CN110806498A - 一种梳齿电容式微机电加速度计结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种梳齿电容式微机电加速度计结构。结构包括梳齿组、质量块、挠性梁、挠性梁支撑杆和梳齿支撑杆。质量块为“日”字型框体结构，梳齿组为变间隙的梳齿组，构成梳齿组的单根梳齿为交叠区齿宽渐变的5边形齿。梳齿组交叉分布在质量块框体的内外两侧组成差分电容，梳齿组的可动齿与质量块相连，然后通过质量块框体四个角上的4根挠性梁悬挂在结构最外两侧的挠性梁支撑杆两端，梳齿组的固定齿与梳齿支撑杆相连。5边形齿可以在保持齿间隙比的同时增加齿对数，有利于提高加速度计的灵敏度。交叉分布的梳齿组可弥补刻蚀工艺不均匀带来的电容差异，提高电容对称性；还可以补偿差分电容受环境温度变化的影响，提高加速度计刻度系数的稳定性。

Description

一种梳齿电容式微机电加速度计结构
技术领域
本发明属于微机电加速度计结构技术领域，涉及一种梳齿电容式微机电加速度计结构。
背景技术
梳齿电容式微机电加速度计具有体积小、功耗少、稳定性好、过载能力强等优点，常用以加速度、振动和倾角测试，广泛应用于医疗、工业、军事等领域。
常规的梳齿电容式微机电加速度计结构通常由1个质量块、4组变间隙梳齿、4根挠性梁和相应的锚点组成。4组梳齿上下对称分布在质量块两侧组成差分电容，梳齿组的固定齿与锚点相连，可动齿与质量块相连，4根挠性梁将质量块连同可动齿悬空，形成敏感质量，然后与质量块锚点相连。为了优化或平衡设计指标，另有一些此类型加速度计的设计演变会增加梳齿组的数目、采用框体样式的质量块、对质量块挖孔等，典型的如专利CN204302308U中提出的结构。
上述类型加速度计的梳齿通常采用方形长条齿，考虑到梳齿端头受力较根部小，梳齿端头的宽度没有必要与根部一样，如此带来的额外质量会影响加速度计的指标设计。上述类型加速度计的梳齿组通常上下或左右对称分布组成差分电容，其加工时容易受刻蚀工艺不均匀性的影响；另外，当温度变化，材料出现胀缩时，梳齿间隙会发生微小变化，导致基础电容发生变化，影响加速度计刻度系数的稳定性。最后，上述类型加速度计的锚点通常较大、而且距离较远，导致结构很容易受到锚定材料的影响。
发明内容
鉴于现有技术的上述情况，本发明的目的是提供一种改进的梳齿电容式微机电加速度计结构。
本发明的上述目的是利用以下技术方案实现的：
一种梳齿电容式微机电加速度计结构，包括梳齿组、质量块、挠性梁、挠性梁支撑杆、梳齿支撑杆和衬底。质量块为“日”字型框体结构，梳齿组为变间隙的梳齿组，构成梳齿组的单根梳齿的交叠区齿宽，从齿根朝着齿端逐渐变窄；梳齿组交叉分布在质量块框体的内外两侧组成差分电容；梳齿组的可动齿与质量块相连，然后通过质量块框体四个角上的4根挠性梁悬挂在结构最外两侧的挠性梁支撑杆两端，梳齿组的固定齿与梳齿支撑杆相连。挠性梁支撑杆和梳齿支撑杆分别与衬底锚定。
在本发明的梳齿电容式微机电加速度计结构中，挠性梁支撑杆与衬底锚定的锚点位于“日”字型质量框中间横杆的延长线上；梳齿支撑杆与衬底锚定的锚点位于“日”字型质量框中间横杆两侧靠近横杆的区域。
在本发明的梳齿电容式微机电加速度计结构中，所述挠性梁可以是直梁、 U型梁或蛇形梁。
在本发明的梳齿电容式微机电加速度计结构中，所述质量框可以由纵向、横向排列扩展的多个“日”字型框体构成。
本发明的梳齿电容式微机电加速度计结构可提高加速度计的机械灵敏度。交叉分布的梳齿组可以弥补刻蚀工艺不均匀带来的电容差异，提高电容对称性；还可以补偿差分电容受温度变化的影响，有利于提高加速度计刻度系数的温度稳定性。
附图说明
图1是本发明的梳齿电容式微机电加速度计结构的三维示意图；
图2为本发明的梳齿电容式微机电加速度计结构的俯视示意图；
图3为本发明的梳齿电容式微机电加速度计结构中的单根5边形梳齿的三维示意图；
图4为本发明的梳齿电容式微机电加速度计结构中的单根5边形梳齿的俯视示意图。
具体实施方式
为了更清楚地理解本发明的目的、技术方案及优点，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。为了便于说明，以下描述中部件用数字编号标识，部件的子部件用部件的数字编号+小写字母来标识。为了清楚起见，图中未图示衬底。
本发明提供一种梳齿电容式微机电加速度计结构，所述结构的材料一般为硅或碳化硅。图1是本发明的梳齿电容式微机电加速度计结构的三维示意图，图2为其俯视示意图。本发明的梳齿电容式微机电加速度计结构包括梳齿组 01a-d，02a-d、质量块03、挠性梁04a-d、挠性梁支撑杆05a-b、梳齿支撑杆06a-c， 07a-c和衬底(所述衬底的材质可为硅或玻璃)。质量块03为“日”字型框体结构，梳齿组01a-d，02a-d为变间隙的梳齿组，构成梳齿组01a-d，02a-d的单根梳齿的交叠区齿宽，从齿根朝着齿端逐渐变窄。具体地，在实施例中，构成梳齿组的单根梳齿为交叠区齿宽渐变的5边形齿(参见图3和图4)。梳齿组01a-d， 02a-d交叉分布在质量块03框体的内外两侧组成差分电容；梳齿组01a-d，02a-d 的可动齿与质量块03相连，然后通过质量块03框体四个角上的4根挠性梁 04a-d悬挂在结构最外两侧的挠性梁支撑杆05a-b两端，在实施例中，所述挠性梁04a-d可以为直梁、U型梁或者蛇形梁等。梳齿组01a-d，02a-d的固定齿与梳齿支撑杆06a-c，07a-c相连。挠性梁支撑杆05a-b和梳齿支撑杆06a-c，07a-c 分别与衬底锚定。
具体地，在本实施例中，如图2所示，梳齿组01a，01b，01c，01d，02a， 02b，02c，02d的可动齿与质量块03相连，其共同构成加速度计的敏感质量。然后通过位于质量块03框体四个角上的挠性梁04a，04b，04c，04d分别与挠性梁支撑杆05a、05b的两端相连。梳齿组01a，01b，01c，01d，02a，02b，02c，02d的固定齿分别与梳齿支撑杆06a、06b、06c，07a，07b，07c相连。挠性梁支撑杆05a、05b和梳齿支撑杆06a、06b、06c，07a，07b，07c靠近“日”字型质量框体中间横杆部分为锚点08a，08b，09a，09b，09c，10a，10b，10c，用以整个加速度计结构的固定。
如图2所示，梳齿组01a位于“日”字形质量块03框体上半区左侧，梳齿组01b，01c位于“日”字形质量块03框体下半区内，梳齿组01d位于“日”字形质量块03框体上半区右侧；梳齿组02a位于“日”字形质量块03框体下半区左侧，梳齿组02b，02c位于“日”字形质量块03框体上半区内，梳齿组 02d位于“日”字形质量块03框体下半区右侧；梳齿01，02从而构成上下、左右均为交叉分布的形态，组成差分电容。
当受到垂直向上方向的加速度时，质量块03连同梳齿组01a，01b，01c， 01d，02a，02b，02c，02d的可动齿下移，如此使得梳齿组01a，01b，01c，01d 的齿间隙变大，电容变小，梳齿组02a，02b，02c，02d的齿间隙变小，电容变大，采用适当的检测电路就可以获取梳齿组01、02的电容差值，就可以推算出外部加速度计的大小。
在本发明的梳齿电容式微机电加速度计结构中，挠性梁支撑杆05a、05b 与衬底锚定的锚点08a、08b可位于“日”字型质量框中间横杆的延长线上；梳齿支撑杆06a、06b、06c，07a，07b，07c与衬底锚定的锚点09a，09b，09c， 10a，10b，10c可位于“日”字型质量框中间横杆两侧靠近横杆的区域。
另外，质量框03可由纵向、横向排列扩展的多个“日”字型框体构成。
另外，挠性梁支撑杆05a、05b和梳齿支撑杆06a、06b、06c，07a，07b， 07c，以及质量块03上可以挖孔，从而可以实现质量的调整。另外，锚点08a， 08b，09a，09b，09c，10a，10b，10c也可以挖孔，以降低应力。
在本发明的梳齿电容式微机电加速度计结构中，构成梳齿组01，02的单根梳齿的交叠区齿宽，从齿根朝着齿端逐渐变窄，在实施例中，构成梳齿组01， 02的单根梳齿为如图3和图4中所示的交叠区齿宽渐变的5边形齿。这样的5 边形齿可以降低梳齿的质量，利于加速度计量程与分辨率的设计平衡；可以在保持齿间隙比的同时增加单位面积内的梳齿对数，从而提高加速度计的机械灵敏度。以宽10um，长度320um，交叠300um的梳齿为例，如果采用齿端头宽度为5um的5边形齿，单根梳齿的质量较方形长条梳齿小23.4％；如果梳齿按照间隙2um，间隙比1：9阵列，阵列50组方形长条梳齿的面积可以阵列57 组5边形齿，由此机械灵敏度提升14％。
另外，交叉分布的梳齿组可以弥补刻蚀工艺不均匀带来的电容差异，提高电容对称性；还可以补偿差分电容受温度变化的影响，有利于提高加速度计刻度系数的温度稳定性。根据电容计算公式，基础电容
Figure RE-GDA0002333317470000051
其中ε为介电常数，s为梳齿交叠面积，d为梳齿间隙。当梳齿间隙受温度变化出现微小变化Δ时，得益于梳齿交叉分布，差分电容的四组梳齿组中，质量框体的内、外梳齿组间隙分别增加Δ和减小Δ，此时基础电容
考虑到Δ很小
可见梳齿组交叉分布使得基础电容几乎不随温度变化，由此刻度系数保持稳定。
当结构由温度升高而膨胀，齿间隙产生微小变化Δ时，差分电容中01a， 01d，02a，02d齿间隙变小，01b，01c，02b，02c齿间隙变大，根据上文中的电容计算公式，基础电容保持稳定，由此刻度系数保持稳定。
挠性梁支撑杆和梳齿支撑杆的锚点靠近“日”字型质量框体中间横杆有利于降低锚定材料对结构的影响。如果支撑杆上锚点的距离过远，衬底材料随温度的膨胀会传递给敏感结构和梳齿的固定齿，导致梳齿间隙发生更大变化，即Δ增加。尤其当4根挠性梁刚度由于工艺误差不一致时，会导致质量块中心位置偏移，引起加速度计零位变化。

Claims (8)

1.一种梳齿电容式微机电加速度计结构，包括梳齿组(01，02)、质量块(03)、挠性梁(04)、挠性梁支撑杆(05)、梳齿支撑杆(06，07)和衬底，其中质量块(03)为“日”字型框体结构，梳齿组(01，02)为变间隙的梳齿组，构成梳齿组(01，02)的单根梳齿的交叠区齿宽，从齿根朝着齿端逐渐变窄；梳齿组(01，02)交叉分布在质量块(03)框体的内外两侧组成差分电容；梳齿组(01，02)的可动齿与质量块(03)相连，然后通过质量块(03)框体四个角上的4根挠性梁(04)悬挂在结构最外两侧的挠性梁支撑杆(05)两端，梳齿组(01，02)的固定齿与梳齿支撑杆(06，07)相连，挠性梁支撑杆(05)和梳齿支撑杆(06，07)分别与衬底锚定。
2.根据权利要求1所述的梳齿电容式微机电加速度计结构，其中挠性梁支撑杆(05)与衬底锚定的锚点(08)位于“日”字型质量框中间横杆的延长线上；梳齿支撑杆(06，07)与衬底锚定的锚点(09，10)位于“日”字型质量框中间横杆两侧靠近横杆的区域。
3.根据权利要求1所述的梳齿电容式微机电加速度计结构，其中所述结构的材料为硅或碳化硅。
4.根据权利要求1所述的梳齿电容式微机电加速度计结构，其中所述挠性梁(04)为直梁、U型梁或蛇形梁。
5.根据权利要求1所述的梳齿电容式微机电加速度计结构，其中所述衬底的材质为硅或玻璃。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述质量框(03)由纵向、横向排列扩展的多个“日”字型框体构成。
7.根据权利要求1所述的梳齿电容式微机电加速度计结构，其中所述支撑杆(05，06，07)和质量块(03)上可以挖孔。
8.根据权利要求2所述的梳齿电容式微机电加速度计结构，其中所述锚点(08，09，10)可以挖孔。
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