CN100570371C - 由于改进的回归移动而具有减少的额外振动的加速度计 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包括移动质量(5)和固定部分(2)的加速度计，该加速度计使用电容的变化以便检测质量(5)的移动。本发明的加速度计包括第一系列电极(4)，它们连接到质量(5)并且与连接到固定部分(2)的一系列电极(3)相互交错。根据本发明，每个移动电极(4)与相邻的固定电极(3)一起形成根据移动质量(5)的位置来变化的电容。该加速度计进一步包括电子电路，该电子电路用以：(i)检测移动质量(5)与固定部分(2)之间至少一个电容的变化，作为移动质量的位移的指示，以及(ii)生成静电回归力以便使质量(5)回归到其初始位置。而且，前述电子电路被设置用于根据在前的位移测量来生成静电回归力。本发明的特征在于，具体选择这样生成的反复的静电回归力，以使其机械功率频谱(10，20)具有在移动质量(5)和/或固定部分(2)的电极(4)的机械共振频率处功率基本上为零的区。

Description

由于改进的回归移动而具有减少的额外振动的加速度计
本发明涉及微机械加工的加速度计，利用该加速度计，可测量大地移动用于地球物理应用(利用地震方法的下层土壤的测绘)。
本发明特别涉及应用了质量-弹簧系统的加速度计，尤其是该质量形成了与固定部分的匹配指相互交错的一系列指。
在这类装置中，彼此面对的每对指形成一个测量电容器。
这里还将要提及的是，形成电容器的这些指既可用于通过测量电容振动来测量位移，又可用于通过在每个由此形成的电容内施加静电力使该质量回归到它的原始位置。静电回归力可通过先前的电容性位移测量来控制。
这些公知考虑事项的全部在现有技术中特别是在专利FR 2 769 369中有所描述。
利用这类加速度计，本领域的技术人员一般会发现叠加到该测量上的噪声的存在。
在并入一系列相互交错电极的加速度计的情况下，发现一部分噪声起源于在每个指处的不希望出现的振动。可能具有各种起因的该噪声可能特别地起源于外部激励，该外部激励的频谱覆盖指的振动频率。
在利用移动部分的回归的加速度计、特别是随动回归加速度计的特定情况下，该振动还会受到反复地施加到该质量的恢复力的机械馈送。在此情况下，该振动产生了恢复力的幅度调制，在感兴趣的频带中造成不希望的噪声。
具有这些不同起因的任一个的噪声的存在构成了第一问题。
第二问题在于这样的事实：这些指在挠曲时是脆弱的。无论它们是在共振时振动还是简单地受到强加速度，这些指都受到挠曲的损坏。
为了解决这些问题的一个或两个，本发明包括一种具有移动质量和固定部分的加速度计，该加速度计使用电容的变化以便检测质量的移动，其中稳固地连接到质量的第一系列电极与稳固地连接到固定部分的一系列电极相互交错，每个移动电极与相邻的固定电极一起形成一个根据移动质量的位置来改变的电容，该加速度计进一步包括电子电路，该电子电路被设置用于作为移动质量的移动的指示器来检测移动质量与固定部分之间至少一个电容的变化，并且还用于生成用于使质量回归到它的初始位置的静电力，该电子电路被设置用于以自动地受控于先前位移测量的方式来生成静电回归应力，特征在于，这样生成的反复回归应力被专门地选择，以使其机械功率频谱在移动质量和/或固定部分的电极的机械共振频率处具有基本上为零的功率区。
在阅读了参照附图进行的如下具体描述后，本发明的其他特征、目的和优点将变得明显，在附图中：
-图1示意性地图示了根据本发明的加速度传感器的一个特定实施例；
-图2a-2c图示了与质量恢复张力有关的噪声的频谱、该力量张力在具有和没有指的共振时的变换函数的频谱、以及所得到的力在也是具有和没有指的共振时的频谱；
-图3图示了脉冲式伺服电压以及为该电压提供时窗的时隙信号的频谱；
-图4图示了根据本发明的替代方案的相互交错的电极；
-图5图示了根据本发明的另一替代方案的相互交错的电极。
图1中所示的加速度传感器包括在同一半导体基板1中制成的如下组件：
-固定框架2；
-两个系列的固定电极3和7，刚性连接到框架2；
-一系列电极4，由移动板5支撑；
-弹簧6，将移动板5连接到框架2(为了附图的简洁，这里图示了单个弹簧)。
移动电极4与固定电极3和7电绝缘。
电极3与面对的电极4形成电容器C1。电极7与面对的电极4形成电容器C2。
当移动质量相对于固定部分位移时，C1和C2的值在相反的方向上变化。这就允许移动质量的相对位置得以测量。此外，在本实施例中，施加到C1的端子的电压产生了倾向于使得电极3和4更为接近的静电力，由此在一个方向上使移动质量位移，而施加到C2的端子的电压倾向于在另一方向上使移动质量位移。
这里未图示而为本领域的技术人员知悉的电子电路连接到每系列固定电极3和7并连接到该系列移动电极4。
优选为开关式电容器型，该电路是以时钟速率加以钟控，并且在连续时间段中循环地将测量电压施加到每个电容器的端子，从而可测量它们的电容(两个相邻电容器的差动测量)。测量的位移表示由于即时存在的加速度造成的移动板5的位移。用于施加测量电压的该时间段的持续时间(标记为Tc，也称为加载时间)或者甚至于检测时间段的持续时间远小于该系统的共振周期(并因此小于大地的共振周期)。
这里设置的随动(伺服)包括：通过在该系列移动电极与所述系列固定电极中的任一个系列(C1或C2)之间施加力来消除质量5的相对移动。这涉及到静电力，并且是激励时间段，在该时间段中，静电力以时间上不同于检测时间段的方式来施加。
优选地，正是相同的电子电路交替地测量移动质量的位置，和倾向于通过将适当的电压施加到电容器C1和/或C2的端子来使移动质量回到它的初始位置。
因此，该电路限定了测量与反馈之间的多工操作，优选地在这两个步骤之间电容放电。
多工操作频率范围例如是该系统的共振频率的100至500倍。
在另一实施例中，使移动质量回归可与位移测量同时地完成。
机械芯片一般以500Hz共振。在本例中，通过设定静电刚度ke来调节优选地选择为最接近于大地振动频率的共振频率。该刚度被叠加到机械刚度上并且通过用于测量电容的充电步骤的持续时间来调节。
这里选择静电刚度是为了降低该系统的共振频率，机械刚度有意地选择为超出感兴趣的频带的高频。
利用可从文献FR2 769 309中获悉的该可选的设置，可以限制崩溃(collapse)、减少电极间的距离并由此使用高电场(因而强静电刚度)。
该设置进一步允许优化有用通带中的性能，补偿移动板悬挂弹簧的机械刚度的分散，所述分散一般是通常的制造工艺中注意到的分散。
通过静电刚度，使表观频率回到140Hz，以便最大地减少有用带宽(0-200Hz)中的噪声。
固定和移动电极具有“指”的形状，通常是通过基座相互连接成梳状的平行六面体的硅柱。这些指的每一个具有与悬臂柱的共振频率对应的共振频率。
在当前情况下，指的共振频率一般是90kHz，并且在如下文中所述的第一改型之后变为585kHz。
发明人已经认识到这些指倾向于有相当大的共振，其在芯片内的环境压力很低时具有更大幅度。
通过伺服力(随动力)中存在的噪声的频率变换，所得到的移动产生基带的正弦波(repliement)，并且由此造成地声仪的全局噪声降级，特别是在最大可补偿加速度(Amax)利用激励器来增大时。
下面将分析施加到该质量的各回归信号的频谱成分。
为了讨论为了限制指共振而施加的手段，在这里首先说明观察结果，根据该观察结果，施加到移动板5的反复的伺服力F表达为F＝(ε.S.V2)/(2.d2)，其中S：电极的相对表面，V：电极之间的电压，以及d：电极之间的距离。如果V和d随时间变化，则可写成F(t)＝F1(t).F2(t)，其中F1(t)＝V(t)2而F2(t)＝ε.S/2.d(t)2。
由于时域中的乘法在频域中是通过卷积来表达，因此有 F ( f ) = F 1 ( f ) ⊗ F 2 ( f ) .
F1(f)的特征在图2a中由曲线10(没有加速度信号时)示出，F2(f)的特征在图2b中示出(曲线20：共振指，曲线30：非共振指)。力频谱F(f)的特征也在图2c中示出(曲线40：共振指，以及曲线50：非共振指)。
观察到由于指的共振造成了基带中出现不希望的噪声。
换句话说，这些指产生共振，是因为它们的本征频率很强地表现在这类加速度计中所采用的反复的伺服力的能量谱中。
注意，由于采样，该频谱以循环Fe(即采样频率)反复至无穷，如图3中的标号60所示。
有趣的是观察到，由于反馈力表现为宽度Ta的反复脉冲而不是狄拉克脉冲形状(零宽度)，这就意味着该频谱60与在频率1/Ta处具有第一个零的基本正弦(cardinal sine，sinus cardinal)函数相乘。
在图3中，曲线60图示了具有短持续时间的脉冲(狄拉克脉冲)的频率伺服谱，而曲线80具有持续时间Ta的实际脉冲，因此具有足够大的为几乎不存在的功率的区域。基于频率f的伺服力Fcontrol的值表现在纵坐标中。
在图3中，曲线70(即具有持续时间Ta的脉冲信号的频率变换)是具有公式sin(Pi.T.Fa)/(Pi.Fa.T)的基本正弦(在频率1/Ta处具有第一个零)。
曲线80因此是曲线60与曲线70的乘积。
这里提出利用至今未利用的这些能量凹谷(creux d’energie)。
为此，在这些能量凹谷之一与指的共振频率之间实现匹配。
第一优选设置是选择基本正弦的定位，以便在指的共振频率上设置能量回零点，该频谱由乘积产生，该乘积本身在共振处具有回零点。
该定位例如是通过选择Ta的适当值使得1/Ta置于指的共振频率上来进行的。以相同的方式，可使用基本正弦70的其它回零点。
将注意的是这里假定了指的频率高于Fe，Ta不可＞Te(Te表示采样周期)。
通过选择以此方式设置的频谱，可获得加速度计噪声水平的显著增益。
根据另一设置，配置固定和/或移动指3和4以使它们的共振位于这样的能量自然下降(puits naturel d’energie)处，该下降归因于在激励时间段的持续时间Ta期间力的施加，该激励时间段两侧有恢复力的回零点。指共振的优选频率等于1/Ta，对应于基本正弦(时隙信号的变换)的第一过零处(zero passage)。
一般地，Ta是14/32Te，因此对于Fe＝256kHz，1/Ta＝585。
在平行六面体的情况下，为了以比例6.5增大指的共振频率，而不以(6.5)的平方根的比例减少长度，将需要具有160μm长度的指，该长度与电子设备的可能电压(为了激励该质量，将要求高电压)不兼容。
为了改变指的共振频率，在这里是优选采用图4中所示的梯形轮廓。
利用具有240μm长度、在锚定处为20μm的宽度L以及在顶部为4μm的宽度I的指，一般实现585kHz的共振频率。
图5中所示的另一实施例包括采用这样的形状，该形状朝着自由端在宽度上具有相继的陡减。
这样的实施例具有额外的优点，因为它是易于以简单的切割机来制造的。实际上，指的这种形状不要求任何倾斜切割，这有助于切割操作。
对于锥形形状采用宽基座减少了挠曲质量并增大了基座处的机械强度。挠曲的共振频率很显著地增大。而且，振荡幅度很显著地减少。然而，在相邻指之间彼此面对的表面保持有几乎不变的范围，由此实际上并不影响所存在电容的电属性。
梯形形状是优选的，因为后者没有直线的子部分，并且因此在局部特别柔韧。
还提供了具有弯曲边缘的指替代方案，例如具有外凸的曲率，但是也可以是凹的，形成了总体圆形的梯形形状。发现这样的形状更为紧凑并且具有甚至更高的共振频率。
尽管在靠近自由端时具有减小宽度的指形状对于挠曲强度是有益的，但是采用不同的形状可能是有利的，特别是对于使共振频率朝着更高频率移动而言。
应当注意，参照内部振动源在这里讨论的指共振频率的该几何变化也允许消除其他性质的振动源。
因此，在非随动加速度计以及非多工操作的加速度计(即其中特别是回归与测量同时进行)的情况下，通过改变指的共振频率，有可能消除外因的激励频率。
因此，指的共振频率被置于外因振动的频率范围以外，否则后者将会起作用。
将注意的是，共振频率越高，移动幅度就越低。

Claims (14)

1.一种加速度计，具有移动质量(5)和固定部分(2)，使用电容的变化以便检测移动质量(5)的移动，其中固定地连接到移动质量(5)的第一系列移动电极(4)与固定地连接到固定部分(2)的一系列固定电极(3)相互交错，每个移动电极(4)与相邻的固定电极(3)一起形成随移动质量(5)的位置而变化的电容，该加速度计进一步包括电子电路，该电子电路被设置为检测移动质量(5)与固定部分(2)之间至少一个电容的变化，作为移动质量的位移的指示，该电子电路还被设置为生成用于使移动质量(5)回归到它的初始位置的静电回归力，该电子电路还被设置为根据在前的位移测量来生成所述静电回归力，其特征在于，具体选择这样生成的反复的静电回归力，使静电回归力的机械功率频谱(80)具有在移动质量(5)的移动电极(4)和/或固定部分(2)的固定电极(3)的机械共振频率处功率基本上为零的区。
2.根据权利要求1的加速度计，其特征在于，所述电子电路在对应于方波信号的时隙(Ta)中进行移动质量的反复回归，对应时隙中的对应方波信号的频谱(70)在移动质量(5)的移动电极(4)和/或固定部分(2)的固定电极(3)的共振频率处回归到基本上为零。
3.根据权利要求2的加速度计，其特征在于，时隙的平均宽度为Ta，使得所述时隙中的所述对应方波信号的所述频谱(70)在移动质量(5)的移动电极(4)和/或固定部分(2)的固定电极(3)的共振频率处回归到零(1/Ta)。
4.根据权利要求3的加速度计，其特征在于，时隙的平均宽度为Ta，使得所述对应方波信号的所述频谱(70)在移动质量(5)的移动电极(4)和/或固定部分(2)的固定电极(3)的共振频率处第一次回归到零(1/Ta)。
5.根据权利要求1所述的加速度计，其特征在于，所述静电回归力是在具有平均宽度Ta的时隙中施加的，其中Ta是根据关系1/Ta＝F来选择的，其中F是移动质量(5)的移动电极(4)和/或固定部分(2)的固定电极(3)的共振频率。
6.根据权利要求5所述的加速度计，其特征在于，与所述时隙相关的所述对应方波信号的所述频谱(70)具有基本正弦形状。
7.根据权利要求1所述的加速度计，其特征在于，移动质量(5)的移动电极(4)和/或固定部分(2)的固定电极(3)中的每一个具有宽度在朝着它们的自由端的方向改变的截面。
8.根据权利要求7的加速度计，其特征在于，移动质量(5)的移动电极(4)和/或固定部分(2)的固定电极(3)具有截面宽度连续变化的至少一个部分。
9.根据权利要求7的加速度计，其特征在于，移动质量(5)的移动电极(4)和/或固定部分(2)的固定电极(3)具有截面宽度突变的至少一个部分。
10.根据权利要求7的加速度计，其特征在于，移动质量(5)的移动电极(4)和/或固定部分(2)的固定电极(3)具有截面宽度在朝着电极的自由端的方向减小的至少一个部分。
11.根据权利要求7的加速度计，其特征在于，移动质量(5)的移动电极(4)和/或固定部分(2)的固定电极(3)包括宽度(L，I)在朝着它们的自由端的方向减小的梯形形状。
12.根据权利要求7的加速度计，其特征在于，移动质量(5)的移动电极(4)和/或固定部分(2)的固定电极(3)包括截面宽度(I，L)按恒定宽度的台阶而改变的一部分，该截面宽度在相邻台阶之间突变。
13.根据权利要求7的加速度计，其特征在于，移动质量(5)的移动电极(4)和/或固定部分(2)的固定电极(3)包括宽度在朝着电极的自由端的方向逐渐减小，形成至少一个圆滑侧边缘的部分。
14.根据权利要求7的加速度计，其特征在于，固定部分(2)的固定电极(3)具有与位于移动质量(5)的两个相邻移动电极(4)之间的间隙互补的形状。
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