专利名称：一种双轴电容式微机械加速度计的制作方法
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，属于微机电系统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，质量块外围是弹性支撑、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，在质量块的外围四周布置有止挡，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。
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。
具体实施例方式
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外围是弹性支撑、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系统，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。
权利要求
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，质量块外围是弹性支撑、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外围轴对称设有两个止挡。
全文摘要
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，质量块外围是弹性支撑、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。
文档编号G01P15/125GK1844934SQ200610011958
公开日2006年10月11日 申请日期2006年5月23日 优先权日2006年5月23日
发明者樊尚春, 任杰 申请人:北京航空航天大学