CN110146725A - 谐振式微机电加速度传感器及加速度计 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种谐振式微机电加速度传感器及加速度计，所述加速度传感器包括质量块、弹性件，并且限定了第一方向；所述质量块与所述弹性件连接，从而使所述质量块适于沿所述第一方向振动，当沿所述第一方向有加速度输入时，通过静电力使所述质量块的谐振频率发生变化，所述加速度传感器通过检测所述质量块的谐振频率来确定加速度。本发明的加速度计采用至少一个上述加速度传感器。

Description

谐振式微机电加速度传感器及加速度计
技术领域
本发明涉及MEMS领域，尤其涉及一种谐振式微机电加速度传感器及加速度计。
背景技术
加速度计是一种测量运动物体线加速度的惯性器件，与测量角速度的陀螺仪共同构成在三维空间中的六自由度(六轴)惯性测量单元。随着微机电系统(MEMS，Micro-Electro-Mechanical-System)技术的出现和发展，以体积小、重量轻、成本和功耗低为突出特点的MEMS六轴惯性器件在智能手机、体感游戏机以及虚拟现实(VR，Virtual Reality)和增强现实(AR，Augmented Reality)设备中得到了广泛应用。
从实现原理上来说，MEMS加速度计可以分为电容式、谐振式、压电式、压阻式及热对流式等类型。其中硅基电容式MEMS加速度计一般包含固定结构和可动结构，外界的加速度使可动结构和固定结构的相对位置发生变化从而导致两者之间的电容发生变化，是一种典型的被动型器件，结构简单，制造工艺成熟，是现在使用最为广泛的MEMS加速度计。然而电容式微加速度计表征加速度大小的输出信号是幅度信号，而幅度信号在传输的过程中很容易受到干扰，所以电容式微加速度计很难应用于电磁干扰强烈或者对性能要求较高的环境中。同时，为了使外界加速度变化后传感器的输出能够尽快稳定，需要其可动部分在运动时所受的阻尼力足够大，要求空腔中的真空度不能太高，这与MEMS陀螺的要求恰好相反。作为一种主动型器件，MEMS陀螺只有在足够高的真空中才容易达到合适的驱动幅度。陀螺与加速度计在真空度要求上的内在矛盾是目前将两者进行单芯片集成的最大的工艺障碍。与电容式MEMS加速度计不同，谐振式加速度计与陀螺一样是主动型器件，对真空度的要求与陀螺一致，容易实现六轴惯性传感器的单芯片集成。同时谐振式加速度计输出的频率信号是一种准数字信号，传输过程中不容易受到干扰。所以近年来谐振式加速度计的研究受到了广泛关注。
现有的谐振式微机电加速度计一般包含一个或者多个谐振器，存在加速度时，敏感质量块在谐振器上产生相应的压力或者拉力，导致其谐振频率发生变化，频率的变化量与加速度的大小成比例。这类加速度计虽然解决了电容式加速度计信号容易受到干扰和不能适用于高真空度的缺陷，但是依然有很多难以克服的缺点，比如加速度计的灵敏度完全由材料参数及机械结构决定的，为了实现较大的灵敏度需要敏感质量块足够大。而且一旦加工完成，传感器的灵敏度是不可调整的，在部分应用中需要使用不同量程的多个加速度计来覆盖全部的测量需求。
发明内容
鉴于现有技术中的问题，本发明提供一种加速度传感器，其包括质量块、弹性件，并且限定了第一方向；所述质量块与所述弹性件连接，从而使所述质量块适于沿所述第一方向振动，当沿所述第一方向有加速度输入时，通过静电力使所述质量块的谐振频率发生变化，所述加速度传感器通过检测所述质量块的谐振频率来确定加速度。
在一具体实施例中，所述弹性件采用弹簧梁。
进一步地，所述加速度传感器还包括：
第一固定电极，所述质量块设置有与所述第一固定电极相配合的第一可动电极，所述第一固定电极接驱动信号；
在一具体实施例中，所述第一固定电极的驱动信号是脉冲信号、纯交流信号或者是带有直流偏置的交流信号；
第二固定电极，所述质量块设置有与所述第二固定电极相配合的第二可动电极，所述第二固定电极接检测信号；
在一具体实施例中，所述第二固定电极用于检测其与所述第二可动电极间的电容变化；
第三固定电极，所述质量块设置有与所述第三固定电极相配合的第三可动电极，所述第三固定电极接静电调整信号；
在一具体实施例中，所述第三固定电极接直流信号。
进一步地，所述加速度传感器还包括基底和盖板，所述基底和所述盖板相连接并限定了空腔，所述质量块、所述第一固定电极、所述第二固定电极、所述第三固定电极和所述弹性件均设置在所述空腔内。
进一步地，所述加速度传感器还包括若干键合锚点，所述质量块、所述第一固定电极、所述第二固定电极、所述第三固定电极和所述弹性件通过相应的键合锚点固定在所述基底和/或所述盖板上。
进一步地，所述质量块的谐振角频率为：
其中，ω为所述质量块的谐振角频率，m为所述质量块的质量，km为所述弹性件的机械刚度，ke为所述弹性件的静电刚度。
进一步地，所述静电刚度为：
其中，ke为静电刚度，Fe为静电力，x为所述质量块沿所述第一方向的位移，N为所述第三固定电极和所述第三可动电极的电极对数，ε0为真空中的介电常数，S为所述第三固定电极和所述第三可动电极的正对面积，V为施加在所述第三固定电极和所述第三可动电极间的电压，d为初始状态时所述第三固定电极和所述第三可动电极的间隙，Δd为加速度作用下所述第三固定电极和所述第三可动电极的间隙变化量。
进一步地，所述第一固定电极、所述第一可动电极、所述第二固定电极、所述第二可动电极、所述第三固定电极和所述第三可动电极具有平板结构或梳齿结构。
本发明还提供了一种加速度计，其采用至少一个上述加速度传感器。
进一步地，所述加速度计包括两个对称设置的所述加速度传感器，当有符合检测方向的加速度输入时，两个所述加速度传感器中的静电刚度一增一减，将两个检测信号采用差分方式处理。
进一步地，所述加速度计包括两组传感器单元，每组传感器单元包括一对呈对角设置的所述加速度传感器，同组中的所述加速度传感器的放置方向相同，不同组中的所述加速度传感器的放置方向相互垂直；当有符合检测方向的加速度输入时，同组中的两个所述加速度传感器中的静电刚度一增一减，将两个检测信号采用差分方式处理。
本发明的谐振式微机电加速度传感器及加速度计不同于现有技术中大多采用双端固定音叉(DETF)作为谐振结构，直接利用质量块和弹性件作为谐振器，大大缩小了器件面积，并且谐振频率变化的直接因素非机械力，而是采用了静电力，相同的位移引起的静电刚度的变化量与施加电压的平方成正比，可以通过改变静电调整电压的大小调节加速度计的灵敏度，因此能够通过选择不同的电压使同一加速度计覆盖不同量程的测试需求。
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。
附图说明
图1是本发明的实施例一的结构示意图；
图2是沿图1中A-A向的剖面示意图；
图3是本发明的另一个实施例的剖面示意图；
图4是本发明的实施例二的结构示意图，采用两个加速度传感器的单轴加速度计；
图5是本发明的实施例三的结构示意图，采用四个加速度传感器的双轴加速度计。
具体实施方式
在本发明的实施方式的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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，因此不能理解为对发明的限制。附图为原理图或者概念图，各部分厚度与宽度之间的关系，以及各部分之间的比例关系等等，与其实际值并非完全一致。
实施例一
如图1和图2所示，本实施例的加速度传感器包括基底100、盖板200，基底100和盖板200键合连接，两者形成空腔300。
在空腔300中设置有质量块401、固定梳齿403a和403b、固定电极405，并且盖板200上固定设置有键合锚点201a、201b、201c、201d。图1中质量块401的左下角通过弹簧梁402a连接到键合锚点201a，即弹簧梁402a的两端分别固定于键合锚点201a和质量块401。同样地，质量块401的右下角、左上角和右上角分别通过弹簧梁402b、402c、402d连接到键合锚点201b、201c、201d。质量块401分别与基底100和盖板200具有间隙，弹簧梁402a、402b、402c、402d的结构适于使质量块401在水平方向(基于附图的视角，以下对于水平方向或垂直方向的描述均是基于附图视角)上振动。
盖板200上还固定设置有键合锚点202a、202b，通过键合锚点202a、202b分别将固定梳齿403a、403b固定设置在质量块401的两侧，固定梳齿403a、403b均分别与基底100和盖板200具有间隙。固定梳齿403a、403b的梳齿沿水平方向延伸并且指向质量块401，相应地，质量块401边缘分别设置有与固定梳齿403a、403b相配合的可动梳齿404a、404b。
本实施例中质量块401的整体呈中空的框架结构，基底100上设置有键合锚点101，通过键合锚点101将固定电极405固定设置在质量块401的中空区域中，固定电极405分别与基底100和盖板200具有间隙，形成质量块401环绕固定电极405的结构。
在另一些实施例中，键合锚点101、201a、201b、201c、201d、202a、202b同时设置于基底100和盖板200上，来对固定电极405、弹簧梁402a、402b、402c、402d的一端以及固定梳齿403a、403b进行固定，如图3所示。
固定电极405的上下边缘均有向外垂直延伸的固定梳齿406，相应地，质量块401的内侧边缘分别设置有与固定梳齿406相配合的可动梳齿407。
在另一些实施例中，固定电极405被设置在质量块401的上侧或下侧，或者固定电极405分成两部分被设置在质量块401的上下两侧，类似于固定梳齿403a、403b的设置，只是方向不同。
上述设置中固定电极405与质量块401间均是采用梳齿结构形成电容，在另一些实施例中，固定电极405与质量块401间采用平板电容结构。
本实施例中，固定梳齿403a接驱动信号，固定梳齿403b接检测信号，固定电极405接静电调整信号，质量块401接地。通过固定梳齿403a加载交流信号，使质量块401在水平方向上振动，质量块401振动过程中，固定梳齿403b检测电容值的变化，从而反映质量块401的振动频率。具体说明如下：
在固定梳齿403a上加载驱动信号，驱动信号可以是脉冲信号、纯交流信号或者是带有直流偏置的交流信号，即在固定梳齿403a与可动梳齿404a之间施加电学激励，受激的质量块401沿水平方向振动，此时(固定电极405无信号输入情况下)质量块401的谐振频率为：
式中ω0为质量块401的谐振角频率，km为弹簧梁的机械刚度，m为质量块401的质量。
在固定电极405上加载直流信号，即在固定梳齿406和可动梳齿407之间施加直流电压，两者之间在电势差的作用下产生静电力，此时静电力可以等效为弹簧梁的刚度，即所谓的静电刚度，静电刚度可以表示为：
其中，ke为静电刚度，Fe为静电力，x为质量块401在x方向的位移，N为固定梳齿406和可动梳齿407的电极对数，ε0为真空中的介电常数，S为固定梳齿406和可动梳齿407的正对面积，V为施加在固定梳齿406和可动梳齿407间的电压(本实施例中即为加载在固定电极405上的直流信号)，d为初始状态时固定梳齿406和可动梳齿407的间隙，Δd为加速度作用下固定梳齿406和可动梳齿407的间隙变化量。
从而，当固定电极405上加载直流信号时，谐振器的谐振频率为：
其中，ω为质量块401的谐振角频率，m为质量块401的质量，km为弹簧梁的机械刚度，ke为弹簧梁的静电刚度，在不考虑材料参数非线性的前提下，机械刚度保持不变，而静电刚度的变化会直接导致谐振频率的变化。
本实施例中，当输入的加速度使质量块401沿水平方向相对于固定电极405向右运动时，固定梳齿406和可动梳齿407的间隙变小，即Δd＜0，导致等效的静电刚度变小，根据谐振器频率公式，静电刚度变小引起谐振频率变小。
相对地，当输入的加速度使质量块401沿水平方向相对于固定电极405向左运动时，固定梳齿406和可动梳齿407的间隙变大，即Δd＞0，导致等效的静电刚度变大，根据谐振器频率公式，静电刚度变大引起谐振频率变大。
从工作原理可以看出，本实施例的加速度传感器，谐振器频率发生变化的直接因素不是机械力，而是静电力。相同的位移引起的静电刚度的变化量与施加电压的平方成正比，可以通过改变电压的大小调节加速度计的灵敏度，因此能够通过选择不同的电压(调节固定电极405上加载的直流信号)使同一加速度计覆盖不同量程的测试需求。
对于本实施例中，固定梳齿403a、固定梳齿403b、固定电极405等的信号加载，可基于上述的工作原理进行适应性的调整，本实施例中对此不做限制。
实施例二
如图4所示，本实施例中的加速度计采用了两个实施例一中的加速度传感器，分别是加速度传感器410、420，两者背靠背对称设置，并且设置于同一基底和盖板形成的空腔内。加速度传感器410、420共用键合锚点220a、220c，以及共用固定梳齿423a，其余结构与实施例一中的加速度传感器相同，本实施例中在固定梳齿423a上加载驱动信号，使加速度传感器410、420中的质量块发生振动，其余固定电极和固定梳齿，以及质量块的信号加载与实施例一相同。
当外界的加速度使加速度传感器410、420中的质量块沿水平方向运动时，两质量块同向运动，其中一个加速度传感器中的间隙变化量Δd＞0，另一个加速度传感器中的间隙变化量Δd＜0，相应地，一个加速度传感器中的谐振频率增加，另一个加速度传感器中的谐振频率减小，通过将两个频率信号进行差分检测频率变化量，不仅可以使本实施例的加速度计的灵敏度翻倍，而且通过这种对称结构可以消除由温度变化、封装应力或者外加应力等引起的共模误差，改善加速度计的温漂及应力漂性能，提高加速度计的测量精度。
实施例三
如图5所示，本实施例的加速度计采用两组(每组两个)共四个实施例一中的加速度传感器，分别是加速度传感器430、440、450、460，其中加速度传感器430、450为一组，用于检测X轴(相当于图中的水平方向)的加速度，加速度传感器440、460为一组，用于检测Y轴(相当于图中的垂直方向)的加速度。加速度传感器430、440、450、460设置于同一基底和盖板形成的空腔内。
本实施例的整体布局于一正方形区域，加速度传感器430、450分别设置于正方形区域内的两个对角，加速度传感器440、460分别设置于正方形区域内的另两个对角。
当外界有X轴加速度输入，使加速度传感器430、450中的质量块沿水平方向运动时，两质量块同向运动，其中一个加速度传感器的间隙变化量Δd＞0，另一个加速度传感器的间隙变化量Δd＜0，相应地，一个加速度传感器的谐振频率增加，另一个加速度传感器的谐振频率减小，通过将两个频率信号进行差分检测频率变化量，来进一步确定X轴的加速度。
当外界有Y轴加速度输入，使加速度传感器440、460中的质量块沿垂直方向运动时，两质量块同向运动，其中一个加速度传感器的间隙变化量Δd＞0，另一个加速度传感器的间隙变化量Δd＜0，相应地，一个加速度传感器的谐振频率增加，另一个加速度传感器的谐振频率减小，通过将两个频率信号进行差分检测频率变化量，来进一步确定Y方向的加速度。
本实施例的两轴加速度计相比于现有产品，大大缩小了器件面积，并且可以通过改变静电信号电压的大小调节加速度计的灵敏度，因此能够通过选择不同的电压使同一加速度计覆盖不同量程的测试需求。
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)

1.一种加速度传感器，其特征在于，包括质量块、弹性件，并且限定了第一方向；所述质量块与所述弹性件连接，从而使所述质量块适于沿所述第一方向振动，当沿所述第一方向有加速度输入时，通过静电力使所述质量块的谐振频率发生变化，所述加速度传感器通过检测所述质量块的谐振频率来确定加速度。
2.如权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于，还包括：
第一固定电极，所述质量块设置有与所述第一固定电极相配合的第一可动电极，所述第一固定电极接驱动信号；
第二固定电极，所述质量块设置有与所述第二固定电极相配合的第二可动电极，所述第二固定电极接检测信号；
第三固定电极，所述质量块设置有与所述第三固定电极相配合的第三可动电极，所述第三固定电极接静电调整信号。
3.如权利要求3所述的加速度传感器，其特征在于，还包括基底和盖板，所述基底和所述盖板相连接并限定了空腔，所述质量块、所述第一固定电极、所述第二固定电极、所述第三固定电极和所述弹性件均设置在所述空腔内。
4.如权利要求4所述的加速度传感器，其特征在于，还包括若干键合锚点，所述质量块、所述第一固定电极、所述第二固定电极、所述第三固定电极和所述弹性件通过相应的键合锚点固定在所述基底和/或所述盖板上。
5.如权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于，所述质量块的谐振角频率为：
其中，ω为所述质量块的谐振角频率，m为所述质量块的质量，km为所述弹性件的机械刚度，ke为所述弹性件的静电刚度。
6.如权利要求6所述的加速度传感器，其特征在于，所述静电刚度为：
其中，ke为静电刚度，Fe为静电力，x为所述质量块沿所述第一方向的位移，N为所述第三固定电极和所述第三可动电极的电极对数，ε0为真空中的介电常数，S为所述第三固定电极和所述第三可动电极的正对面积，V为施加在所述第三固定电极和所述第三可动电极间的电压，d为初始状态时所述第三固定电极和所述第三可动电极的间隙，Δd为加速度作用下所述第三固定电极和所述第三可动电极的间隙变化量。
7.如权利要求2所述的加速度传感器，其特征在于，所述第一固定电极、所述第一可动电极、所述第二固定电极、所述第二可动电极、所述第三固定电极和所述第三可动电极具有平板结构或梳齿结构。
8.一种加速度计，其特征在于，包括至少一个如权利要求1-7任一所述的加速度传感器。
9.如权利要求8所述的加速度计，其特征在于，包括两个对称设置的所述加速度传感器，当有符合检测方向的加速度输入时，两个所述加速度传感器中的静电刚度一增一减，将两个检测信号采用差分方式处理。
10.如权利要求8所述的加速度计，其特征在于，包括两组传感器单元，每组传感器单元包括一对呈对角设置的所述加速度传感器，同组中的所述加速度传感器的放置方向相同，不同组中的所述加速度传感器的放置方向相互垂直；当有符合检测方向的加速度输入时，同组中的两个所述加速度传感器中的静电刚度一增一减，将两个检测信号采用差分方式处理。
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