一种抗过载电容式三轴mems加速度计的制作方法

文档序号:9488409阅读:551来源:国知局
一种抗过载电容式三轴mems加速度计的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微机电领域,具体是一种抗过载电容式三轴MEMS加速度计。
【背景技术】
[0002]MEMS加速度计是微机电系统的重要组成部分。微机电加速度计由于其体积小、功耗低、易集成、抗过载能力强及可大批量生产的特点被广泛应用于MMU的核心元件。随着MEMS设计方法及工艺技术的发展,微机械加速度计已经广泛应用在导弹制导、家用电器、汽车电子等各个消费领域。
[0003]通常多轴电容式加计结构需要安装三个加计结构,增加芯片成本同时需要很高的安装精度,三轴一体的加速度计存在着各轴向干扰和线性度有待提高的问题。《多轴电容式加速度计》(公开号为CN101738496A)的专利文件提供的多轴加速度计结构能降低各轴向加速度感测相互干扰的现象,但未对该种结构的抗过载性能进行分析和评价。
[0004]MEMS加速度计的灵敏度和频率范围是负相关的,在保证较高频率的条件下,尽可能提高加速度计的灵敏度,同时优化应力集中的部位。《一种压阻式MEMS高过载加速度计》(公开号为CN103969467A)的专利文件中采用压阻原理能实现超过200000g加速度的过载冲击,但是该种结构的加速度计通常用做炮弹引信开关使用,即在冲击达到200000g时加速度计才有信号输出,在平时加速度数值较小时输出信号微小,加速度计基本不工作,同时该种结构的加计只限于在XY平面内的加速度运动,对于Z方向的结构和冲击未作分析和评价。
[0005]《高过载三自由度加速度计》(公开号为CN1667420A)的专利文件中三自由度加速度计结构采用压阻检测原理,外界有加速度时,质量块发生位移,引起悬臂梁变形,进而引起悬臂梁处压敏电阻值变化,但是在加速度很小的情况下,质量块位移很小,悬臂梁不容易变形,压敏电阻值变化甚微,造成检测精度不高,测量不准等问题,同时三轴加计结构芯片采用分别制作后再统一贴片的方法增加了制造成本。

【发明内容】

[0006]本发明的目的在于提供一种抗过载电容式三轴MEMS加速度计,该加速度计既能在正常加速度输入下响应,又能在高过载冲击下降低微梁与锚点连接处应力集中与应力过大的问题,保证加速度计在受到高过载冲击下能够稳定工作。
[0007]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种抗过载电容式三轴MEMS加速度计,包括设于衬底上的X轴向、Y轴向与Z轴向检测单元,X轴向检测单元包括框形的X轴向质量块,X轴向质量块的框间设有X轴向弹性梁,X轴向弹性梁的中部固定有X轴向锚体;Y轴向检测单元包括框形的Y轴向质量块,Y轴向质量块的框间设有Υ轴向弹性梁,Υ轴向弹性梁的中部固定有Υ轴向锚体;Χ轴向质量块与Υ轴向质量块的框间还分别设有敏感可动梳齿电极对以及驱动固定梳齿电极对;ζ轴向检测单元包括呈Η型的Ζ轴向质量块,Ζ轴向质量块的中部设有Ζ轴向锚体与Ζ轴向弹性梁,所述ζ轴向质量块的两个开口侧分别设有相互对称的Ζ轴向应力释放梁,每个Ζ轴向应力释放梁均包含呈“门”字形的一级应力释放梁与二级应力释放梁,二级应力释放梁横跨于相对应开口侧的两端,一级应力释放梁设于二级应力释放梁外侧的中部;每个二级应力释放梁外侧的中部还设有用于和衬底相连的副Ζ轴向锚体;
所述X轴向弹性梁上设有呈“口”字型的X轴向应力释放梁,X轴向应力释放梁将X轴向锚体框在内部;所述X轴向应力释放梁四条边的中部分别设有X轴向应力释放凸点;所述Υ轴向弹性梁上设有呈“口”字型的Υ轴向应力释放梁,Υ轴向应力释放梁将Υ轴向锚体框在内部;所述Υ轴向应力释放梁四条边的中部分别设有Υ轴向应力释放凸点。
[0008]进一步的,所述Ζ轴向质量块上设有相对于中心两两对称的四个槽,每个槽内均设有弧形应力释放梁,弧形应力释放梁也相对于中心两两对称。
[0009]进一步的,所述X轴向质量块的外沿设有X轴向共用电极对与X轴向平衡电极对,X轴向共用电极对分布于X轴向质量块的横边框上,X轴向平衡电极对分布于X轴向质量块的纵边框上,X轴向共用电极对在开环工作模式下作为检测电容对、在闭环工作模式下作为反馈加力电极对,X轴向平衡电极对在闭环工作模式下平衡X轴向质量块沿Υ方向运动时的加速度位移影响;
所述Υ轴向质量块的外沿设有Υ轴向共用电极对与Υ轴向平衡电极对,Υ轴向共用电极对分布于Υ轴向质量块的纵边框上,Υ轴向平衡电极对分布于Υ轴向质量块的横边框上,Υ轴向共用电极对在开环工作模式下作为检测电容对、在闭环工作模式下作为反馈加力电极对,Υ轴向平衡电极对在闭环工作模式下平衡Υ轴向质量块沿Υ方向运动时的加速度位移影响。
[0010]进一步的,所述X轴向共用电极对、X轴向平衡电极对、γ轴向共用电极对与γ轴向平衡电极对的外侧还分别设有弹性防撞凸点。
[0011]本发明的有益效果是,X轴向与Υ轴分别通过各自的敏感可动梳齿电极对以及驱动固定梳齿电极对的配合实现X轴向与Υ轴向的检测,ζ轴向加速度检测单元采用变化上下平行极板间电容来检测外围输入加速度数值;X轴向应力释放梁与X轴向应力释放凸点的设置能将应力集中区域由X轴向锚点与X轴向弹性梁的连接处扩展到整个X轴向弹性梁上,有效分担应力集中区域的应力;Υ轴向应力释放梁与Υ轴向应力释放凸点的设置能将应力集中区域由Υ轴向锚点与Υ轴向弹性梁的连接处扩展到整个Υ轴向弹性梁上,有效分担应力集中区域的应力;通过一级应力释放梁、二级应力释放梁与弧形应力释放梁能够将高过载下的应力集中区域由Ζ轴向锚点与Ζ轴向弹性梁的连接处扩展到整体Ζ轴向弹性梁上,有效分担应力集中区域的应力,避免了加速度计受高过载冲击的影响,保证了加速度计能在高过载下正常工作,提高了加速度计的固有频率,振型更加稳定。
【附图说明】
[0012]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明:
图1是本发明的结构示意图;
图2是图1中Ζ轴向检测单元的示意图;
图3是图2的俯视图;
图4是图1中X轴向检测单元的放大示意图; 图5是图4的俯视图;
图6是图1中Y轴向检测单元的放大示意图。
【具体实施方式】
[0013]结合图1?3所示,本发明提供一种抗过载电容式三轴MEMS加速度计,包括设于衬底上的X轴向检测单元2、Y轴向检测单元3与Z轴向检测单元1 ;
Z轴向检测单元1包括呈Η型的Z轴向质量块la,Z轴向质量块la的中部设有Z轴向锚体lb与Z轴向弹性梁lc,所述Z轴向质量块la的两个开口侧分别设有相互对称的Z轴向应力释放梁,每个Z轴向应力释放梁均包含呈“门”字形的一级应力释放梁If与二级应力释放梁lg,二级应力释放梁lg横跨于相对应开口侧的两端,一级应力释放梁If设于二级应力释放梁lg外侧的中部;一级应力释放梁If的长度小于二级应力释放梁lg的长度;每个二级应力释放梁外侧的中部还设有用于和衬底相连的副Z轴向锚体lh ;所述Z轴向质量块la上设有相对于中心两两对称的四个槽ld,每个槽内均设有弧形应力释放梁le,弧形应力释放梁le也相对于中心两两对称。
[0014]结合图4与图5所示,X轴向检测单元2包括框形的X轴向质量块2a,X轴向质量块2a的框间设有X轴向弹性梁2c,X轴向弹性梁2c的中部固定有X轴向锚体2b ;X轴向质量块2a的框间还设有相互配合的X轴向敏感可动梳齿电极对2e与X轴向驱动固定梳齿电极对2f ;所述X轴向弹性梁2c上设有呈“ 口 ”字型的X轴向应力释放梁2j,X轴向应力释放梁2j将X轴向锚体2b框在内部;所述X轴向应力释放梁2j四条边的中部分别设有X轴向应力释放凸点2d ;所述X轴向质量块2a的外沿设有X轴向共用电极对2g与X轴向平衡电极对2h,X轴向共用电极对2g分布于X轴向质量块2a的横边框上,X轴向平衡电极对2h分布于X轴向质量块2a的纵边框上,X轴向共用电极对2g在开环工作模式下作为检测电容对、在闭环工作模式下作为反馈加力电极对,X轴向平衡电极对2h在闭环工作模式下平衡X轴向质量块2a沿Y方向运动时的加速度位移影响,保证X轴向质量块2a在Y方向始终处于初始平衡位置。
[0015]结合图6所示,Y轴向检测单元3与X轴向检测单元2的结构类似,将X轴向检测单元2旋转90°即得到Y轴向检测单元3 ;Y轴向检测单元包括框形的Υ轴向质
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