CN209878805U - 一种加速度计 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种加速度计，包括：质量块，质量块被设置为：受到驱动而作沿着驱动方向的谐振，同时绕着一回转轴作转动谐振；锚点，质量块连接至锚点；检测电极，用于检测质量块的运动。本实用新型的有益效果：利用谐振原理制成新型加速度计，可以实现抗粘附、抗冲击、易与陀螺集成、前端灵敏度可调等功能。

Description

一种加速度计

技术领域

本实用新型涉及一种加速度计，属于微机电技术领域。

背景技术

基于微机电***(MEMS，Micro-Electro-Mechanical-System)加工制作的微型加速度计因其体积小、成本低、集成性好、性能优良等诸多优点已在工业、医疗、民用、军事等非常广泛的领域得到了越来越多的应用。目前，在各类移动终端、相机、游戏手柄、导航仪等产品的应用中，在一定程度上，已经成为标准配置。在研制过程中，电容式、电阻式、压电式作为检测加速度的方式是主要应用的机理，其中，电容式加速度计因其结构简单，成本低廉，并可在低频范围内拥有较高的灵敏度和线性度等优势，成为最为流行的一类加速度计。

偏心式被动式加速度计中，频率越低灵敏度越高，在考虑灵敏度的情况下，希望把谐振频率设置更低。但频率越低刚度越小，在刚度较小的情况下，会产生与周围电极或其他结构粘附的情况。如何克服这种粘附情况，是偏心式加速度计难以解决的矛盾。

因此，本领域技术人员致力于研发一种全新的加速度计。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：由于现有加工工艺的局限，偏心式加速度计的抗粘附性较差。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种全新架构的加速度计，包括：

质量块，质量块被设置为：受到驱动而作沿着驱动方向的谐振，同时绕着一回转轴作转动谐振；

锚点，质量块连接至锚点；

检测电极，用于检测质量块的运动。

进一步地，包括驱动质量块作谐振的驱动电极组。

进一步地，驱动电极组至少包括第一驱动电极和第二驱动电极，第一驱动电极和第二驱动电极分别位于质量块的两侧。

进一步地，在驱动方向设置一组电极作为反馈电极组，反馈电极组检测质量块在驱动方向运动幅度的大小，并对第一驱动电极和第二驱动电极的驱动信号大小进行反馈。

进一步地，质量块是质量块组。

进一步地，质量块组包括第一质量块和第二质量块，第一质量块和第二质量块以差分式或反向式进行振动。

进一步地，第一质量块和第二质量块通过耦合结构连接。

进一步地，加速度计被配置为：可通过调节沿着驱动方向的谐振幅度，改变加速度计的灵敏度。

进一步地，加速度计被配置为：当加速度计受到超过其检测范围的冲击或振动时，关闭沿着驱动方向的谐振。

本实用新型还提供了一种芯片，是包括有陀螺仪和上述加速度计的单芯片。

本实用新型的有益效果：利用谐振原理制成新型加速度计，可以实现抗粘附、抗冲击、易与陀螺集成、前端灵敏度可调等功能。

附图说明

图1是本实用新型一个较佳实施例中的加速度计的俯视结构示意图；

图2是本实用新型一个较佳实施例中的加速度计的侧视结构示意图；

图3是本实用新型一个较佳实施例中的加速度计的工作原理示意图；

图4是本实用新型另一个较佳实施例中的加速度计的俯视结构示意图；

图示：

101、111、121 质量块

102、112、122 锚点

103 弹性件

201、202 驱动电极

211、212 驱动电极

221、222 驱动电极

301～306 检测电极

311～314 检测电极

321～324 检测电极

401 耦合结构

具体实施方式

以下将结合附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本实用新型的目的、特征和效果。

除非另作定义，本实用新型的权利要求书和说明书中所使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中所使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。“包括”或者“具有”等类似的词语意指出现在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“具有”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“水平”、“横”、“纵”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

图1和图2公开了本专利一个较佳实施例。加速度计由质量块101、锚点102、驱动电极组(包括驱动电极201与202)、检测电极组(包括检测电极301～306) 组成。

质量块101通过弹性件103连接至锚点102，质量块101可以沿着D1方向 (称为驱动方向)进行谐振，同时，质量块101也可以绕着回转轴D2进行转动谐振。当质量块101处于D1振动平衡位置时，其质心与回转轴D2重合。本专利中的谐振，即简谐振动，是指物体的加速度在跟偏离平衡位置的位移成正比，且总是在指向平衡位置的回复力的作用下的振动。

驱动电极组用于驱动质量块101在D1方向上振动。驱动电极组包括两个驱动电极201和202，它们分别设置在质量块101的两侧。两个驱动电极201 和202分别加入频率相同、幅值相同、相位相差180度的交流电压信号AC(可以使用正弦波、方波或其他波形)。在质量块101上加入幅值为DC的直流电压信号。在驱动电极202上，当交流电压信号AC幅值为正时，取驱动电极201 上的交流电压信号为负值。此时驱动电极202与质量块101之间的电压差为DC-AC，驱动电极201与质量块101的电压差为DC+AC。由于两个驱动电极与质量块101之间的电压差的不同，从而产生频率与AC相同的、延驱动方向D1的推力或拉力，从而使质量块101产生谐振运动。质量块101的受驱动方式还可以有其他替代方案，例如，也可以在驱动电极201和驱动电极202上加入直流电压信号DC，而在质量块101中加入交流电压信号AC等。

检测电极组用于检测质量块101绕回转轴D2的转动。当质量块101受驱动电极组驱动在D1方向上以频率F振动时，质量块101的质心相对于D2的偏心量也是以F为频率波动，当质量块101受到敏感的加速度G时，质量块101所受到的合力相对于D2的合力矩也按F频率进行波动，激发了质量块101绕回转轴D2的转动，该转动被检测电极组检测到，转换为电信号输出。

如图3所示，质量块101随驱动电极组的驱动产生延D1方向的振动，当质量块101振动到偏向检测电极202的方向时，质量块101的右侧质量大于左侧，受加速度G的影响，产生绕回转轴D2转动。此时质量块101右侧靠近检测电极306(检测电极306与质量块101之间的距离近，电容变大)，质量块 101左侧远离检测电极305(检测电极305与质量块之间的电容变小)。此时根据两个检测电极305、306与质量块101之间的电容差，即可算出质量块101 受到的加速度G的大小。

当质量块101振动到靠近检测电极201方向时，同理，质量块101左侧会下垂。使质量块101与检测电极305之间电容增大，与检测电极306之间电容减小。根据驱动电极201与驱动电极202驱动信号的变化，质量块101产生如此往复运动。在检测电极305、306与质量块101之间产生输出。

受到其他方向的加速度时，工作的原理与上述类似。例如，受到如图1所示的加速度时，质量块101绕转动轴D2作顺时针偏转，此时质量块101的左上方靠近检测电极301，右下方靠近检测电极304，电容变大。同时，质量块101的左下方远离检测电极303，右上方远离检测电极302，电容变小。由不同位置的检测电极与质量块101之间的电容差，可以推算出加速度G的大小。

加速度G的计算过程如下：

设质量块101在D1方向的振动最大位移为A，频率为ω₀，质量块101的质量为M，则质量块101相对于D2的偏心量x为：

x＝Asin(ω₀t)

在加速度G的作用下，其相对D2的力矩L为：

L＝MGAsin(ω₀t)

质量块101对D2转动模态的转动惯量为I，转动模态的谐振频率为ω₁，品质因子为Q，绕D2的转角为θ，转角的动力可以表达为

当Q较大时，转角可以近似表达为：

通过检测电极将θ转为交流电信号后，可以通过相关滤波的方法测量加速度的大小。θ为交流电信号，其频率与相关，即在此频率下提取出信号的幅值。

加速度计可以添加驱动反馈电极组，从而使用闭环方式对质量块101进行 D1方向的谐振驱动。具体做法是，在驱动方向D1多加一组检测电极，检测质量块101在D1方向的运动幅度的大小，并对驱动电极201与202的驱动信号大小进行反馈，从而形成闭环。

在如图4所示的的另一个实施例中，可以是由质量块111和质量块121构成质量块组，两个质量块由耦合结构401连接。质量块111通过弹性件连接至锚点112，受驱动电极211和驱动电极212驱动。质量块121通过弹性件连接至锚点122，受驱动电极221和驱动电极222驱动。质量块111与质量块121 在运动方向D1反向式运动。

或者，质量块111和质量块121在D1方向上的振动以差分的方式进行。差分是指使用两组以上的信号，质量块被两个方向不同的信号同时驱动即为差分。D2方向的转动谐振模态也可以是借助杠杆结构实现的差分式平动模态。

本实用新型的加速度计，具有如下优点：

(1)抗粘附

在偏心式被动式加速度计中，灵敏度由决定，频率越低灵敏度越高，在考虑灵敏度的情况下，希望把谐振频率设置更低。但频率越低刚度越小，在刚度较小的情况下，会产生与周围电极或其他结构粘粘的情况，防粘附性能由决定，这使得两者在设计上存在天然矛盾。

本专利中加速度计的灵敏度由决定，而影响防粘附性能的主要参数是各个模态的谐振频率，即和可以在提高和的同时不改变这样，通过提高结构刚度和避免粘粘，又可以通过保持不变而提高灵敏度。

(2)易与陀螺集成

本专利中的加速度计工作方式与差分式陀螺的工作方式很相似，在与陀螺仪融合的惯性传感器单元中，可以将此结构的加速度计与陀螺仪用同一种工艺制造，从而实现单芯片的制成。

(3)MEMS前端灵敏度可调

可以通过调节D1振动幅度来改变加速度计的灵敏度，适应不同要求的应用场合。

(4)抗冲击

当加速度计敏感方向受到大的冲击与振动时，可以通过关闭D1方向振动的方式，消除质量块相对的偏心量，从而消除冲击可能引起的过量偏转。

以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种加速度计，其特征在于，包括：

质量块，所述质量块被设置为：受到驱动而作沿着所述驱动方向的谐振，同时绕着一回转轴作转动谐振；

锚点，所述质量块连接至所述锚点；

检测电极，用于检测所述质量块的运动。

2.根据权利要求1所述的一种加速度计，其特征在于，包括驱动所述质量块作谐振的驱动电极组。

3.根据权利要求2所述的一种加速度计，其特征在于，所述驱动电极组至少包括第一驱动电极和第二驱动电极，所述第一驱动电极和所述第二驱动电极分别位于所述质量块的两侧。

4.根据权利要求3所述的一种加速度计，其特征在于，在所述驱动方向设置一组电极作为反馈电极组，所述反馈电极组检测所述质量块在所述驱动方向运动幅度的大小，并对所述第一驱动电极和所述第二驱动电极的驱动信号大小进行反馈。

5.根据权利要求1所述的一种加速度计，其特征在于，所述质量块是质量块组。

6.根据权利要求5所述的一种加速度计，其特征在于，所述质量块组包括第一质量块和第二质量块，所述第一质量块和所述第二质量块以差分式或反向式进行振动。

7.根据权利要求6所述的一种加速度计，其特征在于，所述第一质量块和所述第二质量块通过耦合结构连接。

8.根据权利要求1所述的一种加速度计，其特征在于，所述加速度计被配置为：通过调节所述沿着驱动方向的谐振幅度，改变所述加速度计的灵敏度。

9.根据权利要求1所述的一种加速度计，其特征在于，所述加速度计被配置为：当所述加速度计受到超过其检测范围的冲击或振动时，关闭所述沿着驱动方向的谐振。