CN1629641A - 具有补偿电极的电容加速度计 - Google Patents

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Abstract

公开了一种能补偿初始电容的加速度计。在该加速度计中，从梁固定部延伸以便弹性支撑水平可移动浮动主体的两端的支撑梁。从主体的两端向外延伸预定长度的可移动电极。从电极固定部延伸预定长度，以及按预定间隙与可移动电极交替的固定电极。补偿电极部，在主体的移动方向中移动主体，以便均衡在一端的可移动和固定电极间的初始电容以及在另一端的可移动和固定电极间的初始电容。本发明能简单地移动主体补偿电极以便均衡两端的初始电容。

Description

具有补偿电极的电容加速度计
技术领域
本发明涉及加速度计，更具体地说，其具有安置在主体(mass)的两端的补偿电极以便移动主体，从而均衡主体两端的初始电容。
背景技术
加速度计被称为微型机电系统(MEMS)设备。MEMS设备表示受电控制和测量的微刻度机械设备，其中MEMS是用于通过半导体工艺，制造机械和电子设备的技术。
当前正在开发能测量加速度的各种加速度计，以及用在车辆气囊系统、防抱死制动系统(ABS)和一般振动计中。加速度计主要通过半导体工艺制作，以及划分成压电、压阻和电容加速度度。压电加速度计由于其难以在没有静电特性的情况下，配制良好属性的薄膜，因此在商业正在退步。另外，压阻加速度计根据温度变化，显示出难以补偿的各种特性变化。因此，当前技术趋势倾向于电容加速度计。
电容加速度计具有非常良好的特性：电容加速度计显示根据温度变化的很小程度的特性变化，允许高完整性的场效应晶体管构成信号处理电路而没有另外的处理，以及能以低成本制作。
图1是示例说明典型的加速度计的结构图。如图1所示，传统的电容加速度计1包括作为可移动结构的浮动主体(floating mass)10、充当机械刚度(mechanical stiffness)的弹簧的悬梁(suspension beam)，用于弹性支撑主体10的两端、从主体10延伸到图中所见的两侧对称结构中的多个可移动电极指(electrode finger)12和14、固定到两个电极固定部件030a和30b上以及与可移动电极12和14分开预定间隙的多个固定电极指32和34以及用于将悬梁22和24固定到绝缘板的底部的梁固定部20a和20b。可移动电极指12和143用来维持离固定电极指32和34的固定间隙，除非从外部施加任何加速度以便保持电容的预定值。
标记19表示用于通过其引入蚀刻液的蚀刻孔。
在将外力施加到加速度计1上后，在力的方向或y轴方向(即图中所见的垂直方向)中移动主体10，在y方向中推动固定到其上的可移动电极指12和14。这从而增加和减小从可移动电极指12和14到固定电极指32和34的间隙g1和g2，表示主体10的位移。
这改变可移动电极指12和14与固定电极指32和34间的电容。根据施加到固定电极指32和34上的读出电压，以进入可移动电极指12和14的电流的形式，感应电容的变化，以及将该电流转换成电压，然后用连接到可移动电极指12和14的放大器(未示出)放大以便能测量外部加速度。
在加速度1中，可移动电极指12和14以梳状的形式与固定电极指32和34交替以便根据加速度，进一步增加电容的变化。根据方向中的加速度(例如，该图中的向上方向)，可移动电极指12在该图的左边中变得更接近固定电极指32以便相对于初始电容C01增加电容C1，如等式1中所示，以及可移动电极指14在该图的右边中移离固定电极指34以便相对于初始电容C02，减小电容C2，如等式2所示：
C1＝C01+ΔC0  ...  等式1，以及
C2＝C02-ΔC0  ...  等式2
因此，为获得两倍电容变化的差值ΔCT，根据下述等式3提供微分电路：
Δ CT＝C1-C2＝2ΔC0    ...  等式3
通过该微分电路使加速度计的电容变化加倍以便获得更大的正输出信号。基于此，通过C-V转换器，能将电容转换成电压，以及如果需要的话，将其放大以便获得放大信号。
同时，如图2所示，可移动电极12和14和固定电极32和34间的初始电容C01和C02能如下述等式4所示：
C01或C02＝{(ε×h×L/d1)-(ε×h×L/d2)}×N  ....  等式4
其中，ε是介电常数，h是电极指的高度，L是电极指的相交部分的长度，d1和d2是相邻电极指间的距离，以及N是电极指的数量。
如从等式4可以看出，初始电容C01和C02与高度h、长度L与电极数N成比例，以及与指间距离d1和d2成反比。
如果在制作加速度计1期间，在可移动电极指12和固定电极指32间以及可移动电极指14和固定电极指34间的距离d1和d2间产生误差，左右初始电容C01和C02变得互不相同。
如果初始电容C01和C02变得互不相同，在停止具有可移动电极12和14的主体10的情况下，产生参考电压VST和输出电压VOUT的偏移，因为根据下述等式5获得加速度计电路的输出电压。
VOUT＝VST+{VST×(C01-C02)/CF}×G    ....  等式5
其中，VOUT是输出电压，VST是参考电压，C01和C02是左右初始电容，CF是在放大器中提供的反馈电容器的电容以便影响放大率和充当过滤器，以及G表示连接到电路输出端的放大器的增益。
如果由于制作加速度计1的工艺误差，左边中可移动电极指12和固定电极指32间的初始电容C01不同于右边中可移动电极指14和固定电极指34间的初始电容C02，有必要执行补偿以便均衡电容，从而使初始电容C01-C02间的差值变为零。
然而，用于均衡初始电容C01和C02的传统补偿方法在加速度计的电路中安排非常小的电容器电容，以及通过导通/断开微调电容器以便执行补偿。因此，这一方法使得另外排列的元件诸如电路中的电容器的阵列结构以及用于均衡初始电容C01和C02的调整操作变得复杂。
发明内容
因此，做出了本发明来解决现有技术的上述问题。
本发明的是提供能使主体两端的可移动和固定电极间测量的初始电容简单地补偿为相等值以便获得正确的输出电压的电容加速度计。
根据用于实现该目的的本发明的一个方面，提供一种能补偿初始电容的加速度计，包括：水平可移动浮动主体；从梁固定部延伸以便弹性支撑主体的两端的支撑梁；从主体的两端向外延伸预定长度的可移动电极；从电极固定部延伸预定长度，以及按预定间隙与可移动电极交替的固定电极；以及补偿电极部，用于在主体的移动方向中移动主体，以便均衡在一端的可移动和固定电极间的初始电容以及在另一端的可移动和固定电极间的初始电容。
最好，支撑梁是弹性体，用于将主体与安置在主体的本体的中央部分中形成的开口中的梁固定部连接。
最好，支撑梁是弹性体，用于将主体与在主体的两端相邻放置的梁固定部连接。
最好，补偿电极部包括：从主体的两端向外延伸预定长度的至少一个可移动补偿电极；以预定间隙与可移动补偿电极平行放置的至少一个固定补偿电极，以便在施加电力时，生成用于吸引可移动补偿电极静电力；以及在主体的两端附近固定的补偿电极固定部，对向主体延伸预定长度的固定补偿电极供电。
最好，可移动和固定补偿电极是在主体的移动方向中延伸预定长度的梳状电极构件。
最好，可移动和固定补偿电极是按均匀间隙相互交替的梳状补偿电极构件。
最好，补偿电极部包括控制单元，用于控制主体的运动，以及其中，控制单元包括比较部，用于将一侧的可移动和固定电极间的初始电容与另一侧的可移动和固定电极间的初始电容进行比较以及电压施加部，用于有选择地将电压施加到一对补偿电极固定部直到比较值变为零为止。
最好，在主体的两端附近分别提供补偿电极部。
最好，可移动和固定补偿电极的一个具有至少一个突起，突起在其变形中与相对电极的本体接触。
最好，突起以棱柱的形式延伸以便执行与相应的可移动或固定补偿电极的点接触。
以及，最好，突起以半圆柱的形式延伸以便执行与相应的可移动或固定补偿电极的线接触。
附图说明
从下述结合附图的详细描述，将更容易理解本发明的上述和其他目的、特征和优点，其中：
图1是示例说明典型的加速度计的结构图；
图2是示例说明在一般的加速度计中，可移动电极指和固定电极指间的间隙的放大透视图；
图3是示例说明根据本发明的第一实施例，具有补偿电极的电容加速度计的结构图；
图4是沿图3中的线A-A′所获得的加速度计的透视图；
图5是示例说明根据本发明的第二实施例，具有补偿电极的电容加速度计的结构图；
图6A和6B是示例说明在根据本发明的具有补偿电极的电容加速度计中的突起的透视图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图，详细地描述本发明。
图3是示例说明根据本发明的第一实施例，具有补偿电极的电容加速度计的结构图，以及图4是沿图3中的线A-A′所获得的加速度计的透视图。
如图3和4所示，本发明的加速度计100被设计成将如果由于设计误差而不同的两端的初始电容补偿为相同值以便更精确地测量主体移动中的外部加速度，以及包括主体110、可移动电极指112和114、支撑梁(support beam)122和124、固定电极指132和134以及补偿电极部140a和140b。
主体110具有由基础牺牲层(underlying sacrificial layer)悬吊的水平可移动结构，以及在主体110的两端安置支撑梁122和124以便在该图中，以y轴方向中可移动的方式弹性地支撑主体110。支撑梁122和124是弹性体，诸如所设计的机械弹性组件的片簧，以及从在适当的位置固定到底部的梁固定部120延伸到主体110。
主体110具有在其中央部分贯穿的开口111，如图3所示，以及支撑梁122和124可以是弹性体，用于将开口111中的梁固定部120与主体110连接。
另外，可以在另外的加速度计100a中提供支撑梁122和124，如图5所示，其包括与主体110相邻的梁固定部120a和120b，弹性体的支撑梁122和124从梁固定部120a和120b到主体110以便连接两者，以及补偿电极部140a和140b安置在主体110的两端。
与主体110一起移动的可移动电极指112和114是多个梳状电极构件，其相对于主体110的位移垂直的方向(例如，该图中的y轴方向)中，从主体110的两侧向外延伸到预定长度。
与可移动电极指112和114交替的固定电极指132和134是从固定在主体110的两侧的电极固定部130a和130b向主体110延伸预定长度的多个梳状电极构件，以及与可移动电极指112和114具有预定间隙。
沿主体的移动方向，使可移动电极指112和114与固定电极指132和134彼此交替，以及如此构造以便在外力下，主体110的向上运动使可移动电极112和114的一个与固定电极指132和134的相邻一个间的间隙d1变窄以便增加电容同时加宽固定电极指132或134与可移动电极指112和114的另一个间的间隙d2以便减小电容。位于该图中的左边中的可移动和固定电极指112和132间的电容变化显示出与位于该图中的右边中的可移动和固定电极指114和134间的电容变化相反的状况。
补偿电极部140a和140b用来在y轴方向中移动主体110以便左边可移动和固定电极112和132间的初始电容C01变得与右边可移动和固定电极114和134间的电容C02相同。
与主体110的上下端相邻地分开提供补偿电极部140a和140b以便在该图中，可能使由支撑梁122和124支撑的主体110向上或向下移动。
在主体110的两端提供补偿电极部140a和140b以便生成当施加电力时，能使主体110向上或向下移动的外力。补偿电极部140a和140b的每一个包括从主体110的末端向外延伸预定长度的至少一个可移动补偿电极141、向主体110延伸预定长度以及以预定间隙与可移动补偿电极141并行排列以便生成当供电时，用于吸引可移动固定电极141的静电力的至少一个固定补偿电极142以及与主体110的末端相邻固定以便将电力施加到固定补偿电极142上的补偿电极固定部143。
可移动和固定补偿电极141和142是在主体110的移动方向中延伸预定长度、以均匀间隙交替的形式的梳状电极构件。
补偿电极部140a和140b包括控制单元150，用于在补偿在左右边测量的初始电容C01和C02时，将偏压控制为施加到用于移动主体110的补偿电极固定部143的电力。
控制单元150包括测量部151a和151b，用于测量在y轴方向中可移动的主体110的左边中，在可移动电极指112和固定电极指132间生成的初始电容C01以及在从主体110的右边中，可移动电极指114和固定电极指134间生成的初始电容C02、比较部152，用于将从测量部151a和151b接收的测量初始电容C01和C02比较以便获得比较值，以及电压施加部153a和153b，用于有选择地将电压施加到上下补偿电极部140a和140b的补偿电极固定部143以便在y轴方向中移动主体110直到在补偿部150中获得的比较值为0为止。
与主体110的两个末端相邻分开排列补偿电极部140a和140b以便从电压施加部153a和153b接收所需电力电平，从而在轴方向中向前或向后移动主体110。如果初始电容C01和C02间的比较值变为零，通过电压施加部153a和153b提供均匀调整的电力，而没有另外的电压变化。
图6A和6B是示例说明在具有根据本发明的补偿电极的电容加速度计中的突起的透视图。
如图6A和6B所示，突起144从在可移动主体110中形成的可移动补偿电极141或固定补偿电极142向外延伸以便在外部环境下，在电极体变形中局部与相对的固定或可移动补偿电极接触。
最好，突起144以棱柱的形式延伸以便执行与相应的可移动或固定补偿电极141或152的点接触。另外，突起144可以以半圆柱的形式延伸以便执行与相应的可移动或固定补偿电极141或142的点接触。
当使可移动和固定补偿电极141和142的任何一个变形，使其间的间隙变窄时，可移动和固定补偿电极141和142的一个上的突起144执行与补偿电极141和142的相对的一个的外表面的点或线接触以便通过表面接触防止电极141和142间的黏接，从而不防碍y轴方向中主体110的位移。
主体110的移动不限于如图3至5所示的y轴方向，而是根据安装在板上的加速度计的位置，可以在x和y轴方向中移动主体110。与主体110有关的可移动和固定电极112、114、132和134可以安置在主体110之上或之下，以及可以将补偿电极部140a和140b分别安置成与主体110的两端相邻以便在x和/或y轴方向中移动主体110。
如果将外部力施加到加速度计110上，在y轴方向中，即，在该图中，由于惯性力，在相对于电极固定部130a和130b垂直向上或向下移动可移动结构的主体110。
因此，使主体110的左边中的可移动电极指112与左电极固定部130a中的固定电极指132间的间隙变窄以便如上述等式1，使电容C1增加，但使主体110的右边中的可移动电极指114和右电极固定部130b中的固定电极指134间的间隙加宽以便如上述等式2，使电容C2减小。
如上述等式3所述，通过微分电路，使由加速度计产生的电容变化处理成电容变化两倍的微分值ΔCT，反过来，通过C-V转换器，将其变换成电压以便测量外部加速度。
为通过微分电路获得最大微分值ΔCT，应当使在左右边测量的初始电容C01和C02相等。在制作加速度计100期间产生的误差导致可移动电极指112和114以及固定电极指132和134具有不均匀的厚度及由此导致的不规则间隙以致在左测量部151a中测量的初始电容C01变得与在右测量部151b中测量的初始电容C02不同。
比较部152将从测量部151a和151b接收的所测量的初始电容C01和C02进行比较以便获得比较值。如果比较值为正(+)或左初始电容C01大于右初始电容C02，比较部152使左边中的可移动电极指112和固定电极指132间的间隙加宽以便减小初始电容C01同时使右边中的可移动电极指114和固定电极指134间的间隙变窄以便相对地增加初始电容C02，从而使比较值变为零。
当通过电压施加部153b施加偏压时，该电压施加部153b电连接到分别在主体110上和下提供的补偿电极部140a和140b的下面一个的补偿电极固定部143，在补偿电极固定部143的固定补偿电极142和主体110的可移动补偿电极141间产生静电力以便使主体110向下，从而均衡地补偿左和右初始电容。
如果左和右初始电容C01和C02的比较值变为零，比较部152经电压施加部153a和153b停止将偏压施加到补偿电极固定部143以便均匀地供给所调整的电压。
根据如上所述的本发明，分别在主体的两端提供能在施加电压时，使主体在其移动方向中移动的补偿电极部，以便能将由于在制作加速度计期间产生的工艺误差导致的主体的上下或左右中测量的不同初始电容补偿为相等值。因此，与要求用于将电容增加到板中的电路上以便执行补偿或复杂的补偿过程的电容器的复杂结构的现有技术相比，本发明能简化加速度计的整体结构以及更简单的执行补偿。
尽管根据优选实施例，示出和描述本发明，对本领域的普通技术人员来说在不背离由附加权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，能做出各种改进和变化是显而易见的。

Claims (11)

1.一种能补偿初始电容的加速度计，包括：
水平可移动浮动主体；
从梁固定部延伸以便弹性支撑所述主体的两端的支撑梁；
从所述主体的两端向外延伸预定长度的可移动电极；
从所述电极固定部延伸预定长度，以及按预定间隙与所述可移动电极交替的固定电极；以及
补偿电极部，用于在所述主体的移动方向中移动所述主体，以便均衡在一端的所述可移动和固定电极间的初始电容以及在另一端的所述可移动和固定电极间的初始电容。
2.如权利要求1所述的能补偿初始电容的加速度计，其中，所述支撑梁是弹性体，用于将主体与安置在所述主体的本体的中央部分中形成的开口中的所述梁固定部连接。
3.如权利要求1所述的能补偿初始电容的加速度计，其中，所述支撑梁是弹性体，用于将所述主体与在所述主体的两端相邻放置的所述梁固定部连接。
4.如权利要求1所述的能补偿初始电容的加速度计，其中，所述补偿电极部包括：
从所述主体的两端向外延伸预定长度的至少一个可移动补偿电极；
以预定间隙与所述可移动补偿电极平行放置的至少一个固定补偿电极，以便在施加电力时，生成用于吸引所述可移动补偿电极的静电力；以及
邻近所述主体的两端固定的补偿电极固定部，对向所述主体延伸预定长度的所述固定补偿电极供电。
5.如权利要求4所述的能补偿初始电容的加速度计，其中，所述可移动和固定补偿电极是在所述主体的移动方向中延伸预定长度的梳状电极构件。
6.如权利要求4所述的能补偿初始电容的加速度计，其中，所述可移动和固定补偿电极是按均匀间隙相互交替的梳状补偿电极构件。
7.如权利要求1所述的能补偿初始电容的加速度计，其中，所述补偿电极部包括控制单元，用于控制所述主体的运动，以及
其中，所述控制单元包括比较部，用于将一侧的所述可移动和固定电极间的初始电容与另一侧的所述可移动和固定电极间的初始电容进行比较，以及电压施加部，用于有选择地将电压施加到一对补偿电极固定部直到比较值变为零为止。
8.如权利要求1所述的能补偿初始电容的加速度计，其中，邻近所述主体的两端分别提供所述补偿电极部。
9.如权利要求4所述的能补偿初始电容的加速度计，其中，所述可移动和固定补偿电极的一个具有至少一个突起，所述突起在其变形中与相对电极的本体接触。
10.如权利要求9所述的能补偿初始电容的加速度计，其中，所述突起以棱柱的形式延伸以便执行与相应的可移动或固定补偿电极的点接触。
11.如权利要求9所述的能补偿初始电容的加速度计，其中，所述突起以半圆柱的形式延伸以便执行与相应的可移动或固定补偿电极的线接触。
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