[发明专利]一种抗过载电容式三轴MEMS加速度计

说明书

技术领域

本发明涉及微机电领域，具体是一种抗过载电容式三轴MEMS加速度计。

背景技术

MEMS加速度计是微机电系统的重要组成部分。微机电加速度计由于其体积小、功耗低、易集成、抗过载能力强及可大批量生产的特点被广泛应用于MIMU的核心元件。随着MEMS设计方法及工艺技术的发展，微机械加速度计已经广泛应用在导弹制导、家用电器、汽车电子等各个消费领域。

通常多轴电容式加计结构需要安装三个加计结构，增加芯片成本同时需要很高的安装精度，三轴一体的加速度计存在着各轴向干扰和线性度有待提高的问题。《多轴电容式加速度计》（公开号为CN101738496A）的专利文件提供的多轴加速度计结构能降低各轴向加速度感测相互干扰的现象，但未对该种结构的抗过载性能进行分析和评价。

MEMS加速度计的灵敏度和频率范围是负相关的，在保证较高频率的条件下，尽可能提高加速度计的灵敏度，同时优化应力集中的部位。《一种压阻式MEMS高过载加速度计》（公开号为CN103969467A）的专利文件中采用压阻原理能实现超过200000g加速度的过载冲击，但是该种结构的加速度计通常用做炮弹引信开关使用，即在冲击达到200000g时加速度计才有信号输出，在平时加速度数值较小时输出信号微小，加速度计基本不工作，同时该种结构的加计只限于在XY平面内的加速度运动，对于Z方向的结构和冲击未作分析和评价。

《高过载三自由度加速度计》（公开号为CN1667420A）的专利文件中三自由度加速度计结构采用压阻检测原理，外界有加速度时，质量块发生位移，引起悬臂梁变形，进而引起悬臂梁处压敏电阻值变化，但是在加速度很小的情况下，质量块位移很小，悬臂梁不容易变形，压敏电阻值变化甚微，造成检测精度不高，测量不准等问题，同时三轴加计结构芯片采用分别制作后再统一贴片的方法增加了制造成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抗过载电容式三轴MEMS加速度计，该加速度计既能在正常加速度输入下响应，又能在高过载冲击下降低微梁与锚点连接处应力集中与应力过大的问题，保证加速度计在受到高过载冲击下能够稳定工作。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种抗过载电容式三轴MEMS加速度计，包括设于衬底上的X轴向、Y轴向与Z轴向检测单元，X轴向检测单元包括框形的X轴向质量块，X轴向质量块的框间设有X轴向弹性梁，X轴向弹性梁的中部固定有X轴向锚体；Y轴向检测单元包括框形的Y轴向质量块，Y轴向质量块的框间设有Y轴向弹性梁，Y轴向弹性梁的中部固定有Y轴向锚体；X轴向质量块与Y轴向质量块的框间还分别设有敏感可动梳齿电极对以及驱动固定梳齿电极对；Z轴向检测单元包括呈H型的Z轴向质量块，Z轴向质量块的中部设有Z轴向锚体与Z轴向弹性梁，所述Z轴向质量块的两个开口侧分别设有相互对称的Z轴向应力释放梁，每个Z轴向应力释放梁均包含呈“冂”字形的一级应力释放梁与二级应力释放梁，二级应力释放梁横跨于相对应开口侧的两端，一级应力释放梁设于二级应力释放梁外侧的中部；每个二级应力释放梁外侧的中部还设有用于和衬底相连的副Z轴向锚体；

所述X轴向弹性梁上设有呈“口”字型的X轴向应力释放梁，X轴向应力释放梁将X轴向锚体框在内部；所述X轴向应力释放梁四条边的中部分别设有X轴向应力释放凸点；

所述Y轴向弹性梁上设有呈“口”字型的Y轴向应力释放梁，Y轴向应力释放梁将Y轴向锚体框在内部；所述Y轴向应力释放梁四条边的中部分别设有Y轴向应力释放凸点。

进一步的，所述Z轴向质量块上设有相对于中心两两对称的四个槽，每个槽内均设有弧形应力释放梁，弧形应力释放梁也相对于中心两两对称。

进一步的，所述X轴向质量块的外沿设有X轴向共用电极对与X轴向平衡电极对，X轴向共用电极对分布于X轴向质量块的横边框上，X轴向平衡电极对分布于X轴向质量块的纵边框上，X轴向共用电极对在开环工作模式下作为检测电容对、在闭环工作模式下作为反馈加力电极对，X轴向平衡电极对在闭环工作模式下平衡X轴向质量块沿Y方向运动时的加速度位移影响；

所述Y轴向质量块的外沿设有Y轴向共用电极对与Y轴向平衡电极对，Y轴向共用电极对分布于Y轴向质量块的纵边框上，Y轴向平衡电极对分布于Y轴向质量块的横边框上，Y轴向共用电极对在开环工作模式下作为检测电容对、在闭环工作模式下作为反馈加力电极对，Y轴向平衡电极对在闭环工作模式下平衡Y轴向质量块沿Y方向运动时的加速度位移影响。