專利名稱：加速度檢測(cè)計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及能沿兩個(gè)軸線方向測(cè)量加速度的加速度檢測(cè)計(jì)。
已有技術(shù)加速度檢測(cè)計(jì)在業(yè)內(nèi)是眾所周知的，而且在很多應(yīng)用領(lǐng)域，如航空和汽車應(yīng)用領(lǐng)域中，被用來(lái)檢測(cè)急劇的加速或減速。加速檢測(cè)計(jì)的一個(gè)應(yīng)用例子是它在汽車中氣囊展開時(shí)的應(yīng)用。
由于控制系統(tǒng)已變得更加精細(xì)，因此就希望不只在一個(gè)方向上檢測(cè)加速或減速，以便使得例如氣囊的控制能適應(yīng)加速/減速的方向。但是，這是很難實(shí)現(xiàn)的。一條途徑就是提供兩個(gè)加速度檢測(cè)計(jì)，在兩個(gè)感興趣的軸線方向上各安一個(gè)加速度檢測(cè)計(jì)。但是精確地對(duì)準(zhǔn)是困難的，而且這樣所形成的裝置是龐大而昂貴的。一可供選擇的方案是企圖制造一個(gè)在兩個(gè)方向上都具有加速/減速敏感性的裝置。但是，這樣的裝置是難于制造的，它往往具有交叉的軸向敏感性(cross-axis sensitivity)，使得沿一個(gè)軸向的加速度可影響另一軸向的加速度的輸出指示，因而導(dǎo)致錯(cuò)誤的指示數(shù)。此外，用這樣的裝置要做到只改變一個(gè)軸向的靈敏度而不改變另一軸向的靈敏度常常是很困難的。
本發(fā)明的目的在于提供一加速度檢測(cè)計(jì)，它能檢測(cè)沿兩個(gè)軸向的加速度，而且結(jié)構(gòu)緊湊，制造簡(jiǎn)單。此外，本發(fā)明的目的還在于提供一具有最小的交叉軸向敏感性的加速度檢測(cè)計(jì)。
發(fā)明概述按照本發(fā)明可提供一加速度檢測(cè)計(jì)，它包括一包含質(zhì)量支撐架的外殼；一支撐在該支撐架上的質(zhì)量；一支撐裝置，用來(lái)將該質(zhì)量支撐在該支撐架上；一轉(zhuǎn)動(dòng)檢測(cè)裝置，用來(lái)檢測(cè)該質(zhì)量相對(duì)于至少部分該支撐裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)；一平移檢測(cè)裝置，用來(lái)檢測(cè)該質(zhì)量相對(duì)于至少部分該支撐裝置的平移。
該質(zhì)量可包括與一對(duì)外彈性構(gòu)件相連的外質(zhì)量，這對(duì)外彈性構(gòu)件又與該支撐架相連；和用一個(gè)或更多內(nèi)彈性構(gòu)件與該外質(zhì)量相連的內(nèi)質(zhì)量。在這種情形中，上述彈性構(gòu)件形成該支撐裝置。由較多的內(nèi)彈性構(gòu)件構(gòu)成的支撐裝置的一些軸可確定一平面，該外彈性構(gòu)件的軸也在該平面內(nèi)。在這種情形，該檢測(cè)扭應(yīng)力的裝置可由用來(lái)檢測(cè)在上述外彈性構(gòu)件內(nèi)所引起的扭應(yīng)力的裝置構(gòu)成，該扭應(yīng)力是在該加速度檢測(cè)計(jì)朝一具有一與該內(nèi)、外彈性構(gòu)件構(gòu)成的平面內(nèi)的第一軸線垂直的分量的方向加速時(shí)引起的；該檢測(cè)平移的裝置可由用來(lái)檢測(cè)在上述內(nèi)彈性構(gòu)件內(nèi)的彎曲應(yīng)力的裝置組成，該彎曲應(yīng)力是在該加速度檢測(cè)計(jì)朝一與該彈性構(gòu)件構(gòu)成的平面垂直的方向加速時(shí)引起的。
在這種情形最好具有兩對(duì)內(nèi)彈性構(gòu)件，而且通過(guò)一對(duì)內(nèi)彈性構(gòu)件的軸線與通過(guò)另一對(duì)內(nèi)彈性構(gòu)件的軸線垂直。該內(nèi)質(zhì)量是由這兩對(duì)內(nèi)彈性構(gòu)件來(lái)支撐的。該內(nèi)彈性構(gòu)件的軸線與該外彈性構(gòu)件的軸線可相互基本成45°。所說(shuō)的這些軸線確定了一平面。
該加速度檢測(cè)計(jì)最好是用半導(dǎo)體材料來(lái)構(gòu)成，而且可以是具有各向異性的材料，優(yōu)選的材料是硅。
通過(guò)利用一個(gè)檢測(cè)方向的扭應(yīng)力和另一檢測(cè)方向的彎曲應(yīng)力的方法就可能使交叉軸向敏感性降至最低。
最好是將測(cè)定該支撐裝置內(nèi)的扭應(yīng)力的裝置安放在一個(gè)或更多外彈性構(gòu)件上，基本處于支撐架與該質(zhì)量的中間區(qū)域。最好將測(cè)定該支撐裝置內(nèi)的彎曲應(yīng)力的裝置安放在一對(duì)或兩對(duì)內(nèi)彈性構(gòu)件上，靠近該質(zhì)量的內(nèi)或外分界處。
最好是，如果該器件是由硅做成，則該測(cè)定扭應(yīng)力的裝置就可包括一由四個(gè)壓敏電阻構(gòu)成的惠斯通電橋，各壓敏電阻基本沿著硅的晶軸(110)安置在該支撐裝置上。
對(duì)于該測(cè)定彎曲應(yīng)力的裝置來(lái)說(shuō)該器件可以用硅形成，該裝置在每個(gè)內(nèi)彈性構(gòu)件上可包括兩個(gè)壓敏電阻，在各個(gè)彈性構(gòu)件的每一端上各一個(gè)，或者，如果至少提供有兩對(duì)內(nèi)彈性構(gòu)件的話，則可在每個(gè)內(nèi)彈性構(gòu)件的一端上包含一壓敏電阻。在該內(nèi)彈性構(gòu)件上的所有壓敏電阻最好是但不是必須彼此平行和沿著硅的<110>晶軸排列。
用提供一內(nèi)質(zhì)量和一外質(zhì)量的方法就可單純地通過(guò)改變外質(zhì)量的方法來(lái)改變?cè)谠撈矫鎯?nèi)的方向上的加速度敏感性，而使在其它軸向上的敏感性不變。而且，還可通過(guò)改變外質(zhì)量與內(nèi)質(zhì)量的比率而不改變總的質(zhì)量的方法，也可使一個(gè)方向上的敏感性不改變，而使其它方向的敏感性發(fā)生變化。這就導(dǎo)致相當(dāng)大的設(shè)計(jì)靈活性。
通過(guò)對(duì)該外彈性構(gòu)件和內(nèi)彈性構(gòu)件進(jìn)行安排，使兩者偏移基本上為45°的角度，該器件就可能利用立方對(duì)稱的諸如硅的半導(dǎo)體材料的壓敏系數(shù)相對(duì)于該半導(dǎo)體晶面排列取向發(fā)生的變化，該加速度檢測(cè)計(jì)就是用這種半導(dǎo)體來(lái)制作的。這可使該器件的軸向交叉敏感性降至最低。
附圖簡(jiǎn)述現(xiàn)在將參考下列附圖來(lái)對(duì)本發(fā)明的一個(gè)例子進(jìn)行描述

圖1是一本發(fā)明的加速度檢測(cè)計(jì)的平面視圖；圖2是一帶有相關(guān)的扭應(yīng)力檢測(cè)裝置的外彈性構(gòu)件的平面視圖；圖3是一可使用于圖1所示例子中的具有相關(guān)的內(nèi)彈性構(gòu)件和彎曲應(yīng)力檢測(cè)裝置的兩個(gè)內(nèi)質(zhì)量例子的平面視圖；圖4是圖1所示例子的一側(cè)視橫截面圖(沿A-A’剖線)；圖5是一表示壓敏系數(shù)與硅的晶體取向的關(guān)系的曲線圖；圖6是本發(fā)明的第二例子的一側(cè)視橫截面圖；圖7是本發(fā)明的第三例子的一側(cè)視橫截面圖。
優(yōu)選實(shí)施例描述參考圖1，按照本發(fā)明的加速度檢測(cè)計(jì)就能測(cè)量沿圖所示的兩個(gè)軸線X，Y的加速/減速。該加速度檢測(cè)計(jì)包括一外殼，它構(gòu)成一質(zhì)量支撐架1。附著在該支撐架1上的是一對(duì)外彈性構(gòu)件2、3，它們是沿著與第一測(cè)量軸X垂直的軸線排列的。該外彈性構(gòu)件2、3支撐著質(zhì)量4，該質(zhì)量4包括一外質(zhì)量5和一內(nèi)質(zhì)量6。該內(nèi)質(zhì)量6被兩對(duì)內(nèi)彈性構(gòu)件7、8和9、10支撐在該外質(zhì)量5上。兩對(duì)內(nèi)彈性構(gòu)件7、8和9、10相互垂直地處于一平面中，該平面還包含該外彈性構(gòu)件沿其排列的那個(gè)軸，而且兩對(duì)內(nèi)彈性構(gòu)件與該軸基本上成45°。該加速度檢測(cè)計(jì)是用晶體半導(dǎo)體材料，在本例中該材料為硅，這樣蝕刻而成，使得一晶軸與內(nèi)彈性構(gòu)件7、8或9、10中的一對(duì)構(gòu)件的排列軸線平行。這一點(diǎn)的意義將在下面討論。
從圖1可看出，兩個(gè)外彈性構(gòu)件2、3中的一個(gè)比另一個(gè)長(zhǎng)，這是為了將壓敏電阻所在的該彈性構(gòu)件上的扭應(yīng)力降低至最小。在這個(gè)例子中，將一扭應(yīng)力的測(cè)定裝置安放在兩個(gè)外彈性構(gòu)件中較短的一個(gè)3上。從圖2可看出，該扭應(yīng)力測(cè)定裝置包括四個(gè)排列成一惠斯通電橋構(gòu)形的壓敏電阻，而且與外部的檢測(cè)電路具有電連接12。這些壓敏電阻11排列成與該外彈性構(gòu)件3的軸線基本成45°，并安放在該外彈性構(gòu)件3的中心，以便使扭應(yīng)力的測(cè)定最佳化。在原則上該檢測(cè)是可在兩個(gè)彈性構(gòu)件上進(jìn)行的，但為了得到最大的靈敏度，才選擇了本安排。當(dāng)該加速度檢測(cè)計(jì)在測(cè)量軸線X的方向加速或減速，或當(dāng)質(zhì)量4繞該外彈性構(gòu)件2、3的排列軸線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一可通過(guò)惠斯通電橋裝置的輸出檢測(cè)的扭應(yīng)力。將可看出，該質(zhì)量的重心是在該軸線之下，從而可由線加速產(chǎn)生扭力的效果。加速度檢測(cè)計(jì)的該靈敏度可由控制該兩外彈性構(gòu)件2、3的寬度和長(zhǎng)度、質(zhì)量4的總的大小以及該質(zhì)量4的重心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線(A-A’)之間的距離來(lái)控制。
如上所述，該質(zhì)量4包括一外質(zhì)量5和一與之相連的內(nèi)質(zhì)量6。如前所述，在這個(gè)例子中，該外質(zhì)量5是通過(guò)兩對(duì)內(nèi)彈性構(gòu)件7、8和9、10與該內(nèi)質(zhì)量6相連。圖3表示出兩種可能的彎曲應(yīng)力檢測(cè)裝置的放置方式，這兩種方式都是用來(lái)檢測(cè)該加速度檢測(cè)計(jì)在該第二測(cè)量軸線方向Z上加速/減速時(shí)，出現(xiàn)在該內(nèi)彈性構(gòu)件7、8、9、10中的彎曲應(yīng)力的。在該第一例子中，壓敏電阻13被安置在該兩對(duì)彈性構(gòu)件7、8和9、10中的一對(duì)或另一對(duì)的每個(gè)內(nèi)彈性構(gòu)件的兩端。在第二例子中，壓敏電阻則是放置在每個(gè)內(nèi)彈性構(gòu)件7、8、9、10的一端上。對(duì)于業(yè)內(nèi)人士來(lái)說(shuō)將很清楚，該壓敏電阻還可有不同的放置方式。最好是，將這些壓敏電阻安置成一惠斯通電橋裝置，其輸出可用來(lái)檢測(cè)彎曲應(yīng)力，因而可檢測(cè)該第二測(cè)量軸Z方向的加速度。該加速度檢測(cè)計(jì)沿Z軸的靈敏度可以通過(guò)，例如，改變?cè)搩?nèi)質(zhì)量6的大小和該內(nèi)彈性構(gòu)件7、8、9、10的尺寸來(lái)改變。如果增大該內(nèi)質(zhì)量6的大小，則可減小該外質(zhì)量的大小，以便使該第一測(cè)量軸X方向的靈敏度保持在同一水平上。
圖4是圖1所示例子的主要組成部分的一橫截面視圖(沿A-A’剖開)。從圖4可見，該質(zhì)量4具有形成在其一個(gè)或兩個(gè)表面上的凹進(jìn)區(qū)域14。在使用時(shí)，將本發(fā)明的加速度檢測(cè)計(jì)這樣安置，使得該質(zhì)量4被液體或氣體所包圍，該液體或氣體起著阻尼該質(zhì)量4的任何振動(dòng)的作用。為了控制該阻尼的水平，就必須很好地控制該質(zhì)量和上殼(未畫出)之間的間隙。如果該機(jī)殼是用允許精確加工的材料，例如硅制作，則可將凹進(jìn)區(qū)域做在該殼中來(lái)控制上述阻尼。但如果該上殼是用非晶質(zhì)材料，如玻璃之類制成，這種材料是難于精確蝕刻和與其它部件配合的，就像本發(fā)明的情況一樣，可在該質(zhì)量4的上表面產(chǎn)生一凹進(jìn)區(qū)域。阻尼的大小可通過(guò)控制在該上殼與該質(zhì)量4的上表面之間的液體和氣體量來(lái)控制。這是可行的，而并不影響該外彈性構(gòu)件2、3或該內(nèi)彈性構(gòu)件7、8、9、10的特性。該質(zhì)量4的凹進(jìn)區(qū)域還可增加該轉(zhuǎn)矩的杠桿長(zhǎng)度，因而增大在該X方向的靈敏度。
圖5是一表示晶體硅的壓敏系數(shù)相對(duì)于晶體結(jié)構(gòu)的取向角的變化曲線圖。從這可以看出，當(dāng)該排列取向變化45°時(shí)，該系數(shù)就幾乎從零變化到一最大值。這種效果被本發(fā)明所利用。在該最大值附近壓敏系數(shù)隨晶體取向變化的該特性可保證壓敏檢測(cè)元件具有一可接受的關(guān)于調(diào)準(zhǔn)不當(dāng)?shù)脑试S偏差。外彈性構(gòu)件上的該壓敏檢測(cè)元件的取向可這樣來(lái)選擇，以便使得外檢測(cè)裝置在彎曲應(yīng)力作用下產(chǎn)生輸出的靈敏度降低到最小。該質(zhì)量由一內(nèi)質(zhì)量和一外質(zhì)量組成。在該優(yōu)選的實(shí)施例中，該內(nèi)彈性構(gòu)件包含有用來(lái)測(cè)量在Z方向加速過(guò)程中產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力的裝置，而該外彈性構(gòu)件中包含有用來(lái)測(cè)量在該X方向的加速過(guò)程中產(chǎn)生的扭應(yīng)力的裝置。顯然可以改變?cè)搩?nèi)和外質(zhì)量的作用功能。那時(shí)，該內(nèi)彈性構(gòu)件將包含用來(lái)測(cè)量扭應(yīng)力的裝置而外彈性構(gòu)件將包含用來(lái)測(cè)量彎曲應(yīng)力的裝置。
在上述例子中，該X方向的加速度檢測(cè)實(shí)際是由該內(nèi)外質(zhì)量聯(lián)合作用實(shí)現(xiàn)的。在該Z方向的加速度檢測(cè)則是只由該內(nèi)質(zhì)量的作用實(shí)現(xiàn)的。在這種意義上，該內(nèi)質(zhì)量的“兩次”利用就減小了實(shí)現(xiàn)該加速度檢測(cè)計(jì)所需要的硅的面積。
圖6是本發(fā)明的第二例子的一視圖，它是利用電容檢測(cè)的。
圖7是本發(fā)明的第三個(gè)例子的一視圖，它是利用壓電檢測(cè)的。
將會(huì)發(fā)現(xiàn)，還可設(shè)想出檢測(cè)質(zhì)量4的運(yùn)動(dòng)，或該外質(zhì)量5和內(nèi)質(zhì)量6分別在獨(dú)立方向上運(yùn)動(dòng)的另一些檢測(cè)方法。
權(quán)利要求
1.一種加速度檢測(cè)計(jì)，它包括一包含一質(zhì)量支撐架在內(nèi)的機(jī)殼；和一支撐在該支撐架上的質(zhì)量；一支撐裝置，用來(lái)將該質(zhì)量支撐在該支架上；一轉(zhuǎn)動(dòng)檢測(cè)裝置，用來(lái)檢測(cè)該質(zhì)量相對(duì)于至少部分該支撐裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)；一平移檢測(cè)裝置，用來(lái)檢測(cè)該質(zhì)量相對(duì)于至少部分該支撐裝置的平移。
2.按照權(quán)利要求1所述的加速度檢測(cè)計(jì)，它是用半導(dǎo)體材料做成的。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的加速度檢測(cè)計(jì)，它是用具有各向異性的材料做成的。
4.按照權(quán)利要求1—3中任一項(xiàng)所述的加速度檢測(cè)計(jì)，它是用具有壓敏特性的材料做成的。
5.按照權(quán)利要求1—4中任一項(xiàng)所述的加速度檢測(cè)計(jì)，它是用硅做成的。
6.按照權(quán)利要求1—5中任一項(xiàng)所述的加速度檢測(cè)計(jì)，它還包括一上機(jī)殼，其中，在使用時(shí)，由在該上機(jī)殼和該質(zhì)量的上表面之間的適量液體或氣體引起的機(jī)械阻尼可通過(guò)在該上機(jī)殼的表面或該質(zhì)量的上表面上形成一凹進(jìn)區(qū)來(lái)控制。
7.按照權(quán)利要求1—6中任一項(xiàng)所述的加速度檢測(cè)計(jì)，其特征在于該質(zhì)量是通過(guò)一對(duì)沿第一軸線排列的外彈性構(gòu)件支撐在該支架上，該質(zhì)量包括與一對(duì)外彈性構(gòu)件相連的外質(zhì)量和通過(guò)一些內(nèi)彈性構(gòu)件與該外質(zhì)量相連的內(nèi)質(zhì)量，該內(nèi)彈性構(gòu)件是沿著一個(gè)或更多軸線排列的，這些軸線形成一個(gè)將該外彈性構(gòu)件的軸線也可包含在內(nèi)的平面。
8.按照權(quán)利要求7所述的加速度檢測(cè)計(jì)，還包括用來(lái)檢測(cè)由拉伸在該外彈性構(gòu)件中所引起的應(yīng)力的裝置，這種拉伸是由該加速度檢測(cè)計(jì)在該內(nèi)彈性構(gòu)件確定的平面內(nèi)的一方向上加速時(shí)所產(chǎn)生的；和用來(lái)檢測(cè)在該內(nèi)彈性構(gòu)件中的彎曲應(yīng)力的裝置，該彎曲應(yīng)力是由該加速度檢測(cè)計(jì)在與該內(nèi)彈性構(gòu)件確定的平面垂直的方向上加速時(shí)所產(chǎn)生的。
9.按照權(quán)利要求8所述的加速度檢測(cè)計(jì)，其特征在于用來(lái)測(cè)定該內(nèi)彈性構(gòu)件上彎曲應(yīng)力的裝置在每個(gè)內(nèi)彈性構(gòu)件上都包括兩個(gè)壓敏電阻，在每個(gè)彈性構(gòu)件的每一端上各安置一個(gè)。
10.按照權(quán)利要求6或8所述的加速度檢測(cè)計(jì)，其特征在于該內(nèi)彈性構(gòu)件的軸線和該外彈性構(gòu)件的軸線相互基本成45°的夾角。
11.按照權(quán)利要求7—10中任一項(xiàng)所述的加速度檢測(cè)計(jì)，其特征在于該內(nèi)質(zhì)量是由兩對(duì)內(nèi)彈性構(gòu)件支撐的，這兩對(duì)內(nèi)彈性構(gòu)件是這樣安置的，使得該兩對(duì)構(gòu)件相互垂直，而且兩對(duì)內(nèi)彈性構(gòu)件與該外彈性構(gòu)件的軸線共處同一平面。
12.按照權(quán)利要求11所述的加速度檢測(cè)計(jì)，其特征在于用來(lái)檢測(cè)內(nèi)彈性構(gòu)件中的彎曲應(yīng)力的裝置，在每個(gè)內(nèi)彈性構(gòu)件的一端上包括一壓敏電阻。
13.按照權(quán)利要求11或12所述的加速度檢測(cè)計(jì)，其特征在于用來(lái)檢測(cè)內(nèi)彈性構(gòu)件中的彎曲應(yīng)力的裝置被放置在一對(duì)或兩對(duì)內(nèi)彈性構(gòu)件上，并在靠近該內(nèi)質(zhì)量或外質(zhì)量的位置處。
14.按照權(quán)利要求1—13中任一項(xiàng)所述的加速度檢測(cè)計(jì)，其特征在于用來(lái)檢測(cè)扭應(yīng)力的裝置包括一由四個(gè)壓敏電阻形成的惠斯通電橋，各壓敏電阻都安置在該一個(gè)或基本沿一單一方向的多個(gè)外彈性構(gòu)件上。
15.按照權(quán)利要求1—14中任一項(xiàng)所述的加速度檢測(cè)計(jì)，其特征在于該外彈性構(gòu)件中的一個(gè)比另一個(gè)長(zhǎng)。
16.按照權(quán)利要求1—13中任一項(xiàng)所述的加速度檢測(cè)計(jì)，其特征在于該檢測(cè)彎曲和扭應(yīng)力的裝置是壓電的。
17.按照權(quán)利要求1—8中任一項(xiàng)所述的加速度檢測(cè)計(jì)，其特征在于該轉(zhuǎn)動(dòng)和平移的檢測(cè)可通過(guò)電容檢測(cè)獨(dú)立進(jìn)行。
全文摘要
一加速度檢測(cè)計(jì)包括一個(gè)包含質(zhì)量支撐架在內(nèi)的機(jī)殼和通過(guò)一對(duì)外彈性構(gòu)件支撐在該支撐架上的一質(zhì)量,該對(duì)外彈性構(gòu)件是沿著第一軸線排列的。該質(zhì)量可包括與該對(duì)外彈性構(gòu)件相連的外質(zhì)量和通過(guò)一些內(nèi)彈性構(gòu)件與外質(zhì)量相連的內(nèi)質(zhì)量,該內(nèi)彈性構(gòu)件沿著一個(gè)或更多軸線排列,這些軸線形成一平面,該外彈性構(gòu)件的軸線也排列在該平面中。還提供有一用來(lái)檢測(cè)該質(zhì)量的轉(zhuǎn)動(dòng)和該內(nèi)質(zhì)量的平移的裝置。
文檔編號(hào)G01P15/18GK1333147SQ01122480
公開日2002年1月30日 申請(qǐng)日期2001年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月10日
發(fā)明者T·克維斯特雷, A·諾德, R·博斯坦, S·穆厄, P·斯庫(kù)爾斯塔德, K·V·芒克, N·戈?duì)柋?申請(qǐng)人:森桑諾爾有限公司