CN1045297A - 具有共面的推拉式力变换器的加速度计 - Google Patents

Abstract

一种推拉式加速度计，其中的两个力变换器位于一公用面内。这样，当以一硅的显微机加工的器件来实现时，这两个力变换器能从一单一的晶体层(34)加工成，由此而产生出具有密切配合的共态反应的变换器。

Description

本发明涉及加速度计，具体地说，涉及一种其中的一对力变换器取推拉式结构的加速度计。

振动杆式的力变换器通常用作为加速度计与其它仪表中的力-频变换器。在一种已知的装置中，这类变换器是以推拉配合对的形式使用，于此配合对内，一定的加速度在一个变换器上造成一压力，而在另一变换器上造成一张力。这样的工作方式对于许多种共态误差，即使得此类变换器的频率在同一方向上偏移相同量的误差，能提供高度的补偿，这是由于此种偏移免除了在处理这种变换器输出时通常所用的计算。上述这类误差包括振动整流误差、温度变化引起的误差、绝大多数老化误差以及因钟脉冲频中漂移导致的测量误差。为使这样一种加速度计的性能最优化，重要的是让此种力变换器具有几乎一致的共态响应。

近年来，业已发展了多种从硅晶体制造加速度计的技术，其中所用的显微机加工方法与形成集成电路中所用的类似。在硅晶体中用显微机加工方法制造加速度计时，用来构成推拉式加速度计的最简捷方式可能是，从硅片的上表面形成一个力变换器，而从此硅片的下表面形成另一个力变换器，并以一校验块的铰接轴设置于这两个变换器之间的某处。在这样的布置下，该校验块围绕铰接轴的转动就将使一个变换器处于压力状态而另一个处于张力状态下。此方法的问题在于这两个变换器是由硅晶体的不同物理层所形成，因而这两个变换器一般不具有良好匹配的共态响应。

上述这类问题对于振动杆式变换器之外的变换器，包括表面声波变换器、金属应变计以及压敏电阻应变计与压电应变计等都属典型的问题。在某些情形下，以上这些在振动杆式变换器之外的变换器类型会带来另一些共态问题，例如在压电应变计中的压电效应。

本发明提供了一种推拉式的加速度计，其中的两个力变换器处于同一平面内。这样，当把本发明以一种硅的显微机加工的器件来实施时，这两个力变换器能从一个单一层加工成由此而生产出一对具有密切配合的共态响应的变换器。本发明最好以一种摆式加速度计来实现，它包括有这样的装置，用来安装这种校验块，使之响应于沿着一量测轴的加速度而绕一铰接轴转动。该铰接轴垂直于量测轴，并与含有力变换器的公共面相平行但分开。

在本发明的附图中：

图1是本发明之加速度计第一最佳实施例的示意性透视图;

图2是沿图1中2-2线截取的横剖面图;

图3是本发明第二最佳实施例的示意性透性图;

图4是本发明第三最佳实施例的示意性透视图。

图1与2示明本发明之加速度计的第一最佳实施例。加速度计10最好由硅的一个单片12形成，此硅片包括一上表面14与一下表面16。此硅片经蚀刻而形成出由一对弯曲件22与24接连于支架24上的校验块18，如下面所述，这些弯曲件是形成在下表面16的层26之中。此种弯曲件可使校验块相对于围绕通过弯曲件中央的铰接轴HA的上述支架而旋转，同时此铰接轴是处于层26之中。这样，此加速度计便具有一个垂直于铰接轴且通过标准块20质量中心28的摆轴PA。该加速度计则沿着垂直于铰接轴与摆轴的量测轴SA来测量加速度。

图1与2所示的加速度计包括有连接在上述标准块与支架之间的力变换器30与32。这两个力变换器形成在硅片12的上表面14处的层34之中。此种力变换器图示成一种双端音叉振动杆型，其中的一对杆可在这些杆的平面中震荡，且相互导相180°。对各个变换器来说，这一对杆平行于一界定此变换器量测方向之纵的变换器轴（LA）。对各个变换器来说，沿着其纵轴的张力将增大谐振频率，而沿着此纵轴的压力将减小谐振频率。

力变换器30与32近似地平行于摆轴PA。变换器30从它与校验块的连接点起，在沿着摆轴的一个方向内延伸至其与支架的连接点，而力变换器32则从它与校验块的连接点起，在沿此摆轴的一个与上述相反的方向内延伸至其与支架的连接点。这一布置构成了推拉作业，其中对于沿量测轴SA的一给定的加速度方向，一个力变换器受到张力的影响，而另一个力变频器则受到压力的影响。可以看出，图1中的装置方式，由于各个力变换器是依同一方向对校验块施力，故不会在校验块上造成不希望有的力矩。

图1与2所示的加速度计，可以采用周知的硅的显微机加工技术，由多种方式制成。举例来说，硅片12可以是一种P型晶片，具有沿100晶面定向的表面。然后可以在上表面14上生长-N型的外延层34，在下表面16上生产一第二个N型外延层26。此种晶片可予蚀刻而构成图中所示结构，用电化学的蚀刻限制档来阻止力变换器30与32蚀刻外延层34，并阻止弯曲件22与24蚀刻外延层26，同时却对大部分硅材料本身进行着深蚀刻。

本发明的第二个最佳实施例图示于图3。此实施例包括的硅片50具有上表面52与下表面54，此硅片经过蚀刻而形成了校验块56，后者为弯曲件60与62连接到支架58之上。振动杆式的力变换器按推拉式的布置连接于此校验块与支架之间。与图1与2中的实施例相同，力变换器70与72两者都形成在硅片50的上表面52，以提供改进了的共态配合。

在图3所示的这一实施例中，支架58包括有臂74与切口部76，而校验块56则包括有切口部78。力变换器70与72两者均沿着此结构的公共中心轴分布，与校验块56的摆轴大致上平行。力变换器70延伸及整个切口部76的长度，而力变换器72则延伸到切口部78在校验块与臂74之间的一部分长度。这样，此两个力变换器便从它们的连接点延伸到防护块，且以相反的方向沿着摆轴分布，由此而构成一种推拉式布置。

图3所示的结构具有使两个力变换器相互之间颇为接近的优点，这便简化了某些驱动装置（例如碰力驱动装置）中的加速度计的设计。作为对比，在一磁力驱动系统中，图1的实施例便要求形成两个独立的磁场，或一个很大的磁场。不过，图3实施例中两个力变换器的紧密靠近有时可能成为一个缺点，这是因为此两个变换器间的机械的、声的或电磁的耦合有可能产生锁定现象。与图1中的布置相反，图3这种布置方式的另一个缺点是，校验块的潜在的阻尼区域为切口部78大致上切成两半，结果将使此加速度计的压膜阻尼本领减少远超过其一半。另一方面，图1所示的结构则产生了一很大的有效阻尼区，而由于这两个力变换器之间有大的间隔，可使其间的锁定现象减至最低限度，但图1中的布置方式对于横轴上加速度则有较大的共态敏感度。

本发明的第三个最佳实施例示明于图4。此实施例包括的硅片100具有上表面102和下表面104，经蚀刻而形成了由弯曲件110与112连接到支架108上的防护块106。力变换器120与122在校验块106与支架108之间延伸。弯曲件110与112呈圆弧形，可使校验块能相对于围绕一铰接轴HA的前述支架转动，此铰接轴则大致位于上表面102与下表面104之间的中途。

力变换器120与122两者均形成在硅片100的上表面102。力变换器120直接在支架108与校验块106之间延伸，跨越过铰接轴HA。力变换器122也跨越过此铰接轴，并连接在从校验块106伸出之臂130与从支架108伸出之臂132两者之间。结果是这两个力变换器从它们与支架的连接点朝着它们与校验块106的连接点，依相反的方向延伸，形成一种推拉方式的布置。变换器120与122最好在弯曲件110与112之间取中。这样一种配置方式，由于两个变换器聚集于这一中性的结合轴线附近，便减少了对铰接轴加速度的敏感性。这种设计还能有效地利用空间。靠近弯曲件的校验块部分对校验块总的惯性矩或对校验块的阻尼作用，所增加的影响是很小的。通过力变换器120与122之间的臂130提供了声与电的绝缘，并使锁定现象减至最小。变换器120与122间的这种接近的间隔简化了某些驱动形式，例如磁力驱动形式的设计。

以上描述到的所有实施例都可利用多种形式的力变换器。适用的变换器包括已述的振动杆式的谐振器、压敏电阻应力计、压电式变换器（例如氧化锡涂层的），以及表面声波变换器等。振动杆变换器可以应用多种的驱动与位置传感器技术。适用的技术包括磁力的、静电的、压电的与压敏电阻传感器、光学传感器的、电阻式热膨胀驱动以及光学式热膨胀驱动的。在所有的实施例中，需使变换器的热膨胀系数与制造校验块与支架的材料的热膨胀系数相匹配，以使变换器的热应变减至最小，这可以在硅的显微机加工器件中通过控制掺杂浓度来实现。

虽然本发明的最佳实施例业已阐明与描述过，但它们的各种变更型式对于熟悉本项工艺的人是显而易见的。本发明的范围依据后附的权利要求书确定。

Claims (10)

1、在包括有第一与第二变换器(30、32、70、72、120、122)且具有相应的第一与第二纵轴(LA)的加速度计中，将两个力变换器连至一公用的校验块(18、56、106)上而呈推拉式配置，其中，对于沿一量测轴(SA)的一给定的加速度，一个力变换器受到沿其相应纵轴之压力的影响，而另一个力变换器则受到沿其相应纵轴之张力的影响，特征在于：这两个力变换器所处的位置使得它们的纵轴位于一垂直于上述量测轴的公共面34上。

2、如权利要求1的装置，其中所说的加速度计包括有用来装定上述校验块的装置，使之响应于沿该量测轴的加速度而绕一铰接轴（HA）转动，此铰接轴垂直于该量测轴且与上述公共面相平行但分隔开。

3、如权利要求2的装置，其中所说的校验块包括一处于上述公共面上的表面。

4、如权利要求3的装置，其中所述的两纵轴相互平行且近似地平行于一摆轴（PA），后者垂直于前述铰接轴与量测轴同时通过此铰接轴与校验块的质量中心（28）。

5、如权利要求4的装置，其中所述的两个力变换器沿着铰接轴相互分开。

6、如权利要求4的装置，其中所述的两个力变换器分别处于校验块的相对侧。

7、如权利要求5的装置，其中所述用来装定校验块的装置包括至少两个弯曲件（110、112），而那两个力变换器则位于这些弯曲件之间。

8、如权利要求7的装置，其中所述的校验块包括一从此校验块起沿摆动轴按一第一方向伸向一支架的防护块臂（130），其中的支架包括一从此支架沿摆轴按一与此第一方向反向的第二方向伸向校验块的支架臂（132），且其中的两个力变换器中有一个在校验块臂与支架臂之间延伸。

9、如权利要求8的装置，其中所说的校验块臂位于这两个力变换器之间。

10、如权利要求4的装置，其中所说的两个力变换器沿着一条公用线定位。

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