CN108469535A - 基于静电吸附效应的微加速度计 - Google Patents

Abstract

一种基于静电吸附效应的微加速度计。它包括：下基底、上基底，所述下、上基底之间设有活动板、支撑梁及其锚点、支撑柱、固定驱动电极、活动驱动电极、固定开关电极、活动开关电极，所述固定驱动电极、固定开关电极位于所述下、上基底的内表面，所述活动驱动电极、活动开关电极位于所述活动板的下、上表面。本发明通过测量开关电极的闭合时间而实现对加速度的测量。本发明以由刚性圆板及其支撑梁构成的组合结构作为活动结构，动、定开关电极间具有较低接触电阻，动、定驱动电极具有较大静电吸附力，并因而防止活动开关电极接触固定开关电极后的反弹以及实现对高加速度的测量。本发明中的支撑梁为非直梁，能有效消除热应力对加速度测量的影响。

Description

基于静电吸附效应的微加速度计

技术领域

本发明涉及微机电系统领域，特别涉及一种基于静电吸附效应的微加速度计。

背景技术

加速度计广泛应用于工业、军事、航空、日常生活等众多领域。按工作原理，微加速度计可分为电容式、压阻式、压电式、振动式、开关式等。其中，振动式根据加速度改变静电驱动梁振动频率的原理实现对加速度的测量，而开关式以加速度力驱动开关并使其在加速度达到一定阈值后实现闭合。这两种微加速度计分别输出频率信号和开关信号并因而具有抗干扰性能强的优点。但是，振动式需要通过测量多个振动周期方能实现加速度的测量并因而影响其响应速度，而开关式只能测量加速度是否达到阈值。在开关式结构中引入振动式所用的静电驱动方式，并同样利用加速度改变静电驱动微结构运动特征参数的原理，一种通过测量静电驱动开关因加速度所导致的闭合时间变化而实现加速度测量的微加速度计已于近年在一些文献中被提出。这类微加速度计因同样能实现数字信号的输出而同样具有较强的抗干扰性能。经检索国内外文献发现，现有这类加速度计中的活动结构采用悬臂梁结构、两端固支梁结构、悬臂梁-质量块组合结构或梳齿结构。

对于采用悬臂梁结构、两端固支梁结构或悬臂梁-质量块组合结构的上述类型微加速度计而言，由于活动电极位于梁上或连接于梁的自由端，梁的变形导致活动电极发生变形或倾斜，则活动电极与固定电极的初始闭合为点接触或线接触，且接触反力随着接触变形的增大而迅速增大的特点使得最终接触面积仍然很小，故接触电阻大，接触可靠性差。另外，若将这种类型微加速度计用于测量高加速度，动、定电极闭合时的强冲击力极易导致活动电极反弹，而且由于活动电极的变形或倾斜，活动电极与固定电极之间的间隙不均匀，活动电极所受到的静电力大小有限并因而可能远小于由高加速度引起的大加速度力，从而使得这类加速度计退化为一般的开关式微加速度计。对于采用两端固支梁结构的上述类型微加速度计而言还存在另一缺点，即温度变化所导致的热应力对梁的变形影响很大并因而严重影响测量精度。

对于采用梳齿结构的上述类型微加速度计而言，因活动电极位于梳齿上，要求所有梳齿同步闭合而不互相干涉，则对加工精度的要求非常高，且当梳齿刚度较小时，同样具有以上悬臂梁结构加速度计的缺点。

发明内容

为了解决背景技术中现有的基于静电吸附效应微加速度计所存在的电极接触面积小、活动电极易反弹、静电力小等问题，本发明以刚性圆板和支撑梁构成活动结构，从而提高这类微加速度计的可靠性并使其适用于高加速度测量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于静电吸附效应的微加速度计，包括：下基底、上基底，所述下基底和所述上基底之间设有活动板、支撑梁及其锚点、支撑柱，所述微加速度计还包括下固定驱动电极和上固定驱动电极、下活动驱动电极和上活动驱动电极，所述下、上固定驱动电极位于所述下基底和所述上基底的内表面上，下基底和上基底的内表面中心设有凸台，在所述凸台上分别设有下固定开关电极和上固定开关电极，所述下、上活动驱动电极及下、上活动开关电极位于所述活动板的下、上表面。

所述下、上固定开关电极分别位于下、上基底的中心位置，所述下、上活动开关电极对应位于所述活动板的下、上表面的中心位置。

所述下、上固定开关电极和所述下、上活动开关电极为圆形，所述下、上固定驱动电极和所述下、上活动驱动电极为不闭合的圆环形。

所述下固定驱动电极和上固定驱动电极表面分别覆盖有下绝缘层、上绝缘层，所述凸台及其上的所述固定开关电极高于所述绝缘层。

所述微加速度计由所述活动板和所述支撑梁构成活动结构。

所述活动板为圆板。

所述支撑梁为非直支撑梁，数目至少2根。

所述活动板为刚性板，所述支撑梁的刚度远小于活动板，所述活动板与其表面的活动驱动电极、活动开关电极只作平移运动。

所述活动板上设有大量通孔。

两个固定驱动电极上施加占宽比均为50%、频率相同、相位相差180°的矩形波电压，并通过测量两固定开关电极与活动开关电极闭合的时间间隔获得加速度值。

本发明的有益效果是：根据加速度力改变静电驱动开关闭合时间的原理实现加速度测量，由刚性圆板及其支撑梁共同构成活动结构，在工作过程中，圆板及其上的活动电极作平移运动，与固定电极保持平行，并具有大的静电吸附力和大的电极接触面积，从而实现开关电极的低接触电阻，防止活动开关电极在接触固定开关电极后的反弹，以及实现对高加速度的测量，支撑梁采用非直形状，从而减小热应力影响，提高温度稳定性。

附图说明：

图1为本发明实施例的结构剖视图（为清晰反映器件的构成，图中各高度方向尺寸的比例与实际情况相差很大，下同）。

图2为本发明结构在图1中A-A方向上的剖视图。

图3为本发明结构在图1中B-B方向上的剖视图。

图4所示为驱动电极、开关电极及其引线。

图5所示为刚性圆板-折梁结构在某载荷作用下的变形等高云图。

图6所示为图5中变形在刚性圆板-折梁结构中性面上的曲线图。

图7所示为刚性圆板-折梁结构同时承受图5中所受载荷及100℃温升后的变形等高云图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例作进一步说明：

本发明实施例中，一种基于静电吸附效应的微加速度计，包括：下基底1、上基底13，所述下基底1和所述上基底13之间设有活动板6、支撑梁8及其锚点7、支撑柱15，所述微加速度计还包括下固定驱动电极2和上固定驱动电极12、下活动驱动电极5和上活动驱动电极9，所述下、上固定驱动电极2和12分别位于所述下基底1和所述上基底13的内表面上，下基底1和上基底13的内表面中心设有凸台，在所述凸台上分别设有下固定开关电极3和上固定开关电极11，所述下、上活动驱动电极5和9分别位于所述活动板6的下、上表面，且其所述下、上表面还分别设有下活动开关电极4和上活动开关电极10，在所述下、上固定驱动电极2、12上分别覆盖下绝缘层14和上绝缘层16，以防止在所测加速度超量程时下、上固定驱动电极2、12与下、上活动驱动电极5、9发生短路。下、上绝缘层14、16的高度分别略低于下、上固定开关电极3、11。

所述下、上固定开关电极3和11位于下、上基底1和13的中心位置，所述下、上活动开关电极4和10对应设于所述活动板6的下、上表面的中心位置，所述下、上固定开关电极3和11和所述下、上活动开关电极4和10均为圆形，所述下、上固定驱动电极2和12和所述下、上活动驱动电极5和9均为不闭合的圆环形，开辟有通道供开关电极的引线17通过。

两个固定驱动电极上施加占宽比均为50%、频率相同、幅值相同、相位相差180°的矩形波电压，则它们在任何时刻总是其中一者上电压非零，而另一者上电压为零。由于静电吸附作用，活动电极总是向着电压非零的固定电极运动，并因而在两个固定电极之间来回运动，只要矩形波电压幅值大于一定值，静电吸附作用还将使得两固定开关电极轮流与活动开关电极闭合，其闭合时间由矩形波电压的幅值与频率决定。在测量加速度时，加速度力与静电力叠加，从而改变静电吸附效果，影响两固定开关电极与活动开关电极闭合的时间间隔，则可通过对该时间间隔的测量获得加速度值，而时间间隔的测量可通过目前已非常成熟的计时电路技术来实现。

活动板6采用刚性圆板，支撑梁8采用L型折梁，刚性圆板与L型折梁构成微加速度计的活动结构。支撑梁均匀分布于圆板边缘上并关于圆板中心对称。刚性圆板6上有大量通孔，起减小空气阻尼的作用。

以下取圆板6的半径为800μm，厚度为100μm，并取L型支撑梁8的数目为8根，其宽度为100μm，厚度为20μm，其与圆板连接的一段长度为200μm，固支端所在的另一段长度为600μm。对该刚性圆板-折梁结构施加机械载荷，如图5所示，采用有限元软件ANSYS进行计算得到板的位移为1.54888μm。在该结构的中性面上，从某梁的固支端开始直至对称位置上另一根梁的固支端为止，沿着这两根梁的长度方向及板的直径方向在ANSYS中建立数据路径，则该路径上的位移曲线如图6所示。由该曲线的中间平坦部分可知活动板6及其上的活动驱动电极5和9、活动开关电极4和10在位移过程中与固定驱动电极2和12、固定开关电极3和11之间保持平行，并因而具有以下优点：（1）驱动电极在单位面积上具有更大的静电力，从而在测量高加速度时能有效防止出现静电力远小于加速度力的情况，确保基于静电吸附效应的工作原理能够实现。（2）开关电极在闭合瞬间即实现面接触，则接触电阻小。（3）开关电极闭合时，活动驱动电极与固定驱动电极在所有位置上的距离都非常小，则静电力因与电极间隙的平方成反比而具有相当大的值，使得开关电极间可靠接触并能实现闭合状态的锁存（直到驱动电压撤除），防止活动开关电极在闭合后发生反弹。

将以上刚性圆板-折梁结构升温100℃后, 如图7所示的ANSYS计算结果表明，活动板6的位移仅增大至1.55671μm，变化幅度为0.51%。若采用刚性圆板-直梁结构，并通过改变梁的长度使得圆板的初始位移与图5中刚性圆板-折梁结构相同，则ANSYS计算结果表明升温100℃后板的位移高达5.29129μm，变化幅度为241.9%。可见，本实施例中所采用的刚性圆板-折梁结构还能保证活动电极的位移几乎不受由温度变化所引起的热应力的影响。

本实施例的加工可采用现有常见微加工技术。圆板-梁结构可通过牺牲层工艺加工于下基底1上，其与下基底的连接部分即为锚点7。上基底13可通过与下基底1上支撑柱15的焊接而连接于下基底1。由于固定开关电极3、11与同侧固定驱动电极2、12不等高，需在上、下基底上通过刻蚀工艺在中心处形成凸台。各电极及绝缘层14、16均可通过溅射工艺完成。支撑梁8的不同形状、圆板4上大量通孔的分布位置等均由掩膜板的图形设计来实现。

各位技术人员须知：虽然本发明已按照上述具体实施方式做了描述，但是本发明的发明思想并不仅限于此发明，任何运用本发明思想的改装，都将纳入本专利专利权保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于静电吸附效应的微加速度计，包括：下基底（1）、上基底（13），所述下基底（1）和所述上基底（13）之间设有活动板（6）、支撑梁（8）及其锚点（7）、支撑柱（15），其特征在于：所述微加速度计还包括下固定驱动电极（2）和上固定驱动电极（12）、下活动驱动电极（5）和上活动驱动电极（9），所述下、上固定驱动电极（2、12）位于所述下基底（1）和所述上基底（13）的内表面上，下基底（1）和上基底（13）的内表面中心设有凸台，在所述凸台上分别设有下固定开关电极（3）和上固定开关电极（11），所述下、上活动驱动电极（5、9）位于所述活动板（6）的下、上表面，且其下、上表面还设有活动开关电极（4、10）。

2.根据权利要求1所述的一种基于静电吸附效应的微加速度计，其特征在于：所述下、上固定开关电极（3、11）分别位于下、上基底（1、13）的中心位置，所述下、上活动开关电极（4、10）对应位于所述活动板（6）的下、上表面的中心位置。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于静电吸附效应的微加速度计，其特征在于：所述下、上固定开关电极（3、11）和所述下、上活动开关电极（4、10）为圆形，所述下、上固定驱动电极（2、12）和所述下、上活动驱动电极（5、9）为圆环形但并不完全闭合，以供开关电极的引线通过。

4.根据权利要求1、2、3所述的一种基于静电吸附效应的微加速度计，其特征在于：所述下固定驱动电极（2）和上固定驱动电极（12）表面分别覆盖有下绝缘层（14）、上绝缘层（16），所述凸台及其上的所述固定开关电极（3、11）高于所述绝缘层（14、16）。

5.根据权利要求1所述的一种基于静电吸附效应的微加速度计，其特征在于：所述微加速度计由所述活动板（6）和所述支撑梁（8）构成活动结构。

6.根据权利要求1或5所述的一种基于静电吸附效应的微加速度计，其特征在于：所述活动板（6）为刚性圆板。

7.根据权利要求1、5或6所述的一种基于静电吸附效应的微加速度计，其特征在于：仅有所述支撑梁（8）发生弯曲，所述活动板（6）与其表面的活动驱动电极（5、9）、活动开关电极（4、10）只作平移运动。

8.根据权利要求1、5或6所述的一种基于静电吸附效应的微加速度计，其特征在于：所述支撑梁（8）为非直梁，数目至少2根。

9.根据权利要求1、5或6所述的一种基于静电吸附效应的微加速剂，其特征在于：所述活动板上设有若干通孔。

10.根据权利要求1所述的一种基于静电吸附效应的微加速度计，其特征在于：下、上固定驱动电极（2、12）上施加占宽比均为50%、频率相同、相位相差180°的矩形波电压，并通过测量两固定开关电极（3、11）与活动开关电极（4、10）闭合的时间间隔获得加速度值。