CN107782916B - 一种三轴加速计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三轴加速计，包括设置凹槽的质量块，所述凹槽贯穿所述质量块的上下两个端面，且所述凹槽沿X轴方向以及Y轴方向均对称；所述质量块通过设置于所述凹槽的组合梁连接于固定锚点。上述三轴加速计，能够大幅提高传感器的敏感度，缩小敏感质量，还能够减小三轴加速计的面积。

Description

一种三轴加速计

技术领域

本发明涉及MEMS技术领域，特别涉及一种三轴加速计。

背景技术

基于微机电系统(MEMS，Micro-Electro-Mechanical-System)而加工制作的微型加速计因其体积小、成本低、集成性好、性能优良等诸多优点已在工业，医疗，民用，军事等非常广泛的领域得到了越来越多的应用。

目前，在各类移动终端、相机、游戏手柄、导航仪等产品的应用中，已经成为标准配置。在研制过程中，电容式，电阻式，压电式作为检测加速度的方式是主要应用的机理；其中，电容式加速度计因其结构简单，成本低廉，并可在低频范围内拥有较高的灵敏度和线性度等优势，成为最为流行的一类加速度计。

发明内容

本发明的目的是提供一种三轴加速计，该三轴加速计可以解决敏感效率不高的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种三轴加速计，包括设置凹槽的质量块，所述凹槽贯穿所述质量块的上下两个端面，且所述凹槽沿X轴方向以及Y轴方向均对称；所述质量块通过设置于所述凹槽的组合梁连接于固定锚点。

相对于上述背景技术，本发明提供的三轴加速计，利用组合梁将质量块连接于固定锚点，并且组合梁与质量块的凹槽相配合；凹槽沿着X轴方向和Y轴方向均对称，这样一来，凹槽将质量块分为对称的形状；三轴加速计在X轴、Y轴以及Z轴共享一个质量块，从而实现在检测过程中，共享质量块在X轴、Y轴以及Z轴方向上的平动，大幅提高传感器的敏感度，缩小敏感质量，还能够减小三轴加速计的面积。

优选地，所述凹槽呈上下以及左右对称的工字型，所述凹槽包括上下两个水平槽以及与两个所述水平槽连接的连通槽；所述组合梁包括分别设置于两个所述水平槽的弹簧梁，还包括与两根所述弹簧梁连通的刚性梁。

采用上述设置方式，进一步优化三轴加速计的结构，以实现在检测X轴、Y轴以及Z轴加速度时，质量块产生平动，提高了敏感效率，进而使得三轴加速计的检测效率提高。

优选地，两个所述水平槽平行于X轴设置，所述连通槽平行于Y轴设置。

优选地，所述凹槽设置于所述质量块的正中部。

优选地，所述固定锚点设置于所述凹槽的外侧。

优选地，还包括用以检测所述X轴、Y轴和Z轴加速度的检测电容。

优选地，所述检测电容具体包括4个用以检测所述X轴加速度的X轴检测电容、4个用以检测所述Y轴加速度的Y轴检测电容和4个用以检测所述Z轴加速度的Z轴检测电容。

优选地，4个所述X轴检测电容、4个所述Y轴检测电容和4个所述Z轴检测电容均以所述质量块的中心位置上下左右对称。

优选地，4个所述X轴检测电容、4个所述Y轴检测电容和4个所述Z轴检测电容依次向所述质量块的边缘延伸。

优选地，所述检测电容具体为以所述质量块的中心位置上下左右对称的四个电容。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的一种三轴加速计的示意图；

图2为图1中Z轴固定电极的梳齿与质量块的梳齿的示意图；

图3为本发明实施例所提供的另一种三轴加速计的示意图。

其中：

11～14-第一X轴检测电容～第四X轴检测电容、21～24-第一Y轴检测电容～第四Y轴检测电容、31～34-第一Z轴检测电容～第四Z轴检测电容、4-Z轴固定电极的梳齿、5-固定锚点、61-弹簧梁、62-刚性梁、7-质量块、71-质量块的梳齿、81～84-第一电容～第四电容。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种三轴加速计，该三轴加速计可以提高检测效率，降低应力对芯片性能的影响。

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1、图2和图3，图1为本发明实施例所提供的一种三轴加速计的示意图；图2为图1中Z轴固定电极的梳齿与质量块的梳齿的示意图；图3为本发明实施例所提供的另一种三轴加速计的示意图。

针对现有技术中的三轴加速计，常用的方案是共享三个轴的质量块。然而，质量块在面外运动的方向上是扭转的，由此可知，离转轴中心越近的位置，其敏感度越低；相反，则敏感度越高；这对传感器敏感的线性度有很大的影响，同时由于敏感效率不高，也不利于惯性质量和相应的面积的降低。

本文中，以说明书附图1为例，水平方向即为X轴；在同一平面内，垂直于X轴的方向即为Y轴；Z轴则垂直于X轴与Y轴的方向。

本发明提供的三轴加速计，如说明书附图1所示；质量块7设置凹槽，凹槽贯穿质量块7的上下两个端面；并且凹槽上下对称及左右对称，即，沿X轴方向以及Y轴方向均对称；凹槽内设置组合梁，通过组合梁将质量块7与固定锚点5相连。

在检测X轴、Y轴以及Z轴方向上的加速度时，质量块是共享的，且在三个方向上均能够平动，代替现有技术中扭转的运动方式，进而提高了三轴加速计的敏感效率，使得检测效率提高。

针对凹槽与组合梁的具体形状，本发明给出一种较为优选的实施方式；如说明书附图1所示，凹槽为上下以及左右对称的工字型，并且呈工字型的凹槽包括上下两个水平槽，两个水平槽之间连通有连通槽；组合梁包括两根弹簧梁61和一根刚性梁62，两根弹簧梁61分别位于两个水平槽中，一根刚性梁62位于连通槽中。

显而易见地，本发明可以更为优选地将两个水平槽平行于X轴设置，连通槽平行于Y轴设置，使得在检测加速度的过程中，敏感效率更为出众。固定锚点5设置于凹槽的外侧；固定锚点5最好位于连通槽所处的Y轴方向上，使得三轴加速计的形状构造更为对称，有助于三轴加速计检测效率的提升。

除此之外，三轴加速计还包括用以检测所述X轴、Y轴和Z轴加速度的检测电容。针对检测电容的设置方式，本发明给出如下两种实施方式。

第一种实施方式：检测电容具体包括4个用以检测X轴加速度的X轴检测电容、4个用以检测Y轴加速度的Y轴检测电容和4个用以检测Z轴加速度的Z轴检测电容，如说明书附图1所示。

当有沿X轴的加速度输入时，质量块7会沿着X轴方向平动，此时初始值相等的4个X轴检测电容会产生细微变化。通过准确设计这四个电容的梳齿的方向，可以使第一X轴检测电容11和第四X轴检测电容14的电容值增大，并且第二X轴检测电容12和第三X轴检测电容13的电容值减小，最终可以利用电容检测和信号处理电路测量出他们的相对变化(ΔC11-ΔC12-ΔC13+ΔC14)，再通过反推可以得出输入的X轴加速度的大小。

当有沿Y轴的加速度输入时，质量块7会沿Y轴做平动。此时初始值相等的检测Y轴加速度的4个Y轴检测电容会产生细微变化。通过准确设计这四个电容的梳齿的方向，可以使第一Y轴检测电容21和第二Y轴检测电容22的电容值增大，且第三Y轴检测电容23和第四Y轴检测电容24的电容值减小。所以最终可以利用电容检测和信号处理电路测量出他们的相对变化(ΔC21+ΔC22-ΔC23-ΔC24)，再通过反推可以得出输入的Y轴加速度的大小。

当有沿Z轴的加速度输入时，质量块7会沿着z轴方向平动。如图2所示，质量块的梳齿71长度大于Z轴固定电极的梳齿4长度；检测Z轴加速度的4个Z轴检测电容是以高低差的形式工作的，所以初始值相等的4个Z轴检测电容此时也会产生细微的变化。通过准确设计这四个电容的梳齿的高低方向，可以使第一Z轴检测电容31和第三Z轴检测电容33的电容值增大，且第二Z轴检测电容32和第四Z轴检测电容34的电容值减小。所以最终可以利用电容检测和信号处理电路测量出他们的相对变化(ΔC31-ΔC32+ΔC33-ΔC34，再通过反推可以得出输入的Z轴加速度的大小。

当然，上述4个X轴检测电容、4个Y轴检测电容和4个Z轴检测电容均以所述质量块的中心位置上下左右对称，并且如说明书附图1所示，4个X轴检测电容、4个Y轴检测电容和4个Z轴检测电容依次向质量块7的边缘延伸。这样一来，在能够有效检测X轴、Y轴和Z轴加速度的前提下，还可以使得三轴加速计的形状对称，减小外界应力对芯片性能的影响。

针对检测电容的设置方式，本发明给出的第二种实施方式：

检测电容具体为以质量块7的中心位置上下左右对称的四个电容，如说明书附图3所示。上述4个X轴检测电容、4个Y轴检测电容和4个Z轴检测电容被整合成四个电容时，四个电容的梳齿的方向和高低可以根据需要而设置成以下所描述的工作原理。

当有沿X轴的加速度输入的时候，质量块7会沿着x轴平动。此时第一电容81和第四电容84的电容值会增大，但第二电容82和第三电容83的电容值会减小。所以最终可以利用电容检测和信号处理电路测量出他们的相对变化(ΔC81-ΔC82-ΔC83+ΔC84)，而敏感其他两个轴向的电容变化影响很小，可以忽略，由此，再通过反推可以得出输入的X轴加速度的大小。

当有沿Y轴的加速度输入的时候，质量块7会沿Y轴平动。同理，此时第一电容81和第二电容82的电容值会增大，但第三电容83和第四电容84的电容值会减小。所以最终可以利用电容检测和信号处理电路测量出他们的相对变化(ΔC81+ΔC82-ΔC83-ΔC84)，再通过反推可以得出输入的Y轴加速度的大小。

当有沿Z轴的加速度输入的时候，质量块7会沿着z轴方向平动。此时第一电容81和第三电容83的电容值会增大，但第二电容82和第四电容84的电容值会减小。所以最终可以利用电容检测和信号处理电路测量出他们的相对变化(ΔC81-ΔC82+ΔC83-ΔC84)，再通过反推可以得出输入的Z轴加速度的大小。

本发明提供的三轴加速计，通过工字型连接梁的连接方式，使质量块7在3个线性方向的敏感运动方式皆为平动，与传统的加速计敏感方式相比，大幅度提高了传感器的敏感度；并结合合成电容的检测方式，进一步大幅度地降低芯片的面积，降低产品的生产成本。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上对本发明所提供的三轴加速计进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种三轴加速计，其特征在于，包括设置凹槽的质量块，所述凹槽贯穿所述质量块的上下两个端面，且所述凹槽沿X轴方向以及Y轴方向均对称；所述质量块通过设置于所述凹槽的组合梁连接于固定锚点；所述凹槽呈上下以及左右对称的工字型，所述凹槽包括上下两个水平槽以及与两个所述水平槽连接的连通槽；所述组合梁包括分别设置于两个所述水平槽的弹簧梁，还包括与两根所述弹簧梁连通的刚性梁；两个所述水平槽平行于X轴设置，所述连通槽平行于Y轴设置；所述凹槽设置于所述质量块的正中部；所述固定锚点设置于所述凹槽的外侧，且处于所述连通槽所处的Y轴方向上。

2.根据权利要求1所述的三轴加速计，其特征在于，还包括用以检测所述X轴、Y轴和Z轴加速度的检测电容。

3.根据权利要求2所述的三轴加速计，其特征在于，所述检测电容具体包括4个用以检测所述X轴加速度的X轴检测电容、4个用以检测所述Y轴加速度的Y轴检测电容和4个用以检测所述Z轴加速度的Z轴检测电容。

4.根据权利要求3所述的三轴加速计，其特征在于，4个所述X轴检测电容、4个所述Y轴检测电容和4个所述Z轴检测电容均以所述质量块的中心位置上下左右对称。

5.根据权利要求4所述的三轴加速计，其特征在于，4个所述X轴检测电容、4个所述Y轴检测电容和4个所述Z轴检测电容依次向所述质量块的边缘延伸。

6.根据权利要求2所述的三轴加速计，其特征在于，所述检测电容具体为以所述质量块的中心位置上下左右对称的四个电容。

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