CN201569671U - 一种折叠梁式双向微惯性传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种折叠梁式双向微惯性传感器。现有的传感器分辨率较低。本实用新型的硅质量块四个角上设置有四根蛇形折叠硅支撑梁，硅质量块通过蛇形折叠硅支撑梁和锚点架设在玻璃衬底上。硅质量块上对称设置有八个用于X方向敏感检测的栅形槽和八个用于Y方向敏感检测的栅形槽。玻璃衬底上设置有八个X方向检测模块和八个Y方向检测模块。用于X方向敏感检测的栅形槽与X方向检测模块位置对应，构成八组X方向检测差分检测电容；用于Y方向敏感检测的栅形槽与Y方向检测模块位置对应，构成八组Y方向检测差分检测电容。本实用新型中的蛇形折叠硅支撑梁具有残余应力较小、结构简单等优点。本实用新型分辨率和灵敏度高，制作工艺简单。
Description
技术领域
本实用新型属于微电子机械技术领域，特别涉及一种超高分辨率的结构完全对称的双向微惯性传感器。
背景技术
电容式微惯性传感器是目前发展十分迅速、应用十分广泛的一种微电子机械器件，相对于压阻、压电、热对流等检测方式的微惯性传感器，电容式微惯性传感器具有温度系数小、灵敏度高、稳定性好、易于实现闭环检测等优点，是目前研发和市场应用的热点。双向微惯性传感器是一种重要的微惯性器件，目前市场上的双向微惯性传感器的分辨率一般较低，只能用于较为低端的应用场合如汽车工业中的安全气囊、车辆稳定系统、数码产品的重力感应等方面，无法满足高精度应用场合的要求。
微惯性传感器的支撑梁对器件性能具有重要影响，决定了传感器的动态特性、灵敏度和量程，对于双向的微惯性传感器，支撑梁的结构和特性还决定了器件的交叉耦合性能。
电容式微机械传感器的机械噪声和检测电路噪声决定了传感器分辨率。增大等效电容可以提高传感器的分辨率，而电容值的增加可以通过增加电容极板面积、减小电容电极间距的方法完成；还可以通过增大测试信号电压的方法降低传感器的电路噪声，对于梳齿结构的超高精度微惯性传感器，增大测试信号电压可能会导致吸合效应，引起器件失效；传感器的机械噪声的降低可以通过改进传感器结构，降低传感器的气体阻尼来完成，滑膜阻尼状态下的微惯性器件具有更小的气体阻尼，适合高精度微惯性传感器的设计。
发明内容
本实用新型的目的就是针对现有技术的不足，提供一种高分辨率的结构完全对称的双向微惯性传感器。
本实用新型包括正方形的硅质量块、锚点、蛇形折叠硅支撑梁、玻璃衬底、铝电极、阻尼梳齿。
硅质量块四个角上分别设置有四根蛇形折叠硅支撑梁，四根蛇形折叠硅支撑梁分别与四个锚点固定连接，硅质量块通过四根蛇形折叠硅支撑梁和四个锚点架设在玻璃衬底上；
硅质量块上设置有八个用于X方向敏感检测的栅形槽和八个用于Y方向敏感检测的栅形槽；八个用于X方向敏感检测的栅形槽中的四个分别设置在硅质量块的四个角的位置，另四个设置在硅质量块的中心位置；八个用于Y方向敏感检测的栅形槽分别设置在硅质量块的四个边的位置；
玻璃衬底上设置有十六个检测模块，分别为通过铝线连接的八个X方向检测模块和通过铝线连接的八个Y方向检测模块，所述的检测模块为玻璃衬底上的栅形铝电极；
硅质量块上的八个用于X方向敏感检测的栅形槽分别与玻璃衬底上设置的八个X方向检测模块位置对应，构成八组X方向检测差分检测电容；硅质量块上的八个用于Y方向敏感检测的栅形槽分别与玻璃衬底上设置的八个Y方向检测模块位置对应，构成八组Y方向检测差分检测电容；
硅质量块上的用于X方向敏感检测的栅形槽和用于Y方向敏感检测的栅形槽在X和Y方向上完全对称；
所述的阻尼梳齿分布在硅质量块的边框四周，X方向的各个阻尼梳齿间通过铝连接线连接，Y方向的各个阻尼梳齿间通过铝连接线连接。根据精度的不同调整梳齿的个数和梳齿间的间距。
当在质量块敏感方向上加载加速度信号时，硅质量块上的栅形槽和玻璃衬底间的电容因叠加面积变化而变化，而通过检测电容变化来检测所加载的加速度的大小。该传感器检测电容极板间的阻尼特性表现为滑膜阻尼，从而减小了机械噪声；由于敏感方向在XY平面，而测试信号电压产生的非线性静电力在Z方向，从而可以通过增大测试电压来提高传感器的灵敏度，而不会降低传感器的线性度。另外，通过改变支撑梁的尺寸还可以改变传感器的量程和响应特性。
本实用新型中的蛇形折叠硅支撑梁具有残余应力较小、结构和制作简单、占用面积小等优点，而且支撑梁的弹性系数和本身的厚度无关，便于设计不同厚度的微惯性器件。本实用新型结构新颖，分辨率和灵敏度高，制作工艺简单，有利于降低成本和提高成品率，是一种可以实际应用的双向微惯性传感器。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图；
图2为图1中质量块的结构示意图；
图3为图1中玻璃衬底上检测模块示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步说明。
一种双向微惯性传感器的结构如图1、2和3所示，图中1为质量块的外部连接锚点，2为蛇形折叠硅支撑梁，3为固定阻尼梳齿，8为可动阻尼梳齿，4、7、10、13为X方向差分检测电容的外部连接铝电极焊点，5、6、11、12为Y方向差分检测电容的外部连接铝电极焊点，9为Y方向敏感的栅形槽，14、16为铝连接线，15为X方向敏感的栅形槽，17为硅质量块，18为硅铝连接点，19为Y方向敏感的铝电极，20为X方向敏感的铝电极。
该双向微惯性传感器主要包括正方形的硅质量块17、锚点1、蛇形折叠硅支撑梁2、玻璃衬底、X、Y方向铝电极19、20，固定阻尼梳齿3，可动阻尼梳齿8，X方向差分检测电容的外部连接铝电极焊点4、7、10、13，Y方向差分检测电容的外部连接铝电极焊点5、6、11、12，Y方向敏感的栅形槽9，铝连接线14、16，X方向敏感的栅形槽15，硅铝连接点18，Y方向敏感的铝电极19，X方向敏感的铝电极20。
硅质量块17四个角上分别设置有四根蛇形折叠硅支撑梁2，四根蛇形折叠硅支撑梁2分别与四个锚点1固定连接，硅质量块通过四根蛇形折叠硅支撑梁2和四个锚点1架设在玻璃衬底上。
硅质量块17上设置有八个用于X方向敏感检测的栅形槽15和八个用于Y方向敏感检测的栅形槽9；八个用于X方向敏感检测的栅形槽15中的四个分别设置在硅质量块的四个角的位置，另四个设置在硅质量块17的中心位置；八个用于Y方向敏感检测的栅形槽9分别设置在硅质量块的四个边的位置。
玻璃衬底上设置有十六个检测模块，分别为通过铝线连接的八个X方向检测模块20和通过铝线连接的八个Y方向检测模块19，所述的检测模块为玻璃衬底上的栅形铝电极。
硅质量块上的八个用于X方向敏感检测的栅形槽分别15与玻璃衬底上设置的八个X方向检测模块20位置对应，构成八组X方向检测差分检测电容；硅质量块上的八个用于Y方向敏感检测的栅形槽9分别与玻璃衬底上设置的八个Y方向检测模块19位置对应，构成八组Y方向检测差分检测电容。
硅质量块上的用于X方向敏感检测的栅形槽和用于Y方向敏感检测的栅形槽在X和Y方向上完全对称。
八个阻尼梳齿分布在硅质量块边框的四周，每个阻尼梳齿由固定在玻璃衬底上的固定阻尼梳齿3和制作在质量块上的可动阻尼梳齿8组合而成，X和Y方向的阻尼梳齿间分别通过铝连接线连接，并通过硅铝连接点18和锚点1实现欧姆连接，可以通过调整阻尼梳齿的个数和梳齿间的间距，制作出具有不同动态特性的传感器。
当在质量块敏感方向上加载加速度信号时，硅质量块上栅形条和衬底间的电容因叠加面积变化而变化，而通过检测电容变化来检测所加载的加速度的大小。检测电容极板间的阻尼特性表现为滑膜阻尼，从而减小了机械噪声。由于敏感方向在XY平面，而测试信号电压产生的非线性静电力在Z方向，从而可以通过增大测试电压来提高传感器的灵敏度，而不会降低传感器的线性度。另外，通过改变支撑梁的尺寸还可以改变传感器的量程和响应特性。
Claims (1)
1.一种折叠梁式双向微惯性传感器，包括正方形的硅质量块、锚点、蛇形折叠硅支撑梁、玻璃衬底、铝电极、阻尼梳齿，其特征在于：
硅质量块四个角上分别设置有四根蛇形折叠硅支撑梁，四根蛇形折叠硅支撑梁分别与四个锚点固定连接，硅质量块通过四根蛇形折叠硅支撑梁和四个锚点架设在玻璃衬底上；
硅质量块上设置有八个用于X方向敏感检测的栅形槽和八个用于Y方向敏感检测的栅形槽；八个用于X方向敏感检测的栅形槽中的四个分别设置在硅质量块的四个角的位置，另四个设置在硅质量块的中心位置；八个用于Y方向敏感检测的栅形槽分别设置在硅质量块的四个边的位置；
玻璃衬底上设置有十六个检测模块，分别为通过铝线连接的八个X方向检测模块和通过铝线连接的八个Y方向检测模块，所述的检测模块为玻璃衬底上的栅形铝电极；
硅质量块上的八个用于X方向敏感检测的栅形槽分别与玻璃衬底上设置的八个X方向检测模块位置对应，构成八组X方向检测差分检测电容；硅质量块上的八个用于Y方向敏感检测的栅形槽分别与玻璃衬底上设置的八个Y方向检测模块位置对应，构成八组Y方向检测差分检测电容；
硅质量块上的用于X方向敏感检测的栅形槽和用于Y方向敏感检测的栅形槽在X和Y方向上完全对称；
所述的阻尼梳齿分布在硅质量块的边框四周，X方向的各个阻尼梳齿间通过铝连接线连接，Y方向的各个阻尼梳齿间通过铝连接线连接。
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| CN2009202955098U CN201569671U (zh) | 2009-12-29 | 2009-12-29 | 一种折叠梁式双向微惯性传感器 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104101735A (zh) * | 2014-07-14 | 2014-10-15 | 杭州电子科技大学 | 基于边缘效应的带自我标定的电容式微惯性传感器 |
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2009
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| CN104101735A (zh) * | 2014-07-14 | 2014-10-15 | 杭州电子科技大学 | 基于边缘效应的带自我标定的电容式微惯性传感器 |
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