CN115389781A - 一种加速度计 - Google Patents

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CN115389781A CN202210905273.5A CN202210905273A CN115389781A CN 115389781 A CN115389781 A CN 115389781A CN 202210905273 A CN202210905273 A CN 202210905273A CN 115389781 A CN115389781 A CN 115389781A
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占瞻
杨珊
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彭宏韬
李杨
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陈秋玉
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Abstract

本发明提供了一种加速度计，包括基底以及连接于基底上的检测结构，检测结构包括固定于基底上的锚点、与锚点弹性连接的跷跷板结构、与跷跷板结构内侧耦合连接的内侧耦合结构、与跷跷板结构外侧耦合连接的外侧耦合结构以及设置于外侧耦合结构、内侧耦合结构上的位移检测组件，两跷跷板结构相对设置；外侧耦合结构包括与两跷跷板结构外侧耦合连接的外侧耦合结构内环以及围设于外侧耦合结构内环外侧的外侧耦合结构外环；检测结构还包括连接外侧耦合结构内环与跷跷板结构的第一弹性件以及连接外侧耦合结构内环与外侧耦合结构外环的第二弹性件。本发明提高了外侧耦合结构的转动模态的刚度，提升了转动模态对应的谐振频率，降低了加速度计的交叉耦合。

Description

一种加速度计
【技术领域】
本发明涉及微机械结构技术领域，尤其涉及一种加速度计。
【背景技术】
相关技术中的加速度计的Z轴面外加速度检测与Y轴面内加速度检测共用非对称的转动检验质量，X轴面内加速度检测将整个跷跷板结构作为线性检验质量，三轴通过对应的电容极板实现三轴检测。但是其Y轴与Z轴的加速度检测分别会受到绕z轴与绕x轴旋转的角加速度的影响，因此，在对应旋转角加速度作用下，检验质量发生偏移，导致各轴检测交叉耦合高。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种低交叉耦合的三轴加速度计，解决相关技术中在对应旋转角加速度作用下，导致各轴检测交叉耦合高的问题。
本发明实施例提供了一种加速度计，包括基底以及连接于所述基底上的检测结构，所述检测结构包括固定于所述基底上的锚点、与所述锚点弹性连接的跷跷板结构、与所述跷跷板结构内侧耦合连接的内侧耦合结构、与所述跷跷板结构外侧耦合连接的外侧耦合结构以及设置于所述外侧耦合结构、所述内侧耦合结构上的位移检测组件，
两所述跷跷板结构相对设置；
所述外侧耦合结构包括与两所述跷跷板结构外侧耦合连接的外侧耦合结构内环以及围设于所述外侧耦合结构内环外侧的外侧耦合结构外环；
所述检测结构还包括连接所述外侧耦合结构内环与对应的所述跷跷板结构的第一弹性件以及连接所述外侧耦合结构内环与所述外侧耦合结构外环的第二弹性件。
进一步地，所述检测结构还包括连接所述锚点与对应的所述跷跷板结构的第三弹性件；
同一所述跷跷板结构的两侧均通过对应的所述第三弹性件与对应的所述锚点连接；
各所述锚点设置于对应的所述跷跷板结构的相对的两端之间。
进一步地，所述第二弹性件包括与所述外侧耦合结构外环连接的第一弹性段以及一端与所述第一弹性段连接且另一端与所述外侧耦合结构内环连接的第二弹性段；
所述第一弹性段与所述第二弹性段平行设置。
进一步地，所述内侧耦合结构具有连接两所述跷跷板结构的连接梁。
进一步地，所述位移检测组件包括设置于所述外侧耦合结构上的X轴检测电容组以及Y轴检测电容组；
所述X轴检测电容组沿着所述X轴对称分布，且所述X轴检测电容组沿着所述Y轴对称分布；
所述Y轴检测电容组沿着所述X轴对称分布，且所述Y轴检测电容组沿着所述Y轴对称分布。
进一步地，所述X轴检测电容组设置于同一所述跷跷板结构的两侧，且所述X轴检测电容组设置于连接同一所述跷跷板结构的所述第一弹性件与所述锚点之间；
所述Y轴检测电容组设置于沿着所述基底的长度方向分布的两所述X轴检测电容组之间。
进一步地，所述Y轴检测电容组设置于同一所述跷跷板结构的两侧，且所述Y轴检测电容组设置于连接同一所述跷跷板结构的所述第一弹性件与所述锚点之间；
所述X轴检测电容组设置于沿着所述基底的长度方向分布的两所述Y轴检测电容组之间。
进一步地，所述X轴检测电容组包括设置于所述外侧耦合结构上的第一电容极板、固定于所述基底上的第二电容极板以及固定于所述基底上且与所述第二电容极板间隔设置的第三电容极板；其中，所述第一电容极板与所述第二电容极板、所述第三电容极板差分设置；
所述Y轴检测电容组包括设置于所述外侧耦合结构上的第四电容极板、固定于所述基底上的第五电容极板以及固定于所述基底上且与所述第五电容极板间隔设置的第六电容极板；其中，所述第四电容极板与所述第五电容极板、所述第六电容极板差分设置。
进一步地，所述位移检测组件还包括设置于同一侧的所述锚点之间的Z轴检测电容组；
同一所述跷跷板结构的两侧分别设置有对应的所述Z轴检测电容组。
进一步地，所述Z轴检测电容组包括设置于所述内侧耦合结构与所述外侧耦合结构内环上的第七电容极板、固定于所述基底上的第八电容极板以及固定于所述基底上且与所述第八电容极板间隔设置的第九电容极板；其中，所述第七电容极板与所述第八电容极板、所述第九电容极板差分设置。
本发明的有益效果在于：整个加速度计由两个相对布置的跷跷板结构支撑，内侧耦合结构将两个跷跷板结构的内侧耦合，外侧耦合结构将两个跷跷板结构的外侧耦合。当面外Z轴加速度到来时，跷跷板结构两侧的内侧耦合结构以及外侧耦合结构相对于基底做差分运动，导致设置在内侧耦合结构以及外侧耦合结构、与对应的基底上的位移检测组件发生差分的变化，从而通过检测位移检测组件变化即可检测Z轴加速度。而外侧耦合结构内环通过第一弹性件与对应的跷跷板结构相连，使整个外侧耦合结构的检验质量具备在X轴加速度作用下的运动能力，外侧耦合结构外环通过第二弹性件与外侧耦合结构内环相连，使外侧耦合结构外环的检验质量具备在Y轴加速度作用下的运动能力，这种内外环分割面内XY轴的弹性连接设计使得外侧耦合结构检验质量的旋转模态刚度提升，提高了交叉抑制比，降低了交叉耦合。
【附图说明】
图1为本发明提供的检测结构的立体结构示意图；
图2为本发明实施例一提供的检测结构的平面视图；
图3为本发明实施例一提供的加速度计的X轴检测模态示意图；
图4为本发明实施例一提供的加速度计的Y轴检测模态示意图；
图5为本发明实施例一提供的加速度计的Z轴检测模态示意图；
图6为本发明实施例一提供的加速度计的旋转模态示意图；
图7为本发明实施例二提供的加速度计的平面视图。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
请参阅图1至图6，本发明实施例提供了一种加速度计，包括基底以及连接于基底上的检测结构1，检测结构1包括固定于基底上的锚点11、与锚点11弹性连接的跷跷板结构12、与跷跷板结构12内侧耦合连接的内侧耦合结构13、与跷跷板结构12外侧耦合连接的外侧耦合结构14以及设置于外侧耦合结构14、内侧耦合结构13上的位移检测组件15，两跷跷板结构12相对设置；外侧耦合结构14包括与两跷跷板结构12外侧耦合连接的外侧耦合结构内环141以及围设于外侧耦合结构内环141外侧的外侧耦合结构外环142；检测结构1还包括连接外侧耦合结构内环141与对应的跷跷板结构12的第一弹性件16以及连接外侧耦合结构内环141与外侧耦合结构外环142的第二弹性件17。
本实施例中，整个加速度计由两个相对布置的跷跷板结构12支撑，内侧耦合结构13将两个跷跷板结构12的内侧耦合，外侧耦合结构14将两个跷跷板结构12的外侧耦合。而加速度计的检验质量块分布于内侧耦合结构13与外侧耦合结构14上，但主要集中于外侧耦合结构14上。当面外Z轴加速度到来时，跷跷板结构12两侧的内侧耦合结构13以及外侧耦合结构14相对于基底做差分运动，导致设置在内侧耦合结构13以及外侧耦合结构14、与对应的基底上的位移检测组件15发生差分的变化，从而通过检测位移检测组件15变化即可检测Z轴加速度。而外侧耦合结构内环141通过第一弹性件16与对应的跷跷板结构12相连，使整个外侧耦合结构14的检验质量块具备在X轴加速度作用下的运动能力，外侧耦合结构外环142通过第二弹性件17与外侧耦合结构内环141相连，使外侧耦合结构外环142的检验质量块具备在Y轴加速度作用下的运动能力，这种内外环分割面内XY轴的弹性连接设计使得外侧耦合结构14检验质量的旋转模态刚度提升，提高了交叉抑制比，降低了交叉耦合。
本实施例中，以第一弹性件16为X轴单自由度弹簧，第三弹性件18为扭簧为示例，加速度计为对称结构，即加速度计以中心线2为轴两侧对称，两个跷跷板结构12分别位于中心线2的两侧，跷跷板结构12靠近中心线2的一端与内侧耦合结构13连接，跷跷板结构12远离中心线2的一端与X轴单自由度弹簧连接。具体地，检测结构1还包括连接锚点11与对应的跷跷板结构12的扭簧，在同一跷跷板结构12的两侧均通过对应的扭簧与对应的锚点11连接(即本实施例中具有四个扭簧以及四个锚点11，每个跷跷板结构12分别与两个锚点11之间通过对应的扭簧弹性连接)；各锚点11设置于对应的跷跷板结构12的相对的两端之间，使两个跷跷板结构12分别绕各自转轴(即同一跷跷板结构12两侧的第三弹性件18以及锚点11组成的转轴)的转动，且相对于中心线2对称，一定程度上抑制了跷跷板结构12的平面上绕Z轴的转动，降低了结构的交叉耦合。
需要说明的是，检验质量块主要分布在外侧耦合结构14上，由于锚点11固定于基底，当跷跷板结构12沿着X轴线性运动时，跷跷板结构12利用X轴单自由度弹簧以及扭簧的弹性特质，使检验质量块具备垂直于基座平面的面内方向(X轴方向/Y轴方向)线性运动的模态、平行于基座平面的线性运动的模态以及旋转模态，几个模态下检验质量块的运动方向相互垂直，使检验质量块在面内加速度作用下沿垂直于基座平面的面内方向(X轴方向/Y轴方向)线性运动，在面外加速度作用下沿平行于基座平面的面外方向(Z轴方向)线性运动。需要说明的是，在其它一些实施例中，第三弹性件18也可以为拉簧或者其它类型的弹性结构，在此不对其进行特别限定，只要其可以满足跷跷板结构12与锚点11之间的弹性连接即可。
本实施例中，内侧耦合结构13具有连接两跷跷板结构12的连接梁131，使内侧耦合结构13对跷跷板结构12的约束更强，提高了外侧耦合结构14的转动等寄生模态的刚度，增大了结构的交叉抑制比，降低了加速度计的交叉耦合。
本实施例中，第二弹性件17包括与外侧耦合结构外环142连接的第一弹性段171以及一端与第一弹性段171连接且另一端与外侧耦合结构内环141连接的第二弹性段172，第一弹性段171与第二弹性段172平行设置。
以第二弹性件17为Y轴单自由度弹簧为示例，由于Y轴单自由度弹簧具有弯折的部分(即第一弹性段171与第二弹性段172的连接处)，使得Y轴单自由度弹簧具备更好地弹力；并且Y轴单自由度弹簧与外侧耦合结构内环141、外侧耦合结构外环142配合，使得检验质量块在面内加速度作用下沿垂直于基座平面的面内方向(X轴方向/Y轴方向)线性运动或在面外加速度作用下沿平行于基座平面的面外方向(Z轴方向)线性运动时，可以提高外侧耦合结构14的转动模态的刚度，提升转动模态对应的谐振频率，降低加速度计的交叉耦合。
本实施例中，位移检测组件15包括设置于外侧耦合结构14上的X轴检测电容组151以及Y轴检测电容组152；X轴检测电容组151沿着X轴对称分布，且X轴检测电容组151沿着Y轴对称分布；Y轴检测电容组152沿着X轴对称分布，且Y轴检测电容组152沿着Y轴对称分布。
其中，X轴检测电容组151设置于连接同一跷跷板结构12的两侧，且X轴检测电容组151设置于连接同一跷跷板结构12的第一弹性件16与锚点11之间。具体地，连接同一跷跷板结构12的第一弹性件16与锚点11之间围合形成第一区域19，本实施例的第一区域19以四个为示例，跷跷板结构12的两侧具有相对设置的两第一区域19，不同跷跷板结构12旁的两第一区域19以中心线2为轴线对称，将X轴检测电容组151设置于对应的第一区域19内，此时X轴检测电容组151位于外侧耦合结构14以及第一区域19对应基底上的对应区域内；本实施例中，第一区域19被第二弹性件17以及外侧耦合结构内环141围合起来。
需要说明的是，本实施例可以通过在外侧耦合结构14上设置X轴检测电容组151来检测X轴加速度，这里需要指出的是，X轴检测电容组151可以设置于外侧耦合结构外环142，也可设置于外侧耦合结构内环141，并不改变X轴加速度的检测能力。每个第一区域19的X轴检测电容组151都具有多个，且沿着X轴的方向依次间隔设置；当然每个第一区域19的多个X轴检测电容组151也可以分设为多行，每行均沿着X轴的方向依次间隔设置有同等数量的X轴检测电容组151。
Y轴检测电容组152设置于沿着基底的长度方向分布的两X轴检测电容组151之间。以X轴为轴线，Y轴检测电容组152分布于X轴的两侧。需要说明的是，本实施例可以通过在外侧耦合结构外环142上设置Y轴电容极板来检测Y轴加速度。每侧的Y轴检测电容组152都具有多个，且沿着X轴的方向依次间隔设置；当然每侧的多个Y轴检测电容组152也可以分设为多行，每行均沿着X轴的方向依次间隔设置有同等数量的Y轴检测电容组152。
如图7所示，在一些实施例中，也可以是Y轴检测电容组152设置于同一跷跷板结构12两侧，且Y轴检测电容组152设置于连接同一跷跷板结构12的第一弹性件16与锚点11之间；X轴检测电容组151设置于沿着基底的长度方向分布的两Y轴检测电容组152之间。
本实施例中，X轴检测电容组151包括设置于外侧耦合结构14上的第一电容极板1511、固定于基底上的第二电容极板1512以及固定于基底上且与第二电容极板1512间隔设置的第三电容极板1513；其中，第二电容极板1512与第三电容极板1513平行设置。由于第二电容极板1512与第三电容极板1513间隔设置，并通过将运动电容极板(即第一电容极板1511)固定在检验质量块(即外侧耦合结构外环142)上，固定电容极板(即第二电容极板1512与第三电容极板1513)可以直接固定于基底上或者通过电极锚点154固定在基底上(如图7所示)，当检验质量块在面内加速度作用下沿垂直于基座平面的面内方向(即X轴方向)线性运动时，可以检测X轴的加速度。需要说明的是，第一电容极板1511与第二电容极板1512、第三电容极板1513差分设置。
Y轴检测电容组152包括设置于外侧耦合结构14上的第四电容极板1521、固定于基底上的第五电容极板1522以及固定于基底上且与第五电容极板1522间隔设置的第六电容极板1523；其中，第五电容极板1522与第六电容极板1523平行设置。由于第五电容极板1522与第六电容极板1523间隔设置，并通过将运动电容极板(即第四电容极板1521)固定在检验质量块(即外侧耦合结构外环142)上，固定电容极板(即第五电容极板1522与第六电容极板1523)直接固定于基底上或者通过电极锚点154固定在基底上(如图7所示)，当检验质量块在面内加速度作用下沿垂直于基座平面的面内方向(即Y轴方向)线性运动时，可以检测Y轴的加速度。
需要说明的是，第四电容极板1521与第五电容极板1522、第六电容极板1523差分设置；第二电容极板1512的延长线与第五电容极板1522的延长线之间垂直设置，即第二电容极板1512的摆放方向与第五电容极板1522的摆放方向垂直，分别满足X轴加速度的检测以及Y轴加速度的检测。
本实施例中，位移检测组件15还包括设置于同一侧的锚点11之间的Z轴检测电容组153，其中，同一跷跷板结构12的两侧分别设置有对应的Z轴检测电容组153。具体地，本实施例中Z轴检测电容组153以8个为例，且以X轴为中心线对称设置，即每侧均为4个Z轴检测电容组153，依次设置于外侧耦合结构内环141、内侧耦合结构13以及外侧耦合结构内环141。即同一跷跷板结构12的同一侧具有2个Z轴检测电容组153，一个位于外侧耦合结构内环141，另一个位于内侧耦合结构13。
本实施例中，Z轴检测电容组153包括设置于内侧耦合结构13与外侧耦合结构内环141上的第七电容极板(图中未示出)、固定于基底上的第八电容极板(图中未示出)以及固定于基底上且与第八电容极板间隔设置的第九电容极板(图中未示出)。将Z轴检测电容组153设置在内侧耦合结构13与外侧耦合结构内环141比设置到外侧耦合结构外环142具有更高的Z轴检测线性度，由于X轴单自由度弹簧的面外刚度远大于相关技术中的两自由度弹簧的面外刚度，因此Y轴单自由度弹簧的面外刚度对Z轴检测的影响减弱，使得不受到Y轴单自由度弹簧的面外刚度影响，提高Z轴检测的线性度。当检验质量块在平行于基座平面的线性运动时，可以检测Z轴的加速度。其中，如图2所示的包围区域1531为对应基底或CAP(腔盖)上对应的面外Z轴加速度电容极板(即第八电容极板以及第九电容极板)，需要说明的是，第八电容极板、第九电容极板直接固定在基底上。当然，Z轴检测电容组153内的电容极板(即第七电容极板与第八电容极板、第九电容极板)也可以为差分设置。
以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种加速度计，包括基底以及连接于所述基底上的检测结构，所述检测结构包括固定于所述基底上的锚点、与所述锚点弹性连接的跷跷板结构、与所述跷跷板结构内侧耦合连接的内侧耦合结构、与所述跷跷板结构外侧耦合连接的外侧耦合结构以及设置于所述外侧耦合结构、所述内侧耦合结构上的位移检测组件，其特征在于，
两所述跷跷板结构相对设置；
所述外侧耦合结构包括与两所述跷跷板结构外侧耦合连接的外侧耦合结构内环以及围设于所述外侧耦合结构内环外侧的外侧耦合结构外环；
所述检测结构还包括连接所述外侧耦合结构内环与对应的所述跷跷板结构的第一弹性件以及连接所述外侧耦合结构内环与所述外侧耦合结构外环的第二弹性件。
2.根据权利要求1所述的加速度计，其特征在于：所述检测结构还包括连接所述锚点与对应的所述跷跷板结构的第三弹性件；
同一所述跷跷板结构的两侧均通过对应的所述第三弹性件与对应的所述锚点连接；
各所述锚点设置于对应的所述跷跷板结构的相对的两端之间。
3.根据权利要求1所述的加速度计，其特征在于：所述第二弹性件包括与所述外侧耦合结构外环连接的第一弹性段以及一端与所述第一弹性段连接且另一端与所述外侧耦合结构内环连接的第二弹性段；
所述第一弹性段与所述第二弹性段平行设置。
4.根据权利要求1所述的加速度计，其特征在于：所述内侧耦合结构具有连接两所述跷跷板结构的连接梁。
5.根据权利要求1所述的加速度计，其特征在于：所述位移检测组件包括设置于所述外侧耦合结构上的X轴检测电容组以及Y轴检测电容组；
所述X轴检测电容组沿着所述X轴对称分布，且所述X轴检测电容组沿着所述Y轴对称分布；
所述Y轴检测电容组沿着所述X轴对称分布，且所述Y轴检测电容组沿着所述Y轴对称分布。
6.根据权利要求5所述的加速度计，其特征在于：所述X轴检测电容组设置于同一所述跷跷板结构的两侧，且所述X轴检测电容组设置于连接同一所述跷跷板结构的所述第一弹性件与所述锚点之间；
所述Y轴检测电容组设置于沿着所述基底的长度方向分布的两所述X轴检测电容组之间。
7.根据权利要求5所述的加速度计，其特征在于：所述Y轴检测电容组设置于同一所述跷跷板结构的两侧，且所述Y轴检测电容组设置于连接同一所述跷跷板结构的所述第一弹性件与所述锚点之间；
所述X轴检测电容组设置于沿着所述基底的长度方向分布的两所述Y轴检测电容组之间。
8.根据权利要求6或7任意一项中所述的加速度计，其特征在于：所述X轴检测电容组包括设置于所述外侧耦合结构上的第一电容极板、固定于所述基底上的第二电容极板以及固定于所述基底上且与所述第二电容极板间隔设置的第三电容极板；其中，所述第一电容极板与所述第二电容极板、所述第三电容极板差分设置；
所述Y轴检测电容组包括设置于所述外侧耦合结构上的第四电容极板、固定于所述基底上的第五电容极板以及固定于所述基底上且与所述第五电容极板间隔设置的第六电容极板；其中，所述第四电容极板与所述第五电容极板、所述第六电容极板差分设置。
9.根据权利要求1所述的加速度计，其特征在于：所述位移检测组件还包括设置于同一侧的所述锚点之间的Z轴检测电容组；
同一所述跷跷板结构的两侧分别设置有对应的所述Z轴检测电容组。
10.根据权利要求9所述的加速度计，其特征在于：所述Z轴检测电容组包括设置于所述内侧耦合结构与所述外侧耦合结构内环上的第七电容极板、固定于所述基底上的第八电容极板以及固定于所述基底上且与所述第八电容极板间隔设置的第九电容极板；其中，所述第七电容极板与所述第八电容极板、所述第九电容极板差分设置。
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