一种三轴加速度计的制作方法

1.本发明属于加速度计领域，具体涉及一种三轴加速度计。

背景技术：

2.加速度计是测量运载体线加速度的仪表，目前，mems加速度计以集成电路工艺和微机械加工工艺为基础，将电子元件和机械元件集成在一块芯片上来测量加速度，具有体积小、质量轻、成本低、能耗低、集成度高等一系列的优点；电容式mems加速度计利用电容来检测加速度场中检测质量在惯性力作用下的微位移，由于微位移将引起检测电容的变化，检测电容信号经过前置放大、信号调理后以直流电压方式输出，从而间接实现对加速度的检测。
3.目前mems加速度计包括单轴加速度计、双轴加速度计和三轴加速度计，其中三轴加速度计的结构为x轴、y轴、z轴加速度计集成设置在同一块衬底上，各自测量该方向上的加速度，结构不紧凑，芯片集成程度低；此外，还存在检测精度不高的问题。

技术实现要素：

4.为解决上述现有技术问题，本发明提供一种三轴加速度计，采用的技术方案是：一种三轴加速度计，其特征在于，包括：衬底及位于衬底上的第一锚点；第二锚点；x轴检测结构；y轴检测结构；z轴检测结构，所述z轴检测结构包括z轴质量块、扭转梁z轴检测梳齿，所述z轴质量块具有空腔，所述z轴检测梳齿包括z轴可动梳齿和z轴固定梳齿；其中，所述三轴加速度计具有第一方向、第二方向和第三方向；其中，所述z轴检测结构设于所述衬底上；其中，所述扭转梁设于所述z轴质量块上，并连接所述第一锚点和所述z轴质量块沿第三方向上的侧壁，且所述扭转梁与z轴质量块沿第二方向上的中线重合；其中，所述第二锚点设于所述衬底沿第二方向的侧壁上，且关于所述扭转梁对称；其中，所述z轴可动梳齿设于所述z轴质量块沿第二方向的侧壁上，所述z轴固定梳齿设于第二锚点上；且，所述z轴可动梳齿与所述z轴固定梳齿之间具有重叠面积;其中，所述x轴检测结构及所述y轴检测结构设于所述z轴质量块的空腔中。
5.优选的，所述z轴可动梳齿与z轴固定梳齿之间沿所述第三方向依次排列分布并具有重叠面积s1。
6.优选的，所述z轴可动梳齿与z轴固定梳齿之间沿所述第二方向依次排列分布并具有重叠面积s2。
7.优选的，所述z轴可动梳齿具有沿第三方向的高度h1，所述z轴固定梳齿具有沿第三方向的高度h2；且，h1=h2。
8.优选的，所述z轴可动梳齿具有沿第三方向的高度h1，所述z轴固定梳齿具有沿第三方向的高度h2；且，h1》h2。
9.优选的，所述z轴可动梳齿具有沿第三方向的高度h1，所述z轴固定梳齿具有沿第三方向的高度h2；且，h1《h2。
10.优选的，所述x轴检测结构包括：x轴质量块，x轴检测梳齿、第三锚点、第四锚点及第一变形梁；其中，所述第三锚点及所述第四锚点设于所述衬底上；其中，所述x轴检测梳齿包括x轴固定梳齿及x轴可动梳齿，且所述x轴可动梳齿连接至所述x轴质量块，所述x轴固定梳齿连接至所述第四锚点，所述x轴可动梳齿与所述x轴固定梳齿之间具有重叠面积；其中，所述x轴质量块通过所述第三锚点连接至第一变形梁，且所述x轴质量块可沿第一方向运动。
11.优选的，所述y轴检测结构包括：y轴质量块，y轴检测梳齿、第五锚点、第六锚点及第二变形梁；其中，所述第五锚点及所述第六锚点设于所述衬底上；其中，所述y轴检测梳齿包括y轴固定梳齿及y轴可动梳齿，且所述y轴可动梳齿连接至所述y轴质量块，所述y轴固定梳齿连接至所述第六锚点，所述y轴可动梳齿与所述y轴固定梳齿之间具有重叠面积；其中，所述y轴质量块通过所述第五锚点连接至第二变形梁，且所述y轴质量块可沿第二方向运动。
12.优选的，所述x轴检测结构包括：xy轴质量块，xy轴检测梳齿，第七锚点，第八锚点，第三变形梁及第四变形梁；其中，所述第七锚点及所述第八锚点设于所述衬底上；其中，所述xy轴检测梳齿包括xy轴固定梳齿及xy轴可动梳齿，且所述xy轴可动梳齿连接至所述xy轴质量块，所述xy轴固定梳齿连接至所述第八锚点，所述xy轴可动梳齿与所述xy轴固定梳齿之间具有重叠面积；其中，所述xy轴质量块通过所述第七锚点连接至第三变形梁与第四变形梁，且所述xy轴质量块可沿第一方向运动和/或沿第二方向运动。
13.优选的，所述y轴检测结构与x轴检测结构完全相同。
14.本发明的有益效果体现在，提供一种三轴加速度计，将x轴检测结构与y轴检测结构设于z轴质量块的空腔内，使三轴加速度计结构更紧凑，缩减芯片尺寸；另一方面，由于设置的电容结构及扭转梁位置，使z轴质量块须在扭转梁两侧的质量不同，才能在受到扰动时易绕扭转梁偏转，两侧质量差越大，偏转越容易，设置空腔来达到z轴质量块在扭转梁两侧质量不同的目的，同时可用于设置xy轴检测结构，不仅使三轴加速度计结构更紧凑，同时提
高了三轴加速度计的检测精度。
附图说明
15.图1为本发明实施例所示出的一种三轴加速度计结构示意图；图2为本发明实施例所示出的另一种三轴加速度计结构示意图；图3为本发明实施例所示出的一种三轴加速度计正视图；图4为本发明实施例3所示出的一种z轴检测梳齿示意图；图5为本发明实施例3所示出的另一种z轴检测梳齿示意图；图6为本发明实施例4所示出的一种x轴检测结构示意图；图7为本发明实施例4所示出的一种y轴检测结构示意图；图8为本发明实施例5所示出的另一种x轴检测结构/y轴检测结构示意图。
16.附图标记说明z轴检测结构1、z轴质量块13、扭转梁14、空腔131、z轴可动梳齿151、z轴固定梳齿152；x轴检测结构2、x轴质量块21、第三锚点23、第四锚点24、第一变形梁25、x轴固定梳齿221、x轴可动梳齿222；y轴检测结构3、y轴质量块31、第五锚点33、第六锚点34、第二变形梁35、y轴固定梳齿321、y轴可动梳齿322；衬底4、第一锚点11、第二锚点12；xy轴质量块41、第七锚点43、第八锚点44、第三变形梁45、第四变形梁46、xy轴固定梳齿421、xy轴可动梳齿422。
具体实施方式
17.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
18.请参阅图1-图5所示，本发明提供的具体实施例如下：实施例1：一种三轴加速度计，其特征在于，包括：衬底4及位于衬底4上的第一锚点11；第二锚点12；x轴检测结构2；y轴检测结构3；z轴检测结构1，所述z轴检测结构包括z轴质量块13、扭转梁14、和z轴检测梳齿，所述z轴质量块13具有空腔131，所述z轴检测梳齿包括z轴可动梳齿151和z轴固定梳齿152；其中，所述三轴加速度计具有第一方向、第二方向和第三方向；其中，所述z轴检测结构1设于所述衬底4上；其中，所述扭转梁14设于所述z轴质量块13上，并连接所述第一锚点11和所述z轴
质量块13沿第三方向上的侧壁，且所述扭转梁14与z轴质量块13沿第二方向上的中线重合；其中，所述第二锚点12设于所述衬底4沿第二方向的侧壁上，且关于所述扭转梁14对称；其中，所述z轴可动梳齿151设于所述z轴质量块13沿第二方向的侧壁上，所述z轴固定梳齿152设于第二锚点12上；且，所述z轴可动梳齿151与所述z轴固定梳齿152之间具有重叠面积;其中，所述x轴检测结构2及所述y轴检测结构3设于所述z轴质量块13的空腔131中。
19.在本实施例中，第一方向、第二方向和第三方向分别指x轴方向、y轴方向和z轴方向，z轴检测结构包括具有空腔的z轴质量块，z轴质量块通过扭转梁连接至第一锚点，第一锚点固定设于衬底上，z轴可动梳齿连接至z轴质量块，z轴固定梳齿连接至第二锚点，当三轴加速度计受到z轴方向上的加速度影响时，z轴质量块偏转，带动z轴可动梳齿发生位移，从而改变z轴可动梳齿与z轴固定梳齿形成电容的电容值，间接实现加速度的检测。采用梳齿结构，在同尺寸下能形成更多电容，最终加速度计检测出的电容变化值为总电容变化值，即在加速度微小变化下，也能由于梳齿结构多电容得到较明显的检测结构，提高检测精度。
20.相比于现有技术的三轴加速度计而言，将x轴检测结构与y轴检测结构设于z轴质量块的空腔内，使三轴加速度计结构更紧凑，缩减芯片尺寸；另一方面，本实施例的电容结构及扭转梁位置设置，使z轴质量块须在扭转梁两侧的质量不同，才能在受到扰动时易绕扭转梁偏转，两侧质量差越大，偏转越容易，本实施例借助设置用于容纳xy轴检测结构的空腔，来达到z轴质量块在扭转梁两侧质量不同的目的，不仅使三轴加速度计结构更紧凑，同时提高了三轴加速度计的检测精度。
21.实施例2：所述z轴可动梳齿151与z轴固定梳齿152之间沿所述第三方向依次排列分布并具有重叠面积s1。
22.在本实施例中，z轴可动梳齿与z轴固定梳齿之间沿第三方向排列，当z轴质量块具有加速度带动z轴可动梳齿移动时，可动梳齿与固定梳齿之间的距离变化，即由板间距离变化引起电容变化，再通过电信号间接测量加速度。
23.优选的，所述重叠面积s1小于z轴可动梳齿/z轴固定梳齿的面积。
24.实施例3：所述z轴可动梳齿151与z轴固定梳齿152之间沿所述第二方向依次排列分布并具有重叠面积s2。
25.在本实施例中，z轴可动梳齿与z轴固定梳齿之间沿第二方向排列，当z轴质量块具有加速度带动z轴可动梳齿移动时，可动梳齿与固定梳齿之间的重叠面积变化，即由极板正对面积变化引起电容变化，再通过电信号间接测量加速度。
26.优选的，所述z轴可动梳齿151具有沿第三方向的高度h1，所述z轴固定梳齿152具有沿第三方向的高度h2；且，h1=h2。
27.在本优选实施例中，z轴可动梳齿与z轴固定梳齿的高度相同，即h1=h2，只要z轴质量块受到扰动绕扭转梁发生偏转，沿z轴质量块两侧设置的可动梳齿与固定梳齿间的正对
面积都立刻发生变化，由于电信号反映出的电容变化值为z轴质量块两侧总的电容变化值之和，即当h1=h2时，z轴质量块在只受到微小扰动的情况下，也能由于多梳齿形成的多电容以及两侧电容同步变化的结构设置，放大该扰动带来的影响，提高小扰动下的加速度计灵敏度，检测结果更精确。
28.优选的，所述z轴可动梳齿151具有沿第三方向的高度h1，所述z轴固定梳齿152具有沿第三方向的高度h2；且，h1》h2；优选的，所述z轴可动梳齿151具有沿第三方向的高度h1，所述z轴固定梳齿152具有沿第三方向的高度h2；且，h1《h2。
29.在本优选实施例中，z轴可动梳齿与z轴固定梳齿的高度不相同，即h1》h2或h1《h2，此处以h1》h2为例进行具体说明。当h1》h2时，z轴可动梳齿高度大于z轴固定梳齿高度，这意味着当z轴质量块受到扰动沿扭转梁发生偏转时，由于质量块两侧的偏转方向相反，某一侧的可动梳齿与固定梳齿之间的正对面积不会发生改变，只有当z轴质量块沿第三方向上的偏移分位移超过了
△
h（
△
h=h1-h2）后，由该侧梳齿形成的电容才会改变其电容值，此种结构在不增加梳齿数量的前提下，增大了加速度计的可测量范围。
30.三轴加速度计被应用于边坡监测中，监测边坡岩石移动状况，边坡位移的速度、方向等，以及时发现边坡破坏预兆，由于边坡岩石的移动是一个持续、缓慢的过程，当边坡岩石的移动累积到逼近某一个阈值，移动速度及加速度骤然增加，从而引起滑坡、崩塌等各种后果。相比于其它加速度计的应用场景而言，边坡加速度计的监测频次较低，更希望能够获取监测加速度在短时间内大幅度变化的时刻而不是某时刻精确的监测加速度数值，从而监测到可能发生边坡破坏的位置和时间，及时进行预警和应对。
31.如上述实施例所述的一种三轴加速度计，由于z轴可动梳齿高度大于z轴固定梳齿高度，在z轴加速度相对较小时，仅有一侧可动梳齿与固定梳齿间的正对面积发生改变，只有当z轴加速度大到使z轴质量块的在z轴上的偏移分位移超过
△
h（
△
h=h1-h2）后，另一侧的可动梳齿与固定梳齿间的正对面积才会发生改变，此时电容变化值由原先一侧的总电容变化值骤变为两侧的总电容变化值之和，电容变化大幅增加，由输出电信号反映出的结果为具有一段突变波形，当出现波形突变的时刻，便可认为此处存在发生边坡破坏的可能，并针对性作出应对预警方案。在一些优选实施例中，可动梳齿高度h1与固定梳齿h2之间的高度差
△
h（
△
h=h1-h2）可根据应用监测位置的实际情况选择设置，从而达到最佳监测预警效果。
32.易得的是，当h1《h2时，原理及效果与上述类似。
33.优选的，所述重叠面积s2小于z轴可动梳齿/z轴固定梳齿的面积。
34.实施例4：所述x轴检测结构2包括：x轴质量块21，x轴检测梳齿、第三锚点23、第四锚点24及第一变形梁25；其中，所述第三锚点23及所述第四锚点24设于所述衬底4上；其中，所述x轴检测梳齿包括x轴固定梳齿221及x轴可动梳齿222，且所述x轴可动梳齿222连接至所述x轴质量块21，所述x轴固定梳齿221连接至所述第四锚点24，所述x轴可
动梳齿222与所述x轴固定梳齿221之间具有重叠面积；其中，所述x轴质量块21通过所述第三锚点23连接至第一变形梁25，且所述x轴质量块21可沿第一方向运动；所述y轴检测结构3包括：y轴质量块31，y轴检测梳齿、第五锚点33、第六锚点34及第二变形梁35；其中，所述第五锚点33及所述第六锚点34设于所述衬底4上；其中，所述y轴检测梳齿包括y轴固定梳齿321及y轴可动梳齿322，且所述y轴可动梳齿322连接至所述y轴质量块31，所述y轴固定梳齿321连接至所述第六锚点34，所述y轴可动梳齿322与所述y轴固定梳齿321之间具有重叠面积；其中，所述y轴质量块31通过所述第五锚点33连接至第二变形梁35，且所述y轴质量块31可沿第二方向运动。
35.x轴/y轴检测结构通过x轴/y轴质量块在具有加速度时，在对应轴向上发生位移，从而带动可动梳齿移动，改变可动梳齿与固定梳齿形成的电容间的极板距离，来改变电容值最终检测加速度。目前的三轴加速度计多为三轴独立设置，互不干扰，无需考虑x轴检测结构和/或y轴检测结构在检测对应加速度时，质量块的位移是否会对z轴检测结构产生影响的问题，x轴检测结构与y轴检测结构在z轴质量块空腔中的嵌套结构不同，可能出现x轴质量块和/或y轴质量块在具有对应轴向上的加速度时，由于x轴质量块和/或y轴质量块发生移动，而影响z轴质量块重心分布，从而影响最终加速度检测结果准确度的情况。
36.在本实施例中，x轴检测结构只检测x轴方向上的加速度，y轴检测结构只检测y轴方向上的加速度，且x轴质量块及y轴质量块均通过变形梁连接至锚点，锚点设置在衬底上，不与z轴质量块接触，从而实现x轴检测结构和y轴检测结构与z轴检测结构的完全独立，检测结果互不影响，提高了三轴加速度计的检测准确度。
37.实施例5：所述x轴检测结构2包括：xy轴质量块41、xy轴检测梳齿、第七锚点43、第八锚点44、第三变形梁45及第四变形梁46；其中，所述第七锚点43及所述第八锚点44设于所述衬底4上；其中，所述xy轴检测梳齿包括xy轴固定梳齿421及xy轴可动梳齿422，且所述xy轴可动梳齿422连接至所述xy轴质量块41，所述xy轴固定梳齿421连接至所述第八锚点44，所述xy轴可动梳齿422与所述xy轴固定梳齿421之间具有重叠面积；其中，所述xy轴质量块41通过所述第七锚点43连接至第三变形梁45与第四变形梁46，且所述xy轴质量块41可沿第一方向运动和/或沿第二方向运动；所述y轴检测结构3与x轴检测结构2完全相同。
38.在本实施例中，x轴检测结构和y轴检测结构均能同时检测x轴和y轴方向上的加速度，芯片尺寸不变，在同轴方向上增加了电容数量，放大同轴方向上的微小扰动，提高了加速度计的检测灵敏度及精确度；同时，xy轴质量块通过变形梁连接至锚点，锚点设置在衬底上，不与z轴质量块接触，从而实现x轴检测结构和y轴检测结构与z轴检测结构的完全独立，检测结果互不影响，提高了三轴加速度计的检测准确度。
39.在本发明的实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“坚直”、“水平”、“中心”、“顶”、“底”、“顶部”、“底部”、“内”、“外”、“内侧”、“外侧”等指示的方位或位置关系。
40.在本发明的实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“组装”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
41.在本发明的实施例的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
42.在本发明的实施例的描述中，需要理解的是，
“‑”
和“~”表示的是两个数值之同的范围，并且该范围包括端点。例如:“a-b”表示大于或等于a，且小于或等于b的范围。“a~b''表示大于或等于a，且小于或等于b的范围。
43.在本发明的实施例的描述中，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
44.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：

1.一种三轴加速度计，其特征在于，包括：衬底及位于衬底上的第一锚点；第二锚点；x轴检测结构；y轴检测结构；z轴检测结构，所述z轴检测结构包括z轴质量块、扭转梁和z轴检测梳齿，所述z轴质量块具有空腔，所述z轴检测梳齿包括z轴可动梳齿和z轴固定梳齿；其中，所述三轴加速度计具有第一方向、第二方向和第三方向；其中，所述z轴检测结构设于所述衬底上；其中，所述扭转梁设于所述z轴质量块上，并连接所述第一锚点和所述z轴质量块沿第三方向上的侧壁，且所述扭转梁与z轴质量块沿第二方向上的中线重合；其中，所述第二锚点设于所述衬底沿第二方向的侧壁上，且关于所述扭转梁对称；其中，所述z轴可动梳齿设于所述z轴质量块沿第二方向的侧壁上，所述z轴固定梳齿设于第二锚点上；且，所述z轴可动梳齿与所述z轴固定梳齿之间具有重叠面积;其中，所述x轴检测结构及所述y轴检测结构设于所述z轴质量块的空腔中。2.根据权利要求1所述的一种三轴加速度计，其特征在于：所述z轴可动梳齿与z轴固定梳齿之间沿所述第三方向依次排列分布并具有重叠面积s1。3.根据权利要求1所述的一种三轴加速度计，其特征在于：所述z轴可动梳齿与z轴固定梳齿之间沿所述第二方向依次排列分布并具有重叠面积s2。4.根据权利要求3所述的一种三轴加速度计，其特征在于：所述z轴可动梳齿具有沿第三方向的高度h1，所述z轴固定梳齿具有沿第三方向的高度h2；且，h1=h2。5.根据权利要求3所述的一种三轴加速度计，其特征在于：所述z轴可动梳齿具有沿第三方向的高度h1，所述z轴固定梳齿具有沿第三方向的高度h2；且，h1>h2。6.根据权利要求3所述的一种三轴加速度计，其特征在于：所述z轴可动梳齿具有沿第三方向的高度h1，所述z轴固定梳齿具有沿第三方向的高度h2；且，h1<h2。7.根据权利要求4-6任一项所述的一种三轴加速度计，其特征在于，所述x轴检测结构包括：x轴质量块，x轴检测梳齿，第三锚点，第四锚点及第一变形梁；其中，所述第三锚点及所述第四锚点设于所述衬底上；其中，所述x轴检测梳齿包括x轴固定梳齿及x轴可动梳齿，且所述x轴可动梳齿连接至所述x轴质量块，所述x轴固定梳齿连接至所述第四锚点，所述x轴可动梳齿与所述x轴固定梳齿之间具有重叠面积；其中，所述x轴质量块通过所述第三锚点连接至第一变形梁，且所述x轴质量块可沿第一方向运动。8.根据权利要求7所述的一种三轴加速度计，其特征在于，所述y轴检测结构包括：
y轴质量块，y轴检测梳齿，第五锚点，第六锚点及第二变形梁；其中，所述第五锚点及所述第六锚点设于所述衬底上；其中，所述y轴检测梳齿包括y轴固定梳齿及y轴可动梳齿，且所述y轴可动梳齿连接至所述y轴质量块，所述y轴固定梳齿连接至所述第六锚点，所述y轴可动梳齿与所述y轴固定梳齿之间具有重叠面积；其中，所述y轴质量块通过所述第五锚点连接至第二变形梁，且所述y轴质量块可沿第二方向运动。9.根据权利要求4-6任一项所述的一种三轴加速度计，其特征在于，所述x轴检测结构包括：xy轴质量块，xy轴检测梳齿，第七锚点，第八锚点，第三变形梁及第四变形梁；其中，所述第七锚点及所述第八锚点设于所述衬底上；其中，所述xy轴检测梳齿包括xy轴固定梳齿及xy轴可动梳齿，且所述xy轴可动梳齿连接至所述xy轴质量块，所述xy轴固定梳齿连接至所述第八锚点，所述xy轴可动梳齿与所述xy轴固定梳齿之间具有重叠面积；其中，所述xy轴质量块通过所述第七锚点连接至第三变形梁与第四变形梁，且所述xy轴质量块可沿第一方向运动和/或沿第二方向运动。10.根据权利要求9所述的一种三轴加速度计，其特征在于，所述y轴检测结构与x轴检测结构完全相同。

技术总结

本发明公开了一种三轴加速度计，包括衬底及位于衬底上的第一锚点、第二锚点、X轴检测结构、Y轴检测结构和Z轴检测结构，所述Z轴检测结构具有空腔，包括Z轴质量块、扭转梁和Z轴检测梳齿，所述Z轴检测梳齿包括Z轴可动梳齿和Z轴固定梳齿并具有重叠面积，其中，所述X轴检测结构及Y轴检测结构设于所述空腔中。本发明的有益效果体现在：由于设置电容结构及扭转梁位置，使Z轴质量块须在扭转梁两侧的质量不同，才能在受到扰动时绕扭转梁偏转，两侧质量差越大，偏转越容易，设置空腔来达到Z轴质量块在扭转梁两侧质量不同的目的，同时可用于设置XY轴检测结构，不仅使三轴加速度计结构更紧凑，也提高了三轴加速度计的检测精度。提高了三轴加速度计的检测精度。提高了三轴加速度计的检测精度。