CN103238074B - 加速度计 - Google Patents

Abstract

一种加速度计，包括：支架；第一质量块元件和第二质量块元件，所述质量块元件刚性地互连，以形成整体可运动的检测质量块，所述支架至少部分地布置在第一质量块元件和第二质量块元件之间；多个安装支腿，将质量块元件固定到支撑构件；设置在第一质量块元件上的至少两组可运动的电容器指状件，与相联于支架的对应组的固定电容器指状件相互交叉件；以及设置在第二质量块元件上的至少两组可运动的电容器指状件，与相联于支架的对应组的固定电容器指状件相互交叉件。

Description

加速度计

技术领域

本发明涉及一种加速度计，并且具体地说，涉及一种相对较小尺寸和低成本的微型机电（MEMS）加速度计。

背景技术

MEMS加速度计被广泛使用，例如用在汽车和其它用途中。使用MEMS加速度计的一个领域是全球定位用途，用以在短的时间间隔期间提供指示所使用车辆的运动的备用信息，在这些短的时间间隔中，卫星通信链路暂时中断。然而，将认识到，这仅仅是可以使用MEMS加速度计的一种可能用途，并且本发明不受限于该方面。

US7047808描述了一种MEMS加速度计，该MEMS加速度计适于用在这样的用途中。加速度计包括板状形式的检测质量块，该板状形式的检测质量块由环状支撑构件围绕。支撑构件和检测质量块大体共面，并且检测质量块借助于一系安装支腿连接到支撑构件，这些安装支腿与质量块和支撑构件整体地形成。每个支腿在与加速度计对加速度敏感的方向大体垂直的方向上延伸。在使用中，加速度计安装在物体上，该物体的运动被监控，加速度计按这样一种方式安装，从而使得支撑构件刚性地固定到物体，将加速度计正确地定向，从而使得安装支腿每个均在与检测方向大体垂直的方向上延伸。如果物体在检测方向上加速，则将认识到，检测质量块的惯性将导致检测质量块相对于支撑构件运动，安装支腿弯曲并施加将检测质量块朝其静止位置推回的恢复力。

为了容许对检测质量块与支撑构件之间的相对运动进行检测并由此容许产生指示加速度的电输出，检测质量块设有几组电容器指状件，这些电容器指状件中的每一个均与安装支腿大体平行地延伸。类似地，支撑构件设有几组电容器指状件，每组的指状件和与检测质量块相关联的对应组的电容器指状件相互交叉。检测质量块相对于支撑构件的运动导致相互交叉的指状件中的相邻指状件的相对运动。通过获取适当的电容测量结果，可确定检测质量块相对于支撑构件的位置或运动。由于检测质量块相对于支撑构件的运动在使用中由于物体经历加速度而产生（加速度计安装到该物体上），所以将认识到，运动输出也指示所经历的加速度。

其它类似装置在例如US7562573和US7267006中描述。

在这种类型的设备中，存在与设在支撑构件上的各组电容器指状件进行驱动电连接的需要。因而，在加速度计例如包括与支撑构件相联的四组电容器指状件的情况中，除所需的接地和输出连接之外，需要进行四个这样的连接。提供这样的连接占据空间，从而导致加速度计相对较大，并且也存在与需要提供这样的连接相关联的成本关系和另外的制造复杂性。

发明内容

本发明的目的是提供一种加速度计，在该加速度计中，关于已知设备的缺点中的至少一些缺点被克服，或者具有减小的影响。

希望提供这样一种加速度计装置，该加速度计装置对于在两个或更多个垂直方向上的加速度敏感，并且本发明的另一个目的是提供一种适于用在这样一种装置中的加速度计。

根据本发明，提供一种加速度计，该加速度计包括：支架；第一质量块元件和第二质量块元件，所述第一质量块元件和第二质量块元件刚性地互连，以形成整体可运动的检测质量块，所述支架至少部分布置在第一质量块元件和第二质量块元件之间；多个安装支腿，所述安装支腿支撑质量块元件以便相对于支架运动；设置在第一质量块元件上的、与相联于支架的对应组的固定电容器指状件相互交叉的至少两组可运动的电容器指状件；以及设置在第二质量块元件上的、与相联于支架的对应组的固定电容器指状件相互交叉的至少两组可运动的电容器指状件。

这样一种设备具有如下优点：加速度计具有比较紧凑的、空间高效形式。

有利地，可提供单个共享的电连接部，以容许与支架相联的固定电容器指状件组中的两个组的连接。同样，可提供单个电连接部，以容许与和支架相联的固定电容器指状件组的另两个组的连接。因此，通过减小所需的连接部的总数量，可简化制造。可实现因此的成本节省，并且也可实现另外的空间节省。

希望的是，加速度计能够承受非常大的加速度，而不遭受对其的损坏。为了帮助提供这种功能，加速度计优选地设有止动构造，这些止动构造是可操作的，以限制质量块元件能够运动通过的距离。有利地，止动构造布置成将这样的运动限制到足以防止电容器指状件中的相邻电容器指状件之间的接触的程度。

为了使在暴露于这样一种非常大加速度之后对加速度计的操作的中断最小，优选地止动构造设置在支架的一部分上，该部分处于与第一质量块元件和第二质量块元件相同的电位下。因此，避免了在这样一种非常大加速度的情况下的电接地。

质量块元件和支架有利地通过蚀刻硅晶片而构造，该硅晶片在使用中被支撑在一对基片之间，这对基片例如呈玻璃板的形式。在这些质量块元件与支架之间的空间有利地被密封和填充气体，从而提供对于检测质量块的运动的阻尼。

本发明还涉及一种两轴线加速度计装置，该两轴线加速度计装置包括上述描述类型的一对加速度计，这对加速度计彼此整体地形成，并且定向成彼此垂直。

由于加速度计具有比较小的尺寸，并且所需的电连接的数量比较少，所以将两个这样的加速度计包括到单个装置中以提供两轴线加速度计是比较有利的。

附图说明

参照附图通过例子将进一步描述本发明，在这些附图中：

图1是按照本发明一个实施例的加速度计的图示表示；

图2是立体图，示出了加速度计装置，该加速度计装置包括在图1中示出的类型的一对加速度计；

图3和4是穿过图2的装置的各部分的截面；

图5是平面图，示出了图2的装置；

图6是按放大比例的视图，示出了图2的装置的一部分；以及

图7至9是示出了对于图1至6的设备的修改的视图。

具体实施方式

首先参照图1，示出了加速度计10，该加速度计10包括支架12，检测质量块14借助于一系列安装支腿16可运动地安装到该支架12。检测质量块14、支腿16及支架12彼此整体地形成，并且大体上是共面的，例如通过硅晶片的适当蚀刻或其它处理而构造。

检测质量块14由第一质量块元件18和第二质量块元件20构成，该第一质量块元件18由一对安装支腿16连接到支架12，该第二质量块元件20由另一对安装支腿16连接到支架12。横向支柱22互连第一质量块元件18和第二质量块元件20，以使得保证它们在使用中一起、统一地运动，并因此起单个质量块的作用。

安装支腿16全部彼此平行，并且与检测方向（在图1中由箭头A指示）大体上垂直地延伸，在该检测方向上，在使用中检测质量块14相对于支架12是可运动的。安装支腿16将偏压负载施加到检测质量块14，从而将检测质量块14推向中心、静止位置。在使用中，如果加速度计10在检测方向A上经受加速度，则检测质量块14的惯性将导致检测质量块14相对于支架12运动，这样的运动由安装支腿16的挠曲而调节并且克服恢复负载的作用而发生，该恢复负载由安装支腿16的弹性施加，将检测质量块14朝其中心位置推回。检测质量块14运动过的距离与加速度计已经经受的加速度的数值相关。

如示出的那样，第一质量块元件18和第二质量块元件20彼此间隔开，并且支架12延伸到第一质量块元件18和第二质量块元件20之间的空间中。支柱22也跨过该空间延伸，并且支架12成形为包括中断部，支柱22穿过该中断部延伸，从而检测质量块14自由地相对于支架12运动。支架12因而采取上部支架部分12a和下部支架部分12b的形式，该上部支架部分12a和下部支架部分12b由上述中断部分离。

如图6所示，第一质量块元件18承载可运动的电容器指状件的上部组24和下部组26，每个指状件与安装支腿16大体平行地并因此与方向A大体垂直地延伸，检测质量块14能够在该方向A上运动。术语“可运动的”用来指示指状件凭借如下事实能够相对于支架12运动：这些指状件设置在检测质量块上，该检测质量块本身相对于支架12是可运动的，不认为各个指状件能够相对于检测质量块14运动。支架12具有与其相联的由固定电容器指状件构成的第一对上部组28和下部组30。上部组28的指状件与上部组24的指状件相互交叉，并且下部组30的指状件与下部组26的指状件相互交叉。类似地，第二质量块元件20设有由可运动的电容器指状件构成的上部组32和下部组34，这些上部组32和下部组34的可运动的电容器指状件与和支架12相联的第二对上部组36和下部组38的固定电容器指状件相互交叉。第一上部组28和第二上部组36与支架12的上部部分12a相联，第一下部组30和第二下部组38与支架12的下部部分12b相联。如在图6中最清楚示出的那样，每对相互交叉的组的指状件不是相等地间隔开。在每种情况下，与支架12相联的组28、30、36、38中的每一个组的固定指状件布置成使得：当检测质量块14处于其中心、静止位置时，与更远离支柱杆22的相邻的可运动指状件相比更靠近离支柱杆22最近的相邻可运动指状件。然而，其中颠倒的布置可以是可能的。

如上文提到的那样，支架12、检测质量块14以及安装支腿16彼此整体地形成。如在图2、3和4中最清楚示出的那样，形成这些部件的硅晶片有利地夹持在一对玻璃或其它适当的材料基片40、42之间，基片40、42适当地下凹，从而导致支架12靠压基片40、42以便由其支撑，而安装支腿16和检测质量块14与其间隔开很小距离，从而在加速度计10经受在检测方向A上的加速度的情况下，保证检测质量块14在该方向上自由地运动。

在基片40、42、检测质量块14及支架12之间的空间填充有阻尼介质，该阻尼介质有利地是气态阻尼介质，例如优选地在大体大气压力下的空气。因此，加速度计的操作将经受挤压阻尼。通过在指状件、指状件的长度等之间的间隙的适当选择，如果希望，则可以实现临界阻尼，这在加速度计用在开环构造中的情况是希望的。

安装支腿16的根部，即它们连接支架12的点，靠近支架12的轴线，因此附接到上部部分12a的安装支腿16的根部彼此靠近，并且附接到下部部分12b的安装支腿16的根部彼此靠近。因此，使由基片40、42和晶片的材料的不同热膨胀生成的应力最小，支架12、检测质量块14以及安装支腿16由该晶片形成。这是重要的，因为检测质量块14的谐振频率部分地取决于安装支腿16的应力分布。

图2、3和4还示出了其中可对各组中的每一组的电容器指状件进行电连通或连接的适当的位置。如示出的那样，支架12具有设置在其上的两个电连接部44、46。连接或连通部可以使用各种已知技术构造。一种有利的技术涉及穿过基片40并进入支架12的材料中的粉末喷砂，以形成例如大体截头锥形的凹口，该凹口的表面然后被金属化，以提供与支架12的关联部分的良好电连接。连接部44设置在上部部分12a上，并且提供与第一和第二上部组的固定指状件28、36的电连接，连接部46设置在下部部分12b上，并且提供与第一和第二下部组的固定指状件30、38的电连接。将认识到，由于第一和第二上部组的固定指状件28、36从支架12的上部部分12a的相对两侧延伸，所以有利的是，对于这两组使用单一的共享连接件，并且同样有利的是，对于两个下部组的固定指状件使用单一的共享连接件。与上述类型的典型差动电容器加速度计设备相反，将认识到，本发明的设备允许实现连接件数量的减小。因此，可实现显著的空间节省和尺寸减小，并且可显著地简化制造过程。

除连接部44、46之外，加速度计还设有连接部48，由此驱动信号可施加到与检测质量块14相联的可运动指状件组上，并且还提供接地连接部50。这些连接部可以具有与上文描述的形式相似的形式。

在使用中，如果加速度计10经受在方向A上的加速度，该加速度引起检测质量块14相对于支架12的向上运动（在图1中示出方位），这将导致上部组24、28、32、36的指状件中的最近的指状件之间的间隔减小，同时下部组26、30、34、38的指状件中的最近的指状件之间的间隔将增大相当的量。将认识到，指状件的间隔的变化导致它们之间的电容也变化，并且通过差动电容的适当监控可实现提供检测质量块14相对于支架12的位置的指示的输出。由于由检测质量块14占据的位置与施加的加速度的数值相关，所以将认识到，通过监控电容，可输出所施加的加速度数值的指示。

监控电容的方式有利地大体如在US7047808中描述的那样，就是说，优选地将方波驱动电压施加到连接部44，并因而施加到与支架12相联的第一上部组28和第二上部组36的固定指状件，同时将类似的但反相的方波驱动信号施加到连接部46，并因此施加到第一和第二下部组30、38的固定指状件。通过经由连接部48而从安装在检测质量块14上的可运动指状件组导出的信号进行适当地监控和处理，可实现用于指示施加的加速度的输出。该输出可以使用开环型构造或者按闭环方式导出。由于监控电容的方式基本上按照已知技术，例如如在US7047808中描述的那样，所以在这里不再进一步详细地描述。应该注意，监控差动电容的方式不必如上文概述的那样。例如，取代将反相输入施加到连接部44、46和使用连接部48提供输出，可将输入信号施加到连接部48并且监控在连接部44、46处的差动输出，以导出输出信号。此外，尽管对方波信号的使用进行参考，但本发明在这方面不受限制。

如图2和5所示，加速度计10有利地形成较大的加速度计装置52的一部分，该较大的加速度计装置52由两个加速度计10构成，这两个加速度计10布置成彼此相邻，并且定向成其检测方向A彼此垂直。如果希望，则基片40、42可以对于两个加速度计10是共用的。这种形式的加速度计装置52允许监控在两个垂直方向或轴线上的加速度。由于每个单独的加速度计10具有比较紧凑的形式，并且仅需要进行减小数量的电连接，所以加速度计装置52也可具有比较紧凑和简单的形式。

加速度计10和装置52可以采取各种形式。想到的是，装置52可以具有近似2.1mm×4.2mm的尺寸。在这样一种布置中，形成支架12、安装支腿16及检测质量块14的硅晶片有利地具有近似150μm的厚度，安装支腿16可以具有近似7-8μm的宽度，并因此具有在20:1的区域中的纵横比，指状件具有近似0.7mm的长度和近似6μm的宽度，具有9-15μm的指状件间隔，并且每组指状件包括18个指状件。在这样一种布置中，支柱22可以具有近似0.85mm的长度和50μm的宽度。然而，将认识到，这些尺寸仅仅是例子，并且各种其它布置是可能的。

希望的是，加速度计10能够承受显著的加速度，而不遭受对其的损坏。在上文描述的布置中，在检测方向A上的非常大的加速度可能导致第一质量块元件18和第二质量块元件20中的每个的端部靠接支架12的相邻部分。这样的接触可以在相互交叉的指状件中的相邻指状件之间进行接触之前发生，并因此对其损坏或在指状件之间发生静摩擦的危险很低。然而，检测质量块14和支架12的各部分之间的接合可能导致在它们之间的电导通，使得检测质量块14与地暂时短路，并因此导致输出的暂时损失或输出精度的降低。尽管在一些用途中，这样的短期、暂时短路可能不是问题，但可能存在其中希望避免这样的短路的情况。图7至9示出了对于上文描述的布置的修改，在这种修改中，可避免这样的短路。

如图7至9所示，支架12设有固定止动构件54，这些固定止动构件54与安装支腿16相邻地但与其间隔开地延伸，并且这些固定止动构件54不可运动地固定到基片40、42。止动构件54电连接到检测质量块14的各个部件部分，并因此恒定地在与这些部件部分大体相同的电位下，并且在它们的自由端部处成形为包括邻接部分56，这些邻接部分56布置成在检测质量块14运动到预定极限位置的情况下邻接或接合第一质量块元件16和第二质量块元件18的端部部分，从而防止检测质量块14的进一步运动。由于止动构件54保持在与检测质量块14相同的电位下，所以将认识到，这样的接触不会导致检测质量块14与地的短路。

在其中指状件不彼此接触的情况下，指状件如图7所示可以设有小尖头58，这些小尖头58按这样一种方式对准，从而接触将在相邻指状件的尖头58之间，而大体上不是其整个表面，并因此进一步降低静摩擦的危险。

图7、8与9清楚地示出了：形成支架12、安装支腿16及检测质量块14的硅晶片的哪些部分阳极地粘结到基片40、42；以及哪些部分与基片间隔开小距离（该距离由在基片40、42中的浅凹口的形成而产生），并因此相对于其自由地运动。明确地说，图7示出了：支架12和止动构件54粘结到下置基片40，而除离关联的质量块元件最远的每个安装支腿16的真正端部部分之外，检测质量块14和安装支腿16相对于基片自由地运动。进一步示出的是，支架12通过晶片的相关部分的整个厚度被蚀刻掉而中断，因此，上部和下部组的固定指状件彼此电隔离。尽管这些特征最清楚地示出在图7至9中，但将认识到，图1至6的布置在这方面非常相似。

尽管这里描述了本发明的具体实施例，但将认识到，对于描述和示出的布置可以进行各种修改和变更，而不脱离本发明的范围。

Claims (13)

1.一种加速度计，包括：支架；第一质量块元件和第二质量块元件，所述第一质量块元件和第二质量块元件刚性地互连，以形成整体可运动的检测质量块，所述支架至少部分地布置在第一质量块元件和第二质量块元件之间；多个安装支腿，所述安装支腿支撑第一质量块元件和第二质量块元件以便相对于支架运动；设置在第一质量块元件上的、与相联于支架的至少两个对应的第一组的固定电容器指状件相互交叉的至少两个第一组可运动的电容器指状件；以及设置在第二质量块元件上的、与相联于支架的至少两个对应的第二组的固定电容器指状件相互交叉的至少两个第二组的可运动的电容器指状件，其中，设有容许连接至相联于支架的固定电容器指状件的至少两个第一组和至少两个第二组中的两个组的单个共享的第一电连接部，并且其中，设有容许连接至相联于支架的固定电容器指状件的至少两个第一组和至少两个第二组中的另两个组的单个共享的第二电连接部。

2.根据权利要求1所述的加速度计，其中，第一电连接部设置在支架的上部部分上，第二电连接部设置在支架的下部部分上。

3.根据权利要求2所述的加速度计，其中，上部部分和下部部分由中断部分隔开。

4.根据权利要求1所述的加速度计，还包括使驱动信号能够施加到可运动的电容器指状件的第一组和/或第二组上的一连接部。

5.根据权利要求1所述的加速度计，还包括止动构造，这些止动构造是可操作的，以限制质量块元件能够运动通过的距离。

6.根据权利要求5所述的加速度计，其中，止动构造布置成将上述运动限制到足以防止电容器指状件中相邻的电容器指状件之间的接触的程度。

7.根据权利要求5所述的加速度计，其中，止动构造设置在支架的一部分上，该部分处于与第一质量块元件和第二质量块元件相同的电位。

8.根据权利要求1所述的加速度计，其中，第一质量块元件和第二质量块元件由支柱杆互连。

9.根据权利要求8所述的加速度计，其中，支柱杆穿过支架中的中断部延伸。

10.根据权利要求8所述的加速度计，其中，支柱杆在每个第一和第二质量块元件与支架的指状件的第一组和第二组之间延伸。

11.根据权利要求1所述的加速度计，其中，第一和第二质量块元件与支架通过蚀刻硅晶片而构造，该硅晶片在使用中被支撑在一对基片之间。

12.根据权利要求11所述的加速度计，其中，第一和第二质量块元件与支架之间的空间被密封并被填充气体，从而提供对于检测质量块的运动的阻尼。

13.一种两轴线加速度计装置，包括一对如以上权利要求中任一项中所述的加速度计，这对加速度计彼此整体地形成，并且定向成彼此垂直。