CN205720299U - 一种基于soi的三轴电容式微加速度计 - Google Patents

Abstract

基于SOI的三轴电容式微加速度计包括SOI基片、带阻尼孔的单一质量块、蛇形弹性梁、固定梳齿、与质量块相连的可动梳齿。使用SOI表面加工技术，使制造工艺能与普通的集成电路工艺兼容，降低成本。结构为中心对称图形，通过单一质量块感知三个正交方向的加速度，极大缩小了器件结构，增大了器件的集成度。通过Z轴方向上不等高垂直梳齿电极的设计，Z轴方向的线性度提高了至少10倍，同时工艺简单。每个轴向都由4组梳齿电极构成差分检测电容，消除交叉干扰并大大提高了灵敏度。4对中心对称的蛇形支撑梁，使加速度计有很大的量程。

Description

一种基于SOI的三轴电容式微加速度计

技术领域

本实用新型涉及惯性传感器技术领域，具体涉及一种基于SOI的三轴电容式微加速度计。

背景技术

微机电系统(MEMS)是20世纪80年代随着硅微机械加工技术的发展而逐渐成长起来的，是微电子平面加工技术和硅微机械加工技术发展相结合的产物。MEMS的特征尺寸在微米量级，集传感技术、制动技术、和控制技术于一体。采用MEMS技术实现的微型电容式加速度计，以其小型化、可集成性、高精度、低噪声、低温漂和低价格等优点，广泛应用于军事、汽车工艺、消费类电子产品等领域。

目前绝大多数梳齿电容式微加速度计采用体硅微机械技术加工制造的，这种制造工艺不能很好地与集成电路制造工艺兼容，造成成本的增加和资源的浪费。

采用SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)技术能使集成电路工艺与MEMS加工工艺兼容，但电容式加速计在Z轴方向需要上下两个极板，而在SOI片上制造两个极板是很困难的。

发明内容

针对上述现有技术，本实用新型目的在于提供一种基于SOI的三轴电容式微加速度计，其旨在解决现有技术与集成电路工艺兼容性差，还存在交叉干扰、灵敏度低且线性度不好等技术问题。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种基于SOI的三轴电容式微加速度计，包括SOI基片；质量块，设置有可动梳齿电极；六对固定锚点，安装于SOI基片，均设置有固定梳齿电极，其中四对中每两对固定锚点分别按X轴和Y轴呈轴对称分布，剩余两对固定锚点安装于质量块内，其固定梳齿电极通过可动梳齿电极与质量块匹配安装，可动梳齿电极和固定梳齿电极分别构成三轴向十二组相对于与空间坐标轴原点重合的质量块重心呈中心对称分布的差分检测电容；至少两个支撑锚点，每个支撑锚点通过两根弹性蛇形梁安装于质量块内。

上述方案中，采用SOI表面加工工艺，与集成电路工艺很好地兼容，大大降低成本。

上述方案中，所述的质量块呈日字型结构，剩余两对固定锚点设置于质量块内的中部梁两侧，构成Z轴向四组差分检测电容。

上述方案中，所述的支撑锚点，选为四个支撑锚点。

上述方案中，所述的质量块块体设置有阻尼孔结构。

上述方案中，所述的质量块内还设置有用于限制惯性过冲的阻挡块。

上述方案中，Z轴方向上的固定梳齿电极采用不等高定齿均置式垂直梳齿电极。

上述方案中，X轴和Y轴方向上的固定梳齿电极采用等高定齿均置式水平梳齿电极。

上述方案中，每个轴向由4组梳齿电极构成差分检测电容，以增大灵敏度并消除交叉干扰。

上述方案中，通过单一质量块来检测三个轴向的加速度，极大地缩小了器件结构，更利于集成。

上述方案中，Z轴方向采用定齿均置不等高垂直梳齿电极，采用变面积型检测原理，正对面积大，较一般平板型线性度提高至少10倍，并且工艺简单。

上述方案中，与Z轴不同，水平方向梳齿电极采用等高定齿均置式，采用变间距型检测原理，以获得更高的灵敏度。

上述方案中，采用4对中心对称的蛇形支撑梁，使三个轴向都有很好的弹性系数，大大提高了量程。

上述方案中，质量块上的阻尼孔用来释放质量块下的牺牲层(SiO2),使工艺精简同时减少z轴向的压膜阻尼大大提高了Z轴向的灵敏度。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：

1)采用SOI表面加工技术，与集成电路制造工艺兼容，大大降低成本；

2)Z轴向采用定齿均置不等高垂直梳齿，变面积型检测原理，线性度提高至少10倍；

3)单一感应质量块，极大地缩小了器件结构，更有利于器件的集成；

4)4对中心对称的蛇形支撑梁，具有很高的弹性系数，大大提高了量程。

附图说明

图1为本实用新型基于SOI的三轴电容式微加速度计结构示意图；

图2为本实用新型基于SOI的三轴电容式微加速度计纵剖面图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

下面结合附图对本实用新型做进一步说明：

实施例1

如图1所示的一种基于SOI的三轴电容式微加速度计，包括：12组可动梳齿固定在单一带有阻尼孔的质量块上，通过8根蛇形弹性梁与4个锚点相连。12组固定梳齿1-12分别固定在12个锚点上。

如图2所示水平方向梳齿为定齿偏置等高梳齿，垂直方向为定齿均置不等高梳齿且分为1类梳齿和2类梳齿。

通过敏感质量块将加速度转化为惯性力，惯性力是敏感质量块发生位移，可动梳齿与质量块相连，可动梳齿的位移使梳齿间电容极板的间距或正对面积发生变化，通过测量梳齿间电容量的变化推算出被测加速度。在水平方向上，固定梳齿1-4与相应可动梳齿构成y轴加速度检测电容，其中2和4、1和3通过引线相连，2、4与1、3构成差分电极；固定梳齿5-8与相应可动梳齿构成x轴加速度检测电容，其中5和7、6和8通过引线相连，5、7与6、8构成差分电极。当XY平面内有加速度存在时，活动极板有所偏移，导致极板间间隙有所改变，最终表现为电容量的变化。在Z轴方向上，固定梳齿9-12与相应可动梳齿构成Z轴加速度检测电容。其中梳齿9、12为1类梳齿，10、11为2类梳齿，这样保证了重心的稳定。9和12、10和11通过引线相连，9、12与10、11构成差分电极。当Z轴方向有加速度存在时，活动极板在Z轴方向有所偏移，导致极板间正对面积有所改变，最终表现为电容量的变化。通过后续的读出电路显示电容量的变化，进而转化为加速度的变化，以达到检测加速度的目的。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于SOI的三轴电容式微加速度计，其特征在于，包括

SOI基片；

质量块，设置有可动梳齿电极；

六对固定锚点，安装于SOI基片，均设置有固定梳齿电极，其中四对中每两对固定锚点分别按X轴和Y轴呈轴对称分布，剩余两对固定锚点安装于质量块内，其固定梳齿电极通过可动梳齿电极与质量块匹配安装，可动梳齿电极和固定梳齿电极分别构成三轴向十二组相对于与空间坐标轴原点重合的质量块重心呈中心对称分布的差分检测电容；

至少两个支撑锚点，每个支撑锚点通过两根弹性蛇形梁安装于质量块内。

2.根据权利要求1所述的一种基于SOI的三轴电容式微加速度计，其特征在于，所述的质量块呈日字型结构，剩余两对固定锚点设置于质量块内的中部梁两侧，构成Z轴向四组差分检测电容。

3.根据权利要求2所述的一种基于SOI的三轴电容式微加速度计，其特征在于，所述的支撑锚点，选为四个支撑锚点。

4.根据权利要求1所述的一种基于SOI的三轴电容式微加速度计，其特征在于，所述的质量块块体设置有阻尼孔结构。

5.根据权利要求1所述的一种基于SOI的三轴电容式微加速度计，其特征在于，所述的质量块内还设置有用于限制惯性过冲的阻挡块。

6.根据权利要求1所述的一种基于SOI的三轴电容式微加速度计，其特征在于，Z轴方向上的固定梳齿电极采用不等高定齿均置式垂直梳齿电极。

7.根据权利要求1所述的一种基于SOI的三轴电容式微加速度计，其特征在于，X轴和Y轴方向上的固定梳齿电极采用等高定齿均置式水平梳齿电极。