CN107037238A - 三轴硅微加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三轴硅微加速度计，包括第一敏感组件与第二敏感组件；所述第一敏感组件包括第一敏感单元与第二敏感单元，所述第一敏感单元的敏感方向与所述第二敏感单元的敏感方向正交设置；所述第二敏感组件包括第三敏感单元与第四敏感单元，所述第三敏感单元的敏感方向与第四敏感单元的敏感方向正交设置；所述第一敏感组件与所述第二敏感组件垂直正交设置，敏感X、Y、Z方向加速度。本发明提供的三轴硅微加速度计能够敏感多方向的加速度值，抗过载能力强。

Description

三轴硅微加速度计

技术领域

本发明涉及微机械惯性仪表领域，特别是涉及一种三轴硅微加速度计。

背景技术

惯性导航系统已在航海、航空、航天和军事等领域中广泛应用。硅微谐振式加速度计具有稳定性高、分辨率高、动态范围大的特点，被认为是可以实现高精度测量的微电子机械系统(MEMS)惯性导航器件，在国防领域有着重要的应用。对于硅微谐振式加速度计高精度、小型化、高集成度的研究也得到开展。

目前在中低性能的应用领域正逐步取代石英挠性加速度计等传统惯性仪表。国际上MEMS加速度计已开始在导航和战术领域应用。同时部分高精度领域也将被微机电加速度计替代单轴硅微谐振式加速度计的研究已经逐步成熟。

然而，传统谐振式加速度计集成存在体积大、结构复杂，难以满足在三轴方向上高精度、高量程的加速度测试需求，影响硅微谐振式加速度计的发展和使用。

发明内容

基于此，有必要针对体积大、结构复杂的问题，提供一种三轴硅微加速度计。

一种三轴硅微加速度计，包括第一敏感组件与第二敏感组件；

所述第一敏感组件包括第一敏感单元与第二敏感单元，所述第一敏感单元的敏感方向与所述第二敏感单元的敏感方向正交设置；

所述第二敏感组件包括第三敏感单元与第四敏感单元，所述第三敏感单元的敏感方向与第四敏感单元的敏感方向正交设置；

所述第一敏感组件与所述第二敏感组件垂直正交设置，敏感X、Y、Z方向加速度。

上述三轴硅微加速度计，采用两组敏感组件，且两组敏感组件垂直正交设置，每一组敏感组件都包括两个正交设置的敏感单元。因此，上述三轴硅微加速度计能够敏感多方向的加速度值，且结构简单抗过载能力强。

在其中一个实施例中，还包括壳体，所述壳体与所述第一敏感组件与第二敏感组件相匹配，用于固定支撑所述第一敏感组件与第二敏感组件的正交结构。

在其中一个实施例中，所述敏感单元包括梳齿式差动电容结构，所述梳齿式差动电容结构包括动齿与定齿，所述动齿与定齿交错间隔设置，所述动齿设置于两个所述定齿之间，且所述动齿相对于相邻的两个定齿偏置设置。

在其中一个实施例中，所述敏感单元包括质量块，所述质量块与所述动齿连接，用于带动所述动齿运动。

在其中一个实施例中，还包括检测电路，所述检测电路分别与第一敏感组件与第二敏感组件电连接，用于检测所述第一敏感组件与第二敏感组件的电容变化。

在其中一个实施例中，所述检测电路包括激励信号发生电路、电容检测电路与信号放大调理电路：

所述激励信号发生电路与所述电容检测电路电连接，用于为所述电容检测电路提供激励信号；

所述电容检测电路用于检测所述第一敏感组件与第二敏感组件电容变化，输出电容变化信号；

所述信号放大调理电路与所述电容检测电路电连接，用于对所述电容检测电路输出的电容变化信号放大并进行滤波处理。

在其中一个实施例中，所述电容检测电路包括第一电容检测电路与第二电容检测电路，所述第一电容检测电路用于检测所述第一敏感组件电容变化，所述第二电容检测电路用于检测所述第二敏感组件电容变化。

在其中一个实施例中，所述信号放大调理电路包括第一信号放大调理电路与第二信号放大调理电路，所述第一信号放大调理电路用于对所述第一电容检测电路输出的电容变化信号放大并进行滤波处理，所述第二信号放大调理电路用于对所述第二电容检测电路输出的电容变化信号放大并进行滤波处理。

在其中一个实施例中，所述检测电路还包括温度检测电路，所述温度检测电路用于检测温度变化。

一种三轴硅微加速度计，包括：

第一敏感组件，包括正交设置的第一单轴加速度计与第二单轴加速度计，所述第一单轴加速度计与第二单轴加速度计分别包括多个敏感单元；

第二敏感组件，包括正交设置的第三单轴加速度计与第四单轴加速度计，第三单轴加速度计与第四单轴加速度计分别包括多个敏感单元；

所述第一敏感组件与所述第二敏感组件垂直正交设置，敏感X、Y、Z方向加速度。

上述三轴硅微加速度计，设置四个单轴加速度计，通过正交安装的方式使得三轴加速度计敏感X、Y、Z方向加速度，本发明提供的三轴硅微加速度计能够敏感多方向的加速度，抗过载能力强。

附图说明

图1为本发明实施例提供的三轴硅微加速度计示意图；

图2为本发明实施例提供的敏感单元结构示意图；

图3为本发明实施例提供的三轴硅微加速度计部分结构示意图；

图4为本发明实施例提供的三轴硅微加速度计结构示意图；

图5为本发明实施例提供的检测电路示意图；

图6为为本发明实施例提供的检测电路模块图。

其中：

100-三轴硅微加速度计；

110-第一敏感组件；

112-第一敏感单元；

114-第二敏感单元；

120-第二敏感组件；

122-第三敏感单元；

124-第四敏感单元；

130-壳体；

132-第一单轴加速度计；

134-第二单轴加速度计；

136-第三单轴加速度计；

138-第四单轴加速度计；

140-梳齿式差动电容结构；

141-动齿；

142-定齿；

150-折叠梁；

160-质量块；

170-检测电路；

171-激励信号发生电路；

172-电容检测电路；

173-第一电容检测电路；

174-第二电容检测电路；

175-信号放大调理电路；

176-第一信号放大调理电路；

177-第二信号放大调理电路；

178-温度检测电路。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的三轴硅微加速度计进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，本发明一个实施例，提供一种三轴硅微加速度计100，包括第一敏感组件110、第二敏感组件120。所述第一敏感组件110包括两个正交设置的第一敏感单元112及第二敏感单元114，敏感两个互相垂直的X、Y方向加速度。其中，敏感单元112敏感X方向的加速度，敏感单元114敏感Y方向加速度。所述第二敏感组件120包括两个正交设置的第三敏感单元122及第四敏感单元124敏感两个互相垂直的X、Z方向加速度。其中，第三敏感单元122敏感X方向的加速度，第四敏感单元144敏感Z方向加速度。正交设置是指两个敏感单元垂直设置，以敏感两个垂直方向的加速度。Z方向为垂直于X、Y方向组成的平面的方向。所述第一敏感组件110与所述第二敏感组件120垂直正交设置，即第一敏感组件110可敏感垂直于X、Y方向的加速度，因此所述第一敏感组件110与所述第二敏感组件120相互配合以敏感X、Y、Z方向加速度。

进一步地，在空间设置第一平面与第二平面，所述第一平面与第二平面互相垂直，所述第一敏感组件110设置于第一平面内，所述第二敏感组件120设置于第二平面内。第一敏感组件110在第一平面内敏感X、Y方向的加速度，第二敏感组件120在第二平面内敏感X、Z方向的加速度。因此所述第一敏感组件110与所述第二敏感组件120相互配合以敏感X、Y、Z方向加速度。

上述三轴硅微加速度计100采用两组敏感组件，且两组敏感组件垂直正交设置，每一组敏感组件都包括两个正交设置的敏感单元。第一敏感组件110与所述第二敏感组件120垂直正交设置可以满足三方向高量程加速度测试，分辨率高、抗过载能力强。

其中一个实施例中，第一敏感组件110与第二敏感组件120分别由两个敏感单元正交封装组成。第一敏感组件110中，两个正交放置的敏感单元112和114，可以敏感面内X和Y两个垂直方向的加速度。将第一敏感组件110与第二敏感组件120垂直正交设置，使四个敏感轴呈三轴正交状态。即第一敏感组件110与第二敏感组件120的X方向敏感轴重合，第一敏感单元112与第三敏感单元122同时敏感X方向。第一敏感组件110的Y方向敏感轴与第二敏感组件120的Y方向垂直正交，即第二敏感单元114敏感Y方向加速度第四敏感单元124敏感Z方向加速度。因此，四个敏感单元敏感X、Y、Z三个方向的加速度变化。其中敏感单元112与敏感单元122在X方向有双路测量输出，可以互为备份，当X方向的其中一个敏感单元出现故障时，另一个敏感单元也可以检测X方向加速度。通过设置第一敏感单元112和第三敏感单元122，能够实现X方向的双路测量，X方向双路测量输出使得检测结果更可靠，性能更稳定。可以理解，通过设置第一敏感组件110与第二敏感组件120之间的相对位置关系，还可以在Y、Z方向上实现双路测量。

其中一个实施例中，所述三轴硅微加速度计100，还包括壳体130，所述壳体130与所述第一敏感组件110与第二敏感组件120相匹配，用于固定支撑所述第一敏感组件110与第二敏感组件120的正交结构。具体的，所述壳体130可以采用钛合金材料构成。所述壳体130结构根据所述第一敏感组件110与第二敏感组件120的状态设置，壳体130用于固定支撑保护第一敏感组件110与第二敏感组件120。第一敏感组件110与第二敏感组件120可以采用粘接剂正交安装于壳体130内。

请一并参阅图2，其中一个实施例中，所述敏感单元包括梳齿式差动电容结构140与折叠梁150。进一步地，所述梳齿式差动电容结构140包括动齿141与定齿142，所述动齿141与定齿142交错间隔设置。所述动齿141设置于两个所述定齿142之间，动齿141与定齿142偏置设置，所述动齿141位于相邻两个定齿142之间。所述动齿141与其中一个定齿142的距离大于所述动齿141与另一个定齿142的距离。所述动齿141与定齿142的距离可以根据差动电容结构的实际需要确定，只要保证动齿141与其中一个定齿142之间的电容远大于动齿141与另一定齿142之间的电容即可。

动齿141与定齿142的数量不限，动齿141与定齿142可以有多组。具体的，动齿141与定齿142的数量可以根据实际应用情况确定。三轴加速度计在受到外力的作用下，所述定齿142固定不动，所述动齿141受到外力的作用下会发生移动。动齿141发生移动后，动齿141与定齿142之间的距离就会发生变化，从而使得梳齿式差动电容的电容发生变化。检测电路170可以通过检测梳齿式差动电容的电容变化得到加速度变化。进一步，动齿141与定齿142的延伸方向与敏感方向互相垂直。动齿141受到外力的作用下会发生移动，动齿141的移动方向与敏感方向相同。

在其中一个实施例中，所述敏感单元进一步包括质量块160，所述质量块160与所述动齿141连接，所述质量块160用于带动所述动齿141运动。敏感单元受到冲击力时，敏感单元中的质量块160会在到敏感方向的冲击力的作用下发生移动。具体的，当质量块160受到敏感方向的冲击力时，质量块160会在敏感方向发生移动。质量块160与动齿141连接，所以动齿141会受到质量块160的带动而发生移动。

在其中一个实施例中，所述敏感单元进一步包括折叠梁150，所述折叠梁150与质量块160连接，所述折叠梁150通过控制质量块160的运动用于限定所述动齿141的运动。当加速度计有敏感方向的加速度时，由于折叠梁150的刚性和止挡的作用，使得加速度计在较强的冲击下依然可以保护动齿141与定齿142不发生碰撞。折叠梁150可以提高非敏感方向的机械刚度，减少高冲击下的变形。

请一并参阅图3，其中一个实施例，所述第一敏感组件110包括X方向的第一单轴加速度计132和Y方向的第二单轴加速度计134，X方向的第一单轴加速度计132包括多个X方向的敏感单元；Y方向的第二单轴加速度计134包括多个Y方向的敏感单元，所述X方向与Y方向的敏感单元与上述实施例中的敏感单元结构相同。单轴加速度计可以由四个敏感单元构成。四个敏感单元对称设置于单轴加速度计芯片上。

进一步地，单轴加速度计可以采用六根折叠梁150，折叠梁150为并联支撑结构用于支撑质量块160。在X方向的第一单轴加速度计132中，六根折叠梁150分为两排对称且间隔设置，差动电容结构140设置于每排折叠梁150中，且位于相邻的两个折叠梁150之间。类似的，在Y方向的第二单轴加速度计134中，所述折叠梁150与差动电容结构140的分布方式基本相同，只是排列方向不同。采用这种结构可以提高非敏感方向的机械刚度，减少高冲击下的变形。

进一步地，请参阅图4，所述第二敏感组件120由两个敏感组件正交封装组成，所述第二敏感组件120与第一敏感组件120中的单轴加速度计结构相同。将第一敏感组件110与第二敏感组件120垂直正交设置组成三轴硅微加速度计100，以敏感X、Y、Z方向加速度。

请一并参阅图5与图6，在其中一个实施例中，所述三轴硅微加速度计还包括检测电路170。所述检测电路170分别与第一敏感组件110与第二敏感组件120电连接，用于检测所述第一敏感组件110与第二敏感组件120的电容变化。所述检测电路170采用混合集成电路实现。检测电路170可以检测第一敏感组件110及第二敏感组件120的电容变化。检测电路170通过检测第一敏感组件110与第二敏感组件120的电容的变化得到外界加速度的变化。

进一步地，检测电路170包括激励信号发生电路171、电容检测电路172与信号放大调理电路175。所述激励信号发生电路171与所述电容检测电路172电连接，用于为所述电容检测电路172提供激励信号；所述电容检测电路172与所述第一敏感组件110与第二敏感组件120电连接，用于检测所述第一敏感组件110与第二敏感组件120电容变化，输出电容变化信号；所述信号放大调理电路175与所述电容检测电路172电连接，用于对所述电容检测电路172输出的电容变化信号放大并进行滤波处理。

具体的，激励信号发生电路171主要由振荡器产生方波信号，激励信号发生电路171与所述电容检测电路172电连接，方波信号可以传送至电容检测电路172，为电容检测电路172提供激励信号。电容检测电路172接收到方波信号后可以检测敏感组件的电容变化，将检测到的电容变化转变为电压信号。信号放大调理电路175与所述电容检测电路172电连接。信号放大调理电路175接收电容检测电路172输出的电压信号，并对接收到的电压信号进行放大并进行滤波处理。

进一步地，所述电容检测电路172包括第一电容检测电路173与第二电容检测电路174，所述第一电容检测电路173用于检测所述第一敏感组件110电容变化。所述第一电容检测电路173可分别检测所述第一敏感单元112与所述第二敏感单元114的电容的变化，所述第二电容检测电路174用于检测所述第二敏感组件120电容变化。所述第二电容检测电路174可分别检测所述第三敏感单元122与所述第四敏感单元124的电容的变化。

所述信号放大调理电路175包括第一信号放大调理电路176与第二信号放大调理电路177，所述第一信号放大调理电路176用于对所述第一电容检测电路173输出的电容变化信号放大并进行滤波处理，所述第二信号放大调理电路177用于对所述第二电容检测电路174输出的电容变化信号放大并进行滤波处理。

具体的，检测电路170包含用于检测第一敏感组件110电容变化的第一检测电路，以及用于检测第二敏感组件120电容变化的第二检测电路。其中，第一检测电路主要包括激励信号发生电路171、第一电容检测电路173及第一信号放大调理电路176。激励信号发生电路171主要由振荡器产生方波信号，用于为第一电容检测电路173提供激励信号。第一电容检测电路173接收到方波信号后可以检测第一敏感组件110的电容变化，将检测到的电容变化转变为电压信号。第一信号放大调理电路176与所述第一电容检测电路173电连接。第一信号放大调理电路176接收第一电容检测电路173输出的电压信号，并对接收到的电压信号进行放大并进行滤波处理。第二检测电路与第一检测电路设置方式相同，第二检测电路用于检测第二敏感组件120电容的变化。

进一步地，所述检测电路170还包括温度检测电路178，所述温度检测电路178用于检测温度变化。温度检测电路178可以感测外界温度环境的变化，为所述三轴硅微加速度计100的应用提供外界环境温度数据，可以根据外界环境温度数据纠正三轴硅微加速度计100受外界环境温度影响导致的测量偏差。

上述实施例提供的三轴硅微加速度计，用两个双轴的加速度计，垂直正交构成四轴的加速度计，其中X轴方向有双路测量输出，可以互为备份。能够敏感多方向的加速度值，抗过载能力强，具有集成度高，可靠性好，高量程时分辨率高的优点。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种三轴硅微加速度计，其特征在于，包括第一敏感组件与第二敏感组件；

所述第一敏感组件包括第一敏感单元与第二敏感单元，所述第一敏感单元的敏感方向与所述第二敏感单元的敏感方向正交设置；

所述第二敏感组件包括第三敏感单元与第四敏感单元，所述第三敏感单元的敏感方向与第四敏感单元的敏感方向正交设置；

所述第一敏感组件与所述第二敏感组件垂直正交设置，敏感X、Y、Z方向加速度。

2.根据权利要求1所述的三轴硅微加速度计，其特征在于，还包括壳体，所述壳体与所述第一敏感组件与第二敏感组件相匹配，用于固定支撑所述第一敏感组件与第二敏感组件的正交结构。

3.根据权利要求1所述的三轴硅微加速度计，其特征在于，所述敏感单元包括梳齿式差动电容结构，所述梳齿式差动电容结构包括动齿与定齿，所述动齿与定齿交错间隔设置，所述动齿设置于两个所述定齿之间，且所述动齿相对于相邻的两个定齿偏置设置。

4.根据权利要求3所述的三轴硅微加速度计，其特征在于，所述敏感单元包括质量块，所述质量块与所述动齿连接，用于带动所述动齿运动。

5.根据权利要求1所述的三轴硅微加速度计，其特征在于，还包括检测电路，所述检测电路分别与第一敏感组件与第二敏感组件电连接，用于检测所述第一敏感组件与第二敏感组件的电容变化。

6.根据权利要求5所述的三轴硅微加速度计，其特征在于，所述检测电路包括激励信号发生电路、电容检测电路与信号放大调理电路；

所述激励信号发生电路与所述电容检测电路电连接，用于为所述电容检测电路提供激励信号；

所述电容检测电路用于检测所述第一敏感组件与第二敏感组件电容变化，输出电容变化信号；

所述信号放大调理电路与所述电容检测电路电连接，用于对所述电容检测电路输出的电容变化信号放大并进行滤波处理。

7.根据权利要求6所述的三轴硅微加速度计，其特征在于，所述电容检测电路包括第一电容检测电路与第二电容检测电路，所述第一电容检测电路用于检测所述第一敏感组件电容变化，所述第二电容检测电路用于检测所述第二敏感组件电容变化。

8.根据权利要求7所述的三轴硅微加速度计，其特征在于，所述信号放大调理电路包括第一信号放大调理电路与第二信号放大调理电路，所述第一信号放大调理电路用于对所述第一电容检测电路输出的电容变化信号放大并进行滤波处理，所述第二信号放大调理电路用于对所述第二电容检测电路输出的电容变化信号放大并进行滤波处理。

9.根据权利要求5所述的三轴硅微加速度计，其特征在于，所述检测电路还包括温度检测电路，所述温度检测电路用于检测温度变化。

10.一种三轴硅微加速度计，其特征在于，包括：

第一敏感组件，包括正交设置的第一单轴加速度计与第二单轴加速度计，所述第一单轴加速度计与第二单轴加速度计分别包括多个敏感单元；

第二敏感组件，包括正交设置的第三单轴加速度计与第四单轴加速度计，第三单轴加速度计与第四单轴加速度计分别包括多个敏感单元；

所述第一敏感组件与所述第二敏感组件垂直正交设置，敏感X、Y、Z方向加速度。