CN108828264B - 一种两轴梳齿式微加速度计 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种两轴梳齿式微加速度计，所述加速度计由从下到上依次设置的衬底层、键合层、第一结构层、第一绝缘层、基底层、第二绝缘层、第二结构层七层结构构成；两个梳齿式微加速度计，分别位于第一结构层和第二结构层，一个加速度计结构相对于另一个加速度计结构旋转90°；位于第二结构层的锚点通过第二绝缘层跟基底层连接，基底层再通过第一绝缘层跟第一结构层上的锚点连接，第一结构层的锚点再通过键合层跟衬底层连接；电极分布在第二结构层上和衬底层上。本发明两轴梳齿式微加速度计由两个梳齿式加速度计构成，并分别位于两层，占用面积小，体积小，能够降低成本；另外不需要装配，稳定性好，测量精度高。

Description

一种两轴梳齿式微加速度计
技术领域
本发明涉及微电子机械系统技术领域，特别涉及一种两轴梳齿式微加速度计。
背景技术
采用微电子机械系统(MEMS)技术实现的微型电容式加速度计具有体积小、重量轻、精度高和成本低等有优点，在军事、汽车工艺、消费类电子产品等领域有广泛的应用前景。其中电容式微加速度计灵敏度高、温度漂移小、抗过载能力强、易于实现低成本的高精度测量，目前，电容式微加速度计在国内外发展较为成熟，并已经成功产业化。
随着传感技术的发展，在惯性导航、车辆安全等领域，单轴的加速度计已经不能满足性能的需求。比如安装在汽车上的安全气囊，其核心部件就是加速度计，由于汽车可能遭受来自正前方和侧壁方向的撞击，因此单轴的加速计已经不能满足性能的要求，需要采用双轴的加速度计。传统的双轴加速度计，采用将两个单轴的加速度计正交地封装在一起的方案，其一用来测量X方向的加速度，另外一个用来测量Y方向的加速度，这种形式的双轴加速度计具有装配困难、稳定性差、精度低、体积大、成本高等缺点。另外一种形式的双轴加速度计采用在硅片的同一个平面内布置正交地两个加速度计，分别用于敏感X、Y方向的加速度，这样虽然没有装配的困难，但占用的面积较大，体积大，导致成本较高。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种两轴梳齿式微加速度计，由两个梳齿式微加速度计构成，一个用于敏感X方向的加速度，另一个用于敏感Y方向的加速度，两个梳齿式微加速度计位于两个不同的平面内，在同一垂直方向上，都包括质量块、可动电极、固定电极、支撑梁、锚点、电极和基底层，所述质量块由四根支撑梁支撑，所述可动电极一端跟质量块连接，另一端为自由端，所述固定电极一端通过锚点连接到基底层上，另一端为自由端，所述支撑梁一端跟质量块连接，另一端通过锚点跟基底层连接。
优选地，所述加速度计由从下到上依次设置的衬底层、键合层、第一结构层、第一绝缘层、基底层、第二绝缘层、第二结构层七层结构构成；两个梳齿式微加速度计，分别位于第一结构层和第二结构层，一个加速度计结构相对于另一个加速度计结构旋转90°；位于第二结构层的锚点通过第二绝缘层跟基底层连接，基底层再通过第一绝缘层跟第一结构层上的锚点连接，第一结构层的锚点再通过键合层跟衬底层连接；电极分布在第二结构层上和衬底层上，分别引出位于第二结构层上的梳齿式加速度计的梳齿电容信号和第一结构层上的梳齿式加速度计的梳齿电容信号。
优选地，绝缘层材料中包括二氧化硅。
优选地，支撑梁为“U”形梁。
优选地，位于第一结构层上的梳齿式加速度计和位于第二结构层上的梳齿式加速度计可以互换。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：该两轴加速度计由两个梳齿式加速度计构成，并分别位于两层，占用面积小，体积小，能够降低成本；另外不需要装配，稳定性好，测量精度高。
附图说明
图1为本发明实施例的两轴梳齿式微加速度计纵剖面示意图。
图2为本发明实施例的两轴梳齿式微加速度计为图1中第二结构层上各功能单元结构示意图。
图3为本发明实施例的两轴梳齿式微加速度计为图1中第一结构层上各功能单元结构示意图。
具体实施方式
如图1-3所示，本发明公开了一种两轴梳齿式微加速度计，由两个梳齿式微加速度计构成，并分别位于第一结构层3和第二结构层7上，在同一垂直方向上，一个用于敏感X方向的加速度，另一个用于敏感Y方向的加速度。为了实现传感功能，在第二结构层上的梳齿式微加速度计包括固定电极21、可动电极22、质量块23和支撑梁24，固定电极21一端通过锚点25跟第二绝缘层6连接，另一端为自由端，可动电极22一端连接到质量块23上，另一端为自由端，支撑梁24一端连接到质量块23上，另一端通过锚点26跟第二绝缘层6连接。在第一结构层上的梳齿式微加速度计包括固定电极31、可动电极32、质量块33和支撑梁34，固定电极31一端通过锚点35跟第一绝缘层4连接，另一端为自由端，可动电极32一端连接到质量块33上，另一端为自由端，支撑梁34一端连接到质量块33上，另一端通过锚点36跟第一绝缘层4连接。两个加速度计通过各自的锚点分别跟基底层连接组合在一起，即位于第二结构层上的梳齿式微加速度计的锚点通过第二绝缘层6跟基底层5连接，位于第一结构层上的梳齿式微加速度计的锚点通过第一绝缘层4跟基底层5连接，然后两个加速度计再通过键合层跟衬底层连接在一起。位于第一结构层和第二结构层上的梳齿式加速度计结构正交，并可以互换。电极8分布在第二结构层上，用于引出第二结构层上的梳齿式加速度计的梳齿电容信号，电极9分布在衬底层上，用于引出第一结构层上的梳齿式加速度计的梳齿电容信号。
本发明装置的工作原理如下：在非测量状态时，质量块处于中间位置，质量块上下部分梳齿间隙相等，形成的电容大小相等，输出信号为0，当有Y方向上的加速度时，敏感Y方向加速度的加速度计质量块在加速度作用下运动，如果加速度方向为+Y方向，质量块上部可动电极与固定电极间隙减小，电容增大，质量块下部可动电极与固定电极间隙增大，电容减小，同理，如果加速度方向为-Y方向，质量块上部可动电极与固定电极间隙增大，电容减小，质量块下部可动电极与固定电极间隙减小，电容增大，利用业已非常成熟的差分测量技术测量上下电容的差值大小及正负方向，可知加速度的大小和方向；当有X方向上的加速度时，敏感X方向加速度的加速度计质量块在加速度作用下运动，如果加速度方向为-X方向，质量块左部可动电极与固定电极间隙减小，电容增大，质量块右部可动电极与固定电极间隙增大，电容减小，同理，如果加速度方向为+X方向，质量块上部可动电极与固定电极间隙增大，电容减小，质量块下部可动电极与固定电极间隙减小，电容增大，利用业已非常成熟的差分测量技术测量上下电容的差值大小及正负方向，可知加速度的大小和方向。这样利用两个加速度计分别敏感X、Y方向的加速度。
由于两个梳齿式微加速度计位于不同平面，正交分布，在同一垂直方向上，不需要装配就可以实现X、Y两个方向的加速度测量，具有面积小、体积小、稳定性好和测量精度高的优点。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种两轴梳齿式微加速度计，其特征在于：由两个梳齿式微加速度计构成，一个用于敏感X方向的加速度，另一个用于敏感Y方向的加速度，两个梳齿式微加速度计位于两个不同的平面内，在同一垂直方向上，都包括质量块、可动电极、固定电极、支撑梁、锚点、电极和基底层，所述质量块由四根支撑梁支撑，所述可动电极一端跟质量块连接，另一端为自由端，所述固定电极一端通过锚点连接到基底层上，另一端为自由端，所述支撑梁一端跟质量块连接，另一端通过锚点跟基底层连接；
所述加速度计由从下到上依次设置的衬底层、键合层、第一结构层、第一绝缘层、基底层、第二绝缘层、第二结构层七层结构构成；两个梳齿式微加速度计，分别位于第一结构层和第二结构层，一个加速度计结构相对于另一个加速度计结构旋转90°；位于第二结构层的锚点通过第二绝缘层跟基底层连接，基底层再通过第一绝缘层跟第一结构层上的锚点连接，第一结构层的锚点再通过键合层跟衬底层连接；电极分布在第二结构层上和衬底层上，分别引出位于第二结构层上的梳齿式加速度计的梳齿电容信号和第一结构层上的梳齿式加速度计的梳齿电容信号。
2.根据权利要求1所述的一种两轴梳齿式微加速度计，其特征在于，绝缘层材料中包括二氧化硅。
3.根据权利要求 1所述的一种两轴梳齿式微加速度计，其特征在于，支撑梁为“U”形梁。
4.根据权利要求 1所述的一种两轴梳齿式微加速度计，其特征在于，位于第一结构层上的梳齿式加速度计和位于第二结构层上的梳齿式加速度计可以互换。
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