CN111998840B - 一种mems多轴振动传感器结构 - Google Patents

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Abstract

本发明属于MEMS传感器领域，涉及一种MEMS多轴振动传感器结构，包括交叉布置的X轴结构及Y轴结构；所述X轴结构与Y轴结构均由两个相对布置的传感单体对称布置组成；所述X轴结构与所述Y轴结构的四个所述传感单体均连接在布置在整体MEMS多轴振动传感器结构中心的中心TSV上；所述传感单体包括可动质量块、悬臂、弹簧；所述可动质量块通过弹簧固定在悬臂上且所述质量块与所述悬臂之间电隔离；所述悬臂固定在中心TSV上；所述可动质量块上布置有可动电极，悬臂上布置有固定电极，可动电极与固定电机组成感应电容。X、Y轴质量块是对称双电极结构，当环境温度发生变化的时候，正负电极产生大致相同符号相反的电容变化，提高传感器的环境适应性。

Description

一种MEMS多轴振动传感器结构
技术领域
本发明属于MEMS传感器领域，涉及一种MEMS多轴振动传感器结构。
背景技术
常用的压电式加速度传感器，质量块与压电原件均直接通过弹簧系统安装在支柱上，支柱与基座连接。这种结构有高的共振频率，但当基座与测试对象连接时，如果基座有变形则将直接影响拾振器输出。此外，测试对象和环境温度变化将影响压电元件，并使预紧力发生变化，易引起温度漂移。
当前技术存在体积大、只能测量单轴的缺陷，其结构容易受到环境、温度等因素的影响，温度漂移过大，其振动量值线性度较差。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种MEMS多轴振动传感器结构，输出密封在同一密封腔中分别独立的多轴信号。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种MEMS多轴振动传感器结构，包括交叉布置的X轴结构及Y轴结构；所述X轴结构与Y轴结构均由两个相对布置的传感单体对称布置组成；所述X轴结构与所述Y轴结构的四个所述传感单体均连接在布置在整体MEMS多轴振动传感器结构中心的中心TSV上；所述传感单体包括可动质量块、悬臂、弹簧；所述可动质量块通过弹簧固定在悬臂上且所述质量块与所述悬臂之间电隔离；所述悬臂固定在中心TSV上；所述可动质量块上布置有可动电极，悬臂上布置有固定电极，可动电极与固定电机组成感应电容。
可选的，所述固定电极包括分设在悬臂两侧的+固定电极与-固定电极。
可选的，所述可动电极包括分设在悬臂两侧的+可动电极与-可动电极。
可选的，所述质量块通过锚点固定在TSV上与悬臂相连；信号通过TSV从密封腔引出。
可选的，所述质量块通过分设在所述悬臂两侧的+锚点与-锚点与悬臂相连；+锚点固定在+TSV上、-锚点固定在-TSV上，信号分别独立引出；悬臂由+悬臂与-悬臂组成，+锚点设置在+悬臂上、-锚点设置在-悬臂上。
可选的，+TSV与+悬臂通过柔软导电的+软弹簧相连、-TSV与-悬臂通过柔软导电的-软弹簧相连。
可选的，悬臂通过MEMS中心锚点固定在中心TSV上。
可选的，还包括Z轴结构，所述Z轴可动质量块对称分布与Z轴弹簧两侧且转动设置；Z轴可动质量块通过Z轴固定电极连接至中心TSV。
可选的，信号由Z轴固定电极直接引出。
可选的，所述中心TSV上直接加工形成Z轴固定电极。
本发明的有益效果在于：
本发明的结构特殊之处在于，X、Y轴质量块是对称双电极结构，当环境温度发生变化的时候，正负电极产生大致相同符号相反的电容变化，提高传感器的环境适应性。本发明将X、Y、Z三个轴的结构固定在同一中心TSV上，由产品使用过程中温度变化引起的机械应力小、性能好，对封装应力不敏感，成本低。其可动质量块及与之相连的可动电极通过弹簧固定在锚点上，将正负电极的锚点距离缩小，优化应力对消结构等能改进减小温度和应力对标度因数和零偏的影响。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明中传感单体的结构示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1-图2，附图中的元件标号分别表示：可动质量块1、弹簧2、-悬臂3、-固定电极4、-TSV5、-锚点6、-软弹簧7、中心锚点8、中心TSV9、TSV隔离沟10、第二弹簧11、+软弹簧12、+锚点13、+TSV14、+固定电极15、+悬臂16、+可动电极17、Z轴可动质量块18、Z轴弹簧19、Z轴固定电极20。
本发明涉及一种MEMS多轴振动传感器结构，包括交叉布置的X轴结构及Y轴结构；所述X轴结构与Y轴结构均由两个相对布置的传感单体对称布置组成；所述X轴结构与所述Y轴结构的四个所述传感单体均连接在布置在整体MEMS多轴振动传感器结构中心的中心TSV9上；所述传感单体包括可动质量块1、悬臂、弹簧2；所述可动质量块1通过弹簧2固定在悬臂上且所述质量块与所述悬臂之间通过TSV隔离沟10电隔离；所述悬臂通过第二弹簧11固定在中心TSV9上；所述可动质量块1上布置有可动电极，悬臂上布置有固定电极，可动电极与固定电机组成感应电容。
可选的，所述固定电极包括分设在悬臂两侧的+固定电极15与-固定电极4；所述可动电极包括分设在悬臂两侧的+可动电极17与-可动电极；所述质量块通过锚点固定在TSV上与悬臂相连；信号通过TSV从密封腔引出；所述质量块通过分设在所述悬臂两侧的+锚点13与-锚点6与悬臂相连；+锚点13固定在+TSV14上、-锚6点固定在-TSV5上，信号分别独立引出；悬臂由+悬臂16与-悬臂3组成，+锚点13设置在+悬臂16上、-锚点6设置在-悬臂3上；+TSV14与+悬臂16通过柔软导电的+软弹簧12相连、-TSV5与-悬臂3通过柔软导电的-软弹簧7相连；悬臂通过MEMS中心锚点8固定在中心TSV9上。
进一步的，还包括Z轴结构，所述Z轴可动质量块18对称分布与Z轴弹簧19两侧且转动设置；Z轴可动质量块18通过Z轴固定电极20连接至中心TSV9；信号由Z轴固定电极20直接引出；所述中心TSV9上直接加工形成Z轴固定电极20。
本发明中的X轴结构与Y轴结构相同，X轴结构的可动质量块通过X轴弹簧固定X悬臂上，且与X悬臂间有隔离块进行电隔离，X悬臂通过MEMS中心锚点固定在中心TSV上，X悬臂与MEMS中心锚点之间有隔离块进行电隔离，X轴结构的可动质量块可沿X方向移动，其上制作有X可动电极，X悬臂上制作有X固定电极，X可动电极与X+、X-固定电极X+、X-组成X轴感应电容，其信号分别由X+TSV和X-TSV从密封腔中引出，X+TSV与X+悬臂间通过柔软的导电弹簧连接,X-TSV与X-悬臂间通过柔软的导电弹簧连接。
Y轴结构的可动质量块通过Y轴弹簧固定Y悬臂上，且与Y悬臂间有隔离块进行电隔离，Y悬臂通过MEMS中心锚点固定在中心TSV上，Y悬臂与MEMS中心锚点之间有隔离块进行电隔离，Y轴结构的可动质量块可沿Y方向移动，其上制作有Y可动电极，Y悬臂上制作有Y固定电极，Y可动电极与Y+、Y-固定电极Y+、Y-组成Y轴感应电容，其信号分别由Y+TSV和Y-TSV从密封腔中引出，Y+TSV与Y+悬臂间通过柔软的导电弹簧连接,Y-TSV与Y-悬臂间通过柔软的导电弹簧连接。
Z轴结构是一个跷跷板板结构，Z轴可动质量块通过Z轴弹簧固定在MEMS中心锚点上，Z轴可动质量块分布于Z轴弹簧的二侧的图形对称，可沿Z轴弹簧转动，Z可动质量块与Z轴固定电极Z+、Z-组成Z轴感应电容，Z轴固定电极本身就是面积较大的TSV，其信号可直接引出。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种MEMS多轴振动传感器结构，其特征在于，包括交叉布置的X轴结构及Y轴结构；所述X轴结构与Y轴结构均由两个相对布置的传感单体对称布置组成；所述X轴结构与所述Y轴结构的四个所述传感单体均连接在布置在整体MEMS多轴振动传感器结构中心的中心TSV上；所述传感单体包括可动质量块、悬臂、弹簧；所述可动质量块通过弹簧固定在悬臂上且所述质量块与所述悬臂之间电隔离；所述悬臂固定在中心TSV上；所述可动质量块上布置有可动电极，悬臂上布置有固定电极，可动电极与固定电极组成感应电容；
所述传感单体朝向所述中心TSV的一侧呈锥形，四个所述传感单体以中心TSV为轴圆周转动布置；
还包括Z轴结构，所述中心TSV上直接加工形成Z轴固定电极，信号由Z轴固定电极直接引出，Z轴弹簧与Z轴固定电极连接，Z轴可动质量块通过Z轴固定电极连接至中心TSV；所述Z轴可动质量块对称分布于所述Z轴弹簧远离所述中心TSV端点的两侧且转动设置；
所述Z轴结构对称设置于四个所述传感单体之间。
2.如权利要求1中所述的MEMS多轴振动传感器结构，其特征在于，所述固定电极包括分设在悬臂两侧的+固定电极与-固定电极。
3.如权利要求1中所述的MEMS多轴振动传感器结构，其特征在于，所述可动电极包括分设在悬臂两侧的+可动电极与-可动电极。
4.如权利要求1中所述的MEMS多轴振动传感器结构，其特征在于，所述质量块通过锚点固定在TSV上与悬臂相连；信号通过TSV从密封腔引出。
5.如权利要求4中所述的MEMS多轴振动传感器结构，其特征在于，所述质量块通过分设在所述悬臂两侧的+锚点与-锚点与悬臂相连；+锚点固定在+TSV上、-锚点固定在-TSV上，信号分别独立引出；悬臂由+悬臂与-悬臂组成，+锚点设置在+悬臂上、-锚点设置在-悬臂上。
6.如权利要求5中所述的MEMS多轴振动传感器结构，其特征在于，+TSV与+悬臂通过柔软导电的+软弹簧相连、-TSV与-悬臂通过柔软导电的-软弹簧相连。
7.如权利要求1中所述的MEMS多轴振动传感器结构，其特征在于，悬臂通过MEMS中心锚点固定在中心TSV上。
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