专利名称：一种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，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之一。微机械加速度计的研究始于20世纪70年代初，并在80年代形成产品，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，电容式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。目前常见的电容式微机械加速度计的结构如图2所示，它由基片10’、质量块3’、弹性支撑(折叠梁2’、7’)、驱动电极、检测电极、齿枢6’及止挡1’、9’组成，质量块3’处于结构中间，折叠梁2’、7’对称分布在质量块3’的上、下两边，齿枢6’、驱动电极、检测电极对称分布于质量块3’的左右两侧。折叠梁7’的一端通过锚点8’与基片连接，另一端与与质量块3’固连，折叠梁2’与折叠梁7’同理。在该结构中质量块相对偏小，加速度转化为惯性力的效率低。当有垂直方向的加速度输入时，质量块3’产生的垂直方向的惯性力使弹性支撑2’、7’发生变形，质量块3’发生位移，电容的活动极板5’与质量块3’固连，随质量块3’一起发生位移，使电容活动极板5’与固定极板4’之间的间距发生变化，通过测量电容量的变化推知被测加速度的大小。现有的电容式微机械加速度计均为中、低精度的产品，灵敏度、分辨率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，提高加速度计性能就是要实现高灵敏度、低噪声、低漂移和大的动态范围。加速度计性能主要受加工工艺、信号检测电路、结构等因素的影响，本发明提出一种新颖结构形式的电容式微机械加速度计，其易于实现高精度的加速度测量。
发明内容
本发明的技术解决问题克服现有技术的不足，提供一种高灵敏度的电容式微机械加速度计，以解决现有微机械加速度计灵敏度、分辨率不够高的问题。
本发明的技术方案一种高灵敏度的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、齿枢，整个结构为轴对称图形；质量块处于结构的四周，呈“回”字型；质量块内部是弹性支撑和驱动电极、检测电极；弹性支撑由上下对称的两个折叠梁构成，每个折叠梁的一端通过锚点与基片连接，另一端与质量块固连；驱动电极和检测电极以梳齿偏置结构构成差动电容，实现静电驱动和电容检测。
此外，在质量块外围轴对称布置有两个止挡，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常见的电容式微机械加速度计的结构形式如图2所示，质量块3’处于结构中间，质量块3’的四周是弹性支撑2’、7’、驱动电极、检测电极和止挡1’、9’。常见结构中的质量块相对偏小，加速度转化为惯性力的效率低。本发明的电容式微机械加速度计的结构形式如图1所示，质量块10位于结构的四周，呈“回”字型，并可以向外扩展，能够在加速度计有限体积内实现较大的质量块，提高了加速度转换为惯性力的效率。梳齿偏置式的静电驱动、电容检测结构可实现较高的驱动强度和检测灵敏度，且具有很好的工艺性。
图1是本发明的电容式微机械加速度计平面结构示意图；图2是常规的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11、质量块10、弹性支撑(折叠梁3、7)、驱动电极、检测电极、齿枢6，齿枢6、折叠梁3、7上的锚点2、8通过键合和基片连接，整个结构为轴对称图形，质量块10处于结构的四周，呈“回”字型。质量块10中间含有两部分一部分是弹性支撑，用来悬挂质量块10，由两组折叠梁3、7组成，折叠梁7的一端通过锚点8与基片连接，另一端与质量块10固连，折叠梁3与折叠梁7同理；另一部分是驱动电极和检测电极，以梳齿偏置结构形成差动电容，电容的活动极板4与质量块10连接，电容的固定极板5与齿枢6连接。驱动电极、检测电极和基片11由引线和电极连接。在质量块的外围对称布置有两个止挡1、9，可以实现过载保护，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。当有垂直方向加速度计输入时，质量块10产生的惯性力使弹性支撑3、7发生变形，质量块10发生垂直方向位移，电容的活动极板4与质量块10固连，随质量块10一起发生垂直方向位移，使电容活动极板4和固定极板5之间的间距发生变化，通过测量电容的变化推知被测加速度。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4上的静电力，使静电力和惯性力相平衡，于是质量块10就工作在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电容式微机械加速度计，它可实现比常规电容式微机械加速度计高的灵敏度和分辨率，提升了微机械加速度计的性能，开拓了这类加速度计在高精度领域的应用。
权利要求
1.一种电容式微机械加速度计，其特征在于包括基片、质量块、弹性支撑、驱动电极、检测电极和齿枢，整个结构为轴对称图形，质量块处于结构的四周，呈“回”字型；质量块中间是弹性支撑、齿枢、驱动电极、检测电极，弹性支撑由上下对称的两个折叠梁构成，每个折叠梁的一端通过锚点与基片连接，另一端与质量块固连；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有两个止挡。
全文摘要
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。结构为轴对称图形，质量块处于结构的四周，呈“回”字型。质量块中间含有两部分一部分是弹性支撑，由两组折叠梁构成；另一部分是驱动电极和检测电极，以梳齿偏置结构构成差动电容。本发明能够在元件有限体积下实现较大的质量块，使加速度高效转化为惯性力，设计的弹性支撑结构和梳齿偏置式的静电驱动、电容检测提高了加速度计的灵敏度、分辨率，易于实现高精度的测量。
文档编号G01P15/125GK1844935SQ200610011959
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