CN100483136C - 一种双轴电容式微机械加速度计 - Google Patents
一种双轴电容式微机械加速度计 Download PDFInfo
- Publication number
- CN100483136C CN100483136C CNB2006100119586A CN200610011958A CN100483136C CN 100483136 C CN100483136 C CN 100483136C CN B2006100119586 A CNB2006100119586 A CN B2006100119586A CN 200610011958 A CN200610011958 A CN 200610011958A CN 100483136 C CN100483136 C CN 100483136C
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- mass
- dual
- electrode
- accelerometer
- capacitance type
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
- G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
- G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
- G01P2015/0805—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration
- G01P2015/0808—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate
- G01P2015/082—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for two degrees of freedom of movement of a single mass
Landscapes
- Pressure Sensors (AREA)
Abstract
双轴电容式微机械加速度计包括基片、质量块、弹性支撑、驱动电极、检测电极、齿枢和止挡,结构为中心对称图形,通过一个质量块敏感两个正交方向的加速度。质量块居于结构的中心,质量块***是弹性支撑、止挡、驱动电极和检测电极。设计的弹性支撑较好地实现了两个正交方向的解耦,使两个方向的灵敏度、分辨率都较高。弹性支撑是以正方形的四个角为锚点,其结构稳定性好。以梳齿电容的形式实现差动的静电驱动、电容检测,提高了加速度计的灵敏度和分辨率。此结构易于实现高精度的二维加速度测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种电容式微机械加速度计,特别是一种双轴电容式微机械加速度计,属于微机电***MEMS中的微机械传感器领域,它作为微惯性器件广泛应用于汽车电子、航空航天、武器装备等领域。
背景技术
MEMS正处于发展时期,它的技术和市场都尚未成熟,但其孕育的广阔发展前景、巨大的社会、经济效益是世人共知的,微机械加速度计是其中最成功的代表。微机械加速度计的研究始于20世纪70年代初,并在80年代形成单轴微机械加速度计产品,90年代末出现了多轴的微机械加速度计,市场上最具有代表性的是美国AD公司ADXL系列微机械加速度计。微机械加速度计发展很快,有压阻式、电容式、压电式、力平衡式、热对流式、谐振式和隧道电流式等多种形式。与诸多形式相比,电容微机械加速度计灵敏度高、温度漂移小、稳定性好、抗过载能力强、便于自检、易于实现低成本的高精度测量。电容式微机械加速度计在国外发展较为成熟,并成功产业化,在国内还处于实验室样机阶段,距产业化还有一定的距离。现有的微机械加速度计产品大都是中低精度的,测量精度还不能达到惯性级的要求,严重地制约其应用范围,只是较多地应用在精度要求不高的商用领域。微机械加速度计产品多是单轴的,而实际应用中常常需要双轴或三轴加速度计来测量加速度矢量,公开的文献中大多是对单轴加速度计的研究,多轴加速度计的研究报道较少。目前微机械加速度计的研究方向主要集中于高精度、多轴集成和数字化输出方面,提高加速度计性能就是要实现多轴的高灵敏度、低噪声、低漂移和大动态范围的测量。
发明内容
本发明的技术解决问题:克服现有技术的不足,提供一种高精度的双轴电容微机械加速度计,以解决现有微机械加速度计多为单轴、灵敏度和分辨率不够高的问题,实现高精度的二维加速度测量。
本发明的技术方案:双轴电容式微机械加速度计,其特点在于:包括基片、质量块、弹性支撑、驱动电极、检测电极及齿枢,整个结构为中心对称图形,通过一个质量块敏感两个正交方向的加速度,质量块居于结构的中心,质量块***是弹性支撑、驱动电极和检测电极,弹性支撑由四个双端固支梁和四个悬臂梁构成,四个双端固支梁构成正方形,正方形的四个角是锚点,每个悬臂梁的一端与质量块固连,另一端与其对应的双端固支梁中间固连;驱动电极和检测电极的活动极板与质量块固连,电极的固定极板与齿枢固连,以梳齿偏置结构实现差动的静电驱动和电容检测。
此外,在质量块的***四周布置有止挡,可有效地实现过载保护,防止在较强的冲击下弹性支撑结构断裂。
本发明与现有技术相比的优点在于:本发明采用一个质量块敏感两个方向的加速度,以巧妙的弹性支撑结构实现了两个正交方向的解耦,使两个方向的灵敏度、分辨率都较高;以正方形的四个角为锚点的中心对称结构非常稳定,具有较大的抗冲击能力;以梳齿偏置的结构实现了差动的静电驱动、电容检测,有效地消除共模干扰,提高灵敏度、分辨率,易于实现高精度的二维加速度测量。
附图说明
图1是本发明的双轴电容式微机械加速度计平面结构示意图。
具体实施方式
如图1所示,本发明包括基片1、质量块2、弹性支撑、驱动电极和检测电极、齿枢15、25、35、45、齿枢15、25、35、45、止挡17、27、37、47、锚点16、26、36、46通过键合与基片1连接,结构为中心对称,通过一个质量块2敏感两个正交方向的加速度。质量块2居于结构的中心,质量块2***是弹性支撑、止挡17、27、37、47、齿枢15、25、35、45、驱动电极和检测电极。弹性支撑由四个双端固支梁12、22、32、42和四个悬臂梁11、21、31、41构成,四个双端固支梁12、22、32、42构成正方形,正方形的四个角是锚点16、26、36、46。每个悬臂梁11、21、31、41一端与质量块2固连,另一端与其对应的双端固支梁12、22、32、42中间固连。驱动电极、检测电极的活动极板14、24、34、44与质量块2固连,电极的固定极板13、23、33、43与齿枢15、25、35、45固连,驱动电极、检测电极均以梳齿偏置结构构成,以差动电容的形式实现静电驱动和电容检测。止挡17、27、37、47可有效地实现过载保护,防止在较强的冲击下弹性支撑结构断裂。
本发明工作原理:通过敏感质量块将加速度转化为惯性力,惯性力使敏感质量块发生位移,电容的活动极板与质量块固连,活动极板的位移使电容极板间距发生变化,通过测量电容量推算出被测加速度。同时,为了减少加速度计的非线性、提高测试精度,采用静电力反馈构成力平衡式闭环***,使质量块工作在0位平衡位置。当有垂直方向的加速度输入时,质量块2产生的惯性力使弹性支撑发生形变,质量块2与其左右两侧的电极活动极板24、44固连,它们一起发生垂直方向的位移,使电容活动极板24、44与固定极板23、43之间的间距发生变化,通过测量电容的变化推知垂直方向的被测加速度。被测信息反馈为驱动电极极板上的电压,控制作用在电容活动极板24、44上的静电力,使静电力和惯性力相平衡,于是质量块2就工作在垂直方向的0位移平衡位置;当有水平方向的加速度输入时,质量块2产生水平方向的惯性力,弹性支撑发生变形,质量块2与其上下两边的电极活动极板14、34固连,它们一起发生水平方向的位移,使活动极板14、34与固定极板13、33之间的间距发生变化,通过测量电容的变化推知水平方向的被测加速度。被测信息反馈为驱动电极极板上的电压,控制作用在电容活动极板14、34上的静电力,使静电力和惯性力相平衡,于是质量块2就工作在水平方向的0位移平衡位置。
综上所述,本发明提出了一种新颖结构形式的双轴电容式微机械加速度计,它体积小、重量轻,可实现高灵敏度、高分辨率的二维加速度测量,开拓了这类加速度计在高精度领域的应用。
Claims (2)
1、双轴电容式微机械加速度计,其特点在于:包括基片、质量块、弹性支撑、驱动电极、检测电极和齿枢,整个结构为中心对称图形,通过一个质量块敏感两个正交方向的加速度;质量块居于结构的中心,质量块***是弹性支撑、驱动电极和检测电极,弹性支撑由四个双端固支梁和四个悬臂梁构成,四个双端固支梁构成的正方形的四个角是锚点,每个悬臂梁的一端与质量块固连,另一端与其对应的双端固支梁中间固连;驱动电极和检测电极以梳齿偏置结构构成差动电容,差动电容的活动极板与质量块连接,差动电容的固定极板与齿枢连接。
2、根据权利要求1所述的双轴电容式微机械加速度计,其特征在于:在所述质量块的***,轴对称地设有两个止挡。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CNB2006100119586A CN100483136C (zh) | 2006-05-23 | 2006-05-23 | 一种双轴电容式微机械加速度计 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CNB2006100119586A CN100483136C (zh) | 2006-05-23 | 2006-05-23 | 一种双轴电容式微机械加速度计 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN1844934A CN1844934A (zh) | 2006-10-11 |
CN100483136C true CN100483136C (zh) | 2009-04-29 |
Family
ID=37063877
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CNB2006100119586A Expired - Fee Related CN100483136C (zh) | 2006-05-23 | 2006-05-23 | 一种双轴电容式微机械加速度计 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN100483136C (zh) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101871952A (zh) * | 2010-06-11 | 2010-10-27 | 瑞声声学科技(深圳)有限公司 | Mems加速度传感器 |
Families Citing this family (16)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102006058747A1 (de) * | 2006-12-12 | 2008-06-19 | Robert Bosch Gmbh | Mikromechanischer z-Sensor |
DE102008017156A1 (de) * | 2008-04-03 | 2009-10-08 | Continental Teves Ag & Co. Ohg | Mikromechanischer Beschleunigungssensor |
CN101504426B (zh) * | 2009-02-23 | 2011-01-05 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 梳齿电容式双轴加速度计 |
CN101776696B (zh) * | 2010-02-10 | 2012-05-23 | 合肥工业大学 | 一种三维流速传感器 |
CN102156194B (zh) * | 2011-03-07 | 2012-04-11 | 东南大学 | 加速度计止挡结构 |
CN103728467B (zh) * | 2012-10-16 | 2016-03-16 | 无锡华润上华半导体有限公司 | 平行板电容器 |
CN104781678B (zh) * | 2013-04-02 | 2017-05-24 | 富士电机株式会社 | 静电容量型传感器以及非线性输出的校正方法 |
CN103278149B (zh) * | 2013-06-19 | 2015-07-08 | 江苏物联网研究发展中心 | 单轴折叠弹簧梁叉指电容加速度计 |
CN103645343B (zh) * | 2013-12-06 | 2016-07-13 | 杭州士兰微电子股份有限公司 | 多轴电容式加速度计 |
CN103777066A (zh) * | 2014-01-03 | 2014-05-07 | 南京邮电大学 | 一种微电子机械双通道微波功率检测***及其制备方法 |
US11099207B2 (en) * | 2018-10-25 | 2021-08-24 | Analog Devices, Inc. | Low-noise multi-axis accelerometers and related methods |
CN109444465A (zh) * | 2018-12-29 | 2019-03-08 | 深迪半导体(上海)有限公司 | 一种加速度计 |
CN110455656B (zh) * | 2019-08-26 | 2022-05-24 | 吉林大学 | 精密作动/感知双模式一体化的微机械梳齿结构及检测方法 |
CN113391094A (zh) * | 2020-03-12 | 2021-09-14 | 北京微元时代科技有限公司 | 一种电容式微机械加速度计 |
CN113466491B (zh) * | 2021-07-01 | 2023-12-05 | 兰州空间技术物理研究所 | 一种卫星加速度计敏感结构 |
CN114609413A (zh) * | 2022-05-11 | 2022-06-10 | 绍兴圆方半导体有限公司 | 三轴加速度计 |
-
2006
- 2006-05-23 CN CNB2006100119586A patent/CN100483136C/zh not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
梳齿式微加速度计闭环***性能的分析与优化. 吴天准,董景新,刘云峰,赵长德.仪器仪表学报,第27卷第3期. 2006 |
梳齿式微加速度计闭环***性能的分析与优化. 吴天准,董景新,刘云峰,赵长德.仪器仪表学报,第27卷第3期. 2006 * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101871952A (zh) * | 2010-06-11 | 2010-10-27 | 瑞声声学科技(深圳)有限公司 | Mems加速度传感器 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN1844934A (zh) | 2006-10-11 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN100483136C (zh) | 一种双轴电容式微机械加速度计 | |
CN100483137C (zh) | 一种电容式微机械加速度计 | |
CN100567993C (zh) | 一种双轴谐振式微机械加速度计 | |
CN102495236A (zh) | 一种高灵敏度双轴硅微谐振式加速度计 | |
CN110824196B (zh) | 对应力不敏感的mems电容式z轴加速度计 | |
CN102590555A (zh) | 谐振-力平衡电容式三轴加速度传感器及制作方法 | |
CN101038299A (zh) | 基于单质量块的单轴集成惯性测量器件 | |
CN1844933A (zh) | 一种扭摆式硅mems角加速度传感器 | |
CN101504426B (zh) | 梳齿电容式双轴加速度计 | |
CN109001490B (zh) | 一种高灵敏度扭摆式硅微加速度计及其制备方法 | |
CN101759136B (zh) | 一种全解耦振动式微机械陀螺 | |
CN115792280A (zh) | 一种基于双稳梁-直梁设计的准零刚度mems加速度计 | |
CN102221361A (zh) | 一种电容式微机械陀螺 | |
CN101839923A (zh) | 一种基于soi技术的双轴加速度计 | |
CN102435780B (zh) | 一种单片三轴微机械加速度计 | |
CN210572371U (zh) | 三轴电容式微加速度计 | |
CN111812355B (zh) | 一种低应力敏感度硅微谐振式加速度计结构 | |
CN102101637B (zh) | 嵌入横向可动电极的微惯性传感器 | |
CN215338345U (zh) | 一种离面检测陀螺仪 | |
US6895819B1 (en) | Acceleration sensor | |
CN204848255U (zh) | 一种基于电磁感应的微惯性传感器 | |
CN113375653A (zh) | 一种离面检测陀螺仪 | |
CN114354976A (zh) | 一种降低边缘效应的mems加速度计 | |
CN114034884A (zh) | 一种多差分电容式加速度传感器 | |
CN108828264B (zh) | 一种两轴梳齿式微加速度计 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
C17 | Cessation of patent right | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20090429 Termination date: 20120523 |