專利名稱：一種雙軸電容式微機械加速度計的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電容式微機械加速度計，特別是一種雙軸電容式微機械加速度計，屬于微機電系統MEMS中的微機械傳感器領域，它作為微慣性器件廣泛應用于汽車電子、航空航天、武器裝備等領域。
背景技術：
MEMS正處于發(fā)展時期，它的技術和市場都尚未成熟，但其孕育的廣闊發(fā)展前景、巨大的社會、經濟效益是世人共知的，微機械加速度計是其中最成功的代表。微機械加速度計的研究始于20世紀70年代初，并在80年代形成單軸微機械加速度計產品，90年代末出現了多軸的微機械加速度計，市場上最具有代表性的是美國AD公司ADXL系列微機械加速度計。微機械加速度計發(fā)展很快，有壓阻式、電容式、壓電式、力平衡式、熱對流式、諧振式和隧道電流式等多種形式。與諸多形式相比，電容微機械加速度計靈敏度高、溫度漂移小、穩(wěn)定性好、抗過載能力強、便于自檢、易于實現低成本的高精度測量。電容式微機械加速度計在國外發(fā)展較為成熟，并成功產業(yè)化，在國內還處于實驗室樣機階段，距產業(yè)化還有一定的距離?，F有的微機械加速度計產品大都是中低精度的，測量精度還不能達到慣性級的要求，嚴重地制約其應用范圍，只是較多地應用在精度要求不高的商用領域。微機械加速度計產品多是單軸的，而實際應用中常常需要雙軸或三軸加速度計來測量加速度矢量，公開的文獻中大多是對單軸加速度計的研究，多軸加速度計的研究報道較少。目前微機械加速度計的研究方向主要集中于高精度、多軸集成和數字化輸出方面，提高加速度計性能就是要實現多軸的高靈敏度、低噪聲、低漂移和大動態(tài)范圍的測量。

發(fā)明內容
本發(fā)明的技術解決問題克服現有技術的不足，提供一種高精度的雙軸電容微機械加速度計，以解決現有微機械加速度計多為單軸、靈敏度和分辨率不夠高的問題，實現高精度的二維加速度測量。
本發(fā)明的技術方案雙軸電容式微機械加速度計，其特點在于包括基片、質量塊、彈性支撐、驅動電極、檢測電極及齒樞，整個結構為中心對稱圖形，通過一個質量塊敏感兩個正交方向的加速度，質量塊居于結構的中心，質量塊外圍是彈性支撐、驅動電極和檢測電極，彈性支撐由四個雙端固支梁和四個懸臂梁構成，四個雙端固支梁構成正方形，正方形的四個角是錨點，每個懸臂梁的一端與質量塊固連，另一端與其對應的雙端固支梁中間固連；驅動電極和檢測電極的活動極板與質量塊固連，電極的固定極板與齒樞固連，以梳齒偏置結構實現差動的靜電驅動和電容檢測。
此外，在質量塊的外圍四周布置有止擋，可有效地實現過載保護，防止在較強的沖擊下彈性支撐結構斷裂。
本發(fā)明與現有技術相比的優(yōu)點在于本發(fā)明采用一個質量塊敏感兩個方向的加速度，以巧妙的彈性支撐結構實現了兩個正交方向的解耦，使兩個方向的靈敏度、分辨率都較高；以正方形的四個角為錨點的中心對稱結構非常穩(wěn)定，具有較大的抗沖擊能力；以梳齒偏置的結構實現了差動的靜電驅動、電容檢測，有效地消除共模干擾，提高靈敏度、分辨率，易于實現高精度的二維加速度測量。


圖1是本發(fā)明的雙軸電容式微機械加速度計平面結構示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明包括基片1、質量塊2、彈性支撐、驅動電極和檢測電極、齒樞15、25、35、45、齒樞15、25、35、45、止擋17、27、37、47、錨點16、26、36、46通過鍵合與基片1連接，結構為中心對稱，通過一個質量塊2敏感兩個正交方向的加速度。質量塊2居于結構的中心，質量塊2外圍是彈性支撐、止擋17、27、37、47、齒樞15、25、35、45、驅動電極和檢測電極。彈性支撐由四個雙端固支梁12、22、32、42和四個懸臂梁11、21、31、41構成，四個雙端固支梁12、22、32、42構成正方形，正方形的四個角是錨點16、26、36、46。每個懸臂梁11、21、31、41一端與質量塊2固連，另一端與其對應的雙端固支梁12、22、32、42中間固連。驅動電極、檢測電極的活動極板14、24、34、44與質量塊2固連，電極的固定極板13、23、33、43與齒樞15、25、35、45固連，驅動電極、檢測電極均以梳齒偏置結構構成，以差動電容的形式實現靜電驅動和電容檢測。止擋17、27、37、47可有效地實現過載保護，防止在較強的沖擊下彈性支撐結構斷裂。
本發(fā)明工作原理通過敏感質量塊將加速度轉化為慣性力，慣性力使敏感質量塊發(fā)生位移，電容的活動極板與質量塊固連，活動極板的位移使電容極板間距發(fā)生變化，通過測量電容量推算出被測加速度。同時，為了減少加速度計的非線性、提高測試精度，采用靜電力反饋構成力平衡式閉環(huán)系統，使質量塊工作在0位平衡位置。當有垂直方向的加速度輸入時，質量塊2產生的慣性力使彈性支撐發(fā)生形變，質量塊2與其左右兩側的電極活動極板24、44固連，它們一起發(fā)生垂直方向的位移，使電容活動極板24、44與固定極板23、43之間的間距發(fā)生變化，通過測量電容的變化推知垂直方向的被測加速度。被測信息反饋為驅動電極極板上的電壓，控制作用在電容活動極板24、44上的靜電力，使靜電力和慣性力相平衡，于是質量塊2就工作在垂直方向的0位移平衡位置；當有水平方向的加速度輸入時，質量塊2產生水平方向的慣性力，彈性支撐發(fā)生變形，質量塊2與其上下兩邊的電極活動極板14、34固連，它們一起發(fā)生水平方向的位移，使活動極板14、34與固定極板13、33之間的間距發(fā)生變化，通過測量電容的變化推知水平方向的被測加速度。被測信息反饋為驅動電極極板上的電壓，控制作用在電容活動極板14、34上的靜電力，使靜電力和慣性力相平衡，于是質量塊2就工作在水平方向的0位移平衡位置。
綜上所述，本發(fā)明提出了一種新穎結構形式的雙軸電容式微機械加速度計，它體積小、重量輕，可實現高靈敏度、高分辨率的二維加速度測量，開拓了這類加速度計在高精度領域的應用。
權利要求
1.雙軸電容式微機械加速度計，其特點在于包括基片、質量塊、彈性支撐、驅動電極、檢測電極和齒樞，整個結構為中心對稱圖形，通過一個質量塊敏感兩個正交方向的加速度；質量塊居于結構的中心，質量塊外圍是彈性支撐、驅動電極和檢測電極，彈性支撐由四個雙端固支梁和四個懸臂梁構成，四個雙端固支梁構成的正方形的四個角是錨點，每個懸臂梁的一端與質量塊固連，另一端與其對應的雙端固支梁中間固連；驅動電極和檢測電極以梳齒偏置結構構成差動電容，電容的活動極板與質量塊連接，電容的固定極板與齒樞連接。
2.根據權利要求1所述的雙軸電容式微機械加速度計，其特征在于在所述質量塊的外圍軸對稱設有兩個止擋。
全文摘要
雙軸電容式微機械加速度計包括基片、質量塊、彈性支撐、驅動電極、檢測電極、齒樞和止擋，結構為中心對稱圖形，通過一個質量塊敏感兩個正交方向的加速度。質量塊居于結構的中心，質量塊外圍是彈性支撐、止擋、驅動電極和檢測電極。設計的彈性支撐較好地實現了兩個正交方向的解耦，使兩個方向的靈敏度、分辨率都較高。彈性支撐是以正方形的四個角為錨點，其結構穩(wěn)定性好。以梳齒電容的形式實現差動的靜電驅動、電容檢測，提高了加速度計的靈敏度和分辨率。此結構易于實現高精度的二維加速度測量。
文檔編號G01P15/125GK1844934SQ200610011958
公開日2006年10月11日 申請日期2006年5月23日 優(yōu)先權日2006年5月23日
發(fā)明者樊尚春, 任杰 申請人:北京航空航天大學