CN1201151C - 加速度检测计 - Google Patents

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Abstract

一加速度检测计包括一个包含质量支撑架在内的机壳和通过一对外弹性构件支撑在该支撑架上的一质量，该对外弹性构件是沿着第一轴线排列的。该质量可包括与该对外弹性构件相连的外质量和通过一些内弹性构件与外质量相连的内质量，该内弹性构件沿着一个或更多轴线排列，这些轴线形成一平面，该外弹性构件的轴线也排列在该平面中。还提供有一用来检测该质量的转动和该内质量的平移的装置。

Description

加速度检测计
                     发明领域
本发明涉及能沿两个轴线方向测量加速度的加速度检测计。
                     已有技术
加速度检测计在业内是众所周知的，而且在很多应用领域，如航空和汽车应用领域中，被用来检测急剧的加速或减速。加速检测计的一个应用例子是它在汽车中气囊展开时的应用。
由于控制系统已变得更加精细，因此就希望不只在一个方向上检测加速或减速，以便使得例如气囊的控制能适应加速/减速的方向。但是，这是很难实现的。一条途径就是提供两个加速度检测计，在两个感兴趣的轴线方向上各安一个加速度检测计。但是精确地对准是困难的，而且这样所形成的装置是庞大而昂贵的。一可供选择的方案是企图制造一个在两个方向上都具有加速/减速敏感性的装置。但是，这样的装置是难于制造的，它往往具有交叉的轴向敏感性(cross-axis sensitivity)，使得沿一个轴向的加速度可影响另一轴向的加速度的输出指示，因而导致错误的指示数。此外，用这样的装置要做到只改变一个轴向的灵敏度而不改变另一轴向的灵敏度常常是很困难的。
本发明的目的在于提供一加速度检测计，它能检测沿两个轴向的加速度，而且结构紧凑，制造简单。此外，本发明的目的还在于提供一具有最小的交叉轴向敏感性的加速度检测计。
                      发明概述
按照本发明可提供一加速度检测计，它包括：
一包含质量支撑架的外壳；
一支撑在该支撑架上的质量；
一支撑装置，用来将该质量支撑在该支撑架上；
一转动检测装置，用来检测该质量相对于至少部分该支撑装置的转动；
一平移检测装置，用来检测该质量相对于至少部分该支撑装置的平移。
该质量可包括：与一对外弹性构件相连的外质量，这对外弹性构件又与该支撑架相连；和用一个或更多内弹性构件与该外质量相连的内质量。在这种情形中，上述弹性构件形成该支撑装置。由较多的内弹性构件构成的支撑装置的一些轴可确定一平面，该外弹性构件的轴也在该平面内。在这种情形，该检测扭应力的装置可由用来检测在上述外弹性构件内所引起的扭应力的装置构成，该扭应力是在该加速度检测计朝一具有一与该内、外弹性构件构成的平面内的第一轴线垂直的分量的方向加速时引起的；
该检测平移的装置可由用来检测在上述内弹性构件内的弯曲应力的装置组成，该弯曲应力是在该加速度检测计朝一与该弹性构件构成的平面垂直的方向加速时引起的。
在这种情形最好具有两对内弹性构件，而且通过一对内弹性构件的轴线与通过另一对内弹性构件的轴线垂直。该内质量是由这两对内弹性构件来支撑的。该内弹性构件的轴线与该外弹性构件的轴线可相互基本成45°。所说的这些轴线确定了一平面。
该加速度检测计最好是用半导体材料来构成，而且可以是具有各向异性的材料，优选的材料是硅。
通过利用一个检测方向的扭应力和另一检测方向的弯曲应力的方法就可能使交叉轴向敏感性降至最低。
最好是将测定该支撑装置内的扭应力的装置安放在一个或更多外弹性构件上，基本处于支撑架与该质量的中间区域。最好将测定该支撑装置内的弯曲应力的装置安放在一对或两对内弹性构件上，靠近该质量的内或外分界处。
最好是，如果该器件是由硅做成，则该测定扭应力的装置就可包括一由四个压敏电阻构成的惠斯通电桥，各压敏电阻基本沿着硅的晶轴(110)安置在该支撑装置上。
对于该测定弯曲应力的装置来说该器件可以用硅形成，该装置在每个内弹性构件上可包括两个压敏电阻，在各个弹性构件的每一端上各一个，或者，如果至少提供有两对内弹性构件的话，则可在每个内弹性构件的一端上包含一压敏电阻。在该内弹性构件上的所有压敏电阻最好是但不是必须彼此平行和沿着硅的<110>晶轴排列。
用提供一内质量和一外质量的方法就可单纯地通过改变外质量的方法来改变在该平面内的方向上的加速度敏感性，而使在其它轴向上的敏感性不变。而且，还可通过改变外质量与内质量的比率而不改变总的质量的方法，也可使一个方向上的敏感性不改变，而使其它方向的敏感性发生变化。这就导致相当大的设计灵活性。
通过对该外弹性构件和内弹性构件进行安排，使两者偏移基本上为45°的角度，该器件就可能利用立方对称的诸如硅的半导体材料的压敏系数相对于该半导体晶面排列取向发生的变化，该加速度检测计就是用这种半导体来制作的。这可使该器件的轴向交叉敏感性降至最低。
                     附图简述
现在将参考下列附图来对本发明的一个例子进行描述：
图1是一本发明的加速度检测计的平面视图；
图2是一带有相关的扭应力检测装置的外弹性构件的平面视图；
图3是一可使用于图1所示例子中的具有相关的内弹性构件和弯曲应力检测装置的两个内质量例子的平面视图；
图4是图1所示例子的一侧视横截面图(沿A-A’剖线)；
图5是一表示压敏系数与硅的晶体取向的关系的曲线图；
图6是本发明的第二例子的一侧视横截面图；
图7是本发明的第三例子的一侧视横截面图。
                   优选实施例描述
参考图1，按照本发明的加速度检测计就能测量沿图所示的两个轴线X，Y的加速/减速。该加速度检测计包括一外壳，它构成一质量支撑架1。附着在该支撑架1上的是一对外弹性构件2、3，它们是沿着与第一测量轴X垂直的轴线排列的。该外弹性构件2、3支撑着质量4，该质量4包括一外质量5和一内质量6。该内质量6被两对内弹性构件7、8和9、10支撑在该外质量5上。两对内弹性构件7、8和9、10相互垂直地处于一平面中，该平面还包含该外弹性构件沿其排列的那个轴，而且两对内弹性构件与该轴基本上成45°。该加速度检测计是用晶体半导体材料，在本例中该材料为硅，这样蚀刻而成，使得一晶轴与内弹性构件7、8或9、10中的一对构件的排列轴线平行。这一点的意义将在下面讨论。
从图1可看出，两个外弹性构件2、3中的一个比另一个长，这是为了将压敏电阻所在的该弹性构件上的扭应力降低至最小。在这个例子中，将一扭应力的测定装置安放在两个外弹性构件中较短的一个3上。从图2可看出，该扭应力测定装置包括四个排列成一惠斯通电桥构形的压敏电阻，而且与外部的检测电路具有电连接12。这些压敏电阻11排列成与该外弹性构件3的轴线基本成45°，并安放在该外弹性构件3的中心，以便使扭应力的测定最佳化。在原则上该检测是可在两个弹性构件上进行的，但为了得到最大的灵敏度，才选择了本安排。当该加速度检测计在测量轴线X的方向加速或减速，或当质量4绕该外弹性构件2、3的排列轴线转动时，就会产生一可通过惠斯通电桥装置的输出检测的扭应力。将可看出，该质量的重心是在该轴线之下，从而可由线加速产生扭力的效果。加速度检测计的该灵敏度可由控制该两外弹性构件2、3的宽度和长度、质量4的总的大小以及该质量4的重心与转动轴线(A-A’)之间的距离来控制。
如上所述，该质量4包括一外质量5和一与之相连的内质量6。如前所述，在这个例子中，该外质量5是通过两对内弹性构件7、8和9、10与该内质量6相连。图3表示出两种可能的弯曲应力检测装置的放置方式，这两种方式都是用来检测该加速度检测计在该第二测量轴线方向Z上加速/减速时，出现在该内弹性构件7、8、9、10中的弯曲应力的。在该第一例子中，压敏电阻13被安置在该两对弹性构件7、8和9、10中的一对或另一对的每个内弹性构件的两端。在第二例子中，压敏电阻则是放置在每个内弹性构件7、8、9、10的一端上。对于业内人士来说将很清楚，该压敏电阻还可有不同的放置方式。最好是，将这些压敏电阻安置成一惠斯通电桥装置，其输出可用来检测弯曲应力，因而可检测该第二测量轴Z方向的加速度。该加速度检测计沿Z轴的灵敏度可以通过，例如，改变该内质量6的大小和该内弹性构件7、8、9、10的尺寸来改变。如果增大该内质量6的大小，则可减小该外质量的大小，以便使该第一测量轴X方向的灵敏度保持在同一水平上。
图4是图1所示例子的主要组成部分的一横截面视图(沿A-A’剖开)。从图4可见，该质量4具有形成在其一个或两个表面上的凹进区域14。在使用时，将本发明的加速度检测计这样安置，使得该质量4被液体或气体所包围，该液体或气体起着阻尼该质量4的任何振动的作用。为了控制该阻尼的水平，就必须很好地控制该质量和上壳(未画出)之间的间隙。如果该机壳是用允许精确加工的材料，例如硅制作，则可将凹进区域做在该壳中来控制上述阻尼。但如果该上壳是用非晶质材料，如玻璃之类制成，这种材料是难于精确蚀刻和与其它部件配合的，就像本发明的情况一样，可在该质量4的上表面产生一凹进区域。阻尼的大小可通过控制在该上壳与该质量4的上表面之间的液体和气体量来控制。这是可行的，而并不影响该外弹性构件2、3或该内弹性构件7、8、9、10的特性。该质量4的凹进区域还可增加该转矩的杠杆长度，因而增大在该X方向的灵敏度。
图5是一表示晶体硅的压敏系数相对于晶体结构的取向角的变化曲线图。从这可以看出，当该排列取向变化45°时，该系数就几乎从零变化到一最大值。这种效果被本发明所利用。在该最大值附近压敏系数随晶体取向变化的该特性可保证压敏检测元件具有一可按受的关于调准不当的允许偏差。外弹性构件上的该压敏检测元件的取向可这样来选择，以便使得外检测装置在弯曲应力作用下产生输出的灵敏度降低到最小。该质量由一内质量和一外质量组成。在该优选的实施例中，该内弹性构件包含有用来测量在Z方向加速过程中产生的弯曲应力的装置，而该外弹性构件中包含有用来测量在该X方向的加速过程中产生的扭应力的装置。显然可以改变该内和外质量的作用功能。那时，该内弹性构件将包含用来测量扭应力的装置而外弹性构件将包含用来测量弯曲应力的装置。
在上述例子中，该X方向的加速度检测实际是由该内外质量联合作用实现的。在该Z方向的加速度检测则是只由该内质量的作用实现的。在这种意义上，该内质量的“两次”利用就减小了实现该加速度检测计所需要的硅的面积。
图6是本发明的第二例子的一视图，它是利用电容检测的。
图7是本发明的第三个例子的一视图，它是利用压电检测的。
将会发现，还可设想出检测质量4的运动，或该外质量5和内质量6分别在独立方向上运动的另一些检测方法。

Claims (15)

1.一种加速度检测计，它包括：
包含一个质量支撑架(1)的机壳；和
通过沿第一轴线排列的一对外弹性构件(2，3)支撑在该质量支撑架上的外质量(5)；
通过多个内弹性构件(7，8，9，10)连接到所述外质量的内质量(6)，该内弹性构件沿一个或多个轴排列，该一个或多个轴构成一个平面，其中该加速度检测计的特征在于：
用于当加速度检测计在所述内弹性构件的平面内的一个方向上加速的过程中，检测外弹性构件中由扭矩产生的剪切应力的装置；和
用于当加速度检测计在垂直于所述内弹性构件的平面的一个方向上加速的过程中，检测内弹性构件中的弯曲应力的装置。
2.按照权利要求1所述的加速度检测计，它是用半导体材料做成的。
3.按照权利要求1所述的加速度检测计，它是用具有各向异性的材料做成的。
4.按照权利要求1所述的加速度检测计，它是用具有压阻特性的材料做成的。
5.按照权利要求1所述的加速度检测计，它是用硅做成的。
6.按照权利要求1所述的加速度检测计，它还包括一上机壳，其中，在使用时，由在该上机壳和一个质量(4)的上表面之间的液体或气体引起的机械阻尼可通过在该上机壳的表面或该质量的上表面上形成一凹进区来控制。
7.按照权利要求1所述的加速度检测计，其特征在于：用来测定该内弹性构件(7，8，9，10)上的弯曲应力的装置在每个内弹性构件上都包括两个压敏电阻，在每个弹性构件的每一端上各安置一个。
8.按照权利要求1所述的加速度检测计，其特征在于：该内弹性构件(7，8，9，10)的轴线和该外弹性构件(2，3)的轴线相互成45°的夹角。
9.按照权利要求1所述的加速度检测计，其特征在于：该内质量(6)是由两对内弹性构件(7，8，9，10)支撑的，这两对内弹性构件是这样安置的，使得该两对构件相互垂直，而且两对内弹性构件与该外弹性构件(2，3)的轴线共处同一平面。
10.按照权利要求9所述的加速度检测计，其特征在于：用来检测内弹性构件中的弯曲应力的装置在每个内弹性构件的一端上包括一压敏电阻。
11.按照权利要求9所述的加速度检测计，其特征在于：用来检测内弹性构件中的弯曲应力的装置被放置在靠近该内质量或外质量(6)或外质量(5)的位置处的一对或两对内弹性构件上。
12.按照权利要求1所述的加速度检测计，其特征在于：用来检测扭应力的装置包括一由四个压敏电阻形成的惠斯通电桥，各压敏电阻都安置在沿单一方向的一个或多个外弹性构件(2，3)上。
13.按照权利要求1所述的加速度检测计，其特征在于：该外弹性构件中的一个(2)比另一个(3)长。
14.按照权利要求1所述的加速度检测计，其特征在于：该检测弯曲和扭应力的装置是压电的。
15.按照权利要求1所述的加速度检测计，其特征在于：该弯曲应力和扭应力的检测可通过电容检测独立进行。
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