專利名稱：全解耦雙軸電容式微機械加速度計的制作方法
技術(shù)領域：
本實用新型涉及一種全解耦雙軸電容式微機械加速度計，屬于微機電系統(tǒng)(以下 簡稱MEMS)中的慣性傳感器技術(shù)領域。
背景技術(shù)：
MEMS是尺寸從微米到毫米級的將電子元件和機械元件集成到一起的系統(tǒng)，可以對 微小尺寸進行敏感、控制、驅(qū)動，單獨地或配合地完成特定的功能。具有體積和質(zhì)量小、成本 和能耗低、集成度和智能化程度高等一系列特點。作為其中典型性、代表性成果，以集成電 路工藝和微機械加工工藝為基礎制作的微機械加速度計以其體積小、重量輕、功耗小、成本 低、易集成、過載能力強和可批量生產(chǎn)等特點，不僅成為微型慣性測量組合的核心元件，也 迅速擴大到其他民用領域。美國AD(Analog Devices)公司于1989年開始微硅梳齒式電容加速度計的研究， 1993年投產(chǎn)形成系列產(chǎn)品。1998年AD公司成功推出了它的雙軸加速度計產(chǎn)品系列。量 程從士2g到士 lOOOg，在一塊IC芯片上集成了雙軸加速度敏感元件、信號調(diào)理和脈寬調(diào) 制信號輸出電路。市場上現(xiàn)有的微機械加速度計產(chǎn)品大多是單軸的，而在實際應用中常常 需要雙軸或三軸加速度計來測量加速度矢量。中國目前的雙軸加速度計(中國發(fā)明專利 CN1844934A)主要以梳齒電容的形式實現(xiàn)差動的靜電驅(qū)動、電容檢測，以中心對稱的結(jié)構(gòu)通 過一個質(zhì)量塊敏感兩個正交方向的加速度。圖1所示為梳齒結(jié)構(gòu)的雙軸電容式微機械加速 度計的平面結(jié)構(gòu)示意圖，包括基片1、質(zhì)量塊2、由固支梁3和斜置梁4組成的彈性支撐、可 動電極6、固定電極5、錨點8。整個結(jié)構(gòu)為中心對稱圖形，通過一個質(zhì)量塊敏感兩個正交方 向的加速度，質(zhì)量塊2居于結(jié)構(gòu)的中心，外圍是彈性支撐和可動電極，彈性支撐由四個雙端 固支梁3和四個斜置梁4構(gòu)成，四個雙端固支梁構(gòu)成正方形，正方形的四個角是錨點8，每個 斜置梁的一端與質(zhì)量塊2固連，另一端與其對應的雙端固支梁中間固連；可動電極6與質(zhì)量 塊2固連，固定電極5與齒樞7固連，以梳齒偏置結(jié)構(gòu)實現(xiàn)差動的靜電驅(qū)動和電容檢測。為了實現(xiàn)雙軸結(jié)構(gòu)，彈性支撐由四個固支梁和四個懸臂梁組成。這種斜置梁結(jié)構(gòu) 沒有完全解決交叉耦合，容易帶來較大的測量誤差。另外，斜置梁結(jié)構(gòu)的彈性剛度很大，使 系統(tǒng)無阻尼自振角頻率較高，使質(zhì)量塊在感知加速度變化時運動幅度和反應靈敏度受到限 制，降低了微機械加速度計的靈敏度，不易實現(xiàn)高精度的加速度測量。

發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是提出一種全解耦雙軸電容式微機械加速度計，改變已有微機 械加速度計的結(jié)構(gòu)，以克服已有技術(shù)的交叉耦合和彈性支撐剛性過大的不足之處，達到完 全解耦、彈性支撐剛度較小、靈敏度高等目的，實現(xiàn)高精度的二維加速度測量。本實用新型提出的全解耦雙軸電容式微機械加速度計，包括敏感質(zhì)量塊、橫向隔 離梁、橫向折疊梁、橫向可動電極、橫向固定電極、縱向隔離梁、縱向可動電極、縱向固定電 極、縱向折疊梁和立柱；所述的立柱固定在加速度計的基片上；所述的橫向折疊梁和縱向折疊梁通過立柱固定在加速度計的基片上；所述的橫向可動電極和縱向可動電極分別與橫 向折疊梁和縱向折疊梁相對固定；所述的橫向固定電極和縱向固定電極固定在加速度計的 基片上，且分別與橫向可動電極和縱向可動電極的位置相對；所述的橫向隔離梁與縱向可 動電極相對固定，所述的縱向隔離梁與橫向可動電極相對固定；所述的敏感質(zhì)量塊位于由 橫向隔離梁和縱向隔離梁圍成的方框中，敏感質(zhì)量塊的四角分別與橫向隔離梁和縱向隔離 梁相對固定。 本實用新型提出的全解耦雙軸電容式微機械加速度計，具有以下優(yōu)點1、本實用新型的微機械加速度計中，采用了隔離梁和獨立的折疊梁結(jié)構(gòu)，使橫向 可動電極和縱向可動電極的運動各自相互獨立，敏感質(zhì)量塊的橫向運動只能引起橫向可動 電極的運動，敏感質(zhì)量塊的縱向運動只引起縱向可動電極的運動，因此完全解決了雙軸電 容式微機械加速度計的機械交叉耦合問題，降低了測量誤差。2、本實用新型的微機械加速度計中，采用的隔離梁和折疊梁結(jié)構(gòu)彈性剛度較小， 因此提高了微機械加速度計的靈敏度，實現(xiàn)了對加速度的高精度測量，可以作為微慣性器 件廣泛應用于汽車電子、航空航天、武器裝備的運動狀態(tài)測量與控制。3、本實用新型提出的微機械加速度計，與傳統(tǒng)雙軸電容式微機械加速度計的加工 方法完全相同，不增加生產(chǎn)工藝難度和加工成本，易于批量生產(chǎn)。

圖1是已有的雙軸電容式微機械加速度計的平面結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本實用新型提出的全解耦雙軸電容式微機械加速度計的平面結(jié)構(gòu)示意圖。圖1中，1是基片，2是質(zhì)量塊，3是固支梁，4是斜置梁，5是固定電極，6是可動電 極，7是齒樞，8是錨點。圖2中，11是橫向折疊梁，12是橫向固定電極，13是橫向可動電極， 14是敏感質(zhì)量塊，15是縱向固定電極，16是縱向可動電極，17是縱向折疊梁，18是縱向隔離 梁，19是立柱，20是橫向隔離梁。
具體實施方式
本實用新型提出的全解耦雙軸電容式微機械加速度計，其平面結(jié)構(gòu)如圖2所示， 包括敏感質(zhì)量塊14、橫向隔離梁20、橫向折疊梁11、橫向可動電極13、橫向固定電極12、縱 向隔離梁18、縱向可動電極16、縱向固定電極15、縱向折疊梁17和立柱19。立柱19固定 在加速度計的基片(圖中未示出)上。橫向折疊梁11和縱向折疊梁17通過立柱19固定 在加速度計的基片上。橫向可動電極13和縱向可動電極16分別與橫向折疊梁和縱向折疊 梁相對固定。橫向固定電極12和縱向固定電極15固定在加速度計的基片上，且分別與橫 向可動電極13和縱向可動電極16的位置相對。橫向隔離梁20與縱向可動電極16相對固 定，縱向隔離梁18與橫向可動電極13相對固定。敏感質(zhì)量塊14位于由橫向隔離梁20和 縱向隔離梁18圍成的方框中，敏感質(zhì)量塊14的四角分別與橫向隔離梁20和縱向隔離梁18 相對固定。本實用新型的加速度計中，敏感質(zhì)量塊14、橫向和縱向折疊梁、橫向和縱向隔離 梁、橫向和縱向可動電極等均采用常規(guī)的體硅加工工藝，通過掩膜、光刻和刻蝕等工藝，去 除硅片上不需要的部分，最后得到完整的微結(jié)構(gòu)。加速度計中的基片可以采用玻璃襯底材料。本實用新型的加速度計中，敏感質(zhì)量塊14通過縱向隔離梁18和橫向隔離梁20分 別與橫向可動電極13和縱向固定電極15相連，橫向可動電極13通過橫向折疊梁11與立 柱19相連，縱向可動電極16通過縱向折疊梁17與立柱9相連，立柱9固定在玻璃襯底的 基片上。橫向固定電極12和縱向固定電極15固定在玻璃襯底的基片上，橫向可動電極13 與橫向固定電極12組成橫向檢測電容，縱向可動電極16與縱向固定電極15組成縱向檢測 電容。本實用新型加速度計的工作原理是橫向折疊梁11的橫向等效剛度很低，橫向可動電極13在橫向折疊梁11的約束下 只能進行橫向運動。當雙軸電容式微機械加速度計感受到橫向和縱向的加速度變化時，通 過敏感質(zhì)量塊14將加速度轉(zhuǎn)化為慣性力，慣性力使敏感質(zhì)量塊14發(fā)生位移。由于橫向隔 離梁20的橫向等效剛度很低，縱向隔離梁18的橫向等效剛度很大，敏感質(zhì)量塊14的橫向 運動無法傳遞到縱向可動電極16，因此，敏感質(zhì)量塊14的橫向運動只能通過縱向隔離梁18 帶動橫向可動電極13進行相同的橫向運動。通過檢測橫向可動電極13與橫向固定電極12 的差動電容量變化，可實現(xiàn)橫向加速度的檢測。同理，敏感質(zhì)量塊14的縱向運動只能通過 橫向隔離梁20帶動縱向可動電極16進行相同的縱向運動，通過檢測縱向可動電極16與縱 向固定電極15的差動電容量變化，可實現(xiàn)縱向加速度的檢測。綜上所述，本實用新型在設計上對雙軸電容式微機械加速度計進行了創(chuàng)新，可保 證敏感質(zhì)量塊的橫向運動只傳遞到橫向可動電極，敏感質(zhì)量塊的縱向運動只傳遞到縱向可 動電極，而且橫向可動電極的運動與縱向可動電極的運動互不相關，從結(jié)構(gòu)設計上完全消 除了機械耦合帶來的測量干擾，提高了雙軸電容式微機械加速度計的測量精度。另一方面， 本實用新型加速度計中的敏感質(zhì)量塊在檢測方向上的彈性剛度很低，因此提高了微機械加 速度計的靈敏度，可實現(xiàn)高精度的加速度測量。本實用新型與傳統(tǒng)雙軸電容式微機械加速 度計的加工方法完全相同，不增加工藝難度和加工成本，易于批量生產(chǎn)。
權(quán)利要求一種全解耦雙軸電容式微機械加速度計，其特征在于該加速度計包括敏感質(zhì)量塊、橫向隔離梁、橫向折疊梁、橫向可動電極、橫向固定電極、縱向隔離梁、縱向可動電極、縱向固定電極、縱向折疊梁和立柱；所述的立柱固定在加速度計的基片上；所述的橫向折疊梁和縱向折疊梁通過立柱固定在加速度計的基片上；所述的橫向可動電極和縱向可動電極分別與橫向折疊梁和縱向折疊梁相對固定；所述的橫向固定電極和縱向固定電極固定在加速度計的基片上，且分別與橫向可動電極和縱向可動電極的位置相對；所述的橫向隔離梁與縱向可動電極相對固定，所述的縱向隔離梁與橫向可動電極相對固定；所述的敏感質(zhì)量塊位于由橫向隔離梁和縱向隔離梁圍成的方框中，敏感質(zhì)量塊的四角分別與橫向隔離梁和縱向隔離梁相對固定。
專利摘要本實用新型涉及一種全解耦雙軸電容式微機械加速度計，屬于微機電系統(tǒng)中的慣性傳感器技術(shù)領域。加速度計中，立柱固定在加速度計的基片上，橫向和縱向折疊梁通過立柱固定在加速度計的基片上，橫向和縱向可動電極分別與橫向和縱向折疊梁相對固定，橫向和縱向固定電極固定在加速度計的基片上，且分別與橫向和縱向可動電極的位置相對，橫向隔離梁與縱向可動電極相對固定，縱向隔離梁與橫向可動電極相對固定，敏感質(zhì)量塊位于由橫向和縱向隔離梁圍成的方框中，敏感質(zhì)量塊的四角分別與橫向和縱向隔離梁相對固定。本實用新型的加速度計，完全解決了雙軸電容式微機械加速度計的機械交叉耦合問題，降低了測量誤差，實現(xiàn)了對加速度的高精度測量。
文檔編號G01P15/125GK201561986SQ20092027775
公開日2010年8月25日 申請日期2009年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月11日
發(fā)明者王慶, 高宏 申請人:紫光股份有限公司