CN113391095A - 一种单质量全对称三轴硅微加速度计 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及三轴加速度计，具体是一种单质量、全对称的三轴硅微加速度计。本发明解决了现有三轴加速度计结构复杂、良率低、轴间串扰大的问题。一种单质量全对称三轴硅微加速度计，包括玻璃基底、玻璃盖帽、质量块、四根三自由度弹性梁、四个锚块、X轴检测电极、Y轴检测电极、Z轴检测电极；所述质量块、四根三自由度弹性梁、四个锚块、X轴检测电极、Y轴检测电极均为硅结构，且位于玻璃基板和玻璃盖帽之间；所述质量块、四根三自由度弹性梁的下表面与玻璃基底平行且留有间隙；所述质量块、四根三自由度弹性梁的上表面与玻璃盖板平行且留有间隙；本发明适用于导航制导、姿态控制等高端应用领域。

Description

一种单质量全对称三轴硅微加速度计
技术领域
本发明涉及三轴加速度计，具体是一种单质量、全对称的三轴加速度计
背景技术
加速度计是惯性导航***、汽车被动安全***等的核心敏感器件，广泛应用于军事、汽车等领域，具有极其广泛的应用前景。这些应用经常需要用到同时测量x轴、y轴和z轴三个方向上的加速度的三轴加速度计，现有的解决方案主要有两类：一类是由三个单轴加速度计正交组装，一般这种方案实现的三轴加速度计精度较高，但成本较高，且组装带来的正交误差会影响器件的精度。另一类是单片集成的三轴加速度计，此种加速度计存在的问题是：一、受结构限制，轴间串扰较大，导致加速度计精度差；二、一般结构比较复杂，加工生产良率低。因此有必要发明一种全新的三轴加速度计，以解决现有三轴加速度计测量精度低、生产良率低的问题。
发明内容
本发明为了解决三轴加速度计测量精度低、生产良率低的问题，提供了一种单质量三轴加速度计。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种单质量全对称三轴硅微加速度计，包括玻璃基底、玻璃盖帽、质量块、三自由度弹性梁、锚块、X轴检测电极、Y轴检测电极、Z轴检测电极；
所述质量块位于玻璃基底上方，质量块的下表面与玻璃基底平行，质量块与玻璃基底之间留有间隙：所述质量块位于玻璃盖板下方，质量块的上表面与玻璃盖板平行，质量块与玻璃盖板之间留有间隙；所述质量块的四角与四根三自由度弹性梁的一端相连，所述四根三自由度弹性梁的另一端通过四个锚块固定在玻璃基板上。
所述X轴检测电极位于质量块左右两侧，X轴检测电极与质量块侧边平行，且留有间隙，X轴检测电极的厚度大于质量块的厚度；所述Y轴检测电极位于质量块上下两侧，Y轴检测电极与质量块侧边平行，且留有间隙，Y轴检测电极的厚度大于质量块的厚度；所述Z轴检测电极分别位于玻璃基板上表面和玻璃盖板下表面；Z轴检测电极位于质量块正下方，形状与质量块相同且面积略小于质量块；Z轴检测电极位于质量块正上方，形状与质量块相同且面积略小于质量块。
玻璃基底的上表面分别溅射有两个X轴检测引线、两个Y轴检测引线、一个Z轴检测电极；玻璃盖板的下表面溅射一个Z轴检测电极；两个X轴引线与X轴检测电极一一对应相连，X轴检测电极与质量块组成一对差分的X轴检测电容；两个Y轴引线与Y轴检测电极一一对应相连，Y轴检测电极与质量块组成一对差分的Y轴检测电容：所述Z轴检测电极与质量块组成一对差分的Z轴检测电容。
所述玻璃基底和玻璃盖板均为正方形玻璃材质；所述质量块、四根三自由度弹性梁、四个锚块、X轴检测电极、Y轴检测电极、均由硅材料制备，且位于所述玻璃基底和玻璃盖板中间；所述四个锚块固定连接在所述玻璃基底和玻璃盖板上；所述Z轴检测电极由金属材料制备。
具体工作过程如下：
一、当x轴方向上有加速度输入时，质量块在x轴方向产生位移，左右两个X轴检测电极与质量块的间距发生相反变化，X轴检测电容发生变化，检测这对电容变化即可得到x轴方向的加速度大小；由于Y轴检测电极侧面积大于质量块正对Y轴检测电极部分的侧面积，当质量块x方向有位移时，Y轴检测电极与质量块的间距和正对面积均不变，因此Y轴检测电容不变；由于Z轴检测电极面积小于质量块底面积，当质量块x方向有位移时，Z轴检测电极与质量块的间距和正对面积均不变，因此Z轴检测电容不变：
二、当y轴方向上有加速度输入时，质量块在y轴方向产生位移，上下两个Y轴检测电极与质量块的间距发生相反变化，Y轴检测电容发生变化，检测这对电容变化即可得到y轴方向的加速度大小；由于X轴检测电极侧面积大于质量块正对X轴检测电极部分的侧面积，当质量块y方向有位移时，X轴检测电极与质量块的间距和正对面积均不变，因此X轴检测电容不变；由于Z轴检测电极面积小于质量块底面积，当质量块y方向有位移时，Z轴检测电极与质量块的间距和正对面积均不变，因此Z轴检测电容不变；
三、当z轴方向上有加速度输入时，质量块在z轴方向产生位移，两个Z轴检测电极与质量块的间距发生相反变化，Z轴检测电容发生变化，检测这个电容变化即可得到x轴方向的加速度大小；由于X轴检测电极、Y轴检测电极的厚度均大于质量块厚度，因此质量块在z轴方向有位移时，X轴检测电容、Y轴检测电容均不变。
基于上述过程，与现有三轴加速度计相比，本发明所述的一种单质量全对称三轴加速度计通过采用全新结构，实现了同时测量x轴、y轴和z轴方向上的加速度，由此具备了如下优点：一、与现有组装式三轴加速度计相比，本发明采用了单质量结构，因此其不再受组装工艺所限，避免了安装的正交误差。二、与现有单质量三轴加速度计相比，本发明具备了如下优点：其一，本发明为全对称结构，利于提高器件性能和减小加工误差；其二、如上文所述，各轴之间不会相互影响，有效抑制了轴间耦合；其三、单质量结构，结构简单、体积小，有效降低了成本。
本发明设计巧妙，用单质量结构有效解决了现有三轴加速度计测量精度低、生产成本高等问题，适用于导航、汽车主动安全***等高精度领域。
附图说明
图1是本发明的结构示意图
图中：1-玻璃基底，2-玻璃盖板，3-质量块，4a、4b、4c、4d-锚块，5a、5b、5c、5d-三自由度弹性梁，6a、6b-X轴检测电极，7a、7b-Y轴检测电极，8a、8b-Z轴检测电极。
具体实施方式
一种单质量全对称三轴硅微加速度计，包括玻璃基底1，玻璃盖帽2，质量块3，四根三自由度弹性梁5a、5b、5c、5d，四个锚块4a、4b、4c、4d，X轴检测电极6a、6b，Y轴检测电极7a、7b，Z轴检测电极8a、8b；
所述质量块3位于玻璃基底1上方，质量块3的下表面与玻璃基底1平行，质量块3与玻璃基底1之间留有间隙；所述质量块3位于玻璃盖板2下方，质量块3的上表面与玻璃盖板2平行，质量块3与玻璃盖板2之间留有间隙；所述质量块3的四角与四根三自由度弹性梁5a、5b、5c、5d的一端相连，所述四根三自由度弹性梁5a、5b、5c、5d的另一端通过四个锚块4a、4b、4c、4d固定在玻璃基板1上；
所述X轴检测电极6a、6b位于质量块3左右两侧，X轴检测电极6a、6b与质量块3侧边平行，且留有间隙，X轴检测电极6a、6b的厚度大于质量块3的厚度；所述Y轴检测电极7a、7b位于质量块3上下两侧，Y轴检测电极7a、7b与质量块3侧边平行，且留有间隙，Y轴检测电极7a、7b的厚度大于质量块3的厚度：所述Z轴检测电极8a、8b分别位于玻璃基板1上表面和玻璃盖板2下表面；Z轴检测电极8a位于质量块3正下方，形状与质量块3相同且面积略小于质量块3；Z轴检测电极8b位于质量块3正上方，形状与质量块3相同且面积略小于质量块3；
具体实施时，玻璃基底1的上表面分别溅射有两个X轴检测引线、两个Y轴检测引线、一个Z轴检测电极8a；玻璃盖板2的下表面溅射一个Z轴检测电极8b；两个X轴引线与X轴检测电极6a、6b一一对应相连，X轴检测电极6a、6b与质量块3组成一对差分的X轴检测电容；两个Y轴引线与Y轴检测电极7a、7b一一对应相连，Y轴检测电极7a、7b与质量块3组成一对差分的Y轴检测电容；所述Z轴检测电极8a、8b与质量块3组成一对差分的Z轴检测电容。所述玻璃基底1和玻璃盖板2均为正方形玻璃材质；所述质量块3，四根三自由度弹性梁5a、5b、5c、5d，四个锚块4a、4b、4c、4d，X轴检测电极6a、6b，Y轴检测电极7a、7b，均由硅材料制备，且位于所述玻璃基底1和玻璃盖板2中间；所述四个锚块4a、4b、4c、4d固定连接在所述玻璃基底1和玻璃盖板2上；所述Z轴检测电极8a、8b由金属材料制备。

Claims (3)

1.一种单质量全对称三轴硅微加速度计，其特征在于：包括玻璃基底(1)、玻璃盖板(2)、质量块(3)、四根三自由度弹性梁(5a、5b、5c、5d)、四个锚块(4a、4b、4c、4d)、X轴检测电极(6a、6b)、Y轴检测电极(7a、7b)、Z轴检测电极(8a、8b)；
所述质量块(3)位于玻璃基底(1)上方，质量块(3)的下表面与玻璃基底(1)平行，质量块(3)与玻璃基底(1)之间留有间隙；所述质量块(3)位于玻璃盖板(2)下方，质量块(3)的上表面与玻璃盖板(2)平行，质量块(3)与玻璃盖板(2)之间留有间隙：所述质量块(3)的四角与四根三自由度弹性梁(5a、5b、5c、5d)的一端相连，所述四根三自由度弹性梁(5a、5b、5c、5d)的另一端通过四个锚块(4a、4b、4c、4d)固定在玻璃基板(1)上；
所述X轴检测电极(6a、6b)位于质量块(3)左右两侧，X轴检测电极(6a、6b)与质量块(3)侧边平行，且留有间隙，X轴检测电极(6a、6b)的厚度大于质量块(3)的厚度；所述Y轴检测电极(7a、7b)位于质量块(3)上下两侧，Y轴检测电极(7a、7b)与质量块(3)侧边平行，且留有间隙，Y轴检测电极(7a、7b)的厚度大于质量块(3)的厚度；所述Z轴检测电极(8a、8b)分别位于玻璃基板(1)上表面和玻璃盖板(2)下表面；Z轴检测电极(8a)位于质量块(3)正下方，形状与质量块(3)相同且面积略小于质量块(3)；Z轴检测电极(8b)位于质量块(3)正上方，形状与质量块(3)相同且面积略小于质量块(3)。
2.根据权利要求1所述的一种单质量全对称三轴硅微加速度计，其特征在于：玻璃基底(1)的上表面分别溅射有两个X轴检测引线、两个Y轴检测引线、一个Z轴检测电极(8a)；玻璃盖板(2)的下表面溅射一个Z轴检测电极(8b)；两个X轴引线与X轴检测电极(6a、6b)一一对应相连，X轴检测电极(6a、6b)与质量块(3)组成一对差分的X轴检测电容；两个Y轴引线与Y轴检测电极(7a、7b)一一对应相连，Y轴检测电极(7a、7b)与质量块(3)组成一对差分的Y轴检测电容；所述Z轴检测电极(8a、8b)与质量块(3)组成一对差分的Z轴检测电容。
3.根据权利要求1所述的一种单质量全对称三轴硅微加速度计，其特征在于：所述玻璃基底(1)和玻璃盖板(2)均为正方形玻璃材质；所述质量块(3)、四根三自由度弹性梁(5a、5b、5c、5d)、四个锚块(4a、4b、4c、4d)、X轴检测电极(6a、6b)、Y轴检测电极(7a、7b)、均由硅材料制备，且位于所述玻璃基底(1)和玻璃盖板(2)中间；所述四个锚块(4a、4b、4c、4d)固定连接在所述玻璃基底(1)和玻璃盖板(2)上；所述Z轴检测电极(8a、8b)由金属材料制备。
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