CN1836168B - 由于改进的电极形状而具有减小的附加振动的加速度计 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种加速度计，包括可移动质量(5)和固定部分(2)，所述加速度计使用电容(3，4)的变化以便检测所述质量(5)的移动。本发明的加速度计包括第一电极系列(4)，其固定地连接到所述质量(5)并与固定连接到所述固定部分(2)的一系列电极(3，7)互相交错。根据本发明，每个移动电极(4)与相邻的固定电极(3)一起形成电容，所述电容根据所述可移动质量(5)的位置而变化。所述加速度计还包括电子电路，所述电子电路用来以移动质量位移指示器的形式来检测移动质量(5)与固定部分(2)之间的至少一个电容的变化。本发明特征在于所述可移动质量(5)和/或所述固定部分(2)的一个或多个电极(3，4)采用指形，该指形具有大的基部并具有在其自由端方向上变窄的轮廓。另外，可选择重复的回归力，以使机械功率在所述电极的机械共振频率处具有基本上为零的功率区域。

Description

由于改进的电极形状而具有减小的附加振动的加速度计
本发明涉及微机械加工的加速度计，特别是所述加速度计使得测量大地移动用于地球物理学应用变得可能(通过地震法对地表下的测绘)。
具体而言，本发明涉及加速度计，所述加速度计实现了一种质量/弹簧系统，特别是所述质量形成与固定部分的对应指互相交错的一系列指。
在这种类型的设备中，每对相对的指形成了测量电容器。
这里还将指出的是，构成电容器的指可一面用来通过测量电容的变化来测量位移，一面又用来通过在如此形成的每个电容器内部施加静电力来使质量恢复到其原始位置。静电恢复力可从属于前述的电容性位移测量。
在现有技术中，特别是专利FR 2769369中，已描述了所有这些众所周知的考虑因素。
利用这种类型的加速度计，本领域的技术人员一般会遇到叠加在测量上的噪声的存在。
在加速度计合并了一系列互相交错的电极的情况下，结果一部分噪声源于以非期望的方式出现在每个指的水平处的振动。这种噪声可具有各种来源，尤其可源于其频谱覆盖指的振动频率时的外部载荷。
在具有可移动部分的恢复时的加速度计的具体情况下，特别是在具有从属性(slaved)恢复的加速度计的情况下，这种振动可另外通过恢复力来机械地供给，所述恢复力被反复施加于质量。在此情况下，该振动产生了恢复力的幅度调制。这导致感兴趣的频带中的非期望噪声。
具有所述各种来源的任一个的噪声的存在形成第一个问题。
第二个问题在于所述指在弯曲时是易碎的。不论它们共振地振动或简单地经受强加速度，这些指都易于为弯曲所损坏。
为了解决这两个问题或其之一，本发明包括加速度计，所述加速度计具有可移动质量和固定部分，使用电容的变化来检测所述质量的移动，其中固定地连接到质量的第一系列电极与固定连接到固定部分的一系列电极互相交错，每个可移动电极与相邻的固定电极一起形成可变电容，所述可变电容根据可移动质量的位置而变化，所述加速度计还包括电子电路，所述电子电路设计为检测可移动质量与固定部分之间的至少一个电容的变化，表现为可移动质量的位移的指示器，其特征在于可移动质量和/或固定部分的一个或多个电极均展示为指形，该指形具有宽的基部并具有向自由端变窄的轮廓。
在阅读了后面的参考附图给出的详细描述之后，本发明的其它特征、目的及优点将变得更明显，在附图中：
-图1图示了根据本发明的加速度传感器的一个具体实施例；
-图2a到2c的图分别示出了与用于恢复该质量的电压相关的噪声的频谱、用于在具有和没有指的共振时将该电压变换成力的函数的频谱，以及这里再次具有和不具有指的共振时的合力的频谱；
-图3示出脉冲式从属电压的和给该电压加窗的隙状信号的频谱；
-图4示出根据本发明的变型的互相交错的电极；
-图5示出根据本发明的另一个变型的互相交错的电极。
图1中示出的加速度传感器包括以下元件，实现于同一半导体基片1中：
-固定枢(armature)2；
-两个系列的固定电极3和7，刚性地连接到枢2；
-一系列电极4，由可移动板5支撑；
-弹簧6，将可移动板5链接到枢2(为了附图清楚起见，在此示出单个弹簧)；
可移动电极4与固定电极3和7电绝缘。
电极3与相对的电极4形成电容器C1。电极7与相对的电极4形成电容器C2。
当可移动质量相对于固定部分位移时，C1和C2的值在相反的方向上变化。这使得可能测量所述可移动质量的相对位置。另外，在本实施例中，施加于C1的端子上的电压产生静电力，所述静电力趋向于使电极3和4彼此接近，由此在一个方向上使可移动质量移位，而施加于C2的端子上的电压趋向于使所述可移动质量在另一方向上位移。
未在此示出且为本领域技术人员所公知的电子电路被连接到每个固定电极系列3和7，并连接到可移动电极系列4。
优选地为具有开关式电容的类型，该电路利用时钟来调节节奏，并在连续时间段中，循环地将测量电压施加于每个电容器的端子上，使得可能测量其电容(两个相邻电容的差动测量)。所测位移表示由于所存在的逐点加速度引起的可移动板5的位移。以Tc表示且也称作加载持续时间的测量电压施加的持续时间，或检测器时间段的持续时间，是大大低于系统的共振周期(并且因此低于大地的振动周期)。
这里采用的从属包括通过在可移动电极系列与固定电极系列的一个或另一个之间(C1或C2)施加力来消除质量5的相对移动。这是一种静电力，并且正是在该激励器时间段之时，后者是以在时间上不同于检测器时间段的方式来施加。
优选地，它是同一电子电路，所述电子电路可替换地测量所述可移动质量的位置并趋向于通过在电容器C1和/或C2的端子上施加适当的电压来使其恢复到其初始位置。
因此，该电路在测量和反馈之间限定了多工操作(multiplexing)，优选地具有在所述两个步骤之间的电容放电。
例如，用于多工操作的频率范围是系统共振频率的100到500倍。
在另一实施例中，可移动质量的恢复可与位移的测量同时实现。
机械芯片典型地在500Hz共振。在本实例中，优选地选择为尽量接近大地振动频率的所述共振频率是通过调整静电刚度ke来调节。该刚度被叠加于机械刚度上并通过电容测量的加载步骤的持续时间来调节。
这里选择该静电刚度以减小系统的共振频率，机械刚度则有意地选择为超过感兴趣的频带的最高频率。
该可选的设置，可从文档FR 2769309获知，使得有可能限制滑移(slumping)，以减小电极间的距离，因此可能使用强电场(因此是高静电刚度)。
该设置还使得可能优化有用通带中的性能，并补偿用于悬置可移动板的弹簧的机械刚度上的扩展，该扩展在通常的制造工艺中可典型地观察到。
由于静电刚度，表观频率降低到140Hz以便最好地减少有用带(0-200Hz)中的噪声。
所述固定和可移动电极的形状为“指形”，通常是通过基部以梳状方式连接在一起的平行六面体硅柱。每个所述指的共振频率对应于在一端构建的柱的共振频率。
在本实例中，指的共振频率典型地为90Hz，并且在随后文本中所述的第一个修改之后变至585kHz。
发明人已确认所述指具有相当可观地共振的倾向，并且当芯片内部周围压力很低时以更大的振幅来共振。
通过存在于从属力中的噪声的频率变换，结果的移动是造成基带混淆(aliasing)的原因，并且因此降低地声仪的总体噪声，特别是在增加可利用激励器补偿的最大加速度(Amax)时。
下文将分析施加到所述质量的各个恢复信号的谱分量。
为了阐明为限制指的共振而实现的装置，这里，首先讨论观测结果，根据该观察，施加到可移动板5的重复的从属力F表示为F＝(ε.S.V2)/(2.d2)，其中，S：电极的对向表面面积，V：电极间的电压，d：电极间的距离。如果V和d随时间变化，可写为：F(t)＝F1(t).F2(t)，其中F1(t)＝V(t)2，而F2(t)＝ε.S/2.d(t)2。
时域的相乘引起频域的卷积，得到 F ( f ) = F 1 ( f ) ⊗ F 2 ( f ) .
图2a中以曲线10(没有任何加速度信号)示出了F1(f)的形状，而图2b中示出了F2(f)(曲线20：指共振；曲线30：指未共振)。图2c中还示出了力谱F(f)的形状(曲线40：指共振；曲线50：指未共振)
由于指的共振，基带中非期望噪声的上升(upturn)是明显的。
换句话说，由于其自然频率在如这种类型的加速度计中所采用的重复从属力的能量谱中是高度地表示的，因此指开始共振。
注意，由于采样，谱以循环Fe(即采样频率)重复到无穷，如图3中的基准60下方所示。
有意思的是应注意，因为反馈力的形状为宽度Ta的重复脉冲，而不是Diracs(零宽度)的形状，所以这表示该频谱60被乘以基本(cardinal)正弦函数，所述正弦函数在频率1/Ta具有第一个零点。
在图3中，曲线60表示从属谱频率方面，具有短持续时间脉冲(Dirac)，而曲线80具有持续时间Ta的实际脉冲，因此在相当宽的区域具有几乎不存在的功率。沿纵坐标绘出的是从属力Fcontrol作为频率f的函数的值。
在图3中，曲线70作为具有持续时间Ta脉冲的信号的频率变换，是公式Sin(Pi.T.Fa)/(Pi.FaTa)的基本正弦(在频率1/Ta具有第一个零点)。
因而，曲线80是曲线60与曲线70相乘的结果。
这里建议利用这些迄今尚未利用的能量跌降(energy dip)。
相应地，进行了这些能量跌降之一与指的共振频率之间的匹配。
第一优选的设置是选择所述基本正弦的定位，以便在指的共振频率上设置能量的归零，这样由该乘积所产生的谱也在共振处具有归零。
例如，该定位通过选择Ta的适当值来进行，使得1/Ta的值置于指的共振频率上。以相同的方式，有可能使用基本正弦70的其它归零。
应该注意，这里假定了指的频率大于Fe，Ta不能＞Te(Te表示采样周期)。
如此设置的谱的选择允许加速度计噪声水平的显著增益。
根据另一设置，配置固定和/或可移动指3和4使得其共振下降到这样的自然能量井中，所述井是由于激励器相位持续时间Ta的力的施加造成的，两侧是恢复力的归零。对于指的共振，优选频率是等于1/Ta，对应于所述基本正弦(隙状信号的变换)的第一个零点穿越。
典型地，Ta等于14/32Te，因此对于Fe＝256kHz是1/Ta＝585kHz。
在平行六面体版本中，为了在比例为6.5时增加指的共振频率，而不在(6.5)的方根的比例时减少长度，将需要长度160μm的指，这与电子设备的电压容量是不兼容的(为了激励所述质量，将需要高电压)。
为了修改指的共振频率，这里优选地采用图4中所示的梯形轮廓。
利用长度为240μm、在锚固件的水平处宽度L为20μm、并且在顶点处宽度I为4μm的指，典型地可获得585kHz的共振频率。
图5中所示的另一实施例在于采用了一种形状：向着自由端，在宽度上具有连续的突降。
该实施例展示了另外的优点，即易于利用简单的压印机来生产。具体地，这种形状的指不需要倾斜切割，由此使压印操作变得容易。
对于锥形，采用宽基部可降低弯曲质量并提升所述基部处的机械强度。弯曲时的共振频率很显著地得以增加。而且，振荡幅度很显著地减少。然而，相邻指之间的对向表面面积在范围上几乎保持不变，因此实践中不影响所存在的电容器的电特性。
优选的是梯形，因为后者没有展示直线的子部分，因此局部特别柔韧。
还提供了具有曲边的变型指，例如具有凸外曲率，但也可为凹形的，整体形成圆化的梯形。这种形状表现得更紧凑并且具有更高的共振频率。
尽管在接近自由端时宽度减小的指的形状对弯曲强度来说是有益的，但可能有利的是采用不同的形状，特别是将共振频率移向更高频率。
应该注意，这里参考内部振动源所阐明的指的共振频率的该几何修正，还使得回避其它种类的振动源变得可能。
因此，在非从属的加速度计以及非复用的加速度计(即特别是这样的加速度计：恢复是与测量同时完成的)的情况下，对指的共振频率的修正使得回避外因载荷的频率变得可能。
因此指的共振频率被置于外因振动的频率范围之外，否则将产生载荷。
应该注意，共振频率越高，移动幅度越小。

Claims (16)

1.一种加速度计，具有可移动质量(5)和固定部分(2)，使用电容的变化来检测所述质量(5)的移动，其中固定地连接到所述质量(5)的第一电极系列(4)与固定连接到所述固定部分(2)的一系列电极(3，7)互相交错，每个可移动电极(4)与相邻的固定电极(3)一起形成可变电容，所述可变电容根据所述可移动质量(5)的位置而变化，所述加速度计还包括电子电路，所述电子电路被设计为检测可移动质量(5)与固定部分(2)之间的至少一个电容的变化，作为所述可移动质量的位移的指示，特征在于所述可移动质量(5)和所述固定部分(2)的电极(3，4)每个具有指形，该指形具有宽基部并具有在其自由端方向上变窄的轮廓，且在于所述电子电路被设计为产生重复的静电恢复力，并且特定地选择所述重复的静电恢复力，使得其机械功率频谱(10，20)具有一区域，该区域在所述固定部分(2)和所述可移动质量(5)的电极(4)的机械共振频率处具有基本上为零的功率。
2.根据权利要求1的加速度计，特征在于所述静电恢复力用于使所述可移动质量(5)恢复到其原始位置。
3.根据权利要求2的加速度计，特征在于所述电子电路被设计为以从属于所述可移动质量(5)的位移测量的方式产生静电恢复力。
4.根据前述权利要求1的加速度计，特征在于所述可移动质量(5)和所述固定部分(2)的电极(3，4)具有至少一个部分，所述至少一个部分的横截面的宽度连续变化。
5.根据前述权利要求1的加速度计，特征在于所述可移动质量(5)和所述固定部分(2)的电极(3，4)具有至少一个部分，所述至少一个部分的横截面的宽度具有突变。
6.根据前述权利要求1的加速度计，特征在于所述可移动质量(5)和所述固定部分(2)的电极(3，4)各自具有至少一个部分，所述至少一个部分的横截面的宽度向着所述电极的自由端减小。
7.根据前述权利要求1的加速度计，特征在于所述可移动质量(5)和所述固定部分(2)的电极(3，4)包括宽度(L，I)向着其自由端减小的梯形。
8.根据前述权利要求1的加速度计，特征在于所述可移动质量(5)和所述固定部分(2)的电极(3，4)包括一部分，所述一部分的横截面的宽度(L，I)是逐层进行变化的，其中每一层具有恒定的宽度，且在各层之间，所述宽度(L，I)以突变的方式改变。
9.根据前述权利要求1的加速度计，特征在于所述可移动质量(5)和所述固定部分(2)的电极(3，4)包括一部分，所述一部分的宽度向着所述电极的自由端逐渐减小，形成至少一个圆弧状的侧边。
10.根据前述权利要求1的加速度计，特征在于所述固定部分(2)的电极(3)具有一形状，所述形状与所述可移动质量(5)的两个相邻电极(4)之间的空隙互补。
11.根据权利要求1的加速度计，特征在于其包括从属装置，所述从属装置在时隙中实现所述可移动质量的重复恢复，并且对应的隙状信号的频率变换(20)在所述可移动质量(5)和所述固定部分(2)的电极(3，4)的共振频率处基本归零。
12.根据权利要求11的加速度计，特征在于所述时隙的平均持续时间是预定的，以使所述隙状信号的频率变换(20)在所述固定部分(2)和所述可移动质量(5)的电极(4)的共振频率处具有过零点(3，4)。
13.根据权利要求12的加速度计，特征在于选择所述时隙的平均持续时间，以使所述隙状信号的频率变换(20)在所述固定部分(2)和所述可移动质量(5)的电极(4)的共振频率处第一次归零。
14.根据权利要求13的加速度计，特征在于所述静电恢复力通过平均宽度Ta的时隙来实现，并且Ta是根据关系式1/Ta＝F来选择的，其中F是所述固定部分(2)和所述可移动质量(5)的电极(4)的共振频率。
15.根据前述权利要求14的加速度计，特征在于所述隙状信号的频率变换具有基本正弦的形状。
16.根据权利要求1的加速度计，特征在于电极的所述指的边缘具有等于或大于零的曲率。
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