CN113391094A - 一种电容式微机械加速度计 - Google Patents

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闫桂珍
赵前程
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    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
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    • G01P15/125—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by capacitive pick-up

Abstract

本发明涉及一种电容式微机械加速度计，它包括衬底、固支框架结构、敏感质量块框架结构、在衬底上固定固支框架结构的锚点、在衬底上固定加速度计敏感质量块框架结构的锚点、连接固支框架结构与敏感质量块框架结构的单自由度弹性梁、连接敏感质量块框架结构与锚点的单自由度弹性梁、检测电极单元；所述检测电极单元由非可动电极、固定非可动电极的锚点、连接于加速度计敏感质量块框架结构的可动电极组成。本发明由于采用轴对称结构并将可动结构锚点置于同一条对称轴上，可以使加速度计性能对环境温度变化和加工误差不敏感。本发明可以广泛应用于各种领域中物体线加速度的检测中。

Description

一种电容式微机械加速度计
技术领域
本发明涉及一种微机械加速度计，特别是关于一种对环境温度变化和加工误差不敏感的电容式微机械加速度计。
背景技术
与传统加速度计相比，以微机电系统(MEMS)技术为基础的微机械加速度计具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等优点，已经广泛应用于汽车、消费类电子等领域。惯性导航等高精度微机械加速度计的应用需求也日益增加。
电容式微机械加速度计通常采用梳齿电容结构。当敏感轴方向有加速度信号时，惯性敏感质量块带动可动梳齿电极发生位移，导致梳齿电容的极板间距或者交叠面积发生改变，从而产生电容变化，再利用专门的测量电路将电容变化转换成电信号即可实现对输入线加速度信息的检测。微机械加速度计的可动结构以及梳齿电容的非可动电极通常都通过锚点结构与衬底相连。由于锚点是加速度计结构同衬底的唯一连接，所以外界热应力或者机械应力会从锚点处传递至加速度计结构，导致加速度计结构发生形变，检测电容发生改变，从而影响加速度计的稳定性。如不同锚点之间的加速度计结构受到约束不能自由伸缩，环境温度变化时也将在结构内部产生热应变，影响器件工作的稳定性。因此，如何通过合理的加速度计结构设计和锚点布局减小环境温度变化和外界应力对加速度计性能的影响，是高性能微机械加速度计需要解决的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种减小结构内部应力、对加工误差和环境温度变化不敏感的微机械加速度计。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
1、一种电容式微机械加速度计，其特征在于：它包括衬底、固支框架结构、敏感质量块框架结构、在衬底上固定固支框架结构的锚点、在衬底上固定加速度计敏感质量块框架结构的锚点、连接固支框架结构与敏感质量块框架结构的单自由度弹性梁、连接敏感质量块框架结构与锚点的单自由度弹性梁、检测电极单元；所述检测电极单元由非可动电极、固定非可动电极的锚点、连接于加速度计敏感质量块框架结构的可动电极组成。
2、如权利要求1所述的一种电容式微机械加速度计，其特征在于：所述加速度计的结构在敏感轴方向上轴对称分布。
3、如权利要求1所述的一种电容式微机械加速度计，其特征在于：所述加速度计的结构在与敏感轴方向和衬底法线方向同时正交的方向上轴对称分布。
4、如权利要求1所述的一种电容式微机械加速度计，其特征在于：在衬底上固定固支框架结构的锚点与在衬底上固定加速度计敏感质量块框架结构的锚点的中心点均布置于加速度计结构的同一条对称轴上。
5、如权利要求1所述的一种电容式微机械加速度计，其特征在于：在结构空间允许的条件下，检测电极单元中非可动结构的锚点中心点处于如权利要求4所述的同一对称轴上或最大限度的靠近如权利要求4所述的对称轴。
6、如权利要求1所述的一种电容式微机械加速度计，其特征在于：固支框架结构与敏感质量块框架结构之间、敏感质量块框架结构与锚点之间分别采用至少一条单自由度折叠型弹性梁连接。
7、如权利要求1所述的一种电容式微机械加速度计，其特征在于：连接于敏感结构框架的可动电极与固定于衬底上的非可动电极构成一组或多组检测电极单元。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于将加速度计可动结构的锚点全部放置于加速度计结构的同一条对称轴上，可以减小环境温度变化产生的热应力及其由热应力导致的加速度计性能漂移。2、本发明由于采用轴对称结构，加工误差对加速度计工作模态的影响趋势一致，可以减小加工误差对加速度计整体性能的影响。本发明可以广泛应用于各种领域中物体运动线加速度的检测中。
附图说明
图1是本发明一种实施例的整体结构示意图
图2是本发明采用的一种单自由度弹性梁结构示意图
图3是本发明采用的另一种单自由度弹性梁结构示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示实施例，本发明中加速度计结构分别以x方向和y方向轴对称布置，包括在衬底10上固定加速度计可动结构的锚点20A～20B和30、通过锚点20A～20B固定于衬底10上的固支框架结构40、敏感质量块框架结构70、连接固支框架结构40和敏感质量块框架结构70的单自由度弹性梁60A～60D、连接中心锚点30与敏感质量块框架结构70的单自由度弹性梁50A-50D、检测电极单元80A～80B、90A～90B、100A～100B等。
上述实施例中，加速度计结构在敏感轴方向(本实施例中为x轴)上轴对称分布。
上述实施例中，加速度计结构在与敏感轴方向(本实施例中为x轴)和衬底10法线方向(本实施例中为z轴)同时正交的方向(本实施例中为y轴)上轴对称分布。
上述实施例中，在衬底10上固定固支框架结构40的锚点20A～20B与在衬底10上固定加速度计敏感质量块框架结构70的锚点30的中心点布置于加速度计结构的同一条对称轴302(本实施例中为y轴)上。
上述实施例中，加速度计检测电极单元80A～80B、90A～90B、100A～100B中非可动结构的锚点对称分布于加速度计的对称轴302两侧，且在结构空间允许的前提下最大限度的靠近加速度计结构的对称轴302。
上述各实施例中，连接固支框架结构40和敏感质量块框架结构70的弹性梁60A～60D和连接中心锚点30与敏感质量块框架结构70的弹性梁50A-50D均采用单自由度弹性梁。本发明采用的单自由度弹性梁可以采用图2或图3所示的折叠型弹性梁结构。
上述各实施例中，检测电极单元80A～80B、90A～90B、100A～100B由非可动电极、在衬底10上固定非可动电极的锚点、连接于加速度计敏感质量块框架结构70的可动电极组成。
上述各实施例中，检测电极单元80A～80B、90A～90B、100A～100B优先采用变间隙型梳齿电容结构，也可以采用变面积型梳齿电容结构。
本发明在使用时，当敏感轴x轴方向有加速度输入时，敏感质量块框架结构70产生x方向的位移，导致检测电极单元80A～80B、90A～90B、100A～100B的电容发生相应的变化。检测电极单元80A、90A和100A的电容变化趋势一致，构成检测电极单元组A；检测电极单元80B、90B和100B的电容变化趋势一致，构成检测电极单元组B；检测电极单元组A与检测电极单元组B的电容变化大小相同，符号相反，即当检测电极单元组A电容增加时，检测电极单元组B电容减小，且减小量与增加量相同；反之亦然。利用适当的处理电路对检测电极单元组A和B做差分检测处理，即可获得输入加速度信息。
由于本发明加速度计可动结构的锚点21A～20B和30处于加速度计结构的同一条对称轴上，加速度计结构等效于中间固支两端可以自由伸缩的悬臂梁，因此当环境温度变化时，与分散布置锚点的结构相比，本发明可以有效降低加速度计结构内部的热应力，从而保证加速度计在环境温度变化时性能稳定。
上述各实施例仅是本发明的优选实施方式，在本技术领域内，凡是基于本发明技术方案上的变化和改进，不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (7)

1.一种电容式微机械加速度计，其特征在于：它包括衬底、固支框架结构、敏感质量块框架结构、在衬底上固定固支框架结构的锚点、在衬底上固定加速度计敏感质量块框架结构的锚点、连接固支框架结构与敏感质量块框架结构的单自由度弹性梁、连接敏感质量块框架结构与锚点的单自由度弹性梁、检测电极单元；所述检测电极单元由非可动电极、固定非可动电极的锚点、连接于加速度计敏感质量块框架结构的可动电极组成。
2.如权利要求1所述的一种电容式微机械加速度计，其特征在于：所述加速度计的结构在敏感轴方向上轴对称分布。
3.如权利要求1所述的一种电容式微机械加速度计，其特征在于：所述加速度计的结构在与敏感轴方向和衬底法线方向同时正交的方向上轴对称分布。
4.如权利要求1所述的一种电容式微机械加速度计，其特征在于：在衬底上固定固支框架结构的锚点与在衬底上固定加速度计敏感质量块框架结构的锚点的中心点均布置于加速度计结构的同一条对称轴上。
5.如权利要求1所述的一种电容式微机械加速度计，其特征在于：在结构空间允许的条件下，检测电极单元中非可动结构的锚点中心点处于如权利要求4所述的同一对称轴上或最大限度的靠近如权利要求4所述的对称轴。
6.如权利要求1所述的一种电容式微机械加速度计，其特征在于：固支框架结构与敏感质量块框架结构之间、敏感质量块框架结构与锚点之间分别采用至少一条单自由度折叠型弹性梁连接。
7.如权利要求1所述的一种电容式微机械加速度计，其特征在于：连接于敏感结构框架的可动电极与固定于衬底上的非可动电极构成一组或多组检测电极单元。
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