CN102253239A - 带有后装配梳齿的电容式微机械加速度计 - Google Patents

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CN102253239A CN 201110139700 CN201110139700A CN102253239A CN 102253239 A CN102253239 A CN 102253239A CN 201110139700 CN201110139700 CN 201110139700 CN 201110139700 A CN201110139700 A CN 201110139700A CN 102253239 A CN102253239 A CN 102253239A
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谢建兵
常洪龙
苑伟政
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Abstract

本发明公开了一种带有后装配梳齿的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。该加速度计的固定梳齿22连接在可动的刚性梁30上，刚性梁30上同时还连接有装配定位结构32和装配自锁结构的活动端34，装配自锁结构的活动端34与装配自锁结构的固定端36组合形成装配自锁结构；装配自锁结构的活动端34在梳齿静电力作用下，在装配自锁结构的固定端36中平移。本发明通过后装配的方式有效避免了微机电系统加工技术的最小线宽对电容间距的限制，后装配梳齿不但增加了微机械加速度计单位面积上的梳齿数量，同时减小了梳齿间距，可将电容值增加10倍以上，是实现高灵敏度电容式微机械加速度计的有效措施。

Description

带有后装配梳齿的电容式微机械加速度计
技术领域
本发明涉及一种带有后装配梳齿的电容式微机械加速度计结构，属于微机电系统中的惯性传感器技术领域。
背景技术
微机械加速度计是一种典型的微机电系统惯性器件，其具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高、批量生产等优点，在航空、航天、汽车、消费电子等领域，具有广泛的应用前景。按照检测方式的不同常见的微机械加速度计可分为压阻式、电容式、压电式、力平衡式、热对流式、谐振式和隧道电流式等多种形式，其中电容式微机械加速度计以其灵敏度高、温度漂移小、稳定性好、杭过载能力强、便于自检、易于实现低成本等特点成为加速度计发展的热点。目前，国际上已经推出了多种电容式微机械加速度计产品。而国内由于微机电系统的整体水平不足，目前还没有相关成熟的产品。
常见的电容式微机械加速度计是通过梳齿电容器来检测电容变化的，参考图3所示。惯性质量10通过多组弹性梁12连接到固定的锚点16上，可动梳齿20连接在惯性质量10上，而固定梳齿22连接在固定的固定电极锚点14上。微机械加速度计工作原理为：当惯性质量10受到沿y轴方向的外界加速度作用时，惯性质量将在y方向运动，此时可动梳齿20与固定梳齿22之间形成的电容值将发生变化，通过检测电容值的变化即可推算出外界加速度的大小。根据微机械加速度计工作原理可知，微机械加速度计中可动梳齿20与固定梳齿22之间的初始电容值是影响微机械加速度计精度的关键参数，而可动梳齿20与固定梳齿22之间的初始电容值与可动梳齿20与固定梳齿22之间的空气间隙g成反比关系，即空气间隙g越小则初始电容值越大。因此，减小空气间隙g是提高微机械加速度计灵敏度的有效措施。
然而，微机械加速度计的加工方法限制了空气间隙g的最小值。目前，常规的微机电系统加工技术的最小线宽仅为2微米左右，这就使得空气间隙g的最小值仅能达到2微米左右，无法进一步增大电容式微机械加速度计的初始电容值。
发明内容
为克服现有技术中微机械加速度计的初始电容值无法进一步增大的问题，本发明提出一种带有后装配梳齿的电容式微机械加速度计结构，已解决现有技术中微机械加速度计初始电容值无法增大的问题，以实现高灵敏度的微机械加速度计结构。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种带有后装配梳齿的电容式微机械加速度计结构，参考图1，惯性质量10通过多组弹性梁12连接到锚点16上，可动梳齿20连接在惯性质量10上，而固定梳齿22连接在可动的刚性梁30上；可动梳齿20及固定梳齿22上的梳齿几何尺寸相同，其中梳齿长度为l，梳齿宽度为w，两个梳齿之间的梳齿间距为d，梳齿间距d大于梳齿宽度w；可动梳齿20与固定梳齿22之间的齿向初始距离为c；刚性梁30通过两根支撑梁38连接到锚点16上，刚性梁30上同时还连接有装配定位结构32和装配自锁结构的活动端34，装配自锁结构的活动端34与装配自锁结构的固定端36组合形成装配自锁结构，装配自锁结构的固定端36通过锚点16固定；装配自锁结构的活动端34在梳齿静电力作用下，在装配自锁结构的固定端36中平移，所述平移方向与质量块10运动方向一致；装配自锁结构的活动端34与装配自锁结构的固定端36初始重叠长度范围为(c，l+c)。
图1所示为微机械加速度计的初始状态，装配自锁结构的活动端34还处于装配自锁结构的固定端36内部，表明还结构未进行装配，此时可动梳齿20与固定梳齿22之间没有重叠部分。因此，微机电系统加工技术的最小线宽仅会影响可动梳齿20及固定梳齿22的固有梳齿间距50。微机械加速度计的装配可通过探针在显微镜下进行，探针顶在装配定位结构32上推动刚性梁30运动，此时支撑梁38发生弯曲变形，同时装配自锁结构的固定端36两侧的支撑梁也发生弹性变形，并向两侧张开，当装配自锁结构的活动端34完全推出装配自锁结构的固定端36后，装配自锁结构的固定端36两侧的支撑梁在弹性力的作用下回到初始位置，其顶端的卡口将装配自锁结构的活动端34顶在装配自锁结构的固定端36外面，完成装配。经过装配后，微机械加速度计如图2所示。装配后可动梳齿20与固定梳齿22之间具有了一定的重叠区域，重叠部分的空气间隙g由梳齿间距d及梳齿宽度为w确定，其关系满足：g＝(d-w)/2。
本发明的有益效果是：通过后装配的方式有效避免了微机电系统加工技术的最小线宽对电容间距的限制，后装配梳齿不但增加了微机械加速度计单位面积上的梳齿数量，同时减小了梳齿间距，可将电容值增加10倍以上，是实现高灵敏度电容式微机械加速度计的有效措施。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
附图说明
图1为本发明提出的电容式微机械加速度计结构未装配时的结构。
图2为本发明提出的电容式微机械加速度计结构装配后的结构。
图3为未使用后装配梳齿的电容式微机械加速度计结构方案。
图中，10为惯性质量，12为弹性梁，14为固定电极锚点，16为锚点，20为可动梳齿，22为固定梳齿，30为刚性梁，32为装配定位结构，34为装配自锁结构的活动端，36为装配自锁结构的固定端，38为支撑梁，50为固有梳齿间距。
具体实施方式
参考图1，本实施例中的带有后装配梳齿的电容式微机械加速度计结构，其惯性质量10通过四组弹性梁12连接到锚点16上，两组可动梳齿20连接在惯性质量10上，与其相应的两组固定梳齿22分别连接在两根可动的刚性梁30上。可动梳齿20及固定梳齿22上的梳齿几何尺寸相同，其中梳齿长度为l＝30μm，梳齿宽度w＝4μm，两个梳齿之间的梳齿间距d＝5μm，可动梳齿20与固定梳齿22之间的齿向初始距离c＝5μm。刚性梁30通过两根支撑梁38连接到锚点16上，刚性梁30上同时还连接有装配定位结构32和装配自锁结构的活动端34，装配自锁结构的活动端34与装配自锁结构的固定端36组合形成装配自锁结构，装配自锁结构的固定端36通过锚点16固定；装配自锁结构的活动端34在梳齿静电力作用下，在装配自锁结构的固定端36中平移，所述平移方向与质量块10运动方向一致；装配自锁结构的活动端34的位移范围为(5μm，35μm)。
具体装配过程：微机械加速度计的装配可通过探针在显微镜下进行，探针顶在装配定位结构32上推动刚性梁30运动，此时支撑梁38发生弯曲变形，当装配自锁结构的活动端34完全推出装配自锁结构的固定端36后完成装配。经过装配后，微机械加速度计如图2所示。此时自锁结构的活动端34位移为20μm，由于可动梳齿20与固定梳齿22之间的初始距离c＝5μm，则可动梳齿20与固定梳齿22的重叠长度为15μm，重叠部分的空气间隙g＝(d-w)/2＝(5-4)/2＝0.5μm。
综上所述，本发明提出了一种带有后装配梳齿的电容式微机械加速度计结构，它能够增大电容式微机械加速度计的初始电容值，有效的提高电容式微机械加速度计的灵敏度。

Claims (1)

1.一种带有后装配梳齿的电容式微机械加速度计结构，惯性质量(10)通过多组弹性梁(12)连接到锚点(16)上，连接在惯性质量(10)上，其特征在于：与所述可动梳齿(20)相应的固定梳齿(22)连接在可动的刚性梁(30)上；可动梳齿(20)及固定梳齿(22)上的梳齿几何尺寸相同，其中梳齿长度为l，梳齿宽度为w，两个梳齿之间的梳齿间距为d，梳齿间距d大于梳齿宽度w；可动梳齿(20)与固定梳齿(22)之间的齿向初始距离为c；刚性梁(30)通过两根支撑梁(38)连接到锚点(16)上，刚性梁(30)上同时还连接有装配定位结构(32)和装配自锁结构的活动端(34)，装配自锁结构的活动端(34)与装配自锁结构的固定端(36)组合形成装配自锁结构，装配自锁结构的固定端(36)通过锚点(16)固定；装配自锁结构的活动端(34)在梳齿静电力作用下，在装配自锁结构的固定端(36)中平移，所述平移方向与质量块(10)运动方向一致；装配自锁结构的活动端(34)与装配自锁结构的固定端(36)初始重叠长度范围为(c，l+c)。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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