一種加速度計(jì)中的z軸結(jié)構(gòu)及三軸加速度計(jì)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種加速度計(jì)中的Z軸結(jié)構(gòu)及三軸加速度計(jì)，包括位于X軸方向上的第一彈性梁以及位于Y軸方向上的第二彈性梁，其中，第二彈性梁的兩端連接在基板的錨點(diǎn)上，第一彈性梁的兩端連接質(zhì)量塊，所述第一彈性梁偏離質(zhì)量塊X軸方向的中線；還包括將質(zhì)量塊連接起來(lái)的橫梁、縱梁；還設(shè)置有連接兩條橫梁的加強(qiáng)梁，其中，兩個(gè)慣性測(cè)量模塊中的第二彈性梁相對(duì)于加強(qiáng)梁對(duì)稱分布。本發(fā)明的三軸加速度計(jì)，平面內(nèi)的某一軸(X軸、Y軸)的運(yùn)動(dòng)不會(huì)受到結(jié)構(gòu)偏心特性的影響，使得X軸、Y軸的運(yùn)動(dòng)均是線運(yùn)動(dòng)，從而不會(huì)加劇軸間的耦合；另一方面也不會(huì)降低在質(zhì)量塊在X軸、Y軸上的位移量，從而提高了電容檢測(cè)的精度。
【專利說(shuō)明】一種加速度計(jì)中的2軸結(jié)構(gòu)及三軸加速度計(jì)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微機(jī)電(1213)領(lǐng)域，更準(zhǔn)確地說(shuō)，涉及一種加速度計(jì)中的2軸結(jié)構(gòu)；本發(fā)明還涉及一種三軸加速度計(jì)。

【背景技術(shù)】
[0002]微機(jī)電加速度計(jì)是基于1213技術(shù)的慣性器件，用于測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)的線運(yùn)動(dòng)加速度。它具有體積小、可靠性高、成本低廉、適合大批量生產(chǎn)等特點(diǎn)，因此具有廣闊的市場(chǎng)前景，其應(yīng)用領(lǐng)域包括消費(fèi)電子、航空航天、汽車、醫(yī)療設(shè)備和武器等等。
[0003]目前三軸加速度計(jì)通常有兩種實(shí)現(xiàn)方式，一種是拼湊的方法，將三個(gè)單軸結(jié)構(gòu)或者一個(gè)雙軸和一個(gè)單軸兩個(gè)結(jié)構(gòu)組合在一起實(shí)現(xiàn)三個(gè)軸向加速度的測(cè)量。第二種是采用單結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)三軸加速度的測(cè)量。在單結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方案中一般通過(guò)偏心結(jié)構(gòu)測(cè)量2軸加速度，在此種方案中除了 2軸檢測(cè)運(yùn)動(dòng)利用了結(jié)構(gòu)的偏心特征，在平面內(nèi)某一軸(如X軸或7軸)的檢測(cè)運(yùn)動(dòng)也會(huì)受到結(jié)構(gòu)偏心特征的影響，因而其運(yùn)動(dòng)實(shí)際為擺動(dòng)而不是線運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)方式一方面會(huì)加劇軸間耦合，另一方面會(huì)減小電容變化量，從而大大降低了檢測(cè)的精度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，提供了一種加速度計(jì)中的2軸結(jié)構(gòu)。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種加速度計(jì)中的2軸結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)對(duì)稱的慣性測(cè)量模塊，每個(gè)慣性測(cè)量模塊包括:
[0006]基板，以及位于基板上作為下電極的第一極片，
[0007]懸空在基板上方的質(zhì)量塊；所述質(zhì)量塊上設(shè)有與第一極片組成2軸檢測(cè)電容的上電極；
[0008]用于連接基板和質(zhì)量塊的彈性十字梁，所述彈性十字梁包括位于X軸方向上的第一彈性梁以及位于V軸方向上的第二彈性梁，其中，第二彈性梁的兩端連接在基板的錨點(diǎn)上，第一彈性梁的兩端連接質(zhì)量塊，或者是第一彈性梁的兩端連接在基板的錨點(diǎn)上，第二彈性梁的兩端連接質(zhì)量塊；所述第一彈性梁偏離質(zhì)量塊X軸方向的中線；
[0009]還包括將兩個(gè)慣性測(cè)量模塊中質(zhì)量塊的兩側(cè)分別連接起來(lái)的連接梁；所述連接梁包括位于X軸方向上的橫梁，還包括位于V軸方向上、一端與橫梁連接一端與質(zhì)量塊側(cè)壁連接的縱梁；還設(shè)置有連接兩條橫梁的加強(qiáng)梁，其中，兩個(gè)慣性測(cè)量模塊中的第二彈性梁相對(duì)于加強(qiáng)梁對(duì)稱分布。
[0010]優(yōu)選的是，所述縱梁為彈性梁。
[0011]優(yōu)選的是，所述質(zhì)量塊設(shè)置有通孔，所述第一彈性梁連接在通孔的側(cè)壁上。
[0012]優(yōu)選的是，所述第二彈性梁位于質(zhì)量塊V軸方向的中線上。
[0013]優(yōu)選的是，所述第一極片的數(shù)量有兩個(gè)，對(duì)稱分布在第一彈性梁的兩側(cè)。
[0014]優(yōu)選的是，所述加強(qiáng)梁設(shè)置有兩個(gè)，兩個(gè)加強(qiáng)梁平行設(shè)置，與橫梁圍成一矩形框。
[0015]優(yōu)選的是，還包括分別連接矩形框?qū)堑膬蓚€(gè)斜梁。
[0016]本發(fā)明還提供了一種三軸加速度計(jì)，包括上述的Z軸結(jié)構(gòu)；其中，所述質(zhì)量塊在Y軸、X軸方向上還設(shè)置有第一可動(dòng)電極、第二可動(dòng)電極；所述基板上設(shè)置有用于與第一可動(dòng)電極、第二可動(dòng)電極分別組成Y軸檢測(cè)電容、X軸檢測(cè)電容的第一固定電極、第二固定電極。
[0017]優(yōu)選的是，所述第一可動(dòng)電極和/或第二可動(dòng)電極分別設(shè)置有兩個(gè)，分別位于質(zhì)量塊相對(duì)的兩側(cè)。
[0018]優(yōu)選的是，第一可動(dòng)電極與第一固定電極之間和/或第二可動(dòng)電極與第二固定電極之間構(gòu)成梳齒電容結(jié)構(gòu)。
[0019]本發(fā)明的加速度計(jì)，平面內(nèi)的某一軸(X軸、Y軸)的運(yùn)動(dòng)不會(huì)受到結(jié)構(gòu)偏心特性的影響，使得X軸、Y軸的運(yùn)動(dòng)均是線運(yùn)動(dòng)，從而不會(huì)加劇軸間的耦合；另一方面也不會(huì)降低在質(zhì)量塊在X軸、Y軸上的位移量，從而提高了電容檢測(cè)的精度。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1示出了本發(fā)明三軸加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖2示出了圖1中連接梁的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖3示出了本發(fā)明三軸加速度計(jì)另一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0023]為了使本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題、采用的技術(shù)方案、取得的技術(shù)效果易于理解，下面結(jié)合具體的附圖，對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0024]參考圖1，本發(fā)明提供了一種加速度計(jì)中的Z軸結(jié)構(gòu)，其包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)對(duì)稱的慣性測(cè)量模塊，每個(gè)慣性測(cè)量模塊包括基板(視圖未給出)，在該基板上可以布圖慣性測(cè)量模塊的電路等部件。該基板上設(shè)置有作為下電極的第一極片4 (視圖中以虛線表示)。
[0025]還包括位于基板上方的質(zhì)量塊1，以及將該質(zhì)量塊I支撐在基板上方的支撐系統(tǒng)5。該支撐系統(tǒng)5為一彈性十字梁，其包括第一彈性梁12以及第二彈性梁11，該第一彈性梁12和第二彈性梁11十字交叉固定在一起，優(yōu)選的是，固定連接點(diǎn)位于兩條彈性梁的中部，其中，所述第一彈性梁12位于X軸方向上，所述第二彈性梁11位于Y軸方向上。其中，第二彈性梁11的兩端連接在基板的錨點(diǎn)6上，而第一彈性梁12的兩端連接質(zhì)量塊I。通過(guò)第一彈性梁12、第二彈性梁11、錨點(diǎn)6將質(zhì)量塊I支撐在基板的上方，使得質(zhì)量塊I處于懸空的狀態(tài)。在本發(fā)明一個(gè)具體的實(shí)施例中，所述質(zhì)量塊I上設(shè)置有通孔，所述第一彈性梁12的兩端連接在通孔的內(nèi)壁上。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，第一彈性梁12的兩端連接在基板的錨點(diǎn)6上，第二彈性梁11的兩端連接質(zhì)量塊1，參考圖3。
[0026]在此需要提醒注意的時(shí)，本發(fā)明只是為了便于描述第一彈性梁12和第二彈性梁11之間的關(guān)系，將第一彈性梁12定為X軸方向，將第二彈性梁11定為Y軸方向，當(dāng)然，也可以將第一彈性梁12定為Y軸方向，第二彈性梁11定為X軸方向，二者之間是相對(duì)的。
[0027]本發(fā)明的Z軸結(jié)構(gòu)，所述第一彈性梁12偏離質(zhì)量塊X軸方向的中線；使得該慣性測(cè)量模塊在受到Z軸方向的外力時(shí)，可以相對(duì)于第一彈性梁12發(fā)生偏轉(zhuǎn)。以圖1的視圖方向?yàn)閰⒖?，也就是說(shuō)該第一彈性梁12至質(zhì)量塊I上端的距離與其至質(zhì)量塊I下端的距離不相等。例如，第一彈性梁12偏離至質(zhì)量塊X軸方向中線的上方，當(dāng)質(zhì)量塊I遇到Z軸方向的外力時(shí)，由于質(zhì)量塊I與第一彈性梁12之間的偏心設(shè)置，使得質(zhì)量塊I可以相對(duì)于第一彈性梁12發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0028]所述質(zhì)量塊1上還設(shè)有與第一極片4組成2軸檢測(cè)電容的上電極(視圖未給出)，在本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，該質(zhì)量塊1本身就是2軸檢測(cè)電容的上電極，此時(shí)，質(zhì)量塊1可作為電容的接地極片使用。
[0029]第一極片4優(yōu)選設(shè)置兩個(gè)，分布在第二彈性梁11端頭的兩側(cè)。當(dāng)2軸方向有加速度時(shí)，質(zhì)量塊1相對(duì)于第一彈性梁12發(fā)生偏轉(zhuǎn)，也就是說(shuō)，質(zhì)量塊1繞著第一彈性梁12轉(zhuǎn)動(dòng)，從而改變質(zhì)量塊1與第一極片4之間的距離，實(shí)現(xiàn)2軸檢測(cè)電容的變化。質(zhì)量塊1與其中一個(gè)第一極片4之間的距離變大，與另一個(gè)第一極片4之間的距離變小，使得兩個(gè)第一極片4與質(zhì)量塊之間可以構(gòu)成差分電容結(jié)構(gòu)，以提高2軸加速度檢測(cè)的精度。
[0030]本發(fā)明的2軸結(jié)構(gòu)，還包括將兩個(gè)慣性測(cè)量模塊中質(zhì)量塊1的兩側(cè)分別連接起來(lái)的連接梁；所述連接梁包括位于X軸方向上的橫梁7，以及位于V軸方向上、一端與橫梁7連接一端與質(zhì)量塊1側(cè)壁連接的縱梁8 ；為了降低縱梁8對(duì)質(zhì)量塊沿2軸方向翻轉(zhuǎn)的影響，所述縱梁8可以采用彈性梁。
[0031]參考圖1，位于上方的橫梁7、縱梁8將兩個(gè)質(zhì)量塊1的上端側(cè)壁連接在一起；位于下方的橫梁7、縱梁8將兩個(gè)質(zhì)量塊1的下端側(cè)壁連接在一起；在兩條橫梁7之間還設(shè)置有加強(qiáng)梁130，通過(guò)該加強(qiáng)梁130將兩條橫梁7連接在一起，加強(qiáng)梁在兩條橫梁7上的位置，使得兩個(gè)慣性測(cè)量模塊中的第二彈性梁11相對(duì)于該加強(qiáng)梁130對(duì)稱分布。此時(shí)，第二彈性梁11可以選擇設(shè)置在質(zhì)量塊IV軸方向的中線上，也可以偏離其中線。
[0032]本發(fā)明的2軸結(jié)構(gòu)，當(dāng)受到2軸方向的加速度時(shí)，由于質(zhì)量塊1與第一彈性梁12之間的偏心設(shè)置，使得質(zhì)量塊1相對(duì)于第一彈性梁12發(fā)生偏轉(zhuǎn)，通過(guò)兩個(gè)第一極片4進(jìn)行檢測(cè)。而當(dāng)受到X軸方向的加速度時(shí)，由于橫梁7、縱梁8以及加強(qiáng)梁130的作用，可以防止質(zhì)量塊1由于偏心設(shè)置所引起的扭轉(zhuǎn)，使得質(zhì)量塊1只能在X軸方向上發(fā)生平移運(yùn)動(dòng)，從而提高了 X軸方向檢測(cè)的精度。當(dāng)質(zhì)量塊收到V軸方向的加速度時(shí)，由于第二彈性梁11相對(duì)于加強(qiáng)梁130對(duì)稱分布，使得該2軸結(jié)構(gòu)的重心和幾何重心重疊，從而保證了質(zhì)量塊只會(huì)在I軸方向上進(jìn)行平移，而不會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。
[0033]為了進(jìn)一步提高連接梁的抗扭轉(zhuǎn)能力，所述加強(qiáng)梁130設(shè)置有兩個(gè)，兩個(gè)加強(qiáng)梁130平行設(shè)置，與橫梁7圍成一矩形框。更進(jìn)一步地，還包括分別連接矩形框?qū)堑膬蓚€(gè)斜梁131，參考圖2。
[0034]在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，提供了一種三軸加速度計(jì)，其包括上述的2軸結(jié)構(gòu)，其中，所述質(zhì)量塊1在V軸、X軸方向上還分別設(shè)置有第一可動(dòng)電極9、第二可動(dòng)電極10 ；該兩個(gè)可動(dòng)電極固定在質(zhì)量塊1上，例如可以設(shè)置在質(zhì)量塊1的邊緣，并可隨著質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)而同步運(yùn)動(dòng)。對(duì)應(yīng)地，所述基板上設(shè)置用于與第一可動(dòng)電極9、第二可動(dòng)電極10分別組成V軸檢測(cè)電容、X軸檢測(cè)電容的第一固定電極2、第二固定電極3。該兩個(gè)固定電極固定安裝在基板上，當(dāng)兩個(gè)可動(dòng)電極隨著質(zhì)量塊1發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，改變固定電極與可動(dòng)電極之間的面積或距離，從而改變相應(yīng)電容的電容量，以實(shí)現(xiàn)該方向上加速度的測(cè)量。
[0035]其中，所述第一可動(dòng)電極9設(shè)置有兩個(gè)，分別位于質(zhì)量塊1相對(duì)的兩側(cè)。參考圖1的視圖方向，兩個(gè)第一可動(dòng)電極9分別設(shè)置在質(zhì)量塊1的上端和下端，對(duì)應(yīng)地，基板上設(shè)置有與兩個(gè)第一可動(dòng)電極9配合的兩個(gè)第一固定電極2，當(dāng)有X軸方向加速度時(shí)，質(zhì)量塊沿著V軸方向運(yùn)動(dòng)，使得其中一個(gè)第一可動(dòng)電極9與第一固定電極2之間的面積或距離變大，而另一個(gè)第一可動(dòng)電極9與第一固定電極2之間的面積或距離變小，該兩個(gè)Y軸檢測(cè)電容構(gòu)成了差分電容結(jié)構(gòu)，提高了 Y軸加速度檢測(cè)的精度。
[0036]基于同樣的道理，所述第二可動(dòng)電極10也可設(shè)置有兩個(gè)，分別位于質(zhì)量塊I在X軸方向上的兩側(cè)。參考圖1的視圖方向，兩個(gè)第二可動(dòng)電極10分別設(shè)置在質(zhì)量塊I的左端和右端，對(duì)應(yīng)地，基板上設(shè)置有與兩個(gè)第二可動(dòng)電極10配合的兩個(gè)第二固定電極3，當(dāng)有X軸方向的加速度時(shí)，質(zhì)量塊I沿著X軸方向運(yùn)動(dòng)，使得其中一個(gè)第二可動(dòng)電極10與第二固定電極3之間的面積或距離變大，而另一個(gè)第二可動(dòng)電極10與第二固定電極3之間的面積或距離變小，該兩個(gè)X軸檢測(cè)電容構(gòu)成了差分電容結(jié)構(gòu)，提高了 X軸加速度檢測(cè)的精度。
[0037]第一可動(dòng)電極9與第一固定電極2之間和/或第二可動(dòng)電極10與第二固定電極3之間可以采用梳齒狀的電容結(jié)構(gòu)，梳齒電容的結(jié)構(gòu)屬于現(xiàn)有的技術(shù)，在此不再具體說(shuō)明。
[0038]當(dāng)Y軸方向有加速度時(shí)，質(zhì)量塊I通過(guò)第一彈性梁12的變形在Y軸方向發(fā)生位移，從而通過(guò)第一可動(dòng)電極9與第一固定電極2來(lái)測(cè)量Y軸方向的加速度。當(dāng)X軸方向有加速度時(shí)，質(zhì)量塊I通過(guò)第二彈性梁11的變形在X軸方向上發(fā)生位移，從而通過(guò)第二可動(dòng)電極10與第二固定電極3來(lái)測(cè)量X軸方向的加速度。
[0039]本發(fā)明的三軸加速度計(jì)，平面內(nèi)的某一軸(X軸、Y軸)的運(yùn)動(dòng)不會(huì)受到結(jié)構(gòu)偏心特性的影響，使得X軸、Y軸的運(yùn)動(dòng)均是線運(yùn)動(dòng)，從而不會(huì)加劇軸間的耦合；另一方面也不會(huì)降低質(zhì)量塊在X軸、Y軸上的位移量，從而提高了電容檢測(cè)的精度。
[0040]本發(fā)明已通過(guò)優(yōu)選的實(shí)施方式進(jìn)行了詳盡的說(shuō)明。然而，通過(guò)對(duì)前文的研讀，對(duì)各實(shí)施方式的變化和增加對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見的。 申請(qǐng)人:的意圖是所有的這些變化和增加都落在了本發(fā)明權(quán)利要求所保護(hù)的范圍中。
【權(quán)利要求】
1.一種加速度計(jì)中的Z軸結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)對(duì)稱的慣性測(cè)量模塊，每個(gè)慣性測(cè)量模塊包括: 基板，以及位于基板上作為下電極的第一極片(4)， 懸空在基板上方的質(zhì)量塊(I);所述質(zhì)量塊(I)上設(shè)有與第一極片(4)組成Z軸檢測(cè)電容的上電極； 用于連接基板和質(zhì)量塊(I)的彈性十字梁，所述彈性十字梁包括位于X軸方向上的第一彈性梁(12)以及位于Y軸方向上的第二彈性梁(11)，其中，第二彈性梁(11)的兩端連接在基板的錨點(diǎn)(6)上，第一彈性梁(12)的兩端連接質(zhì)量塊(I)，或者是第一彈性梁(12)的兩端連接在基板的錨點(diǎn)(6)上，第二彈性梁(11)的兩端連接質(zhì)量塊(I);所述第一彈性梁(12)偏離質(zhì)量塊(I)X軸方向的中線； 還包括將兩個(gè)慣性測(cè)量模塊中質(zhì)量塊(I)的兩側(cè)分別連接起來(lái)的連接梁；所述連接梁包括位于X軸方向上的橫梁(7)，還包括位于Y軸方向上、一端與橫梁(7)連接一端與質(zhì)量塊(I)側(cè)壁連接的縱梁(8);還設(shè)置有連接兩條橫梁(7)的加強(qiáng)梁(130)，其中，兩個(gè)慣性測(cè)量模塊中的第二彈性梁(11)相對(duì)于加強(qiáng)梁(130)對(duì)稱分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Z軸結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述縱梁(8)為彈性梁。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Z軸結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述質(zhì)量塊(I)設(shè)置有通孔，所述第一彈性梁(12)連接在通孔的側(cè)壁上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Z軸結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述第二彈性梁(11)位于質(zhì)量塊(I)Y軸方向的中線上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Z軸結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述第一極片(4)的數(shù)量有兩個(gè)，對(duì)稱分布在第一彈性梁(12)的兩側(cè)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Z軸結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述加強(qiáng)梁(130)設(shè)置有兩個(gè)，兩個(gè)加強(qiáng)梁(130)平行設(shè)置，與橫梁(7)圍成一矩形框。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的Z軸結(jié)構(gòu)，其特征在于:還包括分別連接矩形框?qū)堑膬蓚€(gè)斜梁(131) ο
8.—種三軸加速度計(jì)，其特征在于:包括權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)所述的Z軸結(jié)構(gòu)；其中，所述質(zhì)量塊(I)在Y軸、X軸方向上還設(shè)置有第一可動(dòng)電極(9)、第二可動(dòng)電極(10);所述基板上設(shè)置有用于與第一可動(dòng)電極(9)、第二可動(dòng)電極(10)分別組成Y軸檢測(cè)電容、X軸檢測(cè)電容的第一固定電極(2)、第二固定電極(3)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的三軸加速度計(jì)，其特征在于:所述第一可動(dòng)電極(9)和/或第二可動(dòng)電極(10)分別設(shè)置有兩個(gè)，分別位于質(zhì)量塊(I)相對(duì)的兩側(cè)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的三軸加速度計(jì)，其特征在于:第一可動(dòng)電極(9)與第一固定電極⑵之間和/或第二可動(dòng)電極(10)與第二固定電極(3)之間構(gòu)成梳齒電容結(jié)構(gòu)。
【文檔編號(hào)】G01P15/125GK104459203SQ201410826551
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年12月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月25日
【發(fā)明者】張廷凱 申請(qǐng)人:歌爾聲學(xué)股份有限公司