CN102466736B - Z轴电容式加速度计 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种Z轴电容式加速度计，其包括电容感应极板、驱动质量块以及连接梁。其中电容感应极板包括正电容感应极板和负电容感应极板，驱动质量块和电容感应极板相互分离，正电容感应极板和负电容感应极板分别位于驱动质量块的两侧。当驱动质量块转动时，电容感应极板通过连接梁随之转动。本发明涉及的Z轴电容式加速度计，通过采用驱动质量块和电容感应极板相互分离的设计，有效增大了电容感应极板相对于其转动轴的距离，从而有效提高测量Z轴方向加速度的灵敏度。

Description

Z轴电容式加速度计
技术领域
本发明涉及一种微机电系统的电容式加速度计，尤其涉及一种用于测量Z轴加速度的电容式加速度计。
背景技术
采用微电子机械系统技术实现的微型电容式加速度计，由于具有体积小、重量轻、精度高和成本低等优点，使得其在军事、汽车工业、消费类电子产品等领域具有广泛的应用前景。
电容式加速度计的基本工作原理是，待测加速度产生的惯性力引起敏感电容的极板间隙或极板交叠面积变化，使电容变化与加速度大小成比例关系，通过信号处理电路获取敏感电容的变化即可获得加速度的大小。对于测量Z轴(垂直于工作平面)加速度信号的加速度计，由于受MEMS加工工艺特点的限制，多采用变间隙型敏感电容。
现有的Z轴电容式加速度计，通常采用一块相对于转动轴不对称的平板，当存在垂直于该平板的加速度即Z轴方向加速度输入时，平板将绕着转动轴转动，平板与下面的玻璃基片的间距改变，从而使相应的一对差动电容一个增大一个减小，测量差动电容值即可获得Z轴输入的加速度值。由于驱动质量块和电容感应极板是一体的，而电容感应极板通常相对于转动轴是对称的。所以，驱动质量块只能设置在转动轴的远端。但由于该处于转动轴远端位置的驱动质量块只能在惯性力作用下产生转动，因而，在有些情况下，其是无法产生感应电容的。也就是说，这实质上是限制了电容传感器的灵敏度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有Z轴电容式加速度计灵敏度小的缺陷，提供一种高灵敏度的Z轴电容式加速度计。
为了解决上述技术问题，本发明所提出的技术方案是：
一种Z轴电容式加速度计，其包括电容感应极板、驱动质量块以及连接梁。其中电容感应极板包括正电容感应极板和负电容感应极板，驱动质量块和电容感应极板相互分离，正电容感应极板和负电容感应极板分别位于驱动质量块的两侧。当驱动质量块转动时，电容感应极板通过连接梁随之转动。
进一步的，在不同实施方式中，其中所述电容感应极板具有第一转动轴，所述驱动质量块具有第二转动轴，所述第一转动轴和第二转动轴相互平行。
进一步的，在不同实施方式中，其中正电容感应极板和负电容感应极板相对于所述第一转动轴对称。
进一步的，在不同实施方式中，其中第二转动轴设置在所述驱动质量块的一个侧边。
进一步的，在不同实施方式中，其中驱动质量块相对于所述第一转动轴对称。
进一步的，在不同实施方式中，其中连接梁与所述第一转动轴和第二转动轴平行。
进一步的，在不同实施方式中，其中第一转动轴包括上第一转动轴、下第一转动轴，以及连接所述上第一转动轴和下第一转动轴的第一锚点，所述上第一转动轴和下第一转动轴具有相同长度。
进一步的，在不同实施方式中，其中第二转动轴包括上第二转动轴、下第二转动轴，以及连接所述上第二转动轴和下第二转动轴的第二锚点，所述上第二转动轴和下第二转动轴具有相同长度。
进一步的，在不同实施方式中，其中连接梁包括相同长度的上连接梁和下连接梁。
进一步的，在不同实施方式中，其中电容感应极板的转动方向与驱动质量块的转动方向相反。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明涉及的Z轴电容式加速度计，采用驱动质量块和电容感应极板相互分离的结构，将正负电容感应极板分别设置在驱动质量块的两侧，由此有效增大电容感应极板相对于其转动轴的距离，使得电容感应极板转动时位移幅度增大，从而有效提高测量Z轴方向加速度的灵敏度。
附图说明
图1是本发明设计的Z轴电容式加速度计的逻辑结构示意图；和
图2是沿图1中所示的A-A向的剖视结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
请参见图1所示，本发明涉及的一种Z轴电容式加速度计，其包括电容感应极板1、驱动质量块2以及用于连接电容感应极板1和驱动质量块2的连接梁3。
其中电容感应极板1和驱动质量块2相互分离，电容感应极板1包括分设于驱动质量块2两侧的正电容感应极板11和负电容感应极板12，以及连接正电容感应极板11、负电容感应极板12的连接件13。电容感应极板1用于与衬底电板(未显示)配合形成电容变化。
电容感应极板1还包括有第一转动轴(其也可称为是弹性梁，用作转动轴)，第一转动轴包括上第一转动轴14、下第一转动轴16，以及连接上第一转动轴14和下第一转动轴16的第一锚点15，并且上第一转动轴14和下第一转动轴16具有相同长度h1。
驱动质量块2具有与第一转动轴平行的第二转动轴(其也可称为是弹性梁，用作转动轴)，第二转动轴包括上第二转动轴22、下第二转动轴24，以及连接上第二转动轴22和下第二转动轴24的第二锚点23，并且上第二转动轴22和下第二转动轴24具有相同长度h2。
连接梁3与第一转动轴和第二转动轴平行，且连接梁3包括相同长度h3的上连接梁31和下连接梁32。
此外，电容感应极板1相对于第一转动轴对称，也即正电容感应极板11和负电容感应极板12相对于第一转动轴对称。第二转动轴设置在驱动质量块2的一个侧边。驱动质量块2相对于第一转动轴也对称。
请参见图2，当垂直于驱动质量块2所在平面的方向上，即Z方向上有一个向上的加速度时，驱动质量块2在惯性作用下绕第二转动轴(也可以视为是绕第二锚点23)逆时针转动，电容感应极板1在驱动质量块2和连接梁3的作用下绕第一转动轴(也可以视为是绕第一锚点15)反向转动，即顺时针转动。如此，电容感应极板1的正负极板11、12与衬底电极的间距改变，从而使电容随加速度大小的变化而改变。
进一步的，第一转动轴与连接梁3在X轴方向的中心距为l1，连接梁3与第二转动轴在X轴方向的中心距为l2。整个平板尺寸(感应电极板2外边沿尺寸)：X方向尺寸为2L，Y方向尺寸为H。
进一步的，在一种计算本发明涉及的Z轴电容式加速度计的电容变化的方法中，其采用的第一转动轴、第二转动轴以及连接梁的弹性系数如下式：
kθ＝T
k 1 = 2 J 1 G h 1 = 2 tw 1 3 G 3 h 1
k 2 = 2 J 2 G h 2 = 2 tw 2 3 G 3 h 2 ,
k 3 = 2 J 3 G h 3 = 2 tw 3 3 G 3 h 3
其中θ是扭转角度，T是扭矩，J是截面的极惯性矩，G是剪切弹性模量，t是梁厚度，w是梁宽度，h在这里是梁长度。
加速度和电容感应平板的扭转角度θ1的关系：
θ 1 = 2 ρt Hl 2 r k 1 + k 2 r 2 + k 3 ( 1 + r ) 2 a ,
这里，r＝l1/l2，l＝l1+l2，ρ平板(器件层)密度，t平板厚度，l1是第一转动轴与连接梁在X轴方向中心距，l2是连接梁与第二转动轴在X轴方向中心距，l是第一转动轴和第二转动轴在X轴方向中心距。
由此得到电容变化：
ΔC = 1 2 ϵH d 2 ( L 2 - l 2 ) θ 1 ,
其中ε是介电常数，d是电容感应板和衬底电极板间距。
由于本发明涉及的Z轴电容式加速度计，打破传统电容感应极板和驱动质量块一体的结构，采用电容感应极板和驱动质量块彼此分离的结构，将正负电容感应极板分别设置在驱动质量块的两侧，由此，在相同传感器面积，相同共振频率下，本发明涉及的Z轴电容式加速度计的电容感应极板相对于其转动轴的距离增大，使得电容感应极板转动时相对于衬底电极的位移幅度增大，从而有效提高测量Z轴方向加速度的灵敏度。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (5)

1.一种Z轴电容式加速度计，其包括电容感应极板、驱动质量块，所述电容感应极板包括正电容感应极板和负电容感应极板，其特征在于：其还包括有连接所述电容感应极板和所述驱动质量块的连接梁，所述驱动质量块和电容感应极板相互分离，所述电容感应极板具有第一转动轴，所述驱动质量块具有第二转动轴，所述第一转动轴和第二转动轴相互平行，正电容感应极板和负电容感应极板分别位于驱动质量块的两侧，所述正电容感应极板和负电容感应极板相对于所述第一转动轴对称，所述第二转动轴设置在所述驱动质量块的一个侧边，所述驱动质量块相对于所述第一转动轴对称，所述连接梁与所述第一转动轴和第二转动轴平行；当驱动质量块转动时，所述电容感应极板通过所述连接梁随之转动。
2.根据权利要求1所述的Z轴电容式加速度计，其特征在于：所述第一转动轴包括上第一转动轴、下第一转动轴，以及连接所述上第一转动轴和下第一转动轴的第一锚点，所述上第一转动轴和下第一转动轴具有相同长度。
3.根据权利要求1所述的Z轴电容式加速度计，其特征在于：所述第二转动轴包括上第二转动轴、下第二转动轴，以及连接所述上第二转动轴和下第二转动轴的第二锚点，所述上第二转动轴和下第二转动轴具有相同长度。
4.根据权利要求1所述的Z轴电容式加速度计，其特征在于：所述连接梁包括相同长度的上连接梁和下连接梁。
5.根据权利要求1所述的Z轴电容式加速度计，其特征在于：其中电容感应极板的转动方向与驱动质量块的转动方向相反。
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