CN106908626A - 一种电容式微加速度计敏感结构 - Google Patents

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Abstract

本发明属于惯性测量技术领域，具体公开一种电容式微加速度计敏感结构。它包括上极板、中间摆片微结构和下极板；上极板、中间摆片微结构、下极板之间两两通过键合层连接；中间摆片微结构包括边框和包围在边框内的弹性减薄梁、质量块；弹性减薄梁的上下表面各设有位置交错凹形槽，凹形槽的底部与弹性减薄梁中性面平齐；凹形槽内设有电极引线，电极引线包括上凹形槽电极和下凹形槽电极；上凹形槽电极与质量块上表面电极连通，下凹形槽电极和质量块下表面电极连通；质量块的末端上下表面各设有止挡凸台，用于限制质量块在强振动或大冲击作用下的位移。本发明最大限度屏蔽受力及温度变形对敏感结构的影响，实现误差抑制，获取更高性能。

Description

一种电容式微加速度计敏感结构
技术领域
本发明属于惯性测量技术领域，具体涉及一种电容式微加速度计敏感结构。
背景技术
微机电加速度计是以微电子和微机械工艺为基础制造的用来测量加速度的惯性传感器件，具有体积重量功耗小、集成度高、抗恶劣环境、成本低等优点，主要用于航空航天、汽车工业、钻井探测等军民领域。
微机电加速度计包括谐振梁式微加速度计、压阻式微加速度计、电容式微加速度计等。其中，谐振梁式微加速度计对制作工艺要求高，谐振检测电路较为复杂；压阻式微加速度计精度较低，对温度敏感；电容式微加速度计具有灵敏度高、温度系数小、稳定性好等优点，应用更为广泛。
一种典型的电容式微加速度计技术方案，一般由上极板、中间摆片微结构、下极板三层组成，其中中间摆片微结构包括弹性减薄梁和质量块两个部分。当质量块受到沿表面法线方向的激励而运动时，质量块与上下极板之间的间隙发生变化，进而引起上极板电容变大(小)、下极板电容变小(大)，通过提取电容的差动变化量，即可实现对外界输入加速度的检测。
现有技术中的电容式微加速度计敏感结构存在以下不足：
弹性减薄梁受外力弯曲或受温度变形不一致时，梁上(下)表面受拉力伸长，梁下(上)表面受压力缩短，相应地，梁上(下)表面电极引线受拉压作用也会产生变形，进而产生误差输出，恶化微加速度计性能；弹性减薄梁和质量块构成悬臂结构，受外界强振动或大冲击等恶劣力学条件作用时，质量块会带动梁产生较大弯曲变形，当变形超过梁承受极限时，易造成结构损坏。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电容式微加速度计敏感结构，具备较强的恶劣力学环境适应性。
实现本发明目的的技术方案：
一种电容式微加速度计敏感结构，其特征在于：它包括上极板、中间摆片微结构和下极板；上极板、中间摆片微结构、下极板之间两两通过键合层连接；中间摆片微结构包括边框和包围在边框内的弹性减薄梁、质量块；弹性减薄梁的一端与质量块连接，弹性减薄梁的另一端与边框的内壁连接；质量块和上极板、下极板之间分别有空隙；质量块上下表面各镀有一层金属电极，分别为质量块上表面电极和质量块下表面电极；弹性减薄梁的上下表面各设有位置交错凹形槽，凹形槽的底部与弹性减薄梁中性面平齐；凹形槽内设有电极引线，电极引线包括上凹形槽电极和下凹形槽电极；上凹形槽电极与质量块上表面电极连通，下凹形槽电极和质量块下表面电极连通。
所述质量块的末端上下表面各设有止挡凸台，用于限制质量块在强振动或大冲击作用下的位移。
所述止挡凸台材料为金。
所述质量块和上极板、下极板之间的空隙间距分别为10μm。
所述弹性减薄梁的厚度不大于质量块厚度的1/5。
所述金属电极和电极引线的材料为金。
所述上极板、中间摆片微结构和下极板的材料均为单晶硅、石英晶体或熔融石英。
本发明的有益技术效果在于：
本发明提供的一种电容式微加速度计敏感结构在弹性减薄梁中设计凹形槽结构，其利用梁弯曲变形时，中性面长度不变、不受拉压力作用的特点，最大限度屏蔽受力及温度变形对敏感结构的影响，实现误差抑制，获取更高性能；采用止挡凸台实现质量块的限位，能够实现强振动和大冲击时的结构防护，提高敏感结构的恶劣力学环境适应性。
附图说明
图1是本发明的电容式微加速度计敏感结构示意图；
图2是图1的A-A向截面图；
图3是质量块与弹性减薄梁示意图；
图4是弹性减薄梁的截面示意图；
图5是图3的B-B向截面图。
图中：10.上极板，11.上极板下表面，20.键合层，40.中间摆片微结构，30.下极板，31.下极板上表面，41.弹性减薄梁，42.质量块，43.边框，44.止挡凸台，45.质量块上表面，46.质量块下表面，451.质量块上表面电极，461.质量块下表面电极，47.凹形槽，48.弹性减薄梁中性面，49.上凹形槽电极，50.下凹形槽电极。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供的一种电容式微加速度计敏感结构包括上极板10、中间摆片微结构40和下极板30，材料均为单晶硅、石英晶体或熔融石英。
上极板10、中间摆片微结构40、下极板30之间两两通过键合层20连接。
如图1和图2所示，中间摆片微结构40包括边框43和包围在边框43内的弹性减薄梁41、质量块42。弹性减薄梁41的一端与质量块42连接，弹性减薄梁41的另一端与边框43的内壁连接。弹性减薄梁41的厚度不大于质量块42厚度的1/5。质量块42和上极板10、下极板30之间分别有空隙，空隙间距分别为10μm。
质量块42的末端上下表面各设有2个止挡凸台44，用于限制质量块42在强振动或大冲击作用下的位移。为增大限位过程中的能量损耗，止挡凸台44选用莫氏硬度较小的材料，如金。
如图3所示，质量块42上下表面各镀有一层金属电极，分别为质量块上表面电极451和质量块下表面电极461，金属电极的材料为金。
上极板下表面11、质量块上表面45和下级板上表面31、质量块下表面46分别构成上极板电容和下极板电容。当有沿质量块42上表面45法线方向的正/反向加速度输入时，上极板下表面11、质量块上表面45的间距会相应缩小/增大，下级板上表面31、质量块下表面46的间距会相应增大/缩小，相应的，上极板电容增大/缩小、下级板电容缩小/增大。通过提取两个电容的差动变化量，即可实现对外界输入加速度的检测。
如图4所示，为降低力热环境引起的变形对电极引线的影响，弹性减薄梁41的上下表面各设有等间距分布的凹形槽47，上下表面凹形槽47的位置相互交错，凹形槽47的底部与弹性减薄梁中性面48平齐，凹形槽47的个数根据需要设定，在本实施例中，弹性减薄梁41的上表面设有1个凹形槽47，下表面设有2个凹形槽47。凹形槽47内设有电极引线，电极引线包括上凹形槽电极49和下凹形槽电极50。如图5所示，上凹形槽电极49与质量块上表面电极451连通，下凹形槽电极50和质量块下表面电极461连通。
上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。

Claims (7)

1.一种电容式微加速度计敏感结构，其特征在于：它包括上极板(10)、中间摆片微结构(40)和下极板(30)；上极板(10)、中间摆片微结构(40)、下极板(30)之间两两通过键合层(20)连接；中间摆片微结构(40)包括边框(43)和包围在边框(43)内的弹性减薄梁(41)、质量块(42)；弹性减薄梁(41)的一端与质量块(42)连接，弹性减薄梁(41)的另一端与边框(43)的内壁连接；质量块(42)和上极板(10)、下极板(30)之间分别有空隙；质量块(42)上下表面各镀有一层金属电极，分别为质量块上表面电极(451)和质量块下表面电极(461)；弹性减薄梁(41)的上下表面各设有位置交错凹形槽(47)，凹形槽(47)的底部与弹性减薄梁中性面(48)平齐；凹形槽(47)内设有电极引线，电极引线包括上凹形槽电极(49)和下凹形槽电极(50)；上凹形槽电极(49)与质量块上表面电极(451)连通，下凹形槽电极(50)和质量块下表面电极(461)连通。
2.根据权利要求1所述的一种电容式微加速度计敏感结构，其特征在于：所述质量块(42)的末端上下表面各设有止挡凸台(44)，用于限制质量块(42)在强振动或大冲击作用下的位移。
3.根据权利要求2所述的一种电容式微加速度计敏感结构，其特征在于：所述止挡凸台(44)材料为金。
4.根据权利要求1所述的一种电容式微加速度计敏感结构，其特征在于：所述质量块(42)和上极板(10)、下极板(30)之间的空隙间距分别为10μm。
5.根据权利要求1所述的一种电容式微加速度计敏感结构，其特征在于：所述弹性减薄梁(41)的厚度不大于质量块(42)厚度的1/5。
6.根据权利要求1所述的一种电容式微加速度计敏感结构，其特征在于：所述金属电极和电极引线的材料为金。
7.根据权利要求1所述的一种电容式微加速度计敏感结构，其特征在于：所述上极板(10)、中间摆片微结构(40)和下极板(30)的材料均为单晶硅、石英晶体或熔融石英。
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