一种加速度计的制作方法

一种加速度计
【技术领域】
1.本发明涉及微机电技术领域，尤其涉及一种加速度计。


背景技术：

2.相关技术中的多轴加速度计，z轴面外加速度检测与y轴面内加速度检测共用非对称的转动检验质量，x轴面内加速度检测将整个跷跷板结构作为线性检验质量，三轴通过对应的电容极板实现三轴检测。
3.但是y轴与z轴的加速度检测模态分别与受到外界绕z轴与绕y轴旋转的角加速度的作用的运动模态是同一个模态，且结构的质心与检验质量的质心不在同一点，使得加速度计y轴与z轴检测时抗外界绕z轴与绕y轴旋转的角加速度影响的能力差。同时，当基底收到热等应力影响发生绕y轴倾斜形变时，z轴检测的差分检测电容会直接被基底的倾斜影响导致输出出现由基底倾斜导致的偏置误差。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种加速度计，以抑制相关技术中转动角加速度对检测时造成的影响。
5.本发明实施例提供了一种加速度计，包括基底、设置于所述基底的锚点以及与所述锚点弹性连接的跷跷板结构，所述加速度计还包括用于检测所述跷跷板结构加速度的差分检测组件，所述跷跷板结构包括相互平行且反向放置的第一跷跷板结构以及第二跷跷板结构，所述锚点包括与所述第一跷跷板结构弹性连接的第一锚点以及与所述第二跷跷板结构弹性连接的第二锚点；
6.所述第一跷跷板结构包括与所述第一锚点连接的第一弹性件以及与所述第一弹性件连接的第一质量块，所述第一质量块由正相载波驱动信号从所述第一锚点处驱动；
7.所述第二跷跷板结构包括与对应的所述第二锚点连接的第二弹性件以及与所述第二弹性件连接的第二质量块，所述第二质量块由反相载波驱动信号从所述第二锚点处驱动。
8.进一步地，所述第一质量块与所述第二质量块为非对称结构；其中，
9.所述第一质量块包括与所述第一弹性件连接的第一质量部以及与所述第一质量部连接的第二质量部；
10.所述第二质量块包括与所述第二弹性件连接的第三质量部以及与所述第三质量部连接的第四质量部；
11.所述第一质量部绕所述第一弹性件的转动惯量与所述第四质量部绕所述第二弹性件的转动惯量匹配，所述第二质量部绕所述第一弹性件的转动惯量与所述第三质量部绕所述第二弹性件的转动惯量匹配。
12.进一步地，所述差分检测组件包括设置于所述基底的第一z轴电容检测电极，所述第一z轴电容检测电极正对所述第一质量块靠近所述第一弹性件的一侧、以及所述第二质
量块背离所述第二弹性件的一侧，以形成第一z轴差分检测电容以及第二z轴差分检测电容；其中，
13.所述第一z轴差分检测电容的极板面积乘以极板到所述第一弹性件距离的乘积等于所述第二z轴差分检测电容的极板面积乘以极板到所述第二弹性件距离的乘积，且所述第一z轴差分检测电容以及所述第二z轴差分检测电容的极板间距相同。
14.进一步地，所述差分检测组件还包括设置于所述基底的第二z轴电容检测电极，所述第二z轴电容检测电极正对所述第一质量块背离所述第一弹性件的一侧、以及所述第二质量块靠近所述第二弹性件的一侧，以形成第三z轴差分检测电容以及第四z轴差分检测电容；其中，
15.所述第三z轴差分检测电容的极板面积乘以极板到所述第一弹性件距离的乘积等于所述第四z轴差分检测电容的极板面积乘以极板到所述第二弹性件距离的乘积，且所述第三z轴差分检测电容以及所述第四z轴差分检测电容的极板间距相同；
16.所述第三z轴差分检测电容的极板面积乘以极板到所述第一弹性件距离的乘积等于所述第一z轴差分检测电容的极板面积乘以极板到所述第一弹性件距离的乘积，且所述第三z轴差分检测电容与所述第一z轴差分检测电容的极板间距相同，以形成双差分z轴检测电容。
17.进一步地，所述第一质量块还包括垂直于y轴的第一侧壁；所述第二质量块还包括垂直于y轴的第二侧壁；所述差分检测组件包括设置于所述基底的第一y轴电容检测电极，所述第一y轴电容检测电极正对所述第一侧壁与所述第二侧壁，以形成第一y轴差分检测电容以及第二y轴差分检测电容；其中，
18.所述第一y轴差分检测电容以及所述第二y轴差分检测电容的极板间距相同。
19.进一步地，所述第一质量块还包括与所述第一侧壁相对设置的第三侧壁；所述第二质量块还包括与所述第二侧壁相对设置的第四侧壁；所述差分检测组件还包括设置于所述基底的第二y轴电容检测电极，所述第二y轴电容检测电极正对所述第三侧壁与所述第四侧壁，以形成第三y轴差分检测电容以及第四y轴差分检测电容；其中，
20.所述第三y轴差分检测电容以及所述第四y轴差分检测电容的极板间距相同；所述第三y轴差分检测电容与所述第一y轴差分检测电容的正对面积相等、极板间距相同，所述第四y轴差分检测电容与所述第二y轴差分检测电容的正对面积相等、极板间距相同，以形成双差分y轴检测电容。
21.进一步地，所述第一质量块还包括垂直于x轴的第五侧壁；所述第二质量块还包括垂直于x轴的第六侧壁；所述差分检测组件包括设置于所述基底的第一x轴电容检测电极，所述第一x轴电容检测电极正对所述第五侧壁与所述第六侧壁，以形成第一x轴差分检测电容以及第二x轴差分检测电容；其中，
22.所述第一x轴差分检测电容以及所述第二x轴差分检测电容的极板间距相同。
23.进一步地，所述第一质量块还包括与所述第五侧壁相对设置的第七侧壁；所述第二质量块还包括与所述第六侧壁相对设置的第八侧壁；所述差分检测组件还包括设置于所述基底的第二x轴电容检测电极，所述第二x轴电容检测电极正对所述第七侧壁与所述第八侧壁，以形成第三x轴差分检测电容以及第四x轴差分检测电容；其中，
24.所述第三x轴差分检测电容以及所述第四x轴差分检测电容的极板间距相同，所述
第三x轴差分检测电容与所述第一x轴差分检测电容的正对面积相等、极板间距相同，所述第四x轴差分检测电容与所述第二x轴差分检测电容的正对面积相等、极板间距相同，以形成双差分x轴检测电容。
25.进一步地，所述第一锚点至少有两个，且相对设置于所述基底上；所述第一弹性件至少有两个，各所述第一弹性件一端与所述第一质量块连接，且另一端与对应的所述第一锚点连接；
26.所述第二锚点至少有两个，且相对设置于所述基底上；所述第二弹性件至少有两个，各所述第二弹性件一端与所述第二质量块连接，且另一端与对应的所述第二锚点连接。
27.进一步地，还包括设置于所述跷跷板结构的背离所述基底一侧的上盖。
28.进一步地，所述第一跷跷板结构以及所述第二跷跷板结构之间呈嵌套分布。
29.本发明的有益效果在于：将相位相反的正相载波驱动信号与反相载波驱动信号，分别施加在平行且反向的第一跷跷板结构的第一锚点以及第二跷跷板结构的第二锚点上，第一跷跷板结构、第二跷跷板结构的电势分别与第一锚点处、第二锚点处的电势统一，形成差分驱动。这种由两路载波差分驱动两个平行且反向的跷跷板结构的检测方式，使得基底受应力等外界因素影响发生绕第一弹性件以及第二弹性件所在转轴轴倾斜时，引起的差分检测组件的共模变化，被相互抵消，能有效抑制转动角加速度噪声的影响。
【附图说明】
30.图1为本发明实施例提供的锚点与跷跷板结构的立体示意图；
31.图2为本发明实施例提供的锚点与跷跷板结构的平面示意图；
32.图3为本发明实施例提供的x轴加速度检测模态中的第一跷跷板结构模态；
33.图4为本发明实施例提供的x轴加速度检测模态中的第二跷跷板结构模态；
34.图5为本发明实施例提供的y轴加速度检测模态中的第一跷跷板结构模态；
35.图6为本发明实施例提供的y轴加速度检测模态中的第二跷跷板结构模态；
36.图7为本发明实施例提供的z轴加速度检测模态中的第一跷跷板结构模态；
37.图8为本发明实施例提供的z轴加速度检测模态中的第二跷跷板结构模态。
【具体实施方式】
38.下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
39.请参阅图1及图2，本发明实施例提供了一种加速度计，包括基底、设置于基底的锚点1以及与锚点1弹性连接的跷跷板结构2，加速度计还包括用于检测跷跷板结构2加速度的差分检测组件3，跷跷板结构2包括相互平行且反向放置的第一跷跷板结构21以及第二跷跷板结构22，锚点1包括与第一跷跷板结构21弹性连接的第一锚点11以及与第二跷跷板结构22弹性连接的第二锚点12；第一跷跷板结构21包括与第一锚点11连接的第一弹性件211以及与第一弹性件211连接的第一质量块212，第一质量块212由正相载波驱动信号从第一锚点11处驱动；第二跷跷板结构22包括与对应的第二锚点12连接的第二弹性件221以及与第二弹性件221连接的第二质量块222，第二质量块222由反相载波驱动信号从第二锚点12处驱动。
40.本实施例中，基底所在平面为基底平面，锚点1固定于基底平面；如图7及图8所示
的z轴加速度检测模态，在z轴方向加速度作用下，第一跷跷板结构21的第一质量块212绕第一转轴4(即第一弹性件211与第一锚点11练成的轴线)逆时针旋转倾斜，第二跷跷板结构22的第二质量块222绕第二转轴5(即第一弹性件211与第一锚点11练成的轴线)顺时针旋转倾斜，第一转轴4、第二转轴5与y轴同向；如图5及图6所示的y轴加速度检测模态，在y轴方向加速度作用下，第一跷跷板结构21绕z轴顺时针旋转倾斜，第二跷跷板结构22绕z轴逆时针旋转倾斜；如图3及图4所示的x轴加速度检测模态，在x轴方向加速度作用下，第一跷跷板结构21与第二跷跷板结构22都沿x轴平动。通过调整第一弹性件211以及第二弹性件221的参数使第一跷跷板结构21、第二跷跷板结构22之间的各轴对应模态频率接近甚至达成一致。第一跷跷板结构21、第二跷跷板结构22相互独立，将相位相反的正相载波驱动信号与反相载波驱动信号，分别施加在平行且反向的第一跷跷板结构21的第一锚点11以及第二跷跷板结构22的第二锚点12上，第一跷跷板结构21、第二跷跷板结构22的电势分别与第一锚点11处、第二锚点12处的电势统一，形成差分驱动。这种由两路载波差分驱动两个平行且反向的跷跷板结构2的检测方式，使得基底受应力等外界因素影响发生绕第一弹性件211以及第二弹性件221所在转轴轴倾斜时，引起的差分检测组件3的共模变化，被相互抵消，能有效抑制转动角加速度噪声的影响。
41.进一步地，第一质量块212与第二质量块222为非对称结构；其中，第一质量块212包括与第一弹性件211连接的第一质量部2121以及与第一质量部2121连接的第二质量部2122，第一质量部2121与第二质量部2122以第一转轴4为轴线呈非对称结构；第二质量块222包括与第二弹性件221连接的第三质量部2221以及与第三质量部2221连接的第四质量部2222，第三质量部2221与第四质量部2222以第二转轴5为轴线呈非对称结构；当然，第一质量块212与第二质量块222也可以以第一转轴4或第二转轴5为轴线呈非对称结构。其中，第一质量部2121绕第一弹性件211的转动惯量与第四质量部2222绕第二弹性件221的转动惯量匹配，第二质量部2122绕第一弹性件211的转动惯量与第三质量部2221绕第二弹性件221的转动惯量匹配。
42.本实施例中，第一质量块212的质量分布在第一弹性件211两侧的是非对称的，其中惯性检验质量块是第一质量块212质量分布的非对称部分(即以第一转轴4为轴线的非对称部分)，第一质量块212所在的第一弹性件211的一侧为第一质量部2121，第一弹性件211的另一侧为第二质量部2122；第二质量块222的质量分布在第二弹性件221两侧的是非对称的，其中惯性检验质量块是第二质量块222质量分布的非对称部分(即以第二转轴5为轴线的非对称部分)，第二质量块222所在的第二弹性件221的一侧为第三质量部2221，第二弹性件221的另一侧为第四质量部2222。
43.需要说明的是，在一些实施例中，第一跷跷板结构21以及第二跷跷板结构22之间也可以呈嵌套分布。此时，第二质量部2122于中间处具有第一配合开口2123，且形状与第三质量部2221形状匹配，第一质量部2121于中间处具有第二配合开口2124，第二配合开口2124的形状与第四质量部2222的形状匹配。其中，第二配合开口2124与第一配合开口2123连通，第一配合开口2123的横截面积大于第二配合开口2124的横截面积。
44.具体地，差分检测组件3包括设置于基底的第一z轴电容检测电极31，第一z轴电容检测电极31正对第一质量块212靠近第一弹性件211的一侧、以及与第二质量块222背离第二弹性件221的一侧，以形成第一z轴差分检测电容以及第二z轴差分检测电容；其中，第一z
轴差分检测电容的极板面积乘以极板到第一弹性件211距离的乘积等于第二z轴差分检测电容的极板面积乘以极板到第二弹性件221距离的乘积，且第一z轴差分检测电容以及第二z轴差分检测电容的极板间距相同。
45.本实施例中的第一z轴差分检测电容以及第二z轴差分检测电容的正对面积近似相等、极板间距近似相同。其中，正对面积可以相等也可以不等。z轴面外加速度作用在跷跷板结构2上导致的第一跷跷板结构21绕第一弹性件211所在转轴以及第二跷跷板结构22绕第二弹性件221以相反方向旋转倾斜，第一z轴差分检测电容以及第二z轴差分检测电容的电容间距发生差分变化，通过接入第一z轴电容检测电极31的电容检测电路即可检测第一跷跷板结构21以及第二跷跷板结构22倾斜引起的第一z轴差分检测电容以及第二z轴差分检测电容的差模变化，从而推算得到z轴加速度大小。
46.当第一跷跷板结构21以及第二跷跷板结构22受到外界分别绕第一弹性件211以及第二弹性件221的转动角加速度噪声影响时，当第一跷跷板结构21以及第二跷跷板结构22受到外界分别绕第一弹性件211以及第二弹性件221所在转轴以相同方向旋转倾斜，引起的差分检测第一z轴差分检测电容以及第二z轴差分检测电容共模变化，被相互抵消，从而使外界绕第一弹性件211以及第二弹性件221的转动角加速度噪声对加速度计的影响消弱。
47.基底受应力等外界因素影响发生绕第一弹性件211以及第二弹性件221所在转轴轴倾斜时，引起的第一z轴差分检测电容以及第二z轴差分检测电容共模变化，被相互抵消，从而使外界绕第一弹性件211以及第二弹性件221的转动角加速度噪声对加速度计的影响消弱。
48.进一步地，差分检测组件3还包括设置于基底的第二z轴电容检测电极32，第二z轴电容检测电极32正对第一质量块212背离第一弹性件211的一侧、以及第二质量块222靠近第二弹性件221的一侧，以形成第三z轴差分检测电容以及第四z轴差分检测电容；其中，第三z轴差分检测电容的极板面积乘以极板到第一弹性件211距离的乘积等于第四z轴差分检测电容的极板面积乘以极板到第二弹性件221距离的乘积，且第三z轴差分检测电容以及第四z轴差分检测电容的极板间距相同；第三z轴差分检测电容的极板面积乘以极板到第一弹性件211距离的乘积等于第一z轴差分检测电容的极板面积乘以极板到第一弹性件211距离的乘积，且第三z轴差分检测电容与第一z轴差分检测电容的极板间距相同，以形成双差分z轴检测电容。
49.本实施例中，第三z轴差分检测电容以及第四z轴差分检测电容的正对面积与第一z轴差分检测电容以及第二z轴差分检测电容的正对面积近似相等、第三z轴差分检测电容以及第四z轴差分检测电容的极板间距与第一z轴差分检测电容以及第二z轴差分检测电容的极板间距近似相同，并且构成双差分检测电容，通过差分检测可进一步增强加速度计的抗干扰能力以及加速度检测灵敏度。需要说明的是，第四z轴差分检测电容的极板面积乘以极板到第二弹性件221距离的乘积等于第二z轴差分检测电容的极板面积乘以极板到第二弹性件221距离的乘积，且第四z轴差分检测电容与第二z轴差分检测电容的极板间距相同。
50.具体地，第一质量块212还包括垂直于y轴的第一侧壁2123；第二质量块222还包括垂直于y轴的第二侧壁2223；差分检测组件3包括设置于基底的第一y轴电容检测电极33，第一y轴电容检测电极33正对第一侧壁2123与第二侧壁2223，以形成第一y轴差分检测电容以及第二y轴差分检测电容；其中，第一y轴差分检测电容以及第二y轴差分检测电容的极板间
距相同。
51.本实施例中，基底上设置垂直于基底平面的第一y轴电容检测电极33，第一y轴电容检测电极33垂直于y轴。第一y轴差分检测电容以及第二y轴差分检测电容的正对面积近似相等、间距近似相同。y轴加速度作用在跷跷板结构2上导致第一跷跷板结构21与第二跷跷板结构22绕z轴以相反方向旋转倾斜，第一y轴差分检测电容以及第二y轴差分检测电容的电容间距发生差分变化，通过接入第一y轴电容检测电极33的电容检测电路即可检测跷跷板倾斜引起的第一y轴差分检测电容以及第二y轴差分检测电容的差模变化，从而推算得到y轴加速度大小。
52.当第一跷跷板结构21与第二跷跷板结构22受到外界绕z轴的转动角加速度噪声影响时，第一跷跷板结构21与第二跷跷板结构22绕z轴以相同方向旋转倾斜，引起的差分检测电容的共模变化，被相互抵消，从而使外界绕中心转轴的转动角加速度噪声对加速度计的影响消弱。
53.进一步地，第一质量块212还包括与第一侧壁2123相对设置的第三侧壁2124；第二质量块222还包括与第二侧壁2223相对设置的第四侧壁2224；差分检测组件3还包括设置于基底的第二y轴电容检测电极34，第二y轴电容检测电极34正对第三侧壁2124与第四侧壁2224，以形成第三y轴差分检测电容以及第四y轴差分检测电容；其中，第三y轴差分检测电容以及第四y轴差分检测电容的极板间距相同；第三y轴差分检测电容与第一y轴差分检测电容的正对面积相等、极板间距相同，第四y轴差分检测电容与第二y轴差分检测电容的正对面积相等、极板间距相同，以形成双差分y轴检测电容。
54.本实施例中，第三y轴差分检测电容以及第四y轴差分检测电容的正对面积与第一y轴差分检测电容以及第二y轴差分检测电容的正对面积近似相等、第三y轴差分检测电容以及第四y轴差分检测电容的极板间距与第一y轴差分检测电容以及第二y轴差分检测电容的极板间距近似相同，并且构成双差分检测电容，通过差分检测可进一步增强加速度计的抗干扰能力以及加速度检测灵敏度。
55.具体地，第一质量块212还包括垂直于x轴的第五侧壁2125；第二质量块222还包括垂直于x轴的第六侧壁2225；差分检测组件3包括设置于基底的第一x轴电容检测电极35，第一x轴电容检测电极35正对第五侧壁2125与第六侧壁2225，以形成第一x轴差分检测电容以及第二x轴差分检测电容；其中，第一x轴差分检测电容以及第二x轴差分检测电容的极板间距相同。
56.本实施例中，基底上设置垂直于基底平面的第一x轴电容检测电极35，第一x轴电容检测电极35垂直于x轴。第一x轴差分检测电容以及第二x轴差分检测电容的正对面积近似相等、间距近似相同。x轴加速度作用在跷跷板结构2上导致第一跷跷板结构21以及第二跷跷板结构22绕z轴沿x轴平动，第一x轴差分检测电容以及第二x轴差分检测电容的电容间距发生差分变化，通过接入第一x轴电容检测电极35的电容检测电路即可检测跷跷板倾斜引起的第一x轴差分检测电容以及第二x轴差分检测电容的差模变化，从而推算得到x轴加速度大小。
57.进一步地，第一质量块212还包括与第五侧壁2125相对设置的第七侧壁2126；第二质量块222还包括与第六侧壁2225相对设置的第八侧壁2226；差分检测组件3还包括设置于基底的第二x轴电容检测电极36，第二x轴电容检测电极36正对第七侧壁2126与第八侧壁
2226，以形成第三x轴差分检测电容以及第四x轴差分检测电容；其中，第三x轴差分检测电容以及第四x轴差分检测电容的极板间距相同，第三x轴差分检测电容与第一x轴差分检测电容的正对面积相等、极板间距相同，第四x轴差分检测电容与第二x轴差分检测电容的正对面积相等、极板间距相同，以形成双差分x轴检测电容。
58.本实施例中，第三x轴差分检测电容以及第四x轴差分检测电容的正对面积与第一x轴差分检测电容、第二x轴差分检测电容的正对面积近似相等、第三x轴差分检测电容以及第四x轴差分检测电容的极板间距与第一x轴差分检测电容、第二x轴差分检测电容的极板间距近似相同，并且构成双差分检测电容，通过差分检测可进一步增强加速度计的抗干扰能力以及加速度检测灵敏度
59.需要说明的是，各轴加速度检测只用单个检测电极接入电容检测电路就可以实现；进一步地采用了差分电极的布置方式，以进一步增强加速度计的鲁棒性和检测灵敏度。
60.进一步地，第一锚点11至少有两个，且相对设置于基底上；第一弹性件211至少有两个，各第一弹性件211一端与第一质量块212连接，且另一端与对应的第一锚点11连接；第二锚点12至少有两个，且相对设置于基底上；第二弹性件221至少有两个，各第二弹性件221一端与第二质量块222连接，且另一端与对应的第二锚点12连接。
61.本实施例中，两第一锚点11相对设置于第三质量部2221的两侧，且分别固定于基底上。与之匹配的，在对应的第一锚点11上设置有第一弹性件211与第一质量块212连接，以实现第一跷跷板的运动。当然，两第二锚点12也相对设置于第三质量部2221的两侧，且分别固定于基底上。并且，同一侧的第二锚点12与第一锚点11之间间隔设置，与之匹配的，在对应的第二锚点12上设置有第二弹性件221与第三质量部2221连接，以实现第二跷跷板的运动。需要说明的是，第一锚点11、第二锚点12的数量也可以为单个或者多个，在此不对其进行特别限定，只要可以实现第一跷跷板结构21通过第一弹性件211挠性固定于第一锚点11上，第二跷跷板结构22通过第二弹性件221挠性固定于第二锚点12上即可，当然，第一弹性件211与第二弹性件221的数量也对应设置。本实施例中，第一弹性件211与第二弹性件221优选为弹簧，当然，在其它一些实施例中，第一弹性件211与第二弹性件221也可以为其它类型的弹性件。
62.进一步地，还包括设置于跷跷板结构2的背离基底一侧的上盖。
63.本实施例中，上盖所在平面为上盖平面，上盖平面与基底平面分别位于跷跷板结构2所在平面的上方和下方。在一些实施例中，也可以在上盖平面上设置第一z轴电容检测电极31、第二z轴电容检测电极32、第二y轴电容检测电极34和/或第二x轴电容检测电极36。
64.以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。