專利名稱：具有自由落體自測(cè)能力的傳感器及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及微型機(jī)電傳感器(MEMS)。具體地，本發(fā)明涉 及一種具有自由落體自測(cè)能力的傳感器。
背景技術(shù)：
加速計(jì)是一種傳感器， 一般被用于測(cè)量加速力。這些力可以是靜 態(tài)的，例如恒定的重力，或者它們也可以是動(dòng)態(tài)的，這是通過(guò)移動(dòng)或 震動(dòng)該加速計(jì)而導(dǎo)致的。加速計(jì)可以檢測(cè)沿著一個(gè)，兩個(gè)或者三個(gè)軸 或方向的加速度或其他現(xiàn)象。從這些信息中就能夠確認(rèn)其中安裝有該 加速計(jì)的裝置的移動(dòng)或方位。
加速計(jì)被用于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，交通工具的安全氣囊展開(kāi)系統(tǒng)，以 及許多其他的科學(xué)和工程系統(tǒng)中。微型機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的一種增 長(zhǎng)的使用就是用于各種裝置的保護(hù)系統(tǒng)中。這些保護(hù)系統(tǒng)理論上的功 能就是保護(hù)裝置防止受到震動(dòng)和振動(dòng)。典型的裝置包括可攜式攝像 機(jī)，膝上及筆記本計(jì)算機(jī)，個(gè)人數(shù)字助理(PDA)，蜂窩電話，數(shù)字 音頻播放器，以及其他這樣的裝置，其中該裝置可以包括內(nèi)置硬盤(pán)驅(qū) 動(dòng)器和/或類似部件。自由落體是裝置受到重力的加速而落下的運(yùn)動(dòng)。 因此，當(dāng)裝置墜落時(shí)就會(huì)出現(xiàn)自由落體的情況，并且當(dāng)該裝置最終撞 擊到一表面時(shí)就會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞。保護(hù)系統(tǒng)用于保護(hù)裝置防止其墜落時(shí)受 到的損壞，該保護(hù)系統(tǒng)可以包括MEMS加速計(jì)，其中該加速計(jì)用于 檢測(cè)自由落體的情況。 一旦檢測(cè)到自由落體，該保護(hù)系統(tǒng)就可以致使 自動(dòng)切斷該裝置的電源，并且可以使內(nèi)置硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的寫(xiě)磁頭脫離， 以便于當(dāng)該裝置撞擊到表面上時(shí)可以避免磁頭碰撞。
在一些情況下，其產(chǎn)品包括硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器或其他這樣的裝置部件的 制造商可以對(duì)他們的產(chǎn)品進(jìn)行墜落測(cè)試。該墜落測(cè)試可以使完成的產(chǎn)品墜落至一表面上，以檢查自由落體保護(hù)特征的功能性。這種測(cè)試的 目的就是確認(rèn)對(duì)自由落體的檢測(cè)，以及驗(yàn)證在檢測(cè)到自由落體時(shí)該硬
盤(pán)驅(qū)動(dòng)器頭和/或其他裝置部件被安置好(park)或在其他情況下脫離 出來(lái)。不幸的是，很難進(jìn)行受控的墜落測(cè)試。也就是說(shuō)，當(dāng)產(chǎn)品從不 同高度墜落，落到不同表面上，以及產(chǎn)品只是簡(jiǎn)單墜落或被擲出落下 時(shí)，都會(huì)導(dǎo)致不同的結(jié)果。此外，該墜落測(cè)試可能對(duì)完成的產(chǎn)品的外 殼留下傷痕或者刮傷、使其凹陷、或以其他方式損傷完成的產(chǎn)品的外 殼。另外，該墜落測(cè)試還會(huì)結(jié)束或縮短該成品內(nèi)其他部件的使用壽命。 因此，為了確認(rèn)自由落體保護(hù)特性的功能性而進(jìn)行墜落測(cè)試是很難控 制的，與時(shí)間密切相關(guān)的，并且考慮到產(chǎn)品的損壞，成本是很高的。


通過(guò)聯(lián)系附圖參照詳細(xì)說(shuō)明和權(quán)利要求可以對(duì)本發(fā)明有更深刻 的理解，其中整個(gè)附圖中類似的參考數(shù)字是指類似的項(xiàng)，以及
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的包括自測(cè)致動(dòng)器的傳感器 的頂4見(jiàn)圖2示出了圖1中傳感器的側(cè)視圖3示出了具有自由落體保護(hù)特征的裝置的方框圖，其中該裝置 利用了圖1中的傳感器；
圖4示出了自由落體自測(cè)過(guò)程的流程圖，其中進(jìn)行該過(guò)程以驗(yàn)證 圖3中裝置的自由落體保護(hù)特性；
圖5示出了圖1中傳感器的方框圖，其中該傳感器根據(jù)自由落體 自測(cè)過(guò)程而被放置在倒置位置上；
圖6示出了圖1中傳感器的方框圖，其中將自測(cè)信號(hào)應(yīng)用于該傳
感器；
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明替換實(shí)施例的包括自測(cè)致動(dòng)器的傳感器 的頂;現(xiàn)圖8示出了圖7中傳感器的方框圖，其中該傳感器根據(jù)自由落體 自測(cè)過(guò)程而被放置在倒置位置上；以及圖9示出了圖7中傳感器的方框圖，其中^4居自由落體自測(cè)過(guò)程 而將自測(cè)信號(hào)應(yīng)用于該傳感器。
詳細(xì)說(shuō)明
在一實(shí)施例中，傳感器可以是例如加速計(jì)或其他傳感裝置，所述 傳感器包括自測(cè)能力，用于驗(yàn)證其中安裝有該傳感器的裝置的自由落 體保護(hù)特性。可以很容易地以及成本有效地將該自由落體自測(cè)能力并 入到現(xiàn)存的以及未來(lái)的微型機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)傳感器設(shè)計(jì)中。
參看圖1-2,圖l示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的包括自測(cè)致動(dòng) 器22的傳感器20的頂視圖，并且圖2示出了傳感器20的側(cè)^L圖。 傳感器20是被形成為MEMS芯片的電容性加速計(jì)。電容性加速計(jì)來(lái) 檢測(cè)電容的與加速度相關(guān)的變化，以改變賦能電路的輸出。傳感器20 包括可移動(dòng)元件24，其具有中心質(zhì)量塊26，其中該中心質(zhì)量塊26被 X檢測(cè)指30和Y檢測(cè)指32支撐在框架28上。通過(guò)一系列的彈簧36 將框架28依次連附至多個(gè)支撐34,其中該彈簧36優(yōu)選地順著三個(gè)相 互垂直的方向。支撐34被安裝在管芯或者其他村底38上。
每個(gè)X檢測(cè)指30都被兩個(gè)固定的指40和42包圍。類似地，每 個(gè)Y檢測(cè)指32都被兩個(gè)固定的指44和46包圍。當(dāng)傳感器20沿著X 軸經(jīng)歷加速時(shí)，X檢測(cè)指30與相鄰固定指40和42之間的距離就會(huì) 變化，這樣就會(huì)改變這些指之間的電容。檢測(cè)電路(未示出)記錄該 電容變化并將其轉(zhuǎn)換為表示沿著X軸的加速度的輸出信號(hào)。通過(guò)記錄 Y檢測(cè)指32與相應(yīng)固定指44和46之間的電容變化，從而按照類似 的方式來(lái)檢測(cè)沿著Y軸的加速度。
已知作為檢測(cè)質(zhì)量塊的可移動(dòng)元件24具有第一和第二相對(duì)側(cè)面
48和50，它們具有不同的質(zhì)量，因此導(dǎo)致了不平衡的檢測(cè)檢測(cè)質(zhì)量 塊。根據(jù)該實(shí)施例，相對(duì)側(cè)面48和50的厚度和寬度基本相等，但長(zhǎng) 度不相同。也就是說(shuō)，第一側(cè)面48的第一長(zhǎng)度52大于第二側(cè)面50 的第二長(zhǎng)度54。因此，第一側(cè)面48具有比第二側(cè)面50更大的質(zhì)量， 這樣就導(dǎo)致可移動(dòng)元件24響應(yīng)于沿著Z軸的加速度而繞著Y軸旋轉(zhuǎn)/傾斜。通過(guò)以第一電容板56和第二電容板58的形式的檢測(cè)元件來(lái)檢 測(cè)可移動(dòng)元件24沿著Z軸的移動(dòng)，其中上述電容板56和58位于可 移動(dòng)元件24之下的襯底38上。第一和第二電容板56和58分別形成 了兩個(gè)按照差分模式工作的電容器，并且當(dāng)傳感器20在Z軸上經(jīng)受 加速時(shí)其操作改變振蕩器產(chǎn)生的峰值電壓。檢測(cè)電路(未示出)捕獲 該峰值電壓，接著將該峰值電壓處理為最終的輸出信號(hào)。在受到固定 或恒定加速時(shí)，該電容值也是恒定的，這就導(dǎo)致了與靜態(tài)加速度成比 例的測(cè)量信號(hào)，也被稱為DC或均勻加速。
在傳感器20中，X檢測(cè)指30， Y檢測(cè)指32，固定指40， 42， 44， 46，以及彈簧36^皮均勻間隔，并且分別位于中心質(zhì)量塊26的相 對(duì)的第一和第二側(cè)面48和50上，這樣就使得這些元件排列成兩條鏡 像對(duì)稱線，即對(duì)應(yīng)于X軸的第一對(duì)稱線60，以及對(duì)應(yīng)于Y軸的第二 對(duì)稱線62。這種對(duì)稱能夠有效地消除交叉軸的敏感度，因此在沿著X 和Y軸檢測(cè)加速度時(shí)，傳感器20只需要檢測(cè)沿著這些軸的每一個(gè)上 出現(xiàn)的加速度分量。但是，作為選擇，也可以采用不具有這種對(duì)稱結(jié) 構(gòu)的各種其他結(jié)構(gòu)的可移動(dòng)元件24。
第一和第二電容板56和58 —般都相對(duì)于第二對(duì)稱線62 >^皮均勻 間隔，并且分別被放置在相對(duì)的第一和第二側(cè)面48和50上。第一和 第二電容板56和58中的每一個(gè)都可以從第二對(duì)稱線62沿著相反方 向偏移第一距離64。由于第一側(cè)面48的第一長(zhǎng)度52大于第二側(cè)面 50的第二長(zhǎng)度54，因此就會(huì)形成可移動(dòng)元件24的未使用或防護(hù)區(qū)域 66。自測(cè)致動(dòng)器22從第二對(duì)稱線62偏離了第二距離68，其中該第二 距離68大于第一距離64。這樣，自測(cè)致動(dòng)器22就被位于可移動(dòng)元件 24的通常未被使用的防護(hù)區(qū)66之下的襯底38支撐。
在一個(gè)實(shí)施例中，可以根據(jù)傳統(tǒng)的MEMS工藝技術(shù)來(lái)制造傳感 器20，例如使用多種不同材料進(jìn)行表面微機(jī)械加工。表面微機(jī)械加工 基于對(duì)不同的結(jié)構(gòu)層進(jìn)行沉積，圖案化，以及蝕刻。因?yàn)楸砻嫖C(jī)械 加工基于在制造中結(jié)合了控制和靈活性的薄膜工藝，因此它能夠制造 出高質(zhì)量的MEMS裝置。舉例說(shuō)明，可以在襯底38的表面上沉積導(dǎo)電材料層。接著可以對(duì)該導(dǎo)電材料進(jìn)行掩模，圖案化以及蝕刻，以分
別定義出第一和第二電容板56和58以及自測(cè)致動(dòng)器22。接下來(lái)的操 作包括沉積犧牲層，形成接觸開(kāi)口，沉積第二導(dǎo)電材料，按照傳統(tǒng)技 術(shù)進(jìn)行掩模，圖案化，蝕刻等，以生成具有內(nèi)置自測(cè)能力——即自測(cè) 致動(dòng)器——的傳感器20，用于檢測(cè)自由落體。
圖3示出了具有自由落體保護(hù)特性的裝置70的方框圖，其中該 裝置70利用了傳感器20。裝置70可以為多個(gè)裝置中任意數(shù)量的具有 內(nèi)部硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器72和/或其他部件的裝置，其中這些內(nèi)部硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器 72和/或其他部件理論上應(yīng)該在裝置70墜落并且先于裝置70撞擊例 如地面的表面時(shí)被置于"安全模式"。這種裝置包括可攜式攝像機(jī)，膝 上或筆記本計(jì)算機(jī)，個(gè)人數(shù)字助理(PDA),蜂窩電話，數(shù)字音頻播 放器等等。裝置70包括加速計(jì)包74，其中傳感器20插入到該加速計(jì) 包74中。加速計(jì)包74與處理器76進(jìn)行通信，并且處理器76通過(guò)常 規(guī)的總線結(jié)構(gòu)與例如硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器72進(jìn)行通信。本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù) 人員可以認(rèn)識(shí)到，裝置70可以包括為了筒略起見(jiàn)在這里沒(méi)有描述的 許多其他部件。
一般地，處理器76監(jiān)視來(lái)自加速計(jì)包74的信號(hào)。這些信號(hào)包括 來(lái)自X, Y,和Z軸的加速度。根據(jù)自由落體保護(hù)特性，處理器76 接收沿著對(duì)應(yīng)于自由落體條件(即，在全部三個(gè)軸上檢測(cè)到的加速度 都近似為OG)的所有X， Y，和Z軸的加速度信號(hào)，處理器76將向 硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器72發(fā)出信號(hào)，以安置好或者否則使該驅(qū)動(dòng)器頭脫離出來(lái)， 以便于將對(duì)于該硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器72的損害最小化。
加速計(jì)包74的傳感器20檢測(cè)X軸加速度(Ax) 78， Y軸加速 度(AY) 80,以及Z軸加速度(Az) 82?？梢詮谋绢I(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人 員已知的電容信號(hào)對(duì)(即，XI: X2， Yl: Y2，以及Z1: Z2)產(chǎn)生X 軸加速度78, Y軸加速度80,以及Z軸加速度82。加速計(jì)包74還包 括與傳感器20進(jìn)行通信的輸入輸出(I/O)電路芯片84。 1/0電路芯 片84可以為互補(bǔ)-對(duì)稱/金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)，其具有數(shù)字 信號(hào)處理器等，用于處理和輸出X軸加速度78， Y軸加速度80,以及Z軸加速度82。 一般地，正如本領(lǐng)域內(nèi)的4支術(shù)人員所知，來(lái)自MEMS 傳感器20的電容信號(hào)在被輸出給處理器76之前被傳送給電路芯片 84，用以進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚怼?br> 加速計(jì)包74還包括與處理器76進(jìn)行通信的自測(cè)輸入端口 86， 用于應(yīng)用數(shù)字自測(cè)輸入信號(hào)87。數(shù)字自測(cè)輸入信號(hào)87向I/O電路芯 片84發(fā)出信號(hào)，以使能自測(cè)操作模式。在自測(cè)操作模式下，1/0電路 芯片84將自測(cè)信號(hào)88應(yīng)用于自測(cè)致動(dòng)器22 (圖2 )。自測(cè)信號(hào)88 是一個(gè)電壓，該電壓能夠產(chǎn)生靜電力并模擬加速。處理器76另外還 可以與裝置70外部的自測(cè)端口 90進(jìn)行通信。外部自測(cè)輸入信號(hào)91 可以被傳送給處理器76，以使能自測(cè)模式。處理器76上的處理器軟 件或硬件接著生成數(shù)字自測(cè)輸入信號(hào)87，其被傳送給該輸入端口 86。 自測(cè)端口卯使得測(cè)試操作者能夠很容易地通過(guò)應(yīng)用外部自測(cè)信號(hào)91 來(lái)確定已完成產(chǎn)品即裝置70的自由落體保護(hù)特性的功能性，其中該 自測(cè)信號(hào)91將使得處理器76以及IO電路84來(lái)激勵(lì)(excite )該自 測(cè)致動(dòng)器22。但是，自測(cè)端口 90的存在并不是對(duì)本發(fā)明的限制。作 為選擇，測(cè)試操作者可以打開(kāi)裝置70來(lái)訪問(wèn)位于加速計(jì)包74處的自 測(cè)輸入端口 86。
自測(cè)信號(hào)91理想地是高邏輯信號(hào)。自測(cè)信號(hào)91的應(yīng)用使得處理 器76和I/O電路芯片84通過(guò)自測(cè)信號(hào)88來(lái)激勵(lì)自測(cè)致動(dòng)器22。如 下所述的，激勵(lì)該自測(cè)致動(dòng)器22可以導(dǎo)致可移動(dòng)元件24 (圖l)在 執(zhí)行自由落體自測(cè)過(guò)程期間被靜電力從第 一位置移動(dòng)至第二位置。第 一和第二電容板56和58 (圖1)分別檢測(cè)該移動(dòng)，以確定Z軸加速 度82。在制造加速計(jì)74期間，能夠?qū)ψ詼y(cè)效果的幅值即自測(cè)信號(hào)88 進(jìn)行校準(zhǔn)。舉例來(lái)說(shuō)，可以將自測(cè)效果的幅值調(diào)整至1G。由于在制 造包以及MEMS芯片20時(shí)會(huì)出現(xiàn)各種變化，因此這種校準(zhǔn)是期望的。 該校準(zhǔn)是由I/O電路芯片84通過(guò)使用可編程存儲(chǔ)器等進(jìn)行的，其中 該芯片包括可調(diào)電路參數(shù)，其以自測(cè)校準(zhǔn)電路93為代表。這樣，當(dāng) 加速計(jì)74被安裝在系統(tǒng)70中時(shí)，該自測(cè)幅值就是初步已知的了。
圖4示出了自由落體自測(cè)過(guò)程92的流程圖，其中通過(guò)執(zhí)行該過(guò)程92來(lái)驗(yàn)證裝置70 (圖3)的自由落體保護(hù)特性。特別地，當(dāng)裝置 70被放置在標(biāo)稱的(nominally)豎直位置時(shí)，在Z軸，即最容易受 到重力加速度的軸上執(zhí)行該過(guò)程92。通過(guò)執(zhí)行該過(guò)程92來(lái)診斷裝置 70的自由落體檢測(cè)以及保護(hù)特征，而不需要對(duì)裝置70進(jìn)行墜落測(cè)試。
自測(cè)過(guò)程92從任務(wù)94開(kāi)始。在任務(wù)94，具有已安裝加速計(jì)包 74 (圖3)的裝置70被放置相對(duì)于傳感器20的標(biāo)稱的豎直位置的倒 置位置上。在該位置上，傳感器20的方位使得產(chǎn)生了一個(gè)負(fù)重力場(chǎng)。
參看與任務(wù)94相關(guān)的圖5，圖5示出了被置于倒置位置上的傳 感器20的方框圖。裝置70的其余部分雖然沒(méi)有被顯示出來(lái)，但是在 對(duì)裝置70的最終產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試時(shí)其也被倒置。當(dāng)傳感器20被保持在 固定的倒置位置上時(shí)，可移動(dòng)元件24繞著Y軸旋轉(zhuǎn)/傾斜以移動(dòng)至第 一位置96。由于傳感器20是固定的，因此當(dāng)傳感器被倒置放置時(shí)， X軸加速度78為約0G并且Y軸加速度80為約0G。但是，傳感器 20的Z軸受到了重力，并且由于可移動(dòng)元件24的移動(dòng)而檢測(cè)Z軸加 速度82為約-lG。這樣，第一位置96就對(duì)應(yīng)于負(fù)重力位置。
回來(lái)參看圖4，自測(cè)過(guò)程92進(jìn)行至跟隨在定位任務(wù)94之后的任 務(wù)98。在任務(wù)98,通過(guò)自測(cè)端口 90 (圖3 )將自測(cè)信號(hào)(VLH ) 88 (圖 3)應(yīng)用于自測(cè)輸入86 (圖3)。
參看與任務(wù)98相關(guān)的圖6，圖6示出了傳感器20的方框圖，其 中自測(cè)信號(hào)88被應(yīng)用于該傳感器20。如前面所提到的，自測(cè)信號(hào)88 為高邏輯信號(hào)。在自測(cè)校準(zhǔn)電路92 (圖3 )處進(jìn)行調(diào)整之后，將自測(cè) 信號(hào)88應(yīng)用于自測(cè)致動(dòng)器22就會(huì)在可移動(dòng)元件24與自測(cè)致動(dòng)器22 之間產(chǎn)生靜電力100。靜電力100的幅值通常對(duì)應(yīng)于由于重力而產(chǎn)生 的加速度，即1G。這樣，靜電力100就會(huì)使得可移動(dòng)元件24繞著Y 軸旋轉(zhuǎn)/傾斜，從而移動(dòng)至第二位置102。再一次，由于傳感器20是 固定的，X軸加速度78和Y軸加速度80保持為約0G。但是，當(dāng)受 到了靜電力100時(shí)，Z軸加速度82就從前面的-1G變?yōu)榧s0G。這樣， 第二位置102就對(duì)應(yīng)于中性重力位置。該中性重力位置模擬了自由落 體的情形，其中加速計(jì)信號(hào)(在所有三個(gè)軸上都為0G)與裝置70墜落時(shí)將會(huì)出現(xiàn)的信號(hào)相同。
回來(lái)參看圖4,自測(cè)過(guò)程92進(jìn)行至跟隨在任務(wù)98之后的任務(wù) 104。在任務(wù)104，將傳感器信號(hào)，即X軸加速度(Ax) 78， Y軸加 速度(AY) 80，以及Z軸加速度(Az) 82 (它們都為0G)從加速計(jì) 包74 (圖3)輸出給裝置70 (圖3)的處理器76 (圖3)。處理器76 隨后檢測(cè)X軸加速度(Ax) 78， Y軸加速度(AY ) 80，以及Z軸加 速度(Az) 82。
響應(yīng)于任務(wù)104執(zhí)行查詢?nèi)蝿?wù)106。在查詢?nèi)蝿?wù)106，響應(yīng)于在 處理器76檢測(cè)到的X軸加速度(Ax) 78， Y軸加速度(Ay)80，以 及Z軸加速度(Az) 82來(lái)確定是否使能了裝置70的自由落體保護(hù)特 性。例如通過(guò)當(dāng)X軸加速度(Ax) 78, Y釉加速度(Ay)80，以及Z 軸加速度(Az) 82都為OG時(shí)，可以驗(yàn)證硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器72 (圖3)的磁 頭被安置好或其他情況下被脫離出來(lái)從而確認(rèn)該自由落體保護(hù)特性 的使能。
當(dāng)查詢?nèi)蝿?wù)確認(rèn)使能了裝置70的自由落體保護(hù)特性時(shí)，過(guò)程92 進(jìn)行至任務(wù)108。在任務(wù)108，可以任意由測(cè)試操作者手動(dòng)地或者由 裝置70自動(dòng)地生成表示該裝置70已經(jīng)通過(guò)了其自測(cè)的報(bào)告。在任務(wù) 108之后，自由落體自測(cè)過(guò)程92結(jié)束。
相反，當(dāng)查詢?nèi)蝿?wù)106確定裝置70的自由落體保護(hù)特性在出現(xiàn) 模擬自由落體的情況下沒(méi)有被使能時(shí)，過(guò)程92進(jìn)行至任務(wù)110。在任 務(wù)110，可以任意地手動(dòng)或自動(dòng)地生成表示裝置70未通過(guò)其自測(cè)的報(bào) 告。在任務(wù)110之后，自由落體自測(cè)過(guò)程92結(jié)束。這樣，過(guò)程92就 提供了一種用于對(duì)裝置70的保護(hù)特性進(jìn)行測(cè)試的方法，而不會(huì)使該 裝置70受到潛在的損傷以及墜落測(cè)試的高成本影響。
上面參照三軸電容性加速計(jì)的不平衡檢測(cè)質(zhì)量塊(可移動(dòng)元件 24)描述了自由落體自測(cè)設(shè)備以及方法，其中在該加速計(jì)中，自測(cè)致 動(dòng)器22位于可移動(dòng)元件24的未被使用防護(hù)區(qū)66(圖l)之下。但是， 作為選擇，本發(fā)明可以以如下裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，即具有多種X和Y傳感 元件排列的單軸或雙軸加速計(jì)的裝置，和/或以包括多個(gè)檢測(cè)質(zhì)量塊的裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。另外，在一替換實(shí)施例中，在沿著z軸的加速度檢測(cè)采 用對(duì)稱排列，即，平衡的檢測(cè)質(zhì)量塊時(shí)，也可以實(shí)現(xiàn)自由落體自測(cè)設(shè) 備以及方法。
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明替換實(shí)施例的包括自測(cè)致動(dòng)器114的傳感 器112的頂視圖。特別地，傳感器112顯示出了對(duì)稱排列，其中可移 動(dòng)元件116分別具有第一和第二相對(duì)側(cè)面118和120，它們大致具有 相同的質(zhì)量。根據(jù)該實(shí)施例，相對(duì)側(cè)面118和120在厚度，寬度，以 及長(zhǎng)度上基本上相等，這樣就導(dǎo)致了平衡檢測(cè)質(zhì)量塊。
此外，在傳感器112中，X檢測(cè)指30, Y檢測(cè)指32，固定指40， 42， 44， 46,以及彈簧36^皮均勻間隔，并且分別位于可移動(dòng)元件116 的中心質(zhì)量塊122的相對(duì)的第一和第二側(cè)面118和120上，這樣就使 得這些元件具有兩條鏡像對(duì)稱的線，即對(duì)應(yīng)于X軸的第 一鏡像對(duì)稱線 124，以及對(duì)應(yīng)于Y軸的第二對(duì)稱線126。
由于可移動(dòng)元件116是平衡的，因此可移動(dòng)元件116 —般是響應(yīng) 于沿著Z軸加速度與Z軸平行地移動(dòng)，而不是如傳感器20(圖1)中 那樣繞著Y軸旋轉(zhuǎn)/傾斜。因此，具有電容板128形式的傳感元件可 以位于可移動(dòng)元件116之下的中心位置130處，其中該中心位置130 是由分別第一和第二對(duì)稱線124和126的交叉線定義的。電容板128 檢測(cè)到了可移動(dòng)元件116沿著Z軸的移動(dòng)。檢測(cè)電路(未示出)可以 記錄電容板128與位于遠(yuǎn)離可移動(dòng)元件116 (例如，位于傳感器112 的剛板上)的固定電容(未示出)之間的電容變化，并將其轉(zhuǎn)換為表 示沿著Z軸加速度的輸出信號(hào)。
根據(jù)該平衡的可移動(dòng)元件116以及電容板128的中心位置130, 自測(cè)致動(dòng)器114相對(duì)于第一和第二對(duì)稱線124和126對(duì)稱地位于可移 動(dòng)元件116上。在該示例性實(shí)施例中，自測(cè)致動(dòng)器114包括第一部分 132和第二部分134。自測(cè)致動(dòng)器114的第一和第二部分132和134 分別相對(duì)于中心位置134對(duì)稱地位于襯底136 (圖8-9中所示)上。 也就是說(shuō)，第一和第二部分132和134相對(duì)于第一和第二對(duì)稱線124 和126分別位于相應(yīng)的第一和第二相對(duì)側(cè)面118和120上的相同位置上。在下面的說(shuō)明中，這種對(duì)稱排列的目的將會(huì)變得更加清晰。
圖8示出了根據(jù)自由落體自測(cè)過(guò)程92 (圖4 )的任務(wù)94 (圖4 ) 而被放置在倒置位置上的傳感器112的方框圖。當(dāng)傳感器112保持在 固定的倒置位置上時(shí)，可移動(dòng)元件116沿著與Z軸平行的方向移動(dòng)至 第一位置138，其比傳感器112被保持在標(biāo)稱的豎直位置時(shí)更加遠(yuǎn)離 襯底136。由于可移動(dòng)元件116的平衡屬性，當(dāng)傳感器112位于倒置 位置時(shí)，可移動(dòng)元件116的第一和第二相對(duì)側(cè)面118和120響應(yīng)于由 于重力而產(chǎn)生的加速度而位于與襯底136距離相同的位置。由于傳感 器112是固定的，因此X軸加速度78和Y軸加速度80在第一位置 138均為約0G。但是，當(dāng)相對(duì)于固定電容(未示出)在電容板128檢 測(cè)時(shí)，Z軸加速度82由于受到了約為-lG重力。
圖9示出了傳感器112的方框圖，其中根據(jù)自由落體自測(cè)過(guò)程(圖 4)的任務(wù)98而將自測(cè)信號(hào)88 (圖3)應(yīng)用于該傳感器112。在自測(cè) 校準(zhǔn)電路92 (圖3)的調(diào)整之后，將自測(cè)信號(hào)88分別應(yīng)用于自測(cè)致 動(dòng)器114的第一和第二部分132和134就會(huì)在可移動(dòng)元件116與自測(cè) 致動(dòng)器114的第一和第二部分132和134之間產(chǎn)生靜電力140。靜電 力140的幅值基本上對(duì)應(yīng)于由于重力而產(chǎn)生的加速度，即1G。這樣， 靜電力140就會(huì)使得可移動(dòng)元件116沿著與Z軸平行的方向朝著襯底 136移動(dòng)至第二位置142。由于傳感器112是固定的，因此當(dāng)可移動(dòng) 元件116移動(dòng)至笫二位置142時(shí)，X軸加速度78和Y軸加速度80仍 保持為約0G。但是，受到了靜電力100的Z軸加速度82變?yōu)榧s0G。 這樣，第二位置102就對(duì)應(yīng)于模擬了自由落體情形的中性重力位置， 而在該情形中加速計(jì)信號(hào)(在所有三個(gè)軸上都為OG)與裝置70墜落 時(shí)出現(xiàn)的信號(hào)相同。因此，在安裝有傳感器112的裝置中就能夠確定 驗(yàn)證自由落體自測(cè)保護(hù)系統(tǒng)的使能。
這里描述的實(shí)施例包括一種裝置，該裝置包括具有自由落體自測(cè) 能力的傳感器。另一實(shí)施例包括一種用于測(cè)試裝置的自由落體保護(hù)特 性的方法，其中該裝置具有適用于檢測(cè)自由落體的傳感器。該傳感器 可以為其中包括有能夠向其施加靜電力的自測(cè)致動(dòng)器的其他感測(cè)裝置或加速計(jì)。當(dāng)傳感器被置于適當(dāng)位置并施加靜電力時(shí)，該傳感器就
會(huì)產(chǎn)生一個(gè)對(duì)應(yīng)于0G的靜電加速信號(hào)，以模擬自由落體環(huán)境。該自 由落體情形被傳送給裝置的處理元件。該處理元件能夠使能自由落體 保護(hù)系統(tǒng)以保護(hù)例如硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的某些裝置部件不受到損傷。可以很 容易地以及成本有效地將該自由落體自測(cè)能力并入到現(xiàn)存的以及未 來(lái)的微型機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)傳感器設(shè)計(jì)中。例如，在裝置的管芯面 積不會(huì)相應(yīng)的增加的情況下，自測(cè)致動(dòng)器可以并入到事先存在的不平 衡檢測(cè)質(zhì)量塊實(shí)施方案的未使用的防護(hù)區(qū)中。另外，該自由落體自測(cè) 能力消除了由制造商提前對(duì)成品進(jìn)行有損以及高成本的墜落測(cè)試的 需要。
雖然已經(jīng)詳細(xì)地描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但是對(duì)于本領(lǐng)域內(nèi) 的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)很清晰的是在不脫離本發(fā)明的精神或所附權(quán)利要求 的范疇的情況下可以進(jìn)行各種修改。例如，雖然通過(guò)賦能該自測(cè)致動(dòng) 器來(lái)產(chǎn)生靜電力，來(lái)在加速計(jì)的Z軸分量上導(dǎo)致了 0G信號(hào)，但是作 為選擇也可以使用相同或不同的力來(lái)驗(yàn)證加速計(jì)包Z軸分量的功能 和/或加速計(jì)X軸及Y軸分量的功能。
權(quán)利要求
1、一種裝置，包括傳感器，該傳感器包括可移動(dòng)元件；自測(cè)致動(dòng)器，其被設(shè)置為鄰近所述可移動(dòng)元件，用于提供靜電力以將所述可移動(dòng)元件從第一位置移動(dòng)至第二位置；以及傳感元件，其被設(shè)置為位于所述可移動(dòng)元件之下，所述傳感元件適于檢測(cè)所述可移動(dòng)部件沿著與所述傳感元件的平面垂直的軸從所述第一位置至所述第二位置的移動(dòng)。
2、 如權(quán)利要求l的裝置，其中所述靜電力的幅值對(duì)應(yīng)于由于重力 而產(chǎn)生的加速度。
3、 如權(quán)利要求l的裝置，其中所述可移動(dòng)元件的所述第一位置對(duì) 應(yīng)于負(fù)重力位置，并且所述可移動(dòng)元件的所述第二位置對(duì)應(yīng)于中性重 力位置，所述中性重力位置模擬自由落體。
4、 如權(quán)利要求l的裝置，其中所述傳感元件包括電容板，其中該 電容板適于檢測(cè)沿著所述軸的加速度。
5、 如權(quán)利要求l的裝置，其中所述軸為第一軸，并且所述可移動(dòng) 元件包括第一和第二組指，所述指適于檢測(cè)沿著相互垂直的第二和第 三軸的加速度，所述第二和第三軸與所述第一軸垂直。
6、 如權(quán)利要求l的裝置，其中所述傳感器還包括襯底，并且所述 自測(cè)致動(dòng)器被支撐在所述可移動(dòng)元件之下的所述襯底上。
7、 如權(quán)利要求l的裝置，其中所述傳感元件為第一傳感元件，并且所述傳感器還包括第二傳感元件，其被設(shè)置為位于所述可移動(dòng)元件 之下，所迷第一和第二傳感元件用于檢測(cè)所述可移動(dòng)元件的所述移 動(dòng)。
8、 如權(quán)利要求7的裝置，其中所述傳感器還包括村底，所述可移 動(dòng)元件安裝在所述襯底上，所述第一和第二傳感元件被所述可移動(dòng)元 件之下的所述村底支撐，以及以具有鏡像對(duì)稱線的布置來(lái)設(shè)置所述第 一和第二傳感元件。
9、 如權(quán)利要求8的裝置，其中所述第一傳感元件從所述對(duì)稱線偏 移第一距離，并且所述自測(cè)致動(dòng)器被所述可移動(dòng)元件之下的所述襯底 支撐，所述自測(cè)致動(dòng)器從所述對(duì)稱線偏移第二距離，所述第二距離大 于所述第一距離。
10、 如權(quán)利要求l的裝置，其中所述傳感器還包括村底，所述可 移動(dòng)元件被安裝在所述襯底上，并且所述傳感元件位于所述可移動(dòng)元 件的中心位置之下。
11、 如權(quán)利要求10的裝置，其中所述自測(cè)致動(dòng)器包括第一和第二 部分，所述第一和第二部分關(guān)于所述中心位置對(duì)稱地設(shè)置在所述襯底 上。
12、 如權(quán)利要求l的裝置，其中所述可移動(dòng)元件的所述第二位置 模擬所述裝置的自由落體，并且所述傳感器還包括輸出元件，用于提 供對(duì)應(yīng)于所述模擬自由落體的信號(hào)，所述信號(hào)被用于確定所述裝置的 保護(hù)特性的使能。
13、 一種用于測(cè)試裝置的保護(hù)特性的方法，其中該裝置具有適于 檢測(cè)自由落體的傳感器，所述傳感器包括可移動(dòng)元件，鄰近所述可移動(dòng)元件設(shè)置的自測(cè)致動(dòng)器，以及被設(shè)置為位于所述可移動(dòng)元件之下的傳感元件，所述方法包括將所述可移動(dòng)元件移動(dòng)至第一位置，所述第一位置產(chǎn)生能夠在所 述傳感元件處檢測(cè)到的負(fù)重力；將自測(cè)信號(hào)應(yīng)用于所述自測(cè)致動(dòng)器，以通過(guò)靜電力將所述可移動(dòng) 元件移動(dòng)至第二位置，所述第二位置模擬所述自由落體；以及響應(yīng)于所述模擬的自由落體來(lái)確認(rèn)所述保護(hù)特性的使能。
14、 如權(quán)利要求13的方法，其中所述移動(dòng)包括將所述裝置定位在 產(chǎn)生所述負(fù)重力的方位。
15、 如權(quán)利要求13的方法，其中所述應(yīng)用操作包括提供所述靜電 力，其中所述靜電力的幅值對(duì)應(yīng)于由于重力而產(chǎn)生的加速度。
16、 如權(quán)利要求13的方法，還包括在所述傳感元件處響應(yīng)于所述 應(yīng)用操作沿著與所述傳感元件的平面垂直的軸檢測(cè)由于重力而產(chǎn)生 的力口速度。
17、 如權(quán)利要求16的方法，所述軸為第一軸，并且所述可移動(dòng)元 件包括沿著第二軸排列的第 一組指以及沿著第三軸排列的第二組指， 所述第一，第二，以及第三軸相互垂直，并且所述方法還包括檢測(cè)沿 著所述第二和第三軸的加速度。
18、 如權(quán)利要求13的方法，還包括 從所述傳感器輸出對(duì)應(yīng)于所述第二位置的信號(hào)； 在所述裝置處檢測(cè)所述信號(hào)；以及響應(yīng)于所述信號(hào)的檢測(cè)來(lái)驗(yàn)證所述裝置的所述保護(hù)特性的所述使能。
19、 一種傳感器，包括 襯底；可移動(dòng)元件，安裝在所述襯底上；自測(cè)致動(dòng)器，其被支撐在所述可移動(dòng)元件之下的所述襯底上，用 于提供靜電力以將所述可移動(dòng)元件從第一位置移動(dòng)至第二位置，所述 靜電力的幅值對(duì)應(yīng)于由于重力而產(chǎn)生的加速度；以及傳感元件，其被所述可移動(dòng)元件之下的所述襯底支撐，所述傳感 元件適于檢測(cè)所述可移動(dòng)部件沿著與所述傳感元件的平面垂直的軸 從所述第 一位置至所述第二位置的移動(dòng)。
20、 如權(quán)利要求19的傳感器，其中所述傳感元件為第一傳感元件， 并且所述傳感器還包括第二傳感元件，其被所述可移動(dòng)元件之下的所 述村底支撐，以具有對(duì)稱線的布置來(lái)設(shè)置所述第一和第二傳感元件， 所述第一傳感元件從所述對(duì)稱線偏移第一距離，以及所述自測(cè)致動(dòng)器 從所述對(duì)稱線偏移第二距離，所述第二距離大于所述第 一距離。
21、 如權(quán)利要求19的傳感器，其中所述軸為第一軸，并且所述可 移動(dòng)元件包括第一和第二組指，所述指適于檢測(cè)沿著相互垂直的第二 和第三軸的加速度，所述第二和笫三軸與所述第一軸垂直。
22、 如權(quán)利要求19的傳感器，其中所述傳感器被包括在裝置中， 所述裝置包括硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器。
全文摘要
一種傳感器(20)包括可移動(dòng)元件(24)，自測(cè)致動(dòng)器(22)，以及傳感元件(56，58)。該傳感元件(56，58)檢測(cè)可移動(dòng)元件(24)沿著與該傳感元件(56，58)垂直的軸從第一位置(96)至第二位置(102)的移動(dòng)。該第二位置(102)最終產(chǎn)生輸出信號(hào)(82)，而該輸出信號(hào)(82)模擬了自由落體的條件。一種用于對(duì)具有傳感器(20)的裝置(70)的保護(hù)特性進(jìn)行測(cè)試的方法(92)包括將可移動(dòng)元件(24)移動(dòng)至第一位置(102)以產(chǎn)生一個(gè)可以由傳感元件(56，58)檢測(cè)到的負(fù)重力，將信號(hào)(88)應(yīng)用于致動(dòng)器(22)以通過(guò)靜電力(100)將可移動(dòng)元件(24)移動(dòng)至第二位置(102)，以及根據(jù)該模擬的自由落體對(duì)保護(hù)特性的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行確認(rèn)。
文檔編號(hào)G01P15/125GK101523223SQ200780036733
公開(kāi)日2009年9月2日 申請(qǐng)日期2007年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月11日
發(fā)明者A·C·邁克奈爾, A·尤達(dá) 申請(qǐng)人:飛思卡爾半導(dǎo)體公司