CN104459199A

CN104459199A - 电容式加速度计

Info

Publication number: CN104459199A
Application number: CN201310426346.3A
Authority: CN
Inventors: 裘进
Original assignee: SHANGHAI XIRUI TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Shanghai Sirui Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2013-09-18
Filing date: 2013-09-18
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2033-09-18
Also published as: CN104459199B

Abstract

本发明提供一种电容式加速度计，包括基板、检测质量块及至少一个支撑基座，支撑基座固定在所述基板上，检测质量块通过一相对设置的弹片以非对称的方式悬置在支撑基座的表面，在基板上相对设置有至少两个电极，电极分别对应于检测质量块质量较大的一侧和质量较小的一侧，用于与检测质量块形成电容，所述支撑基座具有一支撑中心，所述电极具有一电极中心，所述支撑中心与所述电极中心重合，且所述支撑基座到所述支撑中心的平均距离与所述电极到所述电极中心的平均距离相等或近似相等。本发明的优点在于，所述支撑基座到所述支撑中心的平均距离与所述电极到所述电极中心的平均距离相等，导致电极间隙变化减小，从而使灵敏度变化减小，灵敏度更加稳定。

Description

电容式加速度计

技术领域

本发明涉及电容式加速度计技术领域，尤其涉及一种灵敏度稳定的电容式加速度计。

背景技术

电容式加速度计内部存在一个质量块，从单个单元来看，它是标准的平板电容器。加速度的变化带动活动质量块的移动从而改变平板电容两极的间距和正对面积，通过测量电容变化量来计算加速度。电容式加速度计具有灵敏度高、功耗低、温度特性好、能工作在力平衡闭环模式下等优点，因而得到了广泛的研究和应用。但是目前的电容式三轴加速度计的灵敏度还不能满足需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种电容式加速度计，其能够具有稳定的灵敏度。

为了解决上述问题，本发明提供了一种电容式加速度计，包括基板、检测质量块及至少一个支撑基座，所述支撑基座固定在所述基板上，所述检测质量块通过一相对设置的弹片以非对称的方式悬置在所述支撑基座上，在所述基板上相对设置有至少两个电极，所述电极分别对应于所述检测质量块质量较大的一侧和质量较小的一侧，用于与所述检测质量块形成电容，所述支撑基座具有一支撑中心，所述电极具有一电极中心，所述支撑中心与所述电极中心重合，且所述支撑基座到所述支撑中心的平均距离与所述电极到所述电极中心的平均距离相等或近似相等。

进一步，所述支撑中心为支撑基座中心对称的中心。

进一步，所述电极中心为电极中心对称的中心。

进一步，所述电容式加速度计包括至少一个第一梳齿状电容组，所述第一梳齿状电容组包括固定设置在所述基板上的第一感测电容板，设置在所述检测质量块上与所述第一感测电容板相应位置的第二感测电容板，当所述电容式加速度计存在一与基板表面平行的第一方向的加速度时，所述第一梳齿状电容组的电容发生变化。

进一步，所述电容式加速度计包括至少一个第二梳齿状电容组，所述第二梳齿状电容组包括固定设置在所述基板上的第一感测电容板，设置在所述检测质量块上与所述第一感测电容板相应位置的第二感测电容板，当所述电容式加速度计存在一与基板表面平行的第二方向的加速度时，所述第二梳齿状电容组的电容发生变化，所述第一方向与所述第二方向垂直。

进一步，所述基板及支撑基座的材料为绝缘材料。所述检测质量块的材料为半导体或导体。

本发明的优点在于，所述支撑基座到所述支撑中心的平均距离与所述电极到所述电极中心的平均距离相等，导致电极间隙变化减小，从而使灵敏度变化减小，灵敏度更加稳定。

附图说明

附图1所示为本发明电容式加速度计第一具体实施方式的结构示意图；

附图2所示为本发明检测质量块与电极的位置示意图；

附图3所示为本发明电容式加速度计的第二具体实施方式的结构示意图；

附图4所示为本发明电容式加速度计第三具体实施方式的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的电容式加速度计的具体实施方式做详细说明。

附图1所示为本发明电容式加速度计第一具体实施方式的结构示意图，附图2所示为本发明检测质量块与电极的位置示意图。参见附图1及附图2所示，电容式加速度计100包括基板1，检测质量块2及至少一个支撑基座3。

所述支撑基座3固定在所述基板1上。所述支撑基座3具有一支撑中心（附图中未标示），所述支撑中心为支撑基座3形成的中心，例如，支撑基座3呈中心对称设置，则支撑中心为支撑基座的对称中心。例如，所述支撑基座3为两个的时候，所述支撑中心3即为两个支撑基座3连线的中心。在本具体实施方式中，所述支撑基座3为两个。一般情况下，所述支撑基座3均对称分布，以便于更好地支撑检测质量块2。

所述检测质量块2通过一相对设置的弹片4以非对称的方式悬置在所述支撑基座3上，在本具体实施方式中，所述检测质量块2通过两个弹片4分别连接在两个支撑基座3的表面。所述非对称的方式指的，以两个支撑基座3的连线为分界线，检测质量块2位于两个支撑基座3的连线两侧的质量不相等，检测质量块2位于两个支撑基座3的连线一侧的质量大于检测质量块2位于两个支撑基座3的连线另一侧的质量。检测质量块2位于两个支撑基座3的连线两侧的质量不相等可以但不限于通过以下方式实现：检测质量块2位于两个支撑基座3的连线一侧的体积大于检测质量块2位于两个支撑基座3的连线另一侧的体积，从而使得检测质量块2体积较大的一侧的质量较大；或者在检测质量块2位于两个支撑基座3的连线一侧设置质量块，使得检测质量块2的两侧出现质量差。

所述基板1包括至少两个电极5，在附图1中采用虚线表示。所述电极5分别对应于所述检测质量块2质量较大的一侧和质量较小的一侧，用于与所述检测质量块形成电容。当所述电容式加速度计100存在一与基板1平面垂直方向的加速度时，例如， Z轴方向的加速度，所述检测质量块2以所述弹片21所在直线为轴发生旋转，质量较大的一侧向基板1倾斜，质量较小的一侧远离基板1，在这种情况下，检测质量块2与电极5之间的电容发生变化，通过测量差分电容，可以测量电容式加速度计100在Z轴方向的加速度，从而检测安放有该电容式加速度计100的物体在Z轴方向的加速度。

所述电极5具有一电极中心（附图中未标示），所述电极中心为至少两个电极5形成的中心，例如，至少两个电极5呈中心对称设置，则电极中心为电极5的对称中心，例如，在本具体实施方式中，所述电极5为四个，所述四个电极5分别放在虚拟的正方形顶点，则电极中心即为该正方形的中心；在本发明其他实施方式中，所述电极5为两个，则所述电极中心为两个电极5连线中点。一般情况下，所述电极5均成对出现，分别设置在检测质量块2质量较大的一侧和质量较小的一侧，当检测质量块2发生旋转时，两侧的电容变化不同，从而可以测量该差分电容来测量加速度。

所述支撑中心与所述电极中心重合，当然，在误差允许的范围内，所述支撑中心与所述电极中心近似重合。在设计电容式加速度计100的时候，为了保证电容式加速度计100整体的平衡性，所述支撑中心及电极中心会尽量与所述检测质量块2的旋转中心重合，从而，所述支撑基座中心与所述电极中心重合或近似重合。

每个支撑基座3到所述支撑中心具有一距离，该距离具有一平均数即为平均距离，在本发明中，为便于后续描述，定义该平均距离为L1。在本具体实施方式中，所述两个支撑基座3到支撑中心的距离相等，即等于平均距离L1，标示于图1中。

每个电极5到所述电极中心具有一距离，该距离具有一平均数即为平均距离，在本发明中，为便于后续描述，定义该平均距离为L2。在本具体实施方式中，所述四个电极5位于虚拟正方形的顶点，所述电极中心为所述虚拟正方形中心，每个电极5到该电极中心距离相等，即等于平均距离L2，标示于图1中。

如附图2所示，电极5与位于电极5上方的检测质量块2间具有一距离M，相当于电容两个极板之间的距离。当检测质量块2受到Z轴方向的力时，距离M发生变化，距离M的变化定义为dM，所述距离变化dM满足以下关系式：

dM/M=K/2*L1²- K/2*L2²（1）

其中，所述K为基板1的曲率，在基板1材质及形状不变的情况下，所述曲率K不变，L1为支撑基座3到支撑中心的平均距离，L2为电极5到电极中心的平均距离。

电容式加速度计100在Z轴方向的灵敏度S的变化，在本发明中定义为dS，所述灵敏度变化dS与电极5与检测质量块2间的距离的变化dM满足以下关系：

dS/S= (dM/M)² （2）

结合公式（1）与公式（2），可以得出公式（3）：

dS/S= K²/4*（L1²- L2²）² （3）

从公式（3）可以看出，灵敏度变化dS与支撑基座3到支撑中心的平均距离L1及电极5到电极中心的平均距离L2的平方差的平方成正比，也就是说，支撑基座3到支撑基座中心的平均距离L1及电极5到电极中心的平均距离L2的平方差的平方越小，灵敏度变化dS越小，灵敏度S越稳定。在本发明中，支撑基座3到支撑基座中心的平均距离L1，电极5到电极中心的平均距离L2相等，在误差允许的范围内，支撑基座3到支撑基座中心的平均距离L1，电极5到电极中心的平均距离L2近似相等，则电容式加速度计100在Z轴方向的灵敏度不变或者变化很小，从而电容式加速度计100在Z轴方向的灵敏度趋于稳定。

在本具体实施方式中，所述电容式加速度计100进一步包括至少一个第一梳齿状电容组6，在本具体实施方式中，包括两个第一梳齿状电容组6。所述两个第一梳齿状电容组6沿两个支撑基座3连线的方向两两相对设置。所述第一梳齿状电容组6包括固定设置在所述基板1上的第一感测电容板61，设置在所述检测质量块2上与所述第一感测电容板61相应位置的第二感测电容板62。当所述电容式加速度计100存在一与基板1表面平行的第一方向的加速度时，所述检测质量块2沿平行于基板1平面的第一方向发生移动，所述第一感测电容板61与所述第二感测电容板62的正对面积发生变化，从而导致第一梳齿状电容组6的电容值发生变化。因此，通过测量第一梳齿状电容组的电容值的变化，就可以感测出电容式加速度计100的加速度。在本发明中，所述第一方向指的是X轴方向。

在本具体实施方式中，进一步所述电容式加速度计100包括至少一个第二梳齿状电容组7，在本具体实施方式中，包括两个第二梳齿状电容组7。所述两个第二梳齿状电容组7沿垂直两个支撑基座3连线的方向两两相对设置。所述第二梳齿状电容组7包括固定设置在所述基板1上的第一感测电容板71，设置在所述检测质量块2上与所述第一感测电容板71相应位置的第二感测电容板72。当所述电容式加速度计100存在一与基板1表面平行的第二方向的加速度时，所述检测质量块2在平行于基板平面的第二方向发生移动，所述第一感测电容板71与所述第二感测电容板72的距离发生变化，导致所述第二梳齿状电容组7的电容发生变化，所述第一方向与所述第二方向垂直。因此，通过测量第二梳齿状电容组7的电容值的变化，就可以感测出电容式加速度计100的加速度。在本发明中，所述第二方向指的是Y轴方向。

所述基板1及支撑基座3的材料可以是绝缘材料，如玻璃或陶瓷，所述检测质量块2的材料可以是半导体或导体，例如是硅。

附图3所示为本发明电容式加速度计的第二具体实施方式的结构示意图。参见附图3所示，在本发明第二具体实施方式中，所述电容式加速度计还包括一框架8，所述框架8通过相对设置的柔性结构9连接到所述支撑基座3上，所述检测质量块2通过相对设置弹片4连接到框架8上。四个电极5位于两个支撑基座3之间。支撑基座3到支撑中心的平均距离L1，电极5到电极中心的平均距离L2如图中的标示，当L1与L2相等时，所述电容式加速度计100的灵敏度最稳定。

附图4所示为本发明电容式加速度计第三具体实施方式的结构示意图，参见图4所示，在本具体实施方式中，所述支撑基座3为一个，则所述支撑中心即为所述支撑基座3所在的位置，即支撑基座3到支撑中心的平均距离L1为零。所述电极5为四个，所述电极中心与所述支撑中心重合，为了使电容式加速度计灵敏度稳定，在不影响其他器件的情况下，所述电极5到电极中心的平均距离L2越小越好。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种电容式加速度计，包括基板、检测质量块及至少一个支撑基座，所述支撑基座固定在所述基板上，所述检测质量块通过一相对设置的弹片以非对称的方式悬置在所述支撑基座的表面，在所述基板上相对设置有至少两个电极，所述电极分别对应于所述检测质量块质量较大的一侧和质量较小的一侧，用于与所述检测质量块形成电容，其特征在于，所述支撑基座具有一支撑中心，所述电极具有一电极中心，所述支撑中心与所述电极中心重合，且所述支撑基座到所述支撑中心的平均距离与所述电极到所述电极中心的平均距离相等或近似相等。

2.根据权利要求1所述的电容式加速度计，其特征在于，所述支撑中心为支撑基座中心对称的中心。

3.根据权利要求1所述的电容式加速度计，其特征在于，所述电极中心为电极中心对称的中心。

4.根据权利要求1所述的电容式加速度计，其特征在于，所述电容式加速度计进一步包括至少一个第一梳齿状电容组，所述第一梳齿状电容组包括固定设置在所述基板上的第一感测电容板，设置在所述检测质量块上与所述第一感测电容板相应位置的第二感测电容板，当所述电容式加速度计存在一与基板表面平行的第一方向的加速度时，所述第一梳齿状电容组的电容发生变化。

5.根据权利要求4所述的电容式加速度计，其特征在于，所述电容式加速度计进一步包括至少一个第二梳齿状电容组，所述第二梳齿状电容组包括固定设置在所述基板上的第一感测电容板，设置在所述检测质量块上与所述第一感测电容板相应位置的第二感测电容板，当所述电容式加速度计存在一与基板表面平行的第二方向的加速度时，所述第二梳齿状电容组的电容发生变化，所述第一方向与所述第二方向垂直。

6.根据权利要求1所述的电容式加速度计，其特征在于，所述基板及支撑基座的材料为绝缘材料。

7.根据权利要求1所述的电容式加速度计，其特征在于，所述检测质量块的材料为半导体或导体。