CN213121984U

CN213121984U - 一种三轴压阻式加速度计

Info

Publication number: CN213121984U
Application number: CN202020930065.7U
Authority: CN
Inventors: 维尼特·辛格; 内丘克武克里斯·韦金亚; 陈林峰; 潘峰
Original assignee: Huzhou Jiuding Electronic Co Ltd
Current assignee: Huzhou Jiuding Electronic Co Ltd
Priority date: 2020-05-28
Filing date: 2020-05-28
Publication date: 2021-05-04
Anticipated expiration: 2030-05-28

Abstract

一种三轴压阻式加速度计，包括支撑边框、质量块，以及弹性悬臂梁，所述质量块通过所述弹性悬臂梁悬于所述支撑边框的中心位置，位于所述支撑边框与所述质量块之间的所述弹性悬臂梁上对称分布有多个阻值相等的应变压敏电阻，所述支撑边框的四个内角分别设有限位模块，所述限位模块与相邻的所述弹性悬臂梁和所述质量块之间形成有X向以及Y向的抗过载间隙，所述支撑边框的上下两侧分别设有上盖板与上盖板，所述质量块与所述下盖板以及所述上盖板之间形成有Z向的抗过载间隙。本实用新型具有更高的灵敏度、准确性、刚性，有助于质量块的复位，减少了系统误差，提高了测量精度，降低了加速度计的轴间耦合。

Description

一种三轴压阻式加速度计

技术领域

本实用新型涉及传感器技术领域，特别是一种三轴压阻式加速度计。

背景技术

作为一种惯性器件,加速度计广泛应用于航空航天、交通运输、自动控制、生物、化学、医学分析和振动测试等领域。随着工业4.0的发展和推广，加速度计正在向微型化，集成化，高可靠性，高灵敏度的方向发展。加速度计目前有压阻式、压电式、电容式、隧道式等多种类型。其中压阻式加速度计由于具有尺寸小、灵敏度高、稳定性好、动态响应特性及输出性好、频率范围宽、批量生产成本低、与硅集成电路平面工艺兼容性好等优点，得到了广泛青睐。

目前市场上大多数单个加速度计只能检测一个或两个轴向的加速度，不能实现对三个轴向的加速度检测。然而许多应用场合需要三轴加速度计来检测加速度矢量。压阻式三轴微加速度传感器的实现方法有三种。第一种方法是将三个单轴压阻式加速度计组装在一起，实现三轴测量功能。但该方法体积较大，组装比较困难，而且矢量测量精度低。第二种方法是将三个单轴压阻式加速度传感器同时制作在同一个芯片上。但这种方法增加了工艺的复杂度和加工成本。第三种是利用同一个质量块来感测三个方向的加速度信号，当质量块感测到不同方向的加速度时，不同位置的电阻的阻值会发生变化，从而使用电阻构成的惠斯通电桥的输出电压发生变化，进而检测到加速度的大小和方向。第三种方法加工技术的微加速度计具有体积小、重量轻、成本低和功耗低等优点。近年来，三轴压阻微加速度计得到了快速发展。

然而，目前三轴加速度计仍然存在灵敏度低，轴间耦合大，封装结构复杂，以及由于复杂加工工艺引起的成品率低的问题。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种三轴压阻式加速度计，本实用新型解决了现有的三轴加速度计灵敏度低，轴间耦合大，封装结构复杂，以及由于复杂加工工艺引起的成品率低的问题。

本实用新型的技术解决方案是：一种压阻式三轴加速度计，包括支撑边框、质量块，以及弹性悬臂梁，所述质量块通过所述弹性悬臂梁悬于所述支撑边框的中心位置，位于所述支撑边框与所述质量块之间的所述弹性悬臂梁上对称分布有多个阻值相等的应变压敏电阻，所述支撑边框的四个内角分别设有限位模块，所述限位模块与相邻的所述弹性悬臂梁和所述质量块之间形成有X向以及Y向的抗过载间隙，所述支撑边框的上下两侧分别设有下盖板与上盖板，所述质量块与所述下盖板以及所述上盖板之间形成有Z向的抗过载间隙。

作为优选，所述弹性悬臂梁的数量为四根，每根所述弹性悬臂梁上设有六个所述应变压敏电阻。

作为优选，所述支撑边框上分布有多个金属焊盘，所述金属焊盘沿所述支撑边框的轴线对称均匀分布，所述支撑边框上的每条边上的所述金属焊盘与相邻的所述弹性悬臂梁上的所述应变压敏电阻通过金属引线8一一对应电连接。

作为优选，所述支撑边框上的所述金属焊盘的数量为二十四个，且所述支撑边框的每条边设有六个所述金属焊盘。

作为优选，所述弹性悬臂梁包括单端部分、双端部分以及连接所述单端部分和所述双端部分的中间部分,所述单端部分与所述质量块连接，所述双端部分与所述支撑边框连接，X轴方向以及Y轴方向的所述弹性悬臂梁上分别设有六个所述应变压敏电阻。

作为优选，所述质量块的形状为中心对称形状。

作为优选，所述质量块的形状为正方形。

本实用新型有益效果是：

与现有技术相比，本实用新型具有更高的灵敏度和准确性。此外本实施例采用的复式悬臂梁，较目前常用的弹性悬臂梁，具有更好的刚性，有助于质量块的复位，减少了系统误差，提高了测量精度。而且，由X轴（Y轴）加速度分量引起的Y轴（X轴）方向的剪切应力主要集中在复式悬臂梁的中间部分，减少了剪切应力对位于复式悬臂梁的单端部分和双端部分的应变压敏电阻的影响，降低了加速度计的轴间耦合。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种三轴压阻式加速度计的结构示意图；

图2为本实用新型纵向剖面图；

图3为弹性悬臂梁示意图；

图4为图3中应变压敏电阻的接线图；

图5为本实用新型实施例提供的的应变压敏电阻连接构成的检测X轴方向信号的惠斯通电桥图；

图6为本实用新型实施例提供的的应变压敏电阻连接构成的检测Y轴方向信号的惠斯通电桥图；

图7为本实用新型实施例提供的的应变压敏电阻连接构成的检测Z轴方向信号的惠斯通电桥图；

图8为本实用新型实施例提供的另一种三轴压阻式加速度计的结构示意图；

图9为图8的局部放大图。

图中：1为支撑边框，2为质量块，3为弹性悬臂梁，3-1为X轴负方向的弹性悬臂梁、3-2为X轴正方向的弹性悬臂梁、3-3为Y轴负方向的弹性悬臂梁、3-4为Y轴正方向的弹性悬臂梁，4为限位模块，5为下盖板，6为上盖板，R1-R24为应变压敏电阻，7为金属焊盘，8为金属引线。

具体实施方式

下面结合附图以实施例对本实用新型作进一步说明。

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。在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。

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，技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

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。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种三轴压阻式加速度计。关于本实用新型提供的三轴压阻式加速度计的实施例，下文将详述。

图1为本实用新型实施例提供的一种三轴压阻式加速度计的结构示意图；图2为图1沿A-A’向的剖面图；图3为图1的局部放大图；图4为图3中应变压敏电阻的接线图。

参考图1至图4，一种压阻式三轴加速度计，包括支撑边框l、质量块2，以及弹性悬臂梁3，质量块2通过弹性悬臂梁3悬于支撑边框l的中心位置，质量块2在两个相互垂直（X轴和Y轴）的方向上，分别通过弹性悬臂梁3与支撑边框l固定，支撑边框l的下表面超出质量块2的下表面，位于支撑边框l与质量块2之间的弹性悬臂梁3上对称分布有多个阻值相等的应变压敏电阻Rl-R24，优选的，应变压敏电阻的数量为24个，分别标记为Rl-R24，弹性悬臂梁3的数量为四根，每根弹性悬臂梁3上设有六个应变压敏电阻，支撑边框1上分布有多个金属焊盘7，金属焊盘7沿支撑边框1的轴线对称均匀分布，支撑边框1上的每条边上的金属焊盘7与相邻的弹性悬臂梁3上的所述应变压敏电阻通过金属引线8一一对应电连接，优选的，支撑边框1上的金属焊盘7的数量为二十四个，且支撑边框1的每条边设有六个金属焊盘7，支撑边框1四个内角分别设有限位模块4，限位模块4与相邻的弹性悬臂梁3和质量块2之间形成有X向和Y向的抗过载间隙，支撑边框1的上下两侧分别设有下盖板5与上盖板6，质量块2与下盖板5以及上盖板6之间形成有Z向的抗过载间隙。

需要指出的是，质量块2的形状为中心对称形状，本实施例的质量块2的形状为正方形，在本实用新型的其他实施例中，质量块2的形状可以为其他中心对称的形状，例如八边形和圆形。

如图1，3和4所示，弹性悬臂梁3为复式悬臂梁，所述弹性悬臂梁3包括单端部分301、双端部分302以及连接所述单端部分301和所述双端部分302的中间部分303,在本实施例中，所述单端部分301与所述质量块2连接，所述双端部分302与所述支撑边框1连接，X轴方向以及Y轴方向的所述弹性悬臂梁3上分别设有六个应变压敏电阻，优选的，X轴负方向的弹性悬臂梁3-1上分布有六个应变压敏电阻（R1、R2、R9、R10、R17和R18）。其中，R1和R2位于双端部分靠近支撑边框1的位置，R17和R18位于单端部分靠近质量块2的部分，R9和R10位于中间部分靠近与双端部分连接的地方，并处于中间部分靠近质量块2的一侧。X轴正方向的弹性悬臂梁3-2上分布有六个应变压敏电阻（R5、R6、R13、R14、R21和R22）。其中，R5和R6位于双端部分靠近支撑边框1的位置，R21和R22位于单端部分靠近质量块2的部分，R13和R14位于中间部分靠近与双端部分连接的地方，并处于中间部分靠近质量块2的一侧。Y轴负方向的弹性悬臂梁3-3上分布有六个应变压敏电阻（R3、R4、R11、R12、R19和R20）。其中，R3和R4位于双端部分靠近支撑边框1的位置，R19和R20位于单端部分靠近质量块2的部分，R11和R12位于中间部分靠近与双端部分连接的地方，并处于中间部分靠近质量块2的一侧。Y轴正方向的弹性悬臂梁3-4上分布有六个应变压敏电阻（R7、R8、R15、R16、R23和R24）。其中，R7和R8位于双端部分靠近支撑边框1的位置，R23和R24位于单端部分靠近质量块2的部分，R15和R16位于中间部分靠近与双端部分连接的地方，并处于中间部分靠近质量块2的一侧。

图5为本实用新型实施例提供的的应变压敏电阻连接构成的检测X轴方向信号的惠斯通电桥图。应变压敏电阻R5和应变压敏电阻R18串联构成该惠斯通电桥的第一个桥臂，应变压敏电阻Rl和应变压敏电阻R22串联构成该惠斯通电桥的第二个桥臂，应变压敏电阻R11和应变压敏电阻R16串联构成该惠斯通电桥的第三个桥臂，应变压敏电阻R12和应变压敏电阻R15串联构成该惠斯通电桥的第四个桥臂。并且，第一桥臂上的应变压敏电阻R5和第二桥臂上的应变压敏电阻Rl连接在该惠斯通电桥的一个输入端上，第三桥臂上的应变压敏电阻Rl6和第四桥臂上的应变压敏电阻R15连接在该惠斯通电桥的另一个输入端上。第一桥臂上的应变压敏电阻R18和第三桥臂上的应变压敏电阻Rl1连接在该惠斯通电桥的一个输出端上，第二桥臂上的应变压敏电阻R22和第四桥臂上的应变压敏电阻R12连接在该惠斯通电桥的另一个输出端上。

图6为本实用新型实施例提供的的应变压敏电阻连接构成的检测Y轴方向信号的惠斯通电桥图。应变压敏电阻R7和应变压敏电阻R20串联构成该惠斯通电桥的第一个桥臂，应变压敏电阻R3和应变压敏电阻R24串联构成该惠斯通电桥的第二个桥臂，应变压敏电阻R10和应变压敏电阻R13串联构成该惠斯通电桥的第三个桥臂，应变压敏电阻R9和应变压敏电阻R14串联构成该惠斯通电桥的第四个桥臂。并且，第一桥臂上的应变压敏电阻R7和第二桥臂上的应变压敏电阻R3连接在该惠斯通电桥的一个输入端上，第三桥臂上的应变压敏电阻Rl3和第四桥臂上的应变压敏电阻R14连接在该惠斯通电桥的另一个输入端上。第一桥臂上的应变压敏电阻R20和第三桥臂上的应变压敏电阻R10连接在该惠斯通电桥的一个输出端上，第二桥臂上的应变压敏电阻R24和第四桥臂上的应变压敏电阻R9连接在该惠斯通电桥的另一个输出端上。

图7为本实用新型实施例提供的的应变压敏电阻连接构成的检测Z轴方向信号的惠斯通电桥图。应变压敏电阻R2和应变压敏电阻R6串联构成该惠斯通电桥的第一个桥臂，应变压敏电阻R17和应变压敏电阻R21串联构成该惠斯通电桥的第二个桥臂，应变压敏电阻R19和应变压敏电阻R23串联构成该惠斯通电桥的第三个桥臂，应变压敏电阻R4和应变压敏电阻R8串联构成该惠斯通电桥的第四个桥臂。并且，第一桥臂上的应变压敏电阻R2和第二桥臂上的应变压敏电阻R17连接在该惠斯通电桥的一个输入端上，第三桥臂上的应变压敏电阻R23和第四桥臂上的应变压敏电阻R8连接在该惠斯通电桥的另一个输入端上。第一桥臂上的应变压敏电阻R6和第三桥臂上的应变压敏电阻R19连接在该惠斯通电桥的一个输出端上，第二桥臂上的应变压敏电阻R21和第四桥臂上的应变压敏电阻R4连接在该惠斯通电桥的另一个输出端上。

以下阐述本实用新型加速度计检测加速度原理。考虑加速度计中的质量块2的加速度在X轴、Y轴和Z轴均有分量。不失一般性，质量块2的加速度在X轴、Y轴和Z轴的分量均为正值。

参照图1，在正值X轴加速度分量的作用下，应变压敏电阻R1，R2，R21和R22的阻值增大，应变压敏电阻R17，R18，R5和R6的阻值减少，应变压敏电阻R9、R10、R13和R4不发生变化。此时，Y轴负方向的弹性悬臂梁3-3、Y轴正方向的弹性悬臂梁3-4上产生剪切应力，在梁宽度远大千厚度的情况下，剪切应力产生的形变完全可以忽略，可以认为R19、R20、R23、R24、R3、R4、R7和R8的阻值不发生变化。不过，该剪切应力让弹性悬臂梁3-3和3-4的中间部分发生变形，使得应变压敏电阻R11和R16的阻值增大，应变压敏电阻R12和R15的阻值减少。因此，图5中的输出信号V_out反映X轴加速度分量的大小。

参照图1，在正值Y轴加速度分量的作用下，应变压敏电阻R3，R4，R23和R24的阻值增大，应变压敏电阻R19，R20，R7和R8的阻值减少，应变压敏电阻R11、R12、R15和R6不发生变化。此时，X轴负方向的弹性悬臂梁3-1、X轴正方向的弹性悬臂梁3-2上产生剪切应力，在梁宽度远大千厚度的情况下，剪切应力产生的形变完全可以忽略，可以认为R17、R18、R21、R22、R1、R2、R5和R6的阻值不发生变化。不过，该剪切应力让弹性悬臂梁3-1和3-2的中间部分发生变形，使得应变压敏电阻R10和R13的阻值增大，应变压敏电阻R9和R14的阻值减少。可见，Y轴加速度分量不影响图5中各应变压敏电阻的阻值，不影响图5中的输出信号V_out，所以，X轴和Y轴之间的耦合可以忽略。

参照图1，在正值Z轴加速度分量的作用下，应变压敏电阻R17、R18，R19、R20、R21、R22、R23和R24的阻值增大，应变压敏电阻R1、R2，R3、R4、R5、R6、R7和R8的阻值减少，应变压敏电阻R9、R10，R11、R12、R13、R14、R15和R16不发生变化。在图5所示的惠斯通电桥中，由于应变压敏电阻R1和R5的变化相同，应变压敏电阻R22和R18的变化相同，应变压敏电阻R12和R11的变化相同，应变压敏电阻R15和R16的变化相同，可见，Z轴加速度分量不影响图5中各应变压敏电阻的阻值，不影响图5中的输出信号V_out，所以，X轴和Z轴之间的耦合可以忽略。

同理，图6中的输出信号V_out反映Y轴加速度分量的大小，且Y轴和X轴之间的耦合可以忽略，Y轴和Z轴之间的耦合可以忽略。

同理，图7中的输出信号V_out反映Z轴加速度分量的大小，且Z轴和X轴之间的耦合可以忽略，Z轴和Y轴之间的耦合可以忽略。

如图1所示，支撑边框1四个内角分别有一个限位模块4，每个限位模块4与相邻的弹性悬臂梁3和质量块2之间留有X向和Y向的抗过载间隙，质量块2与下盖板5和上盖板6之间留有Z向抗过载间隙。当一个方向的加速度分量超过预设最大载荷时，该方向的抗过载间隙能阻止质量块2在该方向的进一步移动，起到保护保护加速度计的作用。

本实施例中，所述的支撑边框1、质量块2及其之间的弹性悬臂梁3是以SOI片材料经现有的标准压阻式硅微机械工艺加工制成。设置于弹性梁臂3上的二十四个应变压敏电阻是经现有的扩散或离子注入工艺加工制成。所述下盖板5和上盖板6的材料为Pyrex玻璃，所述下盖板5和上盖板6与所述的支撑边框1通过静电键合实现连接。

本实施例中，所述加速度计的总体尺寸为长6000µm、宽6000µm、高2000µm。其中，所述质量块的边长为2400µm、厚度为300µm；所述的弹性悬臂梁的梁长为800µm、单端部分梁宽为200µm、双端部分梁宽为1200、梁厚为20µm；支撑边框的边长为4000µm，边框的宽度为1000µm。

本实施例中，在测量X轴和Y轴的加速度分量时，不仅利用了该分量直接引起的压缩和拉伸应力，而且利用了该分量引起的剪切应力导致的压缩和拉伸应力，因此，本实施例有更高的灵敏度和准确性。此外本实施例采用的复式悬臂梁，较目前常用的弹性悬臂梁，具有更好的刚性，有助于质量块的复位，减少了系统误差，提高了测量精度。而且，由X轴（Y轴）加速度分量引起的Y轴（X轴）方向的剪切应力主要集中在复式悬臂梁的中间部分，减少了剪切应力对位于复式悬臂梁的单端部分和双端部分的应变压敏电阻的影响，降低了加速度计的轴间耦合。

可选的，图8为本实用新型实施例提供的另一种三轴压阻式加速度计的结构示意图，图9为图8的局部放大图。如图8和9所示，本实施例中，弹性悬臂梁3为复式悬臂梁，包括单端部分、双端部分和中间部分。在本实施例中，弹性悬臂梁3的单端部分与质量块连接，弹性悬臂梁3的双端部分与支撑边框1连接。X轴负方向的弹性悬臂梁3-1上分布有六个应变压敏电阻（R1、R2、R9、R10、R17和R18）。其中，R1和R2位于双端部分靠近支撑边框1的位置，R17和R18位于单端部分靠近质量块2的部分，R9和R10位于中间部分靠近与单端部分连接的地方，并处于中间部分靠近质量块2的一侧。X轴正方向的弹性悬臂梁3-2上分布有六个应变压敏电阻（R5、R6、R13、R14、R21和R22）。其中，R5和R6位于双端部分靠近支撑边框1的位置，R21和R22位于单端部分靠近质量块2的部分，R13和R14位于中间部分靠近与单端部分连接的地方，并处于中间部分靠近质量块2的一侧。Y轴负方向的弹性悬臂梁3-3上分布有六个应变压敏电阻（R3、R4、R11、R12、R19和R20）。其中，R3和R4位于双端部分靠近支撑边框1的位置，R19和R20位于单端部分靠近质量块2的部分，R11和R12位于中间部分靠近与单端部分连接的地方，并处于中间部分靠近质量块2的一侧。Y轴正方向的弹性悬臂梁3-4上分布有六个应变压敏电阻（R7、R8、R15、R16、R23和R24）。其中，R7和R8位于双端部分靠近支撑边框1的位置，R23和R24位于单端部分靠近质量块2的部分，R15和R16位于中间部分靠近与单端部分连接的地方，并处于中间部分靠近质量块2的一侧。

需要指出的是，在图1与图8所示的两个实施例中，应变压敏电阻R9与R10，R11与R12，R13与R14，R15与R16的编号次序对调。按照图1所示实施例的分析方法可以得到，在图8所示的实施例中，图5中的输出信号Vout反映X轴加速度分量的大小，且X轴和Y轴之间的耦合可以忽略，X轴和Z轴之间的耦合可以忽略；图6中的输出信号V_out反映Y轴加速度分量的大小，且Y轴和X轴之间的耦合可以忽略，Y轴和Z轴之间的耦合可以忽略；同理，图7中的输出信号Vout反映Z轴加速度分量的大小，且Z轴和X轴之间的耦合可以忽略，Z轴和Y轴之间的耦合可以忽略。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并不用以限制本实用新型。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种三轴压阻式加速度计，其特征在于：包括支撑边框（1）、质量块（2），以及弹性悬臂梁（3），所述质量块（2）通过所述弹性悬臂梁（3）悬于所述支撑边框（1）的中心位置，位于所述支撑边框（1）与所述质量块（2）之间的所述弹性悬臂梁（3）上对称分布有多个阻值相等的应变压敏电阻，所述支撑边框（1）的四个内角分别设有限位模块（4），所述限位模块（4）与相邻的所述弹性悬臂梁（3）和所述质量块（2）之间形成有X向以及Y向的抗过载间隙，所述支撑边框（1）的上下两侧分别设有下盖板（5）与上盖板（6），所述质量块（2）与所述下盖板（5）以及所述上盖板（6）之间形成有Z向的抗过载间隙，所述弹性悬臂梁（3）包括单端部分（301）、双端部分（302）以及连接所述单端部分（301）和所述双端部分（302）的中间部分（303）,所述单端部分（301）与所述质量块（2）连接，所述双端部分（302）与所述支撑边框（1）连接，X轴方向以及Y轴方向的所述弹性悬臂梁（3）上分别设有六个所述应变压敏电阻。

2.根据权利要求1所述的一种三轴压阻式加速度计，其特征在于：所述弹性悬臂梁（3）的数量为四根，每根所述弹性悬臂梁（3）上设有六个所述应变压敏电阻。

3.根据权利要求1所述的一种三轴压阻式加速度计，其特征在于：所述支撑边框（1）上分布有多个金属焊盘（7），所述金属焊盘（7）沿所述支撑边框（1）的轴线对称均匀分布，所述支撑边框（1）上的每条边上的所述金属焊盘（7）与相邻的所述弹性悬臂梁（3）上的所述应变压敏电阻通过金属引线（8）一一对应电连接。

4.根据权利要求3所述的一种三轴压阻式加速度计，其特征在于：所述支撑边框（1）上的所述金属焊盘（7）的数量为二十四个，且所述支撑边框（1）的每条边设有六个所述金属焊盘（7）。

5.根据权利要求1所述的一种三轴压阻式加速度计，其特征在于：所述质量块（2）的形状为中心对称形状。

6.根据权利要求5所述的一种三轴压阻式加速度计，其特征在于：所述质量块（2）的形状为正方形。