CN104614553A - 一种加速度计中的z轴结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种加速度计中的Z轴结构，包括相对于衬底在Z轴方向上来回移动的质量块，所述质量块的侧壁上设置有第一可动电极极片、第二可动电极极片；还分别设有朝由X轴、Y轴组成的平面方向伸出的第一固定电极极片、第二固定电极极片。本发明的Z轴加速度计，摒弃了下极板结构，从而摆脱了下极板对Z轴加速度计的限制，使质量块的运动模式不再是跷跷板式的运动，而是在Z轴方向上、下平动，减小了Z轴加速度计的寄生电容，提高了检测的精度；避免可动质量块与衬底的接触，提高了芯片的可靠性；由于质量块和固定电极在同一层上，首先可以达到比传统Z轴结构更好的一致性，而且可以将锚点设计的更为集中，降低芯片对温度和应力变化的敏感度。

Description

一种加速度计中的Z轴结构
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，尤其涉及一种加速度计中的Z轴结构。
背景技术
以往的Z轴加速度计都是平板电容式的，质量块的运动模式是类似跷跷板的结构。参考图1，在质量块1下方的衬底4上，会有金属或多晶硅做的第一平板电极2、第二平板电极3，质量块1与两块电极分别形成两个电容C1、C2。在无加速度输入的情况下，质量块1与第一平板电极2、第二平板电极3之间的距离均相等，此时C1和C2的值相等。
如有加速度输入的情况下，质量块1不再平衡，会发生类似跷跷板一样的翻转，所述质量块1一边向下，一边向上，此时，质量块1到第一平板电极2之间的距离，与其到第二平板电极3之间的距离不再相等，参考图2的视图方向，C1减小，而C2增大，而C1和C2的差值与输入的加速度成正比，输出的正负号反映输入加速度的方向。
上述结构的Z轴加速度计存在以下几个缺陷：
a)工艺复杂度和成本：XY轴向的加速度计，目前都是平面内的梳齿电容方案，所以对于XY轴加速度计来说，不用引入衬底上的平板电极。上述Z轴加速度计的方案完全不同，一定要有衬底上的平板电极。也就是，为了实现Z轴加速度计的设计，要多加一层平板电极，增加工艺的复杂度和成本。
b)精度：平板电极在衬底上，所以Z轴加速度计寄生电容比较大，进而影响Z轴加速度计的精度；而XY轴加速度计，由于电容极板悬空，所以寄生电容一般会比Z轴加速度计小一半以上，所以一般XY轴加速度计的精度会比Z轴高。
c)可靠性：Z轴加速度计的可靠性一直是一个比较棘手的问题，由于下极板是Z轴加速度计必需的一部分，必须将质量块与下极板的间距控制在很小的尺寸内，结果造成质量块很容易接触到衬底或下电极，甚至粘在衬底上，不能分开，导致芯片完全的失效。
d)芯片面积：Z轴加速度计使用平板电容结构，会占用比较大的面积，一般在三轴加速度计中，Z轴加速度计占用的面积在40％以上。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供了一种加速度计中的Z轴结构。
为了实现上述的目的，本发明的技术方案是：一种加速度计中的Z轴结构，包括衬底，还包括：
通过侧壁连接的弹性梁支撑在衬底上方，相对于衬底在Z轴方向上来回平动的质量块，其中所述质量块的侧壁上设置有第一可动电极极片、第二可动电极极片；
设置在衬底上的第一固定电极极片、第二固定电极极片，所述第一固定电极极片、第二固定电极极片朝由X轴、Y轴组成的平面方向延伸；
所述第一可动电极极片与第一固定电极极片的侧壁相对，构成第一Z轴检测电容；所述第二可动电极极片与第二固定电极极片的侧壁相对，构成第二Z轴检测电容；
其中，初始状态下，第一固定电极极片其中一端的端面低于第一可动电极极片相同端的端面；而第二固定电极极片中与第一固定电极极片相同端的端面高于第二可动电极极片中与第一固定电极极片相同端的端面。
优选的是，所述质量块上设置有通孔，第一可动电极极片、第二可动电极极片设置在质量块通孔的侧壁上。
优选的是，初始状态下，第一固定电极极片的上端面低于第一可动电极极片的上端面；第二固定电极极片的上端面高于第二可动电极极片的上端面。
优选的是，初始状态下，第一固定电极极片的下端面与第一可动电极极片的下端面齐平；第二固定电极极片的下端面与第二可动电极极片的下端面齐平。
优选的是，初始状态下，所述第一固定电极极片、第一可动电极极片、第二固定电极极片、第二可动电极极片的下端面均齐平。
优选的是，初始状态下，所述第一固定电极极片的下端面低于第一可动电极极片的下端面；所述第二固定电极极片的下端面高于第二可动电极极片的下端面。
优选的是，所述第一固定电极极片、第一可动电极极片设有多个，多个第一可动电极极片沿着质量块的侧壁分布；多个第一固定电极极片、第一可动电极极片构成梳齿电容结构。
优选的是，所述第二固定电极极片、第二可动电极极片分别有多个，多个第二可动电极极片沿着质量块的侧壁分布；多个第二固定电极极片、第二可动电极极片构成梳齿电容结构。
优选的是，所述第一固定电极极片、第二固定电极极片在衬底上平行布置。
优选的是，所述第一可动电极极片、第二可动电极极片与质量块一体成型。
本发明的Z轴加速度计，摒弃了下极板结构，从而摆脱了下极板对Z轴加速度计的限制，使质量块的运动模式不再是跷跷板式的运动，而是在Z轴方向上、下平动，减小了Z轴加速度计的寄生电容，提高了检测的精度。而且，由于摒弃了下极板结构，减小了其占用的芯片面积，降低了制造工艺的复杂程度和成本,提高了芯片的可靠性。而且，该Z轴结构，避免了质量块与衬底的接触，提高了芯片的可靠性；由于质量块和固定电极在同一层上，首先可以达到比传统Z轴结构更好的一致性，而且可以将锚点设计的更为集中，降低芯片对温度和应力变化的敏感度。
附图说明
图1示出了现有技术中Z轴结构的结构示意图。
图2示出了图1中质量块发生偏转时的示意图。
图3示出了本发明Z轴结构的示意图。
图4a示出了本发明质量块位于初始状态时的运动模态示意图。
图4b示出了本发明质量块受到Z轴负方向加速度时的运动模式示意图。
图4c示出了本发明质量块受到Z轴正方向加速度时的运动模式示意图。
图5a至图5c示出了本发明Z轴检测电容的原理图。
图6a至图6c示出了本发明Z轴检测电容另一实施结构的原理图。
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。
传统结构的加速度计，其X轴、Y轴方向均采用平动方式，而Z轴均采用跷跷板式的偏转方式，相对于传统Z轴加速度计结构，本发明提供了一种加速度计中的Z轴结构，可以用来检测垂直方向上的Z轴加速度信号。参考图3、图4a，包括衬底4，在该衬底上可以排布加速度计的各功能部件等。质量块1可以通过弹性梁5连接到在衬底4上的锚点6上，具体地，所述质量块1的侧壁通过弹性梁5连接在衬底4的锚点6上。在具体工艺中，为了使质量块1与衬底4之间具有足够的间隙，还可通过隔离部将锚点6垫高。当质量块1在受到相应的力时，可以相对于衬底4上、下移动，更准确地说，当质量块1受到Z轴方向的加速度时，使得质量块1可以在Z轴方向上往上或往下移动。
以图4a的视图方向为参考，往上为Z轴的正方向，往下则为Z轴的负方向。当质量块1受到Z轴负方向的力时，质量块1在弹性梁的作用下往下移动，做向下拉伸弹性梁的动作，参考图4b。当质量块1受到Z轴正方向的力时，则质量块1在弹性梁的作用下往上移动，做向上拉伸弹性梁的动作，参考图4c。为了防止质量块1发生偏转，以设置多个弹性梁进行稳定地支撑，在此不再具体说明。
在所述质量块1的侧壁上设置有第一可动电极极片10、第二可动电极极片11，该第一可动电极极片10、第二可动电极极片11和质量块1是一体的，作为差分检测电容的公用极片使用。当质量块1受到外力朝向Z轴方向发生位移时，第一可动电极极片10、第二可动电极极片11随着质量块1同步运动。该第一可动电极极片10、第二可动电极极片11可以设置在质量块1的边缘，优选的是，所述质量块1上设置有通孔，第一可动电极极片10、第二可动电极极片11设置在质量块1通孔的侧壁上。
为了能与第一可动电极极片10、第二可动电极极片11分别组成检测电容，在衬底4上还设置有第一固定电极2、第二固定电极3，所述第一固定电极2、第二固定电极3的边缘分别设有向外延伸的第一固定电极极片20、第二固定电极极片30。该第一固定电极2与第一固定电极极片20是一体成型，第二固定电极3与第二固定电极极片30也是一体成型的。其中，第一固定电极极片20、第二固定电极极片30位于由X轴、Y轴构成的平面方向内，也就是说，第一固定电极极片20、第二固定电极极片30的延伸方向与质量块1的运动方向是垂直的。
例如，在本发明一个具体的实施例中，第一固定电极极片20可以在X轴方向延伸，第二固定电极极片30也可以在X轴方向延伸，此时，第一固定电极2、第二固定电极3可以是平行地布置在衬底4上。当然第二固定电极极片30也可以在Y轴方向延伸，只要是与质量块1的运动方向基本垂直即可。
其中，第一可动电极极片10与第一固定电极极片20侧壁相对，构成第一Z轴检测电容；也就是说，两个极片中位于XZ或者YZ平面内的侧壁相对，使得第一可动电极极片10随着质量块1在Z轴方向发生位移时，两个极片侧壁之间相对的面积与位置会发生变化，从而使得第一Z轴检测电容发生变化。
基于同样的道理，第二可动电极极片11与第二固定电极极片30的侧壁相对，构成第二Z轴检测电容；也就是说，两个极片中位于XZ或者YZ平面内的侧壁相对，使得第二可动电极极片11随着质量块1在Z轴方向发生位移时，两个极片侧壁之间相对的面积与位置会发生变化，从而使得第二Z轴检测电容发生变化。
为了使第一Z轴检测电容、第二Z轴检测电容可以构成差分电容结构，在初始状态下，第一固定电极极片20其中一端的端面低于第一可动电极极片10相同端的端面；而第二固定电极极片30中与第一固定电极极片20相同端的端面高于第二可动电极极片11中与第一固定电极极片20相同端的端面。
例如在本发明一个具体的实施例中，第一固定电极极片20的上端面低于第一可动电极极片10的上端面；第二固定电极极片30的上端面高于第二可动电极极片11的上端面。例如可以通过刻蚀的方式，来减小第一可动电极极片10的厚度等。
此时，各极片的下端面可以是齐平的，也可以是层次不齐的。现在针对两种情况分别进行介绍。
在本发明的一个具体的实施例中，第一固定电极极片20的下端面与第一可动电极极片10的下端面齐平；第二固定电极极片30的下端面与第二可动电极极片11的下端面齐平。也就是说，在该实施例中，参考图5a，第一固定电极极片20的上端面低于第一可动电极极片10的上端面，两个极片的下端面齐平；而第二固定电极极片30的上端面高于第二可动电极极片11的上端面，两个极片的下端面齐平；在本发明一个优选的技术方案中，为了便于制造，所述第一固定电极极片20、第一可动电极极片10、第二固定电极极片30、第二可动电极极片11的下端面均齐平。
当质量块1受到Z轴负方向的加速度时，参考图4b、图5b，质量块1拉伸弹性梁向下发生位移，此时，第一可动电极极片10、第二可动电极极片11随着质量块1向下发生位移。由于第二可动电极极片11与第二固定电极极片30之间正对的面积减小，故第二Z轴检测电容C2减小；而由于第一可动电极极片10向下发生位移，使得第一固定电极极片20的下端与第一可动电极极片10之间具有更多的电场线相交，使得该处的边缘电容增加，最终使得由第一可动电极极片10、第一固定电极极片20组成的第一Z轴检测电容C1整体增加。第一Z轴检测电容C1与第二Z轴检测电容C2之间构成了差分电容结构，用于检测Z轴负方向的加速度信号。
当质量块1受到Z轴正方向的加速度时，参考图4c、图5c，质量块1拉伸弹性梁向上发生位移，此时，第一可动电极极片10、第二可动电极极片11随着质量块1向上发生位移。由于第一可动电极极片10与第一固定电极极片20之间正对的面积减小，故第一Z轴检测电容C1减小；而由于第二可动电极极片11向上发生位移，使得第二可动电极极片11的下端与第二固定电极极片30之间具有更多的电场线相交，使得该处的边缘电容增加，最终使由第二可动电极极片11、第二固定电极极片30组成的第二Z轴检测电容C2整体增加。第一Z轴检测电容C1与第二Z轴检测电容C2之间构成了差分电容结构，用于检测Z轴正方向的加速度信号。
本发明的Z轴结构，摒弃了下极板结构，从而摆脱了下极板对Z轴加速度计的限制，使质量块的运动模式不再是跷跷板式的运动，而是在Z轴方向上、下平动，减小了Z轴加速度计的寄生电容，提高了检测的精度。而且，由于摒弃了下极板结构，减小了其占用的芯片面积，降低了制造工艺的复杂程度和成本。而且，该Z轴结构，避免了质量块与衬底的接触，提高了芯片的可靠性；由于质量块和固定电极在同一层上，首先可以达到比传统Z轴结构更好的一致性，而且可以将锚点设计的更为集中，降低芯片对温度和应力变化的敏感度。
在本发明的另一实施例中，所述第一固定电极极片20、第一可动电极极片10、第二固定电极极片30、第二可动电极极片11的下端面不是齐平的。
例如，所述第一固定电极极片20的下端面低于第一可动电极极片10的下端面；所述第二固定电极极片30的下端面高于第二可动电极极片11的下端面。参考图6a，在初始状态时，第一固定电极极片20的上端面低于第一可动电极极片10的上端面，而第一固定电极极片20的下端面低于第一可动电极极片10的下端面；第二固定电极极片30的上端面高于第二可动电极极片11的上端面，第二固定电极极片30的下端面高于第二可动电极极片11的下端面。
当质量块1受到Z轴负方向的加速度时，参考图4b、图6b，质量块1拉伸弹性梁向下发生位移，此时，第一可动电极极片10、第二可动电极极片11随着质量块1向下发生位移。第一可动电极极片10与第一固定电极极片20之间正对的面积增加，从而使得第一Z轴检测电容C1增加；而第二可动电极极片11与第二固定电极极片30之间的正对面积减小，从而使得第二Z轴检测电容C2减小，最终使得第一Z轴检测电容C1与第二Z轴检测电容C2之间构成了差分电容结构，用于检测Z轴正方向的加速度信号。
当质量块1受到Z轴正方向的加速度时，参考图4c、图6c，质量块1拉伸弹性梁向上发生位移，此时，第一可动电极极片10、第二可动电极极片11随着质量块1向上发生位移。第一可动电极极片10与第一固定电极极片20之间正对的面积减小，从而使得第一Z轴检测电容C1减小；而第二可动电极极片11与第二固定电极极片30之间的正对面积增加，从而使得第二Z轴检测电容C2增大，最终使得第一Z轴检测电容C1与第二Z轴检测电容C2之间构成了差分电容结构，用于检测Z轴正方向的加速度信号。
本发明中，所述第一固定电极极片20、第一可动电极极片10可以分别有多个，分别沿着第一固定电极2、质量块1的侧壁分布；多个第一固定电极极片20、第一可动电极极片10之间构成了梳齿电容结构，提高了检测的精度。基于同样的道理，所述第二固定电极极片30、第二可动电极极片11也可以分别设置多个，分别沿着第二固定电极3、质量块1的侧壁分布；该多个第二固定电极极片30、第二可动电极极片11构成梳齿电容结构，提高了检测的精度。
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。例如上述中“上端面”、“下端面”都时相对的概念，只是便于描述才进行了区分，在本说明书中，不应该用来限定本申请的保护范围，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 (10)

1.一种加速度计中的Z轴结构，包括衬底(4)，其特征在于，还包括：
通过侧壁连接的弹性梁(5)支撑在衬底(4)上方，相对于衬底(4)在Z轴方向上来回平动的质量块(1)，其中所述质量块(1)的侧壁上设置有第一可动电极极片(10)、第二可动电极极片(11)；
设置在衬底(4)上的第一固定电极极片(20)、第二固定电极极片(30)，所述第一固定电极极片(20)、第二固定电极极片(30)朝由X轴、Y轴组成的平面方向延伸；
所述第一可动电极极片(10)与第一固定电极极片(20)的侧壁相对，构成第一Z轴检测电容；所述第二可动电极极片(11)与第二固定电极极片(30)的侧壁相对，构成第二Z轴检测电容；
其中，初始状态下，第一固定电极极片(20)其中一端的端面低于第一可动电极极片(10)相同端的端面；而第二固定电极极片(30)中与第一固定电极极片(20)相同端的端面高于第二可动电极极片(11)中与第一固定电极极片(20)相同端的端面。
2.根据权利要求1所述的Z轴结构，其特征在于：所述质量块(1)上设置有通孔，第一可动电极极片(10)、第二可动电极极片(11)设置在质量块(1)通孔的侧壁上。
3.根据权利要求1所述的Z轴结构，其特征在于：初始状态下，第一固定电极极片(20)的上端面低于第一可动电极极片(10)的上端面；第二固定电极极片(30)的上端面高于第二可动电极极片(11)的上端面。
4.根据权利要求3所述的Z轴结构，其特征在于：初始状态下，第一固定电极极片(20)的下端面与第一可动电极极片(10)的下端面齐平；第二固定电极极片(30)的下端面与第二可动电极极片(11)的下端面齐平。
5.根据权利要求4所述的Z轴结构，其特征在于：初始状态下，所述第一固定电极极片(20)、第一可动电极极片(10)、第二固定电极极片(30)、第二可动电极极片(11)的下端面均齐平。
6.根据权利要求3所述的Z轴结构，其特征在于：初始状态下，所述第一固定电极极片(20)的下端面低于第一可动电极极片(10)的下端面；所述第二固定电极极片(30)的下端面高于第二可动电极极片(11)的下端面。
7.根据权利要求1至6任一项所述的Z轴结构，其特征在于：所述第一固定电极极片(20)、第一可动电极极片(10)设有多个，多个第一可动电极极片(10)沿着质量块(1)的侧壁分布；多个第一固定电极极片(20)、第一可动电极极片(10)构成梳齿电容结构。
8.根据权利要求7所述的Z轴结构，其特征在于：所述第二固定电极极片(30)、第二可动电极极片(11)分别有多个，多个第二可动电极极片(11)沿着质量块(1)的侧壁分布；多个第二固定电极极片(30)、第二可动电极极片(11)构成梳齿电容结构。
9.根据权利要求8所述的Z轴结构，其特征在于：所述第一固定电极极片(20)、第二固定电极极片(30)在衬底(4)上平行布置。
10.根据权利要求1所述Z轴结构，其特征在于：所述第一可动电极极片(10)、第二可动电极极片(11)与质量块(1)一体成型。
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