CN1748146A - 加速度传感器以及倾斜检测方法 - Google Patents

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Abstract

一种加速度传感器(10)，用于检测预定物件的从基本姿态开始的倾斜位移，所述加速度传感器配有传感器芯片，其中所述传感器芯片具有检测面，该检测面包括检测倾斜位移的一根检测轴或者交差的两根检测轴。配置与所述传感器芯片的所述检测面垂直的轴，使得与所述基本姿态时的所述物件的基准面平行。所述传感器芯片获取与所述基准面的倾斜位移相对应的输出信号。

Description

加速度传感器以及倾斜检测方法
技术领域
本发明涉及检测预定物件的从基本姿态开始的倾斜位移的加速度传感器。
背景技术
近年来开发出了具有可动构造部，并利用重力加速度对设备的倾斜位移等进行检测的加速度传感器。这种加速度传感器一般利用的是半导体的压电电阻效应。例如，在硅基体中形成空洞部，并在其间容纳有可向三维方向自由活动的方形的可动构造部。可动构造部被如下构成：通过桥式构造的横梁与硅基体相连接，使得与可动构造部的活动相对应的应力施加到压电元件上。之后将施加到压电元件上的应力的变化作为电阻变化检测出来。并且作为位移的检测元件，除压电元件外还可以使用设置在可动构造部上的电容元件。
发明内容
在如上所述的加速度传感器中要求进一步提高检测精度。
因此，本发明的目的在于提供可高精度检测设备的倾斜角的加速度传感器。
为达到上述目的，本发明的第一实施方式中的加速度传感器是检测预定物件的从基本姿态开始的倾斜位移的加速度传感器，其配有传感器芯片，其中所述传感器芯片具有检测面，该检测面包括检测倾斜位移的一根检测轴或者交差的两根检测轴。配置与所述传感器芯片的所述检测面垂直的轴，使其与所述基本姿态时的所述物件的基准面平行。另外，所述传感器芯片获取与所述基准面的倾斜位移相对应的输出信号。
本发明的第二方式中的方法是利用传感器芯片来检测预定物件的相对于基本姿态的倾斜位移的方法，其中所述传感器芯片具有包括一根检测轴或者交差的两根检测轴的检测面，在所述方法中，在使垂直于所述检测面的轴与对应于所述物件的所述基本姿态的基准面平行的同时，配置所述传感器芯片，使得所述检测轴相对于所述基准面倾斜预定角度。然后根据所述检测轴方向上的所述传感器芯片的位移来检测所述物件的倾斜位移。
在上述各方式中，优选将所述检测轴相对于所述基准面倾斜预定角度(45°等)来进行配置。
本发明的第三方式中的安装基板是用于安装加速度传感器用的传感器芯片的矩形安装基板，其中，安装所述传感器芯片，使得所述传感器的检测轴相对于所述基板的各边从水平以及垂直开始倾斜。这里优选采用以(110)面的硅基板成型形成的半导体压电电阻式的传感器芯片。
附图说明
图1A和图1B是示出可适用于本发明的加速度传感器的原理的说明图(截面图)；
图2是示出本发明第一实施例中的加速度传感器的构造的平面图；
图3是图2中的III-III方向的截面图，并示出了第一实施例中的加速度传感器的内部构造；
图4是示出安装了第一实施例中的加速度传感器的安装基板的立体简图；
图5是示出在设备上安装图4所示的安装基板的状态的说明图(透视图)；
图6是示出第一实施例中的加速度传感器的实际使用状态(朝向、配置)的说明图，并示出了其与安装的设备的基准面之间的位置关系；
图7是示出与设备(基准面)的倾斜角相对应的第一实施例中的加速度传感器的输出的曲线图；
图8是示出与设备(基准面)的倾斜角相对应的第一实施例中的加速度传感器的输出变化的曲线图；
图9是示出本发明的第二实施例中的加速度传感器的实际使用状态(朝向、配置)的说明图，并示出了其与安装的设备的基准面之间的位置关系；
图10是示出与设备(基准面)的倾斜角相对应的第二实施例中的加速度传感器的输出的曲线图；
图11是示出与设备(基准面)的倾斜角相对应的第二实施例中的加速度传感器的输出的曲线图；
图12是示出安装了第二实施例中的加速度传感器的安装基板的立体简图；
图13是示出在设备上安装图12所示的安装基板的状态的说明图(透视图)；
图14是示出本发明的第三实施例中的加速度传感器的实际使用状态(朝向、配置)的说明图，并示出了其与安装的设备的基准面之间的位置关系。
具体实施方式
首先对本发明的基础原理进行简单说明。图1A和图1B示出了作为本发明基础的加速度传感器的概略构造。在硅基体1中形成空洞部，并在其间容纳有可向三维方向上自由活动的方形的可动构造部2。可动构造部2被如下构成：通过桥式构造的横梁4与硅基体1相连接，使得与可动构造部2的活动相对应的应力施加到设置于横梁4上的压电电阻元件4上。之后将对施加到压电元件4上的应力的变化作为电阻的变化检测出来。
设置图1A和图1B所示的加速度传感器，使得芯片表面(检测面)与设备的基本姿态的基准面3相水平。换句话说，就是将与检测面水平的轴Y作为基准面3的旋转轴进行设置，并输出由基准面3(3a)的倾斜而产生的重力加速度的各轴的矢量分量。图1A和图1B是能够以一个芯片来检测X、Y、Z轴的加速度的三轴加速度传感器，对于传感器构造来说，将X、Y轴取在芯片水平面(检测面)上，将Z轴取为与芯片垂直的方向。在这里，若对设备的基准面3给出与水平相对的绕Y轴旋转的倾斜角θ，则相应于倾斜角θ的输出作为重力加速度矢量的分量被表示成：作为X轴输出有Ax＝A·sinθ，作为Z轴输出有Az＝A·cosθ。
由于这些输出都是三角函数的输出，所以从倾斜精度(分辨率)的角度出发，为了使相对于倾斜角的输出变化最大，在0°附近优选使用作为sin函数的X轴输出，而在±90°附近优选使用作为cos函数的Z轴输出。但即使是在这样选定了可得到最大输出的轴的情况下，所得到的最大输出也只能到由传感器灵敏度所确定的数值，而不能满足需要高精度的倾斜角输出的用途。此外根据用途的不同，也不仅限于希望检测所述0°或±90°附近，还存在例如希望高精度地检测±45°附近等任意倾斜角等的用途。
下面针对本发明的实施方式，以检测设备的倾斜位移的加速度传感器为例进行说明。
图2是示出本发明第一实施例中的加速度传感器10的构造的平面图。图3是示出加速度传感器10的内部构造的截面图。本实施例中的加速度传感器10包括硅基体12和可动构造部(可动块)14，其中，该可动构造部(可动块)14被容纳于硅基体12的中央附近，并可在上下左右各个方向上移动。在硅基体12的中央形成箱形空间，并在其中形成有可动构造部14。为了提高惯性力，可动构造部14被成型形成为在中央连接四个正方形的所谓的四叶苜蓿形。在可动构造部14的上表面被大体设计成与硅基体12的上表面同面。
此外，传感器10还通过连接可动构造部14和硅基体12的四根横梁(支撑梁)16，以及分别设置在各横梁16的根部、对每一根轴进行检测的四个压电电阻元件18来形成惠斯登电桥，输出电压信号。各横梁16被配置在与可动构造部14的四叶苜蓿的叶与叶之间相对应的位置。在硅基体12的上表面形成电极垫20，并通过图中未示出的配线与压电电阻元件18电连接。如图3所示，硅基体12被固定在芯片焊接面24上。
当制造本实施例中的加速度传感器10时，首先形成包括活性层(Si)、埋置氧化膜层(SiO2)以及Si基板的SOI基板。之后使用半导体加工技术在SOI基板的活性层上像构成电桥电路那样排列形成压电电阻元件18、金属配线以及电极垫20，从而形成传感器电路。接着通过Si DeepRIE(Reactive Ion Etching：反应离子刻蚀)来形成横梁部16。
之后从Si基板一侧开始同样通过Si Deep RIE(Reactive Ion Etching：反应离子刻蚀)来形成可动构造部14，并通过蚀刻埋置氧化膜来分离可动构造部14。接着通过切割来切断传感器芯片，从而形成各个传感器芯片。
如上述那样制造的加速度传感器10例如被安装在图4所示的矩形安装基板100上。如图5所示，安装基板100对于投影仪、头罩显示器、便携式游戏机以及游戏的控制器等设备200来说，是在垂直方向上立起来进行使用的。在安装基板100上安装传感器芯片10，使得垂直的两根检测轴分别与基板100的各边水平。
图6简略示出了在设备上安装加速度传感器10时的配置(朝向)。图中SP表示安装该传感器10的设备的基本姿态的基准面。例如，对于投影仪来说，最好使得在使用状况(基本姿态)下水平面与基准面SP相一致。设备处于基本姿态时，传感器10的检测面(14)处于垂直立起状态。即，配置与检测面(14)上的检测轴X、Y垂直的轴Z，使得与基本姿态时的设备的基准面SP平行。
在本发明中，所谓“检测轴”表示检测位移的方向，并不一定表示物理意义上的轴。即，当如本实施例那样使用压电电阻元件时，配置该元件的横梁的方向与检测轴一致。但是，当在可动构造部中配置电容元件，并通过该电容元件测量可动构造部的位移时，横梁的方向与检测轴不一致。
在本实施例中，根据检测轴X的输出信号和检测轴Y的输出信号之间的差或和来求基准面SP的倾斜位移，并根据需要进行校正。
相对于此时的X轴、Y轴、Y轴-X轴、Y轴+X轴的倾斜角θ的输出如图7所示，每1°的输出变化如图8所示(将与重力加速度相当的输出设为A)。由图8可知，Y轴-X轴的输出变化的绝对值在+45°附近，Y轴+X轴的输出变化的绝对值在-45°附近，与X轴、Y轴的输出变化的绝对值相比有所变大。具体来说，相对于X轴或Y轴的输出变化的绝对值为12.23×10-3A/°，Y轴-X轴、Y轴+X轴的输出变化的绝对值是24.68×10-3A/°、约为两倍。
这样通过获取X轴、Y轴的输出的和或差，可以精确检测例如±45°附近的倾斜角。特别是，由于如Y轴-X轴这样获取两轴输出之差的方法可期望消除各轴输出所具有的噪声成分或温度特性成分，所以可通过提高倾斜精度来得到所期望的效果。
图9简略示出了在设备上安装本发明的第二实施例中的加速度传感器110时的配置(朝向)。本实施例的传感器110的基本构造虽然与上述的第一实施例的传感器10相同，但安装基板和所安装的设备之间的相对位置关系不同。图中SP表示安装该传感器110的设备的基本姿态的基准面，标号112、114以及116分别对应第一实施例的硅基体12、可动构造部14以及横梁16。设备处于基本姿态时，传感器110的检测面(114)处于垂直立起状态。即，配置与检测面(114)上的检测轴X、Y垂直的轴Z，使得与基本姿态时的设备的基准面SP平行。然后根据检测轴输出信号和检测轴Y上的输出信号之间的差或和来求基准面SP的倾斜位移，并根据需要进行校正。
在本实施例中互相垂直的检测轴X、Y相对于基准面SP分别呈45°角进行配置。此外，检测轴X、Y的相对于基准面SP的角度并不限定于45°，而是可以根据需要进行适当改变。
图10示出了X轴、Y轴、Y轴-X轴、Y轴+X轴的相对于倾斜角θ的输出。图11示出了将与重力加速度相当的输出设为A时的每1°的输出变化。由图10可知，通过将传感器倾斜45°进行配置来增大±45°附近的X轴、Y轴的输出变化。其结果是，可提高倾斜的检测精度。相对于第一实施例时X轴或Y轴的输出绝对值为12.23×10-3A/°，在本实施例中，X轴或Y轴的输出绝对值为17.60×10-3A/°，约为其1.44倍。
进而由图11可知，0°附近的输出变化以Y轴-X轴最大，其绝对值为24.68×10-3A/°，是X轴或Y轴的绝对值12.45×10-3A/°的大约两倍。此外，90°附近的输出变化以Y轴+X轴最大，其绝对值为24.68×10-3A/°，是X轴或Y轴的绝对值12.23×10-3A/°的大约两倍。
如上所述，通过获取X轴、Y轴的输出的和或差，可高精度地检测例如0°、±90°附近的倾斜角。特别是，如Y轴-X轴这样获取两轴输出之差的方法可期望消除各轴输出所具有的噪声成分或温度特性成分，从而可通过提高倾斜精度来得到所期望的效果。
如图12所示，本实施例中的加速度传感器110被安装在安装基板100上。另外，如图13所示，安装基板100相对于投影仪、头罩显示器、便携式游戏机以及游戏的控制器等设备200来说，是在垂直方向上立起进行使用的。在安装基板100上安装传感器芯片110，使得垂直的两根检测轴相对于基板100的各边从水平以及垂直开始倾斜45°。
图14示出了本发明的第三实施例中的加速度传感器210向设备安装的方向(朝向)的简图。图中SP表示安装该传感器210的设备的基本姿态的基准面，标号212、214以及216分别对应第一实施例的硅基体12、可动构造部14以及横梁16。设备为基本姿态时，传感器210的检测面(214)处于垂直立起状态。即，配置与检测面(214)上的检测轴X、Y垂直的轴Z，使得与基本姿态时的设备的基准面SP平行。然后根据检测轴X的输出信号和检测轴Y上的输出信号之间的差或和来求基准面SP的倾斜位移，并根据需要进行校正。
安装加速度传感器使得其相对于设备的基准面SP形成45°的角度，这就会扩大在印刷基板上占用的面积，或在安装角度的精度方面产生问题。因此，如图14所示，可以通过使用以(110)面的硅基板制作的半导体式压电电阻加速度传感器来解决该问题。若半导体式压电电阻相对于结晶面方位(110)上的<001>轴或<110>轴在45°方向上形成压电电阻，则与在一般的结晶面方位(100)面上且在<110>轴上形成压电电阻的情况相比，压电电阻系数会增大，并可进行高灵敏度的检测。如图14所示，由于在(110)面上形成的压电电阻相对于芯片的边来说恰好45°的方向为检测轴，所以不需要倾斜芯片本身来进行安装。
以上为针对于本发明的实施例(实施方式、实施方案)进行的说明，但本发明并不受到这些实施例的任何限定，而是可在权利要求表示的技术思想范畴中进行变更。

Claims (20)

1.一种加速度传感器，用于检测预定物件的从基本姿态开始的倾斜位移，其特征在于，
配有传感器芯片，其中所述传感器芯片具有检测面，该检测面包括对倾斜位移进行检测的一根检测轴或者交差的两根检测轴，
配置与所述传感器芯片的所述检测面垂直的轴，使得其与所述基本姿态时的所述物件的基准面平行，
所述传感器芯片获取与所述基准面的倾斜位移相对应的输出信号。
2.如权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于，所述传感器芯片包括：
可动构造部，其至少可在一维方向上移动；
基体，用于容纳所述可动构造部；以及
检测部，输出与所述可动构造部的位移相对应的信号。
3.如权利要求2所述的加速度传感器，其特征在于，所述检测轴相对于所述基准面倾斜预定角度。
4.如权利要求3所述的加速度传感器，其特征在于，所述检测轴相对于所述基准面倾斜约45°。
5.如权利要求4所述的加速度传感器，其特征在于，所述传感器芯片是以(110)面的硅基板成型形成的半导体压电电阻式的。
6.如权利要求2所述的加速度传感器，其特征在于，所述可动构造部至少可在二维方向上移动。
7.如权利要求6所述的加速度传感器，其特征在于，
所述检测部分别检测与所述基准面平行延伸的第一检测轴方向的位移和与所述基准面垂直延伸的第二检测轴方向的位移。
8.如权利要求6所述的加速度传感器，其特征在于，
所述检测部分别检测从所述基准面开始倾斜预定角度而延伸的第一检测轴方向的位移和从所述基准面开始倾斜预定角度而延伸的第二检测轴方向的位移。
9.如权利要求8所述的加速度传感器，其特征在于，
所述第一检测轴从所述基准面开始倾斜约45°而延伸，
所述第二检测轴从所述基准面开始倾斜约45°，并与所述第一检测轴垂直。
10.如权利要求7、8或9所述的加速度传感器，其特征在于，
根据对应于所述第一检测轴方向的位移的输出信号和对应于所述第二检测轴方向的位移的输出信号之间的差或和来求所述基准面的倾斜位移。
11.如权利要求9或10所述的加速度传感器，其特征在于，所述传感器芯片是以(110)面的硅基板成型形成的半导体压电电阻式的。
12.一种加速度传感器，用于检测预定设备的从基本姿态开始的倾斜位移，其特征在于，
配有传感器芯片，其中所述传感器芯片具有检测二维位移的检测面，
配置与所述传感器芯片的所述检测面垂直的轴，使得其与所述基本姿态时的所述设备的基准面平行，
所述传感器芯片包括：可动构造部，其可在所述检测面内在二维方向上移动；基体，用于容纳所述可动构造部；以及检测部，输出与所述可动构造部的位移相对应的信号，
所述传感器芯片的检测部被配置在第一检测轴和第二检测轴上，其中所述第一检测轴从与所述基准面平行的方向开始倾斜约45°而延伸，所述第二检测轴从与所述基准面垂直的方向开始倾斜约45°而延伸，
根据所述第一检测轴上的所述检测部和所述第二检测轴上的所述检测部之间的输出信号的差或和来求所述基准面的倾斜位移。
13.如权利要求12所述的加速度传感器，其特征在于，所述传感器芯片是以(110)面的硅基板成型形成的半导体压电电阻式的。
14.一种设备，其具有如权利要求12所述的加速度传感器。
15.一种方法，其使用传感器芯片来检测预定物件的相对于基本姿态的倾斜位移，其中所述传感器芯片具有包括一根检测轴或交差的两根检测轴的检测面，所述方法的特征在于，
在使垂直于所述检测面的轴与对应于所述物件的所述基本姿态的基准面平行的同时，配置所述传感器芯片，使得所述检测轴相对于所述基准面倾斜预定角度，
根据所述传感器芯片中的所述检测轴方向的位移来检测所述物件的倾斜位移。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，配置所述传感器芯片，使所述检测轴相对于所述基准面倾斜约45°。
17.一种方法，其使用传感器芯片来检测预定设备的相对于基本姿态的倾斜位移，其中所述传感器芯片具有包括垂直的第一以及第二检测轴的检测面，所述方法的特征在于，
在使垂直于所述检测面的轴与对应于所述设备的所述基本姿态的基准面平行的同时，配置所述传感器芯片，使得所述第一检测轴从所述基准面开始倾斜约45°，且所述第二检测轴从所述基准面开始倾斜约45°，
以基于所述第一检测轴方向的位移的输出信号和基于所述第二检测轴方向的位移的输出信号之间的差或和为根据来求所述基准面的倾斜位移。
18.一种安装基板，其呈矩形，用于安装加速度传感器用的传感器芯片，其特征在于，
安装所述传感器芯片，使得所述传感器的检测轴相对于所述基板的各边从水平以及垂直开始倾斜。
19.如权利要求18所述的安装基板，其特征在于，
所述传感器芯片的检测轴是互相垂直的至少两根，且各检测轴相对于所述基板的各边向约45°角度的方向上延伸。
20.如权利要求18或19所述的安装基板，其特征在于，所述传感器芯片是以(110)面的硅基板成型形成的半导体压电电阻式的。
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