CN113917186B - 一种加速度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种加速度传感器，包括：基板；质量块，悬空设置在所述基板的上方区域；四个锚区围绕所述质量块设置在所述基板上；四个连接杆分别对应连接四个锚区与所述质量块；四个电容分别对应设置在四个连接杆的端部区域；四个弹簧梁分别连接于四个连接杆与四个锚区之间；四个电感分别对应临近四个锚区设置，且分别与四个电容组成LC谐振回路。通过设计四个电容的上下极板的重叠面积可以控制该加速度传感器的灵敏度以及量程，这使得器件设计十分灵活。同时，该加速度传感器还具有结构简单、体积小、工艺兼容等优势。

Description

一种加速度传感器
技术领域
本发明属于微电子器件技术领域，特别是涉及一种加速度传感器。
背景技术
加速度传感器广泛应用于车载系统、游戏控制、体感VR、地质勘探以及安全保卫振动侦察等领域。近年来，加速度传感器的发展越来越趋向于微型化。现有的微型加速度传感器类型主要包括压电式、压阻式、电容式以及伺服式等。加速度传感器是一种能感受加速度并转换成可用输出信号的传感器，具有测量精准、性能稳定、可靠性高、使用灵活等优点。伴随传感器产业的持续发展，同时加上MEMS加工技术的显著进步，在这样的形势下，开展加速度传感器的研究与设计具备广阔的应用前景。
因此，设计出更为灵敏和检测范围大的高性能加速度传感器是有必要的。
发明内容
针对以上问题，本发明拟提出一种加速度传感器，具体技术方案如下：
一种加速度传感器，所述加速度传感器包括：
基板；
质量块，悬空设置在所述基板的上方区域；
第一锚区、第二锚区、第三锚区、第四锚区，围绕所述质量块设置在所述基板上；
第一连接杆、第二连接杆、第三连接杆、第四连接杆，分别对应连接所述第一锚区、第二锚区、第三锚区、第四锚区与所述质量块；
第一电容、第二电容、第三电容、第四电容，分别对应设置在所述第一连接杆、第二连接杆、第三连接杆、第四连接杆的端部区域；
第一弹簧梁、第二弹簧梁、第三弹簧梁、第四弹簧梁，分别连接于所述第一电容的上极板与所述第一锚区之间、所述第二电容的上极板与所述第二锚区之间、所述第三电容的上极板与所述第三锚区之间、所述第四电容的上极板与所述第四锚区之间；
第一电感、第二电感、第三电感、第四电感，分别对应临近所述第一锚区、第二锚区、第三锚区、第四锚区设置，且分别与所述第一电容、第二电容、第三电容、第四电容组成LC谐振回路。
可选地，所述第一电容、第二电容、第三电容、第四电容的上极板与所述第一连接杆、第二连接杆、第三连接杆、第四连接杆位于同一平面。
可选地，所述第一电容、第二电容、第三电容、第四电容的下极板分别对应所述上极板设置于所述基板上。
可选地，所述第一电感、第二电感、第三电感、第四电感的一端分别连接于所述第一电容、第二电容、第三电容、第四电容的下极板，另一端分别连接于所述第一锚区、第二锚区、第三锚区、第四锚区。
可选地，所述第一锚区与所述第三锚区关于所述质量块对称设置；和/或所述第二锚区与所述第四锚区关于所述质量块对称设置。
可选地，所述第一连接杆与所述第三连接杆关于所述质量块对称设置；和/或所述第二连接杆与所述第四连接杆关于所述质量块对称设置；和/或，所述第一电容与所述第三电容关于所述质量块对称设置；和/或，所述第二电容与所述第四电容关于所述质量块对称设置；和/或，所述第一弹簧梁与所述第三弹簧梁关于所述质量块对称设置；和/或，所述第二弹簧梁与所述第四弹簧梁关于所述质量块对称设置。
可选地，所述上极板沿所述连接杆宽度方向的尺寸大于所述连接杆的宽度。
可选地，所述上极板沿所述连接杆长度方向的边缘与所述下极板的边缘平齐。
可选地，所述下极板的边长均大于所述上极板的边长。
可选地，所述第一电感、第二电感、第三电感、第四电感为MEMS螺旋电感。
本发明的有益效果
本发明的一种加速度传感器，利用质量块推动连接杆，从而改变加速度方向上的金属上极板与金属下极板之间的重合面积，进而改变加速度方向上的极板间电容，同时保持其余极板间的重合面积不受影响，外部固定电感与变化的电容构成LC回路，通过检测谐振频率的改变即可实现对加速度的无源无线测量。通过设计金属上下极板的重叠面积可以控制该加速度传感器的灵敏度以及量程，这使得器件设计十分灵活。同时，该加速度传感器还具有结构简单、体积小、工艺兼容等优势。
附图说明
图1是加速度传感器结构示意图。
图2是加速度传感器A-A’剖面示意图。
其中：基板1、质量块2、第一连接杆31、第二连接杆32、第三连接杆33、第四连接杆34、第一金属上极板41、第二金属上极板42、第三金属上极板43、第四金属上极板44、第一金属下极板51、第二金属下极板52、第三金属下极板53、第四金属下极板54、第一弹簧梁61、第二弹簧梁62、第三弹簧梁63、第四弹簧梁64、第一锚区71、第二锚区72、第三锚区73、第四锚区74、第一电感81、第二电感82、第三电感83、第四电感84、第一金属线91、第二金属线92、第三金属线93、第四金属线94。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参加图1和图2，本发明提供了一种加速度传感器，该加速度传感器包括：
基板1，该基板1例如为本领域常见半导体基板，硅或者玻璃；
质量块2，悬空设置在所述基板的上方区域；该质量块例如是多晶硅，经MEMS工艺制备形成。
第一锚区71、第二锚区72、第三锚区73、第四锚区74，围绕所述质量块2设置在所述基板1上；具体地，第一锚区71、第二锚区72、第三锚区73、第四锚区74对称地布置在质量块2的水平方向和垂直方向。
第一连接杆31、第二连接杆32、第三连接杆33、第四连接杆34，分别对应连接所述第一锚区71、第二锚区72、第三锚区73、第四锚区74与质量块2。
在第一连接杆31、第二连接杆32、第三连接杆33、第四连接杆34的端部设置第一电容、第二电容、第三电容、第四电容。
其中，第一电容、第二电容、第三电容、第四电容的上极板包括：第一金属上极板41、第二金属上极板42、第三金属上极板43、第四金属上极板44；上极板与所述第一连接杆31、第二连接杆32、第三连接杆33、第四连接杆34位于同一平面；第一金属上极板41、第二金属上极板42、第三金属上极板43、第四金属上极板44沿着第一连接杆31、第二连接杆32、第三连接杆33、第四连接杆34宽度方向的尺寸大于连杆的尺寸。其下极板设置在与上极板对应位置的基板1上，包括：第一金属下极板51、第二金属下极板52、第三金属下极板53、第四金属下极板54。
可选地，所述上极板沿所述连接杆长度方向的边缘与所述下极板的边缘平齐。
可选地，所述下极板的边长均大于所述上极板的边长。
第一弹簧梁61、第二弹簧梁62、第三弹簧梁63、第四弹簧梁64分别连接于第一金属上极板41、第二金属上极板42、第三金属上极板43、第四金属上极板44与所述第一锚区71、第二锚区72、第三锚区73、第四锚区74之间；弹簧梁降低了连接杆的刚度，提高连接杆在推动质量块的灵敏度。
第一电感81、第二电感82、第三电感83、第四电感84分别对应临近第一锚区71、第二锚区72、第三锚区73、第四锚区74设置，且分别与所述第一电容、第二电容、第三电容、第四电容组成LC谐振回路。
具体地，电感例如为MEMS螺旋电感，第一电感81、第二电感82、第三电感83、第四电感84的一端分别通过第一金属线91、第二金属线92、第三金属线93、第四金属线94连接于电容的第一金属下极板51、第二金属下极板52、第三金属下极板53、第四金属下极板54。第一电感81、第二电感82、第三电感83、第四电感84的另一端分别连接于第一锚区71、第二锚区72、第三锚区73、第四锚区74。电感与金属上下极板形成的电容构成LC谐振回路。
优选地，本发明所提出的加速度传感器为对称结构，所述第一锚区与所述第三锚区关于所述质量块对称设置；所述第二锚区与所述第四锚区关于所述质量块对称设置。
可选地，所述第一连接杆与所述第三连接杆关于所述质量块对称设置；所述第二连接杆与所述第四连接杆关于所述质量块对称设置；所述第一电容与所述第三电容关于所述质量块对称设置；所述第二电容与所述第四电容关于所述质量块对称设置；所述第一弹簧梁与所述第三弹簧梁关于所述质量块对称设置；所述第二弹簧梁与所述第四弹簧梁关于所述质量块对称设置。
即围绕质量块，四个连接杆、四个电容、四个电感分别设置在质量块的X轴中心线及Y轴中心线方向，且材料及结构均相同。
当有加速度产生时，例如加速度方向为X轴负方向，质量块2推动第三连接杆33向右移动，第三金属上极板43与第三金属下极板53的重合面积变小，同时，第一金属上极板41与第一金属下极板51、第二金属上极板42与第二金属下极板52以及第四金属上极板44与第四金属下极板54的重合面积不变。因此只有第三金属上极板43和第三金属下极板53形成的电容发生变化，第三电感83与变化的电容构成LC谐振回路，检测谐振频率的变化即可实现对加速度的检测。
同理，X轴正方向、Y轴正方向以及Y轴负方向均可实现对加速度的检测。当加速度的方向为斜方向时，例如方向朝向X轴与Y轴的负方向，在质量块2的推动下，第三金属上极板43与第三金属下极板53、第四金属上极板44与第四金属下极板54之间的重合面积减小，导致电容变小，而第一金属上极板41与第一金属下极板51、第二金属上极板42与第二金属下极板52之间的重合面积不变，从而电容不变。第三电感83和第三金属上极板43与第三金属下极板53间变化的电容构成的LC谐振回路、第四电感84和第四金属上极板44与第四金属下极板54间变化的电容构成的LC谐振回路，检测谐振频率的变化即可实现对加速度的检测。同理，在其余任意斜方向均可实现对加速度的检测。
该加速度传感器结构新颖，整个传感器兼容微电子加工工艺，结构尺寸可以达到较高水平，有利于实现传感器的小型化；该加速度传感器采用LC谐振回路进行无源无线检测，同时可改变上下极板的重叠面积调控传感器的灵敏度和量程。
本发明中的加速度传感器不同于传统的加速度传感器，该加速度传感器主要有以下特点：一、电容连接电感构成LC谐振回路，可通过无源无线方式对加速度进行读取；二、可通过改变金属上下极板的重叠面积调控器件的灵敏度和量程；三、该加速度传感器结构新颖、体积小，可以实现高可靠、微型化的应用需求；四、该加速度传感器与微电子加工工艺完全兼容，有利于实现传感器的小型化。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (10)

1.一种加速度传感器，其特征在于，所述加速度传感器包括：
基板；
质量块，悬空设置在所述基板的上方区域；
第一锚区、第二锚区、第三锚区、第四锚区，围绕所述质量块设置在所述基板上；
第一连接杆、第二连接杆、第三连接杆、第四连接杆，分别对应连接所述第一锚区、第二锚区、第三锚区、第四锚区与所述质量块；
第一电容、第二电容、第三电容、第四电容，分别对应设置在所述第一连接杆、第二连接杆、第三连接杆、第四连接杆的端部区域；
第一弹簧梁、第二弹簧梁、第三弹簧梁、第四弹簧梁，分别连接于所述第一电容的上极板与所述第一锚区之间、所述第二电容的上极板与所述第二锚区之间、所述第三电容的上极板与所述第三锚区之间、所述第四电容的上极板与所述第四锚区之间；
第一电感、第二电感、第三电感、第四电感，分别对应临近所述第一锚区、第二锚区、第三锚区、第四锚区设置，且分别与所述第一电容、第二电容、第三电容、第四电容组成LC谐振回路。
2.根据权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于：所述第一电容、第二电容、第三电容、第四电容的上极板与所述第一连接杆、第二连接杆、第三连接杆、第四连接杆位于同一平面。
3.根据权利要求2所述的加速度传感器，其特征在于：所述第一电容、第二电容、第三电容、第四电容的下极板分别对应所述上极板设置于所述基板上。
4.根据权利要求3所述的加速度传感器，其特征在于：所述第一电感、第二电感、第三电感、第四电感的一端分别连接于所述第一电容、第二电容、第三电容、第四电容的下极板，另一端分别连接于所述第一锚区、第二锚区、第三锚区、第四锚区。
5.根据权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于：所述第一锚区与所述第三锚区关于所述质量块对称设置；和/或所述第二锚区与所述第四锚区关于所述质量块对称设置。
6.根据权利要求5所述的加速度传感器，其特征在于：所述第一连接杆与所述第三连接杆关于所述质量块对称设置；和/或所述第二连接杆与所述第四连接杆关于所述质量块对称设置；和/或，所述第一电容与所述第三电容关于所述质量块对称设置；和/或，所述第二电容与所述第四电容关于所述质量块对称设置；和/或，所述第一弹簧梁与所述第三弹簧梁关于所述质量块对称设置；和/或，所述第二弹簧梁与所述第四弹簧梁关于所述质量块对称设置。
7.根据权利要求3所述的加速度传感器，其特征在于：所述上极板沿所述连接杆宽度方向的尺寸大于所述连接杆的宽度。
8.根据权利要求7所述的加速度传感器，其特征在于：所述上极板沿所述连接杆长度方向的边缘与所述下极板的边缘平齐。
9.根据权利要求8所述的加速度传感器，其特征在于：所述下极板的边长均大于所述上极板的边长。
10.根据权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于：所述第一电感、第二电感、第三电感、第四电感为MEMS螺旋电感。
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