CN219758288U - 一种单芯片六轴传感器及其加速度计 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种单芯片六轴传感器及其加速度计，所述加速度计包括Z轴加速度计。所述Z轴加速度计包括：Z轴质量块，其内定义有第一空间和第二空间；锚点结构，其位于第一空间内；转轴，其位于第一空间内且平行于X/Y轴放置，转轴连接锚点结构和Z轴质量块，Z轴质量块位于转轴一侧的质量与另一侧的质量不同；空气阻尼单元，其位于第二空间内，其包括第一锚点，连接在第一锚点上的若干固定阻尼梳齿，连接在Z轴质量块上的若干可动阻尼梳齿，固定阻尼梳齿和可动阻尼梳齿呈叉指排布。与现有技术相比，本实用新型通过设计空气阻尼结构，不同刚度的限位器来增强加速度计在低压腔体中的可靠性，降低生产成本和提高集成度。
Description
【技术领域】
本实用新型涉及微机械系统技术领域，尤其涉及一种单芯片六轴传感器及其加速度计。
【背景技术】
MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，即微机电系统)电容式加速度计以其尺寸小，低成本，性能优良，广泛应用于消费电子，物联网，以及工业测量领域。消费电子竞争愈演愈烈，对成本，集成度提出了新的要求，为了达到这一目的，目前的六轴产品(3轴加速度+3轴陀螺仪)由原来加速度计，陀螺仪分别位于两颗独立的芯片上向在同一颗芯片上加工出陀螺仪和加速度计的方式转变，在这个过程中我们会遇到一个问题，那就是气压，加速度计需要较高的气压来增加空气阻尼，通常400mBar左右，提高器件在冲击环境中的可靠性，而陀螺仪则需要较低的气压，通常<5mBar，越小越好。由于这两个腔体同时加工成型，内部压力同增同减，提高两个腔体强力压力差异性，以及如何控制腔体压力为现在工艺中遇到的问题，目前通过采用特殊的封装工艺，以及配合吸气剂的使用来解决这个问题，这样会大大增加生产成本。
因此，亟需提出一种新的技术方案来解决上述问题。
【实用新型内容】
本实用新型的目的之一在于提供一种单芯片六轴传感器及其加速度计，其可以解决加速度计在低压条件下，空气阻尼小，抗冲击能力差的问题。
根据本实用新型的一个方面，本实用新型提供一种加速度计，其包括Z轴加速度计，所述Z轴加速度计能够感应到Z轴加速度，所述Z轴加速度计包括：Z轴质量块，其内定义有第一空间和第二空间；锚点结构，其位于所述第一空间内；转轴，其位于所述第一空间内且平行于X轴放置，所述转轴连接所述锚点结构和Z轴质量块，所述Z轴质量块位于所述转轴一侧的质量与所述Z轴质量块位于所述转轴另一侧的质量不同，所述Z轴质量块能够以所述转轴为轴发生跷跷板式运动；空气阻尼单元，其位于所述第二空间内，所述空气阻尼单元包括第一锚点、连接在第一锚点上的若干固定阻尼梳齿以及连接在所述Z轴质量块上的若干可动阻尼梳齿，所述若干固定阻尼梳齿和所述若干可动阻尼梳齿呈叉指排布，以形成若干空气阻尼对；其中，X轴和Y轴相互垂直并且定义了所述Z加速度计的基底所在的平面，Z轴垂直于X轴和Y轴所定义的平面。
根据本实用新型的另一个方面，本实用新型提供一种单芯片六轴传感器，其包括：陀螺仪；加速度计，其封装压力为40mBar～200mBar。所述加速度计包括Z轴加速度计，所述Z轴加速度计能够感应到Z轴加速度，所述Z轴加速度计包括：Z轴质量块，其内定义有第一空间和第二空间；锚点结构，其位于所述第一空间内；转轴，其位于所述第一空间内且平行于X/Y轴放置，所述转轴连接所述锚点结构和Z轴质量块，所述Z轴质量块位于所述转轴一侧的质量与所述Z轴质量块位于所述转轴另一侧的质量不同，所述Z轴质量块能够以所述转轴为轴发生跷跷板式运动；空气阻尼单元，其位于所述第二空间内，所述空气阻尼单元包括第一锚点、连接在第一锚点上的若干固定阻尼梳齿以及连接在所述Z轴质量块上的若干可动阻尼梳齿，所述若干固定阻尼梳齿和所述若干可动阻尼梳齿呈叉指排布，以形成若干空气阻尼对；其中，X轴和Y轴相互垂直并且定义了所述Z加速度计的基底所在的平面，Z轴垂直于X轴和Y轴所定义的平面。
与现有技术相比，本实用新型通过设计空气阻尼结构，不同刚度的限位器来增强加速度计在低压腔体中的可靠性，降低生产成本和提高集成度。
【附图说明】
为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为目前市场上的大多数MEMS六轴传感器的剖面示意图；
图2为一种新型MEMS六轴传感器的剖面示意图；
图3为本实用新型在一个实施例中的Z轴加速度计的整体结构示意图；
图4为本实用新型在一个实施例中如图3所示的Z轴加速度计的剖面示意图；
图5为本实用新型在一个实施例中如图3所示的锚点结构的放大示意图。
【具体实施方式】
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本实用新型至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。除非特别说明，本文中的连接、相连、相接的表示电性连接的词均表示直接或间接电性相连。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本实用新型的限制。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”“耦接”等术语应做广义理解；例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
请参考图1所示，其为目前市场上的大多数MEMS六轴传感器的剖面示意图，图1所示的MEMS六轴传感器1，即三轴加速度计和三轴陀螺仪采用分别加工，然后组装在一起，六轴传感器1内部包括分立的加速度计2，以及分立的陀螺仪3，还包括信号处理电路4，最后采用塑封料5通过注塑的方式将这三颗芯片组装在一起，形成最终产品。
分立的加速度计2，陀螺仪3的芯片在面积上大于单芯片集成的MEMS六轴芯片，除此之外，还需要额外的组装步骤，比如多次装片，多次打线。在消费电子竞争激烈的环境下，逐渐失去其竞争力。
取而代之的是如图2所示的新型MEMS六轴传感器6，其采用单芯片集成的MEMS六轴芯片7，芯片7内部有同时加工出的加速度计10，陀螺仪12，以及对应的空气腔体，为了使加速度计的腔体9内部压力大于陀螺仪的腔体11，腔体9往往小于腔体11，如何提升腔体9内部压强而不增加腔体11的压强为目前行业所遇到的急切问题。目前为了控制腔体11在一个比较低的水平，不得不牺牲腔体9的压强，通常腔体9内的压强只有40～200mBar,远远小于目前市场上加速度计的封装压强，通常为400mBar。
对于加速度计2来说，因Z轴质量较X、Y轴大，通常为X、Y轴的3倍，以及Z轴面内旋转刚度小，往往在外部冲击的作用下，容易与周围固定结构碰撞，产生碎屑，导致结构出现卡死，或者灵敏度，零点发生较大的变化。
针对现有技术中存在的上述问题，本实用新型提供一种单芯片六轴传感器及其加速度计。请参考图3所示，其为本实用新型在一个实施例中的Z轴加速度计的整体结构示意图。图3所示的Z轴加速度计能够感应到Z轴加速度，该Z轴加速度计包括Z轴质量块(或可动质量块)35，固定外框33、转轴13、空气阻尼单元23、锚点结构18、第一碰撞限位结构22，第二碰撞限位结构27、第三碰撞限位结构31和硬质限位器34。
为了更好的说明本实用新型所示的Z轴加速度计的结构，可以建立一个三维直角坐标系，在图3所示的实施例中，X轴和Y轴相互垂直并且定义了Z轴加速度计的基底所在的平面，Z轴垂直于X轴和Y轴所定义的平面，通过X轴、Y轴和Z轴建立的三维直角坐标系在图3中有所体现，其中，X轴沿左右方向，Y轴沿上下方向，Z轴沿垂直于纸面方向。
如图3所示，Z轴质量块(或可动质量块)35内定义有第一空间36、第二空间37和第三空间38。其中，锚点结构18位于第一空间36内；转轴13位于第一空间36内且平行于X轴放置(或转轴13的延伸方向与Y轴平行，本文以转轴13的延伸方向与X轴平行为例进行介绍)，转轴13连接锚点结构18和Z轴质量块35。Z轴质量块35位于转轴13一侧(或上方)的质量(其可以称为Z轴质量块35的第一区域14的质量)与Z轴质量块35位于转轴13另一侧(或下方)的质量(其可以称为Z轴质量块35的第二区域15的质量)不同，以使Z轴质量块35以转轴13为轴发生跷跷板式运动。
请参考图4所示，其为本实用新型在一个实施例中如图3所示的Z轴加速度计的剖面示意图。如图4所示，Z轴加速度还包括第一Z轴检测电极(例如，感应负电极)16和第二Z轴检测电极(例如，感应正电极)17。第一Z轴检测电极(或感应负电极)16和第二Z轴检测电极(或感应正电极)17位于Z轴质量块35的下方且对称设置于转轴13的上下两侧。当敏感(或感应)到Z轴加速度输入时，会使得Z轴质量块35以转轴13为轴发生扭转(或跷跷板式运动)，第一Z轴检测电极16检测与Z轴质量块35(或Z轴质量块35的第一区域14)的距离变化，第二Z轴检测电极17检测与Z轴质量块35(或Z轴质量块35的第二区域15)的距离变化，具体的，感应到Z轴加速度后的第一Z轴检测电极16和第二Z轴检测电极17的电容一个增大，一个减小，两者差分得到Z轴加速度引起的电容变化，进而得到输入的Z轴加速度大小，例如，通过信号处理带电路4将电容的变化转化为Z轴方向的加速度大小。
在图3所示的实施例中，空气阻尼单元23位于第二空间37内，且分布在转轴13附近，空气阻尼单元23包括第一锚点24，连接在第一锚点24上且与X轴平行的若干固定阻尼梳齿25，连接在Z轴质量块35上且与X轴平行的若干可动阻尼梳齿26，若干固定阻尼梳齿25和若干可动阻尼梳齿26呈叉指排布，以形成若干空气阻尼对，当冲击发生时固定阻尼梳齿25与可动阻尼梳齿26挤压他们之间的有限空气，从而有效减小加速度计在冲击过程中的速度。
在图3所示的具体实施例中，空气阻尼单元23为四个，其中，两个空气阻尼单元23位于锚点结构18的左侧，且分别位于转轴13的上下两侧；另外两个所述空气阻尼单元23位于锚点结构18的右侧，且分别位于转轴13的上下两侧；四个空气阻尼单元23整体关于X轴和Y轴对称分布。
在图3和图4所示的实施例中，第一锚点24固定设置于基底(未图示)上；第一Z轴检测电极16和第二Z轴检测电极17固定设置于基底(未图示)上；Z轴质量块35和转轴13悬置于基底上方；固定阻尼梳齿25和可动阻尼梳齿26悬置于基底上方。
在图3所示的实施例中，锚点结构18包括第二锚点19、缓冲梁20和蛇形梁21。其中，缓冲梁20连接第二锚点19和转轴13，缓冲梁20可以降低在冲击过程中转轴13所收到的冲击应力，在一个实施例中，对于缓冲梁20，设计其在X/Y方向的刚度介于200～2000N/m。蛇形梁21位于第二锚点19远离转轴13的一侧，且蛇形梁21的一端与第二锚点19相连，其另一端靠近Z轴质量块35。
请参考图5所示，其为本实用新型在一个实施例中如图3所示的锚点结构18的放大示意图。在图3和图5所示的具体实施例中，蛇形梁21在靠近Z轴质量块35的另一端设计有圆形的第一碰撞限位结构22，第一碰撞限位结构22上的圆形接触面在高度上呈现递减分布，也可以说，第一碰撞限位结构22在沿Y轴靠近Z轴质量块35的方向上的高度呈现递减分布。考虑到碰撞接触，蛇形梁21的变形，该第一碰撞限位结构22能保持接触的稳定性并能减小接触面积，以避免出现微尺度上的粘连现象。在设计上第一碰撞限位结构22与周围可动结构的间距最小，根据工艺能力，通常设置碰撞间距为1.4～2.5um，也可以说，第一碰撞限位结构22与Z轴质量块35的碰撞距离设计为1.4～2.5um。通过碰撞间距的设计，当碰撞发生时，第一碰撞限位结构22最先接触到Z轴质量块35，提供反作用力，抑制Z轴质量块35的运动，在蛇形梁21的刚度设计上选用500～2000N/m,主要用于吸收跌落事件中最容易遇到的1500G范围内的冲击。
在图3所示的具体实施例中，锚点结构18为两个，分布于转轴13的上下两侧；两个锚点结构18关于X轴对称分布；第二锚点19固定设置于基底(未图示)上；缓冲梁20和蛇形梁21悬置于基底上方。
第二碰撞限位结构27位于第三空间38内，其能同时对X/Y方向上的冲击进行抑制。在图3所示的实施例中，第二碰撞限位结构27包括第三锚点28，以及位于第三锚点28外侧的若干悬臂梁结构29，悬臂梁结构29的一端固定于第三锚点28上，其另一端靠近Z轴质量块35。在一个实施例中，悬臂梁29的另一端的碰撞接触点30与Z轴质量块35的碰撞间距(即悬臂梁29或第二碰撞限位结构27与Z轴质量块35的碰撞间距)要较第一碰撞限位结构22与Z轴质量块35的碰撞间距(即蛇形梁21与Z轴质量块35的碰撞间距)大0.2～0.5um，也可以说，第二碰撞限位结构27与Z轴质量块35的碰撞间距要较第一碰撞限位结构22与Z轴质量块35的碰撞间距大。在设计上，悬臂梁结构29的刚度为2000～4000N/m，主要用于吸收冲击峰值<10000G的冲击事件。
在图3所示的具体实施例中，悬臂梁结构29为Z型直角结构；悬臂梁结构29为四个，分别位于第三锚点28的四个侧边；第三锚点28固定设置于基底(未图示)上；悬臂梁结构29悬置于基底上方；第二碰撞限位结构27为两个，两个第二碰撞限位结构27均设置于转轴13的同侧(例如，转轴13的下方)。
在图3所示的实施例中，Z轴质量块35被固定外框33包围；第三碰撞限位结构31分布于Z轴质量块35的外侧四周和固定外框33之间，第三碰撞限位结构31的碰撞接触点32与固定外框33的碰撞间距(即第三碰撞限位结构31与固定外框33的碰撞间距)较第一碰撞限位结构22与Z轴质量块35的碰撞间距(或蛇形梁21与Z轴质量块35的碰撞间距))大0.5～0.8um，也可以说，第三碰撞限位结构31与固定外框33的碰撞间距较悬臂梁29或第二碰撞限位结构27与Z轴质量块35的碰撞间距大。在设计上，第三碰撞限位结构31的刚度设计为10000～20000N/m，主要用于吸收冲击峰值<＝20000G的冲击事件。
为了避免梁结构在最糟的冲击中因形变应力过大而断裂，比如高达1000kG,1us的极限冲击，在图3所示的实施例中，在Z轴质量块35的外侧与固定外框33之间放置有硬质限位器34。
在图3所示的具体实施例中，第三碰撞限位结构31的碰撞接触点32为8个，分布于Z轴质量块35的上下左右四个侧边；硬质限位器34为2个，分布于Z轴质量块35的上下两侧。
根据本实用新型的另一个方面，本实用新型提供一种单芯片六轴传感器，其包括：陀螺仪；如本实用新型提供的加速度计，该加速度计的封装压力为40mBar～200mBar。
综上所述，本实用新型通过两种途径来提升Z轴加速度计在低压环境中的可靠性，首先通过空气阻尼单元23来增加空气阻尼，来减小碰撞时的速度以及碰撞发生的次数，减小碰撞碎屑产生的可能性，提高器件的可靠性；其次采用不同的刚度的碰撞结构(例如，第一碰撞限位结构22、第二碰撞限位结构27、第三碰撞限位结构31和硬质限位器34)依次与Z轴质量块35发生碰撞，来减小碰撞过程中结构所受到的应力。这样，本实用新型提供的Z轴加速度计能在较低的封装压力40mBar～200mBar下正常工作，通过提升加速计在低真空度中的可靠性，来降低单芯片六轴传感器对封装工艺封装压强的额外要求，进一步降低生产成本。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改和变型。
Claims (14)
1.一种加速度计，其特征在于，其包括Z轴加速度计，所述Z轴加速度计能够感应到Z轴加速度，所述Z轴加速度计包括：
Z轴质量块，其内定义有第一空间和第二空间；
锚点结构，其位于所述第一空间内；
转轴，其位于所述第一空间内且平行于X或Y轴放置，所述转轴连接所述锚点结构和Z轴质量块，所述Z轴质量块位于所述转轴一侧的质量与所述Z轴质量块位于所述转轴另一侧的质量不同，所述Z轴质量块能够以所述转轴为轴发生跷跷板式运动；
空气阻尼单元，其位于所述第二空间内，所述空气阻尼单元包括第一锚点、连接在第一锚点上的若干固定阻尼梳齿以及连接在所述Z轴质量块上的若干可动阻尼梳齿，所述若干固定阻尼梳齿和所述若干可动阻尼梳齿呈叉指排布，以形成若干空气阻尼对；
其中，X轴和Y轴相互垂直并且定义了所述Z轴加速度计的基底所在的平面，Z轴垂直于X轴和Y轴所定义的平面。
2.根据权利要求1所述的加速度计，其特征在于，
所述Z轴加速度计还包括第一Z轴检测电极和第二Z轴检测电极，
所述第一Z轴检测电极和第二Z轴检测电极位于所述Z轴质量块的下方且设置于所述转轴的两侧；
当感应到Z轴加速度输入时，会使得所述Z轴质量块以所述转轴为轴发生跷跷板式运动，所述第一Z轴检测电极检测与所述Z轴质量块的距离变化，第二Z轴检测电极检测与所述Z轴质量块的距离变化。
3.根据权利要求1所述的加速度计，其特征在于，
所述空气阻尼单元临近所述转轴分布，所述固定阻尼梳齿和所述可动阻尼梳齿平行于转轴，
所述空气阻尼单元为四个，其中，两个所述空气阻尼单元位于所述锚点结构的X轴方向的一侧，且分别位于所述转轴的Y轴方向的两侧；另外两个所述空气阻尼单元位于所述锚点结构的X轴方向的另一侧，且分别位于所述转轴的Y轴方向的两侧；
四个所述空气阻尼单元整体关于X轴和Y轴对称分布。
4.根据权利要求1所述的加速度计，其特征在于，
所述锚点结构包括第二锚点、缓冲梁和蛇形梁，
所述缓冲梁连接所述第二锚点和所述转轴；
所述蛇形梁位于所述第二锚点远离所述转轴的一侧，且所述蛇形梁的一端与所述第二锚点相连，其另一端靠近所述Z轴质量块。
5.根据权利要求4所述的加速度计，其特征在于，
所述蛇形梁在靠近所述Z轴质量块的另一端设计有第一碰撞限位结构；
所述第一碰撞限位结构在沿Y轴靠近所述Z轴质量块的方向上的高度呈现递减分布。
6.根据权利要求4所述的加速度计，其特征在于，
所述锚点结构为两个，分布于所述转轴的Y轴方向的两侧；
两个所述锚点结构关于X轴对称分布。
7.根据权利要求5所述的加速度计，其特征在于，
所述Z轴质量块内还定义有第三空间，
所述Z轴加速度计还包括位于所述第三空间的第二碰撞限位结构，其能同时对X/Y方向上的冲击进行抑制，
所述第二碰撞限位结构包括第三锚点，以及位于所述第三锚点外侧的若干悬臂梁结构，所述悬臂梁结构的一端固定于所述第三锚点上，其另一端靠近所述Z轴质量块。
8.根据权利要求7所述的加速度计，其特征在于，
所述悬臂梁结构为Z型直角结构；
所述悬臂梁结构为四个，分别位于所述第三锚点的四个侧边。
9.根据权利要求7所述的加速度计，其特征在于，
所述Z轴加速度计还包括：
固定外框，所述Z轴质量块被所述固定外框包围；
第三碰撞限位结构，其设置于所述Z轴质量块的外侧四周和所述固定外框之间。
10.根据权利要求9所述的加速度计，其特征在于，
所述Z轴加速度计还包括硬质限位器，
所述硬质限位器设置于所述Z轴质量块的外侧和所述固定外框之间。
11.根据权利要求9所述的加速度计，其特征在于，
所述第二碰撞限位结构与所述Z轴质量块的碰撞间距较所述第一碰撞限位结构与所述Z轴质量块的碰撞间距大；
所述第三碰撞限位结构与所述固定外框的碰撞间距较所述第二碰撞限位结构与所述Z轴质量块的碰撞间距大。
12.根据权利要求9所述的加速度计，其特征在于，
所述第一碰撞限位结构与所述Z轴质量块的碰撞距离设计为1.4～2.5um，其刚度为：500～2000N/m；
所述第二碰撞限位结构与所述Z轴质量块的碰撞间距较所述第一碰撞限位结构与所述Z轴质量块的碰撞间距大0.2～0.5um；其刚度为：2000～4000N/m；
所述第三碰撞限位结构与所述固定外框的碰撞间距较所述第一碰撞限位结构与Z轴质量块的碰撞间距大0.5～0.8um，其刚度为：10000～20000N/m。
13.一种单芯片六轴传感器，其特征在于，其包括：
陀螺仪；
如权利要求1-12任一所述的加速度计。
14.根据权利要求13所述的单芯片六轴传感器，其特征在于，所述加速度计的封装压力为40mBar～200mBar。
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