CN104459204B - 惯性测量模块及三轴加速度计 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种惯性测量模块及三轴加速度计，包括位于基板上的第一极片，以及通过弹性十字梁悬空连接在基板上方的质量块；所述弹性十字梁包括第一弹性梁、第二弹性梁，第二弹性梁的两端连接在基板的锚点上，第一弹性梁的两端连接质量块；所述第一弹性梁和/或第二弹性梁的中心偏离质量块的重心；所述质量块在Y轴、X轴方向上还设置有第一可动电极、第二可动电极；本发明的惯性测量模块，平面内的某一轴(X轴、Y轴)的运动不会受到结构偏心特性的影响，使得X轴、Y轴的运动均是线运动，从而不会加剧轴间的耦合；另一方面也不会降低质量块在X轴、Y轴上的位移量，提高了电容检测的精度。
Description
技术领域
本发明属于微机电(MEMS)领域，更准确地说，涉及一种微机电的惯性测量模块，本发明还涉及一种三轴加速度计。
背景技术
微机电加速度计是基于MEMS技术的惯性器件,用于测量物体运动的线运动加速度。它具有体积小、可靠性高、成本低廉、适合大批量生产等特点,因此具有广阔的市场前景,其应用领域包括消费电子、航空航天、汽车、医疗设备和武器等等。
目前三轴加速度计通常有两种实现方式，一种是拼凑的方法，将三个单轴结构或者一个双轴和一个单轴两个结构组合在一起实现三个轴向加速度的测量。第二种是采用单结构实现三轴加速度的测量。在单结构实现方案中一般通过偏心结构测量z轴加速度，在此种方案中除了z轴检测运动利用了结构的偏心特征，在平面内某一轴(如x轴或y轴)的检测运动也会受到结构偏心特征的影响，因而其运动实际为摆动而不是线运动，这种运动方式一方面会加剧轴间耦合，另一方面会减小电容变化量，从而大大降低了检测的精度。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供了一种结构简单、测量精度高的惯性测量模块。
为了实现上述的目的，本发明的技术方案是：一种惯性测量模块，包括：
基板，以及位于基板上作为下电极的第一极片，
悬空在基板上方的质量块；所述质量块上设有与第一极片组成Z轴检测电容的上电极；
用于连接基板和质量块的弹性十字梁，所述弹性十字梁包括第一弹性梁以及第二弹性梁，其中，第二弹性梁的两端连接在基板的锚点上，第一弹性梁的两端连接质量块；或者是，第一弹性梁的两端连接在基板的锚点上，第二弹性梁的两端连接质量块；所述第一弹性梁和/或第二弹性梁的中心偏离质量块的重心；
所述质量块在Y轴、X轴方向上还设置有第一可动电极、第二可动电极；所述基板上设置有用于与第一可动电极、第二可动电极分别组成Y轴检测电容、X轴检测电容的第一固定电极、第二固定电极。
优选的是，所述第一弹性梁位于X轴方向上，所述第二弹性梁位于Y轴方向上。
优选的是，所述质量块设置有通孔，所述第一弹性梁连接在通孔的侧壁上。
优选的是，所述第二弹性梁位于质量块Y轴方向的中线上，所述第一弹性梁偏离质量块X轴方向的中线。
优选的是，所述第一弹性梁位于质量块X轴方向的中线上，所述第二弹性梁偏离质量块Y轴方向的中线。
优选的是，所述第一极片的数量有两个，对称分布在第一弹性梁的两侧。
优选的是，所述第一可动电极和/或第二可动电极分别设置有两个，分别位于质量块相对的两侧。
优选的是，第一可动电极与第一固定电极之间和/或第二可动电极与第二固定电极之间构成梳齿电容结构。
本发明还提供了一种三轴加速度计，包括两个结构对称的上述惯性测量模块；还包括将两个惯性测量模块中的质量块连接起来的连接梁。
优选的是，所述连接梁包括位于X轴方向上的横梁，还包括位于Y轴方向上、一端与横梁连接一端与质量块侧壁连接的纵梁；所述纵梁与第二弹性梁在一条直线上。
本发明的惯性测量模块，平面内的某一轴(X轴、Y轴)的运动不会受到结构偏心特性的影响，使得X轴、Y轴的运动均是线运动，从而不会加剧轴间的耦合；另一方面也不会降低在质量块在X轴、Y轴上的位移量，从而提高了电容检测的精度。
附图说明
图1示出了本发明惯性测量模块的结构示意图。
图2示出了本发明三轴加速度计的结构示意图。
图3示出了本发明惯性测量模块另一实施例的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明解决的技术问题、采用的技术方案、取得的技术效果易于理解，下面结合具体的附图，对本发明的具体实施方式做进一步说明。
参考图1，本发明提供了一种三轴加速度计中的惯性测量模块，包括基板(视图未给出)，在该基板上可以布图惯性测量模块的电路等部件。该基板上设置有作为下电极的第一极片4(视图中以虚线表示)。
本发明的惯性测量模块还包括位于基板上方的质量块1，以及将该质量块1支撑在基板上方的支撑系统5。该支撑系统5为一弹性十字梁，其包括第一弹性梁12以及第二弹性梁11，该第一弹性梁12和第二弹性梁11十字交叉固定在一起，优选的是，固定连接点位于两条弹性梁的中部，进一步优选的是，所述第一弹性梁12位于X轴方向上，所述第二弹性梁11位于Y轴方向上。其中，第二弹性梁11的两端连接在基板的锚点6上，而第一弹性梁12的两端连接质量块1。通过第一弹性梁12、第二弹性梁11、锚点6将质量块1支撑在基板的上方，使得质量块1处于悬空的状态。在本发明一个具体的实施例中，所述质量块1上设置有通孔，所述第一弹性梁12的两端连接在通孔的内壁上。当然也可以是，参考图3，第一弹性梁12的两端连接在基板的锚点6上，而第二弹性梁11的两端连接质量块1。
在此需要提醒注意的时，本发明只是为了便于描述第一弹性梁12和第二弹性梁11之间的关系，将第一弹性梁12定为X轴方向，将第二弹性梁11定为Y轴方向，当然，也可以将第一弹性梁12定为Y轴方向，第二弹性梁11定为X轴方向，二者之间是相对的。
本发明的惯性测量模块，所述质量块1在Y轴、X轴方向上还分别设置有第一可动电极9、第二可动电极10；该两个可动电极固定在质量块1上，例如可以设置在质量块1的边缘，并可随着质量块的运动而同步运动。对应地，所述基板上设置用于与第一可动电极9、第二可动电极10分别组成Y轴检测电容、X轴检测电容的第一固定电极2、第二固定电极3。该两个固定电极固定安装在基板上，当两个可动电极随着质量块1发生运动时，改变固定电极与可动电极之间的面积或距离，从而改变相应电容的电容量，以实现该方向上加速度的测量。
其中，所述第一可动电极9设置有两个，分别位于质量块1相对的两侧。参考图1的视图方向，两个第一可动电极9分别设置在质量块1的上端和下端，对应地，基板上设置有与两个第一可动电极9配合的两个第一固定电极2，当有Y轴方向加速度时，质量块沿着Y轴方向运动，使得其中一个第一可动电极9与第一固定电极2之间的面积或距离变大，而另一个第一可动电极9与第一固定电极2之间的面积或距离变小，该两个Y轴检测电容构成了差分电容结构，提高了Y轴加速度检测的精度。
基于同样的道理，所述第二可动电极10也可设置有两个，分别位于质量块1在X轴方向上的两侧。参考图1的视图方向，两个第二可动电极10分别设置在质量块1的左端和右端，对应地，基板上设置有与两个第二可动电极10配合的两个第二固定电极3，当有X轴方向的加速度时，质量块1沿着X轴方向运动，使得其中一个第二可动电极10与第二固定电极3之间的面积或距离变大，而另一个第二可动电极10与第二固定电极3之间的面积或距离变小，该两个X轴检测电容构成了差分电容结构，提高了X轴加速度检测的精度。
第一可动电极9与第一固定电极2之间和/或第二可动电极10与第二固定电极3之间可以采用梳齿状的电容结构，梳齿电容的结构属于现有的技术，在此不再具体说明。
本发明的惯性测量模块，所述第一弹性梁12和/或第二弹性梁11的中心偏离质量块1的重心。使得该惯性测量模块在受到相应外力的时候，可以相对于第一弹性梁12和/或第二弹性梁11发生偏转。
例如，在本发明一个具体的实施例中，所述第一弹性梁12位于质量块1X轴方向的中线上，以图1的视图方向为参考，也就是说该第一弹性梁12到质量块1上端的距离与其到质量块1下端的距离相等；而所述第二弹性梁11偏离质量块1Y轴方向的中线，以图1的视图方向为参考，也就是说，第二弹性梁11到质量块1左端的距离与其到质量块1右端的距离不等。例如，第二弹性梁11偏离至质量块Y轴方向中线的右方，当质量块1遇到相应方向的外力时，由于质量块1与第二弹性梁11之间的偏心设置，使得质量块1可以相对于第二弹性梁11发生转动。
所述质量块1上还设有与第一极片4组成Z轴检测电容的上电极(视图未给出)，在本发明一个优选的实施例中，该质量块1本身就是Z轴检测电容的上电极，此时，质量块1、第一可动电极9、第二可动电极10可作为各自电容的接地极片使用。
第一极片4的数量可以设置两个，对称分布在第一弹性梁12端头的两侧。当Z轴方向有加速度时，质量块1相对于第二弹性梁11发生偏转，也就是说，质量块1绕着第二弹性梁11转动，从而改变质量块1与第一极片4之间的距离，实现Z轴检测电容的变化。质量块1与其中一个第一极片4之间的距离变大，与另一个第一极片4之间的距离变小，使得两个第一极片4与质量块之间可以构成差分电容结构，以提高Z轴加速度检测的精度。当Y轴方向有加速度时，质量块1通过第一弹性梁12的变形在Y轴方向发生位移，从而通过第一可动电极9与第一固定电极2来测量Y轴方向的加速度。当X轴方向有加速度时，质量块1通过第二弹性梁11的变形在X轴方向上发生位移，从而通过第二可动电极10与第二固定电极3来测量X轴方向的加速度。
在本发明的另一实施例中，也可以是第一弹性梁12偏离质量块1X轴方向的中线，以图1的视图方向为参考，也就是说该第一弹性梁12至质量块1上端的距离与其至质量块1下端的距离不相等；而所述第二弹性梁11位于质量块1Y轴方向的中线上，以图1的视图方向为参考，也就是说，第二弹性梁11至质量块1左端的距离与其到质量块1右端的距离相等。例如，第一弹性梁12偏离至质量块X轴方向中线的下方，当质量块1遇到相应方向的外力时，由于质量块1与第一弹性梁12之间的偏心设置，使得质量块1可以相对于第一弹性梁12发生转动。
两个第一极片4对称分布在第二弹性梁11端头的两侧。当Z轴方向有加速度时，质量块1相对于第一弹性梁12发生偏转，也就是说，质量块1绕着第一弹性梁12转动，从而改变质量块1与第一极片4之间的距离，实现Z轴检测电容的变化。质量块1与其中一个第一极片4之间的距离变大，与另一个第一极片4之间的距离变小，使得两个第一极片4与质量块之间可以构成差分电容结构，以提高Z轴加速度检测的精度。当Y轴方向有加速度时，质量块1依然通过第一弹性梁12的变形在Y轴方向发生位移，从而通过第一可动电极9与第一固定电极2来测量Y轴方向的加速度。当X轴方向有加速度时，质量块1依然通过第二弹性梁11的变形在X轴方向上发生位移，从而通过第二可动电极10与第二固定电极3来测量X轴方向的加速度。
本发明的惯性测量模块，平面内的某一轴(X轴、Y轴)的运动不会受到结构偏心特性的影响，使得X轴、Y轴的运动均是线运动，从而不会加剧轴间的耦合；另一方面也不会降低质量块在X轴、Y轴上的位移量，从而提高了电容检测的精度。
本发明的惯性测量模块，可以组合在一起使用，构成三轴加速度计，例如可以通过连接梁将多个惯性测量模块中的质量块1连接起来。
参考图2，以所述第一弹性梁12位于质量块X轴方向的中线上，所述第二弹性梁11偏离质量块Y轴方向的中线为例，所述连接梁包括位于X轴方向上的横梁7，还包括位于Y轴方向上、一端与横梁7连接一端与质量块1侧壁连接的纵梁8。通过横梁7、纵梁8将两个惯性测量模块连接在一起，其中，两个惯性测量模块可以共用一个基板。将两个惯性测量模块组合在一起，可以提高该三轴加速度计的精度。优选的是，所述纵梁7与第二弹性梁11共线，也就是说，纵梁8与第二弹性梁11在一条直线上，以降低纵梁8对质量块沿Z轴方向翻转的影响；更进一步地，所述纵梁8可以采用弹性梁。
本发明已通过优选的实施方式进行了详尽的说明。然而，通过对前文的研读，对各实施方式的变化和增加对于本领域的一般技术人员来说是显而易见的。申请人的意图是所有的这些变化和增加都落在了本发明权利要求所保护的范围中。
Claims (11)
1.一种惯性测量模块，其特征在于，包括：
基板，以及位于基板上作为下电极的第一极片(4)，
悬空在基板上方的质量块(1)；所述质量块(1)上设有与第一极片(4)组成Z轴检测电容的上电极；
用于连接基板和质量块(1)的弹性十字梁，所述弹性十字梁包括第一弹性梁(12)以及第二弹性梁(11)，其中，第二弹性梁(11)的两端连接在基板的锚点(6)上，第一弹性梁(12)的两端连接质量块(1)，或者是第一弹性梁(12)的两端连接在基板的锚点(6)上，第二弹性梁(11)的两端连接质量块(1)；所述第一弹性梁(12)和/或第二弹性梁(11)的中心偏离质量块(1)的重心；
所述质量块(1)在Y轴方向上设置有第一可动电极(9)，在X轴方向上设置有第二可动电极(10)；所述基板上设置有用于与第一可动电极(9)、第二可动电极(10)分别组成Y轴检测电容、X轴检测电容的第一固定电极(2)、第二固定电极(3)。
2.根据权利要求1所述的惯性测量模块，其特征在于：所述第一弹性梁(12)位于X轴方向上，所述第二弹性梁(11)位于Y轴方向上。
3.根据权利要求1所述的惯性测量模块，其特征在于：所述质量块(1)设置有通孔，所述第一弹性梁(12)连接在通孔的侧壁上。
4.根据权利要求2所述的惯性测量模块，其特征在于：所述第二弹性梁(11)位于质量块(1)Y轴方向的中线上，所述第一弹性梁(12)偏离质量块(1)X轴方向的中线。
5.根据权利要求2所述的惯性测量模块，其特征在于：所述第一弹性梁(12)位于质量块(1)X轴方向的中线上，所述第二弹性梁(11)偏离质量块(1)Y轴方向的中线。
6.根据权利要求5所述的惯性测量模块，其特征在于：所述第一极片(4)的数量有两个，对称分布在第一弹性梁(12)的两侧。
7.根据权利要求1所述的惯性测量模块，其特征在于：所述第一可动电极(9)和/或第二可动电极(10)分别设置有两个，分别位于质量块(1)相对的两侧。
8.根据权利要求1所述的惯性测量模块，其特征在于：第一可动电极(9)与第一固定电极(2)之间和/或第二可动电极(10)与第二固定电极(3)之间构成梳齿电容结构。
9.一种三轴加速度计，其特征在于：包括两个结构对称的如权利要求5、6任一项所述的惯性测量模块；还包括将两个惯性测量模块中的质量块(1)连接起来的连接梁。
10.根据权利要求9所述的三轴加速度计，其特征在于：所述连接梁包括位于X轴方向上的横梁(7)，还包括位于Y轴方向上、一端与横梁(7)连接一端与质量块(1)侧壁连接的纵梁(8)；所述纵梁(8)与第二弹性梁(11)在一条直线上。
11.一种三轴加速度计，其特征在于：包括两个结构对称的如权利要求1、2、3、4、7、8任一项所述的惯性测量模块；还包括将两个惯性测量模块中的质量块(1)连接起来的连接梁。
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