專利名稱：加速度計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及至少部分地由硅構(gòu)成的電容式加速度計。傳統(tǒng)的電容式硅加速度計通常包括一個位于細(xì)的懸絲上的檢測質(zhì)量，以便形成一個擺錘，該擺錘夾在兩個固定的電容器極板之間，每一個電容器極板距離檢測質(zhì)量一個小的間隙。在作用到該加速度計上的加速度的作用下，一個間隙增大，另一個間隙縮小，給出差動輸出信號。這種傳統(tǒng)的加速度計要求兩個電容器的間隙非常精密的匹配，以便消除諸如振動校正等的影響。通常向檢測質(zhì)量上施加一個直流電壓偏壓，以便將使檢測質(zhì)量的位置歸零所需的靜電驅(qū)動電壓線性化。
背景技術(shù)：
在硅中的深溝槽蝕刻的發(fā)展，已經(jīng)使得能夠在硅片的平面內(nèi)通過一個工序制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)的陀螺儀。這種制造技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于加速度計的制作，具有降低制造成本的優(yōu)點，同時保持非常高的位置精度，并且可以同時制造大量的器件。
利用交叉指狀元件以便施加靜電力的結(jié)構(gòu)是公知的，包括偏置交叉指狀元件的使用。通過在指狀元件之間外加電壓，偏置交叉指狀元件引起靜電力，但是，由于彌散場的作用，因使用多個交叉指狀元件導(dǎo)致的放大效應(yīng)可能是非線性的。
發(fā)明的內(nèi)容因此需要一種改進(jìn)的使用偏置交叉指狀元件的電容式加速度計，它至少將上述缺點減小到最低限度，優(yōu)選地，改進(jìn)帶有外加電壓的指狀元件之間的力的線性化，并且，優(yōu)選地，改進(jìn)對于給定的電壓的檢測質(zhì)量的偏轉(zhuǎn)。
根據(jù)本發(fā)明的第一個方案，提供一種加速度計，該加速度計具有基本上為平面片狀的檢測質(zhì)量；四個或更多個柔性安裝腿，其中的每個安裝均與檢測質(zhì)量共平面；基本上平面的環(huán)狀支撐件，所述檢測質(zhì)量可移動地安裝于其中，所述支撐件相對于該檢測質(zhì)量固定地安裝并與之共平面；對于每一個安裝腿，在其一端連接到檢測質(zhì)量上，在其另一端連接到支撐件上，以便將檢測質(zhì)量安裝成在一個包括檢測質(zhì)量、安裝腿和支撐件的平面內(nèi)響應(yīng)于施加到該加速度計上的加速度的變化，沿著一個感測方向進(jìn)行線性運(yùn)動，并且，其安裝腿基本上垂直于感測方向延伸；多個交叉電容器指狀元件，在氣態(tài)介質(zhì)中安裝在所述環(huán)狀支撐件上，用于感測所述檢測質(zhì)量沿著感測方向的線性運(yùn)動，并且為所述檢測質(zhì)量沿著感測方向提供氣態(tài)介質(zhì)的擠壓阻尼，所述指狀元件、檢測質(zhì)量、安裝腿和支撐件是共平面的，并由一個單一的單晶硅片形成；所述指狀元件包括橫向間隔開的第一、第二、第三和第四指狀元件陣列，所述指狀元件陣列基本上垂直于感測方向并離開支撐件向著檢測質(zhì)量延伸，其中，第一和第二陣列位于檢測質(zhì)量的一側(cè)，第三和第四陣列位于檢測質(zhì)量的相對側(cè)，并且，可動的第五、第六、第七和第八橫向間隔開的指狀元件陣列基本上垂直于感測方向從檢測質(zhì)量向支撐件延伸，并固定到所述檢測質(zhì)量上，第五和第六陣列位于檢測質(zhì)量的所述一側(cè)并分別與第一和第二陣列交叉，第七和第八陣列位于檢測質(zhì)量的所述相對側(cè)并分別與第三和第四陣列交叉，第一與第五陣列以及第三與第七陣列的交錯結(jié)合位于沿著感測方向的一個方向從第一、第二、第三和第四陣列中的相鄰的指狀元件之間的中線起的第一偏置距處，第二與第六陣列以及第四與第八陣列的交錯結(jié)合位于和第一偏置距大小相等方向相反的第二偏置距處；以及向指狀元件的第一偏置陣列提供第一驅(qū)動電壓、向指狀元件的第二偏置陣列提供大小相等方向相反的第二驅(qū)動電壓的裝置，使得交叉指狀元件提供檢測質(zhì)量響應(yīng)于施加到加速度計上的加速度的感測位移，驅(qū)動并衰減位移。
設(shè)置氣態(tài)介質(zhì)擠壓膜阻尼、利用帶有電容性的力反饋的交叉指狀元件，以這種方式可以確保利用低的驅(qū)動電壓就能夠?qū)崿F(xiàn)線性輸出，而輸入加速度與輸出電壓成正比。
優(yōu)選地，借助干法蝕刻由一個硅片形成檢測質(zhì)量、安裝腿、支撐件和交叉指狀元件，所述硅片沿著晶面[111]或[100]取向。
方便地是，支撐件具有圍繞一個內(nèi)部開口區(qū)域的矩形環(huán)狀的形狀，具有基本上矩形形狀的檢測質(zhì)量位于該開口區(qū)域內(nèi)，并且其中，安裝腿基本上垂直于感測方向在間隔開的陣列中延伸，在限定出內(nèi)部開口區(qū)域的支撐件的第一內(nèi)壁和檢測質(zhì)量的面對的第一外壁之間至少有兩個，在限定出內(nèi)部開口區(qū)域的支撐件的相對的第二內(nèi)壁與檢測質(zhì)量的面對的第二外壁之間至少有兩個。
有利地是，安裝腿在感測方向具有高的順從性，在其它方向具有低的順從性。
優(yōu)選地，加速度計包括一個非導(dǎo)電性材料的支撐片，支撐件、第一、第二、第三及第四指狀元件陣列固定地安裝在該支撐片上，而安裝腿、檢測質(zhì)量和第五、第六、第七和第八指狀元件陣列與該支撐片間隔開。
方便地是，所述支撐片用玻璃制成，支撐件和第一、第二、第三和第四指狀元件陣列通過陽極結(jié)合固定地安裝在該支撐片上。
有利地是，該加速度計至少包括位于內(nèi)壁開口區(qū)域內(nèi)的四個接地屏蔽網(wǎng)，其中的每一個與第一、第二、第三和第四指狀元件陣列中相應(yīng)的一個相聯(lián)系并部分地將其包圍，可操作地將指狀元件陣列從支撐件屏蔽開，并且與支撐件電絕緣。
方便地是，接地屏蔽網(wǎng)通過陽極結(jié)合固定地安裝在玻璃支撐片上。
優(yōu)選地，該加速度計包括向固定的第三和第四指狀元件陣列以反相位提供矩形波驅(qū)動電壓的裝置，該裝置包括矩形波發(fā)生器；同相位單元，用于從矩形波發(fā)生器接收輸出信號并向第三指狀元件陣列提供同相信號；反相位單元，用于從矩形波發(fā)生器接收輸出信號并向第四指狀元件陣列提供反相位信號；解調(diào)器，用于從矩形波發(fā)生器接收頻率信號；通過檢測質(zhì)量提供直流偏壓的的器件；電容器，用于從檢測質(zhì)量接收輸出信號；積分器，用于從電容器接收輸出信號；交流放大單元，用于從積分器接收輸出信號；帶通濾波器，用于從交流放大單元接收輸出信號并且用于將輸出信號轉(zhuǎn)送到解調(diào)器；環(huán)路濾波器，用于從解調(diào)器接收輸出信號；直流放大單元，用于從環(huán)路濾波器接收輸出信號；正放大單元，用于從直流放大單元接收輸出信號并將正輸出信號轉(zhuǎn)送到第二指狀元件陣列、以及一個負(fù)放大單元，用于從直流放大單元接收輸出信號并把負(fù)輸出信號轉(zhuǎn)送到第一指狀元件陣列。
有利地是，該加速度計包括向固定的第一、第二、第三和第四指狀元件陣列以反相位提供矩形波驅(qū)動電壓的裝置，該裝置包括矩形波發(fā)生器；同相位單元，用于從矩形波發(fā)生器接收輸出信號并向第三和第一指狀元件陣列提供同相位信號；反相位單元，用于從矩形波發(fā)生器接收輸出信號并向第四和第二指狀元件陣列提供反相位信號；積分器，用于從檢測質(zhì)量接收輸出電流，并將該電流轉(zhuǎn)換成輸出電壓；帶通濾波器，用于接收輸出電壓；解調(diào)器，從帶通濾波器接收輸出信號并將其轉(zhuǎn)換成直流輸出信號；一個低通濾波器，用于接收直流輸出信號并用于由此提供一個開環(huán)輸出信號。


為了更好地理解本發(fā)明，并且表明可以如何實現(xiàn)本發(fā)明，將通過舉例的方式，參照下面的附圖進(jìn)行描述，其中圖1表示根據(jù)本發(fā)明的第一個實施例的加速度計的平面圖；圖2是在圖1中的沿方向A的端視圖；圖3是沿著圖1的BB線的剖視圖；圖4是沿著圖1的CC線取的剖視圖；圖5是沿著圖1的DD線取的剖視圖；圖6是沿著圖1的EE線取的剖視圖；圖7是表示供圖1至6所示的加速度計使用的、以閉合環(huán)路結(jié)構(gòu)向固定的第三和第四指狀元件陣列以反相位提供矩形波驅(qū)動電壓的裝置的框圖；以及圖8是表示供圖1至6所示的加速度計使用的、以開環(huán)回路結(jié)構(gòu)向固定的第一、第二、第三和第四指狀元件陣列以反相位提供矩形波驅(qū)動電壓的裝置的框圖。
具體實施例方式
首先參照圖1至6所示的根據(jù)本發(fā)明的第一個實施例的電容性加速度計，它包括基本上為平面片狀的檢測質(zhì)量1；四個或更多個柔性的安裝腿2，其中的每一個均與檢測質(zhì)量1共平面；基本上為平面的環(huán)狀支撐件3，檢測質(zhì)量1可移動地安裝在該支撐件3中，該支撐件3相對于檢測質(zhì)量1固定地安裝，并且與之共平面。每個安裝腿2在其一端連接到檢測質(zhì)量1上，在其另一端連接到支撐件3上，以便將檢測質(zhì)量1安裝成使之響應(yīng)于施加到加速度計上的加速度的變化，在包含檢測質(zhì)量1、安裝腿2和支撐件3的平面中沿著感測方向線性運(yùn)動。安裝腿2基本上垂直于在圖1中主要用標(biāo)號4表示的感測方向延伸。
根據(jù)本發(fā)明的加速度計，包括多個在氣態(tài)介質(zhì)中安裝在環(huán)狀支撐件3中的交叉的電容器指狀元件，用于感測所述檢測質(zhì)量1的線性運(yùn)動，并且用于為所述檢測質(zhì)量1沿著感測方向4提供一個氣態(tài)介質(zhì)的擠壓阻尼，其中所述氣態(tài)介質(zhì)優(yōu)選地為空氣，所述指狀元件、檢測質(zhì)量1、安裝腿2和支撐件3，是共平面的，并由一個單一的單晶硅片形成。
指狀元件包括橫向間隔設(shè)置的指狀元件9的第一、第二、第三和第四陣列5、6、7和8，所述指狀元件陣列基本上垂直于感測方向4從支撐件3向檢測質(zhì)量1延伸。第一和第二陣列5、6位于檢測質(zhì)量1的一側(cè)，第三和第四陣列7、8位于檢測質(zhì)量1的相對側(cè)。加速度計還包括橫向間隔的指狀元件14的可動第五、第六、第七和第八陣列10、11、12、和13，其中，所述指狀元件陣列基本上垂直于感測方向4從檢測質(zhì)量1向支撐件3延伸，并固定到檢測質(zhì)量1上。第五和第六陣列10、11位于檢測質(zhì)量1的所述一側(cè)，并且分別與指狀元件9的第一和第二陣列5、6交叉。第七和第八陣列12、13位于檢測質(zhì)量1的所述相反側(cè)，并分別與第三和第四陣列7、8交叉。第一與第五陣列5和10以及第三與第七陣列7和12的交錯結(jié)合位于沿著感測方向4的一個方向從第一、第二、第三和第四陣列5、6、7和8中的相鄰的指狀元件之間的中線(未示出)起的第一偏置距d-δ處。第二與第六陣列6和11以及第四與第八陣列8和13的交錯結(jié)合，位于和第一偏置距d-δ大小相等與感測方向4的相反方向的第二偏置距d+δ處。
現(xiàn)將參照附圖的圖1的對于橫向間隔開的指狀元件14、14a的交叉的可動第七陣列12和指狀元件9的交叉的固定第三陣列7的例子進(jìn)行描述。距離15代表距離d+δ，距離16代表d-δ。因此，對于陣列7和12而言，第一偏置距在感測方向4上朝向陣列7和12實際上為-δ。
觀察第四固定陣列8和第八可動陣列13，距離15在圖1上是最大的，使得對于這一對交叉的陣列而言，第二偏置距實際上為+δ。進(jìn)一步詳細(xì)地考慮交叉的第三陣列7和第八陣列12，靜電力F(牛頓)由下式給出F＝eE...(1)其中，E是靜電電場，e是電荷。固定到檢測質(zhì)量1上的兩個可動指狀元件14和14a，具有電壓V1，并且相對于支撐件3固定的陣列7的中間的指狀元件9a具有電壓V2。中心指狀元件9a從可動指狀元件14和14a的中點偏移一個量δ。檢測質(zhì)量1被保持在固定的電壓V1，而中心指狀元件9a則被保持在可變的電壓V2。認(rèn)為由于該單一的組合作用到檢測質(zhì)量1上的力F＝q(E1-E2)＝C(V1-V2)(E1-E2)...(2)C=C1+C2=Aϵ0d(1-δd+1+δd)=2Aϵ0d---(3)]]>E1-E2=(V1-V2)(1d-δ-1d+δ)=(V1-V2)(2δd2)---(4)]]>從而，F(xiàn)=(4Aϵ0δd3)(V1-V2)2---(5)]]>因此，當(dāng)利用這種形式的指狀元件對時，該力是電壓的二次函數(shù)。在實際上，存在有n個指狀元件9、14的一個組，其中δ是正的，帶有正的電壓V2，以及n個指狀元件9、14的另一個組，其中δ是負(fù)的，帶有一個負(fù)的電壓V2。從而，對于全部指狀元件的全部的力，由下式給出F1+F2=4nδAϵ0d3[(V1-V2)2-(V+V2)2]=16nδAϵ0d3V1V2---(6)]]>從而，向檢測質(zhì)量1施加偏壓V1，向支撐件3施加可變電壓V2。從而，加速度計的比例因子由施加到檢測質(zhì)量上的驅(qū)動電壓設(shè)定，這將需要設(shè)定成高的精度，以便滿足在ag到100g的范圍內(nèi)典型的為0.1％的比例因子精度的要求，例如，其中n＝60d＝10微米δ＝3微米V1＝15VV2位于-15V和+15V之間ε0＝8.86 10-12(自由空間的介電常數(shù))A＝硅的深度(140微米)*指狀元件長度(2mm)＝2.8e-7m2這給出2.2 10-3N的力。
如果檢測質(zhì)量1的重量為2毫克，1g的加速度要求1.96e-5N，從而利用+/-15V將能夠?qū)?00g歸零。對于具有6微米的間隙的15微米的典型的指狀元件的寬度，在寬度為5mm的硅上可以有120個指狀元件。
檢測質(zhì)量1、安裝腿2、支撐件3和交叉的指狀元件9、9a、14和14a由一個硅片通過干法蝕刻形成，優(yōu)選地，通過深反應(yīng)離子蝕刻形成，所述硅片沿著[111]或[100]晶面取向。如可以從附圖的圖1至6中看出的那樣，支撐件3具有圍繞內(nèi)部開口區(qū)域17基本上為矩形的環(huán)狀形狀，如圖所示，優(yōu)選地具有基本上矩形形狀的檢測質(zhì)量1位于該內(nèi)部開口區(qū)域內(nèi)，其中，安裝腿2基本上垂直于感測方向4以間隔配置的陣列延伸，在支撐件3的限定出內(nèi)部開口區(qū)域17的第一內(nèi)壁18和檢測質(zhì)量1的相面對的第一外壁19之間至少有4個安裝腿2，在限定出內(nèi)部開口區(qū)域17的支撐件3的第二內(nèi)壁20與檢測質(zhì)量1的相面對的第二外壁21之間至少有4個安裝腿2。安裝腿2在感測方向4上具有高的順從性，在其它方向具有低的順從性。
本發(fā)明的加速度計還包括一個非導(dǎo)電性材料的支撐片22，支撐件3和指狀元件9的第一、第二、第三及第四陣列5、6、7和8固定地安裝在該支撐片22上，而安裝腿2、檢測質(zhì)量1和指狀元件14的第五、第六、第七和第八陣列10、11、12、和13與支撐片22間隔開。該支撐片22由玻璃制成，優(yōu)選地由Pyrex(注冊商標(biāo))玻璃制成，以便形成一個薄片結(jié)構(gòu)，借助陽極結(jié)合，將指狀元件9的第一、第二、第三和第四陣列5、6、7和8固定地安裝到該玻璃支撐片上。利用陽極結(jié)合將硅結(jié)合到玻璃支撐片22上，具有將交叉的指狀元件的電容相對于接地層電絕緣的優(yōu)點。微小的電容量的變化對于加速度計的精度是非常重要的。
指狀元件9、9a、14和14a沿著它們的長度懸掛，并且在支撐件3的內(nèi)部開口區(qū)域17內(nèi)支撐在支撐片22上，但是，與支撐件3電絕緣。為此，每一個指狀元件陣列設(shè)置有一個接地屏蔽網(wǎng)23，在圖示的實施例中為4個。每個屏蔽網(wǎng)23位于內(nèi)部開口區(qū)域17內(nèi)，并與指狀元件的第一、第二、第三和第四陣列5、6、7和8的每一個相聯(lián)系并將其部分地包圍，可操作地將指狀元件陣列相對于支撐件3屏蔽，并與支撐件3電絕緣。為此，將屏蔽網(wǎng)23固定到與支撐件3電絕緣的支撐片22上。用于指狀元件9、9a的第一和第二陣列5、6，在電學(xué)上通常處于0伏。這改進(jìn)了高電壓驅(qū)動與位于支撐件3和檢測質(zhì)量1的其余部分上的低電平信號的隔離。將與指狀元件9、9a的第三和第四陣列7、8相聯(lián)系的接地屏蔽網(wǎng)23設(shè)置在0伏，以便將驅(qū)動與支撐件3隔離。優(yōu)選地，利用陽極結(jié)合將接地屏蔽網(wǎng)23固定地安裝到玻璃支撐片22上。
檢測陣列1和支撐安裝腿2在內(nèi)部開口區(qū)域17內(nèi)懸掛在支撐片22之上。盡管在圖中示出了4個這種腿2，但是也可以提供更多個，例如對于檢測質(zhì)量1的4個端角的每一個設(shè)置16個，總計設(shè)置64個腿2。所選擇的腿的數(shù)目，使得給出經(jīng)過核準(zhǔn)的質(zhì)量組合的所需的響應(yīng)頻率。優(yōu)選地，腿2安裝在檢測質(zhì)量1的所有4個拐角處，以便給出相對于加速度的橫軸的最大剛性。這樣，圖解說明的加速度計是一個平面加速度計，其感測軸4位于加速度計器件的平面內(nèi)。
對所使用的指狀元件和腿的數(shù)目和它們之間的間隙進(jìn)行選擇，以便由氣態(tài)介質(zhì)擠壓薄膜阻尼給出臨界阻尼。為此，可以將加速度計密封以便提供一個典型地處于大氣壓力的內(nèi)部環(huán)境。盡管氣態(tài)介質(zhì)可以是空氣，但優(yōu)選地的介質(zhì)是干燥的氮氣，將其填充到加速度計的密封的內(nèi)部開口區(qū)域17內(nèi)，但是，如果需要的話，也可以使用其它氣體，例如氦氣或者氖氣。優(yōu)選地，所述氣體具有一個低于加速度計的最低工作溫度的露點，以避免在加速度計內(nèi)形成冷凝。
根據(jù)本發(fā)明的加速度計還包括向固定的第一、第二、第三和第四指狀元件陣列7和8以反相位提供矩形波驅(qū)動電壓的裝置。在如附圖的圖7中所示的閉合環(huán)路結(jié)構(gòu)中，該裝置包括矩形波發(fā)生器24，該發(fā)生器主要產(chǎn)生典型地為100kHz的矩形波輸出信號，該矩形波輸出信號形成通過指狀元件的第三和第四陣列7、8驅(qū)動檢測質(zhì)量1的信號。為此，該裝置包括一個同相位單元25，用于從矩形波發(fā)生器24接收輸出信號、并向指狀元件的第三陣列7提供一個同相位信號。設(shè)置一個反相位單元26，用于從矩形波發(fā)生器24接收輸出信號、并向第四指狀元件陣列8提供一個反相位信號。檢測質(zhì)量典型地以這種方式在一個15伏的高電壓下驅(qū)動，這是因為加速度計的增益正比于驅(qū)動電壓。如前面所述，陣列7和8具有相反的偏置距并利用反相位信號驅(qū)動，以便在相同的方向給出一個凈的正力。將圍繞陣列7和8的接地屏蔽網(wǎng)23設(shè)定在零伏。
在輸入端29向檢測質(zhì)量1提供一個輸入的直流偏壓V1，用于閉合環(huán)路操作。該裝置還包括一個DC隔直流電容器30，通過該電容器30，一個輸出信號從檢測質(zhì)量1通過以便消除在檢測質(zhì)量1上的偏壓。然后，來自于電容器30的輸出信號通向積分器31，該積分器31提供一個與檢測質(zhì)量1從平均位置的位移成正比的輸出電壓。由于檢測質(zhì)量1利用高導(dǎo)電性的硅、典型地利用[100]面電連結(jié)到支撐件3上，借助引線結(jié)合到支撐片3上的焊接點上(未示出)可以獲得該輸出信號。通過交流電流放大單元32將AC增益施加到該信號上?？梢蕴砑舆M(jìn)一步的增益，以便改進(jìn)回路特性。然后該信號通過一個集中在標(biāo)準(zhǔn)的矩形波發(fā)生器頻率的帶通濾波器33，以便在解調(diào)器34解調(diào)之前除去不需要的頻率。該信號在解調(diào)器34上以一個標(biāo)準(zhǔn)頻率相對于通過線35來自于信號發(fā)生器24的基準(zhǔn)被解調(diào)。相對于平均位置，這將引起一個誤差信號，然后使之通過環(huán)路濾波器36，并作為一個反饋信號，在經(jīng)過DC放大單元37、一個正放大單元38和一個負(fù)放大單元39進(jìn)行電壓放大之后，施加到驅(qū)動指狀元件的第一和第二陣列5、6上。因此，驅(qū)動電壓是對所施加的加速度的一個計量。這用來將環(huán)路閉合，以便在加速度的作用下，檢測質(zhì)量1不會移動，其慣性力被靜電力所平衡。從該系統(tǒng)來的輸出信號，取自DC放大單元37。
在附圖的圖8所示的開環(huán)結(jié)構(gòu)中，和圖7中所示的類似的部分賦予類似的參考標(biāo)號，并省略其進(jìn)一步的詳細(xì)說明。在圖8中，發(fā)生器24以典型的頻率100kHz產(chǎn)生一個矩形波，并通過固定的第一、第二、第三和第四指狀元件陣列5、6、7、8以反相位驅(qū)動檢測質(zhì)量1。該矩形波信號被傳送到一個同相位、非反相放大器單元26a，并傳送到一個不同相位的，反相放大器單元25a。來自于單元25a的輸出信號被提供給指狀元件陣列7和5，來自于單元26a的輸出信號被提供給指狀元件陣列8和6。這些輸出信號的大小被單元25a和26a精確地設(shè)定。
交叉的指狀元件相對于該檢測質(zhì)量1電絕緣，該檢測質(zhì)量1利用安裝腿2固定到支撐件3上。支撐件3電連接到積分器31上，該積分器31起著互阻抗放大器的作用，將來自于100kHz信號的電流轉(zhuǎn)換成100kHz的電壓。然后后一種電壓信號通過也起著AC增益級的作用的帶通濾波器33，然后進(jìn)入解調(diào)器34。解調(diào)器34其中一個全波整流器的作用，將來自于檢測質(zhì)量1的100kHz的信號轉(zhuǎn)換成直流信號，該直流信號然后被轉(zhuǎn)送到低通濾波器36。
來自于低通濾波器36的輸出27形成開環(huán)輸出信號，該信號與施加的g力(慣性力)成正比。
交叉驅(qū)動指狀元件的使用將氣態(tài)介質(zhì)擠壓薄膜阻尼的效果和提供一個大的電容量以便利用一個適當(dāng)強(qiáng)度的用于力反饋的力很容易進(jìn)行驅(qū)動結(jié)合起來。這樣，通過在不損害功能性的情況下降低成本、縮小尺寸和降低復(fù)雜性，提供了一種超過電感式加速度計的益處。從而，本發(fā)明的加速度計由于最好地使用一個推挽輸出驅(qū)動級，提供了一個相對于外加電壓的線性比例因子，從而降低了所需要的電壓的限制。和硅一起使用陽極結(jié)合的玻璃，與可以作為一種選擇方案的硅熔接結(jié)合相比，使得改進(jìn)了電容器指狀元件的絕緣。檢測質(zhì)量1連與支撐腿2一起的矩形幾何形狀，對于高的g沖擊陽極對于橫向加速度，給出良好的強(qiáng)度。
權(quán)利要求書(按照條約第19條的修改)開，并且與所述支撐件電絕緣。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的加速度計，其特征在于，所述接地屏蔽網(wǎng)通過陽極結(jié)合固定地安裝在所述玻璃支撐片上。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的加速度計，包括向所述固定的第一、第二、第三和第四指狀元件陣列以反相位提供矩形波驅(qū)動電壓的裝置，該裝置包括矩形波發(fā)生器；同相位單元，用于從所述矩形波發(fā)生器接收輸出信號并向所述第三指狀元件陣列提供同相位信號；反相位單元，用于從所述矩形波發(fā)生器接收輸出信號并向所述第四指狀元件陣列提供反相位信號；解調(diào)器，用于從所述矩形波發(fā)生器接收頻率信號；用于向所述檢測質(zhì)量提供直流偏壓的器件；電容器，用于從所述檢測質(zhì)量接收輸出信號；積分器，用于從所述電容器接收輸出信號；交流放大單元，用于從所述積分器接收輸出信號；帶通濾波器，用于從所述交流放大單元接收輸出信號并且用于將輸出信號轉(zhuǎn)送到所述解調(diào)器；環(huán)路濾波器，用于從所述解調(diào)器接收輸出信號；直流放大單元，用于從所述環(huán)路濾波器接收輸出信號；正放大單元，用于從所述直流放大單元接收輸出信號并將正輸出信號轉(zhuǎn)送到所述第二指狀元件陣列，以及一個負(fù)放大單元，用于從所述直流放大單元接收輸出信號并把負(fù)輸出信號轉(zhuǎn)送到所述第一指狀元件陣列。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的加速度計，包括向所述固定的第一、第二、第三和第四指狀元件陣列提供矩形波驅(qū)動電壓的裝置，該裝置包括矩形波發(fā)生器；同相位單元，用于從所述矩形波發(fā)生器接收輸出信號并向所述第三和第一指狀元件陣列提供同相位信號；反相位單元，用于從所述矩形波發(fā)生器接收輸出信號并向所述第四和第二指狀元件陣列提供反相位信號；積分器，用于從所述檢測質(zhì)量接收輸出電流，并將該電流轉(zhuǎn)換成輸出電壓；帶通濾波器，用于接收所述輸出電壓；解調(diào)器，從所述帶通濾波器接收輸出信號并將其轉(zhuǎn)換成直流輸出信號；以及低通濾波器，用于接收所述直流輸出信號并用于由此提供一個開環(huán)輸出信號。
權(quán)利要求
1.一種加速度計，包括基本上為平面片狀的檢測質(zhì)量，四個或更多個柔性安裝腿，其中的每個安裝腿都與所述檢測質(zhì)量共平面，基本上平面的環(huán)狀支撐件，所述檢測質(zhì)量可移動地安裝于其中，所述支撐件相對于該檢測質(zhì)量固定地安裝并與之共平面，對于每一個安裝腿，在其一端連接到所述檢測質(zhì)量上，在其另一端連接到所述支撐件上，以便將所述檢測質(zhì)量安裝成在一個包括所述檢測質(zhì)量、所述安裝腿和所述支撐件的平面內(nèi)，響應(yīng)于施加到該加速度計上的加速度的變化，沿著一個感測方向進(jìn)行線性運(yùn)動，并且，所述安裝腿基本上垂直于所述感測方向延伸，多個交叉電容器指狀元件，在氣態(tài)介質(zhì)中安裝在所述環(huán)狀支撐件上，用于感測所述檢測質(zhì)量沿著感測方向的線性運(yùn)動，并且為所述檢測質(zhì)量沿著感測方向提供氣態(tài)介質(zhì)的擠壓阻尼，所述指狀元件、檢測質(zhì)量、安裝腿和支撐件是共平面的，并由一個單一的單晶硅片形成，所述指狀元件包括橫向間隔開的第一、第二、第三和第四指狀元件陣列，所述指狀元件陣列基本上垂直于所述感測方向并離開所述支撐件向著所述檢測質(zhì)量延伸，其中，所述第一和第二陣列位于所述檢測質(zhì)量的一側(cè)，所述第三和第四陣列位于所述檢測質(zhì)量的相對側(cè)，并且，可動的第五、第六、第七和第八橫向間隔開的指狀元件陣列基本上垂直于所述感測方向從所述檢測質(zhì)量向所述支撐件延伸，并固定到所述檢測質(zhì)量上，所述第五和第六陣列位于檢測質(zhì)量的所述一側(cè)并分別與所述第一和第二陣列交叉，所述第七和第八陣列位于所述檢測質(zhì)量的所述相對側(cè)并分別與所述第三和第四陣列交叉，所述第一與第五陣列以及所述第三與第七陣列的交錯結(jié)合位于沿著所述感測方向的一個方向從所述第一、第二、第三和第四陣列中的相鄰的指狀元件之間的中線起的第一偏置距處，所述第二與第六陣列以及所述第四與第八陣列的交錯結(jié)合位于和所述第一偏置距大小相等方向相反的第二偏置距處，以及向指狀元件的所述第一偏置陣列提供第一驅(qū)動電壓、向指狀元件的所述第二偏置陣列提供大小相等方向相反的第二驅(qū)動電壓的裝置，使得所述交叉指狀元件提供所述檢測質(zhì)量響應(yīng)于施加到加速度計上的如速度的感測位移，驅(qū)動并衰減位移。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加速度計，其特征在于，借助干法蝕刻由一個硅片形成所述檢測質(zhì)量、安裝腿、支撐件和交叉指狀元件，所述硅片沿著晶面[111]或[100]取向。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的加速度計，其特征在于，所述支撐件具有圍繞一個內(nèi)部開口區(qū)域的矩形環(huán)狀的形狀，具有基本上矩形形狀的所述檢測質(zhì)量位于該開口區(qū)域內(nèi)，并且其中，所述安裝腿基本上垂直于所述感測方向在間隔開的陣列中延伸，在限定出所述內(nèi)部開口區(qū)域的所述支撐件的第一內(nèi)壁和所述檢測質(zhì)量的面對的第一外壁之間至少有兩個，在限定出所述內(nèi)部開口區(qū)域的所述支撐件的相對的第二內(nèi)壁與所述檢測質(zhì)量的面對的第二外壁之間至少有兩個。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的加速度計，其特征在于，所述安裝腿在所述感測方向具有高的順從性，在其它方向具有低的順從性。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的加速度計，包括一個非導(dǎo)電性材料的支撐片，所述支撐件、第一、第二、第三及第四指狀元件陣列固定地安裝在該支撐片上，而所述安裝腿、檢測質(zhì)量和第五、第六、第七和第八指狀元件陣列與該支撐片間隔開。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的加速度計，其特征在于，所述支撐片用玻璃制成，所述支撐件和第一、第二、第三和第四指狀元件陣列通過陽極結(jié)合固定地安裝在該支撐片上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的加速度計，當(dāng)附加到權(quán)利要求2中時，至少包括位于所述內(nèi)部開口區(qū)域內(nèi)的四個接地屏蔽網(wǎng)，其中的每一個屏蔽網(wǎng)與第一、第二、第三和第四指狀元件陣列中相應(yīng)的一個相聯(lián)系并部分地將其包圍，可操作地將所述指狀元件陣列從所述支撐件屏蔽開，并且與所述支撐件電絕緣。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的加速度計，其特征在于，所述接地屏蔽網(wǎng)通過陽極結(jié)合固定地安裝在所述玻璃支撐片上。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的加速度計，包括向所述固定的第一、第二、第三和第四指狀元件陣列以反相位提供矩形波驅(qū)動電壓的裝置，該裝置包括矩形波發(fā)生器；同相位單元，用于從所述矩形波發(fā)生器接收輸出信號并向所述第三指狀元件陣列提供同相位信號；反相位單元，用于從所述矩形波發(fā)生器接收輸出信號并向所述第四指狀元件陣列提供反相位信號；解調(diào)器，用于從所述矩形波發(fā)生器接收頻率信號；用于向所述檢測質(zhì)量提供直流偏壓的器件；電容器，用于從所述檢測質(zhì)量接收輸出信號；積分器，用于從所述電容器接收輸出信號；交流放大單元，用于從所述積分器接收輸出信號；帶通濾波器，用于從所述交流放大單元接收輸出信號并且用于將輸出信號轉(zhuǎn)送到所述解調(diào)器；環(huán)路濾波器，用于從所述解調(diào)器接收輸出信號；直流放大單元，用于從所述環(huán)路濾波器接收輸出信號；正放大單元，用于從所述直流放大單元接收輸出信號并將正輸出信號轉(zhuǎn)送到所述第二指狀元件陣列，以及一個負(fù)放大單元，用于從所述直流放大單元接收輸出信號并把負(fù)輸出信號轉(zhuǎn)送到所述第一指狀元件陣列。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的加速度計，包括向所述固定的第一、第二、第三和第四指狀元件陣列提供矩形波驅(qū)動電壓的裝置，該裝置包括矩形波發(fā)生器；同相位單元，用于從所述矩形波發(fā)生器接收輸出信號并向所述第三和第一指狀元件陣列提供同相位信號；反相位單元，用于從所述矩形波發(fā)生器接收輸出信號并向所述第四和第二指狀元件陣列提供反相位信號；積分器，用于從所述檢測質(zhì)量接收輸出電流，并將該電流轉(zhuǎn)換成輸出電壓；帶通濾波器，用于接收所述輸出電壓；解調(diào)器，從所述帶通濾波器接收輸出信號并將其轉(zhuǎn)換成直流輸出信號；以及低通濾波器，用于接收所述直流輸出信號并用于由此提供一個開環(huán)輸出信號。
11.一種加速度計，基本上如上面所述，并且如被附圖的圖7或圖8所改型或者未改型的圖1至6中所示。
全文摘要
一種加速度計，具有一個片狀檢測質(zhì)量(1)；柔性安裝腿(2)，所述柔性安裝腿(2)的每一個都與所述檢測質(zhì)量(1)共平面；一個環(huán)狀支撐件(3)，所述檢測質(zhì)量(1)可移動地安裝于其中，每一個安裝腿(2)在其一端連結(jié)到所述檢測質(zhì)量(1)上，在其另一端連結(jié)到所述支撐件(3)上，并且所述安裝腿(2)基本上垂直于感測方向延伸；多個交叉的電容器指狀元件，在一個氣態(tài)介質(zhì)中安裝在所述環(huán)狀安裝件(3)上，以便感測所述檢測質(zhì)量(1)沿著感測方向的線性運(yùn)動，并為所述檢測質(zhì)量(1)提供一個沿著感測方向的氣態(tài)介質(zhì)擠壓阻尼；所述指狀元件、檢測質(zhì)量(1)、安裝腿(2)和支撐件(3)共平面，并用一個單一的單晶硅制成；所述指狀元件包括橫向間隔配置的指狀元件的固定第一、第二、第三和第四陣列(5、6、7、8)，所述指狀元件陣列基本上垂直于所述共存方向延伸，并遠(yuǎn)離所述支撐件(3)靠近所述檢測質(zhì)量(1)，以及，橫向間隔配置的指狀元件的可動的第五、第六、第七和第八陣列，所述陣列基本上垂直于感測方向從所述檢測質(zhì)量(1)向所述支撐件(3)延伸，并固定到所述檢測質(zhì)量(1)上，第一與第五陣列(5、10)以及第三與第七陣列(7、12)的交錯結(jié)合，以沿著感測方向的一個方向從第一、第二、第三和第四陣列(5、6、7、8)中的相鄰的指狀元件之間的中線開始的第一偏置距進(jìn)行，第二與第六陣列(6、11)以及第四與第八陣列(8、13)的交錯結(jié)合，和第一偏置距大小相等方向相反的第二偏置距進(jìn)行，以及向指狀元件的所述第一偏置陣列(5、10、7、12)提供第一驅(qū)動電壓、向指狀元件的所述第二偏置陣列(6、11、8、13)提供大小相等方向相反的第二驅(qū)動電壓的裝置，使得所述交叉指狀元件為所述檢測質(zhì)量響應(yīng)施加到加速度計上的加速度而感測位移提供保證，驅(qū)動并衰減位移。
文檔編號G01P15/125GK1753832SQ200480005205
公開日2006年3月29日 申請日期2004年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月28日
發(fā)明者A·R·馬爾文, M·A·維納布爾斯, N·F·德羅伊 申請人:Bae系統(tǒng)公共有限公司