CN1332205C - 单质量平板三轴微机械加速度计 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单质量平板三轴微机械加速度计，质量平板由四组内梁和四组外梁支撑于基底上，质量平板向四个方向伸出的四组梳齿，分别与固定在基底上的四个电极的梳齿交叉构成了四对梳齿电容器——电容器C40a、电容器C40b、电容器C42a和电容器C42b，电容器C42a和电容器C42b等效为沿X方向的电容器Cx，电容器C40a和电容器C40b等效为沿Y方向的电容器Cy，其特征在于：还包括位于质量平板下面的一个下极板，质量平板与下极板构成平行板电容器Cz，电容器Cz与电容器Cx、电容器Cy一起构成三轴加速度计。质量平板的四组梳齿与固定在基底上的四对梳齿以及下极板，通过微细加工在一个芯片上。优点是一个质量平板同时敏感X、Y、Z三个方向线加速度，体积小，重量轻。

Description

单质量平板三轴微机械加速度计
技术领域
本发明提出一种单质量平板三轴微机械加速度计，属于微惯性器件技术领域。
背景技术
参照图5。土耳其中东技术大学的Said Emre Alper在Transducer 2001会议上提出了一种对称式的结构用于测量绕Z轴方向，即垂直于质量平板的方向输入的角速度。该结构中，惯性质量平板由四组内梁和四组外梁支撑。质量平板四周伸出四组梳齿，分别与周围四个固定电极上伸出的梳齿交叉构成了四对梳齿电容器。其工作原理为：质量平板受静电力的作用在XY平面内，即质量平板所在平面，沿X方向做简谐振动。此时若绕垂直于质量平板的Z方向有一角速度输入，则由于科氏效应，质量平板将在垂直于XZ平面的Y方向有一个运动，从而改变了质量平板与相应固定电极之间所形成的梳齿电容的大小。该电容变化包含了输入的角速度信息，通过对其进行检测和解调即可求得绕Z轴输入的角速度。
该结构的提出是用来测量绕Z轴的角速度的。但在该结构中，质量平板与相应的固定电极所构成的四对梳齿电容器对质量平板在X、Y方向上的运动敏感，其结构可以作为同时敏感X、Y两个方向线加速度的双轴加速度计。但该结构不能够敏感Z方向的线加速度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单质量平板三轴微机械加速度计，通过在其质量平板下方增加一个电极板来敏感Z方向的线加速度，同时敏感X、Y、Z三个方向线加速度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种单质量平板三轴微机械加速度计，质量平板由四组内梁和四组外梁支撑于基底上，质量平板向四个方向伸出的四组梳齿，分别与固定在基底上的四个电极上伸出的梳齿交叉构成了四对梳齿电容器——电容器C40a、电容器C40b、电容器C42a和电容器C42b，电容器C42a和电容器C42b等效为沿X方向的电容器Cx，电容器C40a和电容器C40b等效为沿Y方向的电容器Cy，其特征在于：还包括位于质量平板下面的一个下极板，质量平板与下极板构成平行板电容器Cz，电容器Cz与电容器Cx、电容器Cy一起构成三轴加速度计。
所述的质量平板向四个方向伸出的四组梳齿与固定在基底上的四对梳齿以及下极板，通过微细加工在一个芯片上。
本发明的有益效果是，可以通过一个质量平板同时敏感X、Y、Z三个方向线加速度，而单质量平板的三轴加速度计通过微细加工技术在一个芯片上就可以实现三轴的加速度计，各轴之间的对准通过结构设计来保证，避免了装配问题，而且可以减小体积和重量，可以缩小芯片的面积。
附图说明
图1是本发明的结构示意俯视图
图2是图1的A-A’剖视图
图3是单质量平板在XY平面内的等效电学模型
图4是单质量平板的等效电学模型
图5是Said的Z轴陀螺结构示意图，是现有技术图
图中：18.基底，40a.固定电极I，40b.固定电极II，42a.固定电极III，42b.固定电极IV，41a.梳齿电极I，41b.梳齿电极II，41c.梳齿电极III，41d.梳齿电极IV，44.y方向外梁I，45.x方向外梁I，46.x方向外梁II，47.y方向外梁II，48.y方向外梁III，49.x方向外梁III，50.x方向外梁IV，51.y方向外梁IV，52.x方向内梁I，53.y方向内梁I，54.y方向内梁II，55.x方向内梁II，56.x方向内梁III，57.y方向内梁III，58.y方向内梁IV，59.x方向内梁IV，60.质量平板，61.下极板。
具体实施方式
参照图1～4。本发明采用对称式结构，质量平板60通过由y方向外梁I44，x方向外梁I45，x方向外梁II46，y方向外梁II47，48.y方向外梁III，49.x方向外梁III，50.x方向外梁IV，51.y方向外梁IV，52.x方向内梁I，y方向内梁I53，y方向内梁II54，x方向内梁II55，x方向内梁III56，y方向内梁III57，y方向内梁IV58，x方向内梁IV59所组成的支撑梁悬置固连到基底18上。质量平板60的四周分别伸出四组梳齿：梳齿电极I41a，梳齿电极II41b，梳齿电极III41c，梳齿电极IV41d，分别与固定电极I42a，固定电极II40a，固定电极III42b，固定电极IV40b上伸出的梳齿交叉构成了如图3所示的四对梳齿电容器C40a，C40b，C42a，C42b。同时质量平板60与下极板61构成如图4所示的一个平行板电容器Cz。
当质量平板60受到X方向的惯性力作用时，y方向外梁I44、y方向外梁II47、y方向外梁III48、y方向外梁IV51和y方向内梁I53、y方向内梁II54、y方向内梁III57、y方向内梁IV58在XY平面内发生弯曲。而x方向外梁I45，x方向外梁II46，x方向外梁III49和x方向外梁IV50对于梳齿电容器C40a，C40b在X方向的改变是受压杆，刚度很大，从而限制了梳齿电容器C40a，C40b在X方向的改变。同时因为质量平板60并未受到Y方向的分力。所以梳齿电容器C40a，C40b在Y方向也没有位移。而y方向外梁I44、y方向外梁II47、y方向外梁III48、y方向外梁IV51对于梳齿电容器C42a，C42b在Y方向上的改变是压杆，刚度很大。从而仅有梳齿电容器C42a，C42b在X方向有位移。通过敏感梳齿电容器C42a，C42b在X方向上的变化即可求得X方向的加速度分量。
同理，当质量平板60受到Y方向的惯性力时，x方向外梁I45，x方向外梁II46，x方向外梁III49和x方向外梁IV50，以及四根内梁x方向内梁I52、x方向内梁II55、x方向内梁III56、x方向内梁IV59在XY平面内发生弯曲。而y方向外梁I44、y方向外梁II47、y方向外梁III48、y方向外梁IV51限制了梳齿电容器C42a，C42b在Y方向的位移。x方向外梁I45，x方向外梁II46，x方向外梁III49和x方向外梁IV50限制了梳齿电容器C40a，C40b在X方向的位移，从而使得仅有梳齿电容器C40a，C40b在Y方向上有变化。通过敏感该变化即可得到Y方向的加速度分量。
当质量平板60受到Z方向的惯性力时，所有的外梁和内梁在垂直于XY平面的方向弯曲。并且内梁和外梁由于受压限制了质量平板在平面方向的自由度。从而仅有梳齿电容器Cz在Z方向上发生改变。通过敏感该电容的变化，即可求得Z方向的加速度分量。

Claims (2)

1、一种单质量平板三轴微机械加速度计，质量平板由四组内梁和四组外梁支撑于基底上，质量平板向四个方向伸出的四组梳齿，分别与固定在基底上的四个电极上伸出的梳齿交叉构成了四对梳齿电容器——电容器C40a、电容器C40b、电容器C42a和电容器C42b，电容器C42a和电容器C42b等效为沿X方向的电容器Cx，电容器C40a和电容器C40b等效为沿Y方向的电容器Cy，其特征在于：还包括位于质量平板下面的一个下极板，质量平板与下极板构成平行板电容器Cz，电容器Cz与电容器Cx、电容器Cy一起构成三轴加速度计。
2、根据权利要求1所述的单质量块三轴微机械加速度计，其特征在于：所述的质量平板向四个方向伸出的四组梳齿与固定在基底上的四对梳齿以及下极板，通过微细加工在一个芯片上。
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