CN1844934A - 一种双轴电容式微机械加速度计 - Google Patents

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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

一种双轴电容式微机械加速度计
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，电容的活动极板与质量块连接，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***轴对称设有两个止挡。
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