CN115407084A - 一种梳齿电容式加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种梳齿电容式加速度计，涉及微机械加速度计技术领域，包括衬底和加速度计结构，加速度计结构设置于衬底上；加速度计结构包括固支框架、敏感质量块框架和非可动电极组件，非可动电极组件通过电极锚点固定于衬底上，敏感质量块框架上设置有可动电极组件，可动电极组件与非可动电极组件一一对应，且相对应的可动电极组件与非可动电极组件构成梳齿电容结构；固支框架通过固支框架锚点固定于衬底上，且固支框架通过弹性结构与敏感质量块框架连接，弹性结构使敏感质量块框架能够沿敏感轴方向移动。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。

Description

一种梳齿电容式加速度计

技术领域

本发明涉及微机械加速度计技术领域，特别是涉及一种梳齿电容式加速度计。

背景技术

微机械系统(MEMS，Micro-Electro-Mechanical System)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、军工等领域。随着智能驾驶汽车技术的发展，高精度微机械加速度计的需求也日益旺盛。

微机械系统(MEMS，Micro-Electro-Mechanical System)加速度计主要有三种结构方案：三明治摆式加速度计、梳齿电容式加速度计和扭摆式加速度计。梳齿电容式加速度计以其灵敏度高、稳定性好、温度系数低等特点，成为当下研制最多、应用最广的MEMS器件之一；梳齿电容式加速度计的检测原理为：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。

目前国内主要采用体硅MEMS加工技术，湿法SOG(玻璃上硅)、干法SOG、正面体硅与体硅SOI(绝缘体上硅)等几种体硅MEMS工艺，进行多种MEMS芯片的加工。在加工梳齿电容式加速度计时，由于不同材料间的热膨胀系数不同，在外部环境温度变化下，不同材料将产生热应力，从而导致加速度计结构发生形变；具体地，梳齿电容式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电极锚点结构与衬底相连，由于电极锚点是加速度计结构同衬底的唯一连接，所以外界热应力会从电极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。如不同电极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电极锚点布局减小环境温度变化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

本发明的目的是提供一种梳齿电容式加速度计，以解决上述现有技术存在的问题，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。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种梳齿电容式加速度计，包括衬底和加速度计结构，所述加速度计结构设置于所述衬底上；所述加速度计结构包括固支框架、敏感质量块框架和非可动电极组件，所述非可动电极组件通过电极锚点固定于所述衬底上，所述敏感质量块框架上设置有可动电极组件，所述可动电极组件与所述非可动电极组件一一对应，且相对应的所述可动电极组件与所述非可动电极组件构成梳齿电容结构；所述固支框架通过固支框架锚点固定于所述衬底上，且所述固支框架通过弹性结构与所述敏感质量块框架连接，所述弹性结构使所述敏感质量块框架能够沿敏感轴方向移动。

优选的，所述固支框架锚点位于所述加速度计结构的中心位置。

优选的，所述固支框架锚点有且仅设置有一个。

优选的，所述固支框架为十字型框架，所述十字型框架包括相互垂直的纵向框架和横向框架，所述横向框架的中心线与X轴共线，所述纵向框架的中心线与Y轴共线，所述纵向框架的两端关于所述X轴对称，所述横向框架的两端关于所述Y轴对称，所述固支框架锚点的中心位于所述X轴与所述Y轴的交点；其中，所述X轴与所述敏感轴平行。

优选的，所述横向框架的两端均设置有连接部，所述连接部通过所述弹性结构与所述敏感质量块框架连接，所述纵向框架的两端通过所述弹性结构与所述敏感质量块框架连接。

优选的，所述弹性结构为单自由度弹性梁。

优选的，所述敏感质量块框架靠近所述连接部的外侧边的一侧设置有布有防吸合凸点；所述外侧边位于所述连接部远离所述纵向框架的一侧，且该外侧边与X轴垂直，并与所述敏感质量块框架上布有所述防吸合凸点的一侧平行。

优选的，所述非可动电极组件设置有四个，包括第一非可动电极组件、第二非可动电极组件、第三非可动电极组件和第四非可动电极组件，所述第一非可动电极组件和所述第二非可动电极组件关于所述Y轴对称，所述第一非可动电极组件和所述第三非可动电极组件关于所述X轴对称，所述第二非可动电极组件和所述第四非可动电极组件关于所述X轴对称。

优选的，所述电极锚点靠近所述Y轴设置。

优选的，所述电极锚点以及所述固支框架锚点均为长方形锚点，且所述长方形锚点的长边与所述敏感轴垂直。

本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：

本实施例中，加速度计结构包括固支框架，固支框架通过固支框架锚点固定于衬底上，且固支框架通过弹性结构与敏感质量块框架连接，弹性结构使敏感质量块框架能够沿敏感轴方向移动，形成类似于可以自由伸缩的悬臂梁结构；当环境温度变化时，与分散布置锚点的结构相比，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。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中梳齿电容式加速度计的结构示意图；

图2为本发明实施例中单自由度弹性梁的结构示意图；

图3为本发明实施例中防吸合凸点的结构示意图；

其中，1为衬底，2为固支框架，3为敏感质量块框架，4为固支框架锚点，5为单自由度弹性梁，6为单自由度弹性梁，7为非可动电极，8为非可动电极，9为非可动电极，10为非可动电极，11为非可动电极，12为非可动电极，13为非可动电极，14为非可动电极，15为电极锚点，16为电极锚点，17为电极锚点，18为电极锚点，19为电极锚点，20为电极锚点，21为电极锚点，22为电极锚点，23为可动电极，24为防吸合凸点，25为防吸合凸点，26为防吸合凸点，27为防吸合凸点，28为可动电极，29为可动电极，30为可动电极，31为可动电极，32为可动电极，33为可动电极，34为可动电极。

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做出创造性劳动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。

本发明的目的是提供一种梳齿电容式加速度计，以解决上述现有技术存在的问题，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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1-图3所示，本实施例提供一种梳齿电容式加速度计，包括衬底1和加速度计结构，加速度计结构设置于衬底1上；加速度计结构包括固支框架2、敏感质量块框架3和非可动电极组件，非可动电极组件通过电极锚点固定于衬底1上，敏感质量块框架3上设置有可动电极组件，可动电极组件与非可动电极组件一一对应，且相对应的可动电极组件与非可动电极组件构成梳齿电容结构，其中，非可动电极组件上设置有多个非可动梳齿电极，多个非可动梳齿电极之间留有间隙，形成梳齿结构，可动电极组件对应包括多个可动梳齿电极，多个可动梳齿电极插入非可动梳齿电极之间的间隙内，形成变间隙型梳齿电容结构，或者，也可以根据工作需要选择变面积型梳齿电容结构；固支框架2通过固支框架锚点4固定于衬底1上，且固支框架2通过弹性结构与敏感质量块框架3连接，固支框架锚点4即为敏感质量块框架3的锚点，弹性结构使敏感质量块框架3能够沿敏感轴方向移动。

在本实施例中，通过上述梳齿电容结构组成检测电极单元，可以根据工作需要设置一组或多组检测电极单元。

本实施例中固支框架2通过固支框架锚点4固定于衬底1上，且固支框架2通过弹性结构与敏感质量块框架3连接，弹性结构使敏感质量块框架3能够沿敏感轴方向移动，形成类似于可以自由伸缩的悬臂梁结构；当环境温度变化时，与分散布置锚点的结构相比，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。

在本实施例中，固支框架锚点4位于加速度计结构的中心位置，可以减小环境温度变化产生的热应力及由热应力导致的加速度计性能漂移；具体地，固支框架锚点4位于加速度计结构的中心位置，将减小敏感质量块框架3的锚点到结构中心线的距离，零位温漂会随着敏感质量块框架3的锚点到结构中心线的距离减小而线性减小，因此将敏感质量块框架3的锚点安放于比较接近结构中心线的区域，零位温漂就可以大幅减小。在本实施例中，固支框架锚点4采用单锚点，即固支框架锚点4有且仅设置有一个。

在本实施例中，固支框架2为十字型框架，主要包括相互垂直的纵向框架和横向框架，横向框架的中心线与X轴共线，纵向框架的中心线与Y轴共线，纵向框架的两端关于X轴对称，横向框架的两端关于Y轴对称，固支框架锚点4的中心位于X轴与Y轴的交点；其中，X轴与敏感轴平行，敏感轴与可动电极组件的运动方向平行。

在本实施例中，横向框架的两端均设置有连接部，连接部通过弹性结构与敏感质量块框架3连接，纵向框架的两端也通过弹性结构与敏感质量块框架3连接；其中，连接部与横向框架垂直，且在横向框架的端部两侧均设置有连接部，且两侧的连接部对称设置。

在本实施例中，弹性结构为单自由度弹性梁，单自由度弹性梁优选为折叠型弹性梁结构，如图2所示。

在本实施例中，如图3所示，敏感质量块框架3靠近连接部的外侧边的一侧设置有布有防吸合凸点；该外侧边位于连接部远离纵向框架的一侧，且该外侧边与X轴垂直，并与敏感质量块框架3上布有防吸合凸点的一侧平行；本实施例中设置防吸合凸点，能够防止敏感质量块框架3受到较大冲击后，其上的可动梳齿电极与非可动梳齿电极吸合。

在本实施例中，非可动电极组件设置有四个，包括第一非可动电极组件、第二非可动电极组件、第三非可动电极组件和第四非可动电极组件，第一非可动电极组件和第二非可动电极组件关于Y轴对称，第一非可动电极组件和第三非可动电极组件关于X轴对称，第二非可动电极组件和第四非可动电极组件关于X轴对称。进一步地，可动电极组件对应设置有四个，包括第一可动电极组件、第二可动电极组件、第三可动电极组件和第四可动电极组件。

本实施例中采用上述轴对称结构，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。

在本实施例中，如图1所示，第一非可动电极组件包括非可动电极7和非可动电极8，非可动电极7通过电极锚点15固定，非可动电极8通过电极锚点16固定，非可动电极7和非可动电极8上均设置有多个非可动梳齿电极；而第一可动电极组件包括分别与非可动电极7以及非可动电极8相对应的可动电极23和可动电极29，可动电极23和可动电极29均包括多个可动梳齿电极。第二非可动电极组件包括非可动电极11和非可动电极12，非可动电极11通过电极锚点19固定，非可动电极12通过电极锚点20固定；而第二可动电极组件包括分别与非可动电极11以及非可动电极12相对应的可动电极28和可动电极30。第三非可动电极组件包括非可动电极9和非可动电极10，非可动电极9通过电极锚点17固定，非可动电极10通过电极锚点18固定；而第三可动电极组件包括分别与非可动电极9以及非可动电极10相对应的可动电极31和可动电极33。第四非可动电极组件包括非可动电极13和非可动电极14，非可动电极13通过电极锚点21固定，非可动电极14通过电极锚点22固定；而第四可动电极组件包括分别与非可动电极13以及非可动电极14相对应的可动电极32和可动电极34。

在本实施例中，电极锚点15和电极锚点19、电极锚点16和电极锚点20、电极锚点17和电极锚点21、电极锚点18和电极锚点22之间均关于Y轴对称，且上述电极锚点均靠近Y轴设置，最大限度地与固支框架锚点4处于同一条线上；当环境温度变化时，与其他锚点布局结构相比，可以有效降低因加速度计结构受到温度的影响而导致的涨缩效应对检测电极单元间隙变化的影响，从而保证加速度计在环境温度变化时性能稳定。

在本实施例中，电极锚点以及固支框架锚点4均为长方形锚点，且长方形锚点的长边与敏感轴垂直，有利于降低因材料不同、热膨胀系数不同而引起的热变形对运动方向的影响；当环境温度变化时，与其他锚点结构相比，可以有效降低加速度计结构内部的热应力对敏感结构方向的影响，从而保证加速度计在环境温度变化时性能稳定。

本实施例梳齿电容式加速度计在使用时，当敏感轴方向(X轴方向)有加速度输入时，敏感质量块框架3产生X方向的位移，导致检测电极单元的电容发生相应的变化；其中，第一可动电极组件和第一非可动电极组件之间与第三可动电极组件和第三非可动电极组件之间的电容变化趋势一致，构成第一检测电极单元组；第二可动电极组件和第二非可动电极组件之间与第四可动电极组件和第四非可动电极组件之间的电容变化趋势一致，构成第二检测电极单元组；第一检测电极单元组与第二检测电极单元组的电容变化大小相同，符号相反，即当第一检测电极单元组电容增加时，第二检测电极单元组电容减小，且减小量与增加量相同；反之亦然。利用适当的处理电路对第一检测电极单元组和第二检测电极单元组做差分检测处理，即可获得输入加速度信息。

本实施例梳齿电容式加速度计可以广泛应用于各种领域中物体运动线加速度的检测中。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种梳齿电容式加速度计，其特征在于：包括衬底和加速度计结构，所述加速度计结构设置于所述衬底上；所述加速度计结构包括固支框架、敏感质量块框架和非可动电极组件，所述非可动电极组件通过电极锚点固定于所述衬底上，所述敏感质量块框架上设置有可动电极组件，所述可动电极组件与所述非可动电极组件一一对应，且相对应的所述可动电极组件与所述非可动电极组件构成梳齿电容结构；所述固支框架通过固支框架锚点固定于所述衬底上，且所述固支框架通过弹性结构与所述敏感质量块框架连接，所述弹性结构使所述敏感质量块框架能够沿敏感轴方向移动。

2.根据权利要求1所述的梳齿电容式加速度计，其特征在于：所述固支框架锚点位于所述加速度计结构的中心位置。

3.根据权利要求2所述的梳齿电容式加速度计，其特征在于：所述固支框架锚点有且仅设置有一个。

4.根据权利要求2所述的梳齿电容式加速度计，其特征在于：所述固支框架为十字型框架，所述十字型框架包括相互垂直的纵向框架和横向框架，所述横向框架的中心线与X轴共线，所述纵向框架的中心线与Y轴共线，所述纵向框架的两端关于所述X轴对称，所述横向框架的两端关于所述Y轴对称，所述固支框架锚点的中心位于所述X轴与所述Y轴的交点；其中，所述X轴与所述敏感轴平行。

5.根据权利要求4所述的梳齿电容式加速度计，其特征在于：所述横向框架的两端均设置有连接部，所述连接部通过所述弹性结构与所述敏感质量块框架连接，所述纵向框架的两端通过所述弹性结构与所述敏感质量块框架连接。

6.根据权利要求5所述的梳齿电容式加速度计，其特征在于：所述弹性结构为单自由度弹性梁。

7.根据权利要求5所述的梳齿电容式加速度计，其特征在于：所述敏感质量块框架靠近所述连接部的外侧边的一侧设置有布有防吸合凸点；所述外侧边位于所述连接部远离所述纵向框架的一侧，且该外侧边与X轴垂直，并与所述敏感质量块框架上布有所述防吸合凸点的一侧平行。

8.根据权利要求4所述的梳齿电容式加速度计，其特征在于：所述非可动电极组件设置有四个，包括第一非可动电极组件、第二非可动电极组件、第三非可动电极组件和第四非可动电极组件，所述第一非可动电极组件和所述第二非可动电极组件关于所述Y轴对称，所述第一非可动电极组件和所述第三非可动电极组件关于所述X轴对称，所述第二非可动电极组件和所述第四非可动电极组件关于所述X轴对称。

9.根据权利要求8所述的梳齿电容式加速度计，其特征在于：所述电极锚点靠近所述Y轴设置。

10.根据权利要求1所述的梳齿电容式加速度计，其特征在于：所述电极锚点以及所述固支框架锚点均为长方形锚点，且所述长方形锚点的长边与所述敏感轴垂直。

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