CN111983258A - 一种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、敏感质量和止挡结构，所述玻璃衬底的上表面固定安装有固定极板，所述固定极板上挖设有三个呈前后间隔的凹槽，所述固定极板上位于前后两侧的凹槽内各固定安装有一组第一弹性粱单元，所述第一弹性粱单元包括两根左右相互间隔的第一U型梁，所述固定极板上位于中间的凹槽安装固定有第二弹性梁单元，所述第二弹性梁单元包括两根左右相互间隔的第二U型梁，所述第一弹性粱单元、第二弹性梁单元的上方固定安装有敏感质量，所述玻璃衬底焊接固定安装有止挡结构，所述敏感质量上挖设有与止挡结构相匹配的插槽；本装置结构简单，便于增加装置使用效果，提高使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及微电子机械领域，尤其是涉及一种梳齿电容式单轴加速度计。
背景技术
微电子机械系统（Micro Electro-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。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。
基于微机电系统(MEMS)惯性器件的微惯性测量单元(Micro InertialMeasurement Unit，简称MIMU)，目前被认为是实现常规弹药制导化改造与精确打击的一种重要组件。炮弹发射过程一般在10ms以内，是一个高过载强冲击过程。在大口径远程火炮炮弹发射过程，冲击载荷可达到25000~30000g。微机械加速度计是MIMU中的重要敏感器件，在炮弹发射过程中需要经历高过载环境，因此，需要微机械加速度计具有一定抗高过载的能力，保证其经历炮弹发射过程后不失效。
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
本发明为克服上述情况不足，旨在提供一种能解决上述问题的技术方案。
一种梳齿电容式单轴加速度计，包括玻璃衬底、固定极板、敏感质量和止挡结构，所述玻璃衬底的形状为正方体，所述玻璃衬底的上表面固定安装有正方体状的固定极板，所述固定极板上挖设有三个呈前后间隔的凹槽，所述固定极板上位于前后两侧的凹槽内各固定安装有一组第一弹性粱单元，所述第一弹性粱单元包括两根左右相互间隔的第一U型梁，所述固定极板上位于中间的凹槽安装固定有第二弹性梁单元，所述第二弹性梁单元包括两根左右相互间隔的第二U型梁，凹槽之间挖设有用于放置敏感质量的放置槽，所述敏感质量、梳齿式极板位于固定极板上放置槽内，所述梳齿式极板一体连接在敏感质量两侧，所述第一弹性粱单元、第二弹性梁单元与敏感质量相连接且位于同一平面内固定极板放置，所述敏感质量通过第一弹性粱单元、第二弹性梁单元与玻璃衬底上的锚点连接，通过第一弹性粱单元、第二弹性梁单元使得敏感质量悬浮于玻璃衬底上方，敏感质量和玻璃衬底、固定极板构成检测电容，同时第一U型梁、第二U型梁随着惯性力的作用频繁发生形变，带动质量块做出相应的位移响应，得到信号输出，所述玻璃衬底固定安装有止挡结构，所述止挡结构选择为正方形凸台，所述敏感质量上挖设有与止挡结构相匹配的插槽，止挡结构插设在插槽内，用于稳定敏感质量。
作为本发明进一步的方案：所述玻璃衬底的整体尺寸为4mm×4mm。
作为本发明进一步的方案：所述第一U型梁形状为U型，第一U型梁由多晶硅通过化学蚀刻工艺制造而成，所述第一U型梁上边长度与下边长度相等，第一U型梁上边长度与下边长度均为0.79mm，厚度为0.02mm，第一U型梁上边与下边间距为0.05mm。
作为本发明进一步的方案：所述第二U型梁上边长度长于下边长度，第二U型梁由多晶硅通过化学蚀刻工艺制造而成，第二U型梁的上边长度为0.79mm，第二U型梁51的下边长度为0.72mm，厚度为0.02mm，第二U型梁上边与下边间距为0.05mm。
作为本发明进一步的方案：所述固定极板外围尺寸为3mm×2.4mm，结构厚度为0.18mm。
作为本发明进一步的方案：所述凹槽为长方形，大小为2mm×0.2mm，凹槽3之间的相互间隔为1.07mm。
作为本发明进一步的方案：所述敏感质量由多晶硅通过化学蚀刻工艺制造，敏感质量的结构厚度为0.18mm，长方形尺寸为2.45mm×0.7mm。
作为本发明进一步的方案：所述止挡结构7为正方形凸台尺寸为0.29mm×0.29mm。
作为本发明进一步的方案：所述插槽8为正方形且尺寸为0.35mm×0.35mm。
本发明的有益效果：通过第一弹性粱单元、第二弹性梁单元的作用下，使得敏感质量悬浮于玻璃衬底上方，敏感质量和玻璃衬底固定极板构成检测电容，同时第一U型梁、第二U型梁随着惯性力的作用频繁发生形变，带动质量块做出相应的位移响应，得到信号输出，同时U字形梁结构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能够限制敏感质量的运动，减少支撑梁变形引起的应力集中。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明结构示意图；
图2是本发明图1侧视图；
图3是本发明玻璃衬底结构示意图；
图4是本发明敏感质量结构示意图；
图5是本发明第一U型梁结构示意图；
图6是本发明第二U型梁结构示意图。
图中：1-玻璃衬底、2-固定极板、3-凹槽、4-第一弹性粱单元、41-第一U型梁、5-第二弹性梁单元、51-第二U型梁、6-敏感质量、7-止挡结构、8-插槽、9-梳齿式极板。
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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1～2，本发明实施例中，一种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和止挡结构7，所述玻璃衬底1的形状为正方体，所述玻璃衬底1的上表面固定安装有正方体状的固定极板2，所述固定极板2上挖设有三个呈前后间隔的凹槽3，所述固定极板2上位于前后两侧的凹槽3内各固定安装有一组第一弹性粱单元4，所述第一弹性粱单元4包括两根左右相互间隔的第一U型梁41，所述固定极板2上位于中间的凹槽3安装固定有第二弹性梁单元5，所述第二弹性梁单元5包括两根左右相互间隔的第二U型梁51，凹槽3之间挖设有用于放置敏感质量的放置槽，所述敏感质量6、梳齿式极板9位于固定极板上放置槽内，所述梳齿式极板9一体连接在敏感质量6两侧，所述第一弹性粱单元4、第二弹性梁单元5与敏感质量6相连接且位于同一平面内固定极板2放置，所述敏感质量6通过第一弹性粱单元4、第二弹性梁单元5与玻璃衬底1上的锚点连接，通过第一弹性粱单元4、第二弹性梁单元5使得敏感质量6悬浮于玻璃衬底1上方，敏感质量6和玻璃衬底1、固定极板2构成检测电容，同时第一U型梁41、第二U型梁51随着惯性力的作用频繁发生形变，带动质量块做出相应的位移响应，得到信号输出，所述玻璃衬底1固定安装有止挡结构7，所述止挡结构7选择为正方形凸台，所述敏感质量6上挖设有与止挡结构7相匹配的插槽8，止挡结构7插设在插槽8内，用于稳定敏感质量6。
所述玻璃衬底1的整体尺寸为4mm×4mm。
所述第一U型梁41形状为U型，第一U型梁41由多晶硅通过化学蚀刻工艺制造而成，所述第一U型梁41上边长度与下边长度相等，第一U型梁41上边长度与下边长度均为0.79mm，厚度为0.02mm，第一U型梁41上边与下边间距为0.05mm。
所述第二U型梁51上边长度长于下边长度，第二U型梁由多晶硅通过化学蚀刻工艺制造而成，第二U型梁51的上边长度为0.79mm，第二U型梁51的下边长度为0.72mm，厚度为0.02mm，第二U型梁51上边与下边间距为0.05mm。
所述固定极板2外围尺寸为3mm×2.4mm，结构厚度为0.18mm。
所述与第一U形梁41、第二U形梁51由多晶硅通过化学蚀刻工艺制造而成。
所述凹槽3为长方形，大小为2mm×0.2mm，凹槽3之间的相互间隔为1.07mm。
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。
所述插槽8为正方形且尺寸为0.35mm×0.35mm。
本发明的工作原理是：安装时将敏感质量6通过第一弹性粱单元4、第二弹性梁单元5与玻璃衬底1上的锚点连接，止挡结构7插设在插槽8内，在第一弹性粱单元4、第二弹性梁单元5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和玻璃衬底1、固定极板2构成检测电容，同时第一U型梁41、第二U型梁51随着惯性力的作用频繁发生形变，带动质量块做出相应的位移响应，得到信号输出，同时U字形梁结构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，减少支撑梁变形引起的应力集中。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (4)
1.一种梳齿电容式单轴加速度计，包括玻璃衬底、固定极板、敏感质量和止挡结构，其特征在于，所述玻璃衬底的上表面固定安装有固定极板，所述固定极板上挖设有三个呈前后间隔的凹槽，所述固定极板上位于前后两侧的凹槽内各固定安装有一组第一弹性粱单元，所述第一弹性粱单元包括两根左右相互间隔的第一U型梁，所述固定极板上位于中间的凹槽安装固定有第二弹性梁单元，所述第二弹性梁单元包括两根左右相互间隔的第二U型梁，凹槽之间挖设有用于放置敏感质量的放置槽，所述敏感质量、梳齿式极板位于固定极板上放置槽内，所述梳齿式极板一体连接在敏感质量两侧，所述第一弹性粱单元、第二弹性梁单元与敏感质量相连接且位于同一平面内固定极板放置，所述敏感质量通过第一弹性粱单元、第二弹性梁单元与玻璃衬底上的锚点连接，所述玻璃衬底固定安装有止挡结构，所述止挡结构选择为正方形凸台，所述敏感质量上挖设有与止挡结构相匹配的插槽，止挡结构插设在插槽内。
2.根据权利要求1所述的梳齿电容式单轴加速度计，其特征在于，所述第一U型梁形状为U型，第一U型梁由多晶硅通过化学蚀刻工艺制造而成，所述第一U型梁上边长度与下边长度相等。
3.根据权利要求1所述的梳齿电容式单轴加速度计，其特征在于，所述第二U型梁上边长度长于下边长度，第二U型梁由多晶硅通过化学蚀刻工艺制造而成。
4.根据权利要求1所述的梳齿电容式单轴加速度计，其特征在于，所述敏感质量由多晶硅通过化学蚀刻工艺制造。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20201124 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |