[发明专利]一种带声学腔的电容式加速度传感器

说明书

技术领域

本发明涉及惯性传感器技术领域，具体地说，本发明涉及一种新型的带声学腔的电容式加速度传感器结构。

背景技术

加速度传感器是一种非常重要的惯性传感及测量器件，广泛应用于航空航天、振动监测、工业控制、地球物理勘探等领域。近年来随着MEMS(微机电系统)技术的发展和成熟，MEMS加速度传感器以其体积小、重量轻、成本低、集成度高等优点，在汽车电子及消费类电子产品中获得了大量的应用，并进一步向工业应用领域扩展，具有广阔的市场前景。

加速度传感器通过将感受到的加速度以一定比例转化为电信号输出来实现对外界加速度的测量。按照敏感方式分类，加速度传感器主要包括压阻式、电容式、压电式、隧道式、谐振式等。压阻式加速度传感器灵敏度较低；压电式加速度传感器灵敏度高、体积和质量小、性能稳定，但其输出电压灵敏度要受电缆长度的影响，且不适用于低频加速度的测量；隧道式加速度传感器灵敏度高，但具有制造工艺复杂、容易损坏等缺点；谐振式加速度传感器灵敏度和分辨率高，但能耗较大。与上述换能方式相比，电容式加速度传感器具有结构简单、灵敏度和分辨率高、低频响应好、漂移小、灵敏度温度系数低、能耗低等众多优点，特别由于其结构简单、能耗低、制造工艺简便且易与CMOS工艺兼容，目前的MEMS加速度传感器多采用电容式结构。

加速度传感器一般由加速度检测质量块、与质量块相连的弹簧，以及加速度传感器的框架等组成。当感受到外界加速度时，检测质量块受到的惯性力与弹簧提供的弹性力平衡，使质量块产生一个相对于加速度传感器框架的位移。电容式加速度传感器在检测质量块与传感器框架之间形成电容，通过检测位移导致的电容变化来检测外界加速度的大小。目前已经有的MEMS电容式加速度传感器通常采用弹性梁作为弹簧，包括两种结构：一种结构是质量块和条状梁构成的质量块-弹簧结构，检测质量块的移动引起的电容变化，如申请号为200710038123.4的中国专利申请中公开的结构；另一种结构是质量块上形成多个可动插指，与加速度传感器框架上的固定插指相互交叉，检测质量块移动引起这些插指之间的电容变化。虽然这两种结构都有商用的产品，但它们对器件内的真空度要求较高，且质量块比较小，系统的品质因数Q往往取决于加速度内部的真空度，这往往限制了在其它方面的应用。并且，上述两种结构中，检测电容两极板之间为密闭空间，检测质量块运动时，该空间中的气体无法向别处流动，只能被压缩，系统中气体引起的阻尼较大，弹性行为也比较复杂，Q值也只能通过调节密闭空间气体真空度来调节。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种带声学腔的电容式加速度传感器。其具有质量块-弹性膜-背极板-传感器框架结构构成，本发明采用质量块与背极板之间形成空气隙-背极板上制作有阻尼孔-背极板与框架之间形成声学腔的结构，通过调节背极板上的阻尼孔的大小和在背极板上所占的面积比以及声学腔的容积，可以控制系统阻尼，并且，声学腔为流动气体提供回路，这样对加速度计内部的真空度要求比较低，给系统的设计带来较大的灵活性。

由此，本发明的一种带声学腔的电容式加速度传感器，包括：传感器框架、安装在框架内的加速度检测结构、以及至少一块制作有阻尼孔和限位凸点的背极板。

所述传感器框架内装入所述加速度检测结构以及背极板并进行封闭后，所述加速度检测结构与背极板之间形成空气隙，所述背极板与传感器框架之间形成声学腔，该声学腔为一个空腔或者二个连通或不连通的空腔，用于形成流动气体回路，改善系统频率响应，其具体形状由传感器结构及封装决定。

所述加速度检测结构由检测质量块和弹性振动膜构成，检测质量块位于传感器中心位置，弹性振动膜位于其外围，检测质量块的外边界与弹性振动膜的内边界相连，弹性振动膜的外边界与所述传感器框架相连，该检测质量块和弹性振动膜均为中心对称图形，二者具有相同的对称中心，并且，所述弹性振动膜是一具有一定厚度的连续膜，在垂直于其厚度方向有一个对称平面，所述检测质量块和弹性振动膜均相对于该平面上下对称。

这里，构成所述加速度检测结构的所述检测质量块和弹性振动膜一体或者分体构成，其材质相同或者不同。可以采用一块材料加工制成，也可以采用不同材料制成，再进行牢固连接。所述检测质量块和弹性振动膜的形状可以为圆形、矩形、正方形或者正六边形等任意形状。