Z轴电容式微机械加速度计的制作方法
【专利摘要】本发明公开了Z轴电容式微机械加速度计，属于微机械电子系统中的惯性传感器的【技术领域】，包括：玻璃基座，键合在玻璃基座上的扭转结构层，溅射在玻璃基座上的金电极层，扭转结构层包括结构相同四个子单元，任意三个子单元相当于另一个子单元按照顺时针方向或者逆时针方向分别旋转九十度、一百八十度、二百七十度得到。本发明通过减小检测电容极板正对面积与极板间距的比值来增大微机械加速度计的灵敏度，完全对称的扭转结构层使得结构共模抑制比大，减小了输出信号的零点偏移。
【专利说明】Z轴电容式微机械加速度计
【技术领域】
[0001]本发明公开了 Z轴电容式微机械加速度计，属于微机械电子系统中的惯性传感器的【技术领域】。
【背景技术】
[0002]微机械加速度计是微机电系统中最为成功的器件之一，在军事与民用领域有广泛的应用前景，孕育着巨大的社会效益和经济效益，提高性能指标是目前微机械加速度计领域的研究重点。
[0003]Z轴电容式微机械加速度计是通过Z轴方向的加速度作用在质量块上，质量块带动支撑梁的活动，而质量块上的梳齿或平板也相应发生位置移动，当梳齿或平板与固定平板构成的电容对的间隔距离或极板间隔距离发生变化时，意味着对应的电容发生变化，电容变化的大小与Z轴方向的加速度大小有关。Z轴电容式微机械加速度计正是通过检测电容变化的大小来感测Z轴方向加速度的。
[0004]Z轴电容式微机械加速度计一般有两种，一种是上下平动式，当Z轴方向加速度变化时，支撑梁支撑的质量块在Z轴方向上近似上下平行移动，固定的电容极板在质量块的正上方和正下方来形成差分电容，整个结构是一种“三明治”面包结构，这种方案的加速度计层数多，制造困难，且活动质量块上下平行移动距离小，加速度计灵敏度小。另外一种是扭转式，质量块通过梁来支撑，当Z轴方向加速度变化时，支撑梁支撑的质量块左右两部分就会相对支撑梁对应的轴线发生扭转，一边质量块位置上升，另一边质量块位置下降，对应的左右两边电容由于极板正对面积与极板间距的比值的变化而大小发生变化。在这种方式中，固定电容极板与质量块及支撑梁水平布置，加工比较容易。北京大学的杨振川、刘雪松、郝一龙等介绍了一种梳齿电容式Z轴加速度计及其制备方法(CN 1605871A)，包括玻璃基座、可动电极和固定电极、支撑梁和锚点，可动电极以支撑梁为轴，其两侧具有质量差，属于扭转式Z轴电容式微机械加速度计，但由于检测电容的变化只取决于支撑梁的扭转角度，而与固定电极无关，所以加速度计灵敏度比较小。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是针对上述【背景技术】的不足，提出了 Z轴电容式微机械加速度计。
[0006]本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案:
Z轴电容式微机械加速度计，包括:玻璃基座，键合在玻璃基座上的扭转结构层，溅射在玻璃基座上的金电极层，扭转结构层包括结构相同四个子单元，任意三个子单元相当于另一个子单元按照顺时针方向或者逆时针方向分别旋转九十度、一百八十度、二百七十度得到；
其中，所述每个子单元包括:对称结构的四边形质量块，与所述四边形质量块连接的支撑梁，在四边形质量块对称轴一侧的局部质量块上留有镂空区域，在所述四边形质量块对称的第一侧边、第二侧边上均附着有梳齿，附着在四边形质量块第一侧边上的水平梳齿与所属子单元的垂直方向夹角为九十度，附着在四边形质量块第二侧边上的垂直梳齿与所属子单元的水平方向夹角为九十度。
[0007]作为Z轴电容式微机械加速度计的进一步优化方案，所述四边形质量块为等腰梯形的质量块，所述四边形质量块相互对称的第一侧边、第二侧边即为等腰梯形的两斜边。
[0008]作为Z轴电容式微机械加速度计的进一步优化方案，所述镂空区域为三角形区域。
[0009]本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果:
(1)通过减小检测电容极板正对面积与极板间距的比值来增大微机械加速度计的灵敏
度；
(2)结构层每个单元全相同，结构共模抑制比大，能减小输出信号的零点偏移；
(3)电极布局隔离距离大，输出信号交叉耦合小:由于电极布局在每个单元的中部，对应的检测电极彼此距离较远，这样输出信号的交叉耦合就比较小。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1为典型z轴电容式微机械加速度计剖面图。
[0011]图2为本发明z轴电容式微机械加速度计剖面图。
[0012]图3为本发明涉及的Z轴电容式微机械加速度计的结构图。
[0013]图4为扭转结构层的结构图。
[0014]图5为第二子单元A2的结构图。
[0015]图6为Z轴电容式微机械加速度计通过金属引线与外部电路连接的示意图。
[0016]图7为Z轴电容式微机械加速度计中各子单元电容梳齿的示意图。
[0017]图中标号说明:A1-A4依次为第一至第四子单元，M2为等腰梯形质量块，K21、K22为长方形支撑梁，H11、H21、H31、H41为水平梳齿，H12、H22、H32、H42为垂直梳齿，Jll、J21、J22、J31、J41 为锚点区，S1、S2、S3、S4 为电极。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明:
如图1所示的典型Z轴电容式微机械加速度计，为确保活动质量块在加速度作用下发生扭转，扭转后质量块左边被抬高，右边被降低，活动质量块与左右固定检测质量块之间对应电容的极板正对面积与极板间距的比值均减小。由于扭转刚度相对比较大，电容变化比较小，从而加速度计的灵敏度比较小。
[0019]本发明的Z轴电容式微机械加速度计，在典型的Z轴电容式微机械加速度计上进行了改进，图2虚线为活动质量块结构在初始平衡时的状态，中心质量块左右有两个活动检测质量块。当存在Z轴方向的加速度时，中间活动质量块左端向上扭转，右端向下扭转，此条件下，检测质量块也通过支撑梁支撑起来，在Z轴方向的加速度作用下，左端检测质量块向下转动，这样一个向上扭转，一个向下扭转，两个质量块的正对面积与间距的比值就会大大减小，变化的电容增大。同样，在Z轴方向的加速度作用下，右端检测质量块设计成向上转动，这样也是中心活动质量块向下扭转，右端检测质量块向上转动，两个质量块的正对面积与间距的比值就会大大减小，变化的电容也同样增大。这样两个检测电容的并联就能进一步增大加速度计的灵敏度。
[0020]如图3所示，本发明涉及的Z轴电容式微机械加速度计用来测量垂直方向的一维加速度，包括:玻璃基座，键合在玻璃基座上的单晶硅扭转结构层，溅射在玻璃基座上的金电极层。玻璃基座用于支撑单晶硅扭转结构层，单晶硅扭转结构层背面刻蚀有键合区，金电极层布置信号引线。
[0021]扭转结构层如图4所示包括:中心活动质量单元、检测单元,中心活动质量单元与所述检测单元关于所述扭转结构层质心中心对称，中心活动质量单元包括关于扭转结构层质心中心对称的第一子单元Al、第三子单元A3，检测单元包括关于扭转结构层质心中心对称的第二子单元A2、第四子单元A4。第一至第四子单元Al、A2、A3、A4按顺时针方向布置，也可以逆时针方向布置。
[0022]下面以顺时针方向布置的第一至第四子单元Al、A2、A3、A4组成的扭转结构层为例:每个子单元结构相同，第二子单元A2如图5所示包括:等腰梯形质量块M2，与等腰梯形质量块连接的长方形支撑梁K21、K22，附着在梯形质量块M2左斜边上的多个水平梳齿H21，附着在梯形质量块M2右斜边上有多个垂直梳齿H22。在梯形质量块M2对称轴一侧的局部质量块上留有镂空区域，镂空区域可以为三角形或者其他形状，可以根据需要设计镂空面积大小。水平梳齿H21与第二子单元的垂直方向夹角为九十度，垂直梳齿H22与第二子单元的水平方向夹角为九十度，水平梳齿H21、垂直梳齿H22的长度和宽度根据设计需要调节。相邻水平梳齿H21、垂直梳齿H22之间的间隔距离也可以根据设计需要调节。长方形支撑梁K21与梯形质量块M2的长底边连接，长方形梁K22与梯形质量块M2的短底边连接。长方形支撑梁K21通过锚点区J21固定在基座上，长方形支撑梁梁K22通过锚点区J22固定在基座上，锚点区J21和锚点区J22为长方形，面积大小可以根据需要变化，梯形质量块M2及其上附着的梳齿在锚点区J21、J22的支撑作用下悬空。第二子单元A2在垂直直面方向关于支撑梁K21、K22受力平衡。
[0023]第二子单元A2顺时针旋转九十度就可以得到第三子单元A3，第二子单元A2中的垂直梳齿H22和第三子单元A3中的水平梳齿H31交叠在一起，但不接触形成梳齿电容对。立体看，在静态时需要保证两子个单元梳齿交叠高度合适，交叠高度与两个子单元中支撑梁的几何尺寸及支撑梁与其支撑的质量块连接的位置有关。由于本发明中四个子单元完全相同，可以根据设计需求调整支撑梁的几何尺寸及梁与其支撑的质量块连接的位置，从而调整梳齿交叠高度。依次类推，第三子单元A3顺时针旋转九十度得到第四子单元A4，第三子单元A3中的垂直梳齿与第四子单元A4中的水平梳齿交叠在一起形成梳齿电容对；第四子单元A4顺时针旋转九十度得到第一子单元Al，第四子单元A4中的垂直梳齿与第一子单元Al中的水平梳齿交叠在一起形成梳齿电容对。第一子单元中的水平梳齿Hll与第四子单元中的垂直梳齿H42构成第一梳齿电容对，第一子单元中的垂直梳齿H12与第二子单元中的水平梳齿H21构成第二梳齿电容对，第三子单元中的水平梳齿H31与第二子单元中的垂直梳齿H22构成第三梳齿电容对，第三子单元中的垂直梳齿H32与第四子单元中的水平梳齿H41构成第四梳齿电容对。
[0024]Z轴电容式微机械加速度计需要通过金属引线与外部电路进行连接，如图6所示，玻璃基座上的金属电极层有4个电极S1、S2、S3、S4。电极SI通过阳极键合与锚点区Jll相连接，电极S2通过阳极键合与锚点区J21相连接，电极S3通过阳极键合与锚点区J31相连接，电极S4通过阳极键合与锚点区J41相连接。电极S1、S2、S3、S4依次分别为第一、第二、第三、第四子单元Al、A2、A3、A4提供电信号的连接。电极S1、S2、S3、S4的形状可以根据需要调整，电极间隔距离大，可减小输出信号的交叉耦合影响。
[0025]中心活动质量单元和检测单元可以互换，在测量Z轴加速度时，固定一组中心对称的子单元作为中心活动质量单元，另外一组中心对称的子单元即为检测单元，中心活动质量单元与检测单元在测量过程中都可以活动，相对于已有的Z轴电容式微机械加速度计中只有中心活动质量单元活动的技术方案而言，本发明的方案增大了中心活动质量单元与检测单元在检测中的相对扭转角度，进而减小了检测电容极板的正对面积与极板间距的比值,增大了加速度计的灵敏度。
[0026]如图7所示，以第一子单元Al和第三子单元A3这一对作为中心活动质量单元，将第二子单元A2和第四子单元A4这一对作为检测对单元为例，在Z轴方向的加速度作用下，第二子单元A2的垂直梳齿H22向下移动，水平梳齿H21向上移动；第三子单元A3的垂直梳齿H32向下移动，水平梳齿H31向上移动；第四子单元A4的梳垂直齿H42向下移动，水平梳齿H41向上移动；第一子单元Al的垂直梳齿H12向下移动，水平梳齿Hll向上移动。以第二子单元A2为例，第二梳齿电容对大小为C21，第四梳齿电容对大小为C23，在Z轴方向加速度作用下，第一子单元Al的垂直梳齿H12向下移动，第二子单元A2的水平梳齿H21向上移动，使得C21对应的检测电容极板的正对面积与极板间距的比值减小，C21大小减小AC21，第三子单元A3的水平梳齿H31向上移动，第二子单元A2的垂直梳齿H22向下移动，使得C23对应的检测电容极板的正对面积与极板间距的比值也减小，C23大小减小A C23。在Z轴加速度作用下，C21与C23均减小，减小大小为AC21+AC23。同样的原理，第四子单元A4为例，第一梳齿电容对大小为C41，第三梳齿电容对大小为C43，在Z轴方向加速度作用下，第一子单元Al的水平梳齿Hll向上移动，第四子单元A4的垂直梳齿H42向下移动，使得C41对应的检测电容极板的正对面积与极板间距的比值减小，C41大小减小A C41 ;第三子单元A3的垂直梳齿H32向下移动，第四子单元A4的水平梳齿H41向上移动，使得C43对应的检测电容极板的正对面积与极板间距的比值减小，C43大小减小A C43。在Z轴加速度作用下，C41与C43均减小，减小大小为A C41+ A C43。将电极S2和S4通过信号线短接引出作为测试等效电容的一个引线，将电极SI和S3通过信号线短接引出作为测试等效电容的另外一个引线，在Z轴方向加速度为0时，测试电容大小为C21+C23+ C41+C43 ;在冗轴方向加速度不为0时，测试电容大小为C21+C23+ C41+C43- A C21- A C23- A C41- A C43,变化量为A C21+ A C23+ A C41+ A C43。变化量比单一的梳齿电容对大很多，这样灵敏度就增大了。
[0027]综上所述，本发明具有以下优点:
(1)通过减小检测电容极板的正对面积与极板间距的比值来增大微机械加速度计的灵敏度；
(2)结构层每个单元全相同，结构共模抑制比大，能减小输出信号的零点偏移；
(3)电极布局隔离距离大，输出信号交叉耦合小:由于电极布局在每个单元的中部，对应的检测电极彼此距离较远，这样输出信号的交叉耦合就比较小。
【权利要求】
1.Z轴电容式微机械加速度计，包括:玻璃基座，键合在玻璃基座上的扭转结构层，溅射在玻璃基座上的金电极层，其特征在于:所述扭转结构层包括结构相同四个子单元，任意三个子单元相当于另一个子单元按照顺时针方向或者逆时针方向分别旋转九十度、一百八十度、二百七十度得到； 其中，所述每个子单元包括:对称结构的四边形质量块，与所述四边形质量块连接的支撑梁，在四边形质量块对称轴一侧的局部质量块上留有镂空区域，在所述四边形质量块对称的第一侧边、第二侧边上均附着有梳齿，附着在四边形质量块第一侧边上的水平梳齿与所属子单元的垂直方向夹角为九十度，附着在四边形质量块第二侧边上的垂直梳齿与所属子单元的水平方向夹角为九十度。
2.根据权利要求1所述的Z轴电容式微机械加速度计，其特征在于:所述四边形质量块为等腰梯形的质量块，所述四边形质量块相互对称的第一侧边、第二侧边即为等腰梯形的两斜边。
3.根据权利要求1或2所述的Z轴电容式微机械加速度计，其特征在于:所述镂空区域为三角形区域。
【文档编号】G01P15/125GK103675348SQ201310667119
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月9日 优先权日:2013年12月9日
【发明者】刘恒, 宋安, 孟瑞丽, 周鹏 申请人:南京信息工程大学