[发明专利]金属电容式微加速度计

说明书

技术领域

本发明涉及一种微机电系统技术领域的微加速度计，具体涉及的是一种金属电容式微加速度计。

背景技术

加速度计是一种重要的传感器，广泛应用于工业、军事、航空、日常生活等众多领域。采用微加工工艺，实现微型化，有利于减小体积和功耗，有利于提高集成化和智能化程度，有利于大批量生产和减小生产成本，是当前加速度计的发展趋势。按工作原理，微加速度计可分为电容式、压阻式、压电式、谐振式、光纤式等等，其中电容式具有灵敏度高、温漂小等优点，因而发展迅速。电容式微加速度计的工作原理是：电容的动极板布置于质量块上，质量块承受加速度后发生位移和变形，从而引起动极板和定极板间的间隙厚度发生变化，导致电容值改变，通过测量电容变化值即可知加速度的大小。采用差分电容式结构，即传感器由上、下固定极板和中间活动极板构成，灵敏度大大提高，并可有效抑制噪声，提高测量精度。

经对现有技术文献的检索发现，中国专利公开号为CN1959417A、名称为“微机械电容式加速度传感器及其制作方法”的专利，提到一种电容式微加速度计，该微加速度计由上极板、下极板、质量块和质量块上的中间极板等构成，具有以下缺点：除极板采用金属薄膜外，其余材料均为硅系材料，但硅系材料具有脆性大、易断裂、抗冲击能力差的缺点；支撑梁根数较少，只在质量块的四角上各有2根支撑梁，单根梁所承受负载较大从而影响微加速度计承受高负载的能力，并且质量块-梁系统的谐振频率较低。此外，该微加速度计通过在硅系材料质量块的表面上覆盖金属薄膜方式构成中间极板，不但不同材料间易产生寄生电容，而且由于温度应力的作用，影响两者间的结合率，中间极板和质量块作为活动部件在冲击载荷作用下会发生振动甚至谐振，则易进一步发生剥离现象并导致寄生电容增大，甚至可能最终发生中间极板完全脱落现象。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种金属电容式微加速度计，使其解决电容式微加速度计的上述缺点，提高抗冲击能力，提高抗高负载能力，提高谐振频率，提高量程，并有利于工艺实现。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：上、下基体，上、下极板，质量块，支撑梁，上、下止动块，支撑柱，输入输出引脚等，连接方式为：上极板和上止动块位于上基体上，下极板和下止动块位于下基体上，质量块上分布有通孔，质量块由支撑梁支撑并位于上、下基体之间，输入输出引脚位于下基体上，上、下基体由支撑柱连接，并由支撑柱传递上极板与输入输出引脚之间的电信号。

本发明由上、下极板和质量块构成差分电容式结构，质量块同时承担中间极板的作用。质量块在加速度力作用下位移和变形后将导致差分电容的上、下电容值一者增大，另一者减小，两者变化方向相反，测量上、下电容的差值即可知道加速度的大小。差分结构可提高灵敏度、抑制噪声、提高测量精度。

所述质量块、支撑梁和支撑柱采用金属为材料。金属的断裂韧度远高于硅系材料的断裂韧度。微加速度计所承受的加速度力一般以冲击力形式加载，以金属为材料，可在很大程度上防止断裂发生，提高抗冲击能力。

所述质量块即为中间极板，两者合二为一。因质量块为金属材料，故质量块可同时承担中间极板的功能，不但简化了加工工艺，更重要的是能避免因质量块和中间极板为不同材料而产生寄生电容和温度应力，并防止中间极板在冲击作用下脱落。

所述支撑梁以高分布密度均匀分布，在质量块周边上的分布密度大于8根/mm。设计时，应首先确保梁的高密度均匀分布，然后根据材料的强度和韧度及梁的总刚度要求，决定每根梁的尺寸。支撑梁是微加速度计中最易发生机械破坏的部分，应能承受较大应力，并保证器件具有较高谐振频率。增加支撑梁的数目，不但可以减小每根支撑梁的受力大小，提高抗高负载能力，还可提高谐振频率。对于高量程微加速度计，为减小支撑梁所受力的大小，质量块较薄以减小加速度力，则工作时质量块将发生较明显的弯曲变形，其中心凸出并将最先到达极限位置，质量块沿测量方向的运动范围减小，从而限制了量程。采用高分布密度支撑梁，可使质量块在其周边上受力更加均匀，质量块变形减小。

本发明将支撑柱和引线柱合为一体。支撑柱采用金属材料，既具有高的断裂韧度，又具有导电作用。上、下基体之间由支撑柱连接，同时支撑柱又承担引线柱的功能，传递上极板与输入输出引脚之间的电信号。通过焊接方式将上基体固定于支撑柱上。上极板通过上基体上的引线连接至支撑柱，再通过下基体上的引线从支撑柱连接至输入输出引脚。这种结构降低了键合和引线加工工艺的困难程度。