一種微機械加速度計的製作方法
2023-10-27 18:10:42 2
一種微機械加速度計的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種微機械加速度計，其包括：基片，在基片上固定設置有第一配合體；連接件；多個敏感體，多個敏感體各自通過相應的連接件與基片相連；其中，多個連接件的剛度彼此不相同，使得各個敏感體能測量不同範圍內的加速度。本發明提供的加速度計集成了多個逐層嵌套的不同量程的敏感單元，這樣對於不同範圍內的加速度便可以採用相應的敏感單元進行測量。這種測量方式能夠有效提高測量的準確性和精確度。同時多個敏感單元採用逐層嵌套的結構，相較於現有的加速度計，本發明提供的加速度計的結構更加緊湊、體積更小。
【專利說明】一種微機械加速度計
【技術領域】
[0001]本發明涉及微機械慣性儀表【技術領域】，具體地說，涉及一種微機械加速度計。
【背景技術】
[0002]微機械加速度計作為微型慣性測量組合的的核心組成部分之一，具有體積小、重量輕、功耗小、成本低、易集成、過載能力強和可批量生產等特點，其在飛行器飛行狀態檢測等應用場合中佔據著越來越顯著的地位。
[0003]通常彈體在初始發射階段需要承受較大的加速度衝擊，而實際飛行過程中的加速度則小於幾十個g。為了準確解算彈體飛行軌跡，需要測量發射過程和飛行過程中不同g值範圍的加速度情況。
[0004]高量程加速度計的解析度一般較差，測量誤差大。所以如果使用單個高量程加速度計測量全部過程的加速度，存在低g值飛行階段加速度測量精度低的問題。而如果使用兩個不同量程的加速度計組合的方法，則加速度計的體積和成本增加，且傳感器之間的數據對準也會引入系統誤差。
[0005]基於上述情況，亟需一種能夠準確測量加速度的加速度計。
【發明內容】
[0006]為解決上述問題，本發明提供了一種微機械加速度計，其包括:
[0007]基片，在所述基片上固定設置有第一配合體；
[0008]連接件；
[0009]多個敏感體，所述多個敏感體各自通過相應的連接件與所述基片相連；
[0010]其中，多個連接件的剛度彼此不相同，使得各個敏感體能測量不同範圍內的加速度。
[0011]根據本發明的一個實施例,所述敏感體包括:
[0012]通過連接件與所述基片相連的質量塊；
[0013]設置在所述質量塊上的、與所述第一配合體配合工作的第二配合體。
[0014]根據本發明的一個實施例，所述第一配合體包括第一定齒，所述第二配合體包括與所述第一定齒交錯配合的第一動齒，所述第一定齒與所述第一動齒構成第一齒組，
[0015]當外界加速度輸入時，所述連接件沿與加速度方向相反的方向發生形變，使得所述第一動齒與第一定齒之間的距離相應地增大或減小，導致所述第一動齒與第一定齒之間的電容相應的減小或增大，從而根據電容變化反映加速度情況。
[0016]根據本發明的一個實施例，所述加速度計還包括第二齒組，所述第二齒組包括:設置在所述質量塊上的第二動齒，設置在所述基片上、與所述第二動齒交錯配合的第二定齒；
[0017]其中，當所述第一動齒與第一定齒之間的距離增大或減小時，所述第二動齒與第二定齒之間的距離相應地減小或增大。[0018]根據本發明的一個實施例，所述質量塊與基片之間設置有多個成對出現的第一齒組和第二齒組。
[0019]根據本發明的一個實施例，所述敏感體還包括過量程保護裝置，所述過量程保護裝置包括:
[0020]設置在所述質量塊上的止檔動齒和設置在所述基片上、與所述止檔動齒交錯配合的止檔定齒，
[0021]當加速度計具有的加速度大於或等於敏感體的量程時，該敏感體中的止檔定齒與止檔動齒接觸，阻擋止檔動齒的運動，從而阻擋該質量塊的運動，實現對該敏感體的過量程保護。
[0022]根據本發明的一個實施例，所述止檔動齒和/或止檔定齒為柔性齒。
[0023]根據本發明的一個實施例，所述敏感體採用環形結構，所述多個敏感體之間逐層嵌套。
[0024]根據本發明的一個實施例，所述多個敏感體包括第一敏感體和嵌套在所述第一敏感體內的第二敏感體，其中，
[0025]所述第一敏感體的連接件的剛性小於所述第二敏感體連接件的剛性，使得所述第一敏感體測量小於預設加速度閾值的加速度，所述第二敏感體測量大於或等於預設加速度閾值的加速度。
[0026]根據本發明的一個實施例，所述第一敏感體採用閉環控制方式，所述第二敏感體採用開環或閉環控制方式。
[0027]本發明提供的加速度計集成了多個不同量程的敏感單元，這樣對於不同範圍內的加速度便可以採用相應的敏感單元進行測量。這種方式能夠有效提高測量的準確性和精確度。同時多個敏感單元採用逐層嵌套的結構，相較於現有的加速度計，本發明提供的加速度計的結構更加緊湊、體積更小。
[0028]同時，本發明提供的加速度計中的止檔定齒和/或止檔動齒採用柔性齒。這樣能夠緩衝衝擊輸入的能量，提高加速度計敏感方向的抗過載能力。同時敏感單元由多組摺疊梁並聯支撐，這種結構有利於提高微結構面外的平動模態，改善加速度計非敏感方向的抗衝擊能力。
[0029]此外，本發明提供的加速度計中的第一敏感體採用閉環控制方式，這樣能夠保證低量程加速度的測量精度；第二敏感體採用開環控制方式，這樣能夠通過支撐梁的剛度來保證測量高量程加速度時的非線性。所以相較於現有的加速度計，本發明所採用的控制方式能夠有效提高加速度計的準確度和精度。
[0030]本發明的其它特徵和優點將在隨後的說明書中闡述，並且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發明而了解。本發明的目的和其他優點可通過在說明書、權利要求書以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0031]為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要的附圖做簡單的介紹:
[0032]圖1是根據本發明一個實施例的加速度計的結構圖；[0033]圖2是根據本發明一個實施例的過量程保護裝置的結構圖；
[0034]圖3是根據本發明一個實施例的加速度計的系統框圖。
【具體實施方式】
[0035]以下將結合附圖及實施例來詳細說明本發明的實施方式，藉此對本發明如何應用技術手段來解決技術問題，並達成技術效果的實現過程能充分理解並據以實施。需要說明的是，只要不構成衝突，本發明中的各個實施例以及各實施例中的各個特徵可以相互結合，所形成的技術方案均在本發明的保護範圍之內。
[0036]飛行器在起飛階段的加速度較大，在飛行階段的加速度較小。而現有的加速度計無法準確測量這兩種不同取值範圍的加速度，所以本發明針對現有加速度計的這種缺陷，提供了一種新的微機械加速度計。
[0037]圖1示出了本實施例所提供的微機械加速度計的結構圖。
[0038]如圖1所示，本實施例中，加速度計包括基片101、第一敏感體、第二敏感體、連接件。其中，第一敏感體通過第一連接件與基片101相連，第二敏感體通過第二連接件與基片101相連。本實施例中，基片101採用玻璃材料，但本發明不限於此。
[0039]從圖1中可以看出，為了進一步減小加速度的體積和成本，本實施例中，敏感體採用環形結構，第二敏感體嵌套在第一敏感體中。相較於現有的加速度計，本實施例提供的這種結構使得加速度計的結構布局更為緊湊，有助於減小加速度計的體積和成本。
[0040]第一敏感體的連接件的剛性小於第二敏感體的連接件的剛性，使得第一敏感體測量小於預設加速度閾值的加速度，第二敏感體測量大於或等於預設加速度閾值的加速度。這樣，通過利用不同量程的敏感體來測量不同範圍內的加速度，以此來提高加速度計的準確度。
[0041]如圖1所示，本實施例中，第一連接件包括四組第一摺疊梁102，各組第一摺疊梁102通過相應的錨區103固定在基片101上；第二連接件包括四組第二摺疊梁104，各組第二摺疊梁104通過相應的錨區105固定在基片101上。通過這種多組摺疊梁並聯支撐相應敏感體的方式，有利於提高微結構面外的動態模態，從而提高加速度計在z方向上的抗衝擊能力。
[0042]同時，第一摺疊梁102的剛性小於第二摺疊梁104的剛性。通過設置合理的剛性，使得第一敏感體測量小於預設加速度閾值的加速度，且保證較好的解析度和低量程加速度測量的精度；第二敏感體測量大於或等於預設加速度閾值的加速度，且保證高量程加速度測量時的非線性。
[0043]需要說明的是，本實施例中加速度計包含的兩層嵌套結構僅僅是為了更加清楚地闡述本發明提供的加速度計的原理、結構以及優點，兩層嵌套結構並不作為對本加速度計的限定，在根據本發明的其他實施例中，加速度計還可以包括多個敏感體，而此時的嵌套結構則可以為多層嵌套。同時，本實施例中各個連接件所包含的摺疊梁的數量也不作為對本發明的限定，在根據本發明的其他實施例中，，根據實際需要，各個連接件所包含的摺疊梁的數量還可以為其他合理值。
[0044]如圖1所示，本實施例中，第一敏感體包括第一質量塊106和第二配合體107。其中，第一質量塊106通過第一摺疊梁102與基片101連接。第二配合體107設置在第一質量塊106上，其與設置在基片101上的第一配合體108配合工作。
[0045]本實施例中，第一配合體108包括第一定齒109，其中，第一定齒109通過錨點110與基片101連接，第二配合體107即為第一動齒107。第一動齒107與第一定齒109構成第
一齒組。
[0046]本實施例中，第一動齒107和第一定齒109的交錯配合採用距離不等的配置方式，即定齒偏置方式。為了提高加速度計的解析度和精度，梳齒式加速度計採用體矽工藝加工。但是對於定齒均勻配置結構，其結構鍵合面小，鍵合強度較弱。而本實施例所採用的定齒偏置配置結構，其鍵合強度大、鍵合面積大、加工難度低，鍵合接觸電阻小、均勻且成品率高，有助於提高加速度計的解析度和精度。
[0047]沿某一方向(例如沿X軸正向)的外界加速度輸入時，第一摺疊梁102均會沿與該加速度方向相反的方向發生形變，使得第一動齒107與第一定齒109之間的距離相應地增大，導致第一動齒106與第一定齒104之間的電容相應的減小，從而根據電容變化得到加速度。
[0048]本實施例中，第一敏感體還包括第二齒組。如圖1所示，第二齒組111包括設置在質量塊101上的第二動齒112和設置在基片101上、與第二動齒112交錯配合的第二定齒113。其中，第二動齒112和第二定齒113也採用偏置配置結構。
[0049]當第一動齒109與第一定齒107之間的距離增大時，第二動齒112與第二定齒113之間的距離相應地減小；當第一動齒109與第一定齒107之間的距離減小時，第二動齒112與第二定齒113之間的距離相應地增大。所以通過第一齒組和第二齒組的差值能夠有效減小溫度漂移等共模誤差，從而提高加速度計測量的準確度。
[0050]如圖1所示，本實施例中，第一敏感體包括兩個成對出現的第一齒組和第二齒組。第一齒組和第二齒組成對出現能夠減小共模誤差，而設置多個齒組能夠有效增加加速度計的電容值，從而提高加速度計的解析度和準確度。
[0051]需要說明的是，在根據本發明的其他實施例中，根據不同的解析度需求和體積、成本要求，各個敏感體所包含的的第一齒組和第二齒組的數量還可以為其他合理值，例如一個或多個，本發明不限於此。
[0052]本實施例中，為了防止加速度過大而造成連接件變形過大和第一動齒與第一定齒之間發生接觸導致輸出飽和，影響加速度計的可靠性和性能，本實施例所提供的加速度計中的各個敏感體均包括過量程保護裝置。
[0053]圖2示出了第一敏感體所包含的第一過量程保護裝置114的結構圖。
[0054]如圖2所示，第一過量程保護裝置114包括設置在第一質量塊106上的止檔動齒201和設置在基片101上、與止檔動齒201交錯配合的止檔定齒202。本實施例中，止檔動齒201和止檔定齒202採用定齒均勻配置結構，但本發明不限於此。其中，為了保證第一過量程保護裝置114能夠正常工作，止檔動齒201與止檔定齒202之間的間距δ i小於第一動齒107與第一定齒109之間的間距Cl1。
[0055]當加速度計較具有的加速度大於或等於第一敏感體的量程時，第一敏感體中的止檔定齒202與止檔動齒201接觸，阻擋止檔動齒201的運動，從而阻擋第一質量塊106的運動。這樣也就能夠避免第一動齒107和第一定齒109之間發生接觸導致輸出飽和，實現了對第一敏感體的過量程保護。[0056]此外，為了進一步減小加速度過大時止檔動齒201與止檔定齒202之間的碰撞作用力，本實施例中，止檔動齒201和止檔定齒202均採用柔性齒。當加速度大於或等於第一敏感體的量程時，止檔動齒201和止檔定齒202因接觸而發生柔性變形，從而增大止檔動齒201與止檔定齒202的接觸時間，減小二者之間的碰撞力作用，有利於緩衝輸入的衝擊能量，提高加速度計的抗高過載能力。
[0057]再次如圖1所示，本實施例中，第二敏感體的結構與第一敏感體的結構相似。但因為本實施例所提供的加速度計為兩層嵌套結構，所以為了進一步優化加速度計的結構，本實施例中，第一配合體108設置在第一質量塊106的外側。第一配合體108中的第一定齒109向第一質量塊106延伸，並與第一質量塊106上設置的、向第一配合體108延伸的第一動齒107交錯配合。而第三配合體115設置在第二敏感體內側。第三配合體115中的第三定齒116向第二質量塊118延伸，並與第二質量塊118上設置的、向第三配合體115延伸的第三動齒117交錯配合。
[0058]第二敏感體進行過量程保護的第二過量程保護裝置119與第一過量程保護裝置114的結構相同，但其止檔定齒與止檔動齒之間的間距δ2根據第二敏感體的實際要求而確定。本實施例中，為了能夠起到過量程保護作用，間距S2需要小於第三定齒116與第三動齒117之間的間距d2。
[0059]同時，為了保證第一敏感體與第二敏感體不會發生碰撞，本實施例中，將第一質量塊106與第二質量塊118之間的間距Sci設定同時大於間距S1和間距δ2。這樣，在運行的過程中，第一質量塊106與第二質量塊118之間便不會發生接觸或碰撞，從而提高了加速度計的可靠性。
[0060]本實施例中，第一敏感體採用閉環控制方式，第二敏感體採用開環控制方式。圖3示出了本實施例中的加速度計的系統框圖。
[0061]如圖3所示，本實施例中，第一敏感體用於測量小於預設閾值的加速度，電容檢測電路301檢測第一敏感體中的差動電容Cll和C12的變化，控制器302依據檢測電路的輸出產生相應的反饋電壓。加在靜電力矩器303上的反饋電壓產生與第一敏感體所受到的慣性力相平衡的靜電反饋力，從而將第一質量塊控制在平衡位置附近，構成靜電力閉環工作狀態。
[0062]第二敏感體用於測量大於預設閾值的加速度，當加速度計所具有的加速度大於預設閾值，即超過第一敏感體的量程時，控制器302輸出飽和，加速度計切換到高量程工作模式，即採用第二敏感體進行加速度的測量。此時，如圖3所示，與第二敏感單元連接的電容檢測電路304分別檢測第二敏感體中的差動電容C21和C22的變化，從而表徵此時加速度計所具有的加速度。
[0063]本實施例中，第一敏感體採用的閉環控制方式能夠保證低量程加速度的測量精度，提高加速度計的解析度和準確度。第二敏感體採用開環控制方式能夠通過支撐梁的剛度來保證測量高量程的加速度時加速度計的非線性，從而提高加速度計的準確度和精度。
[0064]需要說明的是，在根據本發明的其他實施例中，第二敏感體還可以採用其他合理的控制方式，例如閉環控制方式，其原理與第一敏感體的閉環控制方式相同，但本發明不限於此。同時，在根據本發明的其他實施例中，還可以將第一敏感體嵌套在第二敏感體內，本發明不限於此。[0065]本實施例所提供的加速度計採用矽-玻璃微機械加工工藝。質量塊、摺疊梁、第一齒組、第二齒組以及過量程保護裝置均採用矽材料製造，錨區通過陽極鍵合工藝鍵合在玻璃基片上，玻璃基片上通過濺射金屬形成電極引線和焊盤。需要說明的是，在根據本發明的其他實施例中，本發明所提出的加速度計還可以採用其他合理工藝製造，本發明不限於此。
[0066]本實施例中，對於第一敏感體，第一質量塊的結構層厚度為70 μ m，摺疊梁長390μηι,寬5μηι。梳齒間距(I1為5 μ m,第一過量程保護裝置中的止檔間距第一質量塊與第二質量塊之間的間距δ ο為7 μ m,第一質量塊的質量為3.60e_7kg。第一敏感體的單側基礎電容量為3.95pF。根據上述參數，得到的第一敏感體的量程為±15g，解析度為0.2mg。
[0067]對於第二敏感體，其摺疊梁長195 μ m，寬5.5 μ m。梳齒間距d2為5 μ m，第二過量程保護裝置中的止檔間距δ2*4μπι。第二敏感體的單側基礎電容量為2.17pF，第二質量塊的質量為3.05e-7kg。根據以上參數，得到的第二敏感體的量程為±400g，解析度為5mg。
[0068]此時,加速度計的總體平面尺寸為2.9mmX3.3mm。
[0069]從上述描述可以看出，本發明提供的加速度計集成了多個不同量程的敏感單元，這樣對於不同範圍內的加速度便可以採用相應的敏感單元進行測量。這種測量方式能夠有效提高測量的準確性和精確度。同時多個敏感單元採用逐層嵌套的結構，相較於現有的加速度計，本發明提供的加速度計的結構更加緊湊、體積更小。
[0070]同時，本發明提供的加速度計中的止檔定齒和/或止檔動齒採用柔性齒。這樣能夠緩衝衝擊輸入的能量，提高加速度計敏感方向到的抗過載能力。同時敏感單元由多組摺疊梁並聯支撐，這種結構有利於提高微結構面外的平動模態，改善加速度計非敏感方向的抗衝擊能力。
[0071]此外，本發明提供的加速度計中的第一敏感體採用的閉環控制方式，這樣能夠保證低量程加速度的測量精度；第二敏感體採用開環控制方式，這樣能夠通過支撐梁的剛度來保證測量高量程的加速度時加速度計的非線性。所以相較於現有的加速度計，本發明所採用的控制方式能夠有效提高加速度計的準確度和精度。
[0072]雖然本發明所揭露的實施方式如上，但所述的內容只是為了便於理解本發明而採用的實施方式，並非用以限定本發明。任何本發明所屬【技術領域】內的技術人員，在不脫離本發明所揭露的精神和範圍的前提下，可以在實施的形式上及細節上作任何的修改與變化，但本發明的專利保護範圍，仍須以所附的權利要求書所界定的範圍為準。
【權利要求】
1.一種微機械加速度計，其包括: 基片，在所述基片上固定設置有第一配合體； 連接件； 多個敏感體，所述多個敏感體各自通過相應的連接件與所述基片相連； 其中，多個連接件的剛度彼此不相同，使得各個敏感體能測量不同範圍內的加速度。
2.如權利要求1所述的加速度計，其特徵在於，所述敏感體包括: 通過連接件與所述基片相連的質量塊； 設置在所述質量塊上的、與所述第一配合體配合工作的第二配合體。
3.如權利要求2所述的加速度計，其特徵在於，所述第一配合體包括第一定齒，所述第二配合體包括與所述第一定齒交錯配合的第一動齒，所述第一定齒與所述第一動齒構成第一齒組， 當外界加速度輸入時，所述連接件沿與加速度方向相反的方向發生形變，使得所述第一動齒與第一定齒之間的距離相應地增大或減小，導致所述第一動齒與第一定齒之間的電容相應的減小或增大，從而根據電容變化反映加速度情況。
4.如權利要求3所述的加速度計，其特徵在於，所述加速度計還包括第二齒組，所述第二齒組包括:設置在所述質量塊上的第二動齒，設置在所述基片上、與所述第二動齒交錯配合的第二定齒； 其中，當所述第一動齒與第一定齒之間的距離增大或減小時，所述第二動齒與第二定齒之間的距離相應地減小或增大。
5.如權利要求4所述的加速度計，其特徵在於，所述質量塊與基片之間設置有多個成對出現的第一齒組和第二齒組。
6.如權利要求2~5中任一項所述的加速度計，其特徵在於，所述敏感體還包括過量程保護裝置，所述過量程保護裝置包括: 設置在所述質量塊上的止檔動齒和設置在所述基片上、與所述止檔動齒交錯配合的止檔定齒， 當加速度計具有的加速度大於或等於敏感體的量程時，該敏感體中的止檔定齒與止檔動齒接觸，阻擋止檔動齒的運動，從而阻擋該質量塊的運動，實現對該敏感體的過量程保護。
7.如權利要求6所述的加速度計，其特徵在於，所述止檔動齒和/或止檔定齒為柔性齒。
8.如權利要求1~7中任一項所述的加速度計，其特徵在於，所述敏感體採用環形結構，所述多個敏感體之間逐層嵌套。
9.如權利要求1~8中任一項所述的加速度計，其特徵在於，所述多個敏感體包括第一敏感體和嵌套在所述第一敏感體內的第二敏感體，其中， 所述第一敏感體的連接件的剛性小於所述第二敏感體連接件的剛性，使得所述第一敏感體測量小於預設加速度閾值的加速度，所述第二敏感體測量大於或等於預設加速度閾值的加速度。
10.如權利要求9所述的加速度計，其特徵在於，所述第一敏感體採用閉環控制方式，所述第二敏感體採用開環或閉環控制方式。
【文檔編號】G01P15/125GK103901229SQ201410158242
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年4月18日 優先權日:2014年4月18日
【發明者】陶永康, 劉雲峰, 董景新 申請人:清華大學