CN109212261B - 一种能有效避免非敏感方向误触发的三轴阈值加速度计 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微机电系统技术领域，具体涉及一种能有效避免非敏感方向误触发的三轴阈值加速度计，包括衬底、可动电极悬挂弹簧、质量块、水平固定电极和垂直固定电极。衬底上设有凸条、可动电极支撑柱子、水平固定电极支撑柱子和垂直固定电极支撑柱子。可动电极悬挂弹簧一端与质量块相连、另一端与可动电极支撑柱子相连并将质量块悬空于凸条和水平固定电极支撑柱子上方，形成可动电极。水平固定电极一端与水平固定电极支撑柱子固定连接，另一端位于质量块侧面。垂直固定电极与垂直固定电极支撑柱子固定连接形成悬臂梁结构，垂直固定电极悬空于质量块上方。本发明实现了敏感方向和非敏感方向的加速度梯度差分，提高了器件的可靠性和稳定性。
Description
技术领域
本发明属于微机电系统(MEMS)技术领域，具体涉及一种能有效避免非敏感方向误触发的三轴阈值加速度计。
技术背景
MEMS阈值加速度计是一种集传感与执行于一体的传感器件，作为一种无源器件，因其体积小，重量轻等优点，常常被集成安装到物联网系统中，特别是在供电困难的偏于区域，或者更换电池困难的系统内部。在集成安装系统中，为了能够监测多个方向的加速度阈值，常常需要在不同方向上安装多个单轴阈值加速度计，使系统的集成度降低，三轴阈值加速度计的提出可在集成安装中提高系统集成度。因此，三轴阈值加速度计是当前物联网振动监测系统的最佳选择。
目前，三轴阈值加速度计的设计通常采用对称弹簧悬挂的圆形质量块作为可动电极，或者采用环形弹簧连接同心的外圆环质量块作为可动电极，如此设计的三轴阈值加速度计的质量块在敏感方向和非敏感方向的行程差别不大，切悬挂弹簧在敏感方向与非敏感方向的刚度差别小，导致非敏感方向与敏感方向的加速度阈值差别不大，当器件受到非敏感方向的加速度冲击时，很容易导致质量块在敏感方向上与固定电极接触，造成误触发。因此，提高三轴阈值传感器在敏感方向与非敏感方向的加速度梯度差是避免器件在非敏感方向误触发、提高器件稳定性和可靠性的有效途径。
随着物联网的发展，在集成安装系统中使用多轴器件取代单轴器件提高系统集成度可缩小安装空间，同时减少数据处理步骤。但是，集成安装系统对器件的稳定性和可靠性要求较高，一旦出现误触发，将大大增加系统的检修成本。通过对现有文献检索发现，LukeJ. Currano等在《Sensors and Actuators》(《传感器与执行器A》，2013年195（2）期191-197页)发表了题为“Triaxial inertial switch with multiple thresholds and resistiveladder readout”(“具有多个阈值和电阻梯度输出的三轴惯性开关”)的论文，作者在文中提出了多个三轴器件集成的具有电阻梯度差分的监测系统，单个结构使用一条环形弹簧连接的同心圆形质量块作为可动电极，在质量块的周围设计四个固定电极作为x、y、z方向的敏感电极。这种结构虽然能实现器件对±x、±y、+z方向的加速度敏感，但是由于环形的悬挂弹簧在水平360°方向的刚度分布没有差分度，导致可动电极在水平面内没有阈值梯度，当器件受到非敏感方向加速度冲击时，很小的阈值梯度就可导致信号电极导通，从而出现误触发，这样的设计无疑大大降低了器件的可靠性。因此，三轴阈值传感器虽然在安装系统中能够提高系统的集成度，但需要器件具有非常高可靠性。到目前为止，尚未有一种三轴阈值传感器在敏感方向和非敏感方向实现较大的阈值梯度差分，很容易造成器件在非敏感方向受到冲击时的误触发。
发明内容
本发明针对现有技术上的不足，提供了一种能有效避免非敏感方向误触发，有效提高器件稳定性的三轴阈值加速度计，该器件可动电极由三组弹簧悬挂的六边形质量块构成，质量块与悬挂弹簧整体构成三角形结构，水平固定电极分布在等边三角形三边的中心的位置，质量块在敏感方向和非敏感方向上受到相同的加速度冲击时，有很大的行程差别，从而实现当质量块在敏感方向与非敏感方向有相同行程时的冲击加速度有较大差别，可有效提高器件的加速度梯度差和稳定性。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术手段：一种能有效避免非敏感方向误触发的三轴阈值加速度计，包括衬底、可动电极悬挂弹簧、质量块、水平固定电极和垂直固定电极。
衬底上固定设有凸条、可动电极支撑柱子、水平固定电极支撑柱子和垂直固定电极支撑柱子。
可动电极悬挂弹簧一端与质量块相连、另一端与可动电极支撑柱子相连并将质量块悬空于凸条上方，形成可动电极。水平固定电极一端与水平固定电极支撑柱子固定连接、另一端悬空位于质量块侧面形成悬臂结构。垂直固定电极与垂直固定电极支撑柱子固定连接形成悬臂梁结构，垂直固定电极悬空于质量块上方。质量块和垂直固定电极中心均开有大小相等且对应的通孔。
本发明有益的效果：针对现有三轴阈值传感器在敏感方向与非敏感方向加速度梯度差小、稳定性差的问题，提出了一种可有效回避非敏感方向误触发的三轴阈值加速度计，改变了以往对称结构设计，实现了三轴阈值加速度计在敏感方向与非敏感方向有较大的加速度梯度差，提高了器件的稳定性。在可动电极上方设置垂直固定电极，不但实现了电极之间的弹性接触功能，还能对整个器件形成一个保护罩，提高器件的可靠性。
附图说明
图1是整体结构示意图。
图2是凸条与衬底结构示意图。
图3是可动电极与衬底结构示意图。
图4是水平固定电极与衬底结构示意图。
图5是垂直固定电极与衬底结构示意图。
附图序号说明：1—衬底；2—凸条；3—可动电极支撑柱子；4—可动电极悬挂弹簧；5—质量块；6—水平固定电极支撑柱子；7—水平固定电极；8—垂直固定电极支撑柱子；9—垂直固定电极。
具体实施方式
以下结合附图，作为实施例，对技术方案进一步说明。一种能有效避免非敏感方向误触发的三轴阈值加速度计，包括衬底1、可动电极悬挂弹簧4、质量块5、水平固定电极7和垂直固定电极9。
衬底1为绝缘体，衬底1上固定设有凸条2、可动电极支撑柱子3、水平固定电极支撑柱子6和垂直固定电极支撑柱子8。
凸条2为长方形结构，长50~500微米、宽10~100微米、厚5~50微米，呈环状扇形均匀分布，凸条2作用是减弱压膜阻尼效应。
可动电极悬挂弹簧4一端与质量块5相连、另一端与可动电极支撑柱子3相连并将质量块5悬空于凸条2上方5~100微米，可动电极支撑柱子3、可动电极悬挂弹簧４和质量块５组成非对称结构的可动电极。
可动电极支撑柱子3为三组、每组两个、每组呈环形均匀分布，可动电极支撑柱子3长500~1000微米、宽100~300微米、高10~50微米，可动电极支撑柱子3上表面与可动电极悬挂弹簧4上表面平行。
质量块5为中心开有通孔的六边形结构，边长800~2000微米、厚20~200微米、孔径为100—400微米。可动电极悬挂弹簧4为三组蛇形弹簧，三组蛇形弹簧中心点的连线构成等边三角形结构，线宽5~60微米、厚4~50微米，可动电极悬挂弹簧4与质量块5相隔120°的边连接。
垂直固定电极9与垂直固定电极支撑柱子8固定连接形成三向悬臂梁结构，垂直固定电极９为弹性多孔悬臂梁，厚10~200微米，垂直固定电极９中心开有孔径为100—400微米的通孔，垂直固定电极９中心通孔与质量块5中心通孔对应。垂直固定电极9悬空于质量块5上方5~100微米。垂直固定电极支撑柱子8长500~1000微米、宽100~300微米、高35~450微米，垂直固定电极支撑柱子8为三个，呈环形均匀分布，垂直固定电极支撑柱子8中心点与可动电极支撑柱子3中心点位于同一环上。
水平固定电极7为广字形结构，水平固定电极7的一端与水平固定电极支撑柱子6固定连接、另一端悬空位于质量块侧面中心5~100微米，形成悬臂结构。水平固定电极7为三个，分布在由三组蛇形弹簧中心点连线构成的等边三角形三边的中心位置。
水平固定电极支撑柱子6长500~1000微米、宽100~300微米、厚10~50微米，水平固定电极支撑柱子6为三个，水平固定电极支撑柱子6位于垂直固定电极支撑柱子8内侧、分布在由三组蛇形弹簧中心点连线构成的等边三角形三边的中心位置。水平固定电极支撑柱子6与垂直固定电极支撑柱子8距离为5~200微米。
当器件在水平面内相隔120°的方向上受到超过设定阈值的加速度冲击时，可动电极向着水平固定电极7方向移动并与之接触，从而使水平方向信号电极导通。
当外界超过设定阈值的加速度沿衬底1表面法线方向作用于本发明时，质量块5将接触到悬空在质量块5上方的垂直固定电极9，从而在垂直方向上实现对外电路的导通。
本发明在外界加速度作用下，依靠外界惯性力驱动可动电极运动，从而与水平固定电极7或者垂直固定电极9接触，随后又在可动电极悬挂弹簧4回复力的作用下回到平衡位置，从而实现对外电路的瞬间通断。
Claims (9)
1.一种能有效避免非敏感方向误触发的三轴阈值加速度计，包括衬底(1)、可动电极悬挂弹簧(4)、质量块(5)、水平固定电极(7)和垂直固定电极(9)，衬底(1)上固定设有凸条(2)、可动电极支撑柱子(3)和垂直固定电极支撑柱子(8)，其特征在于：衬底(1)上还固定设有水平固定电极支撑柱子(6)，水平固定电极(7)的一端与水平固定电极支撑柱子(6)固定连接、另一端悬空位于质量块(5)侧面形成悬臂结构；可动电极悬挂弹簧(4)一端与质量块(5)相连、另一端与可动电极支撑柱子(3)相连并将质量块(5)悬空于凸条(2)上方，质量块(5)为中心开有通孔的六边形结构，可动电极支撑柱子(3)、可动电极悬挂弹簧(4)和质量块(5)组成非对称结构的可动电极；垂直固定电极(9)与垂直固定电极支撑柱子(8)固定连接形成三向悬臂梁结构，垂直固定电极(9)悬空于质量块(5)上方，垂直固定电极(9)中心开有通孔；
可动电极悬挂弹簧(4)为三组蛇形弹簧，三组蛇形弹簧中心点的连线构成等边三角形结构，所述可动电极悬挂弹簧(4)与质量块(5)相隔120°的边连接；
可动电极支撑柱子(3)为三组，每组两个，三组可动电极支撑柱子(3)呈环形均匀分布，所述可动电极支撑柱子(3)上表面与可动电极悬挂弹簧(4)上表面平行；
垂直固定电极支撑柱子(8)为三个，呈环形均匀分布，垂直固定电极支撑柱子(8)中心点与可动电极支撑柱子(3)中心点位于同一环上；
水平固定电极支撑柱子(6)为三个，水平固定电极支撑柱子(6)位于垂直固定电极支撑柱子(8)内侧、分布在由三组蛇形弹簧中心点的连线构成的等边三角形三边的中心位置。
2.根据权利要求1所述的一种能有效避免非敏感方向误触发的三轴阈值加速度计，其特征在于：凸条(2)为长方形结构，长50～500微米、宽10～100微米、厚5～50微米，呈环状扇形均匀分布。
3.根据权利要求1所述的一种能有效避免非敏感方向误触发的三轴阈值加速度计，其特征在于：质量块(5)悬空于凸条(2)上方5～100微米，质量块(5)边长800～2000微米、厚20～200微米、通孔孔径为100～400微米。
4.根据权利要求1所述的一种能有效避免非敏感方向误触发的三轴阈值加速度计，其特征在于：可动电极悬挂弹簧(4)线宽5～60微米、厚4～50微米。
5.根据权利要求1所述的一种能有效避免非敏感方向误触发的三轴阈值加速度计，其特征在于：可动电极支撑柱子(3)长500～1000微米、宽100～300微米、高10～50微米。
6.根据权利要求1所述的一种能有效避免非敏感方向误触发的三轴阈值加速度计，其特征在于：垂直固定电极(9)为弹性多孔悬臂梁，厚10～200微米，垂直固定电极(9)通孔孔径为100～400微米的通孔，垂直固定电极(9)中心通孔与质量块(5)中心通孔对应，垂直固定电极(9)悬空于质量块(5)上方5～100微米。
7.根据权利要求1所述的一种能有效避免非敏感方向误触发的三轴阈值加速度计，其特征在于：垂直固定电极支撑柱子(8)长500～1000微米、宽100～300微米、高35～450微米。
8.根据权利要求1所述的一种能有效避免非敏感方向误触发的三轴阈值加速度计，其特征在于：水平固定电极支撑柱子(6)长500～1000微米、宽100～300微米、厚10～50微米，水平固定电极支撑柱子(6)与垂直固定电极支撑柱子(8)距离为5～200微米。
9.根据权利要求1所述的一种能有效避免非敏感方向误触发的三轴阈值加速度计，其特征在于：水平固定电极(7)为广字形结构，水平固定电极(7)悬空端位于质量块侧面中心5～100微米，水平固定电极(7)为三个，分布在由三组蛇形弹簧中心点的连线构成的等边三角形三边的中心位置。
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