽车电子、航空航天、武器装备的运动状态测量与控制。

3、本发明提出的微机械加速度计，与传统双轴电容式微机械加速度计的加工方法完全相同，不增加生产工艺难度和加工成本，易于批量生产。

附图说明

图1是已有的双轴电容式微机械加速度计的平面结构示意图。

图2是本发明的平面结构示意图。

图1中，1是基片，2是质量块，3是固支梁，4是斜置梁，5是固定电极，6是可动电极，7是齿枢，8是锚点。图2中，11是横向折叠梁，12是横向固定电极，13是横向可动电极，14是敏感质量块，15是纵向固定电极，16是纵向可动电极，17是纵向折叠梁，18是纵向隔离梁，19是立柱，20是横向隔离梁。

具体实施方式

本发明提出的全解耦双轴电容式微机械加速度计，其平面结构如图2所示，包括敏感质量块14、横向隔离梁20、横向折叠梁11、横向可动电极13、横向固定电极12、纵向隔离梁18、纵向可动电极16、纵向固定电极15、纵向折叠梁17和立柱19。立柱19固定在加速度计的基片(图中未示出)上。横向折叠梁11和纵向折叠梁17通过立柱19固定在加速度计的基片上。横向可动电极13和纵向可动电极16分别与横向折叠梁和纵向折叠梁相对固定。横向固定电极12和纵向固定电极15固定在加速度计的基片上，且分别与横向可动电极13和纵向可动电极16的位置相对。横向隔离梁20与纵向可动电极16相对固定，纵向隔离梁18与横向可动电极13相对固定。敏感质量块14位于由横向隔离梁20和纵向隔离梁18围成的方框中，敏感质量块14的四角分别与横向隔离梁20和纵向隔离梁18相对固定。

本发明的加速度计中，敏感质量块14、横向和纵向折叠梁、横向和纵向隔离梁、横向和纵向可动电极等均采用常规的体硅加工工艺，通过掩膜、光刻和刻蚀等工艺，去除硅片上不需要的部分，最后得到完整的微结构。加速度计中的基片可以采用玻璃衬底材料。

本发明的加速度计中，敏感质量块14通过纵向隔离梁18和横向隔离梁20分别与横向可动电极13和纵向固定电极15相连，横向可动电极13通过横向折叠梁11与立柱19相连，纵向可动电极16通过纵向折叠梁17与立柱9相连，立柱9固定在玻璃衬底的基片上。横向固定电极12和纵向固定电极15固定在玻璃衬底的基片上，横向可动电极13与横向固定电极12组成横向检测电容，纵向可动电极16与纵向固定电极15组成纵向检测电容。

本发明加速度计的工作原理是：

横向折叠梁11的横向等效刚度很低，横向可动电极13在横向折叠梁11的约束下只能进行横向运动。当双轴电容式微机械加速度计感受到横向和纵向的加速度变化时，通过敏感质量块14将加速度转化为惯性力，惯性力使敏感质量块14发生位移。由于横向隔离梁20的横向等效刚度很低，纵向隔离梁18的横向等效刚度很大，敏感质量块14的横向运动无法传递到纵向可动电极16，因此，敏感质量块14的横向运动只能通过纵向隔离梁18带动横向可动电极13进行相同的横向运动。通过检测横向可动电极13与横向固定电极12的差动电容量变化，可实现横向加速度的检测。同理，敏感质量块14的纵向运动只能通过横向隔离梁20带动纵向可动电极16进行相同的纵向运动，通过检测纵向可动电极16与纵向固定电极15的差动电容量变化，可实现纵向加速度的检测。

综上所述，本发明在设计上对双轴电容式微机械加速度计进行了创新，可保证敏感质量块的横向运动只传递到横向可动电极，敏感质量块的纵向运动只传递到纵向可动电极，而且横向可动电极的运动与纵向可动电极的运动互不相关，从结构设计上完全消除了机械耦合带来的测量干扰，提高了双轴电容式微机械加速度计的测量精度。另一方面，本发明加速度计中的敏感质量块在检测方向上的弹性刚度很低，因此提高了微机械加速度计的灵敏度，可实现高精度的加速度测量。本发明与传统双轴电容式微机械加速度计的加工方法完全相同，不增加工艺难度和加工成本，易于批量生产。

Claims (1)

1.一种全解耦双轴电容式微机械加速度计，其特征在于该加速度计包括敏感质量块、横向隔离梁、横向折叠梁、横向可动电极、横向固定电极、纵向隔离梁、纵向可动电极、纵向固定电极、纵向折叠梁和立柱；所述的立柱固定在加速度计的基片上；所述的横向折叠梁和纵向折叠梁通过立柱固定在加速度计的基片上；所述的横向可动电极和纵向可动电极分别与横向折叠梁和纵向折叠梁相对固定；所述的横向固定电极和纵向固定电极固定在加速度计的基片上，且分别与横向可动电极和纵向可动电极的位置相对；所述的横向隔离梁与纵向可动电极相对固定，所述的纵向隔离梁与横向可动电极相对固定；所述的敏感质量块位于由横向隔离梁和纵向隔离梁围成的方框中，敏感质量块的四角分别与横向隔离梁和纵向隔离梁相对固定。

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