[发明专利]带改进型检测电路的微机械加速度计

说明书

本发明一般涉及加速度计，特别涉及用微机械器件做成并具有改进的检测电路的加速度计。

位置敏感加速度计的基本工作原理是，加速度计所受到的加速度将迫使它所附的片状物沿其敏感轴的方向移动。这块片状物附于一抵消片状物运动的弹簧或类似元件上，从而该片状物运动，直到来自弹簧的力与由于加速度而使片状物受到的力相平衡。测量片状物的移动允许对加速度进行测量。其他的加速度计是应变测量加速度计，它具有压电或压阻材料，它能检测由惯性片状物产生的应力或由该片状物支承弹簧产生的应变。

应用加速度计的场合包括：防锁制动系统、车辆悬挂系统、飞行中的飞行器监视等，所有这些应用都要求小型、廉价和可靠的器件。对于实时监视，由排成一排的数字式处理器件来控制加速度计和解释其输出。

大多数加速度计是模拟的，意思是说，被测量是随加速度的大小或频率改变的电流量。然而，有些加速度计是数字式的，意思是说，响应于加速度的预定值而作电气接触。提供一系列检测部件，每一个部件有一逐渐增大的响应阈值，而当达到阈值时，每一个部件都作电气接触。在名为“与集成电路工艺兼容的微小型成套阈值加速度计”的文章中描写了具有这种性质的数字式加速度计，该文载于1972年1月出版的第19卷第1期IEEE电子器件汇刊。

许多现有加速度计存在这样一个问题，即相对于解释加速度计输出的数字式处理器来说，加速度计的尺寸太大。对于分辨率取决于所用检测部件个数的数字式加速度计来说，尺寸小是一特别重要的考虑。另一个问题是，制作许多现有加速度计的工艺与用以制作数字式处理器件的工艺不兼容，因而为了把加速度计和数字式处理电路组合起来，需要进行混合装配。这就使得“智能化加速度计”的制造费用很高。

解决这些问题的企图导致可以采用硅加工工艺来制造微加速度计。这些器件典型地具有用硅蚀刻出的片状物和弹簧，它们呈现出了硅的机械性能而不是电学性能。一种微加速度计具有在一蚀刻出的腔体上延伸的微小的悬臂梁，因而梁能在加速度力作用下弯曲。其他种类的微加速度计在柔性铰链上采用类似活塞的结构。

本发明的一个实施例是采用“接触”检测电路或“非接触”检测电路的微机械数字式加速度计。加速度计具有至少一个加速度敏感部件，该部件有一片状物和至少一个支承片状物的柔性铰链。每当片状物响应于加速度力而移离其正常位置时，铰链就变形。在片状物下面有检测电极，而用以检测片状物位置移动的检测电路在电气上与电极相连。对于“接触”检测，片状物接触电极而检测电路检测这一接触。对于“非接触”检测，片状物向电极移动，但并不与电极接触，而检测电路检测片状物位置的改变。本发明的另外的实施例采用一种允许反馈检测的微机械结构，因而片状物只需稍微移动，同时允许采用同一加速度计以正向或负向检测加速度。

本发明所有实施例的技术优点在于，它们具有微机械器件的尺寸和均匀性优点。有一些实施例不要求片状物接触检测电极，因而免除了因粘住而带来的问题，并减少了机械性能的退化。在一些实施例中，既不需要接触另件，还减小了机械移动，这就进一步减少了机械性能的退化。此外，某些实施例检测二个方向的加速度，因而减少了在某种特殊应用中必须使用的加速度计的数量。

图1A是扭转铰链式微机械部件的透视图。

图1B是悬臂铰链式微机械部件的透视图。

图1C是挠性铰链式微机械部件的透视图。

图2示出单向(半维)接触式加速度计。

图3示出双向(一维)接触式加速度计。

图4和图5示出接触式加速度计的机械动作。

图6示出单向(半维)非接触式加速度计。

图7示出双向(一维)非接触式加速度计。

图8和图9示出非接触式加速度计的机械动作。

图10示出用于图6—9的非接触式加速度计的检测电路。

图11示出图10的检测电路的输入和输出电压波形。

图12示出双向(一维)非接触反馈式加速度计。

图13示出具有一加速度部件阵列的单向(半维)加速度计。

图14示出具有一加速度部件阵列的双向(一维)加速度计。

图1A、1B和1C示出微机械器件的一个部件10的各种实施例，每一种都适用于按照本发明的一种加速度计。图1A是扭转铰链式部件10，图1B是悬臂铰链式部件10，而图1C是挠性铰链式部件10。