CN203825034U - 一种z轴电容式微机械加速度计 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种Z轴电容式微机械加速度计，包括玻璃基座、键合在玻璃基座上的结构层以及设置于玻璃基座上的金电极层，所述结构层包括由一个质量块、附着在所述质量块上的梳齿、设置于所述质量块上且用于支撑质量块悬空的折叠梁、与所述折叠梁相连的锚点区、一端通过键合固定在玻璃基座上的固定检测梳齿，其中当加速度计受到Z轴方向的加速度时，所述质量块、梳齿及折叠梁形成可动结构，且所述固定检测梳齿和可动结构中梳齿形成检测电容。所述梳齿、折叠梁、锚点区、固定检测梳齿均为四组且分别布置于质量块四周。本加速度计具有灵敏度高、结构对称性好，能大大减小后续接口电路对微弱变化电容提取的困难。

Description

一种Z轴电容式微机械加速度计

技术领域

本发明涉及一种Z轴电容式微机械加速度计，属于微机械中传感器的技术领域。 

背景技术

近十年来，随着集成电路制备技术和微机械技术的发展，微型加速度计已经广泛应用于宇航、汽车工业等众多的科研及民用领域。微机械加速度计是微机电系统中最为成功的器件之一，在军事与民用领域有广泛的应用前景，孕育着巨大的社会效益和经济效益，提高性能指标是目前微机械加速度计领域的研究重点。 

Z轴电容式微机械加速度计是通过Z轴方向的加速度作用在质量块上，质量块带动支撑梁的活动，而质量块上的梳齿或平板也相应发生位置移动，当梳齿或平板与固定平板构成的电容对的间隔距离发生变化时，意味着对应的电容发生变化，电容变化的大小与Z轴方向的加速度大小有关。Z轴电容式微机械加速度计正是通过检测电容变化的大小来感测Z轴方向加速度的。 

Z轴电容式微机械加速度计一般有两种，一种是扭转式，质量块通过梁来支撑，当Z轴方向加速度变化时,支撑梁支撑的质量块左右两部分就会相对支撑梁对应的轴线发生扭转,一边质量块位置上升,一边质量块位置下降,对应的左右两边电容由于正对面积和间隔距离的变化而大小发生变化。北京大学的杨振川、刘雪松、郝一龙等介绍了一种梳齿电容式Z轴加速度计及其制备方法（CN 1605871A），包括玻璃基座、可动电极和固定电极、支撑梁和锚点，可动电极以支撑梁为轴，其两侧具有质量差，属于扭转式Z轴电容式微机械加速度计，但由于检测电容的变化只取决于支撑梁的扭转角度，在这种方式中，加速度计的灵敏度解析计算比较复杂，非线性度也比较大。 

另一种是上下平动式，当Z轴方向加速度变化时，支撑梁支撑的质量块在Z轴方向上上下平行移动，固定的检测极板与质量块上的极板形成检测电容，这种方式的Z轴电容微机械加速度计灵敏度小，但非线性度也小，工艺制造容易。 

根据上述说明，现有的Z轴电容式微机械加速度计都存在不同的缺点，在当前的硅微机械制造工艺条件下，很难研制大灵敏度的Z轴电容式微机械加速度计。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提出了一种新型的Z轴电容式微机械加速度计结构和电极布局，通过一个质量块、附着在该质量块上的梳齿及折叠梁形成可动结构，固定检测梳齿和可动结构中梳齿形成检测电容，在Z轴存在加速度变化时, 质量块及质量块上附着的梳齿也会跟着产生位移,对应的检测电容就会发生变化，使得加速度计的灵敏度高。且本实用新型的质量块四周均布置有梳齿，检测电容由于加速度的变化量进一步增大，从而灵敏度得到提高，能大大减小后续接口电路对微弱变化电容提取的困难。 

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题： 

一种Z轴电容式微机械加速度计，包括玻璃基座、键合在玻璃基座上的结构层以及设置于玻璃基座上的金电极层，所述结构层包括一个质量块、附着在所述质量块上的梳齿、设置于所述质量块上且用于支撑质量块悬空的折叠梁、与所述折叠梁相连的锚点区、一端通过键合固定在玻璃基座上的固定检测梳齿，其中当加速度计受到Z轴方向的加速度时，所述质量块、梳齿及折叠梁形成可动结构，且所述固定检测梳齿和可动结构中梳齿形成检测电容。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述梳齿、折叠梁、锚点区、固定检测梳齿均为四组且分别布置于质量块四周。 

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述梳齿、折叠梁、锚点区、固定检测梳齿均关于质量块对称设置。 

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述折叠梁采用蟹形折叠梁。 

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述每个折叠梁由两个蟹形折叠梁对称设置构成。 

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述质量块上均匀布置用于减小质量块所受挤压阻尼的开孔。 

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述固定检测梳齿包括通过键合固定在玻璃基座上的固定杆、连接在固定杆一侧的连接梁以及附着在连接梁上的固定梳齿，其中所述固定梳齿与可动结构中的梳齿之间形成检测电容。 

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述金电极层包括用于连接固定检测梳齿提供电信号的第一电极和用于连接锚点区为可动结构提供电信号的第二电极。 

本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果： 

本实用新型Z轴电容式微机械加速度计，对现存Z轴电容式微机械加速度计中灵敏度小的不足，通过对加速度计结构和电极布局的改进，利用一个质量块、附着在该质量块上的梳齿及折叠梁形成可动结构，当加速度计在受到加速度时，质量块M受到惯性力的作用会发生Z轴方向的位移，位移大小取决于加速度大小和折叠梁组在垂直方向的刚度，质量块M上附着的梳齿也会相应的产生位移，固定检测梳齿和可动结构中梳齿形成的检测电容由于正对面积的变化而变化，电容变化的大小与加速度大小有关，使得加速度计的灵敏度高。且本实用新型的质量块四周均布置有梳齿，检测电容由于加速度的变化量进一步增大，从而灵敏度得到提高。对于附着的折叠梁、锚点区、固定检测梳齿均为四个时，通过分别布置于质量块四周，通过对应的结构形成多组检测电容对，能更进一步提高加速度计的灵敏度。并且利用结构层形成对称结构，结构对称性好，性能稳定，能够实现受力平衡。在折叠梁的选择上，选择了蟹形折叠梁，两个蟹形折叠梁成为一组折叠梁来支撑质量块，使得质量块在惯性力作用下能发生较大的位移，提高加速度计的灵敏度。同时，利用质量块上均匀布置的开孔来减小质量块M在加速度测试方向上受到的挤压阻尼。

综上，本实用新型针对现存Z轴电容式微机械加速度计中的不足，提出了一种新型的微加速度计，从检测电容的布局和支撑梁的结构选择上改进了加速度计。该加速度计具有以下优点：① 加速度计的灵敏度高；② 结构对称性好，制造工艺简单，易实现；③ 电极布局方便，交叉耦合小，电气连接电极灵活。因此，能大大减小后续接口电路对微弱变化电容提取的困难。 

附图说明

图1为本实用新型Z轴电容式微机械加速度计的剖面示意图。 

图2为本实用新型Z轴电容式微机械加速度计的结构层示意图。 

图3为本实用新型Z轴电容式微机械加速度计的结构层可动结构部分示意图。 

图4为本实用新型Z轴电容式微机械加速度计的结构层中折叠梁结构示意图。 

图5为本实用新型Z轴电容式微机械加速度计结构层中固定检测梳齿部分示意图。 

图6为本实用新型Z轴电容式微机械加速度计的电极层示意图。 

其中标号解释：1-玻璃基座，2-结构层，3-金电极层，M为质量块, K1、K2、K3、K4为折叠梁；K11、K12、K21、K22 、K31、K32 、K41、K42均为蟹形折叠梁，其中K111、K112分别为蟹形折叠梁K11的水平方向短梁和长梁，K113、K114分别为蟹形折叠梁K11的垂直方向短梁和长梁，而K121、K122分别为蟹形折叠梁K12的水平方向短梁和长梁，K123、K124分别为蟹形折叠梁K12的垂直方向短梁和长梁；A1、A2、A3、A4为锚点区；C1、C2、C3、C4为梳齿；E1、E2、E3、E4为固定检测梳齿，其中E11为固定检测梳齿E1的固定杆，E12为固定检测梳齿E1的连接梁，E13为固定检测梳齿E1的固定梳齿；S1、S2、S3、S4为第一电极，D1、D2、D3、D4为第二电极。 

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。 

     如图1所示，本实用新型设计了一种Z轴电容式微机械加速度计，加速度计由上、中、下三层组成，上层为单晶硅结构层，单晶硅的背面刻蚀为键合区；中间层为金电极层，布置信号引线；下层为玻璃基座，作为基座支撑结构层，金电极层通过微加工工艺布置在玻璃基座上。 

本实用新型的Z轴电容式微机械加速度计结构层如图2所示，结构层包括一个质量块M、附着在所述质量块上的梳齿、设置于所述质量块上且用于支撑质量块悬空的折叠梁、与所述折叠梁相连的锚点区、一端通过键合固定在玻璃基座上的固定检测梳齿, 其中当加速度计受到Z轴方向的加速度时，所述质量块、梳齿及折叠梁形成可动结构，且所述固定检测梳齿和可动结构中梳齿形成检测电容。而在本实施例中结构层由一个质量块M,支撑质量块M的四组尺寸相同的折叠梁K1、K2、K3、K4, 四个相同形状的锚点区A1、A2、A3、A4,附着在质量块上的四组梳齿C1、C2、C3、C4,四组固定检测梳齿E1、E2、E3、E4构成，但不限于本结构，并且结构层可以中心对称设置,通过对称设置实现受力平衡。 

对于本实用新型的Z轴电容式微机械加速度计结构层中可动结构，如图3所示，由一个质量块M，支撑质量块M的四组折叠梁K1、K2、K3、K4，及质量块M上附着的梳齿C1、C2、C3、C4构成。质量块M为正方形，边长可以根据加速度计的灵敏度等指标要求需要调整。为了减小质量块M在加速度测试方向上受到的挤压阻尼，在质量块M中心位置开了四边形的孔，孔的形状及个数可以根据微加工工艺能力及设计需求调整。质量块M的四个角均布置有一组折叠梁来支撑质量块M悬空，四组折叠梁K1、K2、K3、K4关于质量块M中心对称，可以采用相同的结构。其中折叠梁组K1采用工艺制造容易实现的单级蟹形折叠梁，也可以采用多个蟹形折叠梁配合形成。本实施例中折叠梁组K1结构如图4所示，包括蟹形折叠梁K11和K12，蟹形折叠梁K11和K12几何尺寸相同。其中蟹形折叠梁K11由水平方向短梁K111、水平方向长梁K112、垂直方向短梁K113、垂直方向长梁K114构成，水平方向短梁K111和水平方向长梁K112平行设置后，将垂直方向短梁K113的两端分别连接水平方向短梁K111和水平方向长梁K112的一端，垂直方向长梁K114一端连接水平方向短梁K111的另一端，垂直方向长梁K114的另外一端则与锚点区A1相连，蟹形折叠梁K11中的水平方向长梁K112的另一端与质量块M连接。蟹形折叠梁K11中各梁的宽度均一致，长度根据设计需要进行调整。蟹形折叠梁K12中，K121、K122分别也为蟹形折叠梁K12的水平方向短梁和长梁，K123、K124分别为蟹形折叠梁K12的垂直方向短梁和长梁，蟹形折叠梁K12与蟹形折叠梁K11结构相同，并且关于质量块M左上角与右下角的对角线对称布置，蟹形折叠梁K12也与锚点区A1相连。锚点区A1为六边形，关于自身左上角与右下角的对角线对称，可以根据工艺需要调整各边长度。折叠梁组K2与折叠梁组K1关于质量块M的中垂线左右对称布置，锚点区A2与锚点区A1也关于质量块M的中垂线左右对称布置。折叠梁组K4与折叠梁组K1关于质量块M的水平中心线上下对称布置，锚点区A4与锚点区A1也关于质量块M的水平中心线上下对称布置。折叠梁组K3与折叠梁组K4关于质量块M的中垂线左右对称布置，锚点区A3与锚点区A4也关于质量块M的中垂线左右对称布置。通过将四个锚点区，使得四个折叠梁K1、K2、K3、K4处于悬空状态，且质量块M在四个折叠梁支撑下也悬空。 

加速度计结构层中，质量块M在四个边上均附有梳齿，如图3所示，四组梳齿C1、C2、C3、C4尺寸和数量相同，关于质量块M中心对称设置。梳齿C1处在折叠梁组K1和K4之间，梳齿C2处在折叠梁组K1和K2之间，梳齿C3处在折叠梁组K2和K3之间，梳齿C4处在折叠梁组K3和K4之间。四组梳齿的几何尺寸及梳齿数量可以根据需要调整。 

结构层中的固定检测梳齿E1、E2、E3、E4为相同的结构，如图5所示，每个固定检测梳齿均包括通过键合固定在玻璃基座上的固定杆E11、连接在固定杆一侧的连接梁E12以及附着在连接梁上的固定梳齿E13，固定杆E11固定在玻璃基座后支撑连接梁E12及固定梳齿E13悬空。固定杆E11、连接梁E12、连接梁上的梳齿E13可以根据设计调整几何尺寸。固定检测梳齿E1和梳齿C1形成检测电容对，固定检测梳齿E2和梳齿C2形成检测电容对，固定检测梳齿E3和梳齿C3形成检测电容对、固定检测梳齿E4和梳齿C4形成检测电容对，多组检测电容对能提高加速度计的灵敏度。 

Z轴电容式微机械加速度计中金电极层需要通过金属引线与外部电路进行接口，如图6所示，金电极层上的金属电极有8个，分别是第一电极S1、S2、S3、S4和第二电极D1、D2、D3、D4 。第一电极S1通过阳极键合与固定检测梳齿E1中固定杆相连接，第一电极S2通过阳极键合与固定检测梳齿E2中固定杆相连接，第一电极S3通过阳极键合与固定检测梳齿E3中固定杆相连接，第一电极S4通过阳极键合与固定检测梳齿E4中固定杆相连接，第一电极S1、S2、S3、S4依次为固定检测梳齿E1、E2、E3、E4提供电信号的连接，第一电极S1、S2、S3、S4的形状可以根据需要调整。第二电极D1通过阳极键合与锚点区A1相连接，第二电极D2通过阳极键合与锚点区A2相连接，第二电极D3通过阳极键合与锚点区A3相连接，第二电极D4通过阳极键合与锚点区A4相连接。第二电极D1、D2、D3、D4均可为可动结构提供电信号的连接。第二电极D1、D2、D3、D4的形状可以根据需要调整。上述各电极之间间隔距离大，信号交叉耦合小。 

在使用中，本实用新型的Z轴电容式微机械加速度计在受到垂直纸面的加速度时，质量块M受到惯性力的作用会发生Z轴方向的位移，位移大小取决于加速度大小和折叠梁组在垂直方向的刚度，质量块M上附着的梳齿也会相应的产生位移，固定检测梳齿E1和梳齿C1形成的检测电容、固定检测梳齿E2和梳齿C2形成的检测电容、固定检测梳齿E3和梳齿C3形成的检测电容、固定检测梳齿E4和梳齿C4形成的检测电容就均会由于正对面积的变化而变化，电容变化的大小与加速度大小有关。在检测中，第一电极S1、S2、S3、S4接接口电路，第二电极D1、D2、D3、D4可加载直流电压源。 

因此，本实用新型的Z轴电容式微机械加速度计通过结构和电极布局，在Z轴存在加速度变化时,中心质量块会发生上下移动,对应的检测电容就会发生变化。且质量块四周均布置有梳齿，检测电容由于加速度的变化量进一步增大，从而灵敏度得到提高。并选择了蟹形折叠梁，两个蟹形折叠梁成为一组来支撑质量块，使得质量块在惯性力作用下能发生较大的位移，提高加速度计的灵敏度。从而，为研制高灵敏度的Z轴电容式微机械加速度计提供了一种可行设计方案，能大大减小后续接口电路对微弱变化电容提取的困难。 

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。 

Claims (8)

1.一种Z轴电容式微机械加速度计，包括玻璃基座、键合在玻璃基座上的结构层以及设置于玻璃基座上的金电极层，其特征在于：所述结构层包括一个质量块、附着在所述质量块上的梳齿、设置于所述质量块上且用于支撑质量块悬空的折叠梁、与所述折叠梁相连的锚点区、一端通过键合固定在玻璃基座上的固定检测梳齿，其中当加速度计受到Z轴方向的加速度时，所述质量块、梳齿及折叠梁形成可动结构，且所述固定检测梳齿和可动结构中梳齿形成检测电容。

2.根据权利要求1所述Z轴电容式微机械加速度计，其特征在于：所述梳齿、折叠梁、锚点区、固定检测梳齿均为四组且分别布置于质量块四周。

3.根据权利要求2所述Z轴电容式微机械加速度计，其特征在于：所述梳齿、折叠梁、锚点区、固定检测梳齿均关于质量块对称设置。

4.根据权利要求1或2或3所述Z轴电容式微机械加速度计，其特征在于：所述折叠梁采用蟹形折叠梁。

5.根据权利要求4所述Z轴电容式微机械加速度计，其特征在于：所述每个折叠梁由两个蟹形折叠梁对称设置构成。

6.根据权利要求5所述Z轴电容式微机械加速度计，其特征在于：所述质量块上均匀布置用于减小质量块所受挤压阻尼的开孔。

7.根据权利要求6所述Z轴电容式微机械加速度计，其特征在于：所述固定检测梳齿包括通过键合固定在玻璃基座上的固定杆、连接在固定杆一侧的连接梁以及附着在连接梁上的固定梳齿，其中所述固定梳齿与可动结构中的梳齿之间形成检测电容。

8.根据权利要求 7所述Z轴电容式微机械加速度计，其特征在于：所述金电极层包括用于连接固定检测梳齿提供电信号的第一电极和用于连接锚点区为可动结构提供电信号的第二电极。