CN1844935A - 一种电容式微机械加速度计 - Google Patents

Abstract

电容式微机械加速度计包括基片、质量块、弹性支撑、驱动电极、检测电极、齿枢和止挡。结构为轴对称图形，质量块处于结构的四周，呈“回”字型。质量块中间含有两部分：一部分是弹性支撑，由两组折叠梁构成；另一部分是驱动电极和检测电极，以梳齿偏置结构构成差动电容。本发明能够在元件有限体积下实现较大的质量块，使加速度高效转化为惯性力，设计的弹性支撑结构和梳齿偏置式的静电驱动、电容检测提高了加速度计的灵敏度、分辨率，易于实现高精度的测量。

Description

一种电容式微机械加速度计

技术领域

本发明涉及一种电容式微机械加速度计，属于微机电系统(MEMS)中的微机械传感器领域，它作为微惯性器件广泛应用于汽车电子、航空航天、武器装备等领域。

背景技术

MEMS正处于发展时期，它的技术和市场都尚未成熟，但其孕育的广阔发展前景、巨大的社会、经济效益是世人共知的，微机械加速度计是其中最成功的代表之一。微机械加速度计的研究始于20世纪70年代初，并在80年代形成产品，市场上最具有代表性的是美国AD公司ADXL系列微机械加速度计。

微机械加速度计发展很快，有压阻式、电容式、压电式、力平衡式、热对流式、谐振式和隧道电流式等多种形式。与诸多形式相比，电容式微机械加速度计灵敏度高、温度漂移小、稳定性好、抗过载能力强、便于自检、易于实现低成本的高精度测量。电容式微机械加速度计在国外发展较为成熟，并成功产业化，在国内还处于实验室样机阶段，距产业化还有一定的距离。目前常见的电容式微机械加速度计的结构如图2所示，它由基片10’、质量块3’、弹性支撑(折叠梁2’、7’)、驱动电极、检测电极、齿枢6’及止挡1’、9’组成，质量块3’处于结构中间，折叠梁2’、7’对称分布在质量块3’的上、下两边，齿枢6’、驱动电极、检测电极对称分布于质量块3’的左右两侧。折叠梁7’的一端通过锚点8’与基片连接，另一端与与质量块3’固连，折叠梁2’与折叠梁7’同理。在该结构中质量块相对偏小，加速度转化为惯性力的效率低。当有垂直方向的加速度输入时，质量块3’产生的垂直方向的惯性力使弹性支撑2’、7’发生变形，质量块3’发生位移，电容的活动极板5’与质量块3’固连，随质量块3’一起发生位移，使电容活动极板5’与固定极板4’之间的间距发生变化，通过测量电容量的变化推知被测加速度的大小。现有的电容式微机械加速度计均为中、低精度的产品，灵敏度、分辨率还不能达到惯性级的要求，严重地制约其应用范围，只是较多地应用在精度要求不高的商用领域，提高加速度计性能就是要实现高灵敏度、低噪声、低漂移和大的动态范围。加速度计性能主要受加工工艺、信号检测电路、结构等因素的影响，本发明提出一种新颖结构形式的电容式微机械加速度计，其易于实现高精度的加速度测量。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种高灵敏度的电容式微机械加速度计，以解决现有微机械加速度计灵敏度、分辨率不够高的问题。

本发明的技术方案：一种高灵敏度的电容式微机械加速度计，其特点在于：包括基片、质量块、弹性支撑、驱动电极、检测电极、齿枢，整个结构为轴对称图形；质量块处于结构的四周，呈“回”字型；质量块内部是弹性支撑和驱动电极、检测电极；弹性支撑由上下对称的两个折叠梁构成，每个折叠梁的一端通过锚点与基片连接，另一端与质量块固连；驱动电极和检测电极以梳齿偏置结构构成差动电容，实现静电驱动和电容检测。

此外，在质量块外围轴对称布置有两个止挡，可有效地实现过载保护，防止在较强的冲击下弹性支撑结构断裂。

本发明与现有技术相比的优点在于：常见的电容式微机械加速度计的结构形式如图2所示，质量块3’处于结构中间，质量块3’的四周是弹性支撑2’、7’、驱动电极、检测电极和止挡1’、9’。常见结构中的质量块相对偏小，加速度转化为惯性力的效率低。本发明的电容式微机械加速度计的结构形式如图1所示，质量块10位于结构的四周，呈“回”字型，并可以向外扩展，能够在加速度计有限体积内实现较大的质量块，提高了加速度转换为惯性力的效率。梳齿偏置式的静电驱动、电容检测结构可实现较高的驱动强度和检测灵敏度，且具有很好的工艺性。

附图说明

图1是本发明的电容式微机械加速度计平面结构示意图；

图2是常规的电容式微机械加速度计平面结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括基片11、质量块10、弹性支撑(折叠梁3、7)、驱动电极、检测电极、齿枢6，齿枢6、折叠梁3、7上的锚点2、8通过键合和基片连接，整个结构为轴对称图形，质量块10处于结构的四周，呈“回”字型。质量块10中间含有两部分：一部分是弹性支撑，用来悬挂质量块10，由两组折叠梁3、7组成，折叠梁7的一端通过锚点8与基片连接，另一端与质量块10固连，折叠梁3与折叠梁7同理；另一部分是驱动电极和检测电极，以梳齿偏置结构形成差动电容，电容的活动极板4与质量块10连接，电容的固定极板5与齿枢6连接。驱动电极、检测电极和基片11由引线和电极连接。在质量块的外围对称布置有两个止挡1、9，可以实现过载保护，防止在较强的冲击下弹性支撑结构断裂。

本发明工作原理：通过敏感质量块将加速度转化为惯性力，惯性力使敏感质量块发生位移，电容的活动极板与质量块固连，活动极板的位移使电容极板间距发生变化，通过测量电容量推算出被测加速度。同时，为了减少加速度计的非线性、提高测试精度，采用静电力反馈构成力平衡式闭环系统，使质量块工作在0位平衡位置。当有垂直方向加速度计输入时，质量块10产生的惯性力使弹性支撑3、7发生变形，质量块10发生垂直方向位移，电容的活动极板4与质量块10固连，随质量块10一起发生垂直方向位移，使电容活动极板4和固定极板5之间的间距发生变化，通过测量电容的变化推知被测加速度。被测信息反馈为驱动电极极板上的电压，控制作用在电容活动极板4上的静电力，使静电力和惯性力相平衡，于是质量块10就工作在0位移平衡位置。

综上所述，本发明提出了一种新颖结构形式的电容式微机械加速度计，它可实现比常规电容式微机械加速度计高的灵敏度和分辨率，提升了微机械加速度计的性能，开拓了这类加速度计在高精度领域的应用。

Claims (2)

1、一种电容式微机械加速度计，其特征在于：包括基片、质量块、弹性支撑、驱动电极、检测电极和齿枢，整个结构为轴对称图形，质量块处于结构的四周，呈“回”字型；质量块中间是弹性支撑、齿枢、驱动电极、检测电极，弹性支撑由上下对称的两个折叠梁构成，每个折叠梁的一端通过锚点与基片连接，另一端与质量块固连；驱动电极和检测电极以梳齿偏置结构构成差动电容，电容的活动极板与质量块连接，电容的固定极板与齿枢连接。

2、根据权利要求1所述的电容式微机械加速度计，其特征在于：在所述质量块的外围轴对称有两个止挡。

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