基于嵌入式叉齿止挡和防撞台的双轴抗冲击电容式加速度计传感器

本发明涉及微机电系统(mems)制造，具体为一种基于嵌入式叉齿止挡和防撞台的双轴抗冲击电容式加速度计传感器。

背景技术：

1、mems加速微机械加速度传感器具有质量小，功耗低，易于数字化和智能化等优势，在各个领域应用广泛。近年来，加速计得到了发展，但也受到了多方面阻碍，表现在加速度计难以承受峰值30000g、脉宽约8ms的加速度冲击。这种高过载恶劣环境对微机械加速度传感器抗过载能力提出苛刻要求。同时，为了实现增加准确性，其低量程工作状态也要满足测量精度要求。

2、迄今为止，为了平衡表头敏感结构刚度升高与小量程范围检测精度降低的矛盾，已提出多种具有过载保护装置的微电容式加速度计，但大部分无法满足低量程50g精确检测、同时兼容抗轴向峰值30000g、半正弦脉宽约8ms的加速度冲击。

技术实现思路

1、本发明为了克服现有技术的不足，解决加速度计在低量程精确检测的情况下，同时兼容抗横向和轴向峰值30000g、半正弦脉宽约8ms的加速度冲击的问题，提供了一种基于嵌入式叉齿止挡和防撞台的双轴抗冲击电容式加速度计传感器。

2、本发明是通过如下技术方案来实现的：一种基于嵌入式叉齿止挡和防撞台的双轴抗冲击电容式加速度计传感器，包括可动质量块、第一结构单元、第二结构单元与抗过载固定锚点区，所述可动质量块为整块结构，所述抗过载固定锚点区位于第一结构单元与第二结构单元之间；所述可动质量块根据第一结构单元、抗过载固定锚点区与第二结构单元的位置分为上、中、下三部分、且可动质量块上下部分结构相同且对称，所述可动质量块的上下部分分别左右对称。可动质量块上有质量块y轴梳齿和质量块x轴梳齿，分别用于连接驱动y轴梳齿和驱动x轴梳齿，连接后形成多个梳齿连接区。所述第一结构单元和第二结构单元均包括多个驱动梳齿锚点区，每个驱动梳齿锚点区与可动质量块连接的部位设有防撞区与梳齿连接区，所述梳齿连接区形成相应的可变间隙敏感差动电容，可变间隙敏感差动电容分为x向和y向，根据可变间隙敏感差动电容的方向，可以测量x轴和y轴方向分别的加速度。所述抗过载固定锚点区与可动质量块连接的部位形成多个抗双轴过载嵌入式叉齿止挡区。本发明以抗过载固定锚点区的中心为原点，以左右为x轴，x轴的直线为y轴，因此该传感器，以x轴上下对称，以y轴左右对称，可以有效抵消交叉耦合。

3、进一步的，为了方便叙述，将可动质量块的上部以横向区域为界分开描写结构。所述可动质量块上部的结构包括横向区域，所述横向区域的中部开有长方形窗口，且窗口的左右内边分别通过相应的s型折叠梁与中间的同一个s型折叠梁固定锚点区连接，该s形折叠梁相当于弹簧，s型折叠梁固定锚点区为承重块，使得可动质量块出现x向上的移动时，可以恢复原状。在所述横向区域的左右端部还设有密集整齐排列的多个空气阻尼孔，使可动质量块移动时，能够避免空气阻力的干扰。所述横向区域的上方的中部设有左上y轴质量块分支、中上y轴质量块分支、右上y轴质量块分支，所述左上y轴质量块分支的本体上设有密集整齐排列的多个空气阻尼孔，所述左上y轴质量块分支的左右侧各连接有一组密集排列的质量块y轴梳齿，用于连接驱动y轴梳齿。所述中上y轴质量块分支长度小于左上y轴质量块分支，所述中上y轴质量块分支的本体内开有长方形窗口、且窗口的上下内边分别通过相应的s型折叠梁与中间的同一个s型折叠梁固定锚点区连接，该s形折叠梁相当于弹簧，s型折叠梁固定锚点区为承重块，使得可动质量块出现y向上的移动时，可以恢复原状。所述中上y轴质量块分支的左右外侧还各连接有一组密集排列的质量块y轴梳齿；所述右上y轴质量块分支的本体上设有密集整齐排列的多个空气阻尼孔，所有空气阻尼孔的作用均为测量时能够避免空气阻力的干扰。所述右上y轴质量块分支的左右侧各连接有一组密集排列的质量块y轴梳齿；所述横向区域的下方设有左下y轴质量块分支、中下y轴质量块分支、右下y轴质量块分支，所述左下y轴质量块分支与右下y轴质量块分支分别位于横向区域的左右两端，所述左下y轴质量块分支左侧与横梁左侧整体连接有一组密集排列的质量块y轴梳齿，所述右下y轴质量块分支右侧与横梁右侧整体连接有一组密集排列的质量块y轴梳齿，所述左下y轴质量块分支与右下y轴质量块分支各自的内侧也连接有密集排列的质量块y轴梳齿；所述中下y轴质量块分支的本体上设有密集整齐排列的多个空气阻尼孔，所述中下y轴质量块分支的左右两侧各连接有两个x轴质量块分支，两侧的两个x轴质量块分支均布设置，每个x轴质量块分支的两侧各连接有一组密集排列的质量块x轴梳齿，用于连接驱动x轴梳齿。所述横向区域的左端顶部设有第一嵌入式防撞台、右端顶部设有第二嵌入式防撞台，所述第一嵌入式防撞台与第二嵌入式防撞台形状均为两个相同的方形的可动质量块柔性止挡块，用于连接防撞台锚点区，形成第一和第二防撞区，使可动质量块在冲击时能够减小其摆动幅度。

4、所述第一结构单元包括上方y轴驱动梳齿锚点区、两个防撞台锚点区、左方x轴驱动梳齿锚点区、右方x轴驱动梳齿锚点区，所述上方y轴驱动梳齿锚点区外部形状呈方形，且环绕于可动质量块上部结构的外围；两个防撞台锚点区呈方形，且分别位于与第一嵌入式防撞台及第二嵌入式防撞台相应的位置，而且防撞台锚点区设有一个固定驱动柔性止挡块，所述固定驱动柔性止挡块的形状尺寸与两个可动质量块柔性止挡块之间的间隔相匹配，且固定驱动柔性止挡块不接触的插入两个可动质量块柔性止挡块之间，使得两个所述防撞台锚点区分别与第一嵌入式防撞台及第二嵌入式防撞台形成防撞间隙，也就形成了防撞区；两个防撞台锚点区不接触的嵌入上方y轴驱动梳齿锚点区内。每组质量块y轴梳齿所形成的梳齿间隙内均不接触嵌入式的插接有对应的驱动y轴梳齿，每组质量块x轴梳齿所形成的梳齿间隙内均不接触嵌入式的插接有对应的驱动x轴梳齿；位于外围的驱动y轴梳齿固定于y轴驱动梳齿锚点区；位于中下y轴质量块分支左侧的驱动x轴梳齿以及位于左下y轴质量块分支内侧的驱动y轴梳齿固定于左方x轴驱动梳齿锚点区；位于中下y轴质量块分支右侧的驱动x轴梳齿以及位于右下y轴质量块分支内侧的驱动y轴梳齿固定于右方x轴驱动梳齿锚点区；质量块y轴梳齿与对应匹配插接的驱动y轴梳齿形成沿y轴方向的可变间隙敏感差动电容；质量块x轴梳齿与对应匹配插接的驱动x轴梳齿形成沿x轴方向的可变间隙敏感差动电容，具体为单根的质量块梳齿与此处的相应插接的两根驱动梳齿形成可变间隙敏感差动电容，从而使整体的质量块梳齿与驱动梳齿形成x向或y向的可变间隙敏感差动电容。在x向和y向分别施加相同的加速度，可动质量块的位移是相同的。

5、所述可动质量块下部的横向区域的左端底部设有第三嵌入式防撞台、右端底部设有第四嵌入式防撞台，所述第三嵌入式防撞台与第四嵌入式防撞台形状均为两个相同的方形的可动质量块柔性止挡块；位于第二结构单元的下方的两个防撞台锚点区分别位于与第三嵌入式防撞台及第四嵌入式防撞台相应的位置，所述第三嵌入式防撞台及第四嵌入式防撞台与相应的防撞台锚点区的连接结构与上方第一第二嵌入式防撞台与防撞台锚点区的连接结构相同，形成了第三和第四防撞区。

6、所述第二结构单元包括下方y轴驱动梳齿锚点区，而且除去下方y轴驱动梳齿锚点区后的结构均与第一结构单元相同。为了给可动质量块引出电极，所述下方y轴驱动梳齿锚点区分为左方y轴驱动梳齿锚点区、左下y轴驱动梳齿锚点区，中下y轴驱动梳齿锚点区、右下y轴驱动梳齿锚点区、右方y轴驱动梳齿锚点区，用于不同部位质量块电极的引出。所述下方y轴驱动梳齿锚点区的整体形状与上方y轴驱动梳齿锚点区相同且环绕于可动质量块下部结构的外围；位于下方的两个防撞台锚点区不接触的分别嵌入左方y轴驱动梳齿锚点区与右方y轴驱动梳齿锚点区内。

7、进一步的，所述抗过载固定锚点区包括各自独立的第一抗过载固定锚点区、第二抗过载固定锚点区、第三抗过载固定锚点区、第四抗过载固定锚点区，用于控制可动质量块被冲击时，减小其位移。所述可动质量块的中部结构包括三组质量止挡块，位于左侧的质量止挡块ⅰ用于连接可动质量块上下部分相应的左下y轴质量块分支，位于中部的质量止挡块ⅱ用于连接可动质量块上下部分相应的中下y轴质量块分支，位于右侧的质量止挡块ⅲ用于连接可动质量块上下部分相应的右下y轴质量块分支。质量止挡块ⅰ、质量止挡块ⅱ与质量止挡块ⅲ结构相同，所述质量止挡块ⅰ和质量止挡块ⅲ本体上开有密集整齐排列的空气阻尼孔；每个质量止挡块左右两侧各设有对称的两个第一柔性止挡块，所述第一柔性止挡块呈阶梯凸台状，所述第一抗过载固定锚点区位于质量止挡块ⅰ左侧，所述第二抗过载固定锚点区位于质量止挡块ⅰ与质量止挡块ⅱ之间，所述第三抗过载固定锚点区位于质量止挡块ⅱ与质量止挡块ⅲ之间，所述第四抗过载固定锚点区位于质量止挡块ⅲ右侧；所有抗过载固定锚点区通过其本身的第二柔性止挡块与相应的质量止挡块上的第一柔性止挡块契合嵌入且不接触连接，且留有止挡间隙；所述质量止挡块ⅰ与第一抗过载固定锚点区及第二抗过载固定锚点区连接的部分形成第一抗双轴过载嵌入式叉齿止挡区，所述质量止挡块ⅱ与第二抗过载固定锚点区及第三抗过载固定锚点区连接的部分形成第二抗双轴过载嵌入式叉齿止挡区，所述质量止挡块ⅲ与第三抗过载固定锚点区及第四抗过载固定锚点区形成第三抗双轴过载嵌入式叉齿止挡区。

8、优选的，每个防撞台锚点区与相应的嵌入式防撞台之间的间隙为3 um，即第一、第二、第三和第四防撞区的间隙为3 um。每个抗双轴过载嵌入式叉齿止挡区内，相应的抗过载固定锚点区与相应连接的质量止挡块之间的间隙为3 um，即第一、第二、第三和第四抗双轴过载嵌入式叉齿止挡区中的各个抗过载固定锚点区与相应连接的质量止挡块之间的间隙为3 um。

9、优选的，所述质量块y轴梳齿与驱动y轴梳齿的梳齿间短间距为4um，长间距为12um；所述质量块x轴梳齿与驱动x轴梳齿的梳齿间短间距为4um，长间距为12um，该距离可以满足更进一步的量程需求；所述电容式加速度计传感器，在x、y轴分别施加相同的加速度，可动质量块整体的位移相同，且x、y轴具有相同的量程都为~g。

10、优选的，在x、y轴分别施加相同的冲击，第一抗双轴过载嵌入式叉齿止挡区、第二抗双轴过载嵌入式叉齿止挡区、第三抗双轴过载嵌入式叉齿止裆区使可动质量块整体的位移小于4um；第一嵌入式防撞台、第二嵌入式防撞台、第三嵌入式防撞台和第四嵌入式防撞台能够减小可动质量块在冲击时的摆动幅度。

11、优选的，所述质量块y轴梳齿为底部悬空状态，所述驱动y轴梳齿亦为底部悬空状态，即厚度小于相应连接的各锚点区的厚度；所述质量块x轴梳齿为底部悬空状态，所述驱动x轴梳齿亦为底部悬空状态，即厚度小于左方x轴驱动梳齿锚点区与右方x轴驱动梳齿锚点区的厚度；所述第一抗双轴过载嵌入式叉齿止挡区、第二抗双轴过载嵌入式叉齿止挡区与第三抗双轴过载嵌入式叉齿止挡区的厚度小于相应的各个抗过载固定锚点区的厚度。进一步的，所述s型折叠梁底部悬空，且s型折叠梁固定锚点区的厚度大于s型折叠梁的厚度。这三个特征使可动质量块整体的移动是自由的，包括质量块y轴梳齿、质量块x轴梳齿以及三个质量止挡块，同时也使得可动质量块可以在冲击后恢复原状。

12、与现有技术相比本发明具有以下有益效果：本发明所提供的一种基于嵌入式叉齿止挡和防撞台的双轴抗冲击电容式加速度计传感器：①设计的三个抗双轴过载嵌入式叉齿止挡区域，在高过载环境时，叉齿止挡能通过齿与齿之间的接触变形，降低冲击强度，对折叠梁结构起缓冲作用，减少了折叠梁大变形引起的区域应力，对敏感结构起到了保护作用；②本发明设计的四个嵌入式防撞台，在高过载环境时，可以减少敏感结构的振荡幅度；③本发明所设计的质量块梳齿和驱动梳齿之间设置的间距比为1:3，同时整个结构关于x、y轴对称，形成差动电容单元的同时可以有效的减少交叉耦合。