[發明專利]梳齒電容式雙軸加速度計

無效

• 申請號: 200910116228.6
• 申請日: 2009-02-23
• 公開（公告）號: CN101504426A
• 公開（公告）日: 2009-08-12
• 發明（設計）人: 鮑路路;孔德義;李莊;江儒龍;林丙濤;郭攀;朱榮華;熊劍平;趙貴;徐艷華;陳池來;程玉鵬
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: G01P15/125
• 分類號: G01P15/125;B81B7/02;B81C5/00
• 代理公司: 安徽合肥華信知識產權代理有限公司
• 代理人: 余成俊

技術領域

本發明涉及微機械傳感器領域，特別涉及一種梳齒電容式雙軸加速度計。

背景技術

加速度計是一種慣性傳感器，能夠測量物體的加速力。加速力就是當物體在加速過程中作用在物體上的力，加速力可以是個常量，比如重力，也可以是變量。MEMS加速度計就是使用MEMS技術制造的加速度計。由于采用了微電子機械系統技術，使得加速度計尺寸大大縮小，一個MEMS加速度計只有指甲蓋的幾分之一大小。MEMS加速度計具有體積小、重量輕、能耗低等優點。

技術成熟的MEMS加速度計可分為四種：壓電式、壓阻式、電容式、熱感式。其中，電容式微機械加速度計靈敏度高、溫度漂移小、穩定性好、抗過載能力強，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展較為成熟，并已成功產業化，其中最具代表性的就是美國ADI公司的ADXL系列加速度計。而在國內方面，由于起步較晚，多數產品還處于實驗室樣機階段。傳統的梳齒電容式加速度計均采用質量塊-彈簧-阻尼系統，外界加速度通過敏感質量形成慣性力作用于移動梳齒上，用以改變移動梳齒與固定梳齒的間距或交迭面積。這樣，移動梳齒和固定梳齒之間所形成的電容值發生改變。傳統的梳齒電容式加速度計中，各可動梳齒垂直于質量塊的邊緣并沿著敏感方向平行放置，而固定梳齒等間距地分布在移動梳齒的兩邊，構成電容差分對。但這種結構要求每個固定梳齒都必需與基片單獨鍵合，大大地增加了工藝的難度，不利于成品率的提高。

另外，隨著傳感器技術的發展，在慣性導航、車輛安全等領域，單軸的加速度計已不能滿足性能的需要。比如安裝在汽車上的安全氣囊，其核心部件就是加速度計。由于汽車可能遭受來自正前方和側壁方向的撞擊，因此單軸的加速度計已不能滿足性能的要求，需要采用雙軸的加速度計。傳統的雙軸加速度計，采用將兩個單軸的加速度計正交地封裝在一起的方案，其一用來測量水平方向的加速度，而另一個用來測量豎直方向的加速度。這種形式的雙軸微加速度計具有裝配困難、穩定性差、精度低、體積大、成本高等缺點。

發明內容

本發明的目的是提供一種梳齒電容式雙軸加速度計，以解決傳統技術的加速度計穩定性差，精度低，加工難，成品率低等問題。

為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案為：

梳齒電容式雙軸加速度計，其特征在于：包括有基片，基片上有形狀為中心對稱的敏感質量塊，所述敏感質量塊的四個周邊上分別安裝有可拆卸的固定梳齒，所述固定梳齒與敏感質量塊的對應周邊平行，彼此沿中心對稱，所述敏感質量塊的每個周邊與對應的固定梳齒之間還有多組可動梳齒，所述每個可動梳齒與對應的敏感質量塊周邊平行，并且沿著垂直于敏感質量塊邊線的方向連接在敏感質量塊上；所述敏感質量塊的四個邊角處還分別連接有四個支撐架，所述四個支撐架沿敏感質量塊中心對稱，其另一端連接至基片。

所述的梳齒電容式雙軸加速度計，其特征在于：所述每個支撐架包括兩個正交放置的蛇形支撐梁，所述兩個蛇形支撐梁的一端分別連接至敏感質量塊，另一端連接至基片上，所述基片上有通過MEMS鍵合工藝制作的錨點，所述蛇形支撐梁的另一端連接至基片的錨點上。

所述的梳齒電容式雙軸加速度計，其特征在于：所述可動梳齒到其相鄰的兩邊的固定梳齒的距離比為1∶10。

所述的梳齒電容式雙軸加速度計，其特征在于：所述敏感質量塊的材料為重摻雜的導體硅圓片和硼硅玻璃材料，通過MEMS工藝制作而成。

本發明具有如下有益效果：

1、本發明采用一個敏感質量塊同時感應兩個方向的加速度值，以巧妙的彈性支撐結構實現了兩正交方向的解耦，使兩個方向的靈敏度、分辨率都較高。

2、敏感質量塊四周各區域中分布的固定梳齒與基片間僅需一個鍵合區，避免了傳統設計中由于各固定梳齒均需單獨鍵合到基片上帶來的成品率降低的問題。

3、本發明中的可動梳齒不是垂直于質量塊的邊緣，而是平行于質量塊的邊線方向。并且在沿著垂直于質量塊邊線的方向，可同時放置多組平行的可動梳齒。此種設計能顯著增大可動梳齒和固定梳齒之間的初始電容值，為后端的微小電容檢測電路的設計降低難度。

4、可動梳齒與固定梳齒的長度均可以調節，并據此來改變整個敏感元件的阻尼特性，為硅微加速度計系統選擇一個合適的阻尼器。

5、敏感元件的彈性支撐采用蛇形梁的結構，在消耗相同硅片面積時，蛇形梁的彈性系數最小，因此該設計能最大限度地提高檢測的靈敏度和分辨率。

6、由于本發明的敏感質量塊采用硅材料并通過MEMS工藝技術制造，因此每個敏感質量塊的尺寸較小，有利于安裝和維護。