[发明专利]一种双轴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，特别涉及一种双轴差动电容式微机械加速度计，它作为微惯性器件广泛应用于汽车电子、航空航天、武器装备的运动状态测量与控制。

背景技术

MEMS是尺寸从微米到毫米级的将电子元件和机械元件集成到一起的系统，可以对微小尺寸进行敏感、控制、驱动，单独地或配合地完成特定的功能。具有体积和质量小、成本和能耗低、集成度和智能化程度高等一系列特点。作为其中典型性、代表性成果，以集成电路工艺和微机械加工工艺为基础制作的微机械加速度计以其体积小、重量轻、功耗小、成本低、易集成、过载能力强和可批量生产等特点，不仅成为微型惯性测量组合的核心元件，也迅速扩大到其他民用领域。

市场上现有的微机械加速度计产品大多是单轴的，而在实际应用中常常需要双轴或三轴加速度计来测量加速度矢量。美国AD(Analog Devices)公司于1989年开始微硅梳齿式电容加速度计的研究，1993年投产形成系列产品。1998年AD公司成功推出了它的双轴加速度计产品系列。量程从±2g到±1000g，在一块IC芯片上集成了双轴加速度敏感元件、信号调理和脉宽调制信号输出电路。中国目前的双轴加速度计(中国发明专利：CN1844934A)主要以梳齿电容的形式实现差动的静电驱动、电容检测，以中心对称的结构通过一个质量块敏感两个正交方向的加速度。图1所示为梳齿结构的双轴微机械加速度计敏感结构，包括基片1、质量块2、由固支梁3和斜置梁4组成的弹性支撑、驱动电极、检测电极及齿枢7、锚点8。整个结构为中心对称图形，通过一个质量块敏感两个正交方向的加速度，质量块2居于结构的中心，外围是弹性支撑、驱动电极和检测电极，弹性支撑由四个双端固支梁3和四个斜置梁4构成，四个双端固支梁构成正方形，正方形的四个角是锚点8，每个斜置梁的一端与质量块2固连，另一端与其对应的双端固支梁中间固连；驱动电极和检测电极的活动极板6与质量块2固连，电极的固定极板5与齿枢7固连，以梳齿偏置结构实现差动的静电驱动和电容检测。上述结构采用体硅加工工艺实现。

在这种斜置梁结构的弹性刚度很大，使系统无阻尼自振角频率较高，降低了微机械加速度计的灵敏度，不易实现高精度的加速度测量。另外，斜置梁结构的微机械加速度计交叉耦合较大，容易带来较大的测量误差。

在上述梳齿结构中，为了在质量块四周分别形成一组梳状差动电容，质量块被刻蚀掉很多部分，导致在有限体积下的敏感质量大幅下降，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。为了实现双轴结构，弹性支撑由四个固支梁和四个悬臂梁组成，这种结构刚性大，使质量块在感知加速度变化时运动幅度和反应灵敏度受到限制，极大制约了加速度计的性能。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术弹性支撑刚性和交叉耦合过大的不足之处，提供一种双轴差动电容式微机械加速度计，采用平面加工工艺制作，具有结构简单，成本低廉、加工工艺简单，可重复性强、成品率高、易于批量生产的特点。

本发明一种双轴差动电容式微机械加速度计，其特征在于：包括一个由硅片，设置在该硅片上的四个方形可动电极和将各可动电极隔离开的绝缘层构成的敏感质量元件(敏感质量元件的主体为硅片，即质量块)，与该硅片水平相对的基片，设置在该基片上的与四个方形可动电极相对应的四个方形固定电极，设置在该硅片两端固定该硅片的两个横向折叠梁，与硅片构成横向运动检测机构；固定该横向折叠梁的两个纵向折叠梁，使硅片(质量块)和横向折叠梁作为整体形成纵向敏感质量，构成了纵向运动检测机构；将该两个纵向折叠梁固定有该基片上的立柱；使四个可动电极平面相对基片悬空平行。

该四个方形可动电极可以方形阵列置于硅片上，电极阵列中心与硅片中心重合；四个方形固定电极可组成方形阵列与该可动电极方形阵列同中心，静止状态时，各方形固定电极的内侧角可位于对应的方形可动电极的中心位置，在两个相互正交的方向上各形成两组差动电容。

在上述结构的基础上，本发明在横向折叠梁和纵向折叠梁的两端均可设置双向防冲击止档，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。

此外，在基片上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。

所述可动电极可由集成电路加工工艺形成在所述硅片表面上。

本发明与现有技术相比的优势：