CN104764904B - 一种三轴压电加速度计 - Google Patents
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Abstract
一种三轴压电加速度计，涉及加速度计。提供可提高加速度计灵敏度，增加其频率带宽的一种三轴压电加速度计。设有质量块，质量块为八边柱体，在质量块的两对称边上设有左梁、右梁、前梁和后梁，各梁均为长方体，在左梁上表面设有对称分布的4个压电片，在右梁上表面设有对称分布的4个压电片，在前梁上表面设有对称分布的4个压电片，在后梁上表面设有对称分布的4个压电片，各压电片的上方和下方均设有金属电极；质量块与左梁、右梁、前梁和后梁为一体结构。
Description
技术领域
本发明涉及加速度计，尤其是涉及可检测三个方向加速度的一种三轴压电加速度计。
背景技术
加速度计是惯性器件的一种，利用MEMS技术制造的微加速度计由于其体积小、功耗低、重量轻、可靠性好等优点，广泛应用于民用航空、车辆控制、机器人、高铁等领域。微加速度计可分为电容式、电阻式、共振式、隧道效应式、热学式、压电式等，在MEMS中一般使用电容式或电阻式。电容式微加速度计通过测量质量块发生位移移时，上下电容发生变化得到电容变化差，进而得到加速度，为此需要很小的电容极板间隙；电阻式微加速度计通过质量块受惯性力牵引下发生变形时，导致固连的压阻膜也随之发生变形，其电阻值随压阻效应而发生变化。
传统的加速度计多为单轴加速度计，需要三个单轴组装才能检测三轴，因此必然导致体积大、一致性差等缺陷。现有的三轴微加速度计已有不少相关报道。
公开号为CN102798734A的中国专利提供了一种MEMS三轴加速度计的制造方法，它包括敏感器件层、上盖板和下支撑体层；敏感器件层中有三个独立的敏感质量块，分别用于检测X、Y、Z三轴加速度，同时采用梳齿电容结构检测电容变化。
公开号为CN102435780A的中国专利提供了一种单片三轴微机械加速度计，它包括多个带有活动电容极板的敏感质量块，当惯性力使质量块移动时，活动电容极板的位移以及位置发生改变，由此测量各个方向的加速度。
采用压电材料制作的微加速度计在低能耗、简单的检测电路、高灵敏度以及固有温度稳定性方面有很大的优势。
发明内容
本发明的目的在于提供可提高加速度计灵敏度，增加其频率带宽的一种三轴压电加速度计。
本发明设有质量块，质量块为八边柱体，在质量块的两对称边上设有左梁、右梁、前梁和后梁，各梁均为长方体，在左梁上表面设有对称分布的4个压电片，在右梁上表面设有对称分布的4个压电片，在前梁上表面设有对称分布的4个压电片，在后梁上表面设有对称分布的4个压电片，各压电片的上方和下方均设有金属电极；质量块与左梁、右梁、前梁和后梁为一体结构。
质量块与梁的材料均可为硅，在质量块上表面和下表面均沉积氮化硅薄膜，质量块厚度可为300～700μm，质量块的边长可为8000～12000μm；氮化硅薄膜的厚度可为0.5～3μm。
各梁的长度均可为7600～11600μm，各梁的宽度均可为1500～2500μm，各梁的厚度均可为20～50μm；各梁的尺寸优选为长度9600μm，宽度1600μm，厚度25μm；在各梁上表面和下表面均沉积氮化硅薄膜，氮化硅薄膜的厚度可为0.5～3μm。
各压电片均可采用PZT材料，具体成分为PbZr0.52Ti0.48O3，各压电片的厚度可为3～15μm，各压电片的宽度比梁宽度的一半少50μm，各压电片的长度比梁长度的一半少50μm。压电片之间的距离可为100μm。
各压电片的上方金属电极可采用Al电极，各压电片的下方金属电极可采用Pt电极。
设在质量块上的4根对称结构的梁，呈“+”状，各梁上均匀分布有四片压电片，用于产生输出电荷信号。
制备时，首先采用低气压化学气相沉积(LPCVD)方法，在硅片表现沉积一层氮化硅薄膜，经过曝光、溅射、剥离、腐蚀等方法依次制作底部电极、压电片、顶部电极这三个结构，再用反应离子刻蚀法除去被曝光部分的氮化硅薄膜，采用干法刻蚀或湿法刻蚀去除相应的硅体，得到质量块和梁。
本发明的技术方案是基于压电效应的原理。
本发明的工作原理：当质量块受到一个惯性力时，质量块产生一个微小的位移，这个位移使得梁发生线性形变，带动梁上压电片形变，由于压电效应的作用，在压电片的上下电极将产生电荷，通过检测电荷可以计算得到惯性力的大小，进而计算获得加速度的大小。整个结构上有16个压电单元，其中有8个单元用于检测z轴方向的加速度，4个单元用于检测x轴方向的加速度，4个单元用于检测y轴方向的加速度，x与y轴方向为对称结构。当质量块受到z轴方向的惯性力时，在4根梁上产生的是对称变形，检测z轴信号的压电片采用反对成连接方式，可以检测出电荷信号，此时检测x、y轴的压电片由于是对称连接，产生的电荷信号抵消；当质量块受到x轴的惯性力时，在4根梁上产生的是反对称变形，此时z轴压电片产生的电荷信号相互抵消，检测x轴的压电片能够检测出电荷信号，而y轴产生的电荷非常少，也可以抵消，当质量块受到y轴方向的惯性力时，情况与x轴方向惯性力相同。
本发明的有益效果如下：其一是将三个方向的加速度的检测集成到一个器件上，同时器件只含有一个质量块；其二是获得了较高的电荷灵敏度，传统的加速度计的电荷灵敏度大约为几皮库仑，而本发明的微加速度计的z轴电荷灵敏度约为45pC，x、y轴电荷灵敏度约为8pC；其三是三个方向上的检测之间不会存在串扰，通过采用对称连接和反对称连接，有效的避免了各个方向检测之间的串扰；其四是提高了加速度计的动态频宽，本发明的压电式微加速度计动态频宽可达3000Hz，远高于目前的电容式微加速度计的通常400Hz左右的工作频宽；其五是本发明采用“+”结构(或“x”结构)，有效提高了x、y方向上的工作频宽。
附图说明
图1为本发明实施例的结构组成示意图。
图2为本发明实施例的电路连接示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明实施例设有质量块A，质量块A为八边柱体，在质量块A的两对称边上设有左梁21、右梁22、前梁23和后梁24，各梁均为长方体，在左梁21上表面设有对称分布的4个压电片1、2、15、16，在右梁22上表面设有对称分布的4个压电片13、14、5、6，在前梁23上表面设有对称分布的4个压电片7、8、11、12，在后梁24上表面设有对称分布的4个压电片3、4、9、10，各压电片的上方和下方均设有金属电极；质量块与左梁21、右梁22、前梁23和后梁24为一体结构。在图1中，标记B为支撑结构。
质量块A与梁的材料均可为硅，在质量块A上表面和下表面均沉积氮化硅薄膜，质量块厚度可为300～700μm，质量块A的边长可为8000～12000μm；氮化硅薄膜的厚度可为0.5～3μm。
各梁的长度均可为7600～11600μm，各梁的宽度均可为1500～2500μm，各梁的厚度均可为20～50μm；各梁的尺寸优选为长度9600μm，宽度1600μm，厚度25μm；在各梁上表面和下表面均沉积氮化硅薄膜，氮化硅薄膜的厚度可为0.5～3μm。
各压电片均可采用PZT材料，具体成分为PbZr0.52Ti0.48O3，各压电片的厚度可为3～15μm，各压电片的宽度比梁宽度的一半少50μm，各压电片的长度比梁长度的一半少50μm。压电片之间的距离可为100μm。
各压电片的上方金属电极可采用Al电极，各压电片的下方金属电极可采用Pt电极。
设在质量块上的4根对称结构的梁，呈“+”状，各梁上均匀分布有四片压电片，用于产生输出电荷信号。
如图2所示，共有16片压电片1～16，其中压电片1～8为检测z轴加速度的压电片，压电片9～12为检测y轴的压电片，压电片13～16为检测x轴的压电片。压电片2、3、5、8连为一体为z轴检测的一级，压电片1、4、6、7连为一体为z轴检测的另一级；压电片9、11连为一体为y轴检测的一级，压电片10、12连为一体为y轴检测的另一极；压电片13、15连为一体为x轴检测的一级，压电片14、16连为一体为x轴检测的另一极。当有z轴方向的加速度时，只有z轴两级之间有电荷信号，x、y轴之间无电荷信号；当有x轴方向的加速度时，只有x轴两级之间有电荷信号，y、z轴之间无电荷信号；当有y轴方向的加速度时，只有y轴两级之间有电荷信号，x、z轴之间无电荷信号。
Claims (5)
1.一种三轴压电加速度计，其特征在于设有质量块，质量块为八边柱体，在质量块的两对称边上设有左梁、右梁、前梁和后梁，各梁均为长方体，在左梁上表面、右梁上表面、前梁上表面和后梁上表面均设有对称分布的4个压电片，各压电片的上方和下方均设有金属电极；质量块与左梁、右梁、前梁和后梁为一体结构；
在质量块上表面和下表面均沉积氮化硅薄膜；
质量块厚度为300～700μm，质量块的边长为8000～12000μm；
各梁的长度均为7600～11600μm，各梁的宽度均为1500～2500μm，各梁的厚度均为20～50μm，各梁的长度均为9600μm，宽度均为1600μm，厚度均为25μm；
各压电片均采用PZT材料，具体成分为PbZr0.52Ti0.48O3，各压电片的厚度为3～15μm，各压电片的宽度比梁宽度的一半少50μm，各压电片的长度比梁长度的一半少50μm；压电片之间的距离为100μm。
2.如权利要求1所述一种三轴压电加速度计，其特征在于质量块与梁的材料均为硅。
3.如权利要求1所述一种三轴压电加速度计，其特征在于所述氮化硅薄膜的厚度为0.5～3μm。
4.如权利要求1所述一种三轴压电加速度计，其特征在于在各梁上表面和下表面均沉积氮化硅薄膜，氮化硅薄膜的厚度为0.5～3μm。
5.如权利要求1所述一种三轴压电加速度计，其特征在于各压电片的上方金属电极采用Al电极，各压电片的下方金属电极采用Pt电极。
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