CN204302309U - 一种双轴电容式微机械加速度计 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种双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、溅射在玻璃基座上的金电极层；结构层包括一个关于中心自对称的质量块、质量块外框、用于支撑质量块的四个支撑梁、四个差分检测电容单元，每个差分检测电容单元包括至少一个差分检测电容对，差分检测电容对包括一个可动电容极板和两个固定检测电容极板，金电极层包括第一至第十二电极。通过加速度改变质量块的可动电容极板与对应固定检测电容极板的间距，从而改变差分检测电容单元的电容大小，接口电路通过测量检测电容来换算出加速度。本实用新型加速度计能敏感质量块面内相互垂直的两个方向的加速度，对称结构共模抑制比大，减小了输出信号的零点偏移。

Description

一种双轴电容式微机械加速度计

技术领域

本实用新型涉及微机械电子系统技术领域，特别是一种双轴电容式微机械加速度计。

背景技术

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。

双轴电容式微机械加速度计是通过某一个轴或另外一个轴方向的加速度作用在质量单元上，引起质量单元上的支撑梁运动，支撑梁带动质量单元上的可动电容极板沿加速度作用的方向运动，当可动电容极板与固定的电容极板间的距离发生变化时，意味着对应的电容发生变化，电容变化的大小与相关方向的加速度大小有关。双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两个轴方向加速度的。现有的测量双轴方向的加速度一般通过两个单轴电容式加速度计垂直配置在一起版图上，版图相对比较大，单位硅片上制造的加速度计数量上；也有一个质量块来完成两个轴向加速度的测量，但配置的两个轴向支撑梁使得交叉方向测量的加速度耦合误差大，同时支撑梁的刚度大，灵敏度小。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种双轴电容式微机械加速度计，本实用新型可增大微机械加速度计的灵敏度且能减小输出信号的零点偏移。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本实用新型提出的一种双轴电容式微机械加速度计，一种双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、溅射在玻璃基座上的金电极层；所述结构层包括一个关于中心自对称的质量块、质量块外框、用于支撑质量块的四个支撑梁、四个差分检测电容单元，差分检测电容单元包括至少一个差分检测电容对，差分检测电容对包括一个可动电容极板和两个固定检测电容极板，所述金电极层包括第一至第十二电极；其中，

质量块设置在质量块外框内，四个支撑梁的一端分别关于质量块的中心对称连接在质量块的四周，四个支撑梁的另一端分别与质量块外框连接，质量块外框四周各设置一个差分检测电容单元，四个差分检测电容单元关于质量块外框的中心对称，可动电容极板设置在质量块外框的四周，可动电容极板嵌在两个固定检测电容极板中间，第一至第八电极分别为固定检测电容极板提供电气连接，第九至第十二电极为质量块提供电气连接。

作为本实用新型所述的一种双轴电容式微机械加速度计进一步优化的方案，所述支撑梁为扁平的回型梁。

作为本实用新型所述的一种双轴电容式微机械加速度计进一步优化的方案，所述质量块为正方形质量块。

作为本实用新型所述的一种双轴电容式微机械加速度计进一步优化的方案，所述质量块外框为正方形。

作为本实用新型所述的一种双轴电容式微机械加速度计进一步优化的方案，所述结构层的材料为掺杂浓硼的晶体硅。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

（1）改变质量块外框可动电容极板与固定电容极板的间距来改变检测电容大小，检测电容配置成差分形式，通过差分形式能增大微机械加速度计的灵敏度；

（2）结构层完全对称，2个轴对应的质量块外框和差分检测电容单元全相同，结构共模抑制比大，能减小输出信号的零点偏移；

（3）结构支撑梁采用扁平的回型梁，敏感加速度方向刚度小，耦合方向刚度大，加速度变化带来的输出电容信号交叉耦合小；

（4）电极布局隔离距离大，输出信号交叉耦合小：每组固定检测电容极板之间均有接地电极，同时布置的距离较远，能够减小信号的交叉耦合。

附图说明

图1是本实用新型的双轴电容式微机械加速度计剖面图。

图2是本实用新型双轴电容式微机械加速度计整体图。

图3是本实用新型的双轴电容式微机械加速度计的结构层。

图4是本实用新型涉及的双轴电容式微机械加速度计的支撑梁K1图。

图5是双轴电容式微机械加速度计电极布局及连接示意图。

图6是本实用新型涉及的双轴电容式微机械加速度计的第二差分检测电容单元示意图。

图中标号解释为：

1为结构层，2为锚点区，3为金电极层，4为玻璃基座；

B111、B112、B113分别为第一差分检测电容单元中的第一至第三固定检测电容极板，B121、B122、B123分别为第一差分检测电容单元中的第四至第六固定检测电容极板；B211、B212、B213为第二差分检测电容单元中的第七至第九固定检测电容极板，B221、B222、B223为第二差分检测电容单元中的第十至第十二固定检测电容极板；B311、B312、B313为第三差分检测电容单元中的第十三至第十五固定检测电容极板，B321、B322、B323为第三差分检测电容单元中的十六至第十八固定检测电容极板；B411、B412、B413为第四差分检测电容单元中的第十九至第二十一固定检测电容极板，B421、B422、B423为第四差分检测电容单元中的第二十二至第二十四固定检测电容极板；M0为质量块外框，M1为质量块，K1、K2、K3、K4为第一至第四支撑梁，K11、K12、K13、K14、K15、K16为结构层中第一支撑梁K1包含的第一至第六连接梁；C11为第一电极，C12为第二电极，C21为第三电极，C22为第四电极，C31为第五电极，C32为第六电极，C41第七电极， C42为第八电极，D1、D2、D3、D4依次为第九至第十二电极。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示是本实用新型的双轴电容式微机械加速度计剖面图，包括结构层1、金电极层3、基座4，其中结构层1的材料为掺杂浓硼的晶体硅，基座4的材料为专门键合的玻璃材料。掺杂的晶体硅材料通过体硅深刻蚀成设计的结构，金电极层3构图通过溅射形成。为了使活动结构具有可动空间，结构层两面刻蚀，与电极层有一定的空间，结构层结构与基座通过阳极键合结合在一起，结构层和金电极层高度根据设计和工艺能力来确定。

图2至图6中的结构层中虚线表示不可动且键合在基座上的部件，实线为悬空部件，金电极层所有电极以虚线表示。图2是本实用新型双轴电容式微机械加速度计整体图，一种双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、溅射在玻璃基座上的金电极层；所述结构层包括一个关于中心自对称的质量块M1、质量块外框M0、用于支撑质量块的四个支撑梁K1、K2、K3、K4、四个差分检测电容单元，差分检测电容单元包括至少一个差分检测电容对，差分检测电容对包括一个可动电容极板和两个固定检测电容极板，所述金电极层包括第一至第十二电极；其中，

质量块设置在质量块外框内，四个支撑梁的一端分别关于质量块M1的中心对称连接在质量块M1的四周，四个支撑梁K1、K2、K3、K4的另一端分别与质量块外框M0连接，质量块外框M0四周各设置一个差分检测电容单元，四个差分检测电容单元关于质量块外框的中心对称，可动电容极板设置在质量块外框的四周，可动电容极板嵌在两个固定检测电容极板中间，第一至第八电极分别为固定检测电容极板提供电气连接，第九至第十二电极为质量块提供电气连接。四个支撑梁在质量块的支撑下悬空，在四个支撑梁的支撑下，质量块外框悬空可上下左右移动。

所述四个支撑梁均为扁平的回型梁，所述质量块为正方形质量块，所述质量块外框为正方形，所述结构层的材料为掺杂浓硼的晶体硅。

4个支撑梁分别正对质量块外框的四边布置，每个支撑梁均包括连接直梁和扁平的回型梁。质量块外框四周均匀分布有可动电容极板，每对固定检测电容极板与其交叠的可动电容极板形成差分检测电容单元。四个差分检测电容单元，任意三个差分检测电容单元相当于另一个单元按照顺时针方向或者逆时针方向分别旋转九十度、一百八十度、二百七十度得到。

差分检测电容单元包括：附着在质量块外框上的一系列可动电容极板，两个系列的固定检测电容极板。质量块外框上的一系列可动电容极板嵌在两个系列的固定检测电容极板中间，构成差分检测电容单元。所述四组差分检测电容单元关于质量块外框中心对称。

金电极层包括12个电极，其中8个电极分别给4组固定检测电容极板提供电气连接，每组固定检测电容极板配置成差分形式，需要2个电极。其余4个电极均是给支撑梁支撑的质量块提供电气连接。

在质量外框M0内镂空四个对称区域，嵌入四个扁平的回型弹簧以增大受力时电容改变的幅度。

结构层包括1个关于中心自对称的外框质量块M0，支撑质量块M0的4个支撑梁：第一至第四支撑梁K1、K2、K3、K4，4对固定检测电容极板。金电极层包括12个电极C11、C12、C21、C22、C31、C32、C41、C42、D1、D2、D3、D4，其中第一至第八电极C11、C12、C21、C22、C31、C32、C41、C42分别给4个差分检测电容单元提供电气连接，每个单元配置成差分形式，需要2个电极。第九至第十二电极D1、D2、D3、D4均是给支撑梁支撑的质量块提供电气连接。

如图3所示是本实用新型的双轴电容式微机械加速度计的结构层，正方形的外框架M0内部镂空，中心保留一个小正方形质量块M1，小正方形质量块M1四边均匀分布镂空区域。正方形质量块M0和M1的边长可以根据设计需要调整，镂空区域大小影响质量块外框M0的质量。

B111、B112、B113分别为第一差分检测电容单元中的第一至第三固定检测电容极板，B121、B122、B123分别为第一差分检测电容单元中的第四至第六固定检测电容极板；B211、B212、B213为第二差分检测电容单元中的第七至第九固定检测电容极板，B221、B222、B223为第二差分检测电容单元中的第十至第十二固定检测电容极板；B311、B312、B313为第三差分检测电容单元中的第十三至第十五固定检测电容极板，B321、B322、B323为第三差分检测电容单元中的第十六至第十八固定检测电容极板；B411、B412、B413为第四差分检测电容单元中的第十九至第二十一固定检测电容极板，B421、B422、B423为第四差分检测电容单元中的第二十二至第二十四固定检测电容极板。

在正方形质量块M1四周镂空区放置4个支撑梁K1、K2、K3、K4，4个支撑梁的一端分别连接质量块M1，4个支撑梁的另一端均分别连接正方形质量块镂空后的质量块外框M0。4个支撑梁K1、K2、K3、K4在中心质量块M1的支撑下悬空；在4个支撑梁的支撑K1、K2、K3、K4下，镂空后的质量块外框M0悬空可上下左右移动。4个镂空区域关于质量块M1的中心左右上下对称，4个支撑梁依次放置在4个镂空区域内，4个支撑梁K1、K2、K3、K4关于小正方形质量块M1的中心左右上下对称。

支撑梁K1、K2、K3、K4几何结构完全相同，以第一支撑梁K1为例，如图4所示是本实用新型涉及的双轴电容式微机械加速度计的支撑梁K1图，第一支撑梁K1由多段连接梁组成，包括第一至第六连接梁K11、K12、K13、 K14、K15、K16，所有连接梁的宽度均相同，宽度可以根据灵敏度设计需要调整。K11、K13、K14、K16为水平方向连接梁，K12、K15为垂直方向连接梁。连接梁K13、K14长度相同，连接梁K12、K15长度相同，连接梁K13和K14均比连接梁K12、K15短。连接梁K11一端与质量块外框M0左边镂空区域的左侧中间位置连接，另一端连接梁K12，K12、K13、 K14、K15、K16依次相连，K12、K13、 K14、K15组成扁平的回型，连接梁K16另一端与小长方形质量块M1左边的中间位置连接。

如图5所示是双轴电容式微机械加速度计电极布局及连接示意图，第一电极C11将第一至第三固定检测电容极板B111、B112、B113连接在一起，第二电极C12将第四至第六固定检测电容极板B121、B122、B123连接在一起；第三电极C21将第七至第九固定检测电容极板B211、B212、B213连接在一起，第四电极C22将第十至第十二固定检测电容极板B221、B222、B223连接在一起；第五电极C31将第十三至第十五固定检测电容极板B311、B312、B313连接在一起，第六电极C32将第十六至第十八固定检测电容极板B321、B322、B323连接在一起；第七电极C41将第十九至第二十一固定检测电容极板B411、B412、B413连接在一起，第八电极C42将第二十二至第二十四固定检测电容极板B421、B422、B423连接在一起。第九至第十二电极D1、D2、D3、D4几何尺寸相同，均为长方形，依次分布在质量块外框M0对角线在电极层的投影上，这4个电极彼此相连，连接点位于小长方形质量块的锚点区，4个电极均是给支撑梁支撑的质量块提供电气连接。

以第二差分检测电容单元为例，在加速度为0的初始平衡状态，质量块外框M0正上方的垂直极板分别位于第七至第九固定检测电容极板B211、B212、B213和第十至第十二固定检测电容极板B221、B222、B223中间位置。当存在水平方向的加速度不为0时，质量块外框M0在惯性力作用下左右移动，移动距离大小于加速度大小有关，也与第一支撑梁K1和第三支撑梁K3的刚度大小有关。质量块外框M0正上方的垂直极板与第七至第九固定检测电容极板B211、B212、B213和第十至第十二固定检测电容极板B221、B222、B223间距将一个增大，另一个减小。如图6所示是本实用新型涉及的双轴电容式微机械加速度计的第二差分检测电容单元示意图。第三电极C21为一差分检测电极，第四电极C22为另一差分检测电极，第十电极D2为中间屏蔽电极，第三电极C21与第十电极D2之间形成一个电容，第四电极C22与第十电极D2之间也形成一个电容，两个电容差值将比加速度引起一个电容的差值大。为了进一步增加灵敏度，第四差分检测电容单元设计成和第二差分检测电容单元一致，将第三电极C21和第七电极C41相连，第四电极C22和第八电极C42相连，检测电容将增大一倍，提高了传感器的灵敏度。

为了减小交叉轴向的耦合误差，支撑梁均设计成扁平的回型，敏感方向的刚度小，耦合方向刚度大，敏感方向的加速度引起的交叉方向位移非常小，耦合电容也很小。

以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能为此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型保护范围之内。

Claims (5)

1.一种双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、溅射在玻璃基座上的金电极层；其特征在于，所述结构层包括一个关于中心自对称的质量块、质量块外框、用于支撑质量块的四个支撑梁、四个差分检测电容单元，差分检测电容单元包括至少一个差分检测电容对，差分检测电容对包括一个可动电容极板和两个固定检测电容极板，所述金电极层包括第一至第十二电极；其中，

质量块设置在质量块外框内，四个支撑梁的一端分别关于质量块的中心对称连接在质量块的四周，四个支撑梁的另一端分别与质量块外框连接，质量块外框四周各设置一个差分检测电容单元，四个差分检测电容单元关于质量块外框的中心对称，可动电容极板设置在质量块外框的四周，可动电容极板嵌在两个固定检测电容极板中间，第一至第八电极分别为固定检测电容极板提供电气连接，第九至第十二电极为质量块提供电气连接。

2.根据权利要1所述的一种双轴电容式微机械加速度计，其特征在于，所述支撑梁为扁平的回型梁。

3.根据权利要1所述的一种双轴电容式微机械加速度计，其特征在于，所述质量块为正方形质量块。

4.根据权利要1所述的一种双轴电容式微机械加速度计，其特征在于，所述质量块外框为正方形。

5.根据权利要1所述的一种双轴电容式微机械加速度计，其特征在于，所述结构层的材料为掺杂浓硼的晶体硅。