CN110596423A - 一种抗高过载梳齿电容式单轴加速度计 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抗高过载的梳齿电容式单轴加速度计，包括玻璃衬底、固定极板、敏感质量、止挡结构、四个U形梁、两个M形梁、若干梳齿式极板。敏感质量、玻璃衬底和固定极板构成检测电容，同时U形梁、M形梁随着惯性力的作用频繁发生形变，带动敏感质量做出相应的位移响应，得到信号输出。通过惯性力公式和刚度公式，可求得与加速度计所连物体的加速度。本发明创新点在于：通过合理的止档结构设计，限制加速度计机械结构平面内两个方向的位移，防止机械结构在过大的冲击作用下发生破坏，并且通过在中间位置增加一对M形梁设计进一步提高刚度，增加机械结构的抗冲击能力，从而实现了加速度计在三个方向上都具有一定的抗高过载能力。

Description

一种抗高过载梳齿电容式单轴加速度计
技术领域
本发明涉及微电子机械领域，尤其是涉及一种抗高过载梳齿电容式单轴加速度计。
背景技术
微电子机械系统(Micro Electron-Mechanical System)简称MEMS，其主要是基于机械学科与微电子学科迅猛发展，同时为满足技术小型化、微型化的先进理念，融合物理学、材料科学等其他学科从而衍生的多学科交叉的前沿性研究领域。利用微电子加工工艺允许将微机械结构与所需的电子线路完全集成在一个硅片上，从而达到性能、价格、体积、重量、可靠性诸方面的高度统一。在MEMS发展的过程中，不断涌现出各种各样的微机械加速度计，其中以电容式加速度计最为常见。该类型加速度计的原理为借助极板间电容的改变量和自身结构参数两者的关系，巧妙地把施加在外部的加速度转变为微机械结构加速度计内电容的变化，由于电容为相对易于测量的电学量，据此开展对该电学量测量的相关工作，从而可间接得到所测量加速度的大小。对比基于其它原理的微机械结构加速度计，电容式加速度计的优点为：温漂效应小，温度稳定性好，结构简单，单位芯片面积灵敏度较高，功耗等，已成为目前微加速度计研究的重点与潮流，其应用也越来越方法。民用方面，其广泛用于通用航空、车辆控制、高速铁路、机器人、工业自动化、探矿、玩具、手机等；军事方面，电容式加速度计常用于导弹制导、潜艇和飞机的导航等。
在各类微机械加速度传感器中，梳齿式电容加速度计由于可增大检测电容，阻尼系数容易控制，因而应用广泛。梳齿电容式加速度计可通过表面微加工和体微加工实现，由于采用表面微机械工艺制作的传感器敏感质量较小，热机械噪声大，分辨率不高，不能用在惯性导航等领域。而用体微机械工艺可以制作高深宽比的梳齿式电容传感器，因此相比表面微加工工艺制作的传感器具有更高的灵敏度和分辨率。但是现有微机械加速度计抗高过载的能力不够，敏感性不够好，易损坏。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抗高过载的单轴梳齿电容式单轴加速度计，通过合理的止档结构设计，限制加速度计机械结构平面内两个方向的位移，防止机械结构在过大的冲击作用下发生破坏，并且通过在中间位置增加一对M形梁，进一步提高刚度，增加机械结构的抗冲击能力，从而实现了加速度计在三个方向上都具有一定的抗高过载能力。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种抗高过载梳齿电容式单轴加速度计，包括玻璃衬底、固定极板、敏感质量、止挡结构、四个U形梁、两个M形梁、若干梳齿式极板。玻璃衬底的上表面固连固定极板，固定极板上设有一个长方形的第一通槽、两个第二通槽和两个第三通槽与玻璃衬底相连通，其中第二通槽沿第一通槽的两条短边设置，第二通槽的长度大于第一通槽的短边长度，第三通槽沿第一通槽长边的中点向外设置，第二通槽和第三通槽长度方向的外侧边平齐，敏感质量、若干梳齿式极板均位于固定极板的第一通槽内，敏感质量包括长方形本体和两个凸块，两个凸块分别固连在长方形本体的短边中心伸入第二通槽，长方形本体长边中心处向内凹，若干梳齿式极板一体连接在敏感质量的长方形本体上，且沿长方形本体的长边设置，每个第三通槽内设有一个M形梁，每个第二通槽内设有两根中心对称的U形梁，两个第二通槽的中心分别设有一个第一锚点，每个第三通槽靠近第一通槽的端部设有两个第二锚点，第一锚点和第二锚点均固定在玻璃衬底上，且不与敏感质量接触，位于同一个第二通槽内的两个U形梁开口相对，一端分别与敏感质量的凸块相连，另一端分别与第一锚点相连，M形梁中位于两侧的梁分别与第二锚点相连，位于中间的梁长度最长，且与敏感质量的内凹处相连，通过四个U形梁、两个M形梁使得敏感质量悬浮于玻璃衬底上方。敏感质量的长方形本体上对称设有两个第四通槽，每个第四通槽内设有一个止挡结构，止挡结构固定在玻璃衬底上，用于稳定敏感质量，止挡结构与第四通槽间存在空隙。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：设置了止档结构，限制水平方向位移，防止机械结构在过大的冲击作用下发生破坏，并且通过M形梁连接结构的设计进一步提高Z向(垂直于纸面方向)的结构刚度，增加Z向的抗冲击能力，从而实现了加速度计在三个方向上都具有一定的抗高过载能力。
附图说明
图1是本发明抗高过载梳齿电容式单轴加速度计的结构示意图。
图2是本发明抗高过载梳齿电容式单轴加速度计的侧视图。
图3是本发明的玻璃衬底结构示意图。
图4是本发明的敏感质量结构示意图。
图5是本发明的U形梁结构示意图。
图6是本发明的M形梁结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
结合图1～图6，本发明实施例中，一种抗高过载梳齿电容式单轴加速度计，包括玻璃衬底1、固定极板2、敏感质量6、止挡结构7、四个U形梁3、两个M形梁8、若干梳齿式极板9。玻璃衬底1的上表面固连固定极板2，固定极板2上设有一个长方形的第一通槽、两个第二通槽和两个第三通槽分别与玻璃衬底1相连通，其中第二通槽沿第一通槽的两条短边设置，第二通槽的长度大于第一通槽的短边长度，第三通槽沿第一通槽长边的中点向外设置，第二通槽和第三通槽长度方向的外侧边平齐，敏感质量6、若干梳齿式极板9均位于固定极板2的第一通槽内，敏感质量6包括长方形本体和两个凸块，两个凸块分别固连在长方形本体的短边中心伸入第二通槽，长方形本体长边中心处向内凹，若干梳齿式极板9一体连接在敏感质量6的长方形本体上，且沿长方形本体的长边设置，每个第三通槽内设有一个M形梁8，每个第二通槽内设有两根中心对称的U形梁3，两个第二通槽的中心分别设有一个第一锚点4，每个第三通槽靠近第一通槽的端部设有两个第二锚点5，第一锚点4和第二锚点5均固定在玻璃衬底1上，且不与敏感质量6接触，位于同一个第二通槽内的两个U形梁3开口相对，一端分别与敏感质量6的凸块相连，另一端分别与第一锚点4相连，M形梁8中位于两侧的梁分别与第二锚点5相连，位于中间的梁长度最长，且与敏感质量6的内凹处相连，通过四个U形梁3、两个M形梁8使得敏感质量6悬浮于玻璃衬底1上方。敏感质量6的长方形本体上对称设有两个第四通槽，每个第四通槽内设有一个止挡结构7，止挡结构7固定在玻璃衬底1上，用于稳定敏感质量，止挡结构7与第四通槽间存在空隙。敏感质量6、玻璃衬底1和固定极板2构成检测电容，同时U形梁3、M形梁8随着惯性力的作用频繁发生形变，带动敏感质量6做出相应的位移响应，得到信号输出。
所述玻璃衬底1的整体尺寸为4mm×4mm。
所述U形梁3由多晶硅通过化学蚀刻工艺制造而成，U形梁3长度为0.79mm，厚度为0.02mm，U形梁3的两条梁间距为0.05mm。
所述M形梁8由多晶硅通过化学蚀刻工艺制造而成，M形梁8位于两侧的两条梁长度均为0.77mm，位于中间的梁长度为0.79mm，厚度为0.02mm，M形梁8位于两侧的两条梁间距为0.05mm，锚点为正方形，边长0.01mm。
所述固定极板2外围尺寸为3mm×2.4mm，结构厚度为0.18mm。
所述敏感质量6由多晶硅通过化学蚀刻工艺制造，敏感质量6的结构厚度为0.18mm，长方形本体尺寸为2.45mm×0.7mm。
所述止挡结构7为正方形凸台，尺寸为0.29mm×0.29mm。
所述第四通槽为正方形，且尺寸为0.35mm×0.35mm。
本发明的工作原理是：在U形梁3、M形梁8的作用下，使得敏感质量6悬浮于玻璃衬底1上方，敏感质量6、玻璃衬底1和固定极板2构成检测电容，同时U形梁3、M形梁8随着惯性力的作用频繁发生形变，带动敏感质量6做出相应的位移响应，得到信号输出，同时U形梁3、M形梁8能够在保证灵敏度的条件下，保证梁的刚度和折数，在超量程加速度输入时，止档结构7能够限制敏感质量6的运动，提高了水平两个方向的扛过载能力，减少支撑梁变形引起的应力集中。
当加速度计受到外界所给的加速度时，其惯性力公式为：
F＝ma (1)
其中m表示敏感质量的质量，要求得敏感质量的加速度，就需要得到惯性力F。而惯性力F关于位移u和刚度k的公式为：
所以只需要求得敏感质量6的位移即可。
当敏感质量6受到惯性力时，会产生电流，由敏感质量6、玻璃衬底1和固定极板2构成的检测电容得到信号输入，可求出敏感质量6的位移u，带入式(1)和式(2)，即可求得敏感质量6的加速度。从而测出了与加速度计所连接物体的加速度，达到其目的。
本发明通过合理的止档结构7设计，限制加速度计机械结构平面内两个方向的位移，防止机械结构在过大的冲击作用下发生破坏，并且通过在中间位置增加一对M形梁8设计进一步提高刚度，增加机械结构的抗冲击能力，从而实现了加速度计在三个方向上都具有一定的抗高过载能力。

Claims (7)

1.一种抗高过载梳齿电容式单轴加速度计，包括
玻璃衬底（1），作为衬底，同时也是芯片的最下层，后续可以和陶瓷管壳粘接；
固定极板（2），固定在玻璃衬底（1）的上表面；
其特征在于：
固定极板（2）上设有一个长方形的第一通槽、两个第二通槽和两个第三通槽分别与玻璃衬底（1）相连通，其中第二通槽沿第一通槽的两条短边设置，第三通槽沿第一通槽长边的中点向外设置，两个第二通槽的中心分别设有一个第一锚点（4），每个第三通槽靠近第一通槽的端部设有两个第二锚点（5），第一锚点（4）和第二锚点（5）均固定在玻璃衬底（1）上，
还包括，
设置在第一通槽内的敏感质量（6）和若干梳齿式极板（9），若干梳齿式极板（9）一体连接在敏感质量（6）上；
设置在第三通槽内设有M形梁（8），M形梁（8）中位于两侧的梁分别与第二锚点（5）相连，位于中间的梁长度最长，且与敏感质量（6）相连，
四根U形梁（3），每个第二通槽内设有两根中心对称的U形梁（3），位于同一个第二通槽内的两个U形梁（3）开口相对，一端分别与敏感质量（6）相连，另一端分别与第一锚点（4）相连，
通过四个U形梁（3）、两个M形梁（8）使得敏感质量（6）悬浮于玻璃衬底（1）上方；
所述敏感质量（6）上对称设有两个第四通槽，每个第四通槽内设有一个止挡结构（7），止挡结构（7）固定在玻璃衬底（1）上，用于稳定敏感质量。
2.根据权利要求1所述的抗高过载梳齿电容式单轴加速度计，其特征在于：敏感质量（6）包括长方形本体和两个凸块，两个凸块分别固连在长方形本体的短边中心伸入第二通槽，长方形本体长边中心处向内凹。
3.根据权利要求2所述的抗高过载梳齿电容式单轴加速度计，其特征在于：若干梳齿式极板（9）一体连接在敏感质量（6）的长方形本体上，且沿长方形本体的长边设置，M形梁（8）中间的梁与敏感质量（6）的内凹处相连，U形梁（3）一端分别与敏感质量（6）的凸块相连。
4.根据权利要求1所述的抗高过载梳齿电容式单轴加速度计，其特征在于：第二通槽的长度大于第一通槽的短边长度。
5.根据权利要求1所述的抗高过载梳齿电容式单轴加速度计，其特征在于：第二通槽和第三通槽长度方向的外侧边平齐。
6.根据权利要求1所述的抗高过载梳齿电容式单轴加速度计，其特征在于：止挡结构（7）与第四通槽间存在空隙。
7.根据权利要求1所述的抗高过载梳齿电容式单轴加速度计，其特征在于：敏感质量（6）、玻璃衬底（1）和固定极板（2）构成检测电容，同时U形梁（3）、M形梁（8）随着惯性力的作用频繁发生形变，带动敏感质量（6）做出相应的位移响应，得到信号输出。
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