專利名稱：電容性加速度傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于加速度測量中的測量裝置，更具體地涉及電容性加速度傳感器。本發(fā)明的目的是提供一種改進的傳感器結構，其特別是在小的電容性加速度傳感器設計中，能實現(xiàn)可靠的和有效的加速度測量。
背景技術：
業(yè)已證明，基于電容性加速度傳感器的測量具有簡單的原理和在加速度的測量中提供了可靠的方法，電容性測量是基于傳感器的一對電極的兩個表面之間的間隙的變化。表面之間的電容，即用來存儲電荷的能力，取決于表面的面積和表面之間的距離。電容性測量已經能用在相當?shù)偷募铀俣葴y量范圍。
在下面示例性地參考附圖描述現(xiàn)有技術，其中圖1表示根據(jù)現(xiàn)有技術的加速度傳感器的一對電極的結構的透視圖；和圖2表示基于現(xiàn)有技術的加速度傳感器的一對電極的平移運動的功能結構的側視圖。
圖1表示根據(jù)現(xiàn)有技術的加速度傳感器的一對電極的結構的透視圖。根據(jù)現(xiàn)有技術的加速度傳感器的該對電極包括一個根據(jù)加速度移動的可移動電極1和一個靜止電極2，可移動電極1是加速度傳感器的對加速度響應的那個部分1，并且該部分由于加速度的緣故而相對于靜止電極2移動?？梢苿与姌O1和靜止電極2組成一對電極，該對電極將加速度轉變成能電測量的數(shù)值，即電容。在附圖中，加速度傳感器的可移動電極1支承在點3和4處。通常，在可移動電極1的相對側上，現(xiàn)有技術的加速度傳感器還包括第二對電極，為了清楚的原因，在附圖中沒有示出第二對電極。
能基于該對電極的可移動電極的平移運動或旋轉運動來實施加速度傳感器。
圖2表示基于現(xiàn)有技術的加速度傳感器的一對電極的平移運動的功能結構的側視圖。根據(jù)現(xiàn)有技術的加速度傳感器的該對電極包括可移動電極1和靜止板部2。
加速度傳感器的可移動電極1的支承點由點4表示。當加速度傳感器的可移動電極1處于上面的位置中時，在可移動電極1的底面和板部2的頂面之間形成電容，電容的大小取決于表面1、2的面積和表面1、2之間的距離。當加速度傳感器的可移動電極1移動到一個較低位置時，由于表面1、2之間的距離減小，所以表面1、2之間的電容相當大地增加。
在申請人的共同未決的國際專利申請中更詳細地描述了使用幾對電極的根據(jù)本發(fā)明的加速度傳感器的實施。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供這樣一種改進的傳感器結構，其使得改進一對基于旋轉運動的電極的電容靈敏度，和在電容性加速度傳感器設計中以良好的性能測量加速度成為可能。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種電容性加速度傳感器，其包括至少一對電極，以便每對電極包括對加速度起反應的可移動電極和至少一個靜止板部，以便每對電極還包括基本上形成公共軸線的旋轉軸線，以便加速度傳感器的可移動電極被剛性地支承在旋轉軸線，從而可移動電極繞著旋轉軸線以旋轉運動方式自由轉動；和通過電極增強處于旋轉運動中的可移動電極和板部之間的電容變化。
優(yōu)選地，通過電極的形狀增強處于旋轉運動中的可移動電極和板部之間的電容的變化。
優(yōu)選地，該對電極通過可移動電極如此成形，即該對電極的面積的相當大的部分位于盡可能遠離可移動電極的旋轉軸線的地方。另外，該對電極也可以通過所述至少一個靜止板部如此成形，即該對電極的面積的相當大的部分位于盡可能遠離可移動電極的旋轉軸線的地方。優(yōu)選地，該對電極通過可移動電極和所述至少一個靜止板部如此成形，即該對電極的面積的相當大的部分位于盡可能遠離可移動電極的旋轉軸線的地方。
優(yōu)選地，可移動電極基本上具有兩個支承點，與這些點相關聯(lián)的彈簧規(guī)定了可移動電極繞旋轉軸線的旋轉自由度。優(yōu)選地，可移動電極通過扭轉彈簧靠近其邊緣支承。另外，可移動電極也可以通過扭轉彈簧支承于分開的突出部處。另外，可移動電極也可以在其內部通過扭轉彈簧支承。另外，可移動電極也可以由具有大約相等量級大小的彎曲和旋轉自由度的彈簧支承。另外，可移動電極也可以具有至少三個支承點，它們中的兩個是必需的支承點。
優(yōu)選地，該對電極以三角形形狀成形。另外，該對電極也能以水滴形形狀成形。另外，該對電極也能以錘形形狀成形。優(yōu)選地，通過電極覆層增強處于旋轉運動中的可移動電極和板部之間的電容的變化。
優(yōu)選地，通過電極的電子之間的更大的距離來增強處于旋轉運動中的可移動電極和板部之間的電容的變化。優(yōu)選地，加速度傳感器結構包括在每個可移動電極的相對側上的第二靜止電極。


借助下面示例性地參考附圖對本發(fā)明和用于其實現(xiàn)的優(yōu)選方法進行詳細的描述，其中圖1表示根據(jù)現(xiàn)有技術的加速度傳感器的一對電極的結構的透視圖；圖2表示根據(jù)現(xiàn)有技術的加速度傳感器的基于平移運動的一對電極的功能結構的側視圖；圖3表示根據(jù)本發(fā)明的加速度傳感器的一對電極的功能結構的側視圖；圖4表示根據(jù)本發(fā)明的加速度傳感器的一對電極的結構的透視圖；圖5表示當一對電極的表面之間的距離改變時，根據(jù)本發(fā)明的加速度傳感器的一對電極的電容的變化，其以百分比的方式表達；圖6表示根據(jù)本發(fā)明的加速度傳感器的一對電極的可移動電極的支承布置；圖7表示根據(jù)本發(fā)明的加速度傳感器的一對電極的可移動電極的可選支承布置；圖8表示根據(jù)本發(fā)明的加速度傳感器的一對電極的可移動電極的第二可選支承布置；圖9表示根據(jù)本發(fā)明的加速度傳感器的一對電極的可移動電極的第三可選支承布置；圖10表示根據(jù)本發(fā)明的加速度傳感器的一對電極的可移動電極的第四可選支承布置；圖11表示根據(jù)本發(fā)明的加速度傳感器的一對電極的可移動電極的第五可選支承布置；圖12表示根據(jù)本發(fā)明的加速度傳感器的一對電極的可移動電極的形狀；圖13表示根據(jù)本發(fā)明的加速度傳感器的一對電極的可選可移動電極的形狀；圖14表示根據(jù)本發(fā)明的加速度傳感器的一對電極的第二可選可移動電極的形狀；圖15表示根據(jù)本發(fā)明的加速度傳感器的一對電極的第三可選可移動電極的形狀；圖16表示根據(jù)本發(fā)明的加速度傳感器的一對電極的第四可選可移動電極的形狀；圖17表示根據(jù)本發(fā)明的加速度傳感器的一對電極的第五可選可移動電極的形狀；圖18表示根據(jù)本發(fā)明的加速度傳感器的一對電極的第六可選可移動電極的形狀，圖19表示根據(jù)本發(fā)明的加速度傳感器的一對電極的第七可選可移動電極的形狀；圖20表示根據(jù)本發(fā)明的加速度傳感器的一對電極的可選實施例的電極的形狀；圖21表示穿過根據(jù)本發(fā)明的加速度傳感器的一對電極的可選實施例的電極的截面；圖22表示穿過根據(jù)本發(fā)明的加速度傳感器的一對電極的可選實施例的電極的可選截面；在上面已介紹了圖1-2，下面，參考附圖3-22描述本發(fā)明和用于其實施的優(yōu)選方法。
具體實施例方式
圖3表示根據(jù)本發(fā)明的加速度傳感器的一對電極的功能結構的側視圖。根據(jù)本發(fā)明的加速度傳感器的一對電極包括一個可移動電極5、一個靜止電極6和一個旋轉軸線7。
加速度傳感器的可移動電極5這樣剛性地支承在旋轉軸線7，即可移動電極5繞著旋轉軸線7以旋轉運動方式自由轉動。處于旋轉運動中的可移動電極5組成加速度傳感器的對加速度起反應的部分，該部分由于加速度而繞著旋轉軸線7進行旋轉運動。
在旋轉運動之前，當加速度傳感器的可移動電極5處于上位置中時，在可移動電極5的底面和靜止電極6的頂面之間形成電容，電容的大小取決于表面5、6的面積和表面5、6之間的距離。當可移動電極5在旋轉運動之后旋轉到下位置時，由于表面5、6之間的距離減小，所以表面5、6之間的電容增加。
由于表面5、6之間的距離變化，所以根據(jù)本發(fā)明的加速度傳感器的該對電極中的表面5、6之間的電容不均勻地分布在表面5和6之上。根據(jù)本發(fā)明的加速度傳感器還可以在可移動電極5的相對側上包括第二對電極。
在根據(jù)本發(fā)明的加速度傳感器中，與矩形形狀的一對電極相比，借助于該對電極的形狀增強處于旋轉運動中的可移動電極的電容變化。電容變化的增強是基于由旋轉運動引起的電極距離的不均勻性。
處于旋轉運動中的可移動電極的末端的位置是限制旋轉角度最大值的因素。通常，在靜止電極的頂部上有一個緩沖結構，當可移動電極碰撞到那個結構時，該對電極達到其電容最大值。關于電容變化的最敏感區(qū)域也在可移動電極的末端，因為那里是該對電極的距離變化最大的地方。
旋轉角度的最大值取決于可移動電極與旋轉軸線的最大距離，然而在電極的末端形成的電容的大小取決于該對電極的寬度，一對無載電極的電容僅僅取決于該對電極的表面。
在本發(fā)明中，通過可移動電極、靜止電極或這兩個電極這樣成形該對電極，即該對電極的面積的相當大的部分在靜止電極處盡可能遠離旋轉運動的軸線。根據(jù)本發(fā)明，多對電極的形狀例如是三角形狀的、水滴狀的或錘子狀的多對電極。通過根據(jù)本發(fā)明的結構，由該對電極產生的電容的較大部分在這樣的區(qū)域中產生，在該區(qū)域中，該對電極的距離非常大地變化。
圖4表示根據(jù)本發(fā)明的加速度傳感器的一對電極的結構的透視圖。根據(jù)本發(fā)明，加速度傳感器的該對電極包括事先設計好的可移動電極8和事先設計好的靜止電極9，可移動電極8根據(jù)加速度移動?？梢苿与姌O8組成加速度傳感器的部分8，該部分對加速度起反應，并且該部分由于加速度而相對于板部9移動。可移動電極8和靜止電極9形成一對電極，該對電極將加速度轉變成可電測量的數(shù)值，即電容。在附圖中，加速度傳感器的可移動電極8支承在旋轉軸線的點10和11處。
多對電極的可選形狀例如是三角形狀的、水滴狀的或錘子狀的多對電極。通過這樣的結構，由該對電極產生的電容的較大部分在這樣的區(qū)域中產生，在該區(qū)域中，該對電極的距離非常大地變化。
圖5表示當一對電極的表面之間的距離改變時，根據(jù)本發(fā)明的加速度傳感器的一對電極的電容的變化，其以百分比的方式表達。橫軸表示該對電極的表面之間的距離(d)，相對地，縱軸表示該對電極的電容的變化(％C變化)，其以百分比的方式表達。曲線12表示當一對普通電極的表面之間的距離改變時，該對普通電極的電容的變化，該變化以百分比的方式表達，該對普通電極具有以平移運動的方式移動的矩形形狀的表面。曲線13相應地表示當一對電極的表面之間的距離改變時，該對電極的電容的變化，該變化以百分比的方式表達，該對電極具有以旋轉運動的方式移動的矩形形狀的表面。
因而，可以看到，在測量中使用的以旋轉運動方式移動的那對電極的電容變化沒有以平移運動的方式移動的具有矩形形狀表面的那對普通電極的電容變化大。測量所需的這種變化靈敏度能通過設計該對電極的形狀來補償。曲線14表示當一對電極的表面之間的距離改變時，該對電極的電容的變化，該變化以百分比的方式表達，該對電極具有處于旋轉運動中的三角形形狀的表面。
根據(jù)本發(fā)明的加速度傳感器的該對電極的可移動電極基本上具有兩個支承點，支承點具有相關的彈簧，所述彈簧規(guī)定了可移動電極繞通過支承點劃出的直線旋轉的自由度。
可移動電極可以局限于具有不與電極平面平行的對加速度的敏感方向那些可移動電極。這里，電極平面理解成意指通過最小二乘法形成的電極的平面，因而，在垂直于可移動電極的電極平面的方向上，可移動電極的重心投影在與電極的電極平面平行的平面上，平行于可移動電極的電極平面的該平面穿過可移動電極的支承點，所述投影的可移動電極不必落在在可移動電極的支承點之間劃出的直線上。
圖6表示根據(jù)本發(fā)明的加速度傳感器的一對電極的可移動電極的支承結構。在該支承結構中，可移動電極通過扭轉彈簧在邊緣附近支承。
圖7表示根據(jù)本發(fā)明的可選加速度傳感器的一對電極的可移動電極的支承布置。在該支承結構中，可移動電極通過扭轉彈簧支承于分開的突出部處。
圖8表示根據(jù)本發(fā)明的第二可選加速度傳感器的一對電極的可移動電極的支承布置。在該支承結構中，可移動電極在其內部通過扭轉彈簧支承。
圖9表示根據(jù)本發(fā)明的第三可選加速度傳感器的一對電極的可移動電極的支承布置。在該支承結構中，可移動電極由具有大約相等量級大小的彎曲和旋轉自由度的彈簧支承。然而，可移動電極的支承的旋轉自由度存在于由可移動電極的支承點確定的直線周圍。
圖10表示根據(jù)本發(fā)明的第四可選加速度傳感器的一對電極的可移動電極的支承布置。該支承布置是不對稱布置，其中可移動電極具有繞著直線的旋轉自由度，該直線由支承點確定。
圖11表示根據(jù)本發(fā)明的第五可選加速度傳感器的一對電極的可移動電極的支承布置。在該支承結構中，可移動電極具有三個支承點，由于明顯較硬的彈簧，它們中的兩個是必需的支承點。
在根據(jù)本發(fā)明的加速度傳感器中，該對電極如此成形，即處于旋轉運動中的可移動電極的電容變化被增強。在根據(jù)本發(fā)明的加速度傳感器中，當在可移動電極的正方向向量的方向上移動時，所述正方向向量起始于連接可移動電極的支承點的直線，垂直于該對電極的正方向向量的有效尺寸相當大地增加。這里，可移動電極的正方向向量是一個方向垂直于支承點之間的直線的向量，該向量的方向劃向一條直線的中點，該條直線在可移動電極的必需的支承點之間劃出，并且可移動電極的正方向向量在電極平面上朝著可移動電極的重心延伸。
圖12表示根據(jù)本發(fā)明的加速度傳感器的一對電極的可移動電極的形狀。該附圖表示可移動電極、可移動電極的支承點和靜止金屬板。由可移動電極和靜止金屬板形成的該對電極被表示為帶條紋的，該對電極的可移動電極的厚度在連接可移動電極的支承點的直線處幾乎為零，并且電極的有效尺寸基本上在可移動電極的正方向向量的方向上增加。
圖13表示根據(jù)本發(fā)明的加速度傳感器的一對電極的可選可移動電極的形狀。該對電極的可移動電極在連接可移動電極的支承點的直線處具有一定厚度，并且電極的有效尺寸基本上在可移動電極的正方向向量的方向上增加。
圖14表示根據(jù)本發(fā)明的加速度傳感器的一對電極的第二可選可移動電極的形狀。在連接可移動電極的支承點的直線處，電極的可移動電極的一側被加重，并且電極的有效尺寸基本上在可移動電極的正方向向量的方向上增加。
圖15表示根據(jù)本發(fā)明的加速度傳感器的一對電極的第三可選可移動電極的形狀。電極的可移動電極的邊緣在連接可移動電極的支承點的直線處被加重，并且電極的有效尺寸基本上在可移動電極的正方向向量的方向上增加。
圖16表示根據(jù)本發(fā)明的加速度傳感器的一對電極的第四可選可移動電極的形狀。電極的可移動電極這樣特別成形，即電極的有效尺寸首先減小，接著是在可移動電極的正方向向量的方向上在尺寸上必需的增加。
圖17表示根據(jù)本發(fā)明的加速度傳感器的一對電極的第五可選可移動電極的形狀。電極的可移動電極這樣特別成形，即電極的有效尺寸首先保持不變，接著是在可移動電極的正方向向量的方向上在尺寸上的間斷的但必需的增加。
圖18表示根據(jù)本發(fā)明的加速度傳感器的一對電極的第六可選可移動電極的形狀。電極的可移動電極這樣特別成形，即電極的有效尺寸首先為零，接著是在可移動電極的正方向向量的方向上在尺寸上的間斷的但必需的增加。
圖19表示根據(jù)本發(fā)明的加速度傳感器的一對電極的第七可選可移動電極的形狀。該對電極的可移動電極在連接可移動電極的支承點的直線處以一定的厚度開始，并且電極的有效尺寸在可移動電極的正方向向量的方向上均勻地和基本上地增加。
該對電極的有效尺寸指定了垂直于正方向向量的尺寸，在該尺寸處，產生電容的相當大的部分。因而，當可移動電極的物理尺寸不增加，但該對電極的電容在正方向向量的方向上增加時，該對電極的有效尺寸也會增加。
圖20表示根據(jù)本發(fā)明的加速度傳感器的一對電極的電極的可選實施例的形狀。兩對電極的物理尺寸不變，但一對電極的電容增加，例如由于金屬板或電極之間更大的間隙引起。帶條紋區(qū)域表示該對電極的面積，用正方形劃出的面積表示有效電容形成面積。
圖21表示穿過根據(jù)本發(fā)明的加速度傳感器的一對電極的電極的可選實施例的截面。根據(jù)本發(fā)明的加速度傳感器的一對電極的正方形成形電極的表面用具有非常低的電容的覆層覆蓋，由此由被覆蓋部分產生的電容非常小。
圖22表示穿過根據(jù)本發(fā)明的加速度傳感器的一對電極的電極的可選實施例的可選截面。在根據(jù)本發(fā)明的加速度傳感器的該對電極中的電極的距離改變了，由此在電極之間具有較小距離的部分產生明顯更大的電容。
根據(jù)本發(fā)明的加速度傳感器結構還可以在每個可移動電極的相對側上包括第二靜止電極。
根據(jù)本發(fā)明的加速度傳感器結構實現(xiàn)了一對基于旋轉運動的電極的電容靈敏度的改進，并能在電容性加速度傳感器設計中，以良好的性能實現(xiàn)加速度測量。
權利要求
1.一種電容性加速度傳感器，它包括這樣的至少一對電極，即每對電極包括對加速度起反應的可移動電極(5)和至少一個靜止板部(6)，其特征在于，每對電極還這樣包括基本上形成公共軸線的旋轉軸線(7)，即加速度傳感器的可移動電極(5)剛性地支承在旋轉軸線(7)上，使得可移動電極(5)繞著旋轉軸線(7)以旋轉運動方式自由轉動；和通過電極(5)、(6)增強處于旋轉運動中的可移動電極(5)和板部(6)之間的電容變化。
2.如權利要求1所述的電容性加速度傳感器，其特征在于，借助于電極(5)、(6)的形狀增強處于旋轉運動中的可移動電極(5)和板部(6)之間的電容變化。
3.如權利要求2所述的電容性加速度傳感器，其特征在于，該對電極通過可移動電極(5)如此成形，即該對電極的面積的相當大的部分位于盡可能遠離可移動電極的旋轉軸線(7)的地方。
4.如權利要求2所述的電容性加速度傳感器，其特征在于，該對電極通過所述至少一個靜止板部(6)如此成形，即該對電極的面積的相當大的部分位于盡可能遠離可移動電極的旋轉軸線(7)的地方。
5.如權利要求2所述的電容性加速度傳感器，其特征在于，該對電極通過可移動電極(5)和所述至少一個靜止板部(6)如此成形，即該對電極的面積的相當大的部分位于盡可能遠離可移動電極的旋轉軸線(7)的地方。
6.如權利要求1-5中任一項所述的電容性加速度傳感器，其特征在于，可移動電極(5)基本上具有兩個支承點，所述支承點具有相關的彈簧，所述彈簧規(guī)定了可移動電極(5)繞旋轉軸線(7)的旋轉自由度。
7.如權利要求6所述的電容性加速度傳感器，其特征在于，可移動電極(5)通過扭轉彈簧靠近其邊緣支承。
8.如權利要求6所述的電容性加速度傳感器，其特征在于，可移動電極(5)通過扭轉彈簧支承于分開的突出部處。
9.如權利要求6所述的電容性加速度傳感器，其特征在于，可移動電極(5)在其內部通過扭轉彈簧支承。
10.如權利要求6所述的電容性加速度傳感器，其特征在于，可移動電極(5)由具有大約相等量級大小的彎曲和旋轉自由度的彈簧支承。
11.如權利要求6所述的電容性加速度傳感器，其特征在于，可移動電極(5)具有至少三個支承點，它們中的兩個是必需的支承點。
12.如權利要求1-11中任一項所述的電容性加速度傳感器，其特征在于，該對電極以三角形的形狀成形。
13.如權利要求1-11中任一項所述的電容性加速度傳感器，其特征在于，該對電極以水滴形形狀成形。
14.如權利要求1-11中任一項所述的電容性加速度傳感器，其特征在于，該對電極以錘形形狀成形。
15.如權利要求1所述的電容性加速度傳感器，其特征在于，借助電極(5)，(6)上的覆層增強處于旋轉運動中的可移動電極(5)和板部(6)之間的電容變化。
16.如權利要求1所述的電容性加速度傳感器，其特征在于，通過在電極(5)，(6)之間具有更大的電子間隙來增強處于旋轉運動中的可移動電極(5)和板部(6)之間的電容變化。
17.如權利要求1-16中任一項所述的電容性加速度傳感器，其特征在于，加速度傳感器結構包括在每個可移動電極的相對側上的第二靜止電極。
全文摘要
一種用于加速度測量中的測量裝置，更具體地涉及電容性加速度傳感器。根據(jù)本發(fā)明的電容性加速度傳感器包括支承在旋轉軸線(7)處的可移動電極(5)，根據(jù)本發(fā)明的加速度傳感器的該對電極中的電容變化被增強。根據(jù)本發(fā)明的加速度傳感器結構使改進基于旋轉運動的該對電極的電容靈敏度，并在電容性加速度傳感器設計中以良好的性能測量加速度的成為可能。
文檔編號G01P15/00GK1748148SQ200480003950
公開日2006年3月15日 申請日期2004年1月30日 優(yōu)先權日2003年2月11日
發(fā)明者T·萊托寧 申請人:Vti技術有限公司