CN108490217B - 接触模式微加速度计 - Google Patents

Abstract

一种接触模式微加速度计。它包括下基底、上基底，下基底和上基底之间设有支撑柱、薄板与其若干支撑梁及梁的锚点，所述下基底、上基底分别设有下、上定电极，所述定电极表面覆盖设有若干条凸起的绝缘层，所述薄板的下、上表面分别设有下、上动电极，所述微加速度计具有薄板与动电极受力发生变形但未与绝缘层接触的第一工作状态及薄板与动电极受力变形并与绝缘层接触的第二工作状态。本发明利用加速度力引起动电极变形从而改变其与定电极间电容的原理进行工作。本发明通过位于定电极上的绝缘层防止动、定电极的短路，并由绝缘层提供对活动结构的支撑，故能实现高加速度的测量，梁‑圆形薄板组合结构能有效抑制传感器的电容饱和，绝缘层上凸起能有效抑制滞后误差。

Description

接触模式微加速度计

技术领域

本发明涉及微机电***领域，特别涉及一种接触模式微加速度计。

背景技术

加速度计广泛应用于工业、军事、航空、日常生活等众多领域。按工作原理，微加速度计可分为电容式、压阻式、压电式等。其中，电容式具有功耗低、响应快、灵敏度高等优点，其工作原理是：由定电极与动电极构成可变电容，其中动电极位于加速度敏感结构上并因加速度力作用而运动，则通过对动、定电极间电容值的测量可知加速度的大小。传统上电容式微加速度计的活动结构主要采用梳齿结构或由梁和刚性质量块构成的梁-质量块结构，且一般认为后者具有更高的灵敏度。采用梁-质量块结构的电容式微加速度计的量程主要受两个因素的影响：一是为防止动、定电极短路所允许的质量块最大位移值，即动、定电极初始间隙，二是梁-质量块结构的力学强度。近年来，在另一类电容式微传感器即电容式微压力传感器中，提出了一种基于接触模式的工作原理：在定电极上或动电极上覆盖绝缘层，从而防止电极间短路的发生，且承受被测压力而发生变形的薄板（薄膜）因接触力的作用而得到支撑，所以传感器的量程得到了很大的扩展。此外，动、定电极上发生接触的部分仅相隔很薄的一层绝缘层，且绝缘层的介电常数一般为真空或空气的数倍，则根据电容值与电极间隙成反比并与介电常数成正比可知在接触模式下电极间的电容值得到了提高，抗噪声能力因而也得到了提高，并能在一定加速度范围内实现很高的灵敏度。在接触模式下，电容式微压力传感器中的薄板因压力不同而发生不同的变形并因而与绝缘层之间有不同的接触面积，从而实现对压力的测量。但是，对于采用梁-质量块结构的电容式微加速度计而言，由于质量块为刚性结构，只能做平移运动而不发生变形，以上接触模式不能直接适用。

在以往的接触模式电容式传感器中，电容饱和问题是影响灵敏度的重要因素。所谓电容饱和是指当被测信号达到一定值以后，动、定电极间的电容趋于停止变化。造成这种现象的一个主要原因是随着接触面积的增大，发生变形的结构上剩余未变形部分面积越来越小，刚度越来越大，从而使得变形越来越困难。对于电容式微加速度计而言，若采用接触模式，同样需要考虑电容饱和问题。

在微机电***中，尺度效应导致分子间力——范德华力不可忽略。该力随分子间距离的减小而急剧增大。在接触模式下，动电极与绝缘层在较大面积上存在两者分子间距非常小的情况，故范德华力较大。另外，动电极与绝缘层之间的相对运动还导致摩擦力的产生。根据大量文献包括有关接触模式微压力传感器的文献可知，范德华力、摩擦力能给传感器造成显著的滞后误差（回程误差）。对于微加速度计而言，所测信号往往在很短时间内经历从小到大再从大到小的动态变化，则对滞后误差更加敏感。

发明内容

为了解决背景技术中的问题，本发明提供一种抑制电容饱和与滞后误差，具有高量程特点的接触模式微加速度计。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种接触模式微加速度计，包括：下基底、上基底，下基底和上基底之间设有支撑柱、薄板与其若干支撑梁及梁的锚点，所述下基底、上基底设有定电极，所述定电极表面覆盖有绝缘层，所述薄板的下、上表面设有动电极，所述微加速度计具有薄板与动电极受力发生变形但未与绝缘层接触的第一工作状态及薄板与动电极受力变形并与绝缘层接触的第二工作状态。

所述绝缘层表面设有若干条凸起。

所述薄板上设有大量通孔。

所述薄板为圆形薄板，与所述支撑梁构成活动结构，支撑梁在圆形薄板的边缘均匀分布。

所述薄板上的动电极与薄板形状相同，为圆形，所述下、上基底上的定电极也相应为圆形。

在所测加速度非零的情况下即进入所述第一工作状态，圆形薄板及动电极发生变形。

当所测加速度值达到阈值后即进入所述第二工作状态，动电极与绝缘层发生接触，且接触面积随着加速度的增大而增大。

位于圆形薄板上的两个动电极与分别位于下、上基底上的定电极构成两个可变电容，并由这两个可变电容构成可变差分电容。可变差分电容的大小反映被测加速度的大小，可变差分电容的正负性反映被测加速度方向的正负性。

本发明的有益效果是：通过位于定电极上的绝缘层防止动、定电极的短路，并由绝缘层提供对活动结构的支撑，具有高量程的优点，能实现对高加速度的测量。本发明中的梁-圆形薄板组合结构能有效抑制传感器的电容饱和，绝缘层上的凸起能有效减小滞后误差。

附图说明：

图1为本发明实施例的剖视图（为清晰反映器件的构成，图中各高度方向尺寸的比例与实际情况相差很大，下同）。

图2为本发明结构在图1中A-A方向上的剖视图。

图3为本发明结构在图1中B-B方向上的剖视图。

图4为绝缘层的断面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例作进一步说明：

本发明实施例中，一种接触模式微加速度计，包括：下基底1、上基底8，下基底1和上基底8之间设有支撑柱12、薄板5与其若干支撑梁6及梁的锚点7，所述下基底1、上基底8设有下定电极2和上定电极9，所述下、上定电极2和9表面分别覆盖有下绝缘层3和上绝缘层10，所述薄板5的下、上表面分别设有下动电极4和上动电极11，所述微加速度计具有薄板5与下动电极4、上动电极11同时受力变形但未与下绝缘层3或上绝缘层10接触的第一工作状态及薄板5与下动电极4、上动电极11同时受力变形并与下绝缘层3或上绝缘层10接触的第二工作状态。

定电极2和9与动电极4和11构成两对电极，而两个动电极位于同一变形体上并发生相同的变形，故这两对电极构成可变差分电容器。不论是处于第一工作状态还是第二工作状态，差分电容的大小反映被测加速度的大小，差分电容的正负性反映被测加速度方向的正负性，而且差分电容结构有利于减小共模干扰，提高传感器的测试精度。

微加速度计的活动结构由薄板5和支撑梁6构成，以薄板代替传统梁-质量块结构电容式微加速度计中的刚性质量块，与梁-质量块结构电容式微加速度计中动电极仅能做平移运动不同，本发明中，在载荷作用下，薄板及附于其上的动电极发生变形，在量程的起始阶段，动电极未与覆盖于定电极上的绝缘层接触，微加速度计处于第一工作状态，当所测加速度大于一定值时，动电极与覆盖于定电极上的绝缘层发生接触，微加速度计进入第二工作状态，并因该状态的存在极大地扩展了量程。在接触模式下，梁并不与绝缘层发生接触，故即使在动电极大部分面积已与绝缘层发生接触的情况下，活动结构剩余未变形部分的刚度仍足够小，则可有效抑制电容饱和现象的出现。

薄板5采用圆形结构。与矩形板相比，圆板上变形及应力的分布更为均匀，有利于提高板的强度，有利于板向各支撑梁传递相同大小的载荷，故圆板更适用于高加速度条件下的测量。因薄板为圆形，覆盖于其上的动电极以及位于上、下基底上的定电极也采用圆形。

支撑梁均匀分布于薄板边缘上并关于薄板中心对称，各梁形状、尺寸均相同并与其它们所支撑的板等厚，且梁的数目高达36根。支撑梁与板等厚可减小两者之间的刚度差别，同时还可简化加工工艺，通过对梁的数目、长度、宽度的调整，可改变梁的总刚度并确保薄板不会因刚度远大于梁的总刚度而只作平移运动。

在绝缘层3和10的表面有多条环状凸起，以消除或减小由范德华力、摩擦力引起的滞后误差。由于范德华力与物体间隙大小的三次方成反比，而电容仅与电极间隙一次方成反比，且动电极与绝缘层互相接触部分的间隙大小为分子尺寸级别，远小于动、定电极之间距离（不小于绝缘层厚度），所以这些凸起能显著减小范德华力而对电容值影响微乎其微。此外，这些凸起的存在还能减少动电极与绝缘层之间的摩擦，从而减小摩擦力。

薄板5上有大量通孔，起减小空气阻尼的作用。

本实施例的加工可采用现有常见微加工技术，如：由薄板5和支撑梁6构成的活动结构可通过牺牲层工艺加工于下基底1上，其与下基底的连接部分即为锚点7；上基底8可通过与下基底1上支撑柱12的焊接而连接于下基底1；定电极2和9、绝缘层3和10以及动电极4和11均可通过溅射工艺完成；绝缘层3和10上凸起、薄板5上通孔等的形状、平面尺寸和分布位置均可根据实际需要灵活设计并由掩膜板的图形来实现。

各位技术人员须知：虽然本发明已按照上述具体实施方式做了描述，但是本发明的发明思想并不仅限于此发明，任何运用本发明思想的改装，都将纳入本专利专利权保护范围内。

Claims (7)

1.一种接触模式微加速度计，包括：下基底（1）、上基底（8），下基底（1）和上基底（8）之间设有支撑柱（12）、薄板（5）与其若干支撑梁（6）及其梁的锚点（7），其特征在于：所述下基底（1）、上基底（8）分别设有下定电极（2）、上定电极（9），所述下定电极（2）、上定电极（9）表面分别覆盖有下绝缘层（3）、上绝缘层（10），所述薄板（5）的下、上表面分别设有下动电极（4）、上动电极（11），所述下、上绝缘层（3、10）表面设有若干条凸起，所述微加速度计具有薄板（5）与下、上动电极（4、11）同时受力发生变形但未与下绝缘层（3）或上绝缘层（10）接触的第一工作状态及薄板（5）与下、上动电极（4、11）同时受力变形并与下绝缘层（3）或上绝缘层（10）接触的第二工作状态。

2.根据权利要求1所述的一种接触模式微加速度计，其特征在于：所述薄板（5）上设有若干通孔。

3.根据权利要求1或2所述的一种接触模式微加速度计，其特征在于：所述薄板（5）为圆形薄板，与所述支撑梁（6）构成活动结构，支撑梁（6）在圆形薄板（5）的边缘均匀分布。

4.根据权利要求3所述的一种接触模式微加速度计，其特征在于：所述薄板（5）上的下、上动电极（4、11）与薄板（5）形状相同，为圆形，所述下、上基底（1、8）上的下、上定电极（2、9）也相应为圆形。

5.根据权利要求1所述的接触模式微加速度计，其特征是：在所测加速度非零的情况下即进入所述第一工作状态，圆形薄板（5）及下、上动电极（4、11）发生变形。

6.根据权利要求1所述的接触模式微加速度计，其特征是：当所测加速度值达到阈值后即进入所述第二工作状态，下动电极（4）或上动电极（11）与下绝缘层（3）或上绝缘层（10）发生接触，且接触面积随着加速度的增大而增大。

7.根据权利要求1所述的接触模式微加速度计，其特征是：位于圆形薄板（5）上的两个动电极（4、11）与分别位于下、上基底上的两个定电极（2、9）构成两个可变电容，并由这两个可变电容构成可变差分电容。

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