CN201589787U - 一种电容式双向微惯性传感器 - Google Patents

一种电容式双向微惯性传感器 Download PDF

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董林玺
颜海霞
李永杰
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Abstract

本实用新型涉及一种电容式双向微惯性传感器。现有的传感器成本较高。本实用新型的硅质量块四个边上设置有四根U形硅支撑梁，硅质量块通过四根U形硅支撑梁和锚点架设在玻璃衬底上。硅质量块上交错设置有两个用于X方向敏感检测的栅形槽和两个用于Y方向敏感检测的栅形槽。玻璃衬底上设置有两个X方向检测模块和两个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，构成两组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，构成两组Y方向检测差分检测电容。本实用新型制作工艺简单、分辨率和灵敏度高，并且成本较低。

Description

一种电容式双向微惯性传感器
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电容式双向微惯性传感器。
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，主要应用于汽车安全气囊、车辆稳定系统、数码产品的重力感应、游戏手柄的动作感应等方面。相对于其他检测方式的微惯性传感器，如压阻、压电、热对流等，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。目前市场上超高分辨率的微惯性传感器一般只能进行单方向检测，而且这些器件一般采用真空封装的形式，对封装技术的要求较高，提高了制作成本，同时由于真空封装存在漏气的问题，会影响器件的工作寿命。
电容式微惯性传感器的外围电路一般比较复杂，而外围电路噪声对传感器的整体噪声具有重要的影响。为了得到较高的测量灵敏度和减小外围电路的复杂性，除采用增加电极面积和减小电极之间的间距来获得较高的等效电容的方法外，还可以通过增大测试信号电压的方法以减小电子噪声。而对于梳齿状的电容式传感器，测试信号电压增大产生的非线性静电力对传感器的线性度、量程等的影响变的很明显，从而影响了器件的性能。而双向(X-Y)敏感的惯性传感器有的采用两个单向器件惯性组合的方法，这种的方法组合时候容易产生误差；有些传感器在设计时利用硅晶体的特性，加工倾斜面的支撑梁，从而达到双向敏感的目的，但是这种方式空气压膜阻尼噪声大，测试信号电压容易产生非线性。
发明内容
本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提供一种超高分辨率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、U形硅支撑梁、玻璃衬底、铝电极、阻尼梳齿。
硅质量块四个边上分别设置有四根U形硅支撑梁，四根U形硅支撑梁分别与四个锚点固定连接，硅质量块通过四根连接梁和四根U形硅支撑梁及四个锚点架设在玻璃衬底上。
硅质量块上设置有两个用于X方向敏感检测的栅形槽和两个用于Y方向敏感检测的栅形槽；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成田字形交错排列。
玻璃衬底上设置有四个检测模块，分别为通过铝线连接的两个X方向检测模块和通过铝线连接的两个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。
硅质量块上的两个用于X方向敏感检测的栅形槽分别与玻璃衬底上设置的两个X方向检测模块位置对应，构成两组X方向检测差分检测电容；硅质量块上的两个用于Y方向敏感检测的栅形槽分别与玻璃衬底上设置的两个Y方向检测模块位置对应，构成两组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。
本实用新型通过合理设计，使传感器在X和Y方向上具有相同的硅栅数目和总硅栅面积，来实现了X、Y方向上性能的对称。检测电容极板间的阻尼特性表现为滑膜阻尼，在常压下具有较小的气体阻尼，从而减小了布朗噪声；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。
本实用新型涉及的双向微惯性传感器结构新颖，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。
一种电容式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U形硅支撑梁，3为连接梁，4为X方向敏感的栅形槽，5为Y方向敏感的栅形槽，6为可动阻尼梳齿，7为固定阻尼梳齿，8为铝连接线，9为质量块，10、11为X方向敏感的栅形铝电极的引起焊点，12、13为Y方向敏感的栅形铝电极的引起焊点，14为质量块的引出焊点，15为X方向敏感的栅形铝电极，16为Y方向敏感的栅形铝电极。
该双向微惯性传感器主要包括正方形的硅质量块9、锚点1、U形硅支撑梁2、连接梁3、玻璃衬底、X、Y方向铝电极4、5，固定阻尼梳齿7，可动阻尼梳齿6，X方向差分检测电容的外部连接铝电极焊点10、11，Y方向差分检测电容的外部连接铝电极焊点12、13，质量块的引出焊点14，Y方向敏感的栅形槽5，铝连接线8，X方向敏感的栅形槽4，Y方向敏感的铝电极16，X方向敏感的铝电极15。
硅质量块9四个边上分别设置有四根U形硅支撑梁2，四根U形硅支撑梁分别与四个锚点1固定连接，硅质量块通过四根连接梁3和四根U形硅支撑梁及四个锚点架设在玻璃衬底上。
硅质量块上设置有两个用于X方向敏感检测的栅形槽4和两个用于Y方向敏感检测的栅形槽5；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成田字形交错排列。
玻璃衬底上设置有四个栅形铝电极，分别为通过铝线连接的两个X方向栅形铝电极15和通过铝线连接的两个Y方向栅形铝电极块16。
硅质量块上的两个用于X方向敏感检测的栅形槽分别与玻璃衬底上设置的两个X方向检测模块位置对应，构成两组X方向检测差分检测电容；硅质量块上的两个用于Y方向敏感检测的栅形槽分别与玻璃衬底上设置的两个Y方向检测模块位置对应，构成两组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。
所述的可动阻尼梳齿6和固定阻尼梳齿7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8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。
本实用新型通过合理设计，使传感器在X和Y方向上具有相同的硅栅数目和总硅栅面积，来实现了X、Y方向上性能的对称。检测电容极板间的阻尼特性表现为滑膜阻尼，在常压下具有较小的气体阻尼，从而减小了布朗噪声；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)

1.一种电容式双向微惯性传感器，包括正方形的硅质量块、锚点、U形硅支撑梁、玻璃衬底、铝电极、阻尼梳齿，其特征在于：
硅质量块四个边上分别设置有四根U形硅支撑梁，四根U形硅支撑梁分别与四个锚点固定连接，硅质量块通过四根连接梁和四根U形硅支撑梁及四个锚点架设在玻璃衬底上；
硅质量块上设置有两个用于X方向敏感检测的栅形槽和两个用于Y方向敏感检测的栅形槽；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成田字形交错排列；
玻璃衬底上设置有四个检测模块，分别为通过铝线连接的两个X方向检测模块和通过铝线连接的两个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；
硅质量块上的两个用于X方向敏感检测的栅形槽分别与玻璃衬底上设置的两个X方向检测模块位置对应，构成两组X方向检测差分检测电容；硅质量块上的两个用于Y方向敏感检测的栅形槽分别与玻璃衬底上设置的两个Y方向检测模块位置对应，构成两组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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* Cited by examiner, † Cited by third party
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
TWI500934B (zh) * 2013-09-11 2015-09-21 Pixart Imaging Inc 具有對稱差分電容的微機電元件

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