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
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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