CN109613300B - 一种可同时测量垂直方向加速度和角速度的微传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可同时测量垂直方向加速度和角速度的微传感器，包括上层的硅微结构和下层的玻璃基座，硅微结构通过键合工艺加工在玻璃基座上；硅微结构包括角速度检测模块和加速度检测模块，角速度检测模块和加速度检测模块共用一个质量块，角速度检测模块与质量块通过第一连接梁相连，加速度检测模块与质量块直接相连。本发明通过合理的连接梁设计，使角速度检测模块驱动模态与检测模态之间、加速度检测模态与角速度检测模态之间互相解耦，实现同时测量垂直方向加速度和角速度。加速度检测梳齿的设计消除了角速度检测模块驱动模态和检测模态对加速度检测模块检测造成的干扰影响，从而提高了微传感器在垂直方向加速度和角速度的测量精度。

Description

一种可同时测量垂直方向加速度和角速度的微传感器

技术领域

本发明属于微测量技术领域，涉及一种可同时测量垂直方向加速度和角速度的微传感器。

背景技术

微传感器件主要包括微机械角速度传感器和微机械加速度传感器，微机械角速度传感器是用于测量物体相对惯性空间转动的角度和角速度，微机械加速度传感器则是测量载体的加速度信息。微传感器件广泛应用于惯性导航定位系统中，在确定方位和解算姿态等方面发挥着极为重要的作用。

同时测量垂直方向加速度和角速度的微传感器在导弹制导、卫星定位的军用领域，汽车导航、医疗仪器等民用领域成功应用，但大多数研究单位均将角速度检测模块和加速度检测模块分离，导致机构复杂，体积大，各模态之间并不能实现完全解耦。

发明内容

发明目的：本发明提供了一种可同时测量垂直方向加速度和角速度的微传感器，其总体尺寸微小至2×10³μm级，可同时测量垂直方向(Z方向)的加速度和角速度。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种可同时测量垂直方向加速度和角速度的微传感器，包括上下两层，上层为硅微结构，下层为玻璃基座，硅微结构通过键合工艺加工在玻璃基座上；硅微结构包括角速度检测模块和加速度检测模块，角速度检测模块和加速度检测模块共用一个质量块，角速度检测模块与质量块通过第一连接梁相连，加速度检测模块与质量块直接相连；角速度检测模块驱动模态与角速度检测模块检测模态之间、加速度检测模块检测模态与角速度检测模块检测模态之间互相解耦，实现同时测量垂直方向加速度和角速度。

可选的，角速度检测模块包括驱动模块和检测模块，驱动模块包括对称设置于质量块X方向两侧边的第一驱动模块和第二驱动模块，检测模块包括对称设置于质量块Y方向两侧边的第一检测模块和第二检测模块；第一驱动模块两端分别与第一检测模块和第二检测模块相连，第二驱动模块两端分别与第一检测模块和第二检测模块另一端相连；加速度检测模块设置在质量块中间。

可选的，第一驱动模块包括第一驱动框架和第一驱动固定电极，第二驱动模块包括第二驱动框架和第二驱动固定电极；第一驱动框架和第二驱动框架设置于质量块X方向两侧，通过第一连接梁与质量块相连；第一驱动固定电极通过第一驱动梳齿与第一驱动框架相连，第二驱动固定电极通过第二驱动梳齿与第二驱动框架相连；

第一检测模块包括第一检测框架和第一检测固定电极，第二检测模块包括第二检测框架和第二检测固定电极；第一检测框架和第二检测框架设置于质量块Y方向两侧，通过第一连接梁与质量块相连；第一检测固定电极通过第一检测梳齿与第一检测框架相连，第二检测固定电极通过第二检测梳齿与第二检测框架相连。

可选的，第一驱动梳齿包括设置在第一驱动框架上的活动梳齿和设置在第一驱动固定电极上的固定梳齿，活动梳齿与固定梳齿相匹配；第二驱动梳齿结构与第一驱动梳齿结构相同；

第一检测梳齿包括设置在第一检测框架上的活动梳齿和设置在第一检测固定电极上的固定梳齿，活动梳齿与固定梳齿相匹配；第二检测梳齿结构与第一检测梳齿结构相同。

可选的，第一检测框架和第二检测框架上的活动梳齿与第一检测固定电极和第二检测固定电极上的固定梳齿采用不等厚度设计，第一驱动框架和第二驱动框架上的活动梳齿与第一驱动固定电极和第二驱动固定电极上的固定梳齿为等厚设计。

可选的，Y+侧的第一检测框架和第二检测框架上的活动梳齿比第一检测固定电极和第二检测固定电极上的固定梳齿厚10μm，Y-侧的第一检测固定电极和第二检测固定电极上的固定梳齿比第一检测框架和第二检测框架上的活动梳齿厚10μm。

可选的，硅微结构四角均设置有锚区，第一驱动框架、第二驱动框架、第一检测框架和第二检测框架的两端分别通过第二连接梁与锚区相连。

可选的，加速度检测模块包括第三检测框架、第四检测框架、第三检测固定电极和第四检测固定电极，第三检测固定电极和第四检测固定电极沿Y方向平行设置，第三检测框架和第四检测框架沿X方向并列设置在第三检测固定电极和第四检测固定电极之间，第三检测固定电极通过第一检测梳齿组分别与第三检测框架和第四检测框架相连，第四检测固定电极通过第二检测梳齿组分别与第三检测框架和第四检测框架相连；加速度检测模块通过第三检测框架和第四检测框架与质量块直接连接。

可选的，第一检测梳齿组包括两个沿第三检测固定电极对称设置的检测梳齿，检测梳齿包括设置在第三检测框架和第四检测框架上的活动梳齿和对称设置在第三检测固定电极上的固定梳齿，活动梳齿与固定梳齿相匹配；第二检测梳齿组结构和第一检测梳齿组结构相同。

可选的，第一检测梳齿组和第二检测梳齿组中的活动梳齿与固定梳齿均为等厚设计。

有益效果：与现有技术相比，本发明的一种可同时测量垂直方向加速度和角速度的微传感器，可同时测量Z方向的加速度和角速度。该发明具有以下优点：(1)加速度检测模块和角速度检测模块共用一个质量块，大大减小了结构的体积；(2)角速度检测模块驱动模态和角速度检测模块检测模态是解耦的，减小角速度检测时两种模态的互相干扰；(3)加速度检测模块检测模态与角速度检测模块驱动模态和角速度检测模块检测模态是解耦的，保证了Z方向所测角速度的准确度；(4)通过对将加速度电容检测梳齿组设计为差动输出结构，避免了角速度检测模块驱动模态和角速度检测模块检测模态对加速度检测的干扰。

附图说明

图1是本发明结构俯视图；

图2是本发明角速度检测模块驱动梳齿结构示意图；

图3是本发明角速度检测模块检测梳齿结构示意图；

图4是本发明加速度电容检测梳齿结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

一种可同时测量垂直方向加速度和角速度的微传感器，包括上下两层，上层为硅微结构，下层为玻璃基座，硅微结构通过键合工艺加工在玻璃基座上；硅微结构包括角速度检测模块和加速度检测模块，角速度检测模块和加速度检测模块共用一个质量块，以减少硅微结构的体积；角速度检测模块与质量块通过第一连接梁相连，加速度检测模块与质量块直接相连；角速度检测模块驱动模态与角速度检测模块检测模态之间、加速度检测模块检测模态与角速度检测模块检测模态之间互相解耦，实现同时测量垂直方向加速度和角速度。

X方向为角速度检测模块的驱动方向，Y方向为角速度检测模块的检测方向，Z方向为加速度检测模块的检测方向；当角速度检测模块驱动框架带动质量块沿X方向运动时，角速度检测模块检测框架在X方向为静止状态，当质量块带动角速度检测模块检测框架沿Y方向振动时，角速度检测模块驱动框架在Y方向为静止状态，当质量块带动加速度检测模块检测框架沿Z方向运动时，角速度检测模块驱动框架和角速度检测模块检测框架在Z方向是静止状态，即角速度检测模块驱动模态与角速度检测模块检测模态之间、加速度检测模块检测模态与角速度检测模块检测模态之间互相解耦。

角速度检测模块包括驱动模块和检测模块，驱动模块包括对称设置于质量块X方向两侧边的第一驱动模块和第二驱动模块，检测模块包括对称设置于质量块Y方向两侧边的第一检测模块和第二检测模块；第一驱动模块两端分别与第一检测模块和第二检测模块相连，第二驱动模块两端分别与第一检测模块和第二检测模块另一端相连；加速度检测模块设置在质量块中间。

第一驱动模块包括第一驱动框架和第一驱动固定电极，第二驱动模块包括第二驱动框架和第二驱动固定电极；第一驱动框架和第二驱动框架设置于质量块X方向两侧，通过第一连接梁与质量块相连；第一驱动固定电极通过第一驱动梳齿与第一驱动框架相连，第二驱动固定电极通过第二驱动梳齿与第二驱动框架相连；

第一检测模块包括第一检测框架和第一检测固定电极，第二检测模块包括第二检测框架和第二检测固定电极；第一检测框架和第二检测框架设置于质量块Y方向两侧，通过第一连接梁与质量块相连；第一检测固定电极通过第一检测梳齿与第一检测框架相连，第二检测固定电极通过第二检测梳齿与第二检测框架相连。

第一驱动梳齿包括设置在第一驱动框架上的活动梳齿和设置在第一驱动固定电极上的固定梳齿，活动梳齿与固定梳齿相匹配；第二驱动梳齿结构与第一驱动梳齿结构相同；

第一检测梳齿包括设置在第一检测框架上的活动梳齿和设置在第一检测固定电极上的固定梳齿，活动梳齿与固定梳齿相匹配；第二检测梳齿结构与第一检测梳齿结构相同。

硅微结构四角均设置有锚区，第一驱动框架、第二驱动框架、第一检测框架和第二检测框架的两端分别通过第二连接梁与锚区相连。

加速度检测模块包括第三检测框架、第四检测框架、第三检测固定电极和第四检测固定电极，第三检测固定电极和第四检测固定电极沿Y方向平行设置，第三检测框架和第四检测框架沿X方向并列设置在第三检测固定电极和第四检测固定电极之间，第三检测固定电极通过第一检测梳齿组分别与第三检测框架和第四检测框架相连，第四检测固定电极通过第二检测梳齿组分别与第三检测框架和第四检测框架相连；加速度检测模块通过第三检测框架和第四检测框架与质量块直接连接。

第一检测梳齿组包括两个沿第三检测固定电极对称设置的检测梳齿，检测梳齿包括设置在第三检测框架和第四检测框架上的活动梳齿和对称设置在第三检测固定电极上的固定梳齿，活动梳齿与固定梳齿相匹配；第二检测梳齿组结构和第一检测梳齿组结构相同。

结合图1，一种可同时测量垂直方向加速度和角速度的微传感器，用于测量Z轴输入的加速度和角速度，由上下两层构成，下层为玻璃基座1，上层为硅微结构14。硅微结构14包括：质量块12，X方向两侧角速度检测模块驱动框架11a、11b，角速度检测模块驱动固定电极10a、10b，Y方向两侧角速度检测模块检测框架3a、3b，角速度检测模块检测固定电极5a、5b，中间与质量块相连的加速度检测模块检测框架9a、9b，加速度检测模块检测固定电极8a、8b，4个锚区13a、13b、13c、13d，角速度检测模块驱动框架与锚区的8个连接梁6a、6b、6c、6d、6e、6f、6g、6h，角速度检测模块检测框架与锚区的8个连接梁2a、2b、2c、2d、2e、2f、2g、2h，质量块与角速度检测模块驱动框架的连接梁7a、7b、7c、7d、7e、7f，质量块与角速度检测模块检测框架的连接梁4a、4b、4c、4d、4e、4f。

硅微结构通过连接梁2a、2b、2c、2d、2e、2f、2g、2h、6a、6b、6c、6d、6e、6f、6g、6h悬空在玻璃基底之上，连接梁7a、7b、7c、7d、7e、7f、4a、4b、4c、4d、4e、4f比硅微结构厚度要薄。角速度检测模块驱动模态在X方向，角速度检测模块检测模态在Y方向，加速度检测模块检测模态在Z方向。角速度检测模块驱动框架11a、11b与锚区13a、13b、13c、13d的连接梁6a、6b、6c、6d、6e、6f、6g、6h在X方向刚度小，在Y方向与Z方向刚度大，角速度检测模块驱动框架仅能在X方向运动，在其他方向静止，减少了角速度检测模块检测模态和加速度检测模块检测模态对角速度检测模块驱动模态造成干扰；角速度检测模块检测框架3a、3b与锚区13a、13b、13c、13d的连接梁2a、2b、2c、2d、2e、2f、2g、2h在Y方向刚度小，在Z方向刚与X方向刚度大，使角速度检测模块检测框架仅能在Y方向运动，避免了角速度检测模块驱动模态和加速度检测模块检测模态对角速度检测模块检测模态造成干扰；质量块12与角速度检测模块驱动框架的连接梁7a、7b、7c、7d、7e、7f在Z方向刚度远小于连接梁10a、10b，使质量块在Z方向运动时角速度检测模块驱动框架保持静止；质量块12与角速度检测模块驱动框架和检测框架的连接梁2a、2b、2c、2d、2e、2f、2g、2h、6a、6b、6c、6d、6e、6f、6g、6h在Z方向刚度远大于连接梁7a、7b、7c、7d、7e、7f、4a、4b、4c、4d、4e、4f，使质量块可通过连接梁7a、7b、7c、7d、7e、7f、4a、4b、4c、4d、4e、4f带动加速度检测模块检测框架沿Z方向运动。将加速度电容检测梳齿组和角速度检测模块检测梳齿组均设计成差动输出结构，可避免共模干扰。

加速度检测模块检测框架直接与质量块相连，角速度检测模块驱动框架和角速度检测模块检测框架通过连接梁与质量块和锚区相连；所述锚区为4个，分别位于硅微结构的四个顶角位置；所述连接梁有四组，第一组为角速度检测模块驱动框架与锚区的连接梁，第二组为角速度检测模块检测框架与锚区的连接梁，第三组为角速度检测模块驱动框架与质量块的连接梁，第四组角速度检测模块检测框架与质量块的连接梁。硅微结构X方向两侧边和Y方向两侧边分别对称；质量块中间为加速度检测模块检测框架和检测梳齿，质量块X方向两侧边为角速度检测模块驱动框架和驱动梳齿，质量块Y方向两侧边为角速度检测模块检测框架和检测梳齿。为了实现差动输出，角速度检测模块检测框架的活动梳齿与固定电极上的固定梳齿采用不等厚度设计，而其余组件的活动梳齿与固定梳齿之间配合均为等厚设计。

加速度检测模块检测框架上的活动梳齿与质量块中间固定电极上的固定梳齿为加速度检测模块的检测梳齿组；角速度检测模块驱动框架上的活动梳齿与X方向两侧边固定电极上的固定梳齿为角速度检测模块的驱动梳齿组；角速度检测模块检测框架上的活动梳齿与Y方向两侧边固定电极上的固定梳齿为角速度检测模块的检测梳齿组。

驱动梳齿的结构对角速度检测灵敏度极其重要。驱动梳齿结构既要为驱动提供较大的驱动力，也要为驱动提供一定的稳定度。如图2所示的驱动模块的固定梳齿和活动梳齿，只需增加或减少梳齿的数量就可以有效增大或减小驱动力。驱动梳齿的固定梳齿和活动梳齿为等厚度设计。在电极固定梳齿上施加驱动电压，会使得活动梳齿的Y方向产生切向驱动力，从而驱动活动梳齿的运动。图2中，d₀是固定梳齿与活动梳齿间的交叉距离，Δd是活动梳齿的活动距离，单个电容梳齿的单侧面积变化ΔS＝d₀*Δd。

角速度检测模块的检测梳齿结构如图3所示。角速度检测模块检测位移一般比驱动位移小，合理设计检测梳齿结构是提高角速度检测灵敏度的关键。如图3所示的角速度检测模块检测梳齿基于不等高梳齿的变面积梳齿电容的检测方式，其结构也包括固定梳齿和活动梳齿，角速度检测模块检测框架带动梳齿沿Y方向运动。使固定梳齿与活动梳齿电容面积发生变化。其中，d₀是固定梳齿与活动梳齿间的交叉距离，Δd是活动梳齿间的位移距离，则单个电容梳齿的单侧面积变化ΔS＝d₀*Δd。当角速度输入时，检测框架带动检测梳齿产生Y方向上的位移，使Z方向检测框架中的活动梳齿与固定梳齿之间电容一侧增大一侧减小，形成差动输出结构形式。为了实现差动输出，角速度检测模块检测框架的活动梳齿与固定电极上的固定梳齿采用不等厚度设计，其中Y+侧的检测梳齿组中活动梳齿比固定梳齿厚10μm，Y-侧的检测梳齿组中固定梳齿比活动梳齿厚10μm，而其余组件的活动梳齿与固定梳齿之间配合均为等厚设计。

加速度检测模块的检测梳齿采用变面积式加速度电容检测梳齿结构如图4所示。其中，d₀是固定梳齿与活动梳齿间的交叉距离，Δd是活动梳齿间的位移距离。加速度电容检测梳齿采用变面积式梳齿电容检测方式，当加速度速度输入时，检测框架带动检测梳齿产生Z方向上的位移，使固定梳齿与活动梳齿电容面积发生变化。其中，d₀是固定梳齿与活动梳齿间的交叉距离，Δd是活动梳齿间的位移距离，则单个电容梳齿的单侧面积变化ΔS＝d₀*Δd。

本发明的微传感器用于测量Z轴输入的加速度和角速度，当加速度输入时，通过对加速度检测模块检测固定电极8a、8b上的固定梳齿与加速度检测模块检测框架7a、7b、7c、7d、7e、7f上的活动梳齿之间的电容变化量进行解算，可得到输入的加速度大小；当角速度输入时，通过对角速度检测模块检测固定电极5a、5b上的固定梳齿与角速度检测模块检测框架3a、3b上的活动梳齿之间的电容变化量进行解算，可得输入的角速度大小。通过该两种方式，该同时测量Z方向加速度和角速度的微传感器的结构达到精确测量Y轴输入加速度和角速度的目的。

角速度检测模块驱动模态在X方向，角速度检测模块检测模态在Y方向，加速度检测模块检测模态在Z方向，加速度电容检测梳齿组与角速度检测模块检测梳齿组均为差动输出结构。当Z轴输入加速度时，质量块带动加速度检测模块检测框架沿Z方向运动，若要检测Z轴输入的角速度，需在角速度检测模块驱动框架上施加X方向的交变驱动力，使驱动框架带动质量块沿X轴作交变的线振动。当Z轴有角速度输入时，质量块在哥式力的作用下带动角速度检测模块检测框架沿Y轴做周期性交错振动。通过检测加速度检测模块和角速度检测模块检测梳齿的电容变化量可得输入的加速度和角速度。

总之，微传感器结构的加速度检测模块与角速度检测模块共用质量块，可以减少硅微结构的体积。该传感器通过合理的连接梁设计，使角速度检测模块驱动模态与检测模态之间、加速度检测模态与角速度检测模态之间互相解耦。加速度检测梳齿的设计消除了角速度检测模块驱动模态和检测模态对加速度检测模块检测造成的干扰影响，从而提高了微传感器在垂直方向(Z方向)加速度和角速度的测量精度。

Claims (5)

1.一种可同时测量垂直方向加速度和角速度的微传感器，其特征在于：包括上下两层，上层为硅微结构，下层为玻璃基座，硅微结构通过键合工艺加工在玻璃基座上；硅微结构包括角速度检测模块和加速度检测模块，角速度检测模块和加速度检测模块共用一个质量块，角速度检测模块与质量块通过第一连接梁相连，加速度检测模块与质量块直接相连；角速度检测模块包括驱动模块和检测模块，驱动模块包括对称设置于质量块X方向两侧边的第一驱动模块和第二驱动模块，检测模块包括对称设置于质量块Y方向两侧边的第一检测模块和第二检测模块；第一驱动模块两端分别与第一检测模块和第二检测模块相连，第二驱动模块两端分别与第一检测模块和第二检测模块另一端相连；加速度检测模块设置在质量块中间；加速度检测模块包括第三检测框架、第四检测框架、第三检测固定电极和第四检测固定电极，第三检测固定电极和第四检测固定电极沿Y方向平行设置，第三检测框架和第四检测框架沿X方向并列设置在第三检测固定电极和第四检测固定电极之间，第三检测固定电极通过第一检测梳齿组分别与第三检测框架和第四检测框架相连，第四检测固定电极通过第二检测梳齿组分别与第三检测框架和第四检测框架相连；加速度检测模块通过第三检测框架和第四检测框架与质量块直接连接；角速度检测模块驱动模态与角速度检测模块检测模态之间、加速度检测模块检测模态与角速度检测模块检测模态之间互相解耦，实现同时测量垂直方向加速度和角速度；

第一驱动模块包括第一驱动框架和第一驱动固定电极，第二驱动模块包括第二驱动框架和第二驱动固定电极；第一驱动框架和第二驱动框架设置于质量块X方向两侧，通过第一连接梁与质量块相连；第一驱动固定电极通过第一驱动梳齿与第一驱动框架相连，第二驱动固定电极通过第二驱动梳齿与第二驱动框架相连；

第一检测模块包括第一检测框架和第一检测固定电极，第二检测模块包括第二检测框架和第二检测固定电极；第一检测框架和第二检测框架设置于质量块Y方向两侧，通过第一连接梁与质量块相连；第一检测固定电极通过第一检测梳齿与第一检测框架相连，第二检测固定电极通过第二检测梳齿与第二检测框架相连；

第一驱动梳齿包括设置在第一驱动框架上的活动梳齿和设置在第一驱动固定电极上的固定梳齿，活动梳齿与固定梳齿相匹配；第二驱动梳齿结构与第一驱动梳齿结构相同；

第一检测梳齿包括设置在第一检测框架上的活动梳齿和设置在第一检测固定电极上的固定梳齿，活动梳齿与固定梳齿相匹配；第二检测梳齿结构与第一检测梳齿结构相同；

第一检测框架和第二检测框架上的活动梳齿与第一检测固定电极和第二检测固定电极上的固定梳齿采用不等厚度设计，第一驱动框架和第二驱动框架上的活动梳齿与第一驱动固定电极和第二驱动固定电极上的固定梳齿为等厚设计。

2.根据权利要求1所述的一种可同时测量垂直方向加速度和角速度的微传感器，其特征在于：Y+侧的第一检测框架和第二检测框架上的活动梳齿比第一检测固定电极和第二检测固定电极上的固定梳齿厚

，Y-侧的第一检测固定电极和第二检测固定电极上的固定梳齿比第一检测框架和第二检测框架上的活动梳齿厚

。

3.根据权利要求1所述的一种可同时测量垂直方向加速度和角速度的微传感器，其特征在于：硅微结构四角均设置有锚区，第一驱动框架、第二驱动框架、第一检测框架和第二检测框架的两端分别通过第二连接梁与锚区相连。

4.根据权利要求1所述的一种可同时测量垂直方向加速度和角速度的微传感器，其特征在于：第一检测梳齿组包括两个沿第三检测固定电极对称设置的检测梳齿，检测梳齿包括设置在第三检测框架和第四检测框架上的活动梳齿和对称设置在第三检测固定电极上的固定梳齿，活动梳齿与固定梳齿相匹配；第二检测梳齿组结构和第一检测梳齿组结构相同。

5.根据权利要求1所述的一种可同时测量垂直方向加速度和角速度的微传感器，其特征在于：第一检测梳齿组和第二检测梳齿组中的活动梳齿与固定梳齿均为等厚设计。

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