CN204405696U - 惯性测量模块及三轴加速度计 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种惯性测量模块及三轴加速度计，包括通过弹性梁悬空支撑在基板上方的质量块；弹性梁包括位于两条用于连接质量块的第一弹性梁，以及与两条第一弹性梁十字交叉连接的用于连接基板的第二弹性梁，两条第一弹性梁沿着质量块X轴方向的中线对称分布，第二弹性梁偏离质量块Y轴方向的中线；质量块在Y轴、X轴方向上还设置有第一可动电极、第二可动电极；本实用新型的惯性测量模块，平面内的某一轴的运动不会受到结构偏心特性的影响，而且采用两条沿着质量块X轴方向中线对称的第一弹性梁连接质量块，可以确保质量块不会沿着第一弹性梁发生偏转，质量块与第一弹性梁之间只会发生线运动，从而提高了检测的精度；而且也不会加剧轴间的耦合。

Description

惯性测量模块及三轴加速度计

技术领域

本实用新型属于微机电(MEMS)领域，更准确地说，涉及一种微机电的惯性测量模块，本实用新型还涉及一种三轴加速度计。

背景技术

微机电加速度计是基于MEMS技术的惯性器件,用于测量物体运动的线运动加速度。它具有体积小、可靠性高、成本低廉、适合大批量生产等特点,因此具有广阔的市场前景,其应用领域包括消费电子、航空航天、汽车、医疗设备和武器等等。

目前三轴加速度计通常有两种实现方式，一种是拼凑的方法，将三个单轴结构或者一个双轴和一个单轴两个结构组合在一起实现三个轴向加速度的测量。第二种是采用单结构实现三轴加速度的测量。在单结构实现方案中一般通过偏心结构测量z轴加速度，在此种方案中除了z轴检测运动利用了结构的偏心特征，在平面内某一轴(如x轴或y轴)的检测运动也会受到结构偏心特征的影响，因而其运动实际为摆动而不是线运动，这种运动方式一方面会加剧轴间耦合，另一方面会减小电容变化量，从而大大降低了检测的精度。另外一个方面，在检测y轴加速度时，由于其结构的特点，也有可能使得其实际运动为摆动而不是线运动，进一步降低了检测的精度。

实用新型内容

本实用新型的一个目的是提供一种惯性测量模块的新技术方案。

根据本实用新型的第一方面，提供了一种惯性测量模块，包括：

基板，以及位于基板上作为下电极的第一极片，

悬空在基板上方的质量块；所述质量块上设有与第一极片组成Z轴检测电容的上电极；

用于连接基板和质量块的弹性梁，所述弹性梁包括位于X轴方向的两条第一弹性梁以及位于Y轴方向、并与两条第一弹性梁十字交叉连接的第二弹性梁，其中，第二弹性梁的两端连接在基板的锚点上，两条第一弹性梁的两端分别连接质量块；其中，所述两条第一弹性梁沿着质量块X轴方向的中线对称分布，所述第二弹性梁偏离质量块Y轴方向的中线；

所述质量块在Y轴、X轴方向上还分别设置有第一可动电极、第二可动电极；所述基板上设置有用于与第一可动电极、第二可动电极分别组成Y轴检测电容、X轴检测电容的第一固定电极、第二固定电极。

优选地，所述质量块设置有通孔，所述第一弹性梁连接在通孔两侧的侧壁上。

优选地，所述第一极片的数量有两个，对称分布在第二弹性梁的两侧。

优选地，所述第一可动电极和/或第二可动电极分别设置有两个，分别位于质量块相对的两侧。

优选地，第一可动电极与第一固定电极之间和/或第二可动电极与第二固定电极之间构成梳齿电容结构。

本实用新型的另一目的是提供一种三轴加速度计，包括两个结构对称的惯性测量模块；还包括将两个惯性测量模块中质量块的两侧分别连接起来的连接梁。

优选地，所述连接梁包括位于X轴方向上的横梁，还包括位于Y轴方向上、一端与横梁连接一端与质量块侧壁连接的纵梁；所述纵梁与第二弹性梁在一条直线上。

优选地，还设置有连接两条横梁的加强梁，其中，两个惯性测量模块中的第二弹性梁相对于加强梁对称分布。

优选地，所述加强梁设置有两个，两个加强梁平行设置，与横梁围成一矩形框。

优选地，还包括位于矩形框内的斜梁。

本实用新型的惯性测量模块，平面内的某一轴的运动不会受到结构偏心特性的影响。而且采用两条沿着质量块X轴方向中线对称的第一弹性梁连接质量块，无论质量块受到哪个方向的加速度，可以确保质量块不会沿着第一弹性梁发生偏转，质量块与第一弹性梁之间只会发生线运动，从而提高了检测的精度；而且也不会加剧轴间的耦合。

本实用新型的发明人发现，在现有技术中，当质量块受到某个轴方向的加速度时，质量块实际作出的是摆动动作，还不是预期的单独的线运动或单独的转动。因此，本实用新型所要实现的技术任务或者所要解决的技术问题是本领域技术人员从未想到的或者没有预期到的，故本实用新型是一种新的技术方案。

通过以下参照附图对本实用新型的示例性实施例的详细描述，本实用新型的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本实用新型的实施例，并且连同其说明一起用于解释本实用新型的原理。

图1是本实用新型惯性测量模块的结构示意图。

图2是图1中弹性梁的结构示意图。

图3是本实用新型三轴加速度计的结构示意图。

图4是图3中连接梁的结构示意图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本实用新型的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本实用新型的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

参考图1，本实用新型提供了一种三轴加速度计中的惯性测量模块，包括基板(视图未给出)，在该基板上可以布图惯性测量模块的电路等部件。该基板上设置有作为下电极的第一极片4(视图中以虚线表示)。

本实用新型的惯性测量模块还包括位于基板上方的质量块1，以及将该质量块1支撑在基板上方的支撑系统5。该支撑系统5可以为一弹性梁，质量块1通过该弹性梁悬空支撑在基板的上方。

弹性梁包括位于X轴方向的两条第一弹性梁12，以及位于Y轴方向第二弹性梁11，该两条第一弹性梁12和第二弹性梁11十字交叉固定在一起，也就是说，第二弹性梁11分别与两条平行布置的第一弹性梁12十字交叉固定在一起。优选的是，两条第一弹性梁12相对于第二弹性梁11的中心对称分布。

其中，第二弹性梁11的两端连接在基板的锚点6上，两条第一弹性梁12连接质量块1。通过第一弹性梁12、第二弹性梁11、锚点6将质量块1支撑在基板的上方，使得质量块1处于悬空的状态。在本实用新型一个具体的实施例中，所述质量块1上设置有通孔，所述第一弹性梁12的两端分别连接在通孔两侧的侧壁上。

在此需要提醒注意的时，本实用新型只是为了便于描述第一弹性梁12和第二弹性梁11之间的关系，将第一弹性梁12定为X轴方向，将第二弹性梁11定为Y轴方向，当然，也可以将第一弹性梁12定为Y轴方向，第二弹性梁11定为X轴方向，二者之间是相对的。

本实用新型的惯性测量模块，所述质量块1在Y轴、X轴方向上还分别设置有第一可动电极9、第二可动电极10；该两个可动电极固定在质量块1上，例如可以设置在质量块1的边缘，并可随着质量块的运动而同步运动。对应地，所述基板上设置用于与第一可动电极9、第二可动电极10分别组成Y轴检测电容、X轴检测电容的第一固定电极2、第二固定电极3。该两个固定电极固定安装在基板上，当两个可动电极随着质量块1发生运动时，改变固定电极与可动电极之间的面积或距离，从而改变相应电容的电容量，以实现该方向上加速度的测量。

其中，所述第一可动电极9设置有两个，分别位于质量块1相对的两侧。参考图1的视图方向，两个第一可动电极9分别设置在质量块1的上端和下端，对应地，基板上设置有与两个第一可动电极9配合的两个第一固定电极2，当有Y轴方向加速度时，质量块沿着Y轴方向运动，使得其中一个第一可动电极9与第一固定电极2之间的面积或距离变大，而另一个第一可动电极9与第一固定电极2之间的面积或距离变小，该两个Y轴检测电容构成了差分电容结构，提高了Y轴加速度检测的精度。

基于同样的道理，所述第二可动电极10也可设置有两个，分别位于质量块1在X轴方向上的两侧。参考图1的视图方向，两个第二可动电极10分别设置在质量块1的左端和右端，对应地，基板上设置有与两个第二可动电极10配合的两个第二固定电极3，当有X轴方向的加速度时，质量块1沿着X轴方向运动，使得其中一个第二可动电极10与第二固定电极3之间的面积或距离变大，而另一个第二可动电极10与第二固定电极3之间的面积或距离变小，该两个X轴检测电容构成了差分电容结构，提高了X轴加速度检测的精度。

第一可动电极9与第一固定电极2之间和/或第二可动电极10与第二固定电极3之间可以采用梳齿状的电容结构，梳齿电容的结构属于现有的技术，在此不再具体说明。

本实用新型的惯性测量模块，所述两条第一弹性梁12沿着质量块X轴方向的中线对称分布，所述第二弹性梁11偏离质量块Y轴方向的中线。当该惯性测量模块在受到Z轴方向的加速度时，由于第二弹性梁11的偏心设置，使得质量块1以第二弹性梁11为轴发生偏转运动。

具体地，以图1的视图方向为参考，两条第一弹性梁12相对于质量块X轴方向的中线对称分布，而第二弹性梁11偏离质量块Y轴方向的中线，也就是说，第二弹性梁11到质量块1左端的距离与其到质量块1右端的距离不等。例如，第二弹性梁11偏离至质量块Y轴方向中线的右方，当质量块1遇到Z轴方向的加速度时，由于质量块1与第二弹性梁11之间的偏心设置，使得质量块1可以相对于第二弹性梁11发生转动。

所述质量块1上还设有与第一极片4组成Z轴检测电容的上电极(视图未给出)，在本实用新型一个优选的实施例中，该质量块1本身就是Z轴检测电容的上电极，此时，质量块1、第一可动电极9、第二可动电极10可作为各自电容的接地极片使用。

第一极片4的数量可以设置两个，对称分布在第二弹性梁11的两侧。当Z轴方向有加速度时，质量块1相对于第二弹性梁11发生偏转，也就是说，质量块1绕着第二弹性梁11转动，从而改变质量块1与第一极片4之间的距离，实现Z轴检测电容的变化。质量块1与其中一个第一极片4之间的距离变大，与另一个第一极片4之间的距离变小，使得两个第一极片4与质量块之间可以构成差分电容结构，以提高Z轴加速度检测的精度。当Y轴方向有加速度时，质量块1通过第一弹性梁12的变形在Y轴方向发生位移，从而通过第一可动电极9与第一固定电极2来测量Y轴方向的加速度。当X轴方向有加速度时，质量块1通过第二弹性梁11的变形在X轴方向上发生位移，从而通过第二可动电极10与第二固定电极3来测量X轴方向的加速度。

本实用新型的惯性测量模块，平面内的某一轴(X轴、Y轴)的运动不会受到结构偏心特性的影响。而且采用两条沿着质量块X轴方向中线对称的第一弹性梁连接质量块，无论质量块受到哪个方向的加速度，可以确保其不会沿着第一弹性梁发生偏转，质量块与第一弹性梁之间只会发生线运动，从而提高了检测的精度；而且也不会加剧轴间的耦合。

本实用新型的惯性测量模块，可以组合在一起使用，构成三轴加速度计，例如可以通过连接梁将多个惯性测量模块中的质量块1连接起来。

参考图3，本实用新型公开的一种三轴加速度计，包括两个结构对称的惯性测量模块，并采用两个连接梁分别将两个惯性测量模块中质量块1的两侧连接起来；所述连接梁包括位于X轴方向上的横梁7，以及位于Y轴方向上、一端与横梁7连接一端与质量块1侧壁连接的纵梁8；所述纵梁8与第二弹性梁11共线，也就是说，纵梁8与第二弹性梁11在一条直线上，以降低纵梁8对质量块沿Z轴方向翻转的影响；更进一步地，所述纵梁8可以采用非刚性的材料制成。

参考图3的视图方向，位于上方的横梁7、纵梁8将两个质量块1的上端侧壁连接在一起；位于下方的横梁7、纵梁8将两个质量块1的下端侧壁连接在一起；在两条横梁7之间还设置有刚性的加强梁130，通过该加强梁130将两条横梁7连接在一起，加强梁130在两条横梁7上的位置，使得两个惯性测量模块中的第二弹性梁11相对于该加强梁130对称分布。

本实用新型的三轴加速度计，当受到Z轴方向的加速度时，由于质量块1与第二弹性梁11之间的偏心设置，使得质量块1相对于第二弹性梁11发生偏转，通过两个第一极片4进行检测。而当受到X轴方向的加速度时，由于横梁7、纵梁8、加强梁130以及两条第一弹性梁12的作用，使得质量块1只能在X轴方向上发生平移运动，从而提高了X轴方向检测的精度。当质量块收到Y轴方向的加速度时，由于第二弹性梁11相对于加强梁130对称分布，使得该Z轴结构的重心和几何重心重叠，而且采用两条第一弹性梁12连接质量块1，从而保证了质量块只会在Y轴方向上进行平移，而不会发生扭转的现象。

为了进一步提高连接梁的抗扭转能力，所述加强梁130设置有两个，两个加强梁130平行设置，与横梁7围成一矩形框。更进一步地，还包括位于矩形框内的两条斜梁131，两条斜梁131可以沿着矩形框的对角分布等，参考图4。

虽然已经通过例子对本实用新型的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本实用新型的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本实用新型的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本实用新型的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种惯性测量模块，其特征在于，包括：

基板，以及位于基板上作为下电极的第一极片(4)，

悬空在基板上方的质量块(1)；所述质量块(1)上设有与第一极片(4)组成Z轴检测电容的上电极；

用于连接基板和质量块(1)的弹性梁，所述弹性梁包括位于X轴方向的两条第一弹性梁(12)以及位于Y轴方向、并与两条第一弹性梁(12)十字交叉连接的第二弹性梁(11)，其中，第二弹性梁(11)的两端连接在基板的锚点(6)上，两条第一弹性梁(12)分别连接质量块(1)；其中，所述两条第一弹性梁(12)沿着质量块(1)X轴方向的中线对称分布，所述第二弹性梁(11)偏离质量块(1)Y轴方向的中线；

所述质量块(1)在Y轴、X轴方向上还分别设置有第一可动电极(9)、第二可动电极(10)；所述基板上设置有用于与第一可动电极(9)、第二可动电极(10)分别组成Y轴检测电容、X轴检测电容的第一固定电极(2)、第二固定电极(3)。

2.根据权利要求1所述的惯性测量模块，其特征在于：所述质量块(1)设置有通孔，所述第一弹性梁(12)连接在通孔两侧的侧壁上。

3.根据权利要求1所述的惯性测量模块，其特征在于：所述第一极片(4)的数量有两个，对称分布在第二弹性梁(11)的两侧。

4.根据权利要求1所述的惯性测量模块，其特征在于：所述第一可动电极(9)和/或第二可动电极(10)分别设置有两个，分别位于质量块(1)相对的两侧。

5.根据权利要求1所述的惯性测量模块，其特征在于：第一可动电极(9)与第一固定电极(2)之间和/或第二可动电极(10)与第二固定电极(3)之间构成梳齿电容结构。

6.一种三轴加速度计，其特征在于：包括两个结构对称的如权利要求1至5任一项所述的惯性测量模块；还包括将两个惯性测量模块中质量块(1)的两侧分别连接起来的连接梁。

7.根据权利要求6所述的三轴加速度计，其特征在于：所述连接梁包括位于X轴方向上的横梁(7)，还包括位于Y轴方向上、一端与横梁(7)连接一端与质量块(1)侧壁连接的纵梁(8)；所述纵梁(8)与第二弹性梁(11)在一条直线上。

8.根据权利要求7所述的三轴加速度计，其特征在于：还设置有连接两条横梁(7)的加强梁(130)，其中，两个惯性测量模块中的第二弹性梁(11)相对于加强梁(130)对称分布。

9.根据权利要求8所述的三轴加速度计，其特征在于：所述加强梁(130)设置有两个，两个加强梁(130)平行设置，与横梁(7)围成一矩形框。

10.根据权利要求9所述的三轴加速度计，其特征在于：还包括位于矩形框内的斜梁(131)。