硅条16固定设置在玻璃衬底I上，每个固定驱动硅条16的梳齿条15与驱动器驱动硅条11位置对应；固定驱动硅条16的梳齿条15与对应的驱动器驱动硅条11的组成驱动器驱动电容；两个固定驱动硅条16通过玻璃衬底I表面上的引线3与焊点2连接。驱动器质量块上的方形环槽槽宽小于驱动器驱动硅条11与固定驱动硅条16的梳齿条15之间的间距，驱动器驱动硅条11与固定驱动硅条16的梳齿条15之间的间距小于硅条23与质量块驱动硅条25之间的间距。传感器电容的起始驱动间距是硅条23和质量块驱动硅条25之间的间距与方环形槽槽宽的差值。驱动硅条25通过玻璃衬底I表面上的引线7与焊点6连接。
[0021]驱动导线29共有两根，分别纵向设置于相应的栅形敏感器质量块20的内侧边框上，每根驱动导线的一端通过沿对应的敏感器连接梁30和敏感器U型硅支撑梁18上所铺设的金属导线28引出电极26、27连接。驱动导线以及连接驱动导线与电极之间的连接线与敏感器栅质量块对应部分之间设置有电绝缘层。
[0022]玻璃衬底I表面对应两个敏感器锚点19位置设置有两个敏感器质量块焊点5，敏感器质量块焊点5与敏感器锚点19连接。玻璃衬底I表面对应敏感器质量块20位置设置有叉指铝电极，叉指铝电极9通过铝焊点6接入测试信号电压。
[0023]结合图1、图2、图3对传感器原理进行说明。本传感器的自我标定功能是在驱动器质量块14上施加电压，使驱动器驱动硅条11与敏感质量块上矩形硅条23产生的静电力等效于外界所要施加的加速度，使敏感质量块在敏感方向上产生偏移，变面积式的梳齿对和敏感器质量块上新增的栅形条井电容差分运动进行检测敏感质量块的偏移量。
[0024]驱动器质量块14上方环形槽的槽宽12用dl表示，固定驱动硅条15和驱动器驱动硅条11的间距用d2表示，敏感器质量块连接的矩形硅条23和质量块驱动硅条24的间距用d3表示，且d3>d2>dl。用外部金丝球焊技术用金线把固定驱动硅条焊点和封装管壳引脚连接，施加直流偏置电压，用Vdl表示，产生的静电力驱动驱动器质量块，使驱动器质量块14与环形槽13发生吸合，敏感质量块上矩形硅条23与质量块驱动硅条24的间距为d3-dl ;驱动器的焊点和封装壳引脚连接，施加电压用Vd2表示(Vd2〈〈Vdl，不影响驱动器和固定驱动硅条的吸合)，上下驱动器可施加不同的电压信号，使驱动敏感质量块在敏感方向上受到静电力作用发生偏移，从而达到代替外界加速度的效果，实现自我标定功能。当Vd2为静态电压信号时，可实现传感器的静态标定；当Vd2为动态电压信号时，可模拟振动台标定及频率特性的标定等。同时，通过驱动器减小了质量块驱动电容极板间距，增大了传感器的初始质量块驱动电容以减小质量块的驱动电压，增大传感器标定范围。
[0025]条形敏感器质量块矩形凸起31和栅形敏感器质量块矩形凸起32之间的电容调整间隙33用d4表示。把位于条形敏感器质量块左侧的驱动导线，用外部金丝球焊技术，用金线把驱动导线左侧引出电极26分别连接到封装管壳引脚上，并接入恒流源。把位于条形敏感器质量块右侧的驱动导线，用外部金丝球焊技术，用金线把驱动导线右侧引出电极27分别连接到封装管壳引脚上，并接入和左侧的驱动导线相反相位的恒流源。敏感器外部引出电极5和6分别连接到封装管壳引脚，并分别用Vl和V2表示。在传感器结构正上方的封装管壳帽内设置合适方向的匀强磁场，使在两根金属驱动导线上产生的安培力的方向均指向条形敏感器质量块的纵向中心线，并与条形敏感器质量块的纵向中心线垂直。两根驱动导线上的安培力使条形敏感器质量块矩形凸起31和栅形敏感器质量块矩形凸起32之间的电容调整间隙33减小至零，此时，传感器初始检测电容间距为d4，由于电容的间距大大减小，从而传感器的初始检测电容大大增加。再在V1、V2端分别加电载波信号，敏感器质量块通过锚点连接至地。当敏感方向上有加速度信号时，由于惯性力的作用，产生位移，从而引起栅形敏感器质量块20上的栅形电极21和检测用交叉梳齿状固定对电极组成的差分电容的叠加面积变化，进而引起电容较大的变化，该变化电容和外部惯性信号的大小成线性关系，通过检测电容变化便可以得到敏感方向上加速度的大小，而且由于传感器结构设计的特点，检测电容为差分变化，这增大了传感器的线性范围和量程。
[0026]本实用新型设计的高精度微惯性传感器，由于梳齿电容间距可用驱动器质量块减小，且驱动器质量块的质量块驱动硅条上刻蚀凹形阻尼条，这些因素使传感器的机械噪声和电路噪声大大减小，从而使敏感质量块的驱动电压大大减小；且敏感器质量块上有滑膜阻尼的栅形条井电容和变面积式的梳齿对对电容进行检测，从而使传感器可以达到很高的精度；本实用新型在驱动器质量块上刻蚀出防吸合短路的矩形孤岛，防止电容间发生短路和永久吸合。同时本实用新型采用为机械技术制作，工艺简单，有利于提高成品率和降低制造成本。
【主权项】
1.一种嵌入U形梁的带自标功能的微惯性传感器，包括玻璃衬底、敏感器质量块、驱动器质量块、固定驱动硅条和驱动导线，其特征在于: 敏感器质量块分为条形敏感器质量块和一对栅形敏感器质量块；条形敏感器质量块由矩形块和条形敏感器质量块矩形凸起组成，条形敏感器质量块的两对应端通过敏感器U型硅支撑梁与敏感器锚点连接，敏感器锚点固定设置在玻璃衬底上；一对栅形敏感器质量块分别位于条形敏感器质量块两侧，每个栅形敏感器质量块由纵向等间距、横向平行的栅形电极以及栅型敏感器质量块矩形凸起组成，其纵向长度和条形敏感器质量块的主体长度相同；栅形敏感器质量块矩形凸起和条形质量块矩形凸起相对，形成电容调整间隙；栅形敏感器质量块的两个对应端分别设置有两组矩形硅条组，每组硅条组包括平行设置的m条硅条，m多2，栅形敏感器质量块两端的硅条数目相同、位置对应，硅条与栅形敏感器质量块侧边垂直；栅形敏感器质量块对应玻璃衬底一面刻蚀有与矩形硅条平行的矩形栅条形井；栅形敏感器质量块和条形敏感器质量块通过两对位于栅形敏感器质量块和条形敏感器质量块之间的U形敏感器连接梁相连，该两对U形敏感器连接梁沿着条形敏感器质量块的横向中心线对称设置； 敏感器质量块的两侧分别设置有两个驱动器质量块；所述的驱动器质量块为矩形硅片，驱动器质量块的两对应端通过驱动器U形支撑梁与锚点连接，驱动器锚点固定设置在玻璃衬底上，驱动器质量块与玻璃衬底平行设置；每个驱动器质量块的一侧设置有m个驱动器驱动硅条，另一侧设置有m个质量块驱动硅条，所述的质量块驱动硅条为梳齿状，齿上刻蚀有凹形阻尼条，质量块驱动硅条与敏感器质量块连接的矩形硅条平行、位置对应，敏感器质量块连接的矩形硅条与对应的质量块驱动硅条组成质量块驱动电容；驱动器质量块中间刻有方环形槽； 两个梳齿状的固定驱动硅条固定设置在玻璃衬底上，每个固定驱动硅条的梳齿条与驱动器驱动硅条位置对应；固定驱动硅条的梳齿条与对应的驱动器驱动硅条的组成驱动器驱动电容；两个固定驱动硅条通过玻璃衬底表面上的引线与驱动器外部连接锚点连接； 驱动导线共有两根，分别纵向设置于相应的栅形敏感器质量块的内侧边框上，每根驱动导线的一端通过沿对应的敏感器连接梁和敏感器U型硅支撑梁上所铺设的金属导线引出电极连接；驱动导线以及连接驱动导线与电极之间的连接线与敏感器栅质量块对应部分之间设置有电绝缘层； 玻璃衬底表面对应两个敏感器锚点位置设置有两个敏感器质量块锚点，敏感器质量块焊点与敏感器锚点连接；玻璃衬底表面对应敏感器质量块设置有叉指铝电极，敏感器质量块上刻蚀的栅条形井的长条边与叉指铝电极中的每对叉指相对应。
【专利摘要】本实用新型涉及一种嵌入U形梁的带自标功能的微惯性传感器。本实用新型中敏感器质量块为刻蚀有栅条形井的矩形硅片，两对应端通过硅支撑梁与锚点连接，另两个对应端分别设置有数量相同、位置对应的矩形硅条。驱动器质量块设置在敏感器质量块的两侧，中间刻有环形槽，两侧设置有可动质量块驱动硅条和驱动器驱动硅条，敏感器质量块连接的硅条与对应的质量块驱动硅条组成质量块驱动电容。固定驱动硅条的梳齿条与可动驱动器驱动硅条组成驱动器驱动电容。敏感器质量块栅形电极和衬底表面的叉指铝电极组成检测电容。本实用新型增大了质量块驱动电容，从而减小了驱动电压；增大了振子质量，减小了布朗噪声；增大了检测电容，减小了压膜空气阻尼。
【IPC分类】G01P15/125, G01P21/00
【公开号】CN204758627
【申请号】CN201520342499
【发明人】颜海霞, 颜辉, 潘颖
【申请人】杭州洛凯科技有限公司
【公开日】2015年11月11日
【申请日】2015年5月24日