CN112034205A - 一种微机电系统的三轴加速度计 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微机电系统技术领域，尤其涉及一种微机电系统的三轴加速度计，包括：第一质量块，第一质量块包括第一惯性区和第一Z轴电极区，还包括一第一转轴设置于第一惯性区与第一Z轴电极区之间，第一质量块通过第一转轴可枢转的连接于一锚点上；第二质量块，第二质量块包括第二惯性区和第二Z轴电极区，还包括一第二转轴设置于第二惯性区与第二Z轴电极区之间，第二质量块通过第二转轴可枢转的连接于锚点上；第一Z轴电极区及第二Z轴电极区同一朝向的表面设置有用以减轻重量的凹陷。有益效果：降低电容式加速度计的偏移量，增加其机械灵敏度和电容灵敏度。

Description

一种微机电系统的三轴加速度计
技术领域
本发明涉及微机电系统技术领域，尤其涉及一种微机电系统的三轴加速度计。
背景技术
微机电系统(Micro Electro Mechanical System，MEMS)的电容式加速度计包括基底、锚点、可旋转的连接锚点的质量块以及设置于基底上的多个电极组成的差分电容。在理想状态下，当电容式加速度计未受感测力或外力作用时，差分电容的左右两侧是完全相当的，输出为0；当电容式加速度计受到垂直于结构平面方向的加速度时，质量块会产生倾斜，使得锚点两侧的电容发生变化，由CMOS信号处理电路读出两侧电容的差值，再将差值转换为对应的加速度值。
目前现有的电容式加速度计，质量在感受到加速度时，由于锚点两侧的质量块的质量的差值较小，质量块产生的倾斜角度也相对较小，从而导致电容式加速度计的机械灵敏度较低。因此，本发明提出一种增加加速度计的机械灵敏度的新型结构。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，现提供一种微机电系统的三轴加速度计。
具体技术方案如下：
本发明包括一种微机电系统的三轴加速度计，包括：
一第一质量块，所述第一质量块包括第一惯性区和第一Z轴电极区，还包括一第一转轴设置于所述第一惯性区与所述第一Z轴电极区之间，所述第一质量块通过所述第一转轴可枢转的连接于一锚点上；
一第二质量块，所述第二质量块包括第二惯性区和第二Z轴电极区，还包括一第二转轴设置于所述第二惯性区与所述第二Z轴电极区之间，所述第二质量块通过所述第二转轴可枢转的连接于所述锚点上；
所述第一Z轴电极区及所述第二Z轴电极区同一朝向的表面设置有用以减轻质量的凹陷。
优选的，还包括：
一基底，所述第一质量块及所述第二质量块连接后形成的可枢转结构设置于所述基底上方，且所述凹陷朝上；
至少两个高度相同的第一电极，设置于所述基底对应所述第一Z轴电极区及所述第二Z轴电极区的位置，所述至少两个第一电极的顶面分别与所述第一Z轴电极区及所述第二Z轴电极区对应的面之间具有预设距离的间隙。
优选的，还包括：
所述第一惯性区设置有X轴加速度感应区，所述X轴加速度感应区包括两对中心对称的X轴感应电极；和/或
所述第二惯性区设置有Y轴加速度感应区，所述Y轴加速度感应区包括两对中心对称的Y轴感应电极。
优选的，所述第一转轴与所述第二转轴平行，且对应一三维坐标系的Z 轴方向。
优选的，所述第一惯性区包括一第一镂空区，所述X轴加速度感应区设置于所述第一镂空区，并通过一对第三转轴连接于所述第一惯性区；
所述第三转轴对应所述三维坐标系的X轴方向；
所述第二惯性区包括一第二镂空区，所述Y轴加速度感应区设置于所述第二镂空区，并通过一对第四转轴连接于所述第二惯性区；
所述第四转轴对应所述三维坐标系的Y轴方向。
优选的，所述第一质量块、所述第二质量块、所述X轴加速度感应区以及所述Y轴加速度感应区通过刻蚀工艺一体成型；
所述第一转轴、所述第二转轴、所述第三转轴以及所述第四转轴由所述刻蚀工艺所形成的悬梁形成。
优选的，所述第一Z轴加速度感应区呈凸块状，所述第二质量块上设有匹配于所述第一Z轴加速度感应区的凹槽；
所述第二Z轴加速度感应区包括至少一个凸块，所述第一质量块上设有匹配于所述第二Z轴加速度感应区的至少一个所述凹槽；
所述第一质量块与所述第二质量块关于所述锚点展开成180度时，所述第一质量块的所述凸块嵌于所述第二质量块的所述凹槽中，所述第二质量块的所述凸块嵌于所述第一质量块的所述凹槽中。
优选的，所述X轴感应电极形成的阵列与所述Y轴感应电极形成的阵列之间具有90°的夹角。
优选的，所述第一惯性区还包括一第三Z轴电极区，设置于所述第一Z 轴电极区关于所述锚点对称的位置上；
所述第二惯性区还包括一第四Z轴电极区，设置于所述第二Z轴电极区关于所述锚点对称的位置上；
多个Z轴感应电极分别设置于所述第一Z轴电极区、所述第二Z轴电极区、所述第三Z轴电极去以及所述第四Z轴电极区，以形成Z轴方向的差动电极。
优选的，所述第一质量块设有所述凹陷的一面对应所述第三Z轴电极区的位置上设有一第一凸起；
所述第二质量块设有所述凹陷的一面对应所述第四Z轴电极区的位置上设有一第二凸起。
上述技术方案具有如下优点或有益效果：本发明提出一种新型的三轴电容式加速度计结构，将电容式加速度计设计为双质量块结构，第一Z轴电极区和第二Z轴电极区的上表面设有用以减轻质量的凹陷，增加锚点两侧的不平衡，从而提升电容式加速度计的机械灵敏度
附图说明
参考所附附图，以更加充分地描述本发明的实施例。然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。
图1为本发明实施例中的第一种三轴加速度计结构的俯视图；
图2为本发明实施例中的第一种三轴加速度计结构在Z方向上受到正加速度时的透视图；
图3为本发明实施例中的第一种三轴加速度计结构在Z方向上受到负加速度时的透视图；
图4为现有技术中的质量块的结构示意图；
图5为本发明实施例改进后的中质量块的结构示意图；
图6为现有技术中的基底的结构示意图；
图7为本发明实施例改进后的基底的结构示意图；
图8为本发明实施例中的第二种三轴加速度计结构的俯视图；
图9为本发明实施例中的第二种三轴加速度计结构在Z方向上受到正加速度时的透视图；
图10为本发明实施例中的三轴加速度计的侧视图。
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，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作出创造性劳动的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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本发明包括一种微机电系统的三轴加速度计，如图1所示，包括：
一第一质量块1，第一质量块1包括第一惯性区和第一Z轴电极区，还包括一第一转轴101设置于第一惯性区与第一Z轴电极区之间，第一质量块 1通过第一转轴101可枢转的连接于一锚点3上；
一第二质量块2，第二质量块2包括第二惯性区和第二Z轴电极区，还包括一第二转轴201设置于第二惯性区与第二Z轴电极区之间，第二质量块 2通过第二转轴201可枢转的连接于锚点3上；
第一Z轴电极区及第二Z轴电极区同一朝向的表面设置有用以减轻质量的凹陷(图2所示102、202)。
具体地，在本实施例中，第一惯性区和第二惯性区分别为锚点3两侧可以摆动的区域，由于第一惯性区的质量要大于第一Z轴电极区，在第一质量块感应到加速度时，第一惯性区摆动的幅度较大，因此称之为第一惯性区，第二惯性区也同理。第一转轴101与第二转轴201平行，且对应一三维坐标系的Z轴方向。如图2和图3所示，第一Z轴电极区和第二Z轴电极区关于锚点3对称，且上表面均设有凹陷。通过刻蚀工艺分别在第一Z轴电极区和第二Z轴电极区的上表面刻蚀出凹陷以使质量减轻，并可以在凹陷关于锚点 3对称的位置增加质量，增加锚点两侧的不平衡，从而提升电容式加速度计的机械灵敏性。其原理如图4和图5所示，图4所示为现有技术中的质量块结构，质量块的机械灵敏度取决于质量块的两侧不平衡，本实施例如图5所示，在质量块较轻的一侧在减轻质量后，质量块的旋转角度增大，使得电容的变化值更大，从而提升了质量块的机械灵敏度。同时，由于凹陷朝上，第一Z轴电极区和第二Z轴电极区的下表面与基底之间的距离没有发生变化。
作为优选的实施方式，第一转轴101与第二转轴201平行，且对应一三维坐标系的Z轴方向；第一惯性区设置于第一质量块1远离锚点3的一侧，并通过一第三转轴连接于第一质量块1内，第三转轴对应三维坐标系的X轴方向；第二惯性区设置于第二质量块2远离锚点3的一侧，并通过一第四转轴连接于第二质量块2内，第四转轴对应三维坐标系的Y轴方向。
在一种较优的实施例中，如图7所示，三轴加速度计还包括：
一基底4，第一质量块1及第二质量2块连接后形成的可枢转结构设置于基底4上方，且凹陷朝上；
至少两个高度相同的第一电极E，设置于基底4对应第一Z轴电极区及第二Z轴电极区的位置，至少两个第一电极E的顶面分别与第一Z轴电极区及第二Z轴电极区对应的面之间具有预设距离的间隙。
具体地，图6所示为现有技术中的基底结构，感应电极的上表面与基底的上表面齐平。图7所示为本实施例中改进的基底结构，通过减小基底4的厚度以及增加感应电极E的高度，使得感应电极E与质量块1之间的间隙减小，改进后的三轴加速度计如图10所示，从而提升电容式加速度计的电容灵敏度。已知电容值的计算公式为
Figure RE-GDA0002753500120000071
可以通过该公式计算出锚点两侧的电容差值：
Figure RE-GDA0002753500120000072
进一步地，电容灵敏度等于
Figure RE-GDA0002753500120000073
上述公式中，g为感应电极与质量块之间的间隙，从上述公式可以得知，感应电极与质量块之间的间隙越小，电容加速度计的电容灵敏度更高。
具体地，通过上述技术方案，将基底的厚度减小，使得基底与质量块之间的间隙增大，减小了基底的静态阻力，以及增大了质量块的旋转范围。
在一种较优的实施例中，如图1所示，还包括：
第一惯性区设置有X轴加速度感应区5，X轴加速度感应区包括两对中心对称的X轴感应电极(图1所示X+、X-)；和/或
第二惯性区设置有Y轴加速度感应区6，Y轴加速度感应区包括两对中心对称的Y轴感应电极(图1所示Y+、Y-)。
具体地，由于本实施例中的电容式加速度计组件中存在X、Y、Z三个轴，因此可以用于检测任意一个轴上的加速度。其中，第一类感应电极用于检测 Z轴的加速度，第二类感应电极用于检测X轴的加速度，第三类感应电极用于检测Y轴的加速度。
具体地，两个质量块通过转轴连接锚点3，可以绕锚点3在Z轴方向上下摆动。当电容式加速度计受到垂直于结构平面方向(Z轴)的加速度时，第一质量块1和第二质量块2会产生倾斜，使得锚点3两侧的电容发生变化，由信号处理电路读出锚点3两侧电容的差值，再将差值转换为对应的加速度值。如图1所示，由于多对感应电极之间于X轴、Y轴以及其对角线上呈对称分布，所有的正电极与质量块之间的间距变化总和与所有的负电极与质量块之间的间距变化总和相同，因此，在保持对期望的加速度方向的灵敏度的同时，因基底4的应力而导致的感应电极的不对称静态变形被不同程度地消除了。
作为优选的实施方式，X轴感应电极形成的阵列与Y轴感应电极形成的阵列之间具有90°的夹角。如图1所示，两对X轴感应电极于X轴、Y轴上均呈对称分布，两对Y轴感应电极于X轴、Y轴上也呈对称分布。
作为优选的实施方式，如图1所示，第一惯性区包括一第一镂空区，X 轴加速度感应区5设置于第一镂空区，并通过一对第三转轴501连接于第一惯性区；
第三转轴501对应三维坐标系的X轴方向；
第二惯性区包括一第二镂空区，Y轴加速度感应区6设置于第二镂空区，并通过一对第四转轴601连接于第二惯性区；
第四转轴对应三维坐标系的Y轴方向。
需要说明的是，第一质量块1、第二质量块2、X轴加速度感应区5以及 Y轴加速度感应区6通过刻蚀工艺一体成型；第一转轴101、第二转轴201、第三转轴501以及第四转轴601由刻蚀工艺所形成的悬梁组成，通过悬梁的扭动从而实现转轴的功能。通过上述技术方案，本发明的加速度计无需增加新的机械结构，可以兼容现有的半导体加工工艺，从而有效地降低生产成本。
在一种较优的实施例中，第一质量块1设置一第一凸块，及一对第一凹槽(凹陷202设置的位置)，第一Z轴加速度感应区分别设置于第一凸块(如图1所示，凹陷102设置于第一凸块上)上，及第一质量块1上与第一凸块关于锚点3镜像对称的位置；
第二质量块2设置一对第二凸块(凹陷202设置于一对第二凸块上)，及一第二凹槽，第二Z轴加速度感应区分别设置于一对第二凸块上，及第二质量块上与一对第二凸块关于锚点镜像对称的位置；
第一质量块1于第二质量块2关于锚点3展开成180度时，第一凸块嵌于第二凹槽中，一对第二凸块嵌于一对第一凹槽中。
第一Z轴加速度感应区呈凸块状，第二质量块2上设有匹配于第一Z轴加速度感应区的凹槽；
第二Z轴加速度感应区包括至少一个凸块，第一质量块1上设有匹配于第二Z轴加速度感应区的至少一个凹槽；
第一质量块1与第二质量块2关于锚点展开成180度时，第一质量块1 的凸块嵌于第二质量块2的凹槽中，第二质量块2的凸块嵌于第一质量块1 的凹槽中。凸块的尺寸小于对应的凹槽的尺寸，使得凸块与质量块之间留有间隙，从而凸块可于Z轴方向转动。
具体地，本实施例如图3所示，第一质量块1包括一个凸块102，第二质量块2包括两个凸块202，每个凸块上都有一个凹陷，凹陷设置于背向基底的一面。第一Z轴加速度感应区的凹陷用以减轻第一质量块除第一惯性区以外区域的质量，增加锚点两侧的不平衡，第一惯性区在感应到Z轴的加速度后摆动的幅度会增加，从而增加电容加速度计的机械灵敏度。同理，第二 Z轴加速度感应区的凹陷用以减轻第二质量块2除第二惯性区以外区域的质量。
需要说明的是，本发明并不限定凸块的数量，在另外一个实施例中，如图9所示，第一质量块1和第二质量块2各包括一个凸块(图9所示102、 202)，凸块背向基底的一面均设有凹陷，设置凹陷的目的在于增加锚点两侧的不平衡，使得惯性区在感应到加速度后产生更大的摆动幅度，从而提升电容加速度计的机械灵敏度。
在一种较优的实施例中，如图8所示，第一惯性区还包括一第三Z轴电极区Z3，设置于第一Z轴电极区(凸块102对应的位置)关于锚点3对称的位置上；
第二惯性区还包括一第四Z轴电极区Z4，设置于第二Z轴电极区(凸块 202对应的位置)关于锚点3对称的位置上；
多个Z轴感应电极分别设置于第一Z轴电极区、第二Z轴电极区、第三 Z轴电极去以及第四Z轴电极区，以形成Z轴方向的差动电极。
在一种较优的实施例中，如图8所示，第一质量块1设有凹陷的一面对应第三Z轴电极区Z3的位置上设有一第一凸起；
第二质量块设有凹陷的一面对应第四Z轴电极区的位置上设有一第二凸起。
具体地，Z轴感应电极设置于质量块朝向基底的一面，凹陷设置于背向基底的一面。本实施例中，不仅在两个质量块上设置凹陷，并在凹陷关于锚点对称的位置上设有凸起，进一步地增加锚点两侧的不平衡，从而提升加速度计的机械灵敏度。其原理如图5和6所示，图5是现有技术中没有设置凹陷的质量块，在感应到加速度A时，其摆动角度为θ1，如图6所示，在第一质量块1的凸块102上设置了凹陷，并在凹陷对称的位置上设置了凸起103，从而增加两侧的不平衡。通过上述技术方案，在质量块感应到同样大小的加速度时，质量块的摆动角度θ2，且θ2大于θ1。
本发明技术方案的有益效果在于：本发明提出一种新型的三轴电容式加速度计结构，将电容式加速度计设计为双质量块结构，第一Z轴电极区和第二Z轴电极区的上表面设有用以减轻质量的凹陷，增加锚点两侧的不平衡，从而提升电容式加速度计的机械灵敏度；此外，在双质量块结构上设置分别用于感应X轴、Y轴、Z轴的感应电极，且多对感应电极在X轴、Y轴以及对角线上完全对称，可以有效地降低电容式加速度计因变形产生的偏移；同时，通过增加基底上表面的感应电极的高度，使得感应电极与质量块之间的间隙减小，从而提升电容式加速度计的电容灵敏度。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种微机电系统的三轴加速度计，其特征在于，包括：
一第一质量块，所述第一质量块包括第一惯性区和第一Z轴电极区，还包括一第一转轴设置于所述第一惯性区与所述第一Z轴电极区之间，所述第一质量块通过所述第一转轴可枢转的连接于一锚点上；
一第二质量块，所述第二质量块包括第二惯性区和第二Z轴电极区，还包括一第二转轴设置于所述第二惯性区与所述第二Z轴电极区之间，所述第二质量块通过所述第二转轴可枢转的连接于所述锚点上；
所述第一Z轴电极区及所述第二Z轴电极区同一朝向的表面设置有用以减轻质量的凹陷。
2.如权利要求1所述的微机电系统的三轴加速度计，其特征在于，还包括：
一基底，所述第一质量块及所述第二质量块连接后形成的可枢转结构设置于所述基底上方，且所述凹陷朝上；
至少两个高度相同的第一电极，设置于所述基底对应所述第一Z轴电极区及所述第二Z轴电极区的位置，所述至少两个第一电极的顶面分别与所述第一Z轴电极区及所述第二Z轴电极区对应的面之间具有预设距离的间隙。
3.如权利要求1所述的微机电系统的三轴加速度计，其特征在于，还包括：
所述第一惯性区设置有X轴加速度感应区，所述X轴加速度感应区包括两对中心对称的X轴感应电极；和/或
所述第二惯性区设置有Y轴加速度感应区，所述Y轴加速度感应区包括两对中心对称的Y轴感应电极。
4.根据权利要求1所述的三轴加速度计，其特征在于，所述第一转轴与所述第二转轴平行，且对应一三维坐标系的Z轴方向。
5.根据权利要求3所述的三轴加速度计，其特征在于，所述第一惯性区包括一第一镂空区，所述X轴加速度感应区设置于所述第一镂空区，并通过一对第三转轴连接于所述第一惯性区；
所述第三转轴对应所述三维坐标系的X轴方向；
所述第二惯性区包括一第二镂空区，所述Y轴加速度感应区设置于所述第二镂空区，并通过一对第四转轴连接于所述第二惯性区；
所述第四转轴对应所述三维坐标系的Y轴方向。
6.根据权利要求5所述的三轴加速度计，其特征在于，所述第一质量块、所述第二质量块、所述X轴加速度感应区以及所述Y轴加速度感应区通过刻蚀工艺一体成型；
所述第一转轴、所述第二转轴、所述第三转轴以及所述第四转轴由所述刻蚀工艺所形成的悬梁形成。
7.根据权利要求3所述的三轴加速度计，其特征在于，所述第一Z轴加速度感应区呈凸块状，所述第二质量块上设有匹配于所述第一Z轴加速度感应区的凹槽；
所述第二Z轴加速度感应区包括至少一个凸块，所述第一质量块上设有匹配于所述第二Z轴加速度感应区的至少一个所述凹槽；
所述第一质量块与所述第二质量块关于所述锚点展开成180度时，所述第一质量块的所述凸块嵌于所述第二质量块的所述凹槽中，所述第二质量块的所述凸块嵌于所述第一质量块的所述凹槽中。
8.根据权利要求3所述的三轴加速度计，其特征在于，所述X轴感应电极形成的阵列与所述Y轴感应电极形成的阵列之间具有90°的夹角。
9.根据权利要求1所述的三轴加速度计，其特征在于，所述第一惯性区还包括一第三Z轴电极区，设置于所述第一Z轴电极区关于所述锚点对称的位置上；
所述第二惯性区还包括一第四Z轴电极区，设置于所述第二Z轴电极区关于所述锚点对称的位置上；
多个Z轴感应电极分别设置于所述第一Z轴电极区、所述第二Z轴电极区、所述第三Z轴电极去以及所述第四Z轴电极区，以形成Z轴方向的差动电极。
10.根据权利要求9所述的三轴加速度计，其特征在于，所述第一质量块设有所述凹陷的一面对应所述第三Z轴电极区的位置上设有一第一凸起；
所述第二质量块设有所述凹陷的一面对应所述第四Z轴电极区的位置上设有一第二凸起。
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