CN1543573A - 小尺寸高电容读出的基于硅的微机械加工机电检测器加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明披露了一种用于检测加速度和其它力的装置和方法。所述装置具有盖板(12，204)，所述盖板包括内部部分和外部部分，所述内部部分形成有多个间隔开的电极(16)，这些电极从所述盖板上伸出并在其间限定间隔(28)；以及校验质量体(202)，其具有形成有多个间隔开的电极(24)的内部部分，这些电极从所述校验质量体上伸出并在其间限定间隔(30)，一个外部部分，其和所述盖板的外部部分相连，所述电极和所述盖板的电极电气绝缘，并且所述校验质量体的电极和间隔与所述盖板的电极和间隔对准，使得当校验质量体的内部部分(206)朝向盖板偏移时，校验质量体的电极进入盖板电极(16)之间的间隔，以及柔性的悬挂件(38)，其被连接在内部和外部校验质量体部分之间。

Description

小尺寸高电容读出的基于硅的 微机械加工机电检测器加速度计

技术领域

本发明涉及力和加速度测量装置与方法，尤其涉及微机械加工机电检测器(MEMS)力和加速度测量装置，其中在具有高的传感灵敏度的小而坚固的装置中使用圆环膜片弯曲部分。

背景技术

用于许多不同的应用的微机械加工机电检测器(MEMS)力和加速度测量装置的制造是熟知的。一些应用需要提供非常精确的测量的装置，而另一些应用则需要能够承受极大的撞击和振动环境的装置。

一些应用需要在极端的动态环境中进行力的测量。例如，如果需要对枪发射的子弹进行弹上加速度检测，则提供这种检测的加速度计必须具有高的传感灵敏度，并且必须能够在高G范围内操作，以及具有高G耐冲击能力特性。用于枪射击中的加速度计还必须具有低的交叉轴线(cross-axis)灵敏度特性。所有这些特征必须被包含在成本低的、体积小的加速度计装置中。不幸的是，已知的加速度计装置缺乏一个或几个上述的特征。

发明内容

本发明提供一种廉价的力测量装置，其在高G输入范围内具有高的传感灵敏度，可以在高G冲击环境下操作，和现有技术的装置和方法相比，其中提供一种电容传感的力传感器，其具有带有被分开的齿形电极的校验质量体，所述校验质量体被环形悬挂件悬挂着。本发明的装置提供容易实现的制造改进，以便借助于改变环形悬挂件的刻蚀时间在输入范围和传感灵敏度之间折衷。或者借助于增大或减小环形悬挂件的面积实现输入范围和传感灵敏度的折衷。

本发明的装置和方法提供一种具有盖板和校验质量体的力检测装置，其中所述盖板包括内部部分和外部部分，所述内部部分由多个间隔开的第一电极构成，这些电极从所述盖板上伸出，在其间限定第一间隔；并且所述校验质量体包括内部部分，其由多个间隔开的第二电极构成，这些电极从所述校验质量体上伸出，在其间限定第二间隔，一个外部部分，其和所述盖板的外部部分相连，使得所述第二电极和所述第一电极电气绝缘，并且所述第二电极和间隔与所述第一电极和间隔对准，使得当校验质量体的内部部分朝向盖板的内部部分偏移时，所述第二电极进入第一间隔，所述第一电极进入第二间隔，以及柔性的悬挂件，其被连接在其内部部分和外部部分之间。

按照本发明的一个方面，实施一种本发明的力检测装置，其具有一个环形的弯曲部分和在盖板以及校验质量体内的电极，它们被构成为配合的多个重叠的同心环。

按照本发明的另一方面，本发明的力检测装置被实施为一种双层的力检测器，其由基本上是圆的第一和第二半导体衬底构成，这些衬底各自具有基本上是平面的且平行的相对偏移的顶部表面和底部表面；在第一衬底内形成底部盖板，所述底部盖板包括：从顶部表面的中心部分伸出的直立并且间隔开的电极的模型体，以及从顶部表面的周边边缘部分伸出的直立的环形隆起部分；并且一个校验质量体被形成在第二衬底内，所述校验质量体包括：配合的直立的环形隆起部分，其从顶部表面的周边边缘部分伸出，并被固定到底部盖板的隆起部分上，从环形隆起部分柔性地悬挂着的中心部分，以及直立的被隔开的电极的配合的模型体，所述电极的配合的模型体从底部表面的中心部分伸出，并相对于底部盖板的顶部表面上的电极的模型体偏移，使得当校验质量体的配合的环形隆起部分和底部盖板的顶部表面上的环形隆起部分接合时，配合的电极的模型体在底部盖板上的电极的模型体之间通过。

按照本发明的另一方面，校验质量体被形成为一个从所述环形隆起部分悬挂着所述中心部分的环形弯曲部分。

按照本发明的另一个方面，在底部盖板的顶部表面上的电极的模型体和在校验质量体的底部表面上的电极的配合的模型体的每一个还被形成为同心的环形电极的模型体。

按照本发明的另一个方面，在校验质量体的底部表面上的配合的环形隆起部分借助于绝缘粘结剂与底部盖板的顶部表面上的环形隆起部分固定。

按照本发明的另一个方面，本发明的力检测装置被实施为一种用于闭环操作的三层力检测器，其具有位于第一和第二盖板之间的校验质量体。相应地，所述三层力检测器由第一和第二盖板构成，每个盖板被形成在各自的基本上是圆的第一和第二半导体衬底内，这些衬底具有基本上是平面的且平行的相对偏移的第一和第二表面，第一和第二盖板的每一个的第一和第二表面之一具有环形结合区域，以及位于环形结合区域内的中心部分，中心部分具有多个直立的隔开的从其伸出的电极；以及被设置在第一盖板的第一表面和第二盖板的第一表面之间的校验质量体，所述校验质量体被形成在基本上是圆的第三半导体衬底内，衬底具有基本上是平面的且平行的相对偏移的第一和第二表面，所述第一和第二表面的每一个具有环形结合区域，在第一和第二校验质量体表面上的环形结合区域的每一个与第一和第二盖板之一的环形结合区域连接，一个中心部分位于所述环形结合区域内，并具有多个直立的从其伸出的被隔开的电极，从校验质量体的第一侧伸出的每个电极和在从第一盖板的表面伸出的被隔开的电极之间形成的空隙对准，从校验质量体的第二侧伸出的每个电极和在从第二盖板的表面伸出的被隔开的电极之间形成的空隙对准，并且一个整体的环形悬挂件从环形结合区域悬挂着中心部分。

按照本发明的另一个方面，提供一种用于测量沿着测量轴线输入的力的方法，所述方法包括相对于直立电极的第二模型体电绝缘直立电极的第一模型体；相对于所述电极的第二模型体悬挂所述电极的第一模型体，使得第一电极能够移动到在第二电极之间的凹槽中；在所述第一和第二电极之间产生电容；根据所述电极的第一模型体相对于所述电极的第二模型体的位移改变所述电容，以及测量所述电容的改变。

按照本发明的方法的另一个方面，相对于所述电极的第二模型体可运动地悬挂所述电极的第一模型体的步骤包括悬挂所述电极的第一模型体，使得基本上沿着测量轴线移动。

按照本发明的方法的另一个方面，悬挂所述电极的第一模型体以便相对于所述电极的第二模型体移动的步骤包括把所述电极的第一模型体的运动基本上限制为沿着测量轴线的运动。

按照本发明的方法的另一个方面，所述方法还包括限制所述电极的第一模型体相对于所述电极的第二模型体的运动。

按照本发明的方法的另一个方面，所述方法还包括使所述直立电极的第三模型体相对于直立电极的第四模型体电绝缘；与所述电极的第一模型体组合并相对于所述电极的第四模型体悬挂所述电极的第三模型体，以便使所述第三电极能够移动进入在第四电极之间的凹槽内；在所述第三和第四电极之间产生电容；根据所述电极的第三模型体相对于所述电极的第四模型体的位移改变电容；以及测量由于所述电极的第三模型体相对于所述电极的第四模型体的位移而引起的电容的改变。

附图说明

本发明的上述的方面以及许多伴随的优点通过结合附图参看下面的说明将会更加清楚地看出和更好地理解，其中：

图1表示作为两层开环力或加速度检测器实施的本发明；

图2表示重叠的环形传感电极的同心的行，所述电极构成有比壁到壁的距离大得多的重叠的长度，其在所需的正-负输入范围内提供最佳的线性传感灵敏度，同时使寄生或杂散电容最小；

图3表示作为两层开环单向力或加速度测量装置实施的本发明；以及

图4表示作为三层闭环力或加速度检测器实施的本发明。

具体实施方式

在附图中，相同的标号表示相同的元件。

本发明是一种用于廉价的力测量器件的设备和方法，其在高G输入范围内具有高的传感灵敏度，其在高G冲击环境下可以承受和操作。如图1所示并在下面详细说明的，本发明作为开环操作的成本低的两层的力或加速度传感装置10被实施。图1的加速度计装置10包括基本上是圆形的底座或盖板12，其由基本上是平面的半导体衬底14构成，具有多个分开的导电的传感件或电极16a、16b、16c-16n的模型体16，它从一个平的表面的中心部分向外延伸。在盖板12的周边边沿上形成环状的隆起部18作为连接表面。

在另一个基本上是平面的半导体衬底22中，形成基本上是圆形的校验质量体22，其具有第二模型体24，包括多个分开的、导电的、从一个平面的中心部分向外延伸的传感件或电极24a，24b，24c-24n。由传感电极组成的第二模型体24的结构使得其相对于由在盖板12中形成的传感电极组成的第一模型体16偏移。因而由传感电极组成的第二模型体24的结构使得和在盖板12上形成的传感电极16配合。校验质量体20的周边部分具有环形的隆起部分26，其构成一个和周边连接表面18配合的连接表面，用于把校验质量体固定到盖板12上，使得在校验质量体上的传感电极24相对于在盖板12上的传感电极16以错开的方式对准。

在盖板12和校验质量体20的一个或二者的各自的传感电极16，24的下方，周边隆起部分18，26被形成凹槽到这样的程度，使得在校验质量体20上的第二传感电极24在盖板12上的第一传感电极16之间通过并重叠，如同两个梳子的齿那样。当加速度或另外的力使得校验质量体20朝向或者远离盖板12偏移时，在第一和第二传感电极16，24之间形成的电容则发生改变，因而代表输入的力或加速度的一个模拟信号便被输出到由电信号线或轨迹(未示出)组成的模型体，所述电信号线或轨迹利用常规方法被形成在盖板12或校验质量体20的周边隆起部分18，26上。

在图1中，力检测装置10是一种利用半导体材料采用常规的微机加工技术制造的微机加工的机电检测器(MEMS)力或加速度测量装置。盖板12和校验质量体20被形成在各自的衬底14，22内，它们由单晶硅材料制成，具有基本上是平面的结构，即具有基本上平的且平行的相对偏离的上下表面。

按照图1的实施例，由传感电极16，24组成的两个配合的模型体的每一个呈多个同心的、分开的分别从盖板12和校验质量体20伸出的齿构成的环的形式。盖板12和校验质量体20采用深反应离子刻蚀(DRIE)技术制成，使得形成在装配时重叠的传感电极16，24的配合的同心圆环模型体。在装配时，在校验质量体20上的同心环形传感电极24a-24n配装在盖板12上的同心环形传感电极16之间形成的凹槽28a，28b，28c-28n的同心模型体28中，同时在盖板12上的同心环形传感电极16配装在校验质量体20上的同心环形传感电极24之间形成的凹槽30a，30b，30c-30n的同心模型体30内。这样，两组同心环形传感电极16a-16n以及24a-24n被装配在一起，并如同一对梳子的齿一样在各自的凹槽30a-30n以及28a-28n之间重叠。

盖板12或校验质量体20各自包括互锁结构或标板，用于使两组传感电极16，24和各自的凹槽30，28对准。具有对准坑、接片或其它互锁结构，用于在盖板12和校验质量体20的装配和连接期间提供和保持两组传感电极16，24的精确的定位，即间隔。例如，校验质量体20的环形隆起部分26具有位标台阶和缺口的模型体32，其和盖板12的环形隆起部分18上的位标台阶和缺口的匹配模型体匹配，用于使校验质量体20上的传感电极24相对于盖板12内形成的传感电极16以错开的形式对准。当按照图1所示被配置时，位标台阶和缺口的匹配模型体32，24提供侧向或交叉轴线对准和转动对准。位标台阶和缺口的模型体32，34的配置使得作为啮合的齿轮齿操作，用于以交叉的方式对于基本上每一个侧向提供位标台阶和缺口的互连，从而确保侧向对准和转动对准。

盖板12和校验质量体20例如利用粘结剂被连接在一起，同时保持相互电绝缘。已知的绝缘粘结剂36可以提供盖板12和校验质量体20之间的电绝缘。例如，在盖板12和校验质量体20的外边沿18，26的周围，在位标台阶和缺口的相对的模型体32，34中设置有连接垫，粘结剂36，例如是一种填充有隔离绝缘填充球的预成型件或玻璃粉材料，用于提供具有相互电绝缘的基本上永久的连接。把校验质量体20和盖板12基本上永久地连接在一起使得固定两组传感电极16，24的相互相对的对准。

校验质量体20具有环形的悬挂件38，其连接在凸出有传感电极16的中央部分40和周边上的环形隆起部分26之间。悬挂件38包括环形膜片弯曲部分42，其形成为一个具有较小厚度材料的环形区域，并利用DRIE制成，使得和中央部分40和环形隆起部分26形成一个整体。材料的厚度和宽度确定膜片弯曲部分42的顺从性或弹性系数。也使用DRIE通过膜片弯曲部分42的厚度形成多个释放孔44的任选的环形模型体，用于设置初始的粗略的顺从性。

在操作中，环形膜片弯曲部分42提供极好的电路设计对称性，其导致非常高的输入灵敏度和非常低的交叉轴线灵敏度，这对于高动态应用是重要的。通过改变顺从性，环形悬挂件38的较大周边允许在灵敏度和输入力或者G范围能力之间进行折衷，使得不牺牲低的交叉轴线灵敏度。此外，悬挂件38的环形结构在悬挂件的平面内具有大的刚性，当装置10受到大的侧向冲击负荷时，这保护其免遭破坏。

选择地，盖板12和校验质量体20中的任何一个或者两者(如图所示)包括可调节的中心冲击止动件46，用于甚高冲击负载应用。提供的冲击保护的程度通过缩短或延长相对表面(所示为在盖板12上)上的冲击止动销46的端部和止动件48之间的的直线距离而增加或减少。止动件48任选地从盖板12的表面朝向冲击止动销46向上凸出。在冲击止动销46和止动件48之间的间隙小于电极16，24的端部和相对表面内的相应的凹槽30，28的底部之间的间隙。因而，中心冲击止动销46和止动件48配合，限制校验质量体相对于盖板12的行进，因而对应用提供非常高的耐冲击性，例如枪射击的弹药控制和制导应用，其中耐冲击性是重要的。

利用常规方法使传感电极16，24具有导电性，例如导电地搀杂各个硅衬底14，22的传感电极16，24上的外延表面层。硅衬底14，22例如包括导电地搀杂的上硅层或“活性”层，其借助于一个绝缘层和各个下面的衬底电气绝缘，或者在活性层上施加一个绝缘层，如美国专利5948981所述，该专利的名称为“VIBRATING BEAMACCELEROMETER”，公开日为1999年9月7日，并被转让给本申请的受让人，该专利的全文被包括在此作为参考。绝缘层可以是一个氧化物薄层，其厚度例如大约为0.1-10.0微米，例如氧化硅层。硅衬底14，22可以通过氧化活性层和下方的衬底并将它们粘合在一起而成。可以除去活性层的一部分，使得其具有所需的厚度。氧化硅层在一个宽的温度范围内保持其绝缘性能，从而确保在100摄氏度级别的高的操作温度下具有有效的机械谐振器性能。此外，在制造期间，绝缘层阻止了不期望的活性层的刻蚀。

或者，导电材料例如金被溅射涂覆或者沉积到传感电极16，24的非搀杂的硅表面上。

传感电极16，24的导电部分和被形成在盖板12和校验质量体20的一个或两者的周边隆起部分18，26上的电信号线相连。在操作中，信号线用于对盖板12和校验质量体20提供激励信号，借以在传感电极16，24的导电部分之间形成电容。

图2表示几行同心的重叠的环形传感电极16，24的每行的结构，其中具有壁对壁的间隔S和重叠长度L，用于在所需的正负输入范围内(+/-G)提供最佳的线性传感灵敏度，同时使寄生电容或杂散电容减到最小。可以从传感电极16，24的端面上除去一部分导电外延层或材料，以便进一步减小寄生电容或杂散电容。在传感电极16，24之间的凹槽28，30仅仅略宽于装配在其间的传感电极16，24，使得重叠的传感电极16，24之间的间隔和凹槽28，30的深度相比非常小。例如，重叠的额定长度L大约大于重叠的传感电极16，24之间的壁到壁的间隔S10-100倍，或者更大。因而，在传感电极16，24的边缘的寄生或杂散电容被减到最小，并且当响应使校验质量体20朝向或离开盖板12偏移的正负施加的加速度或其它力，传感电极16，24进入或撤出凹槽28，30时，在交替的盖板以及校验质量体的传感电极16，24的相对面之间形成的电容基本上线性地改变。电容的线性改变使得能够输出基本上是线性的代表输入的力或加速度的模拟信号。

重叠的同心环形传感电极16，24的模型体导致大的传感面积，这使得在一个体积相当小的封装中的线性电容传感灵敏度最大。不过，也可以根据本发明想出重叠传感电极16，24的其它结构。例如，相互配装的多边销的相对的偏移栅格，或者根据本发明也可以想出配装在相对部分的匹配孔内的在盖板12或校验质量体20的一个上的多边销的栅格，这些都被认为是这里所述的重叠同心环形传感电极16，24的等同方案。

使用深反应离子刻蚀(DRIE)或其它合适的刻蚀技术形成所有的特征使得能够通过处理步骤改变而不需主要的掩模改变便可以容易地调整灵敏度、范围和最大范围。如上所述，利用尺寸和结构控制，通过使用膜片弯曲部分42的布置、宽度和厚度，以及释放孔44的布置、数量和尺寸，以便设置悬挂件38的柔性来调节灵敏度、范围和最大范围。重叠的传感电极16，24的导电表面的长度、宽度和面积以及凹槽28，30的宽度确定在配合的传感电极16，24之间的间隔S和重叠长度L。中心冲击止动销46和配合的止动件48的长度确定其间的间距和校验质量体20朝向盖板12的最大偏移。借助于暴露在减少应力集中面积的最终的各向同性刻蚀，使得盖板12和校验质量体20二者更加坚固。

电信号线或轨迹(未示出)的模型体被形成在传感电极16，24和盖板12或校验质量体20任何一个的外表面之间，用于驱动装置10和读出输出信号。

图3表示作为也是开环操作的另一个低成本的双层力检测或加速度检测装置100实施的本发明的成本低的力测量装置。按照图3的实施例，构成装置100的方法和构成图1和图2所示的装置10的方法类似。不过，装置100基本上是一种单向的测量装置。如图所示，装置100包括底板或盖板102，以及校验质量体104。盖板102包括传感电极106的模型体，和在其间形成的凹槽108交替排列。校验质量体104包括和凹槽112交替排列的配合的传感电极110的模型体。于是，装配在一起时，校验质量体104的传感电极110和凹槽112相对于盖板102的传感电极106和凹槽108偏离。如上所述，盖板102和校验质量体104各自包括各自的环形隆起部分114和116，它们被沿着周边设置，并且包括用于对准传感电极106，110的装置，以便当被强制接合时进入在相对的传感电极110，106之间的凹槽112、108中。

和图1、图2的实施例相比，传感电极106，110被形成与环形隆起部分114和116齐平，或者在环形隆起部分114，116的下方，使得传感电极106，110在常态下相互脱离，即不进入相对部件中的凹槽112，108内。因而，在操作时，在加速度或其它的力施加而使校验质量体104朝向盖板102偏移之前，传感电极106，110位于相对部件中的接合槽112，108开口处或者所述开口附近，但是不进入所述的槽。在传感电极106，110的外壁和各自的凹槽112，108的内壁之间形成的电容处于其最小值。施加一个使悬挂件38弯曲并使校验质量体104朝向盖板102偏移的力便引起传感电极106，110朝向相对部件运动而进入各自的凹槽112，108。在传感电极106，110和凹槽112，108之间发生重叠，所述重叠随着校验质量体104的偏移的增加而增加。校验质量体104朝向盖板102的偏移作为加速度或其它的施加的偏转力的函数而增加。在另一方面，作为收回力或反向偏移力的函数的校验质量体104离开盖板102的收回仅仅增加传感电极106，110和凹槽112，108之间已经存在的间隙，不会显著地改变电容的值。

因为只有校验质量体104朝向盖板102偏移时电容才从当未施加力时的常态最小值增加，装置100基本上是一种单向测量装置。

图4表示作为三层的力或加速度检测装置200实施的本发明，其具有双侧的导电的并且重叠的传感电极，以及用于闭环、高性能操作的操作元件。图4是表示所述三层的截面图，其中包括底部盖板12，双侧的校验质量体202，附加的顶部盖板204，以及用于高性能应用的装置200的差值闭环操作的电子控制部分。

底部盖板12保持其在衬底14中形成的圆形结构，并且包括沿着其周边形成的环形隆起部分18。环形隆起部分18包括上述的位标台阶和缺口的模型体34，用于使在校验质量体202底侧上的传感电极24以偏移的方式相对于从底部盖板12伸出的容性传感电极16对准，并位于传感电极之间形成的凹槽28内。

顶部盖板204的结构基本上和底部盖板12相同，也是在硅衬底14内形成的圆形结构。顶部盖板204包括从其中心部分朝向双侧校验质量体202伸出的容性传感电极16的模型体。沿着顶部盖板204的周边形成有环形隆起部分18。环形隆起部分18包括上述的位标台阶和缺口的模型体34，用于使在校验质量体202顶侧上的传感电极24以偏移的方式相对于从底部盖板12伸出的传感电极16对准，并位于传感电极之间形成的凹槽28内。

校验质量体202包括悬挂的中心部分206，其借助于悬挂件38从沿其周边形成的第二环形隆起部分208悬挂着，悬挂件38被形成在其间，并与之成为一个整体。悬挂件38包括环形膜片弯曲部分42，并可以包括在其中形成的多个释放孔44的任选的环形模型体的部分或全部。借助于悬挂件38提供的外箍悬挂导致高的交叉轴线刚度，这使得装置200对交叉轴线输入具有非常低的灵敏度。这个特征对于高G输入的动态三轴线应用是尤其有用的。

校验质量体的中心部分206包括从其一侧朝向底部盖板12伸出的在其间形成有凹槽30的容性传感电极24的第一模型体。中心部分206还包括从其相对侧朝向顶部盖板204伸出的并在其间形成有第二组凹槽30的容性传感电极24的第二模型体。第二组传感电极24和凹槽30被构成使得相对于顶部盖板204上的传感电极16和凹槽28偏移，从而传感电极16，24接合并装配在相对部件之间的凹槽30，28内。

校验质量体202的环形隆起部分208包括在其顶部和底部表面上的上述的位标台阶和缺口的标板模型体32，其和沿着底部和顶部盖板12，204的周边的匹配模型体34匹配。如上所述，在隆起部分208的底面和顶面上的标板模型体32和在底部与顶部盖板12，204上的匹配标板模型体配合，用于使在校验质量体202的底面和顶面上的传感电极24以及凹槽30和各个底部与顶部盖板12，204上的凹槽28以及传感电极16对准。

任选的冲击止动销46被形成在校验质量体202的顶面和底面上，冲击止动件48被形成在相对的底部盖板和顶部盖板12，204上，如图所示和如上所述。或者，冲击止动件48被形成在校验质量体202的两侧上，冲击止动件46被形成在底部和顶部盖板12，204的相对的表面上。在冲击止动件46和止动件48之间的间隙50小于电极16，24的端部和相对表面内的相应的凹槽30，28的底部之间的间隙。这样，中心冲击止动销46和止动件48配合，限制校验质量体202相对于底部和顶部盖板12，204的行进。

三层的力检测装置的3个部分，即校验质量体202以及底部和顶部盖板12，204借助于使用上述的已知的绝缘粘结剂36和粘结技术连接成一个紧凑的单元，也可以具有包括附加层的改型。如上所述，粘结处理还确保在校验质量体202的导电表面和底部与顶部盖板12，204的每个的导电平面之间的电绝缘。

在装配好的装置200中，校验质量体202基本上位于底部和顶部盖板12，204之间的中心位置，使得从中心部分206的相对表面伸出的容性传感电极24的第一和第二模型体和从各个底部和顶部盖板12，204伸出的容性传感电极16重叠基本相同的程度，使得当校验质量体202处于静止状态时，在底部盖板12上的传感电极16和在校验质量体202的底面上的传感电极24之间的电容基本上等于在顶部盖板204上的传感电极16和在校验质量体202的顶部表面上的传感电极24之间的电容。因而装配好的装置200基本上是关于通过双侧校验质量体202的中心的水平轴线H为对称的结构。

在传感电极16，24和盖板12或校验质量体20中任何一个的外表面之间形成电信号线或轨迹(未示出)的模型体，用于驱动装置10和读取输出信号。

使用公知类型的电路操作装配好的装置，用于把时变电压加于每个电容器上，使得可以利用流过电容器的电流作为电容差的量度，所述电容差是由于校验质量体202从其在底部和顶部盖板12，204上形成的电容器板之间的中间的位置偏移引起的。由底部和顶部盖板12，204的电极16的导电表面形成的电容器板构成检测电路的一部分，用于检测校验质量体202的位置。

因而，这种加速度计包括用于检测校验质量体202相对于底部和顶部盖板12，204的位置的检测电路，第一电容器板被形成在校验质量体202的一个表面上的电极24的导电表面上，并且第二电容器板被形成在底部和顶部盖板12，204之一上的电极16的邻近的导电表面上。第三电容器板被形成在校验质量体202的另一个表面上的电极24的导电表面上，并且第四电容器板被形成在底部和顶部盖板12，204的另一个的电极16的邻近的导电表面上。所述检测电路测量所述第一和第二板之间以及所述第三和第四板之间的电容。由校验质量体202相对于底部和顶部盖板12，204的运动引起由检测电路测量的电容的改变，所述改变便是施加于装置200上的力或加速度的量度。

借助于校验质量体202的再平衡实现图4所示的三层力或加速度检测器的闭环操作。外盖板12，204及其传感电极16被相反地操作。盖板12，204之一由同相的时变或AC激励信号来激励，而另一个则被异相地激励，并且一个板被注入正的直流偏压+VDC，而另一个板被注入负的直流偏压-VDC。校验质量体202的每个相对侧对于来自相应的底部或顶部盖板12，204的同相和异相激励信号之一是一个传感器。例如，在校验质量体处于电零点时，传感信号是平衡的，因而解调的误差信号是0(0V)。响应加速度或力的输入，校验质量体202偏移，这引起在校验质量体202的相对侧上的检测到的激励信号的不平衡，因而得到解调的误差信号。所述误差信号被放大，并使用常规的电子电路整形，从而提供一个正的或负的电压，该电压和加在外板12，204上的+/-直流偏压结合给出差动推拉静电再平衡力。所述再平衡力差动地迫使校验质量体202回到近似零位，用于维持校验质量体202在零位所需的电子电荷或电压的测量值便是施加于传感器200上的加速度或力的记录。

虽然说明了本发明的优选实施例，但是应当理解，在本发明的范围和构思内，可以作出各种改变。

Claims (35)

1.一种力检测装置，包括：

具有内部部分和外部部分的盖板，所述内部部分由多个间隔开的第一电极构成，这些电极从所述盖板上伸出，在其间限定第一间隔；以及

校验质量体，所述校验质量体包括：

内部部分，其由多个间隔开的第二电极构成，这些电极从所述校验质量体上伸出，在其间限定第二间隔，

外部部分，其和所述盖板的外部部分相连，其中所述第二电极和所述第一电极电气绝缘，并且所述第二电极和间隔与所述第一电极和间隔对准，使得当校验质量体的内部部分朝向盖板的内部部分偏移时，所述第二电极进入第一间隔，所述第一电极进入第二间隔，以及

柔性的悬挂件，其被连接在所述内部部分和外部部分之间。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述柔性的悬挂件还包括环形弯曲部分。

3.如权利要求1所述的装置，其中所述柔性的悬挂件还包括在其中形成的多个通路。

4.如权利要求1所述的装置，其中所述盖板和校验质量体的外部部分还包括基本上围绕着各自的内部部分的环形环部分。

5.如权利要求1所述的装置，其中所述盖板和校验质量体的各自的内部部分还包括基本上圆形的区域。

6.如权利要求1所述的装置，其中所述间隔开的第一和第二电极各自还包括多个同心环。

7.如权利要求1所述的装置，其中所述盖板和校验质量体的每个的外部部分还包括配合结构，用于使所述第二电极和间隔与所述第一电极和间隔对准。

8.如权利要求1所述的装置，还包括具有内部部分和外部部分的第二盖板，所述内部部分由多个间隔开的第三电极构成，这些电极从所述盖板上伸出，在其间限定第三间隔；以及

其中所述校验质量体包括：

第一和第二侧，所述第一侧由多个间隔开的第二电极构成，所述第二侧由多个间隔开的第四电极构成，这些电极从所述第二侧上伸出并且在其间限定第四间隔，所述第二和第四电极是相互电绝缘的，以及

外部部分，其和所述第二盖板的外部部分相连，其中所述第四电极和所述第三电极电气绝缘，并且所述第四电极和间隔与所述第三电极和间隔对准，使得当校验质量体的内部部分朝向第二盖板的内部部分偏移时，所述第四电极进入第三间隔，所述第三电极进入第四间隔。

9.一种力检测装置，包括：

具有基本上是平面的且平行的相对偏移的第一和第二表面的盖板，所述第一表面包括基本上被周边边缘部分包围着的间隔开的电极的第一直立模型体；以及

具有基本上是平面的且平行的相对偏移的第一和第二表面的校验质量体，所述第一表面包括间隔开的电极的第二直立模型体，该第二直立模型体基本上被一个膜片弯曲部分包围着，并被所述膜片弯曲部分从一个周边边缘部分悬挂着，所述第二模型体的间隔开的电极被构成为在所述第一模型体的间隔开的电极之间通过；以及

连接在所述盖板的周边边缘部分和所述校验质量体的周边边缘部分之间的粘结剂。

10.如权利要求9所述的装置，其中所述粘结剂还包括在第一和第二电极之间的电绝缘体。

11.如权利要求9所述的装置，其中所述盖板和校验质量体的每个的周边边缘部分还包括直立的环形隆起部分。

12.如权利要求9所述的装置，其中所述间隔开的第一电极的模型体和所述间隔开的第二电极的模型体还包括各自的、配合的、同心的、间隔开的环形电极的第一和第二模型体。

13.如权利要求9所述的装置，还包括：

具有基本上是平面的且平行的相对偏移的第一和第二表面的第二盖板，所述第一表面包括基本上被周边边缘部分包围着的间隔开的电极的第三直立模型体；以及

被连接在所述第二盖板的周边边缘部分和所述校验质量体的第二表面的周边边缘部分之间的粘结剂；以及

其中所述校验质量体的第二表面还包括间隔开的第二电极的第四直立模型体，该第四直立模型体基本上被膜片弯曲部分包围着，并被所述膜片弯曲部分从所述第二表面的周边边缘部分悬挂着，所述第四模型体的间隔开的电极被构成为在所述第三模型体的间隔开的电极之间通过。

14.一种力检测器，包括：

用于使直立电极的第一模型体相对于直立电极的第二模型体电气绝缘的装置；

用于使电极的第一模型体相对于电极的第二模型体悬挂的装置，使得所述第一电极能够移动进入第二电极之间的凹槽内；

用于在所述第一和第二电极之间产生电容的装置；以及

用于根据电极的第一模型体相对于电极的第二模型体的位移测量电容的改变的装置。

15.如权利要求14所述的检测器，其中所述用于悬挂电极的第一模型体以便相对于所述电极的第二模型体移动的装置还包括用于使所述电极的第一模型体相对于所述电极的第二模型体对准的装置。

16.如权利要求14所述的检测器，其中所述用于使电极的第一模型体相对于电极的第二模型体对准的装置还包括用于使电极的第一模型体相对于电极的第二模型体侧向地对准的装置。

17.如权利要求14所述的检测器，其中所述用于使电极的第一模型体相对于电极的第二模型体对准的装置还包括用于使电极的第一模型体相对于电极的第二模型体转动地对准的装置。

18.如权利要求14所述的检测器，其中所述用于悬挂电极的第一模型体以便相对于电极的第二模型体移动的装置还包括用于将电极的第一模型体的移动限制为基本上沿测量轴线移动的装置。

19.如权利要求14所述的检测器，还包括用于限制电极的第一模型体相对于电极的第二模型体的移动的装置。

20.如权利要求14所述的检测器，还包括用于使直立电极的第三模型体相对于直立电极的第四模型体电气绝缘的装置；以及

其中：

用于使电极的第一模型体相对于电极的第二模型体悬挂的装置还包括用于与电极的第一模型体组合并相对于电极的第四模型体悬挂电极的第三模型体的装置，以便使第三电极能够移动进入第四电极之间的凹槽内；

用于在所述第一和第二电极之间产生电容的装置还包括用于在第三和第四电极之间产生电容的装置；以及

用于根据电极的第一模型体相对于电极的第二模型体的位移测量电容的改变的装置还包括用于根据电极的第三模型体相对于电极的第四模型体的位移测量电容的改变的装置。

21.一种双层的力检测器，包括：

基本上是圆的第一和第二半导体衬底，各自具有基本上是平面的且平行的相对偏移的顶部表面和底部表面；

在第一衬底内形成的底部盖板，所述底部盖板包括：

从顶部表面的中心部分伸出的直立并且间隔开的电极的模型体，以及

从顶部表面的周边边缘部分伸出的直立的环形隆起部分；以及

形成在第二衬底内的校验质量体，所述校验质量体包括：

配合的直立的环形隆起部分，其从底部表面的周边边缘部分伸出，并被固定到底部盖板的隆起部分上，

从环形隆起部分柔性地悬挂着的中心部分，以及

直立并且间隔开的电极的配合的模型体，所述电极的配合的模型体从底部表面的中心部分伸出，并相对于底部盖板的顶部表面上的电极的模型体偏移，使得当校验质量体的配合的环形隆起部分与底部盖板的顶部表面上的环形隆起部分接合时，配合的电极的模型体在底部盖板上的电极的模型体之间通过。

22.如权利要求21所述的检测器，其中校验质量体还包括从环形隆起部分悬挂着中心部分的环形弯曲被分。

23.如权利要求21所述的检测器，其中在底部盖板的顶部表面上的电极的模型体和在校验质量体的底部表面上的电极的配合的模型体各自还包括同心的环形电极的模型体。

24.如权利要求21所述的检测器，还包括绝缘粘结剂，用于将校验质量体的底部表面上的配合的环形隆起部分与底部盖板的顶部表面上的环形隆起部分固定。

25.如权利要求21所述的检测器，还包括：

基本上是圆的第三半导体衬底，具有基本上是平面的且平行的相对偏移的顶部表面和底部表面；

在第三衬底内形成的顶部盖板，所述顶部盖板包括：

从底部表面的中心部分伸出的直立并且间隔开的电极的模型体，以及

从底部表面的周边边缘部分伸出的直立的环形隆起部分；以及

其中校验质量体还包括：

配合的直立的环形隆起部分，其从顶部表面的周边边缘部分伸出，并被固定到顶部盖板的底部表面上的隆起部分上，以及

直立并且间隔开的电极的配合的模型体，所述电极的配合的模型体从顶部表面的中心部分伸出，并相对于顶部盖板的底部表面上的电极的模型体偏移，使得当校验质量体的顶部表面上的配合的环形隆起部分与顶部盖板的底部表面上的环形隆起部分接合时，配合的电极的模型体在顶部盖板上的电极的模型体之间通过。

26.如权利要求25所述的检测器，其中在顶部盖板的底部表面上的电极的模型体和在校验质量体的顶部表面上的电极的配合的模型体各自还包括同心的环形电极的模型体。

27.如权利要求25所述的检测器，还包括绝缘粘结剂，用于将校验质量体的顶部表面上的配合的环形隆起部分与顶部盖板的底部表面上的环形隆起部分固定。

28.一种三层力检测器，包括：

第一和第二盖板，每个盖板被形成在各自的基本上是圆的第一和第二半导体衬底内，所述衬底具有基本上是平面的且平行的相对偏移的第一和第二表面，第一和第二盖板的每一个的第一和第二表面之一具有：

环形结合区域，以及

位于环形结合部分内的中心部分，该中心部分具有多个直立的隔开的从其上伸出的电极；以及

定位在第一盖板的第一表面和第二盖板的第一表面之间的校验质量体，所述校验质量体被形成在基本上是圆的第三半导体衬底内，所述衬底具有基本上是平面的且平行的相对偏移的第一和第二表面，所述第一和第二表面的每一个具有：

环形结合区域，在第一和第二校验质量体表面上的环形结合区域的每一个与第一第二盖板之一的环形结合区域结合，

位于所述环形结合区域内的中心部分，该中心部分具有多个直立的隔开的从其上伸出的电极，从校验质量体的第一侧伸出的每个电极与从第一盖板的表面伸出的隔开的电极之间形成的空隙对准，从校验质量体的第二侧伸出的每个电极与从第二盖板的表面伸出的隔开的电极之间形成的空隙对准，以及

一个整体的环形悬挂件，用于从环形结合区域悬挂着中心部分。

29.如权利要求28所述的检测器，其中：

从第一和第二盖板伸出的多个直立的且隔开的电极还包括各自的第一和第二组直立的且隔开的同心环形电极；以及

从校验质量体的第一和第二表面上伸出的多个直立的且隔开的电极还包括各自的第三和第四组直立的且隔开的同心环形电极，第三和第四组同心环形电极被设置用于与第一和第二盖板的各自的第一和第二组直立的且隔开的同心环形电极配合。

30.一种用于测量沿着测量轴线输入的力的方法，所述方法包括：

相对于直立电极的第二模型体电绝缘直立电极的第一模型体；

相对于所述电极的第二模型体悬挂所述电极的第一模型体，使得第一电极能够移动到第二电极之间的凹槽中；

在所述第一和第二电极之间产生电容；

根据所述电极的第一模型体相对于所述电极的第二模型体的位移改变所述电容，以及

测量所述电容的改变。

31.如权利要求30所述的方法，其中悬挂所述电极的第一模型体以便相对于所述电极的第二模型体移动的步骤还包括悬挂所述电极的第一模型体，以便基本上沿着测量轴线移动。

32.如权利要求30所述的方法，还包括限制所述电极的第一模型体相对于所述电极的第二模型体的运动。

33.如权利要求30所述的方法，其中悬挂所述电极的第一模型体以便能够相对于所述电极的第二模型体移动的步骤还包括把所述电极的第一模型体的运动限制为基本上沿着测量轴线的运动。

34.如权利要求30所述的方法，其中悬挂所述电极的第一模型体以便能够相对于所述电极的第二模型体移动的步骤还包括相对于电极的第二模型体对准电极的第一模型体。

35.如权利要求30所述的方法，还包括：

使所述直立电极的第三模型体相对于直立电极的第四模型体电绝缘；

与所述电极的第一模型体组合并相对于所述电极的第四模型体悬挂所述电极的第三模型体，以便使所述第三电极能够移动进入第四电极之间的凹槽内；

在所述第三和第四电极之间产生电容；

根据所述电极的第三模型体相对于所述电极的第四模型体的位移改变电容；以及

测量由于所述电极的第三模型体相对于所述电极的第四模型体的位移而引起的电容的改变。

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