Z軸電容式微機械加速度計的制作方法
【專利摘要】本發明公開了Z軸電容式微機械加速度計，屬于微機械電子系統中的慣性傳感器的【技術領域】，包括：玻璃基座，鍵合在玻璃基座上的扭轉結構層，濺射在玻璃基座上的金電極層，扭轉結構層包括結構相同四個子單元，任意三個子單元相當于另一個子單元按照順時針方向或者逆時針方向分別旋轉九十度、一百八十度、二百七十度得到。本發明通過減小檢測電容極板正對面積與極板間距的比值來增大微機械加速度計的靈敏度，完全對稱的扭轉結構層使得結構共模抑制比大，減小了輸出信號的零點偏移。
【專利說明】Z軸電容式微機械加速度計
【技術領域】
[0001]本發明公開了 Z軸電容式微機械加速度計，屬于微機械電子系統中的慣性傳感器的【技術領域】。
【背景技術】
[0002]微機械加速度計是微機電系統中最為成功的器件之一，在軍事與民用領域有廣泛的應用前景，孕育著巨大的社會效益和經濟效益，提高性能指標是目前微機械加速度計領域的研究重點。
[0003]Z軸電容式微機械加速度計是通過Z軸方向的加速度作用在質量塊上，質量塊帶動支撐梁的活動，而質量塊上的梳齒或平板也相應發生位置移動，當梳齒或平板與固定平板構成的電容對的間隔距離或極板間隔距離發生變化時，意味著對應的電容發生變化，電容變化的大小與Z軸方向的加速度大小有關。Z軸電容式微機械加速度計正是通過檢測電容變化的大小來感測Z軸方向加速度的。
[0004]Z軸電容式微機械加速度計一般有兩種，一種是上下平動式，當Z軸方向加速度變化時，支撐梁支撐的質量塊在Z軸方向上近似上下平行移動，固定的電容極板在質量塊的正上方和正下方來形成差分電容，整個結構是一種“三明治”面包結構，這種方案的加速度計層數多，制造困難，且活動質量塊上下平行移動距離小，加速度計靈敏度小。另外一種是扭轉式，質量塊通過梁來支撐，當Z軸方向加速度變化時，支撐梁支撐的質量塊左右兩部分就會相對支撐梁對應的軸線發生扭轉，一邊質量塊位置上升，另一邊質量塊位置下降，對應的左右兩邊電容由于極板正對面積與極板間距的比值的變化而大小發生變化。在這種方式中，固定電容極板與質量塊及支撐梁水平布置，加工比較容易。北京大學的楊振川、劉雪松、郝一龍等介紹了一種梳齒電容式Z軸加速度計及其制備方法(CN 1605871A)，包括玻璃基座、可動電極和固定電極、支撐梁和錨點，可動電極以支撐梁為軸，其兩側具有質量差，屬于扭轉式Z軸電容式微機械加速度計，但由于檢測電容的變化只取決于支撐梁的扭轉角度，而與固定電極無關，所以加速度計靈敏度比較小。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題是針對上述【背景技術】的不足，提出了 Z軸電容式微機械加速度計。
[0006]本發明為實現上述發明目的采用如下技術方案:
Z軸電容式微機械加速度計，包括:玻璃基座，鍵合在玻璃基座上的扭轉結構層，濺射在玻璃基座上的金電極層，扭轉結構層包括結構相同四個子單元，任意三個子單元相當于另一個子單元按照順時針方向或者逆時針方向分別旋轉九十度、一百八十度、二百七十度得到；
其中，所述每個子單元包括:對稱結構的四邊形質量塊，與所述四邊形質量塊連接的支撐梁，在四邊形質量塊對稱軸一側的局部質量塊上留有鏤空區域，在所述四邊形質量塊對稱的第一側邊、第二側邊上均附著有梳齒，附著在四邊形質量塊第一側邊上的水平梳齒與所屬子單元的垂直方向夾角為九十度，附著在四邊形質量塊第二側邊上的垂直梳齒與所屬子單元的水平方向夾角為九十度。
[0007]作為Z軸電容式微機械加速度計的進一步優化方案，所述四邊形質量塊為等腰梯形的質量塊，所述四邊形質量塊相互對稱的第一側邊、第二側邊即為等腰梯形的兩斜邊。
[0008]作為Z軸電容式微機械加速度計的進一步優化方案，所述鏤空區域為三角形區域。
[0009]本發明采用上述技術方案，具有以下有益效果:
(1)通過減小檢測電容極板正對面積與極板間距的比值來增大微機械加速度計的靈敏
度；
(2)結構層每個單元全相同，結構共模抑制比大，能減小輸出信號的零點偏移；
(3)電極布局隔離距離大，輸出信號交叉耦合小:由于電極布局在每個單元的中部，對應的檢測電極彼此距離較遠，這樣輸出信號的交叉耦合就比較小。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1為典型z軸電容式微機械加速度計剖面圖。
[0011]圖2為本發明z軸電容式微機械加速度計剖面圖。
[0012]圖3為本發明涉及的Z軸電容式微機械加速度計的結構圖。
[0013]圖4為扭轉結構層的結構圖。
[0014]圖5為第二子單元A2的結構圖。
[0015]圖6為Z軸電容式微機械加速度計通過金屬引線與外部電路連接的示意圖。
[0016]圖7為Z軸電容式微機械加速度計中各子單元電容梳齒的示意圖。
[0017]圖中標號說明:A1-A4依次為第一至第四子單元，M2為等腰梯形質量塊，K21、K22為長方形支撐梁，H11、H21、H31、H41為水平梳齒，H12、H22、H32、H42為垂直梳齒，Jll、J21、J22、J31、J41 為錨點區，S1、S2、S3、S4 為電極。
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖對發明的技術方案進行詳細說明:
如圖1所示的典型Z軸電容式微機械加速度計，為確保活動質量塊在加速度作用下發生扭轉，扭轉后質量塊左邊被抬高，右邊被降低，活動質量塊與左右固定檢測質量塊之間對應電容的極板正對面積與極板間距的比值均減小。由于扭轉剛度相對比較大，電容變化比較小，從而加速度計的靈敏度比較小。
[0019]本發明的Z軸電容式微機械加速度計，在典型的Z軸電容式微機械加速度計上進行了改進，圖2虛線為活動質量塊結構在初始平衡時的狀態，中心質量塊左右有兩個活動檢測質量塊。當存在Z軸方向的加速度時，中間活動質量塊左端向上扭轉，右端向下扭轉，此條件下，檢測質量塊也通過支撐梁支撐起來，在Z軸方向的加速度作用下，左端檢測質量塊向下轉動，這樣一個向上扭轉，一個向下扭轉，兩個質量塊的正對面積與間距的比值就會大大減小，變化的電容增大。同樣，在Z軸方向的加速度作用下，右端檢測質量塊設計成向上轉動，這樣也是中心活動質量塊向下扭轉，右端檢測質量塊向上轉動，兩個質量塊的正對面積與間距的比值就會大大減小，變化的電容也同樣增大。這樣兩個檢測電容的并聯就能進一步增大加速度計的靈敏度。
[0020]如圖3所示，本發明涉及的Z軸電容式微機械加速度計用來測量垂直方向的一維加速度，包括:玻璃基座，鍵合在玻璃基座上的單晶硅扭轉結構層，濺射在玻璃基座上的金電極層。玻璃基座用于支撐單晶硅扭轉結構層，單晶硅扭轉結構層背面刻蝕有鍵合區，金電極層布置信號引線。
[0021]扭轉結構層如圖4所示包括:中心活動質量單元、檢測單元,中心活動質量單元與所述檢測單元關于所述扭轉結構層質心中心對稱，中心活動質量單元包括關于扭轉結構層質心中心對稱的第一子單元Al、第三子單元A3，檢測單元包括關于扭轉結構層質心中心對稱的第二子單元A2、第四子單元A4。第一至第四子單元Al、A2、A3、A4按順時針方向布置，也可以逆時針方向布置。
[0022]下面以順時針方向布置的第一至第四子單元Al、A2、A3、A4組成的扭轉結構層為例:每個子單元結構相同，第二子單元A2如圖5所示包括:等腰梯形質量塊M2，與等腰梯形質量塊連接的長方形支撐梁K21、K22，附著在梯形質量塊M2左斜邊上的多個水平梳齒H21，附著在梯形質量塊M2右斜邊上有多個垂直梳齒H22。在梯形質量塊M2對稱軸一側的局部質量塊上留有鏤空區域，鏤空區域可以為三角形或者其他形狀，可以根據需要設計鏤空面積大小。水平梳齒H21與第二子單元的垂直方向夾角為九十度，垂直梳齒H22與第二子單元的水平方向夾角為九十度，水平梳齒H21、垂直梳齒H22的長度和寬度根據設計需要調節。相鄰水平梳齒H21、垂直梳齒H22之間的間隔距離也可以根據設計需要調節。長方形支撐梁K21與梯形質量塊M2的長底邊連接，長方形梁K22與梯形質量塊M2的短底邊連接。長方形支撐梁K21通過錨點區J21固定在基座上，長方形支撐梁梁K22通過錨點區J22固定在基座上，錨點區J21和錨點區J22為長方形，面積大小可以根據需要變化，梯形質量塊M2及其上附著的梳齒在錨點區J21、J22的支撐作用下懸空。第二子單元A2在垂直直面方向關于支撐梁K21、K22受力平衡。
[0023]第二子單元A2順時針旋轉九十度就可以得到第三子單元A3，第二子單元A2中的垂直梳齒H22和第三子單元A3中的水平梳齒H31交疊在一起，但不接觸形成梳齒電容對。立體看，在靜態時需要保證兩子個單元梳齒交疊高度合適，交疊高度與兩個子單元中支撐梁的幾何尺寸及支撐梁與其支撐的質量塊連接的位置有關。由于本發明中四個子單元完全相同，可以根據設計需求調整支撐梁的幾何尺寸及梁與其支撐的質量塊連接的位置，從而調整梳齒交疊高度。依次類推，第三子單元A3順時針旋轉九十度得到第四子單元A4，第三子單元A3中的垂直梳齒與第四子單元A4中的水平梳齒交疊在一起形成梳齒電容對；第四子單元A4順時針旋轉九十度得到第一子單元Al，第四子單元A4中的垂直梳齒與第一子單元Al中的水平梳齒交疊在一起形成梳齒電容對。第一子單元中的水平梳齒Hll與第四子單元中的垂直梳齒H42構成第一梳齒電容對，第一子單元中的垂直梳齒H12與第二子單元中的水平梳齒H21構成第二梳齒電容對，第三子單元中的水平梳齒H31與第二子單元中的垂直梳齒H22構成第三梳齒電容對，第三子單元中的垂直梳齒H32與第四子單元中的水平梳齒H41構成第四梳齒電容對。
[0024]Z軸電容式微機械加速度計需要通過金屬引線與外部電路進行連接，如圖6所示，玻璃基座上的金屬電極層有4個電極S1、S2、S3、S4。電極SI通過陽極鍵合與錨點區Jll相連接，電極S2通過陽極鍵合與錨點區J21相連接，電極S3通過陽極鍵合與錨點區J31相連接，電極S4通過陽極鍵合與錨點區J41相連接。電極S1、S2、S3、S4依次分別為第一、第二、第三、第四子單元Al、A2、A3、A4提供電信號的連接。電極S1、S2、S3、S4的形狀可以根據需要調整，電極間隔距離大，可減小輸出信號的交叉耦合影響。
[0025]中心活動質量單元和檢測單元可以互換，在測量Z軸加速度時，固定一組中心對稱的子單元作為中心活動質量單元，另外一組中心對稱的子單元即為檢測單元，中心活動質量單元與檢測單元在測量過程中都可以活動，相對于已有的Z軸電容式微機械加速度計中只有中心活動質量單元活動的技術方案而言，本發明的方案增大了中心活動質量單元與檢測單元在檢測中的相對扭轉角度，進而減小了檢測電容極板的正對面積與極板間距的比值,增大了加速度計的靈敏度。
[0026]如圖7所示，以第一子單元Al和第三子單元A3這一對作為中心活動質量單元，將第二子單元A2和第四子單元A4這一對作為檢測對單元為例，在Z軸方向的加速度作用下，第二子單元A2的垂直梳齒H22向下移動，水平梳齒H21向上移動；第三子單元A3的垂直梳齒H32向下移動，水平梳齒H31向上移動；第四子單元A4的梳垂直齒H42向下移動，水平梳齒H41向上移動；第一子單元Al的垂直梳齒H12向下移動，水平梳齒Hll向上移動。以第二子單元A2為例，第二梳齒電容對大小為C21，第四梳齒電容對大小為C23，在Z軸方向加速度作用下，第一子單元Al的垂直梳齒H12向下移動，第二子單元A2的水平梳齒H21向上移動，使得C21對應的檢測電容極板的正對面積與極板間距的比值減小，C21大小減小AC21，第三子單元A3的水平梳齒H31向上移動，第二子單元A2的垂直梳齒H22向下移動，使得C23對應的檢測電容極板的正對面積與極板間距的比值也減小，C23大小減小A C23。在Z軸加速度作用下，C21與C23均減小，減小大小為AC21+AC23。同樣的原理，第四子單元A4為例，第一梳齒電容對大小為C41，第三梳齒電容對大小為C43，在Z軸方向加速度作用下，第一子單元Al的水平梳齒Hll向上移動，第四子單元A4的垂直梳齒H42向下移動，使得C41對應的檢測電容極板的正對面積與極板間距的比值減小，C41大小減小A C41 ;第三子單元A3的垂直梳齒H32向下移動，第四子單元A4的水平梳齒H41向上移動，使得C43對應的檢測電容極板的正對面積與極板間距的比值減小，C43大小減小A C43。在Z軸加速度作用下，C41與C43均減小，減小大小為A C41+ A C43。將電極S2和S4通過信號線短接引出作為測試等效電容的一個引線，將電極SI和S3通過信號線短接引出作為測試等效電容的另外一個引線，在Z軸方向加速度為0時，測試電容大小為C21+C23+ C41+C43 ;在冗軸方向加速度不為0時，測試電容大小為C21+C23+ C41+C43- A C21- A C23- A C41- A C43,變化量為A C21+ A C23+ A C41+ A C43。變化量比單一的梳齒電容對大很多，這樣靈敏度就增大了。
[0027]綜上所述，本發明具有以下優點:
(1)通過減小檢測電容極板的正對面積與極板間距的比值來增大微機械加速度計的靈敏度；
(2)結構層每個單元全相同，結構共模抑制比大，能減小輸出信號的零點偏移；
(3)電極布局隔離距離大，輸出信號交叉耦合小:由于電極布局在每個單元的中部，對應的檢測電極彼此距離較遠，這樣輸出信號的交叉耦合就比較小。
【權利要求】
1.Z軸電容式微機械加速度計，包括:玻璃基座，鍵合在玻璃基座上的扭轉結構層，濺射在玻璃基座上的金電極層，其特征在于:所述扭轉結構層包括結構相同四個子單元，任意三個子單元相當于另一個子單元按照順時針方向或者逆時針方向分別旋轉九十度、一百八十度、二百七十度得到； 其中，所述每個子單元包括:對稱結構的四邊形質量塊，與所述四邊形質量塊連接的支撐梁，在四邊形質量塊對稱軸一側的局部質量塊上留有鏤空區域，在所述四邊形質量塊對稱的第一側邊、第二側邊上均附著有梳齒，附著在四邊形質量塊第一側邊上的水平梳齒與所屬子單元的垂直方向夾角為九十度，附著在四邊形質量塊第二側邊上的垂直梳齒與所屬子單元的水平方向夾角為九十度。
2.根據權利要求1所述的Z軸電容式微機械加速度計，其特征在于:所述四邊形質量塊為等腰梯形的質量塊，所述四邊形質量塊相互對稱的第一側邊、第二側邊即為等腰梯形的兩斜邊。
3.根據權利要求1或2所述的Z軸電容式微機械加速度計，其特征在于:所述鏤空區域為三角形區域。
【文檔編號】G01P15/125GK103675348SQ201310667119
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月9日 優先權日:2013年12月9日
【發明者】劉恒, 宋安, 孟瑞麗, 周鵬 申請人:南京信息工程大學