CN220709182U - 一种加速度传感器敏感组件及加速度传感器芯片结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种加速度传感器敏感组件及加速度传感器芯片结构，其中，加速度传感器敏感组件，包括：基板、弹性梁和电热驱动梁，弹性梁安装于基板且固接有框架，框架设有第一梳齿部，第一梳齿部包括多个间隔设置的第一子梳齿，任意相邻的第一子梳齿之间形成梳齿槽；电热驱动梁，安装于基板且位于框架内，电热驱动梁固接有支架，支架设有第二梳齿部，第二梳齿部包括多个间隔设置的第二子梳齿，第二子梳齿分别位于梳齿槽中。本实用新型提供的加速度敏感组件，实现梳齿间隙的改变，使得梳齿间隙缩小至数百纳米甚至数十纳米，提高了加速度传感器的灵敏度；可以实现对加速度传感器敏感组件的零偏的校准；此外，结构设计紧凑，成本低。
Description
技术领域
本实用新型涉及传感器技术领域，具体而言，涉及一种加速度传感器敏感组件及加速度传感器芯片结构。
背景技术
电容式加速度传感芯片是一种基于微纳制造工艺的加速度传感器，能够测量物体的加速度，并将其转化为电信号输出。电容式加速度传感芯片被广泛的应用在消费电子、汽车电子、工业、国防等领域。
电容式加速度传感芯片的工作原理基于电容变化的检测。它通常由微机电系统芯片和信号处理电路组成。芯片中包含微小的机械结构，常见的电容式加速度传感芯片结构包括：微梳齿电容、微平板电容等。当受到加速度作用时，这些微结构会产生微小的位移，导致电极之间的电容发生变化。这个变化可以通过电路进行测量和处理，从而获得加速度的信息。
在加速度传感芯片的梳齿电容结构中，梳齿间隙起到决定电容值的作用。梳齿结构由两组相互嵌套的电极组成，其中一组电极上有一系列的梳齿，而另一组电极上有相应数量的梳齿。梳齿间隙即为两组电极之间形成一系列平行的电容间隙。梳齿间隙的大小直接影响电容值的大小。较小的梳齿间隙会导致更大的电容值，从而在结构刚度不变的前提下，获得更高的结构灵敏度。因此，对于电容式加速度传感芯片而言，梳齿间隙通常越小越好。
为了提高电容式加速度传感器芯片的灵敏度，现有技术中，第一种方式，采用更高精度的光刻技术以及更高深宽比的刻蚀技术。通过这种方法，在工艺条件控制较好的情况下，通常可以加工约为1微米至5微米的梳齿间隙，深宽比约为10至20的梳齿电容。然而，梳齿间隙小于1微米的梳齿电容结构，很难通过这种方法进行加工。第二种方式，采用高深宽比多晶硅-单晶硅复合刻蚀工艺，这种工艺通过在单晶硅结构上制作多晶硅和氧化硅结构层，能够实现数百纳米级别梳齿间隙的梳齿电容结构。然而，这种制造方法的工艺流程较为复杂，制造成本高，且需要非常精细的加工工艺控制。
综上所述，现有技术还存在如下缺点：梳齿加工工艺要求高且加工工艺复杂，制造成本高以及加速度传感器灵敏度差。
实用新型内容
本实用新型的第一方面提供一种加速度传感器敏感组件，用于解决现有技术中梳齿加工工艺要求高且加工工艺复杂，制造成本高以及加速度传感器灵敏度差的技术问题。
本实用新型的第一方面提供一种加速度传感器敏感组件，包括：
基板；
弹性梁，安装于所述基板且固接有框架，所述框架设有第一梳齿部，所述第一梳齿部包括多个间隔设置的第一子梳齿，任意相邻的所述第一子梳齿之间形成梳齿槽；
电热驱动梁，安装于所述基板且位于所述框架内，所述电热驱动梁固接有支架，所述支架设有第二梳齿部，所述第二梳齿部包括多个间隔设置的第二子梳齿，所述第二子梳齿分别位于所述梳齿槽中。
本实用新型提供的加速度敏感组件，通过设置与弹性梁连接的第一梳齿部以及与电热驱动梁连接的第二梳齿部，实现梳齿间隙的改变，使得梳齿间隙缩小至数百纳米甚至数十纳米，将梳齿电容对外部加速度的灵敏度提高了2-3个数量级，可以实现对于10-6-10-8重力加速度的传感，提高了加速度传感器的灵敏度；可以通过调整电热驱动梁的驱动电压，实现对加速度传感器敏感组件的零偏的校准；此外，结构设计紧凑，成本低，加工制造工艺简单以及加工工艺要求低。
进一步地，所述弹性梁的数量为2个且相对设置，所述框架的两端分别固接于个所述弹性梁。
进一步地，所述框架为口字型结构或工字型结构，所述框架包括第一连接板、第二连接板和固接于两者之间的支撑架，其中一个所述弹性梁固接于所述第一连接板；另一个所述弹性梁固接于所述第二连接板；多个所述第一子梳齿固设于所述支撑架。
进一步地，所述支撑架固设有第一梳齿安装板，多个所述第一子梳齿固设于所述第一梳齿安装板。
进一步地，所述电热驱动梁的数量为2个且相对设置，所述支架的两端分别固接于2个所述电热驱动梁；
和/或，所述电热驱动梁的截面形状为V型、N型和A型中的至少一种；
和/或，所述电热驱动梁包括多组并联设置的电热子驱动梁。
本实用新型的第二方面提供一种加速度传感器芯片结构，包括壳体和上述任一项所述的加速度传感器敏感组件，所述加速度传感器敏感组件设于所述壳体内，所述壳体内还设有温控组件和控制器，所述温控组件包括温度传感器和温控部件，所述温度传感器和所述温控部件均与所述控制器电连接，所述温度传感器用于检测所述壳体内的温度值，所述控制器用于接收所述温度值并控制所述温控部件以使所述温度值在预设温度范围内。
本实用新型实施例提供的加速度传感器芯片结构，通过设置与控制器电连接的温度传感器和温控部件，能够将壳体内的温度控制在预设温度范围内，保证加速度传感器敏感组件的灵敏度；能够实现加速度传感器芯片结构的温度漂移校准；此外，加速度传感器敏感组件，通过设置与弹性梁连接的第一梳齿部以及与电热驱动梁连接的第二梳齿部，实现梳齿间隙的改变，使得梳齿间隙缩小至数百纳米甚至数十纳米，将梳齿电容对外部加速度的灵敏度提高了2-3个数量级，可以实现对于重力加速度的传感，提高了加速度传感器的灵敏度；可以通过调整电热驱动梁的驱动电压，实现对加速度传感器敏感组件的零偏的校准；结构设计紧凑，成本低，加工制造工艺简单以及加工工艺要求低。
进一步地，所述温控部件包括加热部件，用于使所述壳体内的温度升高。
进一步地，所述壳体内还设有电容读出电路组件，用于将所述加速度传感器敏感组件的电容值转换为电压值。
进一步地，所述控制器安装于所述基板上；
和/或，所述温度传感器安装于所述基板上；
和/或，所述加热部件安装于所述基板上；
和/或，电容读出电路组件安装于所述基板上。
进一步地，所述温度传感器安装于所述加速度传感器敏感组件上。
附图说明
图1为本实用新型实施例提供的加速度传感器敏感组件的爆炸结构示意图；
图2为本实用新型实施例提供的加速度传感器敏感组件的结构示意图；
图3为本实用新型实施例提供的加速度传感器敏感组件中N型电热驱动梁的结构示意图；
图4为本实用新型实施例提供的加速度传感器敏感组件中A型电热驱动梁的结构示意图；
图5为本实用新型实施例提供的加速度传感器芯片结构的结构示意图；
附图标记说明：
10、加速度传感器敏感组件；100、基板；110、弹性梁；120、框架；121、第一连接板；122、第二连接板；123、支撑架；124、第一梳齿安装板；130、第一梳齿部；131、第一子梳齿；132、梳齿槽；140、电热驱动梁；150、支架；160、第二梳齿部；161、第二子梳齿；1、壳体；21、温度传感器；30、控制器；40、电容读出电路组件；50、阻容器件。
具体实施方式
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图1-5对本实用新型的具体实施例做详细的说明。
本实用新型实施例提供一种加速度传感器敏感组件。参见附图1和2，该加速度传感器敏感组件10，包括：基板100、弹性梁110和电热驱动梁140；其中，弹性梁110安装于基板100且固接有框架120，框架120设有第一梳齿部130，第一梳齿部130包括多个间隔设置的第一子梳齿131，任意相邻的第一子梳齿131之间形成梳齿槽132；电热驱动梁140，安装于基板100且位于框架120内，电热驱动梁140固接有支架150，支架150设有第二梳齿部160，第二梳齿部160包括多个间隔设置的第二子梳齿161，第二子梳齿161分别位于梳齿槽132中。
需要说明的是，第二子梳齿161分别位于梳齿槽132中，形成第一电容和第二电容，第一电容和第二电容构成差分电容；弹性梁110在外部加速度作用下，能够驱动框架120产生弹性位移，带动第一子梳齿131运动，导致第一电容和第二电容中的一个电容增大，另一个电容减小，从而改变差分梳齿电容的大小，起到加速度敏感的效果。
需要说明的是，电热驱动梁140具有低灵敏度工作状态和高灵敏度工作状态，若处于低灵敏度工作状态，电热驱动梁140不施加电热驱动电压，第二子梳齿161不运动，第二子梳齿161拥有较大的行程，即加速度传感器拥有较大的量程，以及较低的灵敏度；若处于高灵敏度工作状态，电热驱动梁140施加电热驱动电压，通过焦耳热加热电热驱动梁140，驱动第二子梳齿161运动，从而改变第二子梳齿161与梳齿槽132之间的间隙，使得该梳齿间隙得以缩小至数百甚至数十纳米，导致第一电容和第二电容中的一个电容进一步增大，另一个电容进一步减小，提升了差分梳齿电容的初始电容大小，提升了加速度传感器结构的灵敏度。
需要说明的是，通过电热驱动梁140驱动第二子梳齿161运动，进一步减小第二子梳齿162与梳齿槽132的间隙，与现有技术中依赖高的加工工艺，加工1微米至5微米的梳齿间隙相比，加工工艺要求低，加工制造工艺简单。
需要说明的是，可以在加速度传感器处于静止状态时，检测此时加速度传感器是否存在零偏，若存在零偏，则可以通过调整电热驱动梁140的驱动电压，使得加速度传感器敏感组件10处于零电位的位置，实现加速度传感器的零偏校准。
因此，本实用新型实施例提供的加速度传感器敏感组件10，通过设置与弹性梁110连接的第一梳齿部130以及与电热驱动梁140连接的第二梳齿部160，实现梳齿间隙的改变，使得梳齿间隙缩小至数百纳米甚至数十纳米，将梳齿电容对外部加速度的灵敏度提高了2-3个数量级，可以实现对于10-6-10-8重力加速度的传感，提高了加速度传感器的灵敏度；可以通过调整电热驱动梁140的驱动电压，实现对加速度传感器敏感组件10的零偏的校准；此外，结构设计紧凑，成本低，加工制造工艺简单以及加工工艺要求低。
参见附图1，本实用新型实施例，弹性梁110的数量为2个且相对设置，框架120的两端分别固接于2个弹性梁110。如此设置，可以保证反弹压力，维持框架120位置的稳定性。
本实用新型实施例，框架120为口字型结构或工字型结构，框架120包括第一连接板121、第二连接板122和固接于两者之间的支撑架123，其中一个弹性梁110固接于第一连接板121；另一个弹性梁110固接于第二连接板122；多个第一子梳齿131固设于支撑架123。
参见附图1，本实用新型实施例，支撑架123固设有第一梳齿安装板124，多个第一子梳齿131固设于第一梳齿安装板124。
参见附图1，本实用新型实施例，电热驱动梁140的数量为2个且相对设置，支架150的两端分别固接于2个电热驱动梁140。
参见附图1、图2、图3和图4，本实用新型实施例，电热驱动梁140的截面形状为V型、N型和A型中的至少一种。如此设置，电热驱动梁140结构稳定性高，驱动力强。
本实用新型实施例，电热驱动梁140包括多组并联设置的电热子驱动梁。如此设置，电热驱动梁140结构稳定性高，驱动力强，适用于高精度加速度传感的梳齿驱动。
参见附图5，本实用新型实施例提供一种加速度传感器芯片结构，包括壳体1和上述的加速度传感器敏感组件10，加速度传感器敏感组件设于壳体1内，壳体1内还设有温控组件和控制器30，温控组件包括温度传感器21和温控部件，温度传感器21和温控部件均与控制器30电连接，温度传感器21用于检测壳体1内的温度值，控制器30用于接收温度值并控制温控部件以使温度值在预设温度范围内。
需要说明的是，由于加速度传感器敏感组件在预设温度范围内可获得最佳的精度，如果温度大于预设温度范围，会由于噪声的增大导致传感信号质量的下降；如果温度小于预设温度范围，会导致传感器灵敏度的下降。
需要说明的是，加速度传感器芯片结构可能存在温度漂移，若出现温度漂移，在加速度传感器芯片结构处于静止状态时，将温度调节到预设温度范围内，检测此时加速度传感器的输出值，并将此值作为当前温度下的温度漂移，在加速度传感器的工作过程中，将加速度传感器的输出值减去预设温度范围的温度偏移值，从而实现加速度传感器芯片结构的温度漂移校准。
因此，本实用新型实施例提供的加速度传感器芯片结构，通过设置与控制器30电连接的温度传感器21和温控部件，能够将壳体1内的温度控制在预设温度范围内，保证加速度传感器敏感组件10的灵敏度；能够实现加速度传感器芯片结构的温度漂移校准；此外，加速度传感器敏感组件10，通过设置与弹性梁110连接的第一梳齿部130以及与电热驱动梁140连接的第二梳齿部160，实现梳齿间隙的改变，使得梳齿间隙缩小至数百纳米甚至数十纳米，将梳齿电容对外部加速度的灵敏度提高了2-3个数量级，可以实现对于10-6-10-8重力加速度的传感，提高了加速度传感器的灵敏度；可以通过调整电热驱动梁140的驱动电压，实现对加速度传感器敏感组件10的零偏的校准；结构设计紧凑，成本低，加工制造工艺简单以及加工工艺要求低。
本实用新型实施例，温控部件包括加热部件，用于使壳体1内的温度升高。
需要说明的是，若温度传感器21检测到壳体1内的温度小于预设温度范围时，控制器控制加热部件工作，使壳体1内的温度升高至预设温度范围；若温度传感器21检测到壳体1内的温度大于预设温度范围时，加热部件不工作。
参见附图5，本实用新型实施例，壳体1内还设有电容读出电路组件40，用于将加速度传感器敏感组件10的电容值转换为电压值，电压值可以为模拟量或数字量。
本实用新型实施例，控制器30安装于基板100上。
本实用新型实施例，温度传感器21安装于基板100上。
本实用新型实施例，加热部件安装于基板100上。
本实用新型实施例，电容读出电路组件40安装于基板100上。
本实用新型实施例，温度传感器21安装于加速度传感器敏感组件10上。
本实用新型实施例，壳体1的材质为塑料、陶瓷或金属。
本实用新型实施例，基板100为有机基板或陶瓷基板或金属基板。
本实用新型实施例，壳体1内还设有阻容器件50，为加速度传感芯片的供电、信号处理、信号输出、保护等功能电路组成所必要的阻容器件50。
虽然本实用新型披露如上，但本实用新型并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本实用新型的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (10)
1.一种加速度传感器敏感组件，其特征在于，包括：
基板(100)；
弹性梁(110)，安装于所述基板(100)且固接有框架(120)，所述框架(120)设有第一梳齿部(130)，所述第一梳齿部(130)包括多个间隔设置的第一子梳齿(131)，任意相邻的所述第一子梳齿(131)之间形成梳齿槽(132)；
电热驱动梁(140)，安装于所述基板(100)且位于所述框架(120)内，所述电热驱动梁(140)固接有支架(150)，所述支架(150)设有第二梳齿部(160)，所述第二梳齿部(160)包括多个间隔设置的第二子梳齿(161)，所述第二子梳齿(161)分别位于所述梳齿槽(132)中。
2.根据权利要求1所述的加速度传感器敏感组件，其特征在于，所述弹性梁(110)的数量为2个且相对设置，所述框架(120)的两端分别固接于2个所述弹性梁(110)。
3.根据权利要求2所述的加速度传感器敏感组件，其特征在于，所述框架(120)为口字型结构或工字型结构，所述框架(120)包括第一连接板(121)、第二连接板(122)和固接于两者之间的支撑架(123)，其中一个所述弹性梁(110)固接于所述第一连接板(121)；另一个所述弹性梁(110)固接于所述第二连接板(122)；多个所述第一子梳齿(131)固设于所述支撑架(123)。
4.根据权利要求3所述的加速度传感器敏感组件，其特征在于，所述支撑架(123)固设有第一梳齿安装板(124)，多个所述第一子梳齿(131)固设于所述第一梳齿安装板(124)。
5.根据权利要求1所述的加速度传感器敏感组件，其特征在于，所述电热驱动梁(140)的数量为2个且相对设置，所述支架(150)的两端分别固接于2个所述电热驱动梁(140)；
和/或，所述电热驱动梁(140)的截面形状为V型、N型和A型中的至少一种；
和/或，所述电热驱动梁(140)包括多组并联设置的电热子驱动梁。
6.一种加速度传感器芯片结构，其特征在于，包括壳体(1)和权利要求1-5中任一项所述的加速度传感器敏感组件(10)，所述加速度传感器敏感组件设于所述壳体(1)内，所述壳体(1)内还设有温控组件和控制器(30)，所述温控组件包括温度传感器(21)和温控部件，所述温度传感器(21)和所述温控部件均与所述控制器(30)电连接，所述温度传感器(21)用于检测所述壳体(1)内的温度值，所述控制器(30)用于接收所述温度值并控制所述温控部件以使所述温度值在预设温度范围内。
7.根据权利要求6所述的加速度传感器芯片结构，其特征在于，所述温控部件包括加热部件，用于使所述壳体(1)内的温度升高。
8.根据权利要求7所述的加速度传感器芯片结构，其特征在于，所述壳体(1)内还设有电容读出电路组件(40)，用于将所述加速度传感器敏感组件(10)的电容值转换为电压值。
9.根据权利要求8所述的加速度传感器芯片结构，其特征在于，所述控制器(30)安装于所述基板(100)上；
和/或，所述温度传感器(21)安装于所述基板(100)上；
和/或，所述加热部件安装于所述基板(100)上；
和/或，所述电容读出电路组件(40)安装于所述基板(100)上。
10.根据权利要求9所述的加速度传感器芯片结构，其特征在于，所述温度传感器(21)安装于所述加速度传感器敏感组件(10)上。
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CP03 | Change of name, title or address | ||
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