CN104931729B - 一种mems三轴加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了MEMS三轴加速度计，包括基板和悬置于基板上方的扭动质量块；扭动质量块为中心对称结构，包括主质量块和第一、第二次质量块，以及平行于y轴的四条弹性连接梁；第一次质量块的左侧/右侧边缘通过第一弹性连接梁和主质量块连接，第二次质量块的右侧/左侧边缘通过第二弹性连接梁和主质量块连接；第一次质量块的中心通过第三弹性连接梁连接在基板的第一锚点上，第二次质量块的中心通过第四弹性连接梁连接在基板的第二锚点上；第一、第二次质量块设有第一、第二、第三可动电极，基板上设置有与第一、第二、第三可动电极组成x轴、y轴、z轴检测电容的第一、第二、第三固定电极。本发明能够消除外界干扰，并且制造工艺过程简单易实现。

Description

一种MEMS三轴加速度计

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，更具体地，涉及一种MEMS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。

目前由于MEMS加速度计芯片尺寸越来越小，所以MEMS三轴加速度计倾向于三轴集成的单结构设计，但是由于z轴检测结构的限制，大多数集成MEMS三轴加速度计都与采用某个方向偏心的设计，来完成单一结构对三个轴向加速度同时检测。

这种偏心的集成MEMS三轴加速度计通常为不对称的设计，这种不对称的设计一方面对制造工艺有特殊的要求，另一方面也无法完全消除外界干扰因素的影响。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种全对称结构的MEMS三轴加速度计的新技术方案。

根据本发明的第一方面，提供了一种MEMS三轴加速度计，包括：基板；悬置于基板上方的扭动质量块；所述扭动质量块所在平面为xy平面，其中x轴的正向指向xy平面的右侧，y轴的正向指向xy平面的上侧；所述扭动质量块为中心对称结构，包括主质量块、位于主质量块左侧的第一次质量块、位于主质量块右侧的第二次质量块，以及平行于y轴的第一、第二、第三、第四弹性连接梁；所述第一次质量块的左侧/右侧边缘通过第一弹性连接梁和主质量块连接，并且所述第二次质量块的右侧/左侧边缘通过第二弹性连接梁和主质量块连接；所述第一次质量块的中心通过第三弹性连接梁连接在基板的第一锚点上，所述第二次质量块的中心通过第四弹性连接梁连接在基板的第二锚点上；所述第一、第二次质量块上均分别设置有第一可动电极、第二可动电极、以及第三可动电极；所述基板上设置有用于与第一可动电极、第二可动电极、第三可动电极分别组成x轴检测电容、y轴检测电容、z轴检测电容的第一固定电极、第二固定电极、第三固定电极。

优选的，所述z轴检测电容为平板状电容，所述第三可动电极为上电极，所述第三固定电极为下电极；所述第三可动电极为四个，分别设置于第一次质量块和第二次质量块的左右边缘，所述第三固定电极和第三可动电极一一对应，从左至右依次形成第一、第二、第三、第四z轴检测电容；所述第一、第四z轴检测电容并联为第一组z轴检测电容，所述第二、第三z轴检测电容并联为第二组z轴检测电容，所述第一组z轴检测电容和第二组z轴检测电容构成一对z轴差分检测电容。

优选的，所述第一次质量块和第二次质量块的左右两侧分别开设有第三通孔；所述第一固定电极位于所述第三通孔内部，与其对应的第一可动电极设置于第三通孔的侧边。

优选的，每个所述第三通孔内部均设置有左右并列的两个第一固定电极；所述第一可动电极与所述第一固定电极一一对应，从左至右依次形成第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八x轴检测电容；所述第一、第三、第五、第七x轴检测电容并联为第一组x轴检测电容，所述第二、第四、第六、第八x轴检测电容并联为第二组x轴检测电容，所述第一组x轴检测电容和第二组x轴检测电容构成一对差分电容。

优选的，所述第一次质量块和第二次质量块的上下两侧分别开设有第四通孔；所述第二固定电极位于所述第四通孔内部，与其对应的第二可动电极设置于第四通孔的侧边。

优选的，每个所述第四通孔内部均设置有左右并列的两个第二固定电极；所述第二可动电极与所述第二固定电极一一对应，从而在第一次质量块的上侧从左至右依次形成第一y轴检测电容和第二y轴检测电容，在第一质量块的下侧从左至右依次形成第三y轴检测电容和第四y轴检测电容，在第二次质量块的上侧从左至右依次形成第五y轴检测电容和第六y轴检测电容，以及在第二次质量块的下侧从左至右依次形成第七y轴检测电容和第八y轴检测电容；所述第一、第四、第六、第七y轴检测电容并联为第一组y轴检测电容，所述第二、第三、第五、第八y轴检测电容并联为第二组y轴检测电容，所述第一组y轴检测电容和第二组y轴检测电容构成一对y轴差分检测电容。

优选的，所述第一次质量块的中心设有第一通孔，所述第二次质量块的中心设有第二通孔；所述第三弹性连接梁设置于第一通孔内部，两端连接在第一通孔的侧壁上，中心连接在基板的第一锚点上；所述第四弹性连接梁设置于第二通孔内部，两端连接在第二通孔的侧壁上，中心连接在基板的第二锚点上。

优选的，所述第一弹性连接梁的两端分别与主质量块连接，中间与第一次质量块连接，以及，所述第二弹性连接梁的两端分别与主质量块连接，中间与第二次质量块连接；或者，所述第一弹性连接梁的两端分别与第一次质量块连接，中间与主质量块连接，以及，所述第二弹性连接梁的两端分别与第二次质量块连接，中间与主质量块连接。

优选的，所述主质量块的左右两侧分别开设有第五通孔，所述第一次质量块位于左侧的第五通孔内部，所述第二次质量块位于右侧的第五通孔内部。

优选的，所述x轴检测电容和y轴检测电容为梳齿状电容。

本发明提出的全对称结构的MEMS三轴加速度计，能够消除外界干扰因素的影响，并且制造工艺过程简单易实现。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1是本发明MEMS三轴加速度计第一实施例的结构示意图。

图2是第一实施例的x轴加速度检测的原理示意图。

图3是第一实施例的y轴加速度检测的原理示意图。

图4、图5是第一实施例的z轴加速度检测的原理示意图。

图6是本发明MEMS三轴加速度计第二实施例的结构示意图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

参考图1-5所示为本发明的MEMS三轴加速度计的第一实施例，本发明的MEMS三轴加速度计为全对称结构，包括基板400(图1-3中没有示出)，以及悬置于基板400上方的扭动质量块。

如图所示构建三维直角坐标系，扭动质量块所在平面为xy平面，z轴的正向是从基板指向扭动质量块。其中x轴的正向指向xy平面的右侧，y轴的正向指向xy平面的上侧。

扭动质量块为中心对称结构，包括主质量块300、第一次质量块100、和第二次质量块200，以及平行于y轴的第一、第二、第三、第四弹性连接梁。其中主质量块300的左右两侧分别开设有第五通孔405，第一次质量块100位于左侧的第五通孔405的内部，第二次质量块200位于右侧的第五通孔405的内部。

在第一实施例中，第一次质量块100的右侧边缘通过第一弹性连接梁301和主质量块300连接，并且第二次质量块200的左侧边缘通过第二弹性连接梁302和主质量块300连接。在其它的实施例中，也可以是：第一次质量块100的左侧边缘通过第一弹性连接梁301和主质量块300连接，并且第二次质量块200的右侧边缘通过第二弹性连接梁302和主质量块300连接。

在第一实施例中，第一弹性连接梁301的两端分别与主质量块300连接，中间与第一次质量块100连接，以及，第二弹性连接梁302的两端分别与主质量块300连接，中间与第二次质量块200连接。在其它的实施例中，也可以是：第一弹性连接梁301的两端分别与第一次质量块100连接，中间与主质量块300连接，以及，第二弹性连接梁302的两端分别与第二次质量块200连接，中间与主质量块300连接。

第一次质量块100的中心设有第一通孔401，第二次质量块200的中心设有第二通孔402。第三弹性连接梁303设置于第一通孔401内部，两端连接在第一通孔401的侧壁上，中心连接在基板的第一锚点501上。第四弹性连接梁304设置于第二通孔402内部，两端连接在第二通孔402的侧壁上，中心连接在基板的第二锚点502上。经过以上设置，扭动质量块凭借第一锚点501和第二锚点502的支撑悬置在基板400的上方。

第一次质量块100和第二次质量块200上均分别设置有第一可动电极、第二可动电极、以及第三可动电极；基板400上设置有用于与第一可动电极、第二可动电极、第三可动电极分别组成x轴检测电容、y轴检测电容、z轴检测电容的第一固定电极、第二固定电极、第三固定电极。

下面介绍本发明MEMS三轴加速度计的工作原理，对于x轴模态，参考图2所示：在有x轴方向的加速度输入时，主质量块300会发生向左或向右的位移。由于第一次质量块100仅在其中心处通过y轴方向的第三弹性连接梁303固定在基板上，因此第一次质量块100同样会发生向左或向右的位移。同理，第二次质量块200同样会发生向左或向右的位移。检测第一次质量块100和第二次质量块200的这种位移程度就能够获得x轴的加速度。

为此，在第一次质量块100和第二次质量块200的左右两侧分别开设第三通孔403，每个第三通孔403内部均设置有左右并列的两个第一固定电极。这样整个MEMS加速度计共包括8个第一固定电极，从左至右依次为第一固定电极11、12、13、14、15、16、17、18，与其一一对应的第一可动电极(图中没有示出)设置于第三通孔403的侧边，这样从左至右依次形成第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八x轴检测电容。

虽然图中没有示出，本领域技术人员应当明白，对第一可动电极的设置应当使第一次质量块100或第二次质量块200发生x轴方向上的位移时，第一可动电极和其对应的第一固定电极组成的x轴检测电容的面积或距离发生相应的变化，从而改变该x轴检测电容的电容量，以实现x轴方向上的加速度的检测。

可以令与第一固定电极11对应的第一可动电极设置于第一固定电极11的左侧并且与第一固定电极11相对，与第一固定电极12相对的第一可动电极设置于第一固定电极12的右侧并且与第一固定电极12相对。其余第一可动电极做类似的设置。将电容量同时增大或减小的第一、第三、第五、第七x轴检测电容并联为第一组x轴检测电容，将与之相反变化的第二、第四、第六、第八x轴检测电容并联为第二组x轴检测电容，第一组x轴检测电容和第二组x轴检测电容构成一对差分电容。

x轴检测电容可以为平板状或梳齿状电容，优选为梳齿状电容。

对于y轴模态，参考图3所示：在有y轴方向的加速度输入时，主质量块300会发生向上侧或向下侧的运动，进而带动第一次质量块100和第二次质量块200，由于次质量块在其中心处通过y轴方向的弹性连接梁固定在基板的锚点上，无法在y轴方向平动，只能以各自的锚点为轴，绕各自的锚点发生扭转，其中两个次质量块扭转方向相反。具体来说，加速度的方向为y轴正向时，主质量块300向上运动，第一次质量块100沿逆时针方向扭转，第二次质量块200沿顺时针方向扭转；加速度的方向为y轴负向时，主质量块300向下运动，第一次质量块100沿顺时针方向扭转，第二次质量块200沿逆时针方向扭转。检测第一次质量块100和第二次质量块200的这种扭转程度就能够获得y轴的加速度。

为此，在第一次质量块100和第二次质量块200的上下两侧分别开设有第四通孔404，每个第四通孔404内部均设置有左右并列的两个第二固定电极。这样整个MEMS加速度计共包括8个第二固定电极，第一次质量块100上侧的第四通孔404内部从左至右依次为第二固定电极21和22，第一次质量块100下侧的第四通孔404内部从左至右依次为第二固定电极23和24，第二次质量块200上侧的第四通孔404内部从左至右依次为第二固定电极25和26，第二次质量块200下侧的第四通孔404内部从左至右依次为第二固定电极27和28，与其一一对应的第二可动电极(图中没有示出)设置于第四通孔404的侧边。这样在第一次质量块100的上侧从左至右依次形成第一y轴检测电容和第二y轴检测电容，在第一质量块的下侧从左至右依次形成第三y轴检测电容和第四y轴检测电容，在第二次质量块200的上侧从左至右依次形成第五y轴检测电容和第六y轴检测电容，以及在第二次质量块200的下侧从左至右依次形成第七y轴检测电容和第八y轴检测电容。

虽然图中没有示出，本领域技术人员应当明白，对第二可动电极的设置应当使第一次质量块100或第二次质量块200绕各自的锚点发生扭转时，第二可动电极和其对应的第二固定电极组成的y轴检测电容的面积或距离发生相应的变化，从而改变该y轴检测电容的电容量，以实现y轴方向上的加速度的检测。

可以令与第二固定电极21对应的第二可动电极设置于第二固定电极21的左侧并且与第二固定电极21相对，与第二固定电极22相对的第二可动电极设置于第二固定电极22的右侧并且与第二固定电极12相对。其余第二可动电极做类似的设置。将电容量同时增大或减小的第一、第四、第六、第七y轴检测电容并联为第一组y轴检测电容，将与之相反变化的第二、第三、第五、第八y轴检测电容并联为第二组y轴检测电容，第一组y轴检测电容和第二组y轴检测电容构成一对y轴差分检测电容。

y轴检测电容可以为平板状或梳齿状电容，优选为梳齿状电容。

对于z轴模态，参考图4和图5所示：在有z轴方向的加速度输入时，主质量块300发生向上或向下的运动，从而带动次质量块发生运动，而次质量块在其中心中通过连接梁固定在锚点上，所以次质量块z轴方向的平动被限制，只能以弹性连接梁为转轴发生转动。具体来说，参考图4所示，加速度的方向为z轴负向时，主质量块300向下运动，第一次质量块100的左半部分向上运动，右半部分向下运动，第二次质量块200的左半部分向下运动，右半部分向上运动。参考图5所示，加速度的方向为z轴正向时，主质量块300向上运动，第一次质量块100的左半部分向下运动，右半部分向上运动，第二次质量块200的左半部分向上运动，右半部分向下运动。

为此，参考图4和图5所示，可以将z轴检测电容设置为平板状电容，第三可动电极为上电极，第三固定电极为下电极。第三可动电极为四个，分别设置于第一次质量块100和第二次质量块200的左右边缘，从左至右依次为第三可动电极31、32、33、34。第三固定电极与第三可动电极一一对应地设置于基板400上，从左至右依次为第三固定电极31A、32A、33A、34A，这样从左至右依次形成第一、第二、第三、第四z轴检测电容。

从前述内容可知，在有z方向加速度输入时，第一、第四z轴检测电容的两个电极之间的距离同时增大或减小，第二、第三z轴检测电容的两个电极之间的距离的变化与之相反，因此可以将第一、第四z轴检测电容并联为第一组z轴检测电容，第二、第三z轴检测电容并联为第二组z轴检测电容，第一组z轴检测电容和第二组z轴检测电容构成一对z轴差分检测电容。

第一实施例中的第一固定电极和第二固定电极是通过锚点503固定于基板400上，图1中示意性的标出了其中一个锚点503。

本发明的MEMS三轴加速度计的结构是完全对称的，能够实现同时对xyz三个方向的加速度信号进行检测。两个次质量块的中心各有一个锚点，通过平行于y轴的弹性连接梁将次质量块连接在锚点上，再通过平行于y轴的弹性连接梁将次质量块的边缘与主质量块连接在一起，实现可以联动的结构。xy轴的梳齿电极以差分对的形式，分布在次质量块内，与次质量块有一定的间隙，从而形成xy轴的差分检测电容，实现对xy轴方向加速度信号的检测。z轴平板电容的下电极分布在次质量块下面的基板上，与次质量块的下表面有一定间隙，从而形成z轴的差分检测电容，实现对z轴方向加速度信号的检测。

参考图6所示为本发明的MEMS三轴加速度计的第二实施例，和第一实施例的区别在于主质量块的形状不同，第二实施例中的主质量块300为两端较宽、中间较细的条形形状。

虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种MEMS三轴加速度计，其特征在于，包括：

基板；

悬置于基板上方的扭动质量块；所述扭动质量块所在平面为xy平面，其中x轴的正向指向xy平面的右侧，y轴的正向指向xy平面的上侧；

所述扭动质量块为中心对称结构，包括主质量块(300)、位于主质量块(300)左侧的第一次质量块(100)、位于主质量块(300)右侧的第二次质量块(200)，以及平行于y轴的第一、第二、第三、第四弹性连接梁(301、302、303、304)；

所述第一次质量块(100)的左侧/右侧边缘通过第一弹性连接梁(301)和主质量块(300)连接，并且所述第二次质量块(200)的右侧/左侧边缘通过第二弹性连接梁(302)和主质量块(300)连接；所述第一次质量块(100)的中心通过第三弹性连接梁(303)连接在基板的第一锚点(501)上，所述第二次质量块(200)的中心通过第四弹性连接梁(304)连接在基板的第二锚点(502)上；

所述第一、第二次质量块(100、200)上均分别设置有第一可动电极、第二可动电极、以及第三可动电极；所述基板上设置有用于与第一可动电极、第二可动电极、第三可动电极分别组成x轴检测电容、y轴检测电容、z轴检测电容的第一固定电极、第二固定电极、第三固定电极。

2.根据权利要求1所述的MEMS三轴加速度计，其特征在于，

所述z轴检测电容为平板状电容，所述第三可动电极为上电极，所述第三固定电极为下电极；所述第三可动电极为四个，分别设置于第一次质量块(100)和第二次质量块(200)的左右边缘，所述第三固定电极和第三可动电极一一对应，从左至右依次形成第一、第二、第三、第四z轴检测电容；

所述第一、第四z轴检测电容并联为第一组z轴检测电容，所述第二、第三z轴检测电容并联为第二组z轴检测电容，所述第一组z轴检测电容和第二组z轴检测电容构成一对z轴差分检测电容。

3.根据权利要求1所述的MEMS三轴加速度计，其特征在于，

所述第一次质量块(100)和第二次质量块(200)的左右两侧分别开设有第三通孔(403)；所述第一固定电极位于所述第三通孔(403)内部，与其对应的第一可动电极设置于第三通孔(403)的侧边。

4.根据权利要求3所述的MEMS三轴加速度计，其特征在于，

每个所述第三通孔(403)内部均设置有左右并列的两个第一固定电极；所述第一可动电极与所述第一固定电极一一对应，从左至右依次形成第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八x轴检测电容；

所述第一、第三、第五、第七x轴检测电容并联为第一组x轴检测电容，所述第二、第四、第六、第八x轴检测电容并联为第二组x轴检测电容，所述第一组x轴检测电容和第二组x轴检测电容构成一对差分电容。

5.根据权利要求1所述的MEMS三轴加速度计，其特征在于，

所述第一次质量块(100)和第二次质量块(200)的上下两侧分别开设有第四通孔(404)；所述第二固定电极位于所述第四通孔(404)内部，与其对应的第二可动电极设置于第四通孔(404)的侧边。

6.根据权利要求5所述的MEMS三轴加速度计，其特征在于，

每个所述第四通孔(404)内部均设置有左右并列的两个第二固定电极；所述第二可动电极与所述第二固定电极一一对应，从而在第一次质量块(100)的上侧从左至右依次形成第一y轴检测电容和第二y轴检测电容，在第一质量块的下侧从左至右依次形成第三y轴检测电容和第四y轴检测电容，在第二次质量块(200)的上侧从左至右依次形成第五y轴检测电容和第六y轴检测电容，以及在第二次质量块(200)的下侧从左至右依次形成第七y轴检测电容和第八y轴检测电容；

所述第一、第四、第六、第七y轴检测电容并联为第一组y轴检测电容，所述第二、第三、第五、第八y轴检测电容并联为第二组y轴检测电容，所述第一组y轴检测电容和第二组y轴检测电容构成一对y轴差分检测电容。

7.根据权利要求1所述的MEMS三轴加速度计，其特征在于，

所述第一次质量块(100)的中心设有第一通孔(401)，所述第二次质量块(200)的中心设有第二通孔(402)；所述第三弹性连接梁(303)设置于第一通孔(401)内部，两端连接在第一通孔(401)的侧壁上，中心连接在基板的第一锚点(501)上；所述第四弹性连接梁(304)设置于第二通孔(402)内部，两端连接在第二通孔(402)的侧壁上，中心连接在基板的第二锚点(502)上。

8.根据权利要求1所述的MEMS三轴加速度计，其特征在于，

所述第一弹性连接梁(301)的两端分别与主质量块(300)连接，中间与第一次质量块(100)连接，以及，所述第二弹性连接梁(302)的两端分别与主质量块(300)连接，中间与第二次质量块(200)连接；或者，

所述第一弹性连接梁(301)的两端分别与第一次质量块(100)连接，中间与主质量块(300)连接，以及，所述第二弹性连接梁(302)的两端分别与第二次质量块(200)连接，中间与主质量块(300)连接。

9.根据权利要求1所述的MEMS三轴加速度计，其特征在于，

所述主质量块(300)的左右两侧分别开设有第五通孔(405)，所述第一次质量块(100)位于左侧的第五通孔(405)内部，所述第二次质量块(200)位于右侧的第五通孔(405)内部。

10.根据权利要求1-9任一项所述的三轴加速度计，其特征在于，

所述x轴检测电容和y轴检测电容为梳齿状电容。