CN115201515A - 一种单质量三轴mems加速度计敏感结构 - Google Patents

一种单质量三轴mems加速度计敏感结构 Download PDF

Info

Publication number
CN115201515A
CN115201515A CN202210743282.9A CN202210743282A CN115201515A CN 115201515 A CN115201515 A CN 115201515A CN 202210743282 A CN202210743282 A CN 202210743282A CN 115201515 A CN115201515 A CN 115201515A
Authority
CN
China
Prior art keywords
detection
sensitive
axis
comb tooth
mass
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202210743282.9A
Other languages
English (en)
Inventor
张乐民
刘福民
刘国文
李兆涵
徐宇新
王学锋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijign Institute of Aerospace Control Devices
Original Assignee
Beijign Institute of Aerospace Control Devices
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijign Institute of Aerospace Control Devices filed Critical Beijign Institute of Aerospace Control Devices
Priority to CN202210743282.9A priority Critical patent/CN115201515A/zh
Publication of CN115201515A publication Critical patent/CN115201515A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—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
    • 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

本发明提出一种单质量三轴MEMS加速度计敏感结构，实现三个轴向加速度的检测。通过结构对称性设计、检测差分设计、“工”字型弹性梁设计、交叉轴解耦设计显著降低交叉轴耦合。将检测梳齿锚区位置设计在结构轴线两侧附近，降低了温度变化过程中检测锚区在垂直于结构轴线方向上的位移，降低了环境温度变化时热应力对检测电容间隙变化的影响，提高加速度计输出特性的温度稳定性。

Description

一种单质量三轴MEMS加速度计敏感结构
技术领域
本发明属于微机电系统(MEMS)制造技术领域，具体涉及一种单质量三轴MEMS加速度计敏感结构。
背景技术
MEMS器件是近二十年来发展起来的一种新型微机械仪表，其利用半导体工艺加工技术加工微机械结构。一种典型的MEMS器件由可动质量块结构、弹性梁、锚区、电极等构成，通过不同结构设计其可以实现对力、位移、角速度等物理量的测量，满足不同应用的需求。MEMS加速度计通过可动MEMS结构运动，并将结构运动信号转化为电学信号，从而实现对加速度的测量。
单质量三轴MEMS加速度计，三个敏感轴向共用一个质量块，显著降低了MEMS敏感结构的尺寸，实现单片三轴集成，极大的降低MEMS惯性仪表的体积。单质量三轴MEMS加速度计目前主要有两个设计难题：
1、三个轴向加速度信号解耦。须通过复杂的解耦结构，降低各个轴向之间的交叉轴耦合。
2、当外界环境温度发生变化，材料热胀冷缩，会使MEMS结构各处尺寸及检测电容间隙发生变化，造成MEMS器件输出随温度发生变化。
发明内容
本发明解决的技术问题：本发明提出一种单质量三轴加速度计敏感结构，实现三个轴向加速度的检测。通过结构对称性设计、检测差分设计、“工”字型弹性梁设计、交叉轴解耦设计显著降低交叉轴耦合。将检测梳齿锚区位置设计在结构轴线两侧附近，降低了温度变化过程中检测锚区在垂直于结构轴线方向上的位移，降低了环境温度变化时，热应力对检测电容间隙变化的影响，提高加速度计输出特性的温度稳定性。
本发明所采用的技术方案是：
一种单质量三轴MEMS加速度计敏感结构，所述敏感结构整体为正方形布局，包括四角的固定锚区、四周的侧边结构单元和中心敏感结构单元；
以敏感结构中心为原点O，过原点与敏感结构的一条边平行的线作为X轴，过原点与X轴垂直的线作为Y轴，建立X-Y坐标系，整个敏感结构关于X轴对称，关于Y轴对称，以原点为中心旋转90°对称，关于原点中心对称；
每个侧边结构单元均包括两组“工”字形的检测框架弹性梁、检测框架、多组平行的第一检测梳齿组、多组平行的第二检测梳齿组、两组检测梳齿轴、两个检测梳齿锚区；
在每个侧边结构单元内，检测框架通过两组“工”字形的检测框架弹性梁分别与两个固定锚区相连，并固定在基底上；检测框架中心加工有两个检测梳齿锚区，检测梳齿轴通过检测梳齿锚区固定在基底上；所述检测梳齿轴位于侧边结构单元中心线上，且与侧边结构单元长边平行；检测梳齿轴上连接有多组第二检测梳齿组，每组第二检测梳齿组包括两根第二检测梳齿，两根第二检测梳齿关于检测梳齿轴对称，且不与检测框架连接；检测框架上连接有多组第一检测梳齿组，每组第一检测梳齿组包括两根第一检测梳齿，两根第一检测梳齿关于检测梳齿轴对称，且不与检测梳齿轴连接；
中心敏感结构单元包括Z轴敏感质量块和位于中心敏感结构单元四周的4套连接结构；每套连接结构包括“工”字型敏感质量弹性梁、敏感质量支撑梁、两根第一Z向扭转梁、Z向转动梁、两根第二Z向扭转梁、两根扭转连接梁；4个敏感质量支撑梁首尾连接组成敏感质量支撑框架；
在每套连接结构中，每个敏感质量支撑梁通过一个“工”字形敏感质量弹性梁与对应的检测框架相连，记敏感质量支撑梁的两条中轴线分别为第一中轴线和第二中轴线，所述第一中轴线与对应的检测框架长边平行，第二中轴线与对应的检测框架短边平行；敏感质量支撑梁靠近Z轴敏感质量块的一侧加工有两根第一Z向扭转梁，两根第一Z向扭转梁位于同一直线上，且该直线与第一中轴线平行；敏感质量支撑梁通过两根第一Z向扭转梁与Z向转动梁的一端相连，Z向转动梁位于敏感质量支撑梁第二中轴线上，且与敏感质量支撑梁及两根第一Z向扭转梁垂直；Z向转动梁的另一端同时与两根第二Z向扭转梁的一端相连；两根第二Z向扭转梁在一条直线上，且其方向与Z向转动梁垂直；每根第二Z向扭转梁的另一端连接在一根扭转连接梁的中心处，两根扭转连接梁的两端都连接在敏感质量块上；第一Z向扭转梁与第二Z向扭转梁尺寸相同；
在Z轴敏感质量块内部设计阵列分布的阻尼孔；在Z轴敏感质量块对应位置下方的基底上设计Z轴敏感电极，Z轴敏感电极与Z敏感质量块构成可变间隙的电容结构，用于检测Z轴敏感质量块在Z轴方向的运动。
优选的，每组第二检测梳齿组位于两组第一检测梳齿组之间，检测梳齿轴顶端为第二检测梳齿组；
每组第一检测梳齿组与其两侧的第二检测梳齿组形成电容结构，其中一侧为大间隙电容，另一侧为小间隙电容；位于梳齿轴顶端的第二检测梳齿组与检测框架间构成小间隙电容，检测梳齿锚区与其相邻的第一检测梳齿组构成小间隙电容，以上所述的电容结构相互并联构成检测电容，并通过检测梳齿锚区与电极引线相连，引出电学信号；所有小间隙电容的间隙相同，所有大间隙电容的间隙相同。
优选的，当检测框架发生平行于第二检测梳齿组方向的运动时，所述的检测电容中与运动方向相反的那一侧的电容面积增大，另一侧的电容面积减小，电容总面积不变；
当检测框架发生垂直于第二检测梳齿组方向的运动时，检测电容间隙变化，小间隙电容和大间隙电容间隙变化方向相反。
优选的，每个检测框架内包含两组通过不同检测固定锚区引出的检测电容，设每个检测框架内一个检测固定锚区为第一检测固定锚区，另一个检测固定锚区为第二检测固定锚区；
每个检测框架中与第一检测固定锚区相连接的所有小间隙电容的电容和满足：
Figure BDA0003716247610000041
每个检测框架中与第一检测固定锚区相连接的所有大间隙电容的电容和满足：
Figure BDA0003716247610000042
其中N为电容组数，ε为电容介电常数，S为电容面积，d1为小间隙电容的初始间隙，d2为大间隙电容初始间隙，d1＜d2，Δd为运动位移；
每个检测框架中与第二检测固定锚区相连接的所有小间隙电容的电容和满足：
Figure BDA0003716247610000043
每个检测框架中与第二检测固定锚区相连接的所有大间隙电容的电容和满足：
Figure BDA0003716247610000044
优选的，将两组通过不同检测固定锚区引出的检测电容测得的电压信号进行差分，则每个检测框架总的电压变化为
Figure BDA0003716247610000045
其中K为电路转换系数。
优选的，所述“工”字形敏感质量弹性梁的长度长于检测框架弹性梁的长度，二者宽度相等。
优选的，当所述敏感结构受到X方向的加速度时，整个结构受到X方向惯性力的作用，沿X方向的“工”字形敏感质量弹性梁和“工”字形的检测框架弹性梁发生弯曲形变，沿Y方向的“工”字形敏感质量弹性梁和“工”字形的检测框架弹性梁发生拉压形变，弯曲形变量和拉压形变量比值反比于弯曲形变刚度和拉压形变刚度比值。
优选的，“工”字形梁弯曲形变刚度满足：
Figure BDA0003716247610000051
“工”字形梁拉压形变刚度满足
Figure BDA0003716247610000052
其中，E为梁杨氏模量，D为梁的厚度，W为梁的宽度，L为梁的长度。
相同外力作用下，“工”字形梁弯曲形变量和拉压形变量比值满足：
Figure BDA0003716247610000053
优选的，记位于敏感结构上下两侧的检测框架内的第一检测梳齿组和第二检测梳齿组为X轴检测梳齿，位于敏感结构左右两侧的检测框架内的第一检测梳齿组和第二检测梳齿组为Y轴检测梳齿；
当敏感结构受到X方向的加速度时，敏感结构上下两侧的检测框架沿X方向运动，并通过X轴检测梳齿电容变化输出电学信号；敏感结构左右两侧的检测框架沿X方向运动幅度为上下两侧的检测框架运动幅度的
Figure BDA0003716247610000054
且左右两侧的检测框架沿X方向运动时，电容总面积不变，Y轴检测梳齿电学输出信号不变；
当敏感结构受到Y方向的加速度时，敏感结构左右两侧的检测框架沿Y方向运动，并通过Y轴检测梳齿电容变化输出电学信号；敏感结构上下两侧的检测框架沿Y方向运动幅度为左右两侧的检测框架运动幅度的
Figure BDA0003716247610000055
且上下两侧的检测框架沿Y方向运动时，电容总面积不变，Y轴检测梳齿电学输出信号不变。
优选的，当所述敏感结构受到Z方向的加速度时，整个结构受到Z方向惯性力的作用；位于Z轴敏感质量块四周的第一Z向扭转梁和第二Z向扭转梁发生扭转形变，带动Z向转动梁转动，放大Z轴敏感质量块运动位移，Z轴敏感质量块与Z轴敏感电极构成的电容间隙变化，并通过CV检测电路，转换为电学信号。
优选的，所述检测梳齿锚区处于整个敏感结构X轴和Y轴轴线两侧。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明采用单个敏感质量块敏感三个轴向的加速度信号，并通过连接结构与检测框架相连，实现三个轴向电容变化的检测，实现单芯片内三轴加速度计集成。
(2)本发明采用对称性结构设计，整个敏感结构关于X轴上下对称，关于Y轴左右对称，以原点为中心旋转90°对称，关于原点中心对称；各对称单元内相对应的位置图形及尺寸完全一致，提高工艺加工误差的一致性，保证了X轴与Y轴加速度计特性参数的一致性。
(3)在对称性设计的基础上，实现了加速度计检测信号的在敏感结构内、电极引线上和CV电路内三次差分，包括①单个检测梳齿锚区所连的检测梳齿被检测梳齿轴分为对称的两个部分，当检测框架沿检测梳齿方向发生运动时，检测梳齿轴一侧的检测梳齿电容面积增大，另一侧检测梳齿电容面积减小，总面积不变，抵消了电容量变化，实现敏感结构内差分，抑制了非敏感方向运动引起的电容变化，降低了交叉轴耦合。②当敏感结构受到X轴(或Y轴)方向加速度时，位于敏感结构左右(上下)两侧的检测框架向相同方向运动，左右两侧对称位置的单个检测梳齿电容面积变化趋势相反，将左右两侧并联，通过同一电极引出，实现电极引线上差分。③单个检测框架内包含两组检测梳齿电容，两组电容通过CV检测电路实现差分；当检测框架沿检测梳齿方向发生运动时，两组电容同时增大，同时减小，差分后电学信号抵消；当检测框架沿垂直于检测梳齿电容变化方向变化时，一组电容增大，另一组减小，差分后消除了共模干扰，并抵消了间隙变化的二次项引起的电容量变化，提高了电容检测的线性度。
(4)采用“工”字形敏感质量弹性梁和“工”字形检测框架弹性梁，取代U型梁，显著降低了弹性梁在非敏感方向弯曲形变，降低了结构在非敏感方向运动幅度。
(5)通过“工”字形敏感质量弹性梁和“工”字形检测框架弹性梁，实现X轴、Y轴交叉轴解耦合，且“工”字形敏感质量弹性梁的长度要显著长于“工”字形检测框架弹性梁提高解耦合效果；敏感质量支撑梁宽度远大于第一Z向扭转梁和第二Z向扭转梁宽度，显著降低了Z轴方向加速度对检测框架的影响。当外界输入Z轴方向加速度时，检测电容同样可实现电极引线上差分和CV测试电路内差分。
(6)检测梳齿锚区位置设计在X轴和Y轴两侧附近，降低了温度变化过程中检测锚区位置在该处垂直于轴线方向上的位移，降低了环境温度变化时，热应力对检测电容间隙变化的影响，提高加速度计输出特性的温度稳定性。
附图说明
图1是本发明单质量三轴MEMS加速度计敏感结构示意图。
具体实施方式
结合附图对本发明进行进一步说明。
本发明提出一种单质量三轴MEMS加速度计敏感结构，实现三个轴向加速度的检测。通过结构对称性设计，在敏感结构内、电极引线上和CV电路内进行三次差分；通过“工”字型弹性梁和交叉轴解耦设计显著降低交叉轴耦合。将检测梳齿锚区位置设计在结构轴线两侧附近，降低了温度变化过程中检测锚区在垂直于结构轴线方向上的位移，降低了环境温度变化时，热应力对检测电容间隙变化的影响，提高加速度计输出特性的温度稳定性。
如图1所示，本发明一种单质量三轴MEMS加速度计敏感结构，整体为正方形布局，包括四角的固定锚区1、四周的侧边结构单元和中心敏感结构单元。以敏感结构中心为原点O，过原点与敏感结构的一条边平行的线作为X轴，过原点与X轴垂直的线作为Y轴，建立X-Y坐标系，整个敏感结构关于X轴上下对称，关于Y轴左右对称，以原点为中心旋转90°对称，关于原点中心对称。各对称单元内相对应的位置图形及尺寸一致。
每个侧边结构单元均包括两组“工”字形的检测框架弹性梁2、检测框架3、多组平行的第一检测梳齿组4、多组平行的第二检测梳齿组5、两组检测梳齿轴6、两个检测梳齿锚区7。
在每个侧边结构单元内，检测框架3通过两组“工”字形的检测框架弹性梁2分别与两个固定锚区1相连，并固定在基底上；检测框架3中心加工有两个检测梳齿锚区7，检测梳齿轴6通过检测梳齿锚区7固定在基底上；所述检测梳齿轴6位于与侧边结构单元长边平行的中心线上。检测框架3上连接有多组第一检测梳齿组4，每组第一检测梳齿组4包括两根第一检测梳齿，两根第一检测梳齿关于检测梳齿轴6对称，且不与检测梳齿轴6连接；检测梳齿轴6上连接有多组第二检测梳齿组5，每组第二检测梳齿组5中的两根第二检测梳齿关于检测梳齿轴6对称，且不与检测框架3连接。
中心敏感结构单元包括Z轴敏感质量块14和位于中心敏感结构单元四周的4套连接结构；每套连接结构包括“工”字型敏感质量弹性梁8、敏感质量支撑梁9、两根第一Z向扭转梁10、Z向转动梁11、两根第二Z向扭转梁12、扭转连接梁13。
4个敏感质量支撑梁9首尾连接组成敏感质量支撑框架；每个检测框架3通过一个“工”字形敏感质量弹性梁8与对应的敏感质量支撑梁9相连，“工”字形敏感质量弹性梁8一根杆的两端与检测框架3相连，另一个杆的两端与敏感质量支撑梁9相连；敏感质量支撑梁9中轴线的两侧有两根与其平行的第一Z向扭转梁10，敏感质量支撑梁9通过两根第一Z向扭转梁10与Z向转动梁11的一端相连，Z向转动梁11位于敏感质量支撑梁9轴线上，且与敏感质量支撑梁9及两根第一Z向扭转梁10垂直；Z向转动梁11的另一端与两根方向与其垂直的第二Z向扭转梁12的一端相连；两根第二Z向扭转梁12的另一端分别连接在两根扭转连接梁13的中心处，两根扭转连接梁的两端都连接在敏感质量块14上；两根第一Z向扭转梁10与两根第二Z向扭转梁12尺寸相同。在Z轴敏感质量块14内部设计阵列分布的阻尼孔16；在Z轴敏感质量块14对应位置下方的基底上设计Z轴敏感电极15，Z轴敏感电极15与Z敏感质量块14构成可变间隙的电容结构，用于检测Z轴敏感质量块14在Z轴方向的运动。
每组第二检测梳齿组5位于两组第一检测梳齿组4之间，检测梳齿轴6两端为第二检测梳齿组。
每组第一检测梳齿组4与其两侧的第二检测梳齿组5形成电容结构，其中一侧为大间隙电容，另一侧为小间隙电容；位于梳齿轴6顶端的第二检测梳齿组5与检测框架3间构成小间隙电容，检测梳齿锚区7与其附近的第一检测架梳齿组4构成小间隙电容，以上所述的电容结构相互并联构成检测电容，并通过检测梳齿锚区7与电极引线相连，引出电学信号；所有小间隙电容的间隙相同，所有大间隙电容的间隙相同。
所述的检测电容，当检测框架3发生平行于第二检测梳齿组5方向的运动时，位于检测梳齿轴6一侧的电容面积增大，另一侧的电容面积减小，电容总面积不变。
所述的检测电容，当检测框架3发生垂直于第二检测梳齿组5方向的运动时，检测电容间隙变化，小间隙的电容和大间隙的电容，间隙变化方向相反。
每个检测框架3内包含两组通过不同检测固定锚区7引出的检测电容，设每个检测框架3内一个检测固定锚区为第一检测固定锚区，另一个检测固定锚区为第二检测固定锚区。
每个检测框架中与第一检测固定锚区相连接的所有小间隙电容的电容和、每个检测框架中与第一检测固定锚区相连接的所有大间隙电容的电容和分别如公式(1)和公式(2)所示：
Figure BDA0003716247610000091
Figure BDA0003716247610000092
其中N为电容组数，ε为电容介电常数，S为电容面积，d1为小间隙电容的初始间隙，d2为大间隙电容初始间隙，d1＜d2，Δd为运动位移。
每个检测框架中与第二检测固定锚区相连接的所有小间隙电容的电容和、每个检测框架中与第二检测固定锚区相连接的所有大间隙电容的电容和分别如公式(3)和公式(4)所示：
Figure BDA0003716247610000101
Figure BDA0003716247610000102
将两组检测电容测出的电压信号进行差分，则每个检测框架总的电压变化为
Figure BDA0003716247610000103
其中K为电路转换系数；总的电压变化与检测框架3运动位移成正比。
“工”字形敏感质量弹性梁8的长度要显著长于检测框架弹性梁2；两种梁的宽度接近或相等。
当所述敏感结构受到X方向的加速度时，整个结构受到X方向惯性力的作用；沿X方向的“工”字形敏感质量弹性梁8和“工”字形的检测框架弹性梁2发生弯曲形变，沿Y方向的“工”字形敏感质量弹性梁8和“工”字形的检测框架弹性梁2发生拉压形变。
“工”字形梁弯曲形变刚度和拉压形变刚度分别如公式(6)和公式(7)所示：
Figure BDA0003716247610000104
Figure BDA0003716247610000105
其中，E为梁杨氏模量，D为梁的厚度，W为梁的宽度，L为梁的长度。
相同外力作用下，“工”字形梁弯曲形变和拉压形变比值如公式(8)所示：
Figure BDA0003716247610000111
由于L远大于W，拉压刚度要远大于弯曲刚度，在相同外力的作用下，拉压形变远小于弯曲形变。
当敏感结构受到X方向的加速度时，敏感结构上下两侧的检测框架3沿X方向运动，并通过该处检测电容变化输出电学信号，检测敏感结构受到的X方向加速度；敏感结构左右两侧的检测框架3沿X方向运动幅度为上下两侧的检测框架3运动幅度的
Figure BDA0003716247610000112
且左右两侧的检测框架3沿X方向运动时，电容总面积在不考虑工艺误差的情况下不变极大幅度的降低了Y轴检测梳齿电学输出信号。
当敏感结构受到Y方向的加速度时，敏感结构左右两侧的检测框架3沿Y方向运动，并通过该处检测电容变化输出电学信号，检测敏感结构受到的Y方向加速度；敏感结构上下两侧的检测框架3沿Y方向运动幅度为左右两侧的检测框架3运动幅度的
Figure BDA0003716247610000113
且上下两侧的检测框架3沿Y方向运动时，电容总面积不变，极大幅度的降低了X轴检测梳齿电学输出信号。
当所述敏感结构受到Z方向的加速度时，整个结构受到Z方向惯性力的作用；位于Z轴敏感质量块14四周的第一Z向扭转梁10和第二Z向扭转梁12发生扭转形变，带动Z向转动梁11转动，放大Z轴敏感质量块14运动位移。Z轴敏感质量块14与Z轴敏感电极15构成的电容间隙变化，并通过CV检测电路，转换为电学信号。
敏感质量支撑梁9宽度远大于第一Z向扭转梁10和第二Z向扭转梁12宽度，所述“工”字形敏感质量弹性梁8的长度要显著长于检测框架弹性梁2，Z轴敏感质量块14在Z方向发生的位移幅度要远大于检测框架3在Z方向的位移幅度，且检测框架内两组检测电容变化趋势相同，经过差分后，显著降低了输入Z方向加速度时检测框架输出的电学信号。
检测梳齿锚区7位于检测框架中心区域，处于整个敏感结构X轴和Y轴轴线两侧附近，显著降低了当外界环境温度变化时，检测梳齿锚区7在该处垂直于轴线方向上的位移。
本发明提出一种单质量三轴加速度计敏感结构，实现三个轴向加速度的检测。通过结构对称性设计、检测差分设计、“工”字型弹性梁设计、交叉轴解耦设计显著降低交叉轴耦合。将检测梳齿锚区位置设计在结构轴线两侧附近，降低了温度变化过程中检测锚区在垂直于结构轴线方向上的位移，降低了环境温度变化时，热应力对检测电容间隙变化的影响，提高加速度计输出特性的温度稳定性。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未详细说明的部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (11)

1.一种单质量三轴MEMS加速度计敏感结构，其特征在于：所述敏感结构整体为正方形布局，包括四角的固定锚区(1)、四周的侧边结构单元和中心敏感结构单元；
以敏感结构中心为原点O，过原点与敏感结构的一条边平行的线作为X轴，过原点与X轴垂直的线作为Y轴，建立X-Y坐标系，整个敏感结构关于X轴对称，关于Y轴对称，以原点为中心旋转90°对称，关于原点中心对称；
每个侧边结构单元均包括两组“工”字形的检测框架弹性梁(2)、检测框架(3)、多组平行的第一检测梳齿组(4)、多组平行的第二检测梳齿组(5)、两组检测梳齿轴(6)、两个检测梳齿锚区(7)；
在每个侧边结构单元内，检测框架(3)通过两组“工”字形的检测框架弹性梁(2)分别与两个固定锚区(1)相连，并固定在基底上；检测框架(3)中心加工有两个检测梳齿锚区(7)，检测梳齿轴(6)通过检测梳齿锚区(7)固定在基底上；所述检测梳齿轴(6)位于侧边结构单元中心线上，且与侧边结构单元长边平行；检测梳齿轴(6)上连接有多组第二检测梳齿组(5)，每组第二检测梳齿组(5)包括两根第二检测梳齿，两根第二检测梳齿关于检测梳齿轴(6)对称，且不与检测框架(3)连接；检测框架(3)上连接有多组第一检测梳齿组(4)，每组第一检测梳齿组(4)包括两根第一检测梳齿，两根第一检测梳齿关于检测梳齿轴(6)对称，且不与检测梳齿轴(6)连接；
中心敏感结构单元包括Z轴敏感质量块(14)和位于中心敏感结构单元四周的4套连接结构；每套连接结构包括“工”字型敏感质量弹性梁(8)、敏感质量支撑梁(9)、两根第一Z向扭转梁(10)、Z向转动梁(11)、两根第二Z向扭转梁(12)、两根扭转连接梁(13)；4个敏感质量支撑梁(9)首尾连接组成敏感质量支撑框架；
在每套连接结构中，每个敏感质量支撑梁(9)通过一个“工”字形敏感质量弹性梁(8)与对应的检测框架(3)相连，记敏感质量支撑梁(9)的两条中轴线分别为第一中轴线和第二中轴线，所述第一中轴线与对应的检测框架(3)长边平行，第二中轴线与对应的检测框架(3)短边平行；敏感质量支撑梁(9)靠近Z轴敏感质量块(14)的一侧加工有两根第一Z向扭转梁(10)，两根第一Z向扭转梁(10)位于同一直线上，且该直线与第一中轴线平行；敏感质量支撑梁(9)通过两根第一Z向扭转梁(10)与Z向转动梁(11)的一端相连，Z向转动梁(11)位于敏感质量支撑梁(9)第二中轴线上，且与敏感质量支撑梁(9)及两根第一Z向扭转梁(10)垂直；Z向转动梁(11)的另一端同时与两根第二Z向扭转梁(12)的一端相连；两根第二Z向扭转梁(12)在一条直线上，且其方向与Z向转动梁(11)垂直；每根第二Z向扭转梁(12)的另一端连接在一根扭转连接梁(13)的中心处，两根扭转连接梁(13)的两端都连接在敏感质量块(14)上；第一Z向扭转梁(10)与第二Z向扭转梁(12)尺寸相同；
在Z轴敏感质量块(14)内部设计阵列分布的阻尼孔(16)；在Z轴敏感质量块(14)对应位置下方的基底上设计Z轴敏感电极(15)，Z轴敏感电极(15)与Z敏感质量块(14)构成可变间隙的电容结构，用于检测Z轴敏感质量块(14)在Z轴方向的运动。
2.根据权利要求1所述的一种单质量三轴MEMS加速度计敏感结构，其特征在于：每组第二检测梳齿组(5)位于两组第一检测梳齿组(4)之间，检测梳齿轴(6)顶端为第二检测梳齿组；
每组第一检测梳齿组(4)与其两侧的第二检测梳齿组(5)形成电容结构，其中一侧为大间隙电容，另一侧为小间隙电容；位于梳齿轴(6)顶端的第二检测梳齿组与检测框架(3)间构成小间隙电容，检测梳齿锚区(7)与其相邻的第一检测梳齿组(4)构成小间隙电容，以上所述的电容结构相互并联构成检测电容，并通过检测梳齿锚区(7)与电极引线相连，引出电学信号；所有小间隙电容的间隙相同，所有大间隙电容的间隙相同。
3.根据权利要求2所述的一种单质量三轴MEMS加速度计敏感结构，其特征在于：当检测框架(3)发生平行于第二检测梳齿组(5)方向的运动时，所述的检测电容中与运动方向相反的那一侧的电容面积增大，另一侧的电容面积减小，电容总面积不变；
当检测框架(3)发生垂直于第二检测梳齿组(5)方向的运动时，检测电容间隙变化，小间隙电容和大间隙电容间隙变化方向相反。
4.根据权利要求3所述的一种单质量三轴MEMS加速度计敏感结构，其特征在于：每个检测框架(3)内包含两组通过不同检测固定锚区(7)引出的检测电容，设每个检测框架(3)内一个检测固定锚区为第一检测固定锚区，另一个检测固定锚区为第二检测固定锚区；
每个检测框架中与第一检测固定锚区相连接的所有小间隙电容的电容和满足：
Figure FDA0003716247600000031
每个检测框架中与第一检测固定锚区相连接的所有大间隙电容的电容和满足：
Figure FDA0003716247600000032
其中N为电容组数，ε为电容介电常数，S为电容面积，d1为小间隙电容的初始间隙，d2为大间隙电容初始间隙，d1＜d2，Δd为运动位移；
每个检测框架中与第二检测固定锚区相连接的所有小间隙电容的电容和满足：
Figure FDA0003716247600000033
每个检测框架中与第二检测固定锚区相连接的所有大间隙电容的电容和满足：
Figure FDA0003716247600000034
5.根据权利要求4所述的一种单质量三轴MEMS加速度计敏感结构，其特征在于：将两组通过不同检测固定锚区(7)引出的检测电容测得的电压信号进行差分，则每个检测框架总的电压变化为
Figure FDA0003716247600000041
其中K为电路转换系数。
6.根据权利要求1所述的一种单质量三轴MEMS加速度计敏感结构，其特征在于所述“工”字形敏感质量弹性梁(8)的长度长于检测框架弹性梁(2)的长度，二者宽度相等。
7.根据权利要求1所述的一种单质量三轴MEMS加速度计敏感结构，其特征在于：当所述敏感结构受到X方向的加速度时，整个结构受到X方向惯性力的作用，沿X方向的“工”字形敏感质量弹性梁(8)和“工”字形的检测框架弹性梁(2)发生弯曲形变，沿Y方向的“工”字形敏感质量弹性梁(8)和“工”字形的检测框架弹性梁(2)发生拉压形变，弯曲形变量和拉压形变量比值反比于弯曲形变刚度和拉压形变刚度比值。
8.根据权利要求7所述的一种单质量三轴MEMS加速度计敏感结构，其特征在于：“工”字形梁弯曲形变刚度满足：
Figure FDA0003716247600000042
“工”字形梁拉压形变刚度满足
Figure FDA0003716247600000043
其中，E为梁杨氏模量，D为梁的厚度，W为梁的宽度，L为梁的长度。
相同外力作用下，“工”字形梁弯曲形变量和拉压形变量比值满足：
Figure FDA0003716247600000044
9.根据权利要求8所述的一种单质量三轴MEMS加速度计敏感结构，其特征在于：记位于敏感结构上下两侧的检测框架内的第一检测梳齿组和第二检测梳齿组为X轴检测梳齿，位于敏感结构左右两侧的检测框架内的第一检测梳齿组和第二检测梳齿组为Y轴检测梳齿；
当敏感结构受到X方向的加速度时，敏感结构上下两侧的检测框架(3)沿X方向运动，并通过X轴检测梳齿电容变化输出电学信号；敏感结构左右两侧的检测框架(3)沿X方向运动幅度为上下两侧的检测框架(3)运动幅度的
Figure FDA0003716247600000051
且左右两侧的检测框架(3)沿X方向运动时，电容总面积不变，Y轴检测梳齿电学输出信号不变；
当敏感结构受到Y方向的加速度时，敏感结构左右两侧的检测框架(3)沿Y方向运动，并通过Y轴检测梳齿电容变化输出电学信号；敏感结构上下两侧的检测框架(3)沿Y方向运动幅度为左右两侧的检测框架(3)运动幅度的
Figure FDA0003716247600000052
且上下两侧的检测框架(3)沿Y方向运动时，电容总面积不变，Y轴检测梳齿电学输出信号不变。
10.根据权利要求1所述的一种单质量三轴MEMS加速度计敏感结构，其特征在于：当所述敏感结构受到Z方向的加速度时，整个结构受到Z方向惯性力的作用；位于Z轴敏感质量块(14)四周的第一Z向扭转梁(10)和第二Z向扭转梁(12)发生扭转形变，带动Z向转动梁(11)转动，放大Z轴敏感质量块(14)运动位移，Z轴敏感质量块(14)与Z轴敏感电极(15)构成的电容间隙变化，并通过CV检测电路，转换为电学信号。
11.根据权利要求1所述的一种单质量三轴MEMS加速度计敏感结构，其特征在于：所述检测梳齿锚区(7)处于整个敏感结构X轴和Y轴轴线两侧。
CN202210743282.9A 2022-06-27 2022-06-27 一种单质量三轴mems加速度计敏感结构 Pending CN115201515A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210743282.9A CN115201515A (zh) 2022-06-27 2022-06-27 一种单质量三轴mems加速度计敏感结构

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210743282.9A CN115201515A (zh) 2022-06-27 2022-06-27 一种单质量三轴mems加速度计敏感结构

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115201515A true CN115201515A (zh) 2022-10-18

Family

ID=83578603

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210743282.9A Pending CN115201515A (zh) 2022-06-27 2022-06-27 一种单质量三轴mems加速度计敏感结构

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115201515A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117192155A (zh) * 2023-11-02 2023-12-08 苏州敏芯微电子技术股份有限公司 单质量三轴mems加速度传感器和电子设备

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117192155A (zh) * 2023-11-02 2023-12-08 苏州敏芯微电子技术股份有限公司 单质量三轴mems加速度传感器和电子设备
CN117192155B (zh) * 2023-11-02 2024-01-26 苏州敏芯微电子技术股份有限公司 单质量三轴mems加速度传感器和电子设备

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106597016B (zh) 一种电容式mems双轴加速度计
CN106970244B (zh) 一种多量程的mems闭环加速度计
CN110824196B (zh) 对应力不敏感的mems电容式z轴加速度计
US6910379B2 (en) Out-of-plane compensation suspension for an accelerometer
US20070034007A1 (en) Multi-axis micromachined accelerometer
KR100867550B1 (ko) 가속도 센서
US11255873B2 (en) Increased sensitivity z-axis accelerometer
CN112739642A (zh) 3-轴加速度计
CN107271722B (zh) 一种三轴电容式加速度计
KR101001775B1 (ko) 가속도 센서
CN206321662U (zh) 一种mems双轴加速度计
CN109946481B (zh) 一种基于刚度补偿的mems闭环加速度计
CN110095632B (zh) 一种基于零位校正的mems加速度计
CN111766404A (zh) 基于刚度耦合的低应力z轴mems加速度计
EP3792638B1 (en) Low-noise multi axis mems accelerometer
CN115201515A (zh) 一种单质量三轴mems加速度计敏感结构
CN107356240B (zh) 具有驱动频率调节结构的mems陀螺仪
US11796560B2 (en) MEMS accelerometer with mechanically decoupled proof mass
JP2654602B2 (ja) 半導体力学量センサ
JP6070113B2 (ja) 加速度センサ
CN109073673B (zh) 微机械传感器和用于制造微机械传感器的方法
CN113138292B (zh) 一种电容式微机械加速度计
CN212483618U (zh) 基于刚度耦合的低应力z轴mems加速度计
CN109507452A (zh) 一种高性能体硅mems电容式加速度计
CN214585541U (zh) 三轴加速度传感器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination