CN109444467A - 一种共享质量块的三轴电容式加速度计 - Google Patents

一种共享质量块的三轴电容式加速度计 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种共享质量块的三轴电容式加速度计，包括：质量块，质量块被设置为：能够在三个轴向平动；基底，质量块相对基底进行平动；固定锚点，固定锚点将质量块连接至基底；检测电容，其电容值随着质量块的平动而发生变化。实现三个轴向平动的关键是通过两段式的刚性梁连接。与传统的加速度计敏感方式相比，本发明提供的加速度计大幅度提高了传感器的敏感度。同时，结合合成电容的检测方式，进一步大幅度地降低芯片的面积，降低产品的生产成本。

Description

一种共享质量块的三轴电容式加速度计
技术领域
本发明涉及一种加速度计，具体涉及一种共享质量块的三轴电容式加速度计，属于微机电技术领域。
背景技术
基于微机电系统(MEMS，Micro-Electro-Mechanical-System)加工制作的微型加速计因其体积小、成本低、集成性好、性能优良等诸多优点已在工业、医疗、民用、军事等非常广泛的领域得到了越来越多的应用。目前，在各类移动终端、相机、游戏手柄、导航仪等产品的应用中，在一定程度上，已经成为标准配置。在研制过程中，电容式、电阻式、压电式作为检测加速度的方式是主要应用的机理，其中，电容式加速度计因其结构简单，成本低廉，并可在低频范围内拥有较高的灵敏度和线性度等优势，成为最为流行的一类加速度计。
但正因为电容式加速度计容易设计，进入市场的技术门槛较低，从而导致价格战。为了能在这种激烈的竞争当中脱颖而出，必须在不影响或提高性能的同时，降低产品成本是必须要考虑的问题，而减小加速计芯片的面积是最为有效的方法。
而对于三轴加速度计来说，目前，常用的简化设计方案是共享三个轴的质量块。但，通常，质量块在面外运动的方向上是扭转的，由此带来的是，离转轴中心越近的位置，其敏感度越低，相反，则越高，这对传感器敏感的线性度有很大的要求，同时由于敏感效率不高，也不利于惯性质量和相应的面积的降低。
图1所示为现有的共享质量块的三轴加速度计的结构。质量块70通过弹性梁60连接到固定锚点50。检测电容一共12个，其中用于测量x、y和z轴加速度的电容各有4个，分别标号为10x～40x，10y～40y，10z～40z，其工作原理如下：
当有沿x轴的加速度输入的时候，质量块70会以固定锚点50为中心点绕z轴扭转，转动方向如图中箭头M_X所示。此时初始值相等的检测x轴加速度的电容10x～40x会产生细微变化。通过准确设计这四个电容的梳齿的方向，可以使10x和40x的电容值增大且20x和30x的电容值减小。所以最终可以利用电容检测和信号处理电路测量出他们的相对变化(ΔC10x-ΔC20x-ΔC30x+ΔC40x)，再通过反推可以得出输入的x轴加速度的大小。
当有沿y轴的加速度输入的时候，质量块70会沿y轴做平行移动，平动方向如图中箭头M_Y所示。此时初始值相等的检测y轴加速度的电容10y～40y会产生细微变化。通过准确设计这四个电容的梳齿的方向，可以使10y和20y的电容值增大且30y和40y的电容值减小。所以最终可以利用电容检测和信号处理电路测量出他们的相对变化(ΔC10y+ΔC20y-ΔC30y-ΔC40y)，再通过反推可以得出输入的y轴加速度的大小。
当有沿z轴的加速度输入的时候，质量块70会以弹性梁60为中心轴绕x轴转动，转动方向如图中箭头M_Z所示。检测z轴加速度的电容10z～40z是以高低差的形式工作的。所以初始值相等的电容10z～40z此时也会产生细微的变化。通过准确设计这四个电容的梳齿的高低方向，可以使10z和30z的电容值增大且20z和40z的电容值减小。所以最终可以利用电容检测和信号处理电路测量出他们的相对变化(ΔC10z-ΔC20z+ΔC30z-ΔC40z)，再通过反推可以得出输入的z轴加速度的大小。
如图1所示的现有技术三轴电容式加速度计中，质量块在x轴、z轴的运动都是扭转，而非平动。扭转的运动方式，大大限制了传感器的敏感效率的提高，为了实现扭转采用的配重才是真正实现敏感加速度效应的部分，其他的平衡部份的利用效率不高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：现有三轴电容式加速度计中，质量块采用扭转的运动方式，限制了加速度计测量的敏感度。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种共享质量块的三轴电容式加速度计，包括：
质量块，质量块被设置为：能够在三个轴向平动；
基底，质量块相对基底进行平动；
固定锚点，固定锚点将质量块连接至基底；
检测电容，其电容值随着质量块的平动而产生变化。
进一步地，质量块设置由第一横槽、第二横槽、第三横槽以及纵槽交叠成的近似王字型凹槽；第一横槽、第二横槽、第三横槽内分别容有第一弹性梁、第二弹性梁、第三弹性梁；纵槽中容有弹性连接的第一刚性梁和第二刚性梁；质量块依靠第一弹性梁、第二弹性梁、第三弹性梁、第一刚性梁与第二刚性梁的组合结构连接至基底。
进一步地，在自由状态时，第一弹性梁、第二弹性梁、第三弹性梁平行。
进一步地，第一横槽、第二横槽、第三横槽平行。
进一步地，纵槽与第一横槽、第二横槽、第三横槽垂直。
进一步地，检测电容包括固定梳齿和可动梳齿，固定梳齿与基底的相对位置保持恒定，可动梳齿连接至质量块；加速度计被施于加速度时，质量块发生相对于基底的平动，带动可动梳齿与固定梳齿产生相对位移，致使电容值产生变化。
进一步地，包括四组检测电容，由第三横槽与纵槽划分形成四个电容设置区，每组检测电容位于其中一个电容设置区。
进一步地，第三横槽两侧的检测电容关于第三横槽对称，纵槽两侧的检测电容关于纵槽对称。
进一步地，每组检测电容包括三个分电容。
进一步地，每组检测电容包括一个组合电容。
本发明的有益效果：通过两段式刚性梁的弹性连接方式，使质量块在3个线性方向的敏感运动方式皆为平动，与传统的加速度计敏感方式相比，大幅度提高了传感器的敏感度。同时，结合合成电容的检测方式，进一步大幅度地降低芯片的面积，降低产品的生产成本。
附图说明
图1是现有技术中共享质量块的三轴电容式加速度计的结构与工作示意图；
图2是本发明一个较佳实施例中的三轴电容式加速度计的结构与工作示意图，其中的检测电容为多个分电容；
图3是本发明一个较佳实施例中的三轴电容式加速度计的z轴检测电容的高低差示意图；
图4是本发明另一个较佳实施例中的三轴电容式加速度计的结构与工作示意图，其中的检测电容为组合电容。
图示：
10x～40x x轴检测电容
10y～40y y轴检测电容
10z～40z z轴检测电容
50 固定锚点
60 弹性梁
70 质量块
11x～41x x轴检测电容
11y～41y y轴检测电容
11z～41z z轴检测电容
51 固定锚点
61～63 弹性梁
64、65 刚性梁
71 质量块
12～42 组合检测电容
72 质量块
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
除非另作定义，本发明的权利要求书和说明书中所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中所使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。“包括”或者“具有”等类似的词语意指出现在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“具有”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“水平”、“横”、“纵”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图2所示，三轴电容式加速度计由基底、质量块71、固定锚点51、检测电容组成。固定锚点51将质量块71连接至基底，质量块71和基底之间还依靠一系列弹性梁和刚性梁连接，以使质量块51能够相对于基底产生三个轴向的平动，即沿着图中x轴、y轴、z轴的平动。
质量块51设置由第一横槽、第二横槽、第三横槽以及纵槽交叠成的近似王字型凹槽。第一横槽、第二横槽、第三横槽内分别容有弹性梁61、弹性梁62、弹性梁63。刚性梁分成两段，即刚性梁64与刚性梁65，两者弹性连接，刚性梁64与刚性梁65均被容纳在纵槽中。质量块71依靠弹性梁61、弹性梁62、弹性梁63、刚性梁64与刚性梁65的组合结构连接至基底。第一横槽、第二横槽、第三横槽平行。纵槽与第一横槽、第二横槽、第三横槽垂直。在不受加速度作用的自由状态下，弹性梁61、弹性梁62、弹性梁63也相互平行。
检测电容用于采集各个轴上的加速度信息，共有四组检测电容，由第三横槽与纵槽划分形成四个检测电容设置区，每组检测电容位于其中一个检测电容设置区。第三横槽两侧的检测电容关于第三横槽对称，例如，检测电容31x与检测电容11x关于第三横槽对称。纵槽两侧的检测电容关于纵槽对称，例如，检测电容31x与检测电容41x关于纵槽对称。既可以采用传统的分电容形式来采集各个轴向上的敏感信息，如图2所示。也可以采用合成电容形式来实现对各个轴向上加速度信息的采集，如图4所示。
检测电容由固定梳齿和可动梳齿组成，固定梳齿连接在基底，可动梳齿连接至质量块51。加速度计被施于加速度时，质量块51发生相对于基底的平动，带动可动梳齿与固定梳齿产生相对位移，致使电容值产生变化。再利用电容检测和信号处理电路测量出电容的相对变化，最后通过反推，可以得出输入的加速度的大小。
本发明可以采用传统的12个检测电容的方式来实现，也可以采用三轴合成形式的4电容检测机构。以12个检测电容为例，如图2所示，其中测量x轴、y轴和z轴加速度的电容各有4个，分别标号为11x～41x，11y～41y，11z～41z。其工作原理如下：
当有沿x轴的加速度输入的时候，质量块71会沿着x轴方向平动，此时初始值相等的检测x轴加速度的电容11x～41x会产生细微变化。通过准确设计这四个电容的梳齿的方向，可以使11x和41x的电容值增大且21x和31x的电容值减小。所以最终可以利用电容检测和信号处理电路测量出他们的相对变化(ΔC11x-ΔC21x-ΔC31x+ΔC41x)，再通过反推可以得出输入的x轴加速度的大小。
当有沿y轴的加速度输入的时候，质量块71会沿y轴做平动。此时初始值相等的检测y轴加速度的电容11y～41y会产生细微变化。通过准确设计这四个电容的梳齿的方向，可以使11y和21y的电容值增大且31y和41y的电容值减小。所以最终可以利用电容检测和信号处理电路测量出他们的相对变化(ΔC11y+ΔC21y-ΔC31y-ΔC41y)，再通过反推可以得出输入的y轴加速度的大小。
当有沿z轴的加速度输入的时候，质量块71会沿着z轴方向平动。如图3所示，检测z轴加速度的电容11z～41z是以高低差的形式工作的。所以初始值相等的电容11z～41z此时也会产生细微的变化。通过准确设计这四个电容的梳齿的高低方向，可以使11z和31z的电容值增大且21z和41z的电容值减小。所以最终可以利用电容检测和信号处理电路测量出他们的相对变化(ΔC11z-ΔC21z+ΔC31z-ΔC41z)，再通过反推可以得出输入的z轴加速度的大小。
通过两段式刚性梁的连接方式，使加速度计在3个敏感方向的运动都为平动，以大幅度提高器件的敏感度。通过调节三个弹性梁的刚度，以达到3个敏感方向皆为平动的目的。
当检测电容(11x～41z)被整合成4个电容(12～42)时，如图4所示，这4个电容的梳齿的方向和高低需要准确的设计，以达到以下所描述的工作原理：
当有沿x轴的加速度输入的时候，质量块72会沿着x轴平动。此时电容12和42的电容值会增大，但电容22和32的电容值会减小。所以最终可以利用电容检测和信号处理电路测量出他们的相对变化(ΔC12-ΔC22-ΔC32+ΔC42)，而其他两个轴向的电容变化影响很小，可以忽略，由此，再通过反推可以得出输入的x轴加速度的大小。
当有沿y轴的加速度输入的时候，质量块72会沿y轴平动。同理，此时电容12和22的电容值会增大，但电容32和42的电容值会减小。所以最终可以利用电容检测和信号处理电路测量出他们的相对变化(ΔC12+ΔC22-ΔC32-ΔC42)，再通过反推可以得出输入的y轴加速度的大小。
当有沿z轴的加速度输入的时候，质量块72会沿着z轴方向平动。此时电容12和32的电容值会增大，但电容22和42的电容值会减小。所以最终可以利用电容检测和信号处理电路测量出他们的相对变化(ΔC12-ΔC22+ΔC32-ΔC42)，再通过反推可以得出输入的z轴加速度的大小。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种三轴电容式加速度计，其特征在于，包括：
质量块，所述质量块被设置为：能够在三个轴向平动；
基底，所述质量块相对所述基底进行平动；
固定锚点，所述固定锚点将所述质量块连接至所述基底；
检测电容，其电容值随着所述质量块的平动而发生变化。
2.根据权利要求1所述的一种三轴电容式加速度计，其特征在于，所述质量块设置由第一横槽、第二横槽、第三横槽以及纵槽交叠成的近似王字型凹槽；
所述第一横槽、所述第二横槽、所述第三横槽内分别容有第一弹性梁、第二弹性梁、第三弹性梁；所述纵槽中容有弹性连接的第一刚性梁和第二刚性梁；
所述质量块依靠所述第一弹性梁、所述第二弹性梁、所述第三弹性梁、所述第一刚性梁与所述第二刚性梁的组合结构连接至所述基底。
3.根据权利要求2所述的一种三轴电容式加速度计，其特征在于，在自由状态时，所述第一弹性梁、所述第二弹性梁、所述第三弹性梁平行。
4.根据权利要求3所述的一种三轴电容式加速度计，其特征在于，所述第一横槽、所述第二横槽、所述第三横槽平行。
5.根据权利要求4所述的一种三轴电容式加速度计，其特征在于，所述纵槽与所述第一横槽、所述第二横槽、所述第三横槽垂直。
6.根据权利要求2所述的一种三轴电容式加速度计，其特征在于，所述检测电容包括固定梳齿和可动梳齿，所述固定梳齿与所述基底的相对位置保持恒定，所述可动梳齿连接至所述质量块；
所述加速度计被施于加速度时，所述质量块发生相对于所述基底的平动，带动所述可动梳齿与所述固定梳齿产生相对位移，致使所述电容值产生变化。
7.根据权利要求6所述的一种三轴电容式加速度计，其特征在于，包括四组所述检测电容，由所述第三横槽与所述纵槽划分形成四个电容设置区，每组所述检测电容位于其中一个所述电容设置区。
8.根据权利要求7所述的一种三轴电容式加速度计，其特征在于，所述第三横槽两侧的所述检测电容关于所述第三横槽对称，所述纵槽两侧的所述检测电容关于所述纵槽对称。
9.根据权利要求7所述的一种三轴电容式加速度计，其特征在于，每组所述检测电容包括三个分电容。
10.根据权利要求7所述的一种三轴电容式加速度计，其特征在于，每组所述检测电容包括一个组合电容。
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