CN110531116A - 三轴电容式微加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三轴电容式微加速度计，该三轴电容式微加速度计包括：平面检测层、离面检测层、设置在平面检测层与离面检测层之间的基底层以及设置在离面检测层底部的衬底层；平面检测层包括在一个平面内呈正交分布的第一梳齿式微加速度计及第二梳齿式微加速度计；其中，第一梳齿式微加速度计及第二梳齿式微加速度计分别包括质量块、可动电极、固定电极、支撑梁、锚点区，质量块通过支撑梁悬空位于所述基底层顶部；摆式微加速度计包括中间极板、上极板及下极板，中间极板设置在上极板与下极板之间，上极板位于基底层，下极板位于衬底层。该三轴电容式微加速度计成在同一个芯片上，免除装配过程，具有稳定性高，体积小，制备成本低的优点。

Description

三轴电容式微加速度计

技术领域

本发明属于微电子机械系统技术领域，更具体地，涉及三轴电容式微加速度计。

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，需要三轴加速度计。由于敏感离面加速度的加速度计很难跟敏感平面加速度的加速度计集成在同一个芯片上，传统的三轴加速度计，采用将三个单轴的加速度计正交地封装在一起的方案，这种形式的三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，因此，急需要发展一种免装配的、在同一个芯片上集成的三轴加速度计。

公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种三轴电容式微加速度计，该三轴电容式微加速度计集成在同一个芯片上，免除装配过程，具有稳定性高，体积小，制备成本低的优点。

为了实现上述目的，本发明提供一种三轴电容式微加速度计，该三轴电容式微加速度计包括：

平面检测层、离面检测层、设置在所述平面检测层与所述离面检测层之间的基底层以及设置在所述离面检测层底部的衬底层；

其中，所述平面检测层包括在一个平面内呈正交分布的第一梳齿式微加速度计及第二梳齿式微加速度计；

其中，所述第一梳齿式微加速度计及所述第二梳齿式微加速度计分别包括质量块、可动电极、固定电极、支撑梁、锚点区，所述质量块通过四根所述支撑梁悬空位于所述基底层顶部，所述可动电极一端连接于所述质量块，所述固定电极一端连接于所述锚点区，支撑梁一端连接于所述质量块，另一端连接锚点区，所述锚点区连接于所述基底层；

其中，所述摆式微加速度计包括中间极板、上极板及下极板，所述中间极板设置在所述上极板与所述下极板之间，所述上极板位于所述基底层，所述下极板位于所述衬底层。

在上述技术方案中，优选地，三轴电容式微加速度计还包括：

第一绝缘层及第二绝缘层，所述中间极板通过所述第一绝缘层连接于所述衬底层，通过所述第二绝缘层连接于所述基底层。

在上述任一技术方案中，优选地，所述中间极板包括：中极引线区、中极锚点区、中极悬臂梁及中极质量块，所述中极引线区一端连接于所述中极锚点区，所述中极悬臂梁一端连接于所述中极锚点区，另一连接于所述中极质量块。

在上述任一技术方案中，优选地，所述上极板包括：上极引线区、上极锚点区及上极电容区，所述上极引线区连接于所述上极锚点区，所述上极电容区位于所述上极锚点区内侧，所述上极锚点区位于所述基底层。

在上述任一技术方案中，优选地，所述下极板包括：下极引线区、下极锚点区及下极电容区，所述下极引线区连接于所述下极锚点区，所述下极电容区位于所述下极锚点区内侧，所述下极锚点区位于所述衬底层。

在上述任一技术方案中，优选地，所述中极锚点区、所述上极锚点区及所述下极锚点区在水平面上的投影相重合，所述第一绝缘层位于所述中极锚点区与所述下极锚点区之间，所述第二绝缘层位于所述中极锚点区与所述上极锚点区之间。

在上述任一技术方案中，优选地，所述第一绝缘层的厚度与所述中极质量块与所述下极电容区之间的距离相适配，所述第二绝缘层的厚度与所述中极质量块与所述上极电容区之间的距离相适配。

在上述任一技术方案中，优选地，所述中极悬臂梁的厚度小于所述中极质量块的厚度。

在上述任一技术方案中，优选地，所述中极引线区、所述上极引线区及所述下极引线区不在同一个竖直方向上。

在上述任一技术方案中，优选地，三轴电容式微加速度计还包括：

第三绝缘层，所述第一梳齿式微加速度计及所述第二梳齿式微加速度计的所述锚点区通过所述第三绝缘层连接于基底层。

本发明的有益效果在于：

（1）通过平面检测层的设置，敏感平面内（X、Y方向）的加速度，通过离面检测层的设置敏感离面（Z方向）的加速度，能够测量三轴加速度，提高运行稳定性及测量精度；

（2）通过第一梳齿式微加速度计、第二梳齿式微加速度计、摆式微加速度计、基底层及衬底层的设置，三轴电容式微加速度计集成在同一个芯片上，免除装配过程，稳定性高，体积小，制备成本低。

本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了根据本发明的一个实施例的三轴电容式微加速度计的剖视图。

图2示出了根据本发明的一个实施例的第一梳齿式微加速度计的示意性结构图。

图3示出了根据本发明的一个实施例的第二梳齿式微加速度计的示意性结构图。

图4示出了根据本发明的一个实施例的中间极板的示意性结构图。

图5示出了根据本发明的一个实施例的上极板的示意性结构图。

图6示出了根据本发明的一个实施例的下极板的示意性结构图。

图7示出了根据本发明的一个实施例的摆式微加速度计的示意性结构图。

附图标记说明：

1、平面检测层；2、离面检测层；3、基底层；4、衬底层；5、第一梳齿式微加速度计；6、第二梳齿式微加速度计；7、质量块；8、可动电极；9、固定电极；10、支撑梁；11、质量块；12、中间极板；13、上极板；14、下极板；15、第一绝缘层；16、第二绝缘层；17、中极引线区；18、中极锚点区；19、中极悬臂梁；20、中极质量块；21、上极引线区；22、上极锚点区；23、上极电容区；24、下极引线区；25、下极锚点区；26、下极电容区；27、第三绝缘层；28、锚点区。

具体实施方式

下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

本发明提供了一种三轴电容式微加速度计，该三轴电容式微加速度计包括：

平面检测层、离面检测层、设置在平面检测层与离面检测层之间的基底层以及设置在离面检测层底部的衬底层；

其中，平面检测层包括在一个平面内呈正交分布的第一梳齿式微加速度计及第二梳齿式微加速度计；

其中，第一梳齿式微加速度计及第二梳齿式微加速度计分别包括质量块、可动电极、固定电极、支撑梁、锚点区，所述质量块通过四根所述支撑梁悬空位于所述基底层顶部，所述可动电极一端连接于所述质量块，所述固定电极一端连接于所述锚点区，支撑梁一端连接于所述质量块，另一端连接锚点区，所述锚点区连接于所述基底层；

其中，摆式微加速度计包括中间极板、上极板及下极板，中间极板设置在上极板与下极板之间，上极板位于基底层，下极板位于衬底层。

在该技术方案中，通过平面检测层的设置，敏感平面内（X、Y方向）的加速度，通过离面检测层的设置敏感离面（Z方向）的加速度，能够测量三轴加速度，提高运行稳定性及测量精度；通过第一梳齿式微加速度计、第二梳齿式微加速度计、摆式微加速度计、基底层及衬底层的设置，三轴电容式微加速度计集成在同一个芯片上，免除装配过程，稳定性高，体积小，制备成本低。

具体地，质量块由支撑梁支撑，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。在工作过程中，第一梳齿式微加速度计及第二梳齿式微加速度计用于测量平面内（X、Y方向）的加速度，在非测量状态时，第一梳齿式微加速度计及第二梳齿式微加速度计的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方向加速度的第一梳齿式微加速度计的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方向加速度的第二梳齿式微加速度计的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。摆式微加速度计用于测量离面（Z方向）的加速度，当有+Z向的加速度时，中间极板跟上极板的间隙减小，电容增加，中间极板跟下极板的间隙增大，电容减小，同理，当有-Z向的加速度时，中间极板跟上极板的间隙增大，电容减小，中间极板跟下极板的间隙减小，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。该三轴加速度计集成在同一个芯片上，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。

具体地，梳齿式微加速度计的支撑梁为四个呈U字形，连接于质量块，对质量块的支撑效果更佳，能够使三轴电容式微加速度计运行平稳，降低故障率。

作为优选方案，三轴电容式微加速度计还包括：

第一绝缘层及第二绝缘层，中间极板通过第一绝缘层连接于衬底层，通过第二绝缘层连接于基底层。

在该技术方案中，通过第一绝缘层及第二绝缘层的设置，对中间极板与上极板及下极板之间做绝缘处理，便于准确检测测量离面（Z方向）的加速度。

作为优选方案，中间极板包括：中极引线区、中极锚点区、中极悬臂梁及中极质量块，中极引线区一端连接于中极锚点区，中极悬臂梁一端连接于中极锚点区，另一连接于中极质量块。

在该技术方案中，中极引线区一端跟中极锚点区相连，另一端为自由端，中极悬臂梁一端跟中极锚点区相连，另一端跟中极质量块相连，中极质量块一端跟悬臂梁相连，另一端为自由端。

具体地，中间极板的中极悬臂梁连接于中极质量块一侧的中间位置，的中间，中极悬臂梁厚度比中极质量块厚度小，中极悬臂梁厚度大小决定了离面检测层的检测量程。

作为优选方案，上极板包括：上极引线区、上极锚点区及上极电容区，上极引线区连接于上极锚点区，上极电容区位于上极锚点区内侧，上极锚点区位于基底层。

在该技术方案中，上极锚点区位于上极电容区的四周。

作为优选方案，下极板包括：下极引线区、下极锚点区及下极电容区，下极引线区连接于下极锚点区，下极电容区位于下极锚点区内侧，下极锚点区位于衬底层。

在该技术方案中，下极锚点区位于下极电容区的四周。

具体地，通过中间极板设置有中极质量块，上极板设置有上极电容区，下极板设置有下极电容区，当有+Z向的加速度时，中间极板跟上极板的间隙减小，靠近上极电容区，电容增加，中间极板跟下极电容区的间隙增大，电容减小，同理，当有-Z向的加速度时，中间极板跟上极电容区的间隙增大，电容减小，中间极板跟下极电容区的间隙减小，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。该三轴加速度计集成在同一个芯片上，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。

作为优选方案，中极锚点区、上极锚点区及下极锚点区在水平面上的投影相重合，第一绝缘层位于中极锚点区与下极锚点区之间，第二绝缘层位于中极锚点区与上极锚点区之间。

作为优选方案，第一绝缘层的厚度等于中极质量块与下极电容区之间的距离，第二绝缘层的厚度等于中极质量块与上极电容区之间的距离。

作为优选方案，中极悬臂梁的厚度小于中极质量块的厚度。

作为优选方案，中极引线区、上极引线区及下极引线区不在同一个竖直方向上，即在水平面内投影不重叠。

作为优选方案，三轴电容式微加速度计还包括：

第三绝缘层，所述第一梳齿式微加速度计及所述第二梳齿式微加速度计的所述锚点区通过所述第三绝缘层连接于基底层。

具体地，第一绝缘层、第二绝缘层及第三绝缘层可以由二氧化硅制成，便于第一绝缘层、第二绝缘层及第三绝缘的加工制备。

实施例

图1示出了根据本发明的一个实施例的三轴电容式微加速度计的剖视图。图2示出了根据本发明的一个实施例的第一梳齿式微加速度计的示意性结构图。图3示出了根据本发明的一个实施例的第二梳齿式微加速度计的示意性结构图。图4示出了根据本发明的一个实施例的中间极板的示意性结构图。图5示出了根据本发明的一个实施例的上极板的示意性结构图。图6示出了根据本发明的一个实施例的下极板的示意性结构图。图7示出了根据本发明的一个实施例的摆式微加速度计的示意性结构图。

如图1至图7所示，该三轴电容式微加速度计包括：

平面检测层1、离面检测层2、设置在平面检测层1与纵向检测层之间的基底层3以及设置在离面检测层2底部的衬底层4；

其中，平面检测层1包括在一个平面内呈正交分布的第一梳齿式微加速度计5及第二梳齿式微加速度计6；

其中，第一梳齿式微加速度计5及第二梳齿式微加速度计6分别包括质量块7、可动电极8、固定电极9、支撑梁10及锚点区28，质量块7通过四根支撑梁10悬空位于基底层3顶部，可动电极8一端连接于质量块7，固定电极9一端连接于锚点区28，支撑梁10一端连接于质量块7，另一端连接锚点区28，锚点区28连接于基底层3；

其中，摆式微加速度计包括中间极板12、上极板13及下极板14，中间极板12设置在上极板13与下极板14之间，上极板13位于基底层3，下极板14位于衬底层4。

进一步地，三轴电容式微加速度计还包括：

第一绝缘层15及第二绝缘层16，中间极板12通过第一绝缘层15连接于衬底层4，通过第二绝缘层16连接于基底层3。

进一步地，中间极板12包括：中极引线区17、中极锚点区18、中极悬臂梁19及中极质量块20，中极引线区17一端连接于中极锚点区18，中极悬臂梁19一端连接于中极锚点区18，另一连接于中极质量块20。

进一步地，上极板13包括：上极引线区21、上极锚点区22及上极电容区23，上极引线区21连接于上极锚点区22，上极电容区23位于上极锚点区22内侧，上极锚点区22位于基底层3。

进一步地，下极板14包括：下极引线区24、下极锚点区25及下极电容区26，下极引线区24连接于下极锚点区25，下极电容区26位于下极锚点区25内侧，下极锚点区25位于衬底层4。

进一步地，中极锚点区18、上极锚点区22及下极锚点区25在水平面上的投影相重合，第一绝缘层15位于中极锚点区18与下极锚点区25之间，第二绝缘层16位于中极锚点区18与上极锚点区22之间。

进一步地，第一绝缘层15的厚度与中极质量块20与下极电容区26之间的距离相适配，第二绝缘层16的厚度与中极质量块20与上极电容区23之间的距离相适配。

进一步地，中极悬臂梁19的厚度小于中极质量块20的厚度。

在上述任一技术方案中，优选地，中极引线区17、上极引线区21及下极引线区24不在同一个竖直方向上。

进一步地，三轴电容式微加速度计还包括：

第三绝缘层27，所述第一梳齿式微加速度计5及所述第二梳齿式微加速度计6的所述锚点区28通过所述第三绝缘层27连接于基底层3。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (10)

1.一种三轴电容式微加速度计，其特征在于，该三轴电容式微加速度计包括：平面检测层、离面检测层、设置在所述平面检测层与所述离面检测层之间的基底层以及设置在所述离面检测层底部的衬底层；

其中，所述平面检测层包括在一个平面内呈正交分布的第一梳齿式微加速度计及第二梳齿式微加速度计；

其中，所述第一梳齿式微加速度计及所述第二梳齿式微加速度计分别包括质量块、可动电极、固定电极、支撑梁、锚点区，所述质量块通过四根所述支撑梁悬空位于所述基底层顶部，所述可动电极一端连接于所述质量块，所述固定电极一端连接于所述锚点区，支撑梁一端连接于所述质量块，另一端连接锚点区，所述锚点区连接于所述基底层；

其中，所述摆式微加速度计包括中间极板、上极板及下极板，所述中间极板设置在所述上极板与所述下极板之间，所述上极板位于所述基底层，所述下极板位于所述衬底层。

2.根据权利要求1所述的三轴电容式微加速度计，其特征在于，还包括：

第一绝缘层及第二绝缘层，所述中间极板通过所述第一绝缘层连接于所述衬底层，通过所述第二绝缘层连接于所述基底层。

3.根据权利要求2所述的三轴电容式微加速度计，其特征在于，所述中间极板包括：中极引线区、中极锚点区、中极悬臂梁及中极质量块，所述中极引线区一端连接于所述中极锚点区，所述中极悬臂梁一端连接于所述中极锚点区，另一连接于所述中极质量块。

4.根据权利要求3所述的三轴电容式微加速度计，其特征在于，所述上极板包括：上极引线区、上极锚点区及上极电容区，所述上极引线区连接于所述上极锚点区，所述上极电容区位于所述上极锚点区内侧，所述上极锚点区位于所述基底层。

5.根据权利要求4所述的三轴电容式微加速度计，其特征在于，所述下极板包括：下极引线区、下极锚点区及下极电容区，所述下极引线区连接于所述下极锚点区，所述下极电容区位于所述下极锚点区内侧，所述下极锚点区位于所述衬底层。

6.根据权利要求5所述的三轴电容式微加速度计，其特征在于，所述中极锚点区、所述上极锚点区及所述下极锚点区在水平面上的投影相重合，所述第一绝缘层位于所述中极锚点区与所述下极锚点区之间，所述第二绝缘层位于所述中极锚点区与所述上极锚点区之间。

7.根据权利要求5所述的三轴电容式微加速度计，其特征在于，所述第一绝缘层的厚度与所述中极质量块与所述下极电容区之间的距离相适配，所述第二绝缘层的厚度与所述中极质量块与所述上极电容区之间的距离相适配。

8.根据权利要求5所述的三轴电容式微加速度计，其特征在于，所述中极悬臂梁的厚度小于所述中极质量块的厚度。

9.根据权利要求5所述的三轴电容式微加速度计，其特征在于，所述中极引线区、所述上极引线区及所述下极引线区不在同一个竖直方向上。

10.根据权利要求5所述的三轴电容式微加速度计，其特征在于，还包括：

第三绝缘层，所述第一梳齿式微加速度计及所述第二梳齿式微加速度计的所述锚点区通过所述第三绝缘层连接于基底层。