CN102435780A - 一种单片三轴微机械加速度计 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单片三轴微机械加速度计，包括键合连接为一体的上盖、下盖以及多个带有活动电容极板的敏感质量块组件，所述多个敏感质量块组件呈中心中心对称结构布置于上盖和下盖之间，所述上盖和下盖上均设有多个固定电容板，上盖上的多个固定电容板与下盖上的多个固定电容板一一对应、且相对设置，各敏感质量块组件设于上、下两个固定电容板之间形成多个差分电容。该单片三轴微机械加速度计在小量程范围内具有较好的线性度和灵敏度、加工工艺简单、重复性好、灵敏度高、成本低廉。

Description

一种单片三轴微机械加速度计
技术领域
本发明涉及微机电***中的微机械传感器，尤其涉及一种单片三轴微机械加速度计。
背景技术
加速度计主要用于测量运动物体相对惯性空间的运动参数，传统的加速度计受体积、重量和成本等的限制，难以在民用领域推广应用。以MEMS（微机电***）技术为基础的微机械加速度计具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等突出优点，而广泛应用于汽车运动状态控制***、摄像机稳定***、运动机械控制等领域。
目前，介绍加速度计的文献很多，主要分为压阻式、压电式、电容式、隧道式等，但通常只能检测一个或两个轴向的加速度。许多应用场合要求对三轴加速度进行检测，最初主要通过多个单轴加速度计组合来测量，但是这种拼装结构存在一些固有缺陷，如装配定位困难、体积大、一致性差等。
目前，三轴微机械加速度计主要分为两种结构形式：单质量块结构和多质量块结构。单质量块结构的三轴微加速度计尺寸较小，但存在着较为明显的交叉轴耦合现象，并且三个轴向上的一致性较差。IMEGO（怡美高公司）介绍了一种基于多敏感质量块结构的三轴微加速度计，其敏感质量块中心对称布置且采用单悬臂梁支撑，但受力时存在扭转现象在一定程度上影响了检测精度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种在小量程范围内具有较好的线性度和灵敏度、加工工艺简单、重复性好、灵敏度高、成本低廉的单片三轴微机械加速度计。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种单片三轴微机械加速度计，包括键合连接为一体的上盖、下盖以及多个带有活动电容极板的敏感质量块组件，所述多个敏感质量块组件呈中心对称结构布置于上盖和下盖之间，所述上盖和下盖上均设有多个固定电容板，上盖上的多个固定电容板与下盖上的多个固定电容板一一对应、且相对设置，各敏感质量块组件设于上、下两个固定电容板之间形成多个差分电容。
所述敏感质量块组件由键合锚点、质量块和两根支撑梁组成，所述质量块呈平板状，所述两根支撑梁分设于质量块两侧，所述支撑梁一端与键合锚点连接，另一端与质量块远离所述键合锚点的一端连接。
所述支撑梁的两侧面相对于上、下表面倾斜设置。
所述固定电容板连有引线铝电极。
所述上盖和下盖上设有与引线铝电极位置对应的引线缺口。
所述敏感质量块组件设有四件，所述四件敏感质量块组件呈中心对称结构布置。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的单片三轴微机械加速度计，采用多个敏感质量块组件呈中心对称结构布置，通过差分电容进行加速度检测，只需对测得的数据进行适当的去耦算法即可解算出三个轴向的加速度，改善了单质量块结构三轴加速度计普遍存在的三轴向一致性差的问题，有效降低了交叉轴耦合现象，最大限度的保证加速度计三个轴向上动态、静态特性的一致；同时其结构简单，安装定位方便、误差小，温度特性好，在小量程范围内具有很高的线性度和灵敏度。敏感质量块组件中的质量块呈平板状，在相等结构体积下可实现敏感质量最大化，既可提高微机械加速度计的灵敏度和分辨率，又可缩减微机械加速度计的占用体积。各质量块由两根支撑梁支撑，同时支撑梁的两侧面相对于上、下表面倾斜设置，可减少扭转现象对检测精度的影响。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的拆分结构示意图。
图3是本发明中敏感质量块组件的示意图。
图4是本发明中敏感质量块组件的俯视图。
图5是图4的A－A剖面旋转放大图。
图6是本发明中上盖的结构示意图。
图7是本发明中下盖的结构示意图。
图中各标号表示：
1、上盖；2、下盖；3、敏感质量块组件；4、固定电容板；5、引线缺口；31、键合锚点；32、支撑梁；33、质量块；41、引线铝电极。
具体实施方式
图1至图7示出了本发明的一种单片三轴微机械加速度计实施例，该加速度计包括键合连接为一体的上盖1、下盖2以及多个带有活动电容极板的敏感质量块组件3，多个敏感质量块组件3呈中心对称结构布置于上盖1和下盖2之间，上盖1和下盖2上均设有多个固定电容板4，上盖1上的多个固定电容板4与下盖2上的多个固定电容板4一一对应、且相对设置，各敏感质量块组件3设于上、下两个固定电容板4之间形成多个差分电容，通过差分电容进行加速度检测，只需对测得的数据进行适当的去耦算法即可解算出三个轴向的加速度，改善了现有单质量块结构三轴加速度计普遍存在的三轴向一致性差的问题，有效降低了交叉轴耦合现象，最大限度的保证加速度计三个轴向上动态、静态特性的一致；同时其结构简单，安装定位方便、误差小，温度特性好，在小量程范围内具有很高的线性度和灵敏度。
本实施例中，敏感质量块组件3设有四件，四件敏感质量块组件3呈中心对称结构布置。各敏感质量块组件3由键合锚点31、质量块33和两根支撑梁32组成，质量块33呈平板状，在相等结构体积下可实现最大敏感质量，既可提高微机械加速度计的灵敏度和分辨率，又可缩减微机械加速度计的占用体积；两根支撑梁32分设于质量块33两侧，支撑梁32一端与键合锚点31连接，另一端与质量块33远离键合锚点31的一端连接，支撑梁32的两侧面相对于上、下表面倾斜设置，可减少扭转现象对检测精度的影响。各固定电容板4连有引线铝电极41，上盖1和下盖2上设有与引线铝电极41位置对应的引线缺口5，便于加速度计与外部设备进行连接。
本发明的单片三轴微机械加速度计可采用以下工艺制作：
1、硅结构制作；
选用<100>晶向双面抛光的硅片作为敏感质量块组件3的制作基体，利用硅各向异性湿法腐蚀技术，通过双面光刻技术得到呈中心对称结构布置的四个敏感质量块组件3。
2、下盖电极制作；
（a）、首先，在下盖2腐蚀出一定深度的凹槽，为敏感质量块组件3提供运动间隙；
（b）、在腐蚀的凹槽平面内，制作形成检测电容的固定电容板4。
3、上盖电极制作
（a）、首先，在上盖1腐蚀出和下盖2同样深度的凹槽，为敏感质量块组件3提供运动间隙；
（b）、在腐蚀的凹槽平面内，制作形成检测电容的固定电容板4，使之与下盖2上的固定电容板4、以及敏感质量块组件3构成一对差分电容。
4、“玻璃-硅-玻璃”三层键合
通过阳极键合技术实现“玻璃-硅”键合，然后反转实现“玻璃-硅-玻璃”三层键合。
本发明的工作原理：通过质量块33将输入的加速度转化为惯性力，惯性力使质量块33带动其上的活动电容极板发生位移，活动电容极板的位移使电容发生变化。当外界有垂直方向的加速度输入时，对应的质量块33产生的惯性力使支撑梁32发生变形，质量块33发生垂直方向位移时，使活动电容极板和固定电容板4之间的间距发生变化，从而改变电容量；当外界有水平方向的加速度输入时，对应的质量块33产生的惯性力使支撑梁32发生变形，质量块33发生水平面内的位移，使活动电容极板和固定电容板4之间的相对面积变化，从而改变电容量；通过测量四个电容的变化量解算出三个轴向的加速度。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***，被测信息反馈为电极板上的电压，控制作用在质量块33上的静电力，使质量块33静电力和惯性力相平衡，于是质量块就始终工作在平衡位置。
本发明的单片三轴微机械加速度计，结构合理、体积微小、易于加工，可以在多种军事设备、民用设备中应用。
上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。 

Claims (7)

1.一种单片三轴微机械加速度计，其特征在于：包括键合连接为一体的上盖（1）、下盖（2）以及多个带有活动电容极板的敏感质量块组件（3），所述多个敏感质量块组件（3）呈中心对称结构布置于上盖（1）和下盖（2）之间，所述上盖（1）和下盖（2）上均设有多个固定电容板（4），上盖（1）上的多个固定电容板（4）与下盖（2）上的多个固定电容板（4）一一对应、且相对设置，各敏感质量块组件（3）设于上、下两个固定电容板（4）之间形成多个差分电容。
2.根据权利要求1所述的单片三轴微机械加速度计，其特征在于：所述敏感质量块组件（3）由键合锚点（31）、质量块（33）和两根支撑梁（32）组成，所述质量块（33）呈平板状，所述两根支撑梁（32）分设于质量块（33）两侧，所述支撑梁（32）一端与键合锚点（31）连接，另一端与质量块（33）远离所述键合锚点（31）的一端连接。
3.根据权利要求2所述的单片三轴微机械加速度计，其特征在于：所述支撑梁（32）的两侧面相对于上、下表面倾斜设置。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的单片三轴微机械加速度计，其特征在于：所述固定电容板（4）连有引线铝电极（41）。
5.根据权利要求4所述的单片三轴微机械加速度计，其特征在于：所述上盖（1）和下盖（2）上设有与引线铝电极（41）位置对应的引线缺口（5）。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的单片三轴微机械加速度计，其特征在于：所述敏感质量块组件（3）设有四件，所述四件敏感质量块组件（3）呈中心对称结构布置。
7.根据权利要求5所述的单片三轴微机械加速度计，其特征在于：所述敏感质量块组件（3）设有四件，所述四件敏感质量块组件（3）呈中心对称结构布置。
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