CN1748148A - 电容性加速度传感器 - Google Patents

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CN1748148A CNA2004800039504A CN200480003950A CN1748148A CN 1748148 A CN1748148 A CN 1748148A CN A2004800039504 A CNA2004800039504 A CN A2004800039504A CN 200480003950 A CN200480003950 A CN 200480003950A CN 1748148 A CN1748148 A CN 1748148A
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Abstract

一种用于加速度测量中的测量装置，更具体地涉及电容性加速度传感器。根据本发明的电容性加速度传感器包括支承在旋转轴线(7)处的可移动电极(5)，根据本发明的加速度传感器的该对电极中的电容变化被增强。根据本发明的加速度传感器结构使改进基于旋转运动的该对电极的电容灵敏度，并在电容性加速度传感器设计中以良好的性能测量加速度的成为可能。

Description

电容性加速度传感器
技术领域
本发明涉及用于加速度测量中的测量装置，更具体地涉及电容性加速度传感器。本发明的目的是提供一种改进的传感器结构，其特别是在小的电容性加速度传感器设计中，能实现可靠的和有效的加速度测量。
背景技术
业已证明，基于电容性加速度传感器的测量具有简单的原理和在加速度的测量中提供了可靠的方法，电容性测量是基于传感器的一对电极的两个表面之间的间隙的变化。表面之间的电容，即用来存储电荷的能力，取决于表面的面积和表面之间的距离。电容性测量已经能用在相当低的加速度测量范围。
在下面示例性地参考附图描述现有技术，其中：
图1表示根据现有技术的加速度传感器的一对电极的结构的透视图；和
图2表示基于现有技术的加速度传感器的一对电极的平移运动的功能结构的侧视图。
图1表示根据现有技术的加速度传感器的一对电极的结构的透视图。根据现有技术的加速度传感器的该对电极包括一个根据加速度移动的可移动电极1和一个静止电极2，可移动电极1是加速度传感器的对加速度响应的那个部分1，并且该部分由于加速度的缘故而相对于静止电极2移动。可移动电极1和静止电极2组成一对电极，该对电极将加速度转变成能电测量的数值，即电容。在附图中，加速度传感器的可移动电极1支承在点3和4处。通常，在可移动电极1的相对侧上，现有技术的加速度传感器还包括第二对电极，为了清楚的原因，在附图中没有示出第二对电极。
能基于该对电极的可移动电极的平移运动或旋转运动来实施加速度传感器。
图2表示基于现有技术的加速度传感器的一对电极的平移运动的功能结构的侧视图。根据现有技术的加速度传感器的该对电极包括可移动电极1和静止板部2。
加速度传感器的可移动电极1的支承点由点4表示。当加速度传感器的可移动电极1处于上面的位置中时，在可移动电极1的底面和板部2的顶面之间形成电容，电容的大小取决于表面1、2的面积和表面1、2之间的距离。当加速度传感器的可移动电极1移动到一个较低位置时，由于表面1、2之间的距离减小，所以表面1、2之间的电容相当大地增加。
在申请人的共同未决的国际专利申请中更详细地描述了使用几对电极的根据本发明的加速度传感器的实施。
发明内容
本发明的目的是提供这样一种改进的传感器结构，其使得改进一对基于旋转运动的电极的电容灵敏度，和在电容性加速度传感器设计中以良好的性能测量加速度成为可能。
根据本发明，提供了一种电容性加速度传感器，其包括至少一对电极，以便每对电极包括对加速度起反应的可移动电极和至少一个静止板部，以便每对电极还包括基本上形成公共轴线的旋转轴线，以便
加速度传感器的可移动电极被刚性地支承在旋转轴线，从而可移动电极绕着旋转轴线以旋转运动方式自由转动；和
通过电极增强处于旋转运动中的可移动电极和板部之间的电容变化。
优选地，通过电极的形状增强处于旋转运动中的可移动电极和板部之间的电容的变化。
优选地，该对电极通过可移动电极如此成形，即该对电极的面积的相当大的部分位于尽可能远离可移动电极的旋转轴线的地方。另外，该对电极也可以通过所述至少一个静止板部如此成形，即该对电极的面积的相当大的部分位于尽可能远离可移动电极的旋转轴线的地方。优选地，该对电极通过可移动电极和所述至少一个静止板部如此成形，即该对电极的面积的相当大的部分位于尽可能远离可移动电极的旋转轴线的地方。
优选地，可移动电极基本上具有两个支承点，与这些点相关联的弹簧规定了可移动电极绕旋转轴线的旋转自由度。优选地，可移动电极通过扭转弹簧靠近其边缘支承。另外，可移动电极也可以通过扭转弹簧支承于分开的突出部处。另外，可移动电极也可以在其内部通过扭转弹簧支承。另外，可移动电极也可以由具有大约相等量级大小的弯曲和旋转自由度的弹簧支承。另外，可移动电极也可以具有至少三个支承点，它们中的两个是必需的支承点。
优选地，该对电极以三角形形状成形。另外，该对电极也能以水滴形形状成形。另外，该对电极也能以锤形形状成形。优选地，通过电极覆层增强处于旋转运动中的可移动电极和板部之间的电容的变化。
优选地，通过电极的电子之间的更大的距离来增强处于旋转运动中的可移动电极和板部之间的电容的变化。优选地，加速度传感器结构包括在每个可移动电极的相对侧上的第二静止电极。
附图说明
借助下面示例性地参考附图对本发明和用于其实现的优选方法进行详细的描述，其中：
图1表示根据现有技术的加速度传感器的一对电极的结构的透视图；
图2表示根据现有技术的加速度传感器的基于平移运动的一对电极的功能结构的侧视图；
图3表示根据本发明的加速度传感器的一对电极的功能结构的侧视图；
图4表示根据本发明的加速度传感器的一对电极的结构的透视图；
图5表示当一对电极的表面之间的距离改变时，根据本发明的加速度传感器的一对电极的电容的变化，其以百分比的方式表达；
图6表示根据本发明的加速度传感器的一对电极的可移动电极的支承布置；
图7表示根据本发明的加速度传感器的一对电极的可移动电极的可选支承布置；
图8表示根据本发明的加速度传感器的一对电极的可移动电极的第二可选支承布置；
图9表示根据本发明的加速度传感器的一对电极的可移动电极的第三可选支承布置；
图10表示根据本发明的加速度传感器的一对电极的可移动电极的第四可选支承布置；
图11表示根据本发明的加速度传感器的一对电极的可移动电极的第五可选支承布置；
图12表示根据本发明的加速度传感器的一对电极的可移动电极的形状；
图13表示根据本发明的加速度传感器的一对电极的可选可移动电极的形状；
图14表示根据本发明的加速度传感器的一对电极的第二可选可移动电极的形状；
图15表示根据本发明的加速度传感器的一对电极的第三可选可移动电极的形状；
图16表示根据本发明的加速度传感器的一对电极的第四可选可移动电极的形状；
图17表示根据本发明的加速度传感器的一对电极的第五可选可移动电极的形状；
图18表示根据本发明的加速度传感器的一对电极的第六可选可移动电极的形状，
图19表示根据本发明的加速度传感器的一对电极的第七可选可移动电极的形状；
图20表示根据本发明的加速度传感器的一对电极的可选实施例的电极的形状；
图21表示穿过根据本发明的加速度传感器的一对电极的可选实施例的电极的截面；
图22表示穿过根据本发明的加速度传感器的一对电极的可选实施例的电极的可选截面；
在上面已介绍了图1-2，下面，参考附图3-22描述本发明和用于其实施的优选方法。
具体实施方式
图3表示根据本发明的加速度传感器的一对电极的功能结构的侧视图。根据本发明的加速度传感器的一对电极包括一个可移动电极5、一个静止电极6和一个旋转轴线7。
加速度传感器的可移动电极5这样刚性地支承在旋转轴线7，即可移动电极5绕着旋转轴线7以旋转运动方式自由转动。处于旋转运动中的可移动电极5组成加速度传感器的对加速度起反应的部分，该部分由于加速度而绕着旋转轴线7进行旋转运动。
在旋转运动之前，当加速度传感器的可移动电极5处于上位置中时，在可移动电极5的底面和静止电极6的顶面之间形成电容，电容的大小取决于表面5、6的面积和表面5、6之间的距离。当可移动电极5在旋转运动之后旋转到下位置时，由于表面5、6之间的距离减小，所以表面5、6之间的电容增加。
由于表面5、6之间的距离变化，所以根据本发明的加速度传感器的该对电极中的表面5、6之间的电容不均匀地分布在表面5和6之上。根据本发明的加速度传感器还可以在可移动电极5的相对侧上包括第二对电极。
在根据本发明的加速度传感器中，与矩形形状的一对电极相比，借助于该对电极的形状增强处于旋转运动中的可移动电极的电容变化。电容变化的增强是基于由旋转运动引起的电极距离的不均匀性。
处于旋转运动中的可移动电极的末端的位置是限制旋转角度最大值的因素。通常，在静止电极的顶部上有一个缓冲结构，当可移动电极碰撞到那个结构时，该对电极达到其电容最大值。关于电容变化的最敏感区域也在可移动电极的末端，因为那里是该对电极的距离变化最大的地方。
旋转角度的最大值取决于可移动电极与旋转轴线的最大距离，然而在电极的末端形成的电容的大小取决于该对电极的宽度，一对无载电极的电容仅仅取决于该对电极的表面。
在本发明中，通过可移动电极、静止电极或这两个电极这样成形该对电极，即该对电极的面积的相当大的部分在静止电极处尽可能远离旋转运动的轴线。根据本发明，多对电极的形状例如是三角形状的、水滴状的或锤子状的多对电极。通过根据本发明的结构，由该对电极产生的电容的较大部分在这样的区域中产生，在该区域中，该对电极的距离非常大地变化。
图4表示根据本发明的加速度传感器的一对电极的结构的透视图。根据本发明，加速度传感器的该对电极包括事先设计好的可移动电极8和事先设计好的静止电极9，可移动电极8根据加速度移动。可移动电极8组成加速度传感器的部分8，该部分对加速度起反应，并且该部分由于加速度而相对于板部9移动。可移动电极8和静止电极9形成一对电极，该对电极将加速度转变成可电测量的数值，即电容。在附图中，加速度传感器的可移动电极8支承在旋转轴线的点10和11处。
多对电极的可选形状例如是三角形状的、水滴状的或锤子状的多对电极。通过这样的结构，由该对电极产生的电容的较大部分在这样的区域中产生，在该区域中，该对电极的距离非常大地变化。
图5表示当一对电极的表面之间的距离改变时，根据本发明的加速度传感器的一对电极的电容的变化，其以百分比的方式表达。横轴表示该对电极的表面之间的距离(d)，相对地，纵轴表示该对电极的电容的变化(％C变化)，其以百分比的方式表达。曲线12表示当一对普通电极的表面之间的距离改变时，该对普通电极的电容的变化，该变化以百分比的方式表达，该对普通电极具有以平移运动的方式移动的矩形形状的表面。曲线13相应地表示当一对电极的表面之间的距离改变时，该对电极的电容的变化，该变化以百分比的方式表达，该对电极具有以旋转运动的方式移动的矩形形状的表面。
因而，可以看到，在测量中使用的以旋转运动方式移动的那对电极的电容变化没有以平移运动的方式移动的具有矩形形状表面的那对普通电极的电容变化大。测量所需的这种变化灵敏度能通过设计该对电极的形状来补偿。曲线14表示当一对电极的表面之间的距离改变时，该对电极的电容的变化，该变化以百分比的方式表达，该对电极具有处于旋转运动中的三角形形状的表面。
根据本发明的加速度传感器的该对电极的可移动电极基本上具有两个支承点，支承点具有相关的弹簧，所述弹簧规定了可移动电极绕通过支承点划出的直线旋转的自由度。
可移动电极可以局限于具有不与电极平面平行的对加速度的敏感方向那些可移动电极。这里，电极平面理解成意指通过最小二乘法形成的电极的平面，因而，在垂直于可移动电极的电极平面的方向上，可移动电极的重心投影在与电极的电极平面平行的平面上，平行于可移动电极的电极平面的该平面穿过可移动电极的支承点，所述投影的可移动电极不必落在在可移动电极的支承点之间划出的直线上。
图6表示根据本发明的加速度传感器的一对电极的可移动电极的支承结构。在该支承结构中，可移动电极通过扭转弹簧在边缘附近支承。
图7表示根据本发明的可选加速度传感器的一对电极的可移动电极的支承布置。在该支承结构中，可移动电极通过扭转弹簧支承于分开的突出部处。
图8表示根据本发明的第二可选加速度传感器的一对电极的可移动电极的支承布置。在该支承结构中，可移动电极在其内部通过扭转弹簧支承。
图9表示根据本发明的第三可选加速度传感器的一对电极的可移动电极的支承布置。在该支承结构中，可移动电极由具有大约相等量级大小的弯曲和旋转自由度的弹簧支承。然而，可移动电极的支承的旋转自由度存在于由可移动电极的支承点确定的直线周围。
图10表示根据本发明的第四可选加速度传感器的一对电极的可移动电极的支承布置。该支承布置是不对称布置，其中可移动电极具有绕着直线的旋转自由度，该直线由支承点确定。
图11表示根据本发明的第五可选加速度传感器的一对电极的可移动电极的支承布置。在该支承结构中，可移动电极具有三个支承点，由于明显较硬的弹簧，它们中的两个是必需的支承点。
在根据本发明的加速度传感器中，该对电极如此成形，即处于旋转运动中的可移动电极的电容变化被增强。在根据本发明的加速度传感器中，当在可移动电极的正方向向量的方向上移动时，所述正方向向量起始于连接可移动电极的支承点的直线，垂直于该对电极的正方向向量的有效尺寸相当大地增加。这里，可移动电极的正方向向量是一个方向垂直于支承点之间的直线的向量，该向量的方向划向一条直线的中点，该条直线在可移动电极的必需的支承点之间划出，并且可移动电极的正方向向量在电极平面上朝着可移动电极的重心延伸。
图12表示根据本发明的加速度传感器的一对电极的可移动电极的形状。该附图表示可移动电极、可移动电极的支承点和静止金属板。由可移动电极和静止金属板形成的该对电极被表示为带条纹的，该对电极的可移动电极的厚度在连接可移动电极的支承点的直线处几乎为零，并且电极的有效尺寸基本上在可移动电极的正方向向量的方向上增加。
图13表示根据本发明的加速度传感器的一对电极的可选可移动电极的形状。该对电极的可移动电极在连接可移动电极的支承点的直线处具有一定厚度，并且电极的有效尺寸基本上在可移动电极的正方向向量的方向上增加。
图14表示根据本发明的加速度传感器的一对电极的第二可选可移动电极的形状。在连接可移动电极的支承点的直线处，电极的可移动电极的一侧被加重，并且电极的有效尺寸基本上在可移动电极的正方向向量的方向上增加。
图15表示根据本发明的加速度传感器的一对电极的第三可选可移动电极的形状。电极的可移动电极的边缘在连接可移动电极的支承点的直线处被加重，并且电极的有效尺寸基本上在可移动电极的正方向向量的方向上增加。
图16表示根据本发明的加速度传感器的一对电极的第四可选可移动电极的形状。电极的可移动电极这样特别成形，即电极的有效尺寸首先减小，接着是在可移动电极的正方向向量的方向上在尺寸上必需的增加。
图17表示根据本发明的加速度传感器的一对电极的第五可选可移动电极的形状。电极的可移动电极这样特别成形，即电极的有效尺寸首先保持不变，接着是在可移动电极的正方向向量的方向上在尺寸上的间断的但必需的增加。
图18表示根据本发明的加速度传感器的一对电极的第六可选可移动电极的形状。电极的可移动电极这样特别成形，即电极的有效尺寸首先为零，接着是在可移动电极的正方向向量的方向上在尺寸上的间断的但必需的增加。
图19表示根据本发明的加速度传感器的一对电极的第七可选可移动电极的形状。该对电极的可移动电极在连接可移动电极的支承点的直线处以一定的厚度开始，并且电极的有效尺寸在可移动电极的正方向向量的方向上均匀地和基本上地增加。
该对电极的有效尺寸指定了垂直于正方向向量的尺寸，在该尺寸处，产生电容的相当大的部分。因而，当可移动电极的物理尺寸不增加，但该对电极的电容在正方向向量的方向上增加时，该对电极的有效尺寸也会增加。
图20表示根据本发明的加速度传感器的一对电极的电极的可选实施例的形状。两对电极的物理尺寸不变，但一对电极的电容增加，例如由于金属板或电极之间更大的间隙引起。带条纹区域表示该对电极的面积，用正方形划出的面积表示有效电容形成面积。
图21表示穿过根据本发明的加速度传感器的一对电极的电极的可选实施例的截面。根据本发明的加速度传感器的一对电极的正方形成形电极的表面用具有非常低的电容的覆层覆盖，由此由被覆盖部分产生的电容非常小。
图22表示穿过根据本发明的加速度传感器的一对电极的电极的可选实施例的可选截面。在根据本发明的加速度传感器的该对电极中的电极的距离改变了，由此在电极之间具有较小距离的部分产生明显更大的电容。
根据本发明的加速度传感器结构还可以在每个可移动电极的相对侧上包括第二静止电极。
根据本发明的加速度传感器结构实现了一对基于旋转运动的电极的电容灵敏度的改进，并能在电容性加速度传感器设计中，以良好的性能实现加速度测量。

Claims (17)

1.一种电容性加速度传感器，它包括这样的至少一对电极，即每对电极包括对加速度起反应的可移动电极(5)和至少一个静止板部(6)，其特征在于，每对电极还这样包括基本上形成公共轴线的旋转轴线(7)，即：
加速度传感器的可移动电极(5)刚性地支承在旋转轴线(7)上，使得可移动电极(5)绕着旋转轴线(7)以旋转运动方式自由转动；和
通过电极(5)、(6)增强处于旋转运动中的可移动电极(5)和板部(6)之间的电容变化。
2.如权利要求1所述的电容性加速度传感器，其特征在于，借助于电极(5)、(6)的形状增强处于旋转运动中的可移动电极(5)和板部(6)之间的电容变化。
3.如权利要求2所述的电容性加速度传感器，其特征在于，该对电极通过可移动电极(5)如此成形，即该对电极的面积的相当大的部分位于尽可能远离可移动电极的旋转轴线(7)的地方。
4.如权利要求2所述的电容性加速度传感器，其特征在于，该对电极通过所述至少一个静止板部(6)如此成形，即该对电极的面积的相当大的部分位于尽可能远离可移动电极的旋转轴线(7)的地方。
5.如权利要求2所述的电容性加速度传感器，其特征在于，该对电极通过可移动电极(5)和所述至少一个静止板部(6)如此成形，即该对电极的面积的相当大的部分位于尽可能远离可移动电极的旋转轴线(7)的地方。
6.如权利要求1-5中任一项所述的电容性加速度传感器，其特征在于，可移动电极(5)基本上具有两个支承点，所述支承点具有相关的弹簧，所述弹簧规定了可移动电极(5)绕旋转轴线(7)的旋转自由度。
7.如权利要求6所述的电容性加速度传感器，其特征在于，可移动电极(5)通过扭转弹簧靠近其边缘支承。
8.如权利要求6所述的电容性加速度传感器，其特征在于，可移动电极(5)通过扭转弹簧支承于分开的突出部处。
9.如权利要求6所述的电容性加速度传感器，其特征在于，可移动电极(5)在其内部通过扭转弹簧支承。
10.如权利要求6所述的电容性加速度传感器，其特征在于，可移动电极(5)由具有大约相等量级大小的弯曲和旋转自由度的弹簧支承。
11.如权利要求6所述的电容性加速度传感器，其特征在于，可移动电极(5)具有至少三个支承点，它们中的两个是必需的支承点。
12.如权利要求1-11中任一项所述的电容性加速度传感器，其特征在于，该对电极以三角形的形状成形。
13.如权利要求1-11中任一项所述的电容性加速度传感器，其特征在于，该对电极以水滴形形状成形。
14.如权利要求1-11中任一项所述的电容性加速度传感器，其特征在于，该对电极以锤形形状成形。
15.如权利要求1所述的电容性加速度传感器，其特征在于，借助电极(5)，(6)上的覆层增强处于旋转运动中的可移动电极(5)和板部(6)之间的电容变化。
16.如权利要求1所述的电容性加速度传感器，其特征在于，通过在电极(5)，(6)之间具有更大的电子间隙来增强处于旋转运动中的可移动电极(5)和板部(6)之间的电容变化。
17.如权利要求1-16中任一项所述的电容性加速度传感器，其特征在于，加速度传感器结构包括在每个可移动电极的相对侧上的第二静止电极。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
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Open date: 20060315