CN105158511A - 一种mems三轴加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MEMS三轴加速度计，锚定部位于质量块的结构中心，弹性扭梁长度方向上的中线与质量块的中线重合；所述质量块在Y轴方向上位于弹性扭梁两侧的部分的质量不相等；还包括用于检测X轴加速度信号的X轴检测电容结构，用于检测Y轴加速度信号的Y轴检测电容结构，用于检测Z轴加速度信号的Z轴检测电容结构。本发明的三轴加速度计，将XYZ三个轴向的加速度检测结构集成在单个结构上，结构中心为可动质量块的锚点，通过弹性扭梁将质量块连接在锚点上，使质量块随加速度的输入，在各个方向上发生位移，从而实现各个方向的加速度信号的检测。

Description

一种MEMS三轴加速度计

技术领域

本发明属于微机电(MEMS)领域，更准确地说，涉及一种微机电的加速度计，尤其涉及一种三轴加速度计。

背景技术

目前，随着消费电子和可穿戴设备的发展，对MEMS惯性传感器的性能提出了越来越高的要求，众多系统厂商希望MEMS惯性器件在保持现有性能的基础上，进一步缩小芯片的尺寸。所以，现有的MEMS三轴加速度计都倾向于三轴集成的设计。但是，由于其Z轴结构原理的限制，大多数MEMS三轴加速度计都采用在某个方向上偏心的设计，来完成通过单一结构对三个轴向加速度的同时检测。这样的结构设计，一方面对工艺有着特殊的要求，另一方面，不对称的偏心设计使得无法完全消除外界的干扰。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种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，包括位于衬底上方的质量块，以及固定在衬底上的锚定部，所述质量块通过其两侧对称的弹性扭梁连接在锚定部上，且，所述锚定部位于质量块的结构中心，弹性扭梁长度方向上的中线与质量块的中线重合；其中，弹性扭梁的长度方向记为X轴方向，与X轴方向垂直且位于质量块所在平面内的方向记为Y轴方向，垂直于质量块所在平面的方向记为Z轴方向，其中，所述质量块在Y轴方向上位于弹性扭梁两侧的部分的质量不相等；

所述衬底上设置有第一X轴固定电极单元、第二X轴固定电极单元，所述质量块上设有与第一X轴固定电极单元构成第一X轴检测电容的第一X轴可动电极单元，与第二X轴固定电极单元构成第二X轴检测电容的第二X轴可动电极单元；其中，所述第一X轴检测电容、第二X轴检测电容构成差分电容结构；

所述衬底上设置有分布在弹性扭梁两侧的第一Z轴固定电极单元、第二Z轴固定电极单元，所述质量块上设有与第一Z轴固定电极单元构成第一Z轴检测电容的第一Z轴可动电极单元，与第二Z轴固定电极单元构成第二Z轴检测电容的第二Z轴可动电极单元；其中，所述第一Z轴检测电容、第二Z轴检测电容构成差分电容结构；

所述衬底上还分别设置有沿X轴方向延伸的第一Y轴固定电极单元、第二Y轴固定电极单元，所述第一Y轴固定电极单元、第二Y轴固定电极单元位于质量块Y轴的中线上，且对称分布在锚定部的两侧；所述质量块上设有与第一Y轴固定电极单元构成第一Y轴检测电容的第一Y轴可动电极单元，与第二Y轴固定电极单元构成第二Y轴检测电容的第二Y轴可动电极单元；其中，所述第一Y轴检测电容、第二Y轴检测电容构成差分电容结构。

优选地，所述第一X轴固定电极单元、第二X轴固定电极单元沿着Y轴方向延伸，所述第一X轴固定电极单元、第二X轴固定电极单元相对于质量块Y轴方向的中线轴对称或相对于锚定部中心对称，且第一X轴固定电极单元、第二X轴固定电极单元不在质量块X轴方向的中线上。

优选地，所述第一X轴固定电极单元包括平行设置的第一X轴固定电极a、第一X轴固定电极b，且，所述第一X轴固定电极a、第一X轴固定电极b与质量块上设置的第一X轴可动电极a、第一X轴可动电极b共同构成了X轴检测的差分电容结构；

所述第二X轴固定电极单元包括平行设置的第二X轴固定电极a、第二X轴固定电极b，且，所述第二X轴固定电极a、第二X轴固定电极b与质量块上设置的第二X轴可动电极a、第二X轴可动电极b共同构成了X轴检测的差分电容结构。

优选地，所述第一X轴固定电极单元、第二X轴固定电极单元沿着X轴方向延伸，且所述第一X轴固定电极单元、第二X轴固定电极单元对称分布在质量块Y轴中线的两侧，或分布在质量块Y轴中线的两侧且沿着锚定部中心对称。

优选地，所述第一X轴固定电极单元、第二X轴固定电极单元位于质量块X轴的中线上。

优选地，所述第一X轴固定电极单元包括平行布置的第一X轴固定电极a、第一X轴固定电极b，且，所述第一X轴固定电极a、第一X轴固定电极b与质量块上设置的第一X轴可动电极a、第一X轴可动电极b共同构成了X轴检测的差分电容结构；

所述第二X轴固定电极单元包括平行设置的第二X轴固定电极a、第二X轴固定电极b，且，所述第二X轴固定电极a、第二X轴固定电极b与质量块上设置的第二X轴可动电极a、第二X轴可动电极b共同构成了X轴检测的差分电容结构；

其中，所述第一X轴固定电极单元中其中一侧的第一X轴固定电极与第二X轴固定电极单元中相反一侧的第二X轴固定电极连接在一起。

优选地，第一Z轴固定电极单元、第二Z轴固定电极单元分别为第一Z轴检测电容、第二Z轴检测电容的下电极，所述第一Z轴可动电极单元、第二Z轴可动电极单元分别为第一Z轴检测电容、第二Z轴检测电容的上电极。

优选地，所述质量块其中一侧设置有减重孔，以使质量块两侧的质量不相等。

优选地，所述减重孔设置在质量块上位于第一Z轴可动电极单元的位置。

优选地，在所述第二Z轴固定电极单元上设置有与第一Z轴可动电极单元上减重孔对应的工艺孔。

本发明的三轴加速度计，将XYZ三个轴向的加速度检测结构集成在单个结构上，结构中心为可动质量块的锚点，通过弹性扭梁将质量块连接在锚点上，使质量块随加速度的输入，在各个方向上发生位移，从而实现各个方向的加速度信号的检测。当X轴方向有加速度输入时，质量块会绕锚点在Z轴方向上发生转动，从而实现X轴方向加速度的检测；当Z轴方向有加速度输入时，质量块会绕弹性梁在X轴方向上发生的扭转，从而实现Z轴方向加速度的检测，当Y轴方向加速度输入时，质量块在Y轴方向发生平移运动，从而实现Y轴方向加速度的检测。

本发明的发明人发现，在现有技术中，由于其Z轴结构原理的限制，大多数MEMS三轴加速度计都采用在某个方向上偏心的设计，来完成通过单一结构对三个轴向加速度的同时检测。这样的结构设计，一方面对工艺有着特殊的要求，另一方面，不对称的偏心设计使得无法完全消除外界的干扰。因此，本发明所要实现的技术任务或者所要解决的技术问题是本领域技术人员从未想到的或者没有预期到的，故本发明是一种新的技术方案。

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是本发明三轴加速度计的结构示意图。

图2是本发明三轴加速度计另一实施方式的结构示意图。

图3、图4是本发明三轴加速度计在受到Z轴方向加速度时的动作原理图。

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，所述技术、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至图4，本发明提供了一种MEMS三轴加速度计，其包括衬底14以及位于衬底14上方的质量块1，其中，所述衬底14上设置有锚定部2，用于将质量块1弹性支撑在衬底14的上方。具体地，所述质量块1通过其两侧对称的弹性扭梁3连接在锚定部2的侧壁上，也就是说，两条弹性扭梁3对称地分布在锚定部2的两侧，其中锚定部2位于质量块1的结构中心位置，且弹性扭梁3长度方向上的中线与质量块1的中线重合。质量块1与衬底14的连接方式属于本领域技术人员的公知常识，在此不再具体说明。

本发明为了便于描述，以弹性扭梁3延伸的方向记为X轴方向，与X轴方向垂直且位于质量块1所在平面内的方向记为Y轴方向，垂直于质量块1所在平面的方向记为Z轴方向。

以弹性扭梁3为界，质量块1两侧的质量不相等，也就是说，所述质量块1在Y轴方向上位于弹性扭梁3两侧部分的质量不相等；例如以图1的视图方向为准，以弹性扭梁3为界，质量块1的上半部分与其下半部分的质量不相等。

在本发明的一个具体的实施例中，为了使质量块两侧的质量不相等，所述质量块1其中一侧设置有减重孔6。该减重孔6可以为多个，呈矩阵分布。该减重孔6可以为通孔，在制作的时候，可通过的刻蚀的方法形成；当然也可以为盲孔，可通过增加一层掩膜的方式来进行刻蚀。在发明另一实施例中，可以通过增加配重块，以使质量块1两侧的质量不相等。

本发明的三轴加速度计，锚定部2位于质量块1的结构中心位置，且弹性扭梁3长度方向的中线与质量块1的中线重合，质量块1两侧的质量不相等，也就是说，质量块1两侧的力矩不平衡，当有外界Z轴方向的加速度输入时，使得整个质量块1以锚定部2为支点产生类似跷跷板的运动，从而使其对Z轴方向的加速度信号敏感。

当有外界X轴方向的加速度输入时，由于锚定部2位于质量块1的结构中心，弹性扭梁3长度方向的中线与质量块1X轴方向的中线重合在一起，且质量块1位于其X轴中线两侧的质量不相等，使得整个质量块1会以锚定部2为支点发生转动，从而使其对X轴方向的加速度信号敏感。

当有外界Y轴方向的加速度输入时，由于锚定部2位于质量块1的结构中心，弹性扭梁3长度方向的中线与质量块1X轴方向的中线重合在一起，使得整个质量块1会在Y轴方向上发生平移运动，从而使其对Y轴方向的加速度信号敏感。

本发明的三轴加速度计，为了检测Z轴方向的加速度信号，所述衬底14上设置有分布在弹性扭梁3两侧的第一Z轴固定电极单元13、第二Z轴固定电极单元12，参考图3、图4，相应地，所述质量块1上设有与第一Z轴固定电极单元13构成第一Z轴检测电容的第一Z轴可动电极单元4，与第二Z轴固定电极单元12构成第二Z轴检测电容的第二Z轴可动电极单元5。其中，第一Z轴固定电极单元13、第二Z轴固定电极单元12可以采用本领域技术人员所熟知的电容极板结构，其可以固定在衬底14上，第一Z轴可动电极单元4、第二Z轴可动电极单元5也可以采用本领域技术人员所熟知的电容极板结构，对于加速度计而言，第一Z轴可动电极单元4、第二Z轴可动电极单元5为质量块1本身，例如其为质量块1相对两侧的侧壁，分别与第一Z轴固定电极单元13、第二Z轴固定电极单元12构成侧面电容结构。

在本发明一个优选的实施方式中，第一Z轴固定电极单元13、第二Z轴固定电极单元12分别为第一Z轴检测电容、第二Z轴检测电容的下电极，第一Z轴可动电极单元4、第二Z轴可动电极单元5位于质量块1边缘位置的下端面，作为第一Z轴检测电容、第二Z轴检测电容的上电极。第一Z轴固定电极单元13、第二Z轴固定电极单元12在Y轴方向上相对于弹性扭梁3对称，使得第一Z轴检测电容、第二Z轴检测电容构成了差分电容结构。

当有外界Z轴方向的加速度输入时，参考图3的视图方向，当有向下的Z轴加速度输入时，由于质量块1两侧的质量不相等，使得设有减重孔6一侧的第一Z轴可动电极单元4与第一Z轴固定电极单元13之间的距离变小，使得质量较重一侧的第二Z轴可动电极单元5与第二Z轴固定电极单元12之间的距离变大，从而使第一Z轴检测电容、第二Z轴检测电容构成了差分电容结构。

相反的，参考图4的视图方向，当有向上的Z轴加速度输入时，由于质量块1两侧的质量不相等，使得设有减重孔6一侧的第一Z轴可动电极单元4与第一Z轴固定电极单元13之间的距离变大，使得质量较重一侧的第二Z轴可动电极单元5与第二Z轴固定电极单元12之间的距离变小，从而使第一Z轴检测电容、第二Z轴检测电容构成了差分电容结构。

在本发明一个优选的实施方式中，参考图1、图3、图4，所述减重孔6设置在质量块1上位于第一Z轴可动电极单元4的位置，以使质量块1两侧的质量差较大，从而提高了质量块1偏转的灵敏度。由于减重孔6设置在第一Z轴可动电极单元4的位置，从而减少了第一Z轴可动电极单元4与第一Z轴固定电极单元13的正对面积，为了保证第一Z轴检测电容、第二Z轴检测电容的一致性，在所述第二Z轴固定电极单元12上设置有与第一Z轴可动电极单元4上减重孔6对应的工艺孔，从而使第一Z轴可动电极单元4、第一Z轴固定电极单元13的正对面积与第二Z轴可动电极单元5、第二Z轴固定电极单元12的正对面积一致，也就是说，保证了第一Z轴检测电容、第二Z轴检测电容的一致性。

本发明的三轴加速度计，为了检测Y轴方向的加速度信号，在所述衬底14上还分别设置有第一Y轴固定电极单元8、第二Y轴固定电极单元7，所述第一Y轴固定电极单元8、第二Y轴固定电极单元7位于质量块1Y轴的中线上，且对称分布在锚定部2的两侧；相应的，所述质量块1上设有与第一Y轴固定电极单元8构成第一Y轴检测电容的第一Y轴可动电极单元，与第二Y轴固定电极单元7构成第二Y轴检测电容的第二Y轴可动电极单元。第一Y轴固定电极单元8、第二Y轴固定电极单元7可以采用本领域技术人员所熟知的电容极板机构，其固定在衬底14上；第一Y轴可动电极单元、第二Y轴可动电极单元可以采用本领域技术人员所熟知的电容极板机构，对于加速度计而言，第一Y轴可动电极单元、第二Y轴可动电极单元为质量块1本身，例如可以为质量块1的侧壁。在本发明一个具体的实施方式中，所述质量块1上相应的位置设置有镂空的配合孔11，第一Y轴固定电极单元8、第二Y轴固定电极单元7固定在衬底上14，并使其位于配合孔11中，此时，配合孔11的侧壁可以作为第一Y轴可动电极单元、第二Y轴可动电极单元，分别与第一Y轴固定电极单元8、第二Y轴固定电极单元7构成第一Y轴检测电容、第二Y轴检测电容，且，两个Y轴检测电容可构成差分电容结构，由此可提高芯片的温度特性及抗外界干扰的能力。

本发明的第一Y轴固定电极单元8、第二Y轴固定电极单元7沿着X轴方向延伸，也就是说，第一Y轴固定电极单元8、第二Y轴固定电极单元7分别与弹性扭梁3平行，当外界有Y轴方向的加速度输入时，质量块1在Y轴方向上平动，由此，使得第一Y轴可动电极单元与第一Y轴固定电极单元8之间的距离变大或减小，第二Y轴可动电极单元与第二Y轴固定电极单元7之间的距离减小或变大，从而使第一Y轴检测电容、第二Y轴检测电容可以构成差分电容结构。

本发明的第一Y轴固定电极单元8、第二Y轴固定电极单元7位于质量块1的Y轴中线上，当外界有X轴方向的加速度输入时，质量块1以锚定部2为支点顺时针或逆时针转动，由此，使得第一Y轴固定电极单元8、第一Y轴可动电极单元之间的距离与第二Y轴固定电极单元7、第二Y轴可动电极单元之间的距离同时变大或减少，而且变化量一致，通过第一Y轴检测电容、第二Y轴检测电容的差分结构可以将此时变化的信号差分掉，也就是说，第一Y轴检测电容、第二Y轴检测电容构成的差分电容结构不会输出变化的电容信号，以防止Y轴检测电容输出X轴加速度信号。

本发明的三轴加速度计，如上文所述，第一Y轴固定电极单元8、第二Y轴固定电极单元7可以是本领域技术人员所熟知的单个电容极板结构，在本发明一个优选的实施方式中，参考图1、图2，所述第一Y轴固定电极单元8包括平行布置的第一Y轴固定电极a8a、第一Y轴固定电极b8b，第一Y轴固定电极a8a、第一Y轴固定电极b8b固定在衬底14上，并位于质量块1上形成的配合孔11中，配合孔11相对的两个侧壁作为第一Y轴可动电极a、第一Y轴可动电极b，分别与第一Y轴固定电极a8a、第一Y轴固定电极b8b构成了一对差分电容结构，从而进一步提高Y轴加速度信号的检测精度。基于同样的原理，所述第二Y轴固定电极单元7包括平行布置的第二Y轴固定电极a7a、第二Y轴固定电极b7b，第二Y轴固定电极a7a、第二Y轴固定电极b7b固定在衬底14上，并位于质量块1上形成的配合孔11中，配合孔11相对的两个侧壁作为第二Y轴可动电极a、第二Y轴可动电极b，分别与第二Y轴固定电极a7a、第二Y轴固定电极b7b构成了一对差分电容结构，从而进一步提高了Y轴加速度信号的检测精度。

本发明的三轴加速度计，为了检测X轴方向的加速度信号，在所述衬底14上设置有第一X轴固定电极单元9、第二X轴固定电极单元10；相应的，所述质量块1上设有与第一X轴固定电极单元9构成第一X轴检测电容的第一X轴可动电极单元，与第二X轴固定电极单元10构成第二X轴检测电容的第二X轴可动电极单元；其中，所述第一X轴检测电容、第二X轴检测电容构成差分电容结构。

具体地，第一X轴固定电极单元9、第二X轴固定电极单元10可以为本领域技术人员所熟知的电容极板结构，其可通过锚点固定在衬底14上，其中，第一X轴固定电极单元9与第一X轴可动电极单元可以构成侧面电容式的第一X轴检测电容，第二X轴固定电极单元10与第二X轴可动电极单元可以构成侧面电容式的第二X轴检测电容；当然，对于本领域的技术人员来说，当可以采用上下极板式的电容结构。在发明中，第一X轴可动电极单元、第二X轴可动电极单元为质量块1的侧壁。所述质量块1上相应的位置设置有镂空的配合孔11，其中，第一X轴固定电极单元9、第二X轴固定电极单元10固定在衬底14上，并使第一X轴固定电极单元9、第二X轴固定电极单元10位于相应的配合孔11内，此时，配合孔11的孔壁可作为第一X轴可动电极单元、第二X轴可动电极单元，分别与第一X轴固定电极单元9、第二X轴固定电极单元10构成了第一X轴检测电容、第二X轴检测电容，且该两个检测电容构成差分电容结构，由此可提高芯片的温度特性及抗外界干扰的能力。

在发明一个具体的实施方式中，参考图2，所述第一X轴固定电极单元9、第二X轴固定电极单元10沿着Y轴方向延伸，也就是说，第一X轴固定电极单元9、第二X轴固定电极单元10的长度方向位于Y轴方向上，采用这种结构，当有外界Y轴方向的加速度输入时，质量块1整体在Y轴方向上平动，这就使得第一X轴固定电极单元9与第一X轴可动电极单元之间、第二X轴固定电极单元10与第二X轴可动电极单元之间的距离、相对面积不会发生变化，也就是说，第一X轴检测电容、第二X轴检测电容不会输出电容的变化信号，以防止X轴检测电容输出Y轴加速度信号。

其中，所述第一X轴固定电极单元9、第二X轴固定电极单元10相对于质量块1Y轴方向的中线轴对称或相对于锚定部2中心对称。当有外界X轴方向的加速度输入时，质量块1以锚定部2为支点顺时针或逆时针转动，使得第一X轴固定电极单元9与第一X轴可动电极单元之间的距离变大或变小，第二X轴固定电极单元10与第二X轴可动电极单元之间的距离变小或变大，从而使第一X轴固定电极单元9与第一X轴可动电极单元构成的第一X轴检测电容、第二X轴固定电极单元10与第二X轴可动电极单元构成的第二X轴检测电容可以共同构成一对用于检测X轴方向的差分电容结构。其中，第一X轴固定电极单元9、第二X轴固定电极单元10不能设在质量块1X轴方向的中线上，因为当两个X轴固定电极单元9、10位于质量块1X轴方向的中线上时，相应构成的第一X轴检测电容、第二X轴检测电容同时增大或减小，二者不能构成可以输出X轴方向加速度变化信号的差分电容结构。

本发明的三轴加速度计，如上文所述，第一X轴固定电极单元9、第二X轴固定电极单元10可以是本领域技术人员所熟知的单个电容极板结构，在本发明一个优选的实施方式中，参考图2，所述第一X轴固定电极单元9包括平行设置的第一X轴固定电极a9a、第一X轴固定电极b9b，第一X轴固定电极a9a、第一X轴固定电极b9b固定在衬底上，并位于质量块1上形成的配合孔11中，配合孔11相对的两个侧壁作为第一X轴可动电极a、第一X轴可动电极b，分别与第一X轴固定电极a9a、第一X轴固定电极b9b构成了一对差分电容结构，从而进一步提高了X轴加速度信号的检测精度。

基于同样的原理，所述第二X轴固定电极单元10包括平行设置的第二X轴固定电极a10a、第二X轴固定电极b10b，第二X轴固定电极a10a、第二X轴固定电极b10b固定在衬底14上，并位于质量块1上形成的另一配合孔11中，配合孔11相对的两个侧壁作为第二X轴可动电极a、第二X轴可动电极b，分别与第二X轴固定电极a10a、第二X轴固定电极b10b构成了一对差分电容结构，从而进一步提高了X轴加速度信号的检测精度。

在本发明另一具体的实施方式中，参考图1，所述第一X轴固定电极单元9、第二X轴固定电极单元10沿着X轴方向延伸，且所述第一X轴固定电极单元9、第二X轴固定电极单元10对称分布在质量块1Y轴中线的两侧，或分布在质量块1Y轴中线的两侧，且沿着锚定部2中心对称。当质量块1以锚定部2为支点顺时针或逆时针转动，第一X轴检测电容、第二X轴检测电容的变化完全相反，共同构成了差分电容结构。进一步优选的是，所述第一X轴固定电极单元9、第二X轴固定电极单元10位于质量块1X轴的中线上，并相对于锚定部2中心对称，这种结构，使得在受到X轴方向的加速度时，第一X轴检测电容与第二X轴检测电容变化的量相同。

在本实施例中，第一X轴固定电极单元9可以采用上述第一X轴固定电极a9a、第一X轴固定电极b9b结构，第二X轴固定电极单元10也可以采用上述的第二X轴固定电极a10a、第二X轴固定电极b10b结构，同时，所述第一X轴固定电极单元9中其中一侧的第一X轴固定电极9a、9b与第二X轴固定电极单元10中相反一侧的第二X轴固定电极10a、10b连接在一起。

具体地，参考图1的视图方向，第一X轴固定电极a9a、第一X轴固定电极b9b沿X轴方向延伸，其中，第一X轴固定电极a9a位于下侧，第一X轴固定电极b9b位于上侧；第二X轴固定电极a10a、第二X轴固定电极b10b沿X轴方向延伸，其中，第二X轴固定电极a10a位于下侧，第二X轴固定电极b10b位于上侧；此时，需要将第一X轴固定电极b9b与第二X轴固定电极a10a连接在一起，将第一X轴固定电极a9a与第二X轴固定电极b10b连接在一起；从而使第一X轴固定电极b9b、第一X轴可动电极b、第二X轴固定电极a10a、第二X轴可动电极a共同构成了差分电容结构；使第一X轴固定电极a9a、第一X轴可动电极a、第二X轴固定电极b10b、第二X轴可动电极b共同构成差分电容结构；当外界有Y轴方向的加速度输入时，质量块1在Y轴方向上发生平动，第一X轴固定电极b9b、第一X轴可动电极b之间的距离增大或减小，第二X轴固定电极a10a、第二X轴可动电极a之间的距离增大或减小，且变化量一致，通过差分电容结构可以将此时变化的电容信号差分掉；基于同样的道理，第一X轴固定电极a9a、第一X轴可动电极a、第二X轴固定电极b10b、第二X轴可动电极b共同构成的差分电容也可以将此时变化的电容信号差分掉，以防止X轴检测电容输出Y轴加速度信号。

本发明的三轴加速度计，将XYZ三个轴向的加速度检测结构集成在单个结构上，结构中心为可动质量块的锚点，通过弹性扭梁将质量块连接在锚点上，使质量块随加速度的输入，在各个方向上发生位移，从而实现各个方向的加速度信号的检测。当X轴方向有加速度输入时，质量块会绕锚点在Z轴方向上发生转动，从而实现X轴方向加速度的检测；当Z轴方向有加速度输入时，质量块会绕弹性梁在X轴方向上发生的扭转，从而实现Z轴方向加速度的检测，当Y轴方向加速度输入时，质量块在Y轴方向发生平移运动，从而实现Y轴方向加速度的检测。

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：包括位于衬底(14)上方的质量块(1)，以及固定在衬底(14)上的锚定部(2)，所述质量块(1)通过其两侧对称的弹性扭梁(3)连接在锚定部(2)上，且，所述锚定部(2)位于质量块(1)的结构中心，弹性扭梁(3)长度方向上的中线与质量块(1)的中线重合；其中，弹性扭梁(3)的长度方向记为X轴方向，与X轴方向垂直且位于质量块(1)所在平面内的方向记为Y轴方向，垂直于质量块(1)所在平面的方向记为Z轴方向，其中，所述质量块(1)在Y轴方向上位于弹性扭梁(3)两侧的部分的质量不相等；

所述衬底(14)上设置有第一X轴固定电极单元(9)、第二X轴固定电极单元(10)，所述质量块(1)上设有与第一X轴固定电极单元(9)构成第一X轴检测电容的第一X轴可动电极单元，与第二X轴固定电极单元(10)构成第二X轴检测电容的第二X轴可动电极单元；其中，所述第一X轴检测电容、第二X轴检测电容构成差分电容结构；

所述衬底(14)上设置有分布在弹性扭梁(3)两侧的第一Z轴固定电极单元(13)、第二Z轴固定电极单元(12)，所述质量块(1)上设有与第一Z轴固定电极单元(13)构成第一Z轴检测电容的第一Z轴可动电极单元(4)，与第二Z轴固定电极单元(12)构成第二Z轴检测电容的第二Z轴可动电极单元(5)；其中，所述第一Z轴检测电容、第二Z轴检测电容构成差分电容结构；

所述衬底(14)上还分别设置有沿X轴方向延伸的第一Y轴固定电极单元(8)、第二Y轴固定电极单元(7)，所述第一Y轴固定电极单元(8)、第二Y轴固定电极单元(7)位于质量块(1)Y轴的中线上，且对称分布在锚定部(2)的两侧；所述质量块(1)上设有与第一Y轴固定电极单元(8)构成第一Y轴检测电容的第一Y轴可动电极单元，与第二Y轴固定电极单元(7)构成第二Y轴检测电容的第二Y轴可动电极单元；其中，所述第一Y轴检测电容、第二Y轴检测电容构成差分电容结构。

2.根据权利要求1所述的三轴加速度计，其特征在于：所述第一X轴固定电极单元(9)、第二X轴固定电极单元(10)沿着Y轴方向延伸，所述第一X轴固定电极单元(9)、第二X轴固定电极单元(10)相对于质量块(1)Y轴方向的中线轴对称或相对于锚定部(2)中心对称，且第一X轴固定电极单元(9)、第二X轴固定电极单元(10)不在质量块(1)X轴方向的中线上。

3.根据权利要求2所述的三轴加速度计，其特征在于：

所述第一X轴固定电极单元(9)包括平行设置的第一X轴固定电极a(9a)、第一X轴固定电极b(9b)，且，所述第一X轴固定电极a(9a)、第一X轴固定电极b(9b)与质量块(1)上设置的第一X轴可动电极a、第一X轴可动电极b共同构成了X轴检测的差分电容结构；

所述第二X轴固定电极单元(10)包括平行设置的第二X轴固定电极a(10a)、第二X轴固定电极b(10b)，且，所述第二X轴固定电极a(10a)、第二X轴固定电极b(10b)与质量块(1)上设置的第二X轴可动电极a、第二X轴可动电极b共同构成了X轴检测的差分电容结构。

4.根据权利要求1所述的三轴加速度计，其特征在于：所述第一X轴固定电极单元(9)、第二X轴固定电极单元(10)沿着X轴方向延伸，且所述第一X轴固定电极单元(9)、第二X轴固定电极单元(10)对称分布在质量块(1)Y轴中线的两侧，或分布在质量块(1)Y轴中线的两侧且沿着锚定部(2)中心对称。

5.根据权利要求4所述的三轴加速度计，其特征在于：所述第一X轴固定电极单元(9)、第二X轴固定电极单元(10)位于质量块(1)X轴的中线上。

6.根据权利要求5所述的三轴加速度计，其特征在于：

所述第一X轴固定电极单元(9)包括平行布置的第一X轴固定电极a(9a)、第一X轴固定电极b(9b)，且，所述第一X轴固定电极a(9a)、第一X轴固定电极b9b)与质量块(1)上设置的第一X轴可动电极a、第一X轴可动电极b共同构成了X轴检测的差分电容结构；

所述第二X轴固定电极单元(10)包括平行设置的第二X轴固定电极a(10a)、第二X轴固定电极b(10b)，且，所述第二X轴固定电极a(10a)、第二X轴固定电极b(10b)与质量块(1)上设置的第二X轴可动电极a、第二X轴可动电极b共同构成了X轴检测的差分电容结构；

其中，所述第一X轴固定电极单元(9)中其中一侧的第一X轴固定电极(9a、9b)与第二X轴固定电极单元(10)中相反一侧的第二X轴固定电极(10a、10b)连接在一起。

7.根据权利要求1所述的三轴加速度计，其特征在于：第一Z轴固定电极单元(13)、第二Z轴固定电极单元(12)分别为第一Z轴检测电容、第二Z轴检测电容的下电极，所述第一Z轴可动电极单元(4)、第二Z轴可动电极单元(5)分别为第一Z轴检测电容、第二Z轴检测电容的上电极。

8.根据权利要求7所述的三轴加速度计，其特征在于：所述质量块(1)其中一侧设置有减重孔(6)，以使质量块(1)两侧的质量不相等。

9.根据权利要求8所述的三轴加速度计，其特征在于：所述减重孔(6)设置在质量块(1)上位于第一Z轴可动电极单元(4)的位置。

10.根据权利要求9所述的三轴加速度计，其特征在于：在所述第二Z轴固定电极单元(12)上设置有与第一Z轴可动电极单元(4)上减重孔(6)对应的工艺孔。