[发明专利]一种差动电容式微机械加速度计

说明书

技术领域

本发明属于微机电系统(MEMS)中的惯性传感器领域，特别涉及一种差动电容式微机械加速度计，可广泛用于汽车电子、航空航天、武器装备的运动状态测量与控制。

背景技术

对物体运动状态的测量和控制在民用产品和国防产品领域有着广泛的应用。加速度计主要用于测量运动物体相对惯性空间的运动参数，传统的加速度计受体积、重量和成本等因素的限制，难以在民用领域推广应用。以集成电路(IC)工艺和精密机械加工工艺为基础制作的微机械加速度计具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等突出优点，其体积和价格比常规加速度计小三、四个数量级乃至更多，因而可用于汽车运动状态控制系统、摄像机稳定系统、运动机械控制、机器人测控、大地测量、医用仪器等广泛的民用应用领域。

1993年，美国AD公司成功地将微机械加速度计商品化，并大批应用于汽车安全气囊，现在已有1亿5千万只AD公司的iMEMS加速度计安装在安全至关重要的汽车安全气囊系统中。目前，中国研制的微机械加速度计主要采用体加工工艺，利用加工出的梳齿结构(中国发明专利：CN1139815C)或栅型结构(中国发明专利：CN1844935A)来形成一组梳状差动电容。图1所示为梳齿结构的微机械加速度计敏感结构，包括由体加工形成的齿枢11、多组动齿12和折叠梁13组成的敏感质量元件，固定齿14，立柱15。动齿12由齿枢纽向两侧伸出，形成双侧梳齿式结构，该齿枢两端的折叠梁13通过立柱固定于基片上，使齿枢、多组动齿相对基片悬空平行设置；固定齿14为直接固定在基片上的多组单侧梳齿结构。敏感质量元件的每个动齿为可变电容的一个活动电极，与固定齿的每个梳齿交错配置，总体形成差动电容。为了在质量块两侧形成多组动齿，质量块被去除掉很多材料，使微机械加速度计的敏感质量大幅度减小。

在梳齿结构或栅型结构中，为了形成一组梳状差动电容，要将质量块上的很多部分刻蚀掉，导致在有限体积下的敏感质量大幅度减小，加速度转化为惯性力的效率低，降低了微机械加速度计的分辨率和灵敏度，不易实现高精度的加速度测量。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术敏感质量过小的不足之处，提供了一种结构简单、质量块大、采用平面工艺形成梳状电极的高灵敏度差动电容式微机械加速度计，以解决现有微机械加速度计灵敏度和分辨率不够高的问题。

本发明提出的一种差动电容式微机械加速度计，包括一个由硅片、绝缘层和可动电极组成的敏感质量元件、固定电极、基片、折叠梁；其中，敏感质量元件的主体为硅片，可动电极以栅状等间距分布在硅片上，绝缘层将各个可动电极在空间上隔离开；折叠梁构造在敏感质量元件两端，构成弹性支撑，并通过立柱固定于基片上，使整个可动电极平面相对基片平面悬空平行；该固定电极等间距布置在基片上，固定电极与可动电极交错配置，形成一组差动电容。

所述硅片可采用整体式长方体构成质量块；

所述基片采用玻璃衬底作材料。

所述可动电极可由集成电路加工工艺形成在敏感质量块表面上。

此外，在敏感质量元件的两端还可设置有双向防冲击止档，可有效地实现过载保护，防止在较强的纵向或横向冲击下造成折叠梁结构断裂。

在基片上(最好在中央位置)可设置有一个防吸合止档，在施加测量电压或高频干扰作用下，当敏感质量元件和基片之间产生很强的静电吸合力时，可以防止固定电极和可动电极吸合而造成的短路，并防止敏感质量元件结构的损坏。

本发明与现有技术相比的优势：

(1)由于采用整体矩形质量块，在相同结构体积下可以实现最大敏感质量，提高微机械加速度计的灵敏度和分辨率；

(2)加工工艺简单，易批量生产。使用传统的集成电路平面加工工艺在硅片表面(质量块)实现梳状电极，无需使用体硅加工工艺将硅片加工成三维梳齿或三维栅型立体结构，降低微机械加速度计的加工成本，提高加工效率。

(3)进一步，设置凸状双向止档。有效防止纵向、横向冲击或过载；设置防吸合止档。有效防止了电极短路造成的微机械加速度计损坏。

附图说明

图1是常规的梳齿式微机械加速度计平面结构示意图；

图2是本发明的横截面结构示意图；

图3是本发明的俯视结构示意图。

具体实施方式

本发明提出的一种差动电容式微机械加速度计结合附图及实施例详细说明如下：