CN102507979B - 一种接触式电容微加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种接触式电容微加速度传感器，包括衬底、固定支撑、衬底电极、敏感薄膜、绝缘薄膜、微梁和惯性质量块。固定支撑的上、下两端分别设有衬底，两个衬底内侧设有衬底电极，其上覆盖绝缘薄膜；惯性质量块通过四根微梁悬挂于固定支撑的中部，惯性质量块的上、下两侧设有与其接触的敏感薄膜；固定支撑上、下的衬底电极与对应端的敏感薄膜对应。在加速度测量中，惯性质量块通过敏感薄膜始终与衬底电极保持“接触”，能承受比非接触式电容微加速度传感器更大的载荷和冲击力，抗过载能力强；传感器通过在大于接触载荷状态下敏感薄膜与绝缘薄膜接触面积的变化所引起的电容变化来测量加速度，较之变间距式电容微加速度传感器线性度更好。

Description

一种接触式电容微加速度传感器

技术领域

本发明属于MEMS传感器技术领域，尤其涉及一种接触式电容微加速度传感器。

背景技术

微型加速度传感器是一种重要的力学量传感器，是微惯性组合测量系统重要的基础器件之一。它以其体积小、响应快、灵敏度高、可靠性高、成本低等突出优势，在军民两用领域中有着极强的市场竞争力和广泛的市场需求。自1977年美国Stanford大学在世界上率先采用微加工技术制造出一种开环硅微加速度传感器并于80年代初产品化以来，微型加速度传感器的研究取得了令人瞩目的进展。各种基于不同敏感机理的微型加速度传感器纷纷见诸报道，主要有电容式、压阻式、压电式、谐振式、真空微电子式、隧道式、热对流式等形式。其中，电容式微加速度传感器以其灵敏度高、稳定性好、温度漂移小、功耗低等突出优点而成为MEMS加速度传感器领域的研究热点。

现有的电容式微加速度传感器均为非接触式，且多数为变间距类型。这种微加速度传感器的动态范围受到一定限制，一旦两电容极板发生接触，传感器就失效了，而通常为了提高传感器的灵敏度，往往将电容极板间距设计的非常小，一般为2-5微米，因此电容极板容易发生粘附失效。同时，变间距式电容微加速度传感器是通过测量电容极板间的间距变化所引起的电容变化来获取加速度信息，是一种线性较差的响应。因此，探索新原理、新结构的微型加速度传感器具有重要的理论意义。

发明内容

针对现有非接触式电容微加速度传感器存在的不足，本发明提供了一种抗过载能力强、线性度更好的接触式电容微加速度传感器。

     本发明采用了如下技术方案：一种接触式电容微加速度传感器，包括衬底、固定支撑、衬底电极、绝缘薄膜、敏感薄膜、微梁和惯性质量块；所述固定支撑的上、下两端分别设有水平布置的衬底，上端的衬底和下端的衬底相互平行，两个衬底的内侧均制作有衬底电极，衬底电极上覆盖有绝缘薄膜；所述惯性质量块通过其周边对称均布的四根微梁悬挂于固定支撑的中部，惯性质量块的上、下两侧水平设有与其接触的敏感薄膜，敏感薄膜的周边固定在固定支撑上；所述固定支撑上部的衬底电极位于惯性质量块的正上方，固定支撑下部的衬底电极位于惯性质量块的正下方。

作为本发明的另一种优选方案，所述微梁呈“L”型结构，其一端连接在固定支撑上，另一端连接在惯性质量的侧面正中部。

作为本发明的又一种优选方案，所述敏感薄膜的厚度T₁控制在：0﹤T₁ ≤10微米；所述绝缘薄膜的厚度T₂控制在：0﹤T₂ ≤1微米。

本发明提供的一种接触式电容微加速度传感器，与现有的非接触式电容微加速度传感器相比，具有如下优点：

1、在加速度测量过程中，惯性质量块通过敏感薄膜始终与衬底电极保持“接触”。传感器工作在敏感薄膜与衬底电极的“接触”状态，能承受更大的载荷和冲击力，抗过载能力强。

2、通过在大于接触载荷的状态下敏感薄膜与绝缘薄膜接触面积的变化所引起的电容变化来测量加速度，较之变间距式电容微加速度传感器线性度更好。

3、绝缘薄膜选用介电常数远高于空气的材料，其厚度控制在1微米以下，从而能有效增大电容变化，提高检测灵敏度。

附图说明

图1为接触式电容微加速度传感器的结构示意图；

图2为图1中沿A-A方向的剖面视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明。

图1为接触式电容微加速度传感器的结构示意图，图2为图1中沿A-A方向的剖面视图，如图所示。一种接触式电容微加速度传感器，包括衬底1、固定支撑2（本实施例中，固定支撑为矩形横截面结构的筒体）、衬底电极3（固定电极）、绝缘薄膜4、敏感薄膜5、微梁6和惯性质量块7（活动电极）。固定支撑2的上、下两端分别设有水平布置的衬底1，上端的衬底1和下端的衬底1相互平行，两个衬底1的内侧均制作有衬底电极3，衬底电极3上覆盖有绝缘薄膜4（本实施例中，衬底电极3和衬底1上均覆盖有绝缘薄膜4）。惯性质量块7通过其周边上对称均布的四根微梁6悬挂于固定支撑的中部，惯性质量块7位于四根微梁6的中心，四根微梁6相对惯性质量块7对称布置。惯性质量块7的上、下两侧水平设有与其接触的敏感薄膜5，上侧的敏感薄膜5和下侧的敏感薄膜5相对惯性质量块7对称分布，敏感薄膜5的周边固定在固定支撑2上。固定支撑2上部的衬底电极3位于惯性质量块7的正上方，固定支撑2下部的衬底电极3位于惯性质量块7的正下方。

微梁6和惯性质量块7由硅材料制成。微梁6呈“L”型结构，微梁6的一端连接在固定支撑2上，另一端连接在惯性质量块7的侧面正中部，以防止质心偏移。四根“L”型结构的微梁6中心对称地均布在惯性质量块7的四周，将惯性质量块7悬空设置在固定支撑2的中部。

敏感薄膜5的材料可以为硅、聚合物、氮化硅、金属或陶瓷，其厚度T₁控制在：0﹤T₁ ≤10微米，敏感薄膜5的厚度可选用1微米、3微米、5微米、8微米或10微米均可。衬底电极3的表面所覆盖的绝缘薄膜4选用介电常数远高于空气的材料，绝缘薄膜4的厚度T₂控制在：0﹤T₂ ≤1微米，绝缘薄膜的厚度可选用0.1微米、0.3微米、0.5微米、0.7微米、0.8微米或1微米均可。当加速度大于接触载荷，即敏感薄膜5与绝缘薄膜4接触时，传感器进入工作区域，通过测量敏感薄膜5与绝缘薄膜4接触面积的变化所引起的电容变化来获取加速度。在加速度测量过程中，惯性质量块7（活动电极）通过敏感薄膜5与衬底电极3（固定电极）始终保持“接触”，传感器能承受比非接触式电容微加速度传感器更大的载荷和冲击力，抗过载能力强；传感器的电容变化源自敏感薄膜5与绝缘薄膜4接触部分的面积变化，线性度好，灵敏度更高。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种接触式电容微加速度传感器，其特征在于：包括衬底（1）、固定支撑（2）、衬底电极（3）、绝缘薄膜（4）、敏感薄膜（5）、微梁（6）和惯性质量块（7）；所述固定支撑（2）的上、下两端分别设有水平布置的衬底（1），上端的衬底（1）和下端的衬底（1）相互平行，两个衬底（1）的内侧均制作有衬底电极（3），衬底电极（3）上覆盖有绝缘薄膜（4）；所述惯性质量块（7）通过其周边对称均布的四根微梁（6）悬挂于固定支撑（2）的中部，惯性质量块（7）的上、下两侧水平设有与其接触的敏感薄膜（5），敏感薄膜（5）的周边固定在固定支撑（2）上；所述固定支撑（2）上部的衬底电极（3）位于惯性质量块（7）的正上方，固定支撑（2）下部的衬底电极（3）位于惯性质量块（7）的正下方。

2.根据权利要求1所述的接触式电容微加速度传感器，其特征在于：所述敏感薄膜（5）的厚度T₁控制在：0﹤T₁ ≤10微米；所述绝缘薄膜（4）的厚度T₂控制在：0﹤T₂ ≤1微米。

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