[发明专利]Z轴电容式微机械加速度计

说明书

技术领域

本发明公开了Z轴电容式微机械加速度计，属于微机械电子系统中的惯性传感器的技术领域。

背景技术

微机械加速度计是微机电系统中最为成功的器件之一，在军事与民用领域有广泛的应用前景，孕育着巨大的社会效益和经济效益，提高性能指标是目前微机械加速度计领域的研究重点。

Z轴电容式微机械加速度计是通过Z轴方向的加速度作用在质量块上，质量块带动支撑梁的活动，而质量块上的梳齿或平板也相应发生位置移动，当梳齿或平板与固定平板构成的电容对的间隔距离或极板间隔距离发生变化时，意味着对应的电容发生变化，电容变化的大小与Z轴方向的加速度大小有关。Z轴电容式微机械加速度计正是通过检测电容变化的大小来感测Z轴方向加速度的。

Z轴电容式微机械加速度计一般有两种，一种是上下平动式，当Z轴方向加速度变化时，支撑梁支撑的质量块在Z轴方向上近似上下平行移动，固定的电容极板在质量块的正上方和正下方来形成差分电容，整个结构是一种“三明治”面包结构，这种方案的加速度计层数多，制造困难，且活动质量块上下平行移动距离小，加速度计灵敏度小。另外一种是扭转式，质量块通过梁来支撑，当Z轴方向加速度变化时，支撑梁支撑的质量块左右两部分就会相对支撑梁对应的轴线发生扭转，一边质量块位置上升，另一边质量块位置下降，对应的左右两边电容由于极板正对面积与极板间距的比值的变化而大小发生变化。在这种方式中，固定电容极板与质量块及支撑梁水平布置，加工比较容易。北京大学的杨振川、刘雪松、郝一龙等介绍了一种梳齿电容式Z轴加速度计及其制备方法（CN 1605871A），包括玻璃基座、可动电极和固定电极、支撑梁和锚点，可动电极以支撑梁为轴，其两侧具有质量差，属于扭转式Z轴电容式微机械加速度计，但由于检测电容的变化只取决于支撑梁的扭转角度，而与固定电极无关，所以加速度计灵敏度比较小。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提出了Z轴电容式微机械加速度计。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

Z轴电容式微机械加速度计，包括：玻璃基座，键合在玻璃基座上的扭转结构层，溅射在玻璃基座上的金电极层，扭转结构层包括结构相同四个子单元，任意三个子单元相当于另一个子单元按照顺时针方向或者逆时针方向分别旋转九十度、一百八十度、二百七十度得到；

其中，所述每个子单元包括：对称结构的四边形质量块，与所述四边形质量块连接的支撑梁，在四边形质量块对称轴一侧的局部质量块上留有镂空区域，在所述四边形质量块对称的第一侧边、第二侧边上均附着有梳齿，附着在四边形质量块第一侧边上的水平梳齿与所属子单元的垂直方向夹角为九十度，附着在四边形质量块第二侧边上的垂直梳齿与所属子单元的水平方向夹角为九十度。

作为Z轴电容式微机械加速度计的进一步优化方案，所述四边形质量块为等腰梯形的质量块，所述四边形质量块相互对称的第一侧边、第二侧边即为等腰梯形的两斜边。

作为Z轴电容式微机械加速度计的进一步优化方案，所述镂空区域为三角形区域。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

（1）通过减小检测电容极板正对面积与极板间距的比值来增大微机械加速度计的灵敏度；

（2）结构层每个单元全相同，结构共模抑制比大，能减小输出信号的零点偏移；

（3）电极布局隔离距离大，输出信号交叉耦合小：由于电极布局在每个单元的中部，对应的检测电极彼此距离较远，这样输出信号的交叉耦合就比较小。

附图说明

图1为典型z轴电容式微机械加速度计剖面图。

图2为本发明z轴电容式微机械加速度计剖面图。

图3为本发明涉及的Z轴电容式微机械加速度计的结构图。

图4为扭转结构层的结构图。

图5为第二子单元A2的结构图。

图6为Z轴电容式微机械加速度计通过金属引线与外部电路连接的示意图。

图7为Z轴电容式微机械加速度计中各子单元电容梳齿的示意图。

图中标号说明：A1-A4依次为第一至第四子单元，M2为等腰梯形质量块，K21、K22为长方形支撑梁，H11、H21、H31、H41为水平梳齿，H12、H22、H32、H42为垂直梳齿，J11、J21、J22、J31、J41为锚点区，S1、S2、S3、S4为电极。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：