專利名稱：帶改進(jìn)型檢測(cè)電路的微機(jī)械加速度計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及加速度計(jì)，特別涉及用微機(jī)械器件做成并具有改進(jìn)的檢測(cè)電路的加速度計(jì)。
位置敏感加速度計(jì)的基本工作原理是，加速度計(jì)所受到的加速度將迫使它所附的片狀物沿其敏感軸的方向移動(dòng)。這塊片狀物附于一抵消片狀物運(yùn)動(dòng)的彈簧或類似元件上，從而該片狀物運(yùn)動(dòng)，直到來(lái)自彈簧的力與由于加速度而使片狀物受到的力相平衡。測(cè)量片狀物的移動(dòng)允許對(duì)加速度進(jìn)行測(cè)量。其他的加速度計(jì)是應(yīng)變測(cè)量加速度計(jì)，它具有壓電或壓阻材料，它能檢測(cè)由慣性片狀物產(chǎn)生的應(yīng)力或由該片狀物支承彈簧產(chǎn)生的應(yīng)變。
應(yīng)用加速度計(jì)的場(chǎng)合包括防鎖制動(dòng)系統(tǒng)、車輛懸掛系統(tǒng)、飛行中的飛行器監(jiān)視等，所有這些應(yīng)用都要求小型、廉價(jià)和可靠的器件。對(duì)于實(shí)時(shí)監(jiān)視，由排成一排的數(shù)字式處理器件來(lái)控制加速度計(jì)和解釋其輸出。
大多數(shù)加速度計(jì)是模擬的，意思是說(shuō)，被測(cè)量是隨加速度的大小或頻率改變的電流量。然而，有些加速度計(jì)是數(shù)字式的，意思是說(shuō)，響應(yīng)于加速度的預(yù)定值而作電氣接觸。提供一系列檢測(cè)部件，每一個(gè)部件有一逐漸增大的響應(yīng)閾值，而當(dāng)達(dá)到閾值時(shí)，每一個(gè)部件都作電氣接觸。在名為“與集成電路工藝兼容的微小型成套閾值加速度計(jì)”的文章中描寫(xiě)了具有這種性質(zhì)的數(shù)字式加速度計(jì)，該文載于1972年1月出版的第19卷第1期IEEE電子器件匯刊。
許多現(xiàn)有加速度計(jì)存在這樣一個(gè)問(wèn)題，即相對(duì)于解釋加速度計(jì)輸出的數(shù)字式處理器來(lái)說(shuō)，加速度計(jì)的尺寸太大。對(duì)于分辨率取決于所用檢測(cè)部件個(gè)數(shù)的數(shù)字式加速度計(jì)來(lái)說(shuō)，尺寸小是一特別重要的考慮。另一個(gè)問(wèn)題是，制作許多現(xiàn)有加速度計(jì)的工藝與用以制作數(shù)字式處理器件的工藝不兼容，因而為了把加速度計(jì)和數(shù)字式處理電路組合起來(lái)，需要進(jìn)行混合裝配。這就使得“智能化加速度計(jì)”的制造費(fèi)用很高。
解決這些問(wèn)題的企圖導(dǎo)致可以采用硅加工工藝來(lái)制造微加速度計(jì)。這些器件典型地具有用硅蝕刻出的片狀物和彈簧，它們呈現(xiàn)出了硅的機(jī)械性能而不是電學(xué)性能。一種微加速度計(jì)具有在一蝕刻出的腔體上延伸的微小的懸臂梁，因而梁能在加速度力作用下彎曲。其他種類的微加速度計(jì)在柔性鉸鏈上采用類似活塞的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例是采用“接觸”檢測(cè)電路或“非接觸”檢測(cè)電路的微機(jī)械數(shù)字式加速度計(jì)。加速度計(jì)具有至少一個(gè)加速度敏感部件，該部件有一片狀物和至少一個(gè)支承片狀物的柔性鉸鏈。每當(dāng)片狀物響應(yīng)于加速度力而移離其正常位置時(shí)，鉸鏈就變形。在片狀物下面有檢測(cè)電極，而用以檢測(cè)片狀物位置移動(dòng)的檢測(cè)電路在電氣上與電極相連。對(duì)于“接觸”檢測(cè)，片狀物接觸電極而檢測(cè)電路檢測(cè)這一接觸。對(duì)于“非接觸”檢測(cè)，片狀物向電極移動(dòng)，但并不與電極接觸，而檢測(cè)電路檢測(cè)片狀物位置的改變。本發(fā)明的另外的實(shí)施例采用一種允許反饋檢測(cè)的微機(jī)械結(jié)構(gòu)，因而片狀物只需稍微移動(dòng)，同時(shí)允許采用同一加速度計(jì)以正向或負(fù)向檢測(cè)加速度。
本發(fā)明所有實(shí)施例的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)在于，它們具有微機(jī)械器件的尺寸和均勻性優(yōu)點(diǎn)。有一些實(shí)施例不要求片狀物接觸檢測(cè)電極，因而免除了因粘住而帶來(lái)的問(wèn)題，并減少了機(jī)械性能的退化。在一些實(shí)施例中，既不需要接觸另件，還減小了機(jī)械移動(dòng)，這就進(jìn)一步減少了機(jī)械性能的退化。此外，某些實(shí)施例檢測(cè)二個(gè)方向的加速度，因而減少了在某種特殊應(yīng)用中必須使用的加速度計(jì)的數(shù)量。


圖1A是扭轉(zhuǎn)鉸鏈?zhǔn)轿C(jī)械部件的透視圖。
圖1B是懸臂鉸鏈?zhǔn)轿C(jī)械部件的透視圖。
圖1C是撓性鉸鏈?zhǔn)轿C(jī)械部件的透視圖。
圖2示出單向(半維)接觸式加速度計(jì)。
圖3示出雙向(一維)接觸式加速度計(jì)。
圖4和圖5示出接觸式加速度計(jì)的機(jī)械動(dòng)作。
圖6示出單向(半維)非接觸式加速度計(jì)。
圖7示出雙向(一維)非接觸式加速度計(jì)。
圖8和圖9示出非接觸式加速度計(jì)的機(jī)械動(dòng)作。
圖10示出用于圖6—9的非接觸式加速度計(jì)的檢測(cè)電路。
圖11示出圖10的檢測(cè)電路的輸入和輸出電壓波形。
圖12示出雙向(一維)非接觸反饋式加速度計(jì)。
圖13示出具有一加速度部件陣列的單向(半維)加速度計(jì)。
圖14示出具有一加速度部件陣列的雙向(一維)加速度計(jì)。
圖1A、1B和1C示出微機(jī)械器件的一個(gè)部件10的各種實(shí)施例，每一種都適用于按照本發(fā)明的一種加速度計(jì)。圖1A是扭轉(zhuǎn)鉸鏈?zhǔn)讲考?0，圖1B是懸臂鉸鏈?zhǔn)讲考?0，而圖1C是撓性鉸鏈?zhǔn)讲考?0。
如下面所說(shuō)明的，本發(fā)明包括當(dāng)一加速作用加在一個(gè)部件10或這些部件10的一個(gè)陣列上時(shí)的各種檢測(cè)方法。這里，把這些不同的檢測(cè)方法稱為“接觸檢測(cè)”、“非接觸檢測(cè)”和“反饋檢測(cè)”。三種不同類型的部件10中的任何一種都可用于接觸檢測(cè)和非接觸檢測(cè)。扭轉(zhuǎn)鉸鏈?zhǔn)讲考?0也適用于反饋檢測(cè)。
這三種部件10的一般工作原理是相同的。每一種部件都可以用集成電路工藝來(lái)制造，而集成電路工藝對(duì)于從事微機(jī)械器件領(lǐng)域工作的人來(lái)說(shuō)是熟悉的。如下面所說(shuō)明的，每一種部件都做在一塊其上制有控制電路的襯底上。每一種部件都有一附于柔性鉸鏈的片狀物，該片狀物與襯底之間有一氣隙。襯底和片狀物之間的氣隙允許該片狀物受到加速力時(shí)偏轉(zhuǎn)。
圖1A是扭轉(zhuǎn)鉸鏈?zhǔn)讲考?0的透視圖。根據(jù)上述的一般工作原理，圖1A的扭轉(zhuǎn)鉸鏈?zhǔn)讲考?0制作在襯底11上。片狀物12大體呈矩形。片狀物12安裝在鉸鏈13上，鉸鏈13從片狀物13的二個(gè)對(duì)角延伸。鉸鏈13在每一端由柱14支承，柱14由襯底11向上延伸。鉸鏈13有足夠的柔性，從而允許片狀物12在響應(yīng)一加速度時(shí)繞軸A-A轉(zhuǎn)動(dòng)。片狀物12相對(duì)于這根旋轉(zhuǎn)軸是不對(duì)稱的，意思是說(shuō)，該片狀物在軸A-A一邊的質(zhì)量大于在A-A另一邊的質(zhì)量。
對(duì)于接觸檢測(cè)和非接觸檢測(cè)，沿由“a+”箭頭所指方向的加速度使片狀物12質(zhì)量較大一側(cè)向下方的著陸電極15傾斜。參看圖2—5討論接觸檢測(cè)。參看圖6—11討論非接觸檢測(cè)。對(duì)于反饋檢測(cè)，同樣的加速度引起片狀物12要向著陸電極15傾斜，但反饋控制電路使片狀物12保持在大體不變的位置上。參看圖12討論反饋檢測(cè)。
圖1B是懸臂鉸鏈?zhǔn)讲考?0的側(cè)視圖。懸臂鉸鏈?zhǔn)讲考?0也制作在一塊襯底11上。一塊片狀物12放在鉸鏈13的一端。鉸鏈13的另一端由柱14支承。鉸鏈13具有足夠的柔性，因而允許片狀物12能響應(yīng)一加速度而向襯底11彎曲。對(duì)于接觸檢測(cè)和非接觸檢測(cè)，沿由“a+”箭頭所指方向的加速度使片狀物12向著陸電極15傾斜。
圖1C是撓性鉸鏈?zhǔn)讲考?0的側(cè)視圖。撓性鉸鏈?zhǔn)讲考?0也制作在一塊襯底11上。一塊大體呈矩形的片狀物12由鉸鏈13(通常由片狀物12每個(gè)角上的鉸鏈)使之懸空。每個(gè)鉸鏈13由柱14支承。鉸鏈13具有足夠的柔性，從而允許片狀物12響應(yīng)于一加速度而朝下向襯底11移動(dòng)。對(duì)于接觸檢測(cè)和非接觸檢測(cè)，沿由“a+”箭頭所指方向的加速度使片狀物12向著陸電極15偏移。
應(yīng)用于非加速度計(jì)場(chǎng)合的采用諸如示于圖1A、1B和1C的扭轉(zhuǎn)鉸鏈、懸臂鉸鏈和撓性鉸鏈結(jié)構(gòu)的微機(jī)械器件的各種實(shí)施例在下述專利中描述名為“空間光調(diào)制器和方法”的第4,662,746號(hào)美國(guó)專利、名為“空間光調(diào)制器”的第4,956,619號(hào)美國(guó)專利、名為“多級(jí)可變形鏡器件”的第5,083,857號(hào)美國(guó)專利和名為“空間光調(diào)制器和方法”的第5,061,049號(hào)美國(guó)專利。這些專利都轉(zhuǎn)讓給了德克薩斯儀器股份有限公司(Texas Instruments Incorporated),并都包括在這里作為參考。
以接觸檢測(cè)方法采用示于圖1A、1B和1C的微機(jī)械結(jié)構(gòu)的數(shù)字式加速度計(jì)在下述專利和專利申請(qǐng)中描述名為“制作撓性梁加速度計(jì)的方法”的第5,192,395號(hào)美國(guó)專利、名為“數(shù)字式撓性梁加速度計(jì)”的第5,305,640號(hào)美國(guó)專利以及名為“數(shù)字式加速度計(jì)”的第08/142,548號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)(申請(qǐng)日為1993年10月22日，它是第07/883,616號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)的繼續(xù))。這些專利和專利申請(qǐng)都已轉(zhuǎn)讓給德克薩斯儀器股份有限公司，并都包括在這里作為參考。
圖2是一加速度計(jì)20的側(cè)視圖，該加速度計(jì)有一單扭轉(zhuǎn)鉸鏈?zhǔn)讲考?0和一接觸檢測(cè)電路25。如上所述，部件10也可以是一懸臂鉸鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)或撓性鉸鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，而把接觸檢測(cè)電路25連至與每種結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的電極15。
參看圖1A和圖2，對(duì)于一采用接觸檢測(cè)方法的加速度計(jì)20來(lái)說(shuō)，它的扭轉(zhuǎn)鉸鏈13具有足夠的柔性，允許片狀物12繞軸A-A傾斜，從而使片狀物12的一邊與電極15接觸。當(dāng)發(fā)生這種情況時(shí)，片狀物12為接觸測(cè)量而“完全偏轉(zhuǎn)”。引起完全偏轉(zhuǎn)所需的加速度的大小取決于鉸鏈13的扭轉(zhuǎn)常數(shù)以及片狀物12分布在軸A-A二側(cè)的不對(duì)稱的程度。
檢測(cè)電路25與電極15在電氣上相連。當(dāng)片狀物12完全偏轉(zhuǎn)時(shí)，檢測(cè)電路25進(jìn)行檢測(cè)并產(chǎn)生一相應(yīng)的輸出。檢測(cè)電路25有一第一電阻25a、一晶體管25b和一第二電阻25c。晶體管25b的輸入端連至?xí)r鐘輸入和電極15。測(cè)量跨于經(jīng)電阻25c的電源與地之間的晶體管25b的輸出。
在工作時(shí)，片狀物12接地。檢測(cè)電路25接收一使電極15處于高電平的高頻時(shí)鐘脈沖。在沒(méi)有加速度時(shí)，脈沖高電平使晶體管25b導(dǎo)通，從而在它的輸出端產(chǎn)生一邏輯低電平。然而，當(dāng)片狀物12完全偏轉(zhuǎn)而接觸電極15時(shí)，電極15經(jīng)片狀物12接地。這使晶體管26b截止，從而在檢測(cè)器輸出端產(chǎn)生一邏輯高電平。用高頻時(shí)鐘輸入而不用直流電壓，這是由于直流電壓將引起片狀物12和電極15之間的吸引。于是檢測(cè)電路25給出片狀物12是否已完全偏轉(zhuǎn)的數(shù)字式指示。把檢測(cè)電路25的輸出送至對(duì)輸出采樣的鎖存器。
加速度計(jì)20對(duì)與片狀物12表面近似垂直的加速度進(jìn)行檢測(cè)。然而，加速度計(jì)20只檢測(cè)一個(gè)方向(即正向或向上)的加速度。當(dāng)想要測(cè)量單一方向的加速度時(shí)，由加速度計(jì)20單獨(dú)給出一經(jīng)濟(jì)的加速度計(jì)，或者作為具有不同靈敏度因而提供所需分辨率的加速度計(jì)20的陣列中的一個(gè)部件。
圖3示出與加速度計(jì)20相似，但能測(cè)量正負(fù)二個(gè)方向的加速度的加速度計(jì)30。除了有二個(gè)電極15和二個(gè)檢測(cè)電路25之外，加速度計(jì)30幾乎與加速度計(jì)20相同。當(dāng)片狀物12沿第一方向a+完全偏轉(zhuǎn)時(shí)，加速度計(jì)30如加速度計(jì)20那樣工作，這時(shí)片狀物12的一邊與在片狀物質(zhì)量較大那一側(cè)下方的電極15接觸。當(dāng)片狀物12沿第二方向a-完全偏轉(zhuǎn)時(shí)，片狀物12質(zhì)量較小的那一邊與位于其下的電極15接觸，而相關(guān)聯(lián)的檢測(cè)電路25產(chǎn)生一高電平輸出。
這樣，加速度計(jì)30允許對(duì)方向大體與片狀物12表面垂直的正和負(fù)加速度進(jìn)行檢測(cè)。如加速度計(jì)20那樣，可以把它用作具有不同靈敏度的一個(gè)加速度計(jì)部件陣列30中的一個(gè)加速度計(jì)部件30。
加速度計(jì)30是“一維”的，意思是指它能檢測(cè)沿一維中的正向和負(fù)向的加速度。利用這一術(shù)語(yǔ)，則加速度計(jì)20是“半維”的，因?yàn)樗荒軝z測(cè)沿一維中的正向加速度。
圖4示出加速度計(jì)30響應(yīng)于“正”加速度的機(jī)械動(dòng)作。更明確些說(shuō)，圖4示出處于由沿a+方向的加速度引起的完全偏轉(zhuǎn)狀態(tài)下的片狀物12。當(dāng)加速度計(jì)30在此方向受到一足夠大的加速度時(shí)，片狀物12完全偏轉(zhuǎn)，從而它的一條邊與電極15接觸。由于片狀物12的慣性，片狀物12沿此第一方向偏轉(zhuǎn)。由于質(zhì)量較大的那一側(cè)慣性較大，并且由于鉸鏈13允許扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使片狀物12向電極15轉(zhuǎn)動(dòng)。
圖5示出響應(yīng)于沿a-方向的加速度，加速度計(jì)30的機(jī)械動(dòng)作。響應(yīng)于沿此方向的加速度，其大小足以使片狀物12完全偏轉(zhuǎn)，使片狀物12轉(zhuǎn)動(dòng)而接觸電極15。
圖6示出具有非接觸檢測(cè)電路65的加速度計(jì)60。如在加速度計(jì)20和30中那樣，為舉例起見(jiàn)，只描寫(xiě)了扭轉(zhuǎn)鉸鏈?zhǔn)讲考?0。然而，可以用示于圖1A、1B和1C中的三種類型的微機(jī)械部件中的任何一種。
加速度計(jì)60類似于加速度計(jì)20和30。然而，這樣來(lái)做加速度計(jì)60，使它的片狀物12的偏轉(zhuǎn)不足以接觸電極15?？梢赃x擇加速度部件10的各種參數(shù)，從而鉸鏈13只允許片狀物12部分地向電極15偏轉(zhuǎn)。例如，可以這樣做鉸鏈13，在它扭過(guò)一定大小后，要進(jìn)一步扭轉(zhuǎn)將遇到極大的阻力。當(dāng)片狀物12到達(dá)最大位移的位置時(shí)，就認(rèn)為它已“完全偏轉(zhuǎn)”而該位置離開(kāi)電極15還有一段距離。
非接觸檢測(cè)電路65與接觸檢測(cè)電路25的不同之處在于當(dāng)片狀物12到達(dá)其完全偏轉(zhuǎn)位置時(shí)，非接觸檢測(cè)電路65在沒(méi)有電接觸的幫助下必須進(jìn)行檢測(cè)?？梢杂脦追N方法來(lái)檢測(cè)片狀物12的這種完全偏轉(zhuǎn)。例如，檢測(cè)電路65可以是光學(xué)的裝置，而它用一根或幾根光纖來(lái)檢測(cè)完全偏轉(zhuǎn)位置。采取另一種方法，檢測(cè)電路65可以是電容性的，當(dāng)片狀物12移至完全偏轉(zhuǎn)位置時(shí)，由該電路檢測(cè)片狀物12和電極15之間的電容。當(dāng)電容達(dá)到一預(yù)定值時(shí)，就出現(xiàn)了“完全偏轉(zhuǎn)”狀態(tài)。如下面結(jié)合圖10和11所描述的，這里描述的實(shí)施例采用后一種類型的檢測(cè)電路65。不偏離本發(fā)明的范圍，容易想出并使用其他的檢測(cè)方法。
圖7示出具有二個(gè)檢測(cè)電路65的加速度計(jì)70。除了加速度計(jì)70是一維的而加速度計(jì)60是半維之外，加速度計(jì)70與加速度計(jì)60相似。加速度計(jì)70和加速度計(jì)60之間的差別類似于加速度計(jì)20和加速度計(jì)30之間的差別。為使加速度計(jì)70是一維的，要把第二電極15在電氣上連至第二檢測(cè)電路65。除了是一維而不是半維之外，加速度計(jì)70的工作與加速度計(jì)60的工作本質(zhì)上相同。
圖8示出加速度計(jì)70的機(jī)械動(dòng)作。沿a+方向的加速度使片狀物12沿電極15的方向偏轉(zhuǎn)。在圖8中，對(duì)于沿a+方向的加速度，加速度計(jì)70已到達(dá)完全偏轉(zhuǎn)位置。在完全偏轉(zhuǎn)的位置，片狀物12不接觸電極15。
通常，加速度計(jì)不需作一次以上的動(dòng)作。舉例來(lái)說(shuō)，裝在一枚命中時(shí)引發(fā)爆炸的導(dǎo)彈上的加速度計(jì)只需動(dòng)作一次。在這種情況下，最好用接觸扭轉(zhuǎn)鉸鏈?zhǔn)郊铀俣扔?jì)20或30，因?yàn)樗鼈兊闹圃斐杀疽确墙佑|式加速度計(jì)60或70成本低。當(dāng)需長(zhǎng)期使用時(shí)，用加速度計(jì)60或70較為有利，這是由于片狀物12不接觸電極15，因而片狀物12不會(huì)被粘住。
圖9示出響應(yīng)于沿a-方向的加速度，片狀物12完全偏轉(zhuǎn)的加速度計(jì)70。加速度計(jì)70對(duì)于沿此方向的足以使片狀物12完全偏轉(zhuǎn)的加速度的響應(yīng)與結(jié)合圖8所描述的對(duì)于沿反方向加速度的響應(yīng)大體上相同。這里，片狀物12向在片狀物12質(zhì)量較小側(cè)下方的電極15偏轉(zhuǎn)。
圖10示出可用于加速度計(jì)60和70的檢測(cè)電路65的一個(gè)例子。根據(jù)下述式子，電路給出一電壓輸出VoutVout=Vpm[(Cx-Cr)Cf]]]>這里Vpm是一已知電壓，Cx是未知電容，而Cr和Cf是已知電容。Cr可以取作當(dāng)完全偏轉(zhuǎn)時(shí)，加速度計(jì)60或70的電容。如果當(dāng)片狀物12完全偏轉(zhuǎn)時(shí)，片狀物12和電極15之間的電容為Cx，則當(dāng)加速度計(jì)60或70處于完全偏轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，Vout的值接近于零。這一電路在下述文章中有進(jìn)一步的描述Y.E.派克和K.D.外斯著，“用于電容性壓力傳感器的MOS開(kāi)關(guān)電容器讀出放大器”(該文載于IEEE出版社1990年出版的由理查德·S·穆勒等人編的《微型傳感器》一書(shū)第329頁(yè))。
把電壓Vout送至電壓比較器110的一個(gè)輸入端，而把參考電壓送至電壓比較器110的第二個(gè)輸入端。比較器110產(chǎn)生一個(gè)二進(jìn)制的檢測(cè)輸出，可以把該輸出送至對(duì)它采樣的一鎖存器(未示出)。
圖11示出輸入至圖10的電路和由該電路輸出的電信號(hào)。在工作時(shí)，Vout隨片狀物12的位置而改變。當(dāng)片狀物12完全偏轉(zhuǎn)時(shí)，Vout比Vref低，由此在電壓比較器110的輸出端產(chǎn)生一邏輯低電平。當(dāng)片狀物12沒(méi)有完全偏轉(zhuǎn)時(shí)，Vout比Vref高，由此在輸出端產(chǎn)生一邏輯高電平。
圖12示出采用一反饋檢測(cè)電路127的加速度計(jì)120。加速度計(jì)120是一維的，因?yàn)樗卸€(gè)電極15和二個(gè)檢測(cè)電路125。用同樣的原理，但只用一個(gè)電極15和一個(gè)檢測(cè)電路125就能做出半維的加速度計(jì)。
加速度計(jì)120除了用反饋控制使得片狀物12保持在大體不動(dòng)的位置之外，它與加速度計(jì)70的構(gòu)造相似。因此，加速度計(jì)120除了已述的部件之外，還有反饋電極121。把這些反饋電極制作在襯底11上，它的一個(gè)反饋電極121位于片狀物12的旋轉(zhuǎn)軸的一側(cè)，而另一個(gè)反饋電極121位于旋轉(zhuǎn)軸的另一側(cè)。
用檢測(cè)電路125來(lái)檢測(cè)片狀物12沿二個(gè)方向中任何一個(gè)方向的非接觸偏轉(zhuǎn)，并產(chǎn)生一正比于片狀物12位移的輸出信號(hào)。檢測(cè)電路125可能如圖10的檢測(cè)電路100那樣做，只是沒(méi)有比較器110。反饋電路127接收檢測(cè)電路125的輸出，并與反饋電極121在電氣上連通。響應(yīng)于檢測(cè)電路125的輸出，反饋電路127產(chǎn)生一加于反饋電極121的反饋輸出。反饋輸出使反饋電極121針對(duì)片狀物12偏轉(zhuǎn)的靜電力，該力足以平衡掉作用在片狀物12上的加速度力，從而使片狀物12保持在大體不變的位置上。換句話說(shuō)，當(dāng)加速度要使片狀物12向某一側(cè)電極15偏轉(zhuǎn)時(shí)，檢測(cè)電路125能檢測(cè)出這一移動(dòng)，反饋電路127對(duì)此作出響應(yīng)而產(chǎn)生一反饋輸出來(lái)抵消這個(gè)加速度力，由此防止片狀物12改變位置。當(dāng)加速度增大時(shí)，為抵消加速度力，由反饋電路127產(chǎn)生的反饋輸出也增大。
可以采用諸如差分放大器等已知的反饋電路來(lái)構(gòu)造反饋電路127，差分放大器監(jiān)視由二個(gè)檢測(cè)電路125檢測(cè)得的二個(gè)電容值之差。放大器的模擬輸出用來(lái)驅(qū)動(dòng)一電極15。這樣，當(dāng)片狀物12的一邊開(kāi)始向下偏轉(zhuǎn)時(shí)，由電容的改變產(chǎn)生一成比例的電壓輸出，該電壓輸出驅(qū)動(dòng)片狀物另一邊下面的電極15，而使片狀物12回到它未偏轉(zhuǎn)的位置。
由反饋電路127產(chǎn)生的第一個(gè)反饋輸出與第一個(gè)比較器128相接，而由反饋電路127產(chǎn)生的第二個(gè)反饋輸出與第二個(gè)比較器128相接。如同比較器110那樣，比較器128產(chǎn)生一輸出來(lái)指出片狀物12是否沿第一或第二方向偏轉(zhuǎn)。加速度計(jì)120在機(jī)械上與加速度計(jì)70相似。因此，當(dāng)反饋輸出達(dá)到一規(guī)定值時(shí)，就認(rèn)為片狀物12已完全偏轉(zhuǎn)。該值指出，當(dāng)加至反饋電極121的反饋不存在時(shí)，加速度計(jì)120將“完全偏轉(zhuǎn)”(這里用了對(duì)加速度計(jì)70所定義的術(shù)語(yǔ))。
加速度計(jì)120的優(yōu)點(diǎn)在于，片狀物12沒(méi)有明顯偏轉(zhuǎn)。這就不需要扭轉(zhuǎn)鉸鏈13的非線性響應(yīng)。由于片狀物12只從它的不偏轉(zhuǎn)位置稍微移開(kāi)一點(diǎn)，因此加速度計(jì)120還可以減小機(jī)械性能的退化。
上述加速度計(jì)20、30、60、70或120中的每一種都能用作加速度計(jì)部件陣列20、30、60、70或120中的一個(gè)部件，來(lái)構(gòu)成一高準(zhǔn)確度的數(shù)字式加速度計(jì)。由“完全偏轉(zhuǎn)”的最不靈敏的加速度計(jì)部件來(lái)測(cè)量加速度的大小(該術(shù)語(yǔ)已對(duì)接觸檢測(cè)，非接觸檢測(cè)或反饋檢測(cè)定義過(guò))。加速度計(jì)的準(zhǔn)確度與加速度計(jì)部件的個(gè)數(shù)有關(guān)。由于加速度計(jì)是微機(jī)械器件，可以把大量的這種器件放在一塊集成電路上。應(yīng)該注意，可以采用諸如在第5,192,395號(hào)美國(guó)專利中討論的容錯(cuò)技術(shù)來(lái)構(gòu)成數(shù)字式加速度計(jì)而不背離本發(fā)明的辦法。
圖13示出按照本發(fā)明的辦法的半維數(shù)字式加速度計(jì)130。半維加速度計(jì)130具有多個(gè)加速度計(jì)部件20(也可以用多個(gè)加速度計(jì)部件60)。它還有多個(gè)鎖存器132和一個(gè)編碼器134。每個(gè)加速度計(jì)部件20的輸出端與一個(gè)鎖存器132的輸入端相連。又把每個(gè)鎖存器132連至編碼器134的一個(gè)輸入端。編碼器134輸出一個(gè)指明由加速度計(jì)130檢測(cè)的加速度大小的數(shù)字值。
這樣來(lái)設(shè)計(jì)每個(gè)加速度計(jì)部件20，即，只有超過(guò)一預(yù)定值的加速度才能使它完全偏轉(zhuǎn)。根據(jù)我們想測(cè)量的加速度值的范圍以及所要達(dá)到的測(cè)量準(zhǔn)確度，可以把這些預(yù)定值中最小的一個(gè)值選為多個(gè)不同值之一。在確定了能引起最靈敏的加速度計(jì)部件20偏轉(zhuǎn)的預(yù)定的加速度值之后，就能設(shè)計(jì)其它每個(gè)加速度計(jì)部件20，使得它只響應(yīng)于超過(guò)一規(guī)定增量的加速度而完全偏轉(zhuǎn)。例如，如果預(yù)定的加速度值X足以使最靈敏的加速度計(jì)部件20完全偏轉(zhuǎn)，則下一個(gè)加速度計(jì)部件20可以設(shè)計(jì)成在加速度值超過(guò)2X時(shí)完全偏轉(zhuǎn)；而再下一個(gè)加速度計(jì)部件20只有在受到3X加速度值時(shí)才完全偏轉(zhuǎn)；依次類推。給出N個(gè)加速度計(jì)部件20，則第k個(gè)加速度計(jì)部件要設(shè)計(jì)成只有當(dāng)所受的加速度超過(guò)kX時(shí)才完全偏轉(zhuǎn)。第N個(gè)部件應(yīng)在受到超過(guò)NX的加速度時(shí)才完全偏轉(zhuǎn)。
加速度計(jì)20可以藉改變片狀物12的質(zhì)量或改變鉸鏈13的扭轉(zhuǎn)常數(shù)做得具有不同的靈敏度。對(duì)于已揭示的加速度計(jì)部件20，可以用這二種方法中的任一種。換一種做法，我們可以采用具有不同閾值電平的檢測(cè)電路。例如，可以把多個(gè)比較器連到一個(gè)加速度計(jì)部件20，由此可用一個(gè)部件20來(lái)提供對(duì)幾個(gè)加速度值的電子檢測(cè)。于是我們可以將一組具有不同的片狀物和扭轉(zhuǎn)梁特性的加速度計(jì)部件20組合起來(lái)，而每個(gè)加速度計(jì)部件20又連有多個(gè)比較器。
如圖所示，半維加速度計(jì)130有幾個(gè)加速度計(jì)部件。把每個(gè)加速度計(jì)部件20的輸出端連到一個(gè)鎖存器132(用來(lái)鎖存由每個(gè)加速度計(jì)部件20產(chǎn)生的二進(jìn)制值)，從而編碼器134可給出指明加速度值的數(shù)字輸出。
圖14示出一維加速度計(jì)140，一維加速度計(jì)140包括多個(gè)加速度計(jì)部件30，也可以把它們換成加速度計(jì)部件70或120。把加速度計(jì)部件30的輸出端連至多個(gè)“或”門142的輸入端?！盎颉遍T142的輸出端連至多個(gè)鎖存器144，而鎖存器144的輸出端連至編碼器146。此外，把一方向輸出端連至最靈敏加速度計(jì)部件30的一個(gè)輸出端。
如半維加速度計(jì)130的情形那樣，如此構(gòu)造加速度計(jì)部件30，使最靈敏的加速度計(jì)部件30在加速度超過(guò)一預(yù)定的最小值時(shí)才完全偏轉(zhuǎn)。如此構(gòu)造每個(gè)其余的加速度計(jì)部件30，使它們?cè)诩铀俣瘸^(guò)這一預(yù)定的最小值一規(guī)定的增量時(shí)才完全偏轉(zhuǎn)。如結(jié)合圖3所說(shuō)明的，每個(gè)加速度計(jì)部件30有二個(gè)檢測(cè)電路25。一個(gè)檢測(cè)電路25指出加速度計(jì)部件30因一正加速度而完全偏轉(zhuǎn)，而另一個(gè)檢測(cè)電路25指出加速度計(jì)部件30因一負(fù)加速度而完全偏轉(zhuǎn)。
在圖14的實(shí)施例中，當(dāng)檢測(cè)得完全偏轉(zhuǎn)時(shí)，加速度計(jì)部件30的輸出端呈現(xiàn)一邏輯高電平。這樣，每個(gè)加速度計(jì)部件30的二個(gè)輸出端都可連至一個(gè)“或”門142。接下來(lái)，在相應(yīng)的加速度計(jì)部件30有任一方向的完全偏轉(zhuǎn)時(shí)，每個(gè)“或”門將呈現(xiàn)邏輯高電平，而當(dāng)加速度計(jì)部件30未沿任一方向完全偏轉(zhuǎn)時(shí)，“或”門142將呈現(xiàn)邏輯低電平。這樣，單用一個(gè)編碼器146就可確定加速度的大小而不管它沿正向還是負(fù)向。
為指明方向，把一方向輸出端直接連至最靈敏的加速度計(jì)部件30的一個(gè)輸出端。每當(dāng)一維加速度計(jì)120受到一大于其加速度閾值的加速度時(shí)，這個(gè)加速度計(jì)部件30就會(huì)沿一個(gè)方向或另一個(gè)方向完全偏轉(zhuǎn)。換句話說(shuō)，由于一加速度計(jì)部件30是多個(gè)加速度計(jì)部件30中最靈敏的一個(gè)，每當(dāng)一維加速度計(jì)120受到的加速度大于一維加速度計(jì)120所能檢測(cè)的最小加速度時(shí)，它總是完全偏轉(zhuǎn)。這個(gè)最靈敏的加速度計(jì)部件30的任何一個(gè)輸出端都可用于指明加速度的方向。加速度的方向由被激勵(lì)的那個(gè)輸出端確定。
雖然詳細(xì)描述了本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，但應(yīng)明白，可以不背離由所附權(quán)項(xiàng)確定的本發(fā)明的精神和范圍，而作各種改變、替代和變型。
權(quán)利要求
1.一種微機(jī)械數(shù)字式加速度計(jì)，其特征在于，包括至少一個(gè)加速度敏感部件和一個(gè)檢測(cè)電路，加速度敏感部件有一塊片狀物、至少一個(gè)支承所述片狀物的柔性鉸鏈以及在所述片狀物下的一個(gè)電極，每當(dāng)響應(yīng)于加速度力，所述片狀物移離其正常位置(這時(shí)鉸鏈不變形)時(shí)，所述鉸鏈就變形，檢測(cè)電路在電氣上連至所述電極，用以檢測(cè)所述片狀物移離所述正常位置的移動(dòng)；其中，當(dāng)所述片狀物偏轉(zhuǎn)但不接觸所述電極時(shí)，所述片狀物向所述電極偏轉(zhuǎn)，而所述檢測(cè)電路檢測(cè)所述片狀物的這一位置改變。
2.如權(quán)利要求1的加速度計(jì)，其特征在于，所述加速度計(jì)部件是一扭轉(zhuǎn)鉸鏈器件，所述片狀物被一鉸鏈這樣支承在相對(duì)二邊，所述鉸鏈可以扭轉(zhuǎn)的方式變形以允許片狀物轉(zhuǎn)動(dòng)，而所述片狀物相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸是不對(duì)稱的。
3.如權(quán)利要求1所述的加速度計(jì)，其特征在于，所述加速度計(jì)部件是一懸臂鉸鏈?zhǔn)狡骷銎瑺钗镉梢汇q鏈懸置在一端，從而鉸鏈以彎曲的方式變形，允許所述片狀物以與所述加速度方向相反的方向偏轉(zhuǎn)。
4.如權(quán)利要求1所述的加速度計(jì)，其特征在于，所述加速度計(jì)部件是一撓性鉸鏈?zhǔn)狡骷?，所述片狀物被位于其周邊的鉸鏈懸置，從而所述鉸鏈發(fā)生變形允許所述片狀物以與所述加速度度方向相反的方向偏轉(zhuǎn)。
5.如權(quán)利要求1所述的加速度計(jì)，其特征在于，所述檢測(cè)電路以光學(xué)方式檢測(cè)所述片狀物的位置改變。
6.如權(quán)利要求1所述的加速度計(jì)，其特征在于，所述檢測(cè)電路檢測(cè)所述片狀物與所述電極之間的電容的改變。
7.如權(quán)利要求6所述的加速度計(jì)，其特征在于，當(dāng)確定所述片狀物完全偏轉(zhuǎn)時(shí)，所述電容的改變?yōu)橐活A(yù)定值。
8.如權(quán)利要求1所述的加速度計(jì)，其特征在于，所述片狀物只稍微偏轉(zhuǎn)，并且加速度計(jì)還包括一反饋電路，該電路響應(yīng)于微小的偏轉(zhuǎn)而使所述片狀物保持在其不偏轉(zhuǎn)的位置上。
9.如權(quán)利要求1所述的加速度計(jì)，其特征在于，所述加速度計(jì)有多個(gè)部件，每個(gè)部件有相應(yīng)的檢測(cè)電路，而每個(gè)部件可以由于受到不同大小的加速度而完全偏轉(zhuǎn)，所述加速度計(jì)還包含一編碼器，用以產(chǎn)生指出加速度大小的數(shù)字輸出。
10.一種微機(jī)械數(shù)字式扭轉(zhuǎn)鉸鏈?zhǔn)郊铀俣扔?jì)，其特征在于，包括至少一個(gè)加速度敏感部件和一檢測(cè)電路，加速度敏感部件有一片狀物、一柔性鉸鏈和一第一電極，柔性鉸鏈用以在所述片狀物的相對(duì)側(cè)支承所述片狀物，并允許所述片狀物移離所述鉸鏈不變形的正常位置，所述鉸鏈以扭轉(zhuǎn)的方式變形，允許所述片狀物響應(yīng)加速度力而沿第一轉(zhuǎn)動(dòng)方向移離其正常位置，所述片狀物相對(duì)于其轉(zhuǎn)軸是不對(duì)稱的，第一電極在所述片狀物的所述側(cè)之一的下方，檢測(cè)電路與所述電極在電氣上相連，用以檢測(cè)所述片狀物移離所述正常位置的移動(dòng)狀況。
11.如權(quán)利要求10所述的加速度計(jì)，其特征在于，當(dāng)所述片狀物偏轉(zhuǎn)時(shí)，所述片狀物與所述電極接觸，并由所述檢測(cè)電路檢測(cè)這一接觸。
12.如權(quán)利要求10所述的加速度計(jì)，其特征在于，當(dāng)所述片狀物偏轉(zhuǎn)時(shí)，所述片狀物向所述電極偏轉(zhuǎn)但不接觸所述電極，而由所述檢測(cè)電路檢測(cè)所述片狀物位置的改變。
13.如權(quán)利要求12所述的加速度計(jì)，其特征在于，所述檢測(cè)電路檢測(cè)所述片狀物與所述電極之間的電容的改變。
14.如權(quán)利要求12所述的加速度計(jì)，其特征在于，所述片狀物只稍微偏轉(zhuǎn)，并且加速度計(jì)還包括一反饋電路，該電路響應(yīng)微小的偏轉(zhuǎn)而使所述片狀物保持在其不偏轉(zhuǎn)的位置上。
15.如權(quán)利要求10所述的加速度計(jì)，其特征在于，所述加速度計(jì)有多個(gè)部件，每個(gè)部件有相應(yīng)的檢測(cè)電路，而每個(gè)部件可以因受到不同大小的加速度而完全偏轉(zhuǎn)，所述加速度計(jì)還包含一編碼器，用以產(chǎn)生指出加速度大小的數(shù)字輸出。
16.如權(quán)利要求10所述的加速度計(jì)，其特征在于，所述片狀物還可沿第二轉(zhuǎn)動(dòng)方向偏轉(zhuǎn)，每個(gè)所述部件都有一第二電極，當(dāng)所述片狀物沿所述第二方向偏轉(zhuǎn)時(shí)，第二電極可檢測(cè)出所述片狀物的偏轉(zhuǎn)，而每個(gè)所述部件有一個(gè)與所述第二電極在電氣上相連的第二檢測(cè)器，用所述第二檢測(cè)器來(lái)檢測(cè)所述片狀物沿所述第二方向的移動(dòng)。
17.一種具有非接觸檢測(cè)電路的微機(jī)械數(shù)字式扭轉(zhuǎn)鉸鏈?zhǔn)郊铀俣扔?jì)，其特征在于，包括至少一個(gè)加速度敏感部件和一檢測(cè)電路，加速度敏感部件有一片狀物、一柔性鉸鏈和一第一電極，柔性鉸鏈用以在所述片狀物的相對(duì)側(cè)支承所述片狀物，并允許所述片狀物移離所述鉸鏈不變形的正常位置，所述鉸鏈以扭轉(zhuǎn)的方式變形，允許所述片狀物響應(yīng)加速度力而沿第一轉(zhuǎn)動(dòng)方向移離其正常位置，所述片狀物相對(duì)于其轉(zhuǎn)軸是不對(duì)稱的，第一電極在所述片狀物的所述側(cè)之一的下方，檢測(cè)電路用來(lái)檢測(cè)所述片狀物移離所述正常位置，其中，所述片狀物向所述第一電極偏轉(zhuǎn)但不接觸第一電極，并且由所述檢測(cè)電路來(lái)檢測(cè)所述片狀物位置的這一改變。
18.如權(quán)利要求17所述的加速度計(jì)，其特征在于，所述檢測(cè)電路檢測(cè)所述片狀物與所述電極之間的電容的改變。
19.如權(quán)利要求18所述的加速度計(jì)，其特征在于，所述片狀物只稍微偏轉(zhuǎn)，并且加速度計(jì)還包括一反饋電路，該電路響應(yīng)微小的偏轉(zhuǎn)而使所述片狀物保持在其不偏轉(zhuǎn)的位置上。
20.如權(quán)利要求17所述的加速度計(jì)，其特征在于，所述片狀物還可沿第二轉(zhuǎn)動(dòng)方向偏轉(zhuǎn)，每個(gè)所述部件都有一第二電極，當(dāng)所述片狀物沿所述第二方向偏轉(zhuǎn)時(shí)，第二電極可檢測(cè)出所述片狀物的偏轉(zhuǎn)，而每個(gè)所述部件有一個(gè)與所述第二電極在電氣上相連的第二檢測(cè)器，用所述第二檢測(cè)器來(lái)檢測(cè)所述片狀物沿所述第二方向的移動(dòng)。
全文摘要
采用微機(jī)械部件測(cè)量加速度的裝置。一實(shí)施例有一個(gè)或多個(gè)加速度部件，每個(gè)部件有一片狀物，并用一柔性鉸鏈在其兩端懸置該片狀物。響應(yīng)于加速度，片狀物可繞軸沿第一和第二轉(zhuǎn)動(dòng)方向偏轉(zhuǎn)。每個(gè)部件還有電極，當(dāng)片狀物沿任一方向偏轉(zhuǎn)時(shí)，用電極來(lái)感知片狀物的偏轉(zhuǎn)。根據(jù)偏轉(zhuǎn)是接觸式、非接觸式還是反饋式，不同的檢測(cè)電路以不同的方式工作。
文檔編號(hào)G01P15/125GK1126839SQ9510805
公開(kāi)日1996年7月17日 申請(qǐng)日期1995年6月29日 優(yōu)先權(quán)日1994年6月29日
發(fā)明者羅伯特·M·博伊塞爾 申請(qǐng)人:德克薩斯儀器股份有限公司