专利名称：一种基于双质量块的三轴微加速度计的制作方法
一种基于双质量块的三轴微加速度计所属领域本发明涉及一种基于双质量块的三轴微加速度计，属于微机电系统(MEMS)中的微机械传感器领域。
现有技术微加速度计作为一种运动传感器被普遍应用，与常规的加速度计相比，具有体积小、重量轻、功耗小、成本低、可靠性好、易集成、过载能强、可批量生产等优点，现已成为加速度计的主要发展方向之一，可以广泛地运用于航空航天、汽车工业、工业自动化及机器人等领域。常见的微加速度计的工作原理是基于牛顿的经典力学，一般由敏感质量块、固定支架和检测电路三部分组成。质量块借助于一个或多个弹性元件附于固定支架上，当有外部加速度输入时，敏感质量块在惯性力的作用下发生位移，位移的变化大小和方向与输入加速度的大小和方向有着确定的对应关系，而该位移会引起某些相关物理量(电容、压力、 电阻、谐振频率等)发生相应变化，故倘若能通过检测电路将这些物理量的变化转化为容易测量的电学量，比如电压、电流、频率等，就可以测得质量块位移变化的情况，从而间接获取待测加速度的信息。另外，根据测得的加速度，经过一次积分运算可得到敏感质量块的速度，经过二次积分运算就可得到敏感质量块运动的距离。在我国专利号200410026336. 1的专利中，如图5所示，质量平板由四组内梁和四组外梁固定于基底之上，质量块向四个方向的伸出的四组梳齿与固定于基底上的四对固定梳齿检测x，Y方向的加速度，质量块下部有下电极，用于检测Z轴方向的加速度。此种方法的优点是可以用一个质量块检测三个方向的加速度，其缺点是(1)质量块由多个梁支撑， 运动方向的刚度较大，使器件的谐振频率较高，为了减少谐振频率，梁一般比较长，增加了器件的尺寸；⑵由于无参考电容，为了检测ζ轴加速度输入，必须将质量块无Z轴加速度输入时质量块与下电极的初始电容值存入电路，增加了电路的复杂性。
发明内容
本发明的目的在于公开一种基于双质量块的三轴微加速度计，以解决现有技术中的如下问题(1)多梁支撑质量块，使得刚度和谐振频率较大的问题；( 单质量块微加速度计的Z轴检测无参考电容的问题；本发明的技术方案是一种基于双质量块的三轴微加速度计，参阅图1，依次包括结构层1，金属层2和基底3 ；结构层1导电，基底3是与结构层绝缘的材料；参阅图2，所述的结构层1包括外质量块4，内梁5，外梁6，外锚点7，动梳齿结构 8，定梳齿结构9，定梳齿锚点10，内质量块11，内锚点12 ；所述外质量块4通过四组外梁6连接在外锚点7上；定义与外质量块4的一边平行的方向为X方向，与其垂直方向为Y方向；在外质量块4X方向的两条对边上伸出两对动梳齿结构8，与两对固定在定梳齿锚点10的定梳齿结构9形成X方向的差分变间距梳齿电容器；在外质量块4Y方向的两条对边上伸出两对动梳齿结构8，与两对固定在定梳齿锚点 10的定梳齿结构9形成Y方向的差分变间距梳齿电容器；外质量块4中心有开口，内质量块11位于所述开口内，它通过内锚点12固定在基底3上；同时，外质量块4伸出的四根内梁5与所述内质量块11连接。参阅图3，金属层包括一个内电极13，内电极的输出导线14，多个外电极15、外电极之间的连线16、外电极的输出连线17 ；所述内电极13位于内质量块11下方，且其边界不超出内质量块的边界；所述外电极15位于外质量块4下方，且工作时，其边界不超出外质量块4活动边界；内电极的输出导线14将内电极13的电容输出；外电极之间的连线16依次串联各外电极15，并通过外电极的输出连线17将多个外电极15的电容和输出；所述内电极13的面积与多个外电极15的面积和相等；所述内电极的输出导线14的面积与外电极之间的连线16和外电极的输出连线17的面积和相等。在本发明中，为了便于刻蚀和减少阻尼，外质量块4和内质量11块均为有刻蚀孔结构。在本发明中，三轴微加速度计的整个结构关于中心轴对称。在本发明中，为了提高线性度，每个定梳齿到相邻两个动梳齿的距离不等。本发明的优点是⑴质量块由较少的梁支撑，降低了运动方向的刚度和谐振频率，不用再为减少谐振频率而增大器件的尺寸；( 内电极和内质量块构成Z轴检测的参考电容，无需再将无Z轴加速度输入时Z轴方向的初始电容值存入电路，减少了电路的复杂性。( 梳齿采用变间距差分结构，且内电极13和外电极4的边界均不超出所对应质量块的边界，可以有效地减少机械耦合，减少非线性度。下面结合附图和实施实例对本发明进一步说明。
图1 本发明提出的基于双质量块的三轴微加速度计的侧视图。图2:结构层示意图3:金属层示意4 实施例中X方向两对梳齿电容器的工作示意5 现有技术中一种多轴电容式加速度计的俯视中，1-结构层，2-金属层，3-基底，4-外质量块，5-内梁，6_外梁，7_外锚点， 8-动梳齿结构，9-定梳齿结构，10-定梳齿锚点，11-内质量块，12-内锚点，13-内电极， 14-内电极的输出连线，15-外电极，16-外电极之间的连线，17-外电极的输出连线
具体实施例方式参阅图1，本实施例公开的一种基于双质量块的三轴微加速度计，依次包括结构层 1，金属层2和基底3 ；结构层1材料是硅，金属层2材料是Al，基底3是玻璃。参阅图2，所述的结构层1包括外质量块4，内梁5，外梁6，外锚点7，动梳齿结构8， 定梳齿结构9，定梳齿锚点10，内质量块11，内锚点12 ；所述外质量块4通过四组外梁6连接在外锚点7上；定义与外质量块4的一边平行的方向为X方向，与其垂直方向为Y方向； 在外质量块4X方向的两条对边上伸出两对动梳齿结构8，它与两对固定在定梳齿锚点10的定梳齿结构9形成X方向的差分变间距梳齿电容器；在外质量块4Y方向的两条对边上伸出两对动梳齿结构8，它与两对固定在定梳齿锚点10的定梳齿结构9形成Y方向的差分变间距梳齿电容器；外质量块4中心有开口，内质量块11位于所述开口内，它通过内锚点12固定在基底3上；同时，外质量块4伸出的四根内梁5与所述内质量块11连接。参阅图3，金属层包括一个内电极13，内电极的输出导线14，两个外电极15、外电极之间的连线16、外电极的输出连线17 ；所述内电极13位于内质量块11下方，且其边界不超出内质量块的边界；所述外电极15位于外质量块4下方，且工作时，其边界不超出外质量块4活动边界；内电极的输出导线14将内电极13的电容输出；外电极之间的连线16串联两个外电极15，并通过外电极的输出连线17将多个外电极15的电容和输出；所述内电极13的面积为160000 μ m2，两个外电极16的面积和为160000 μ m2 ；所述内电极的输出导线14的面积为9245 μ m2，外电极之间的连线17和外电极的输出连线18的面积和为9245 μ m2。本实施例中基于双质量块的三轴微加速度计的工作原理是设X负方向的电容器的电容为Ca，X正方向的电容器的电容为Ce，Y负方向的电容器的电容为Cb，Y正方向的电容器的电容为Cd。内质量块11与内电极13的形成的平板电容器的电容值固定不变，设为 Czl_in ；内电极的输出导线14与外质量块4形成的平板电容器的电容设为Cz2_in ；外质量块4与两个外电极15的形成的平板电容器的电容和为Czl_out ；外电极的之间的连线16与外电极输出导线17和外质量块形成的平板电容器的电容和为Cz2_out。设定梳齿结构9上定梳齿与相邻的动梳齿的重叠长度为1，且设定梳齿与相邻两个动梳齿的距离分别为dl和d2，梳齿厚度为t，介电常数为ε，每组定梳齿结构有N条伸出的细梁，每条细梁上有η对定梳齿；内电极13的面积为Α，且其与内质量块的间距为d3，内电极的输出导线与外质量块的重叠面积为a;两个外电极15的面积和A，且其与外质量块的间距为d3，外电极间的连线16与外质量块的重叠面积及外电极的输出连线17与外质量块的重叠面积的面积和为a。当无加速度输入时，
权利要求
1.一种基于双质量块的三轴微加速度计，依次包括结构层(1)，金属层(2)和基底(3)； 结构层(1)导电，基底(3)是与结构层绝缘的材料；其特征在于所述结构层(1)包括外质量块⑷，内梁(5)，外梁(6)，外锚点(7)，动梳齿结构(8)， 定梳齿结构(9)，定梳齿锚点(10)，内质量块(11)，内锚点(12)；所述外质量块(4)通过四组外梁(6)连接在外锚点(7)上；定义与外质量块(4)的一边平行的方向为X方向，与其垂直方向为Y方向；在外质量块方向的两条对边上伸出两对动梳齿结构(8)，与两对固定在定梳齿锚点(10)的定梳齿结构(9)形成X方向的差分变间距梳齿电容器；在外质量块方向的两条对边上伸出两对动梳齿结构(8)，与两对固定在定梳齿锚点(10)的定梳齿结构(9)形成Y方向的差分变间距梳齿电容器；外质量块⑷中心有开口，内质量块(11) 位于所述开口内，它通过内锚点(12)固定在基底(3)上；同时，外质量块(4)伸出的四根内梁(5)与所述内质量块(11)连接；所述金属层包括一个内电极(13)，内电极的输出导线(14)，多个外电极(15)、外电极之间的连线(16)、外电极的输出连线(17)；所述内电极(13)位于内质量块(11)下方，且其边界不超出内质量块的边界；所述外电极(1 位于外质量块(4)下方，且工作时，其边界不超出外质量块⑷活动边界；内电极的输出导线(14)将内电极(13)的电容输出；外电极之间的连线(16)依次串联各外电极(15)，并通过外电极的输出连线(17)将多个外电极(15) 的电容和输出；所述内电极(13)的面积与多个外电极(15)的面积和相等；所述内电极的输出导线(14)的面积与外电极之间的连线(16)和外电极的输出连线(17)的面积和相等。
2.一种如权利要求1所述的基于双质量块的三轴微加速度计，其特征在于所述外质量块⑷和内质量块(11)均为有刻蚀孔结构。
3.—种如权利要求1所述的基于双质量块的三轴微加速度计，其特征在于所述基于双质量块的三轴微加速度计关于中心轴对称。
4.一种如权利要求1所述的基于双质量块的三轴微加速度计，其特征在于所述定梳齿结构(9)上的每个定梳齿到相邻两个动梳齿的距离不等。
全文摘要
本发明涉及一种基于双质量块的三轴微加速度计，属于微机电系统(MEMS)中的微机械传感器领域。此加速度计有两个质量块组成，外质量块中心具有开口，向外伸出的四组动梳齿与固定于基底的四组定梳齿构成两对差分的梳齿电容器，分别检测X和Y方向的加速度输入，外质量块下的金属电极与外质量块构成平板电容器用于检测Z轴加速度输入；内质量块位于外质量块开口内，由锚点固定在基底上，与其下的金属电极形成检测Z轴加速度的参考电容器。本发明的优点是(1)质量块由较少的梁支撑，有效地减少运动方向的刚度，从而降低器件的尺寸；(2)内电极和内质量块构成Z轴的参考电容，降低了后续电路的复杂性；(3)有效地减少机械耦合和非线性度。
文档编号G01P15/18GK102323449SQ201110139699
公开日2012年1月18日 申请日期2011年5月26日 优先权日2011年5月26日
发明者常洪龙, 李小卿, 李慧敏, 李晓莹, 苑伟政, 谢建兵 申请人:西北工业大学