專利名稱:一種多齒型梳齒式硅微加速度計(jì)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供了一種多齒型梳齒式硅微加速度計(jì)，其特征在于，包括“日”字型可動質(zhì)量塊、端部錨點(diǎn)、側(cè)部錨點(diǎn)、可動梳齒、固定梳齒、x方向阻擋塊、和y方向阻擋塊；“日”字型可動質(zhì)量塊包括x方向的短邊和y方向的長邊；可動梳齒排列固定安裝于“日”字型可動質(zhì)量塊的y方向的長邊兩側(cè)，固定梳齒固定安裝在側(cè)部錨點(diǎn)上，固定梳齒和可動梳齒位置對應(yīng)，形成檢測電容和驅(qū)動電容；x方向阻擋塊安裝在端部錨點(diǎn)，防止“日”字型可動質(zhì)量塊在x-y平面產(chǎn)生較大扭轉(zhuǎn)而導(dǎo)致固定梳齒和可動梳齒的碰撞；y方向阻擋塊安裝在端部錨點(diǎn)，保證每對可動梳齒和固定梳齒不吸合。
【專利說明】一種多齒型梳齒式硅微加速度計(jì)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于慣性傳感器技術(shù)，涉及一種多齒型梳齒式硅微加速度計(jì)。

【背景技術(shù)】
[0002]微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)是20世紀(jì)80年代隨著硅微機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展而逐漸成長起來的，是微電子平面加工技術(shù)和硅微機(jī)械加工技術(shù)發(fā)展相結(jié)合的產(chǎn)物。MEMS的特征尺度在微米量級，集傳感技術(shù)、致動技術(shù)和控制技術(shù)于一體。隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，MEMS加速度計(jì)越來越多地應(yīng)用于慣性導(dǎo)航技術(shù)中。與其他慣性導(dǎo)航器件相比，MEMS加速度計(jì)具有重量輕、體積小、成本低和便于大批量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)，在軍用和民用領(lǐng)域都有著廣闊的發(fā)展前景。
[0003]目前開環(huán)加速度計(jì)受原理非線性的影響，需要設(shè)計(jì)驅(qū)動梳齒以接受外部反饋信號，使可動梳齒位于平衡位置；梳齒式硅微加速度計(jì)可動質(zhì)質(zhì)量塊的質(zhì)量對傳感器的靈敏度和量程的影響具有相反的效應(yīng)，當(dāng)可動質(zhì)量塊增大，傳感器靈敏度增大而量程減小，反之亦然，因此需要對加速度計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)以取得折衷；需要對加速度計(jì)可動質(zhì)量塊I方向運(yùn)動進(jìn)行一定限制以免對應(yīng)的動齒和靜齒產(chǎn)生吸合，對其在x-y平面的轉(zhuǎn)動進(jìn)行限制以防止質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)過度變形，保護(hù)梳齒結(jié)構(gòu)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實(shí)用新型的所要解決的技術(shù)問題是:提出一種多齒型梳齒式硅微加速度計(jì)結(jié)構(gòu)，解決該傳感器靈敏度參數(shù)與量程參數(shù)相互矛盾的問題，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使加速度計(jì)同時具有較大的靈敏度和較大的量程；對可動質(zhì)量塊在I方向平動和x-y平面轉(zhuǎn)動進(jìn)行限制以保證加速度計(jì)的工作可靠性和抗過載能力。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提出了以下技術(shù)解決方案:
[0006]一種多齒型梳齒式硅微加速度計(jì)，其特征在于，包括“日”字型可動質(zhì)量塊、端部錨點(diǎn)、側(cè)部錨點(diǎn)、可動梳齒、固定梳齒、X方向阻擋塊、和y方向阻擋塊；“日”字型可動質(zhì)量塊包括X方向的短邊和y方向的長邊；可動梳齒排列固定安裝于“日”字型可動質(zhì)量塊的y方向的長邊兩側(cè)，固定梳齒固定安裝在側(cè)部錨點(diǎn)上，固定梳齒和可動梳齒位置對應(yīng)，形成檢測電容和驅(qū)動電容方向阻擋塊安裝在端部錨點(diǎn)，防止“日”字型可動質(zhì)量塊在x-y平面產(chǎn)生較大位移而導(dǎo)致固定梳齒和可動梳齒的碰撞；y方向阻擋塊安裝在端部錨點(diǎn)，保證每對可動梳齒和固定梳齒不吸合。
[0007]所述“日”字型可動質(zhì)量塊為全對稱結(jié)構(gòu)，在X方向成倍增加梳齒數(shù)量以提高傳感器靈敏度；設(shè)置沿y軸運(yùn)動的檢測梳齒和驅(qū)動梳齒，利用牛頓第二定律敏感y軸方向的平動加速度信號，通過檢測梳齒的電容信號變化輸出敏感信號，并進(jìn)行差分運(yùn)算，降低共模加速度噪聲的影響
[0008]本發(fā)明的多齒型梳齒式硅微加速度計(jì)，其特征在于，“日”字型可動質(zhì)量塊的X方向的短邊和y方向的長邊上均開有六邊形孔，使“日”字型可動質(zhì)量塊呈蜂窩形，有效減小質(zhì)量塊質(zhì)量，增大傳感器量程，并最大程度減小對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。
[0009]本實(shí)用新型的多齒型梳齒式硅微加速度計(jì)，其特征在于，y方向阻擋塊還有一對安裝在“日”字型可動質(zhì)量塊X方向的短邊上，用于保證每對可動梳齒和固定梳齒不吸合。
[0010]本實(shí)用新型的多齒型梳齒式硅微加速度計(jì)，其特征還在于，在質(zhì)量塊y方向的中部有一根或一根以上X方向延伸的支撐梁，與整體框架構(gòu)成“日”字型，該支撐梁增加整體框架在X-y平面內(nèi)的扭轉(zhuǎn)剛度。
[0011]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下的優(yōu)點(diǎn):首先，本發(fā)明為全對稱“日”字型可動質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，有效增加梳齒數(shù)量以增大傳感器靈敏度；其次，“日”字型質(zhì)量框架上增加密布的孔洞結(jié)構(gòu)，通過設(shè)計(jì)計(jì)算采用六邊形結(jié)構(gòu)，在有效減小質(zhì)量塊質(zhì)量以增大傳感器靈敏度的情況下盡可能減小對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響；通過在“日”字型質(zhì)量塊I方向的中部增加X方向延伸的支撐梁，保證整體可動框架結(jié)構(gòu)在x-y平面的剛度；y方向的阻擋塊保證對應(yīng)的動齒和靜齒不吸合，X方向阻擋塊保證可動質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)在χ-y平面不發(fā)生過度扭轉(zhuǎn)，保護(hù)梳齒結(jié)構(gòu)。

【附圖說明】

[0012]圖1是本實(shí)用新型一種【具體實(shí)施方式】的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖2是本實(shí)用新型一種【具體實(shí)施方式】的“日”字型可動質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)示意圖(帶阻擋塊 49、54)；
[0014]圖3是本實(shí)用新型一種【具體實(shí)施方式】的端部錨點(diǎn)以及阻擋塊結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】做進(jìn)一步說明。
[0016]參見圖1，一種多齒型梳齒式硅微加速度計(jì)，包括“日”字型可動質(zhì)量塊、固定梳齒、可動梳齒、彈性梁、錨點(diǎn)、阻擋塊。
[0017]所述可動質(zhì)量塊為“日”字型結(jié)構(gòu)61，通過X方向和y方向的全對稱結(jié)構(gòu)成倍增加梳齒數(shù)量，增大靈敏度；框架結(jié)構(gòu)上采用六邊形孔洞結(jié)構(gòu)62，有效減小可動質(zhì)量塊質(zhì)量，增大量程，并盡量減小對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響；“日”字型可動質(zhì)量塊中間X方向延伸的支撐梁63增大整個框架結(jié)構(gòu)在x-y平面的扭轉(zhuǎn)剛度。
[0018]所述檢測梳齒為兩組差分檢測梳齒，其輸出信號通過外部處理環(huán)節(jié)，二者差值與輸入加速度成正比。
[0019]所述驅(qū)動梳齒為兩組驅(qū)動梳齒，采用閉環(huán)驅(qū)動。
[0020]所述彈性梁為4根對稱的U型梁。
[0021]所述錨點(diǎn)在J方向和X方向均有分布，y方向的阻擋塊保證對應(yīng)的動齒和靜齒不吸合，X方向阻擋塊保證可動質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)在x-y平面不發(fā)生過度扭轉(zhuǎn)，保護(hù)梳齒結(jié)構(gòu)。
[0022]圖1所示的多齒型梳齒式硅微加速度計(jì)結(jié)構(gòu)，其詳細(xì)結(jié)構(gòu)如下:
[0023](a)該硅微加速度計(jì)結(jié)構(gòu)由 1、2、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46 等 14 個錨點(diǎn)固定；
[0024](b)該硅微加速度計(jì)結(jié)構(gòu)包括一個“日”字型質(zhì)量塊61，該質(zhì)量在X方向短邊、y方向長邊以及中間X方向支撐梁63上都開有六邊形孔洞結(jié)構(gòu)62，分別通過U形梁57、58、59、60與錨點(diǎn)1、2相連。
[0025](c)固連于錨點(diǎn) 36、37、40、41、44、45 的固定梳齒 4、5、8、9、12、13、16、17 分別與“日”字型可動質(zhì)量塊上的可動梳齒20、21、24、25、28、29、32、33形成差分檢測梳齒；固連于錨點(diǎn)35、38、39、42、43、46的固定梳齒3、6、7、10、11、14、15、18分別與“日”字型可動質(zhì)量塊上的可動梳齒19、22、23、26、27、30、31、34形成驅(qū)動梳齒。
[0026](d)阻擋塊48、49、50、53、54、55為y方向阻擋塊，當(dāng)加速度計(jì)工作時，該方向阻擋塊防止可動質(zhì)量塊在y方向產(chǎn)生較大位移，進(jìn)而防止對應(yīng)的固定梳齒和可動梳齒產(chǎn)生吸合；阻擋塊47、51、52、56為X方向阻擋塊，加速度計(jì)工作時，該方向阻擋塊防止可動質(zhì)量塊在x-y平面產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)動，保護(hù)梳齒結(jié)構(gòu)。
[0027]MEMS加速度計(jì)利用牛頓第二定律，通過檢測梳齒之間形成的電容變化，檢測輸入的加速度信號。當(dāng)該梳齒式加速度計(jì)工作，y方向有加速度信號輸入時，可動質(zhì)量塊在I方向產(chǎn)生位移，差分檢測梳齒中的固定梳齒4、9、12、17與可動質(zhì)量塊上的可動梳齒20、25、28、33形成的電容增大(或減小)，固定梳齒5、8、13、16與可動質(zhì)量塊上的可動梳齒21、24、29,32形成的電容減小(或增大)，二者形成的差分電容通過外部檢測電路轉(zhuǎn)換成電信號，其差值與加速度計(jì)信號成正比；大小相同、符號相反的兩路電信號通過外部力矩器分別加載到固定梳齒3、10、11、18與可動梳齒19、26、27、34形成的驅(qū)動電容以及固定梳齒6、7、14、15與可動梳齒22、23、30、31形成的電容上，產(chǎn)生的靜電力與外部慣性力平衡，形成閉環(huán)驅(qū)動，使該加速度傳感器工作在閉環(huán)平衡狀態(tài)。
【權(quán)利要求】
1.一種多齒型梳齒式硅微加速度計(jì)，其特征在于，包括“日”字型可動質(zhì)量塊、端部錨點(diǎn)、側(cè)部錨點(diǎn)、可動梳齒、固定梳齒、X方向阻擋塊、和y方向阻擋塊；“日”字型可動質(zhì)量塊包括X方向的短邊和y方向的長邊；可動梳齒排列固定安裝于“日”字型可動質(zhì)量塊的y方向的長邊兩側(cè)，固定梳齒固定安裝在側(cè)部錨點(diǎn)上，固定梳齒和可動梳齒位置對應(yīng)，形成檢測電容和驅(qū)動電容方向阻擋塊安裝在端部錨點(diǎn)，防止“日”字型可動質(zhì)量塊在χ-y平面產(chǎn)生較大扭轉(zhuǎn)而導(dǎo)致固定梳齒和可動梳齒的碰撞；y方向阻擋塊安裝在端部錨點(diǎn)，保證每對可動梳齒和固定梳齒不吸合。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多齒型梳齒式硅微加速度計(jì)，其特征在于，“日”字型可動質(zhì)量塊的X方向的短邊和y方向的長邊上均開有六邊形孔，使“日”字型可動質(zhì)量塊呈蜂窩形。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多齒型梳齒式硅微加速度計(jì)，其特征在于，y方向阻擋塊還有一對安裝在“日”字型可動質(zhì)量塊X方向的短邊上，用于保證每對可動梳齒和固定梳齒不吸合；在“日”字型框架中部有一根或一根以上在X方向延伸的支撐梁，增強(qiáng)整個框架在χ-y平面的剛度。
【文檔編號】G01P15-125GK204302308SQ201420684739
【發(fā)明者】肖鵬, 王小斌, 田蕊, 王猛, 余才佳 [申請人]中國航空工業(yè)第六一八研究所