专利名称：加速度计的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种加速度计并具体地涉及一种至少部分用硅制成的加速度计。
如附
图1所示的常规石英和硅加速度计具有大块加工过的(温式蚀刻的)石英或者硅结构，该结构沿直线变细以形成铰链1，并且在该结构的一侧上具有成摆锤状的校验块2。该结构通常以具有两个固定电容极板3的夹层形状来实施，其中，电容极板3位于可移动校验块2的每一侧上，校验块2铰接在支座4的1上，电容极板3安装在支座4上。对于在图1中A方向上的加速度，校验块2绕着铰链1弧形偏转，其偏转量与加速度成正比，A方向与硅或石英晶片和校验块2的平面垂直。通常用静电检测此运动，并且，使用校验块上的金属缠绕线圈，利用电磁反馈施加回复力以使校验块2方便地回到零位。静电力也可用于反馈。当校验块未移动时，反馈提高在强力下的比例因子线性。高准确度的加速度计通常为闭环。
这种常规加速度计可在大重力范围内提供高准确度，但是一般制造昂贵并且尺寸相对较大。另外，由于该结构为悬摆结构，因此，校验块2的运动是弧形的，这引起振动摆性，而振动摆性导致在振动下的横轴灵敏度。在这种或其它型式常规加速度计中普遍存在的另一个问题是振动校正。这意味着在有振动却无静态重力负荷的情形下，这种常规加速度计会提供错误的输出信号，这归因于两个电容极板3之间的不均衡，电容极板3检测所述校验块2的偏转并用于产生静电回复力。
图1所示的常规加速度计需要两个反相操作的电容极板3，电容量差值与偏移位置和加速度成线性比例。静电力提供给反馈。这引起三个具体的缺点。第一，静电力为电压的二次方程式，所以有必要使与加速度成正比的力线性化。这对于精密加速度计来说难以操作。第二，图1中的常规硅加速度计是悬摆的，这意味着校验块2由于加速度增加的作用而沿弯曲弧运动。此种弧形运动意味着当校验块2离开零位时，在相对主检测轴为直角处存在灵敏度。这个通常称作振摆的效果是误差，当施加振动以激励两根轴时此误差尤其明显。在高频率运动下，校验块没有正确回复到零位。第三，两个电容极板3的电容值之间的任何偏移既会导致振动校正效果也会导致偏差(零偏移)，两个电容极板3差动地用作检测所述校验块2离开零位的运动。因此必须精确地匹配两个电容极板3的电容值，而这用图1中的夹层结构是难以做到的。相应地，电子偏移一般用于使任何不需要的不均衡为零，因为归零信号的任何漂移将引起加速度计偏差的漂移，归零信号是保持稳定的关键参数。
附图中图2示出第二种常规加速度计，它使用振动梁5，振动梁5的振动频率随着应变和加速度的变化而变化。振动梁5连接到校验块6，以便校验块6上的加速力无论在压缩还是在拉伸时都改变振动梁5上的应变，以产生随重力变化的频率输出。通常振动梁5差动地操作，以便所述梁的一侧压缩而另一侧拉伸并且所述梁的频率分别增加和减少。那么，差频就是加速度的良好测量。校验块沿如图2所示检测方向B运动，并且振动梁5在两个安装支座7之间有效地悬挂校验块6。
图2所示类型的常规加速度计可使用石英作为振动梁5和校验块6。此类加速度计可制作得比图1中摆锤型加速度计更小且稍微便宜一些，但此类加速度计的制造仍然相当昂贵并且它们是开环加速度计，开环加速度计通常没有力反馈并且在高输入加速度下产生线性误差。
因此需要一种改进的加速度计，其中，此加速度计利用硅并且至少使图1和图2中例示的常规加速度计的前述固有问题最小化。
根据本发明的一个方面提供一种加速度计，其中具有基本为平面的板状校验块；四个或更多的挠性安装脚，每个安装脚都与校验块同平面；基本为平面的板状支座，其中相对于校验块而言，支座固定地安装且与之同平面；每个安装脚一端连接到校验块且另一端连接到支座，以便校验块安装在包含校验块、安装脚和支座的平面内，响应作用到加速度计上的加速度变化而沿检测方向作直线运动，并且，安装脚在基本与检测方向正交的方向上延伸；至少两个间隔开的基本为平面的电容极板，其中，每个电容极板与校验块、安装脚和支座同平面，用于检测所述校验块沿检测方向的直线运动，校验块、安装脚、支座和电容极板由单个硅板形成；以及用于使校验块沿检测方向返回零位的回复装置。
优选地，校验块、安装脚、支座和电容极板由沿[111]或[100]晶面取向的硅板通过干式蚀刻形成。
为方便起见，支座具有基本为矩形的环状外形，支座环绕内部开孔区域，基本为矩形外形的校验块位于此内部开孔区域内；并且其中，安装脚以分隔开的阵列在基本与检测方向垂直的方向上延伸，至少有两个安装脚位于支座的第一内壁与对面的校验块第一外壁之间，并且至少有两个安装脚位于支座相对的第二内壁与对面的校验块第二外壁之间，所述支座用于确定内部开孔区域。
有利地是，安装脚在检测方向上具有高柔顺性并且在其它方向具有低柔顺性。
优选地，加速度计包括非导电材料的支撑板，在支撑板上固定地安装支座和电容极板，安装脚和校验块与支撑板间隔开。
为方便起见，支撑板由玻璃制成，支座和电容极板通过阳极粘接固定地安装到支撑板上。
有利地是，回复装置是电磁的。
优选地，校验块承载薄膜式的导电线圈结构，每个安装脚至少承载一部分线圈结构线匝。
为方便起见，电容极板位于支座的内部开孔区域内，一个电容极板位于校验块一侧，而另一个电容极板位于校验块另一侧并基本上垂直于检测方向延伸。
有利地是，加速度计包括位于支撑板远离支座的一侧上并连接到支撑板的穿孔玻璃框架；以及，回复装置，包括磁铁和两个位于玻璃框架穿孔内的棒状磁极块，棒状磁极块在磁铁的两相对端处分隔开并与承载在校验块上的线圈结构线匝对齐。
优选地，支撑板的相邻表面凹进以容纳部分棒状磁极块，并且，链接磁极块位于支撑板的支撑侧上，所述链接磁极块在两个磁极块之间延伸并与磁极块对齐。
为方便起见，加速度计包括在玻璃框架远离支撑板的一侧上固定到玻璃框架的板状玻璃基座，以使磁铁和棒状磁极块保留在玻璃框架穿孔之内；以及遮盖链接磁极块的玻璃罩。
有利地是，磁铁沿检测方向极化。
优选地，加速度计还包括在空气中的多个相互交叉的指状物，包括横向隔开的第一指状物阵列和横向隔开的第二指状物阵列，其中，第一阵列从支座的第一和第二内壁朝着校验块的相邻第一和第二外壁在基本与检测方向垂直的方向上延伸，第二阵列从校验块的第一和第二外壁朝着支座的相邻第一和第二内壁在基本与检测方向垂直的方向上延伸，第一指状物阵列与相邻的第二指状物阵列相互交叉，为校验块在检测方向上相对于支座的运动提供空气挤压阻尼。
为方便起见，相互交叉的指状物由硅板通过干式蚀刻形成。
有利地，相互交叉的指状物与支撑板间隔开。
优选地，加速度计包括至少两个位于内部开孔区域内的接地屏蔽，每个接地屏蔽在相邻的电容极板和相邻的确定内部开孔区域的支座的第三内壁或第四内壁之间，并且，所述接地屏蔽是可操作的，用于使电容极板从支座屏蔽开，电容极板与所述接地屏蔽电绝缘并且接地屏蔽与其上安装有所述接地屏蔽的支座电绝缘。
为方便起见，驱动装置包括为两个电容极板提供反相方波驱动电压的装置。
有利地是，加速度计包括向校验块线圈结构提供控制电流的装置，控制电流供应装置包括前置放大器，用于在交流(AC)调制频率下从校验块线圈结构接收两个电容极板之间的差动信号，所述AC调制频率是在加速度下因电容极板不均衡而产生的；AC解调器，用于同步解调前置放大器的输出信号；积分器，用于对解调器的输出信号进行积分；环路滤波器，用于确保从积分器接收到的输出信号的稳定性；以及，电流驱动器，用于接收环路滤波器的输出信号并用于向校验块线圈结构馈送控制电流。
优选地，驱动装置包括向校验块提供单一调制交流(AC)的装置，这从每个电容极板产生输出信号。
可替换地，用校验块线圈结构提供控制电流的装置包括两个前置放大器，一个前置放大器用于接收其中一个电容极板的输出信号而另一个前置放大器用于接收另一电容极板的输出信号；差动放大器，用于接收两个前置放大器的输出信号并差分前置放大器输出信号以产生与校验块净位移相应的输出信号；以及AC解调器，用于接收差动放大器的输出信号并用于同步解调差动放大器的输出信号以产生直流(DC)输出信号，所述直流输出信号作为控制电流传送到校验块线圈结构，以使校验块沿检测方向返回零位。
为了更好地理解本发明并且为了示出本发明如何实现，现在结合附图并借助实例来进行详细描述，在附图中图1是未根据本发明的常规摆锤硅加速度计的示意性侧视图；图2是未根据本发明的常规振动梁加速度计的示意性俯视图；图3为根据本发明第一实施例的加速度计的部件的俯视图，图中示出由硅制成的部件；图4为根据本发明第二实施例的加速度计的部件的俯视图，图中示出线圈构造；图5为图4加速度计的其它部件的俯视图，图中示出磁铁组件；图6为图5加速度计部件的示意性侧视图；图7为图3-6加速度计的分解透视图；图8为图7加速度计的装配透视图；图9为图8加速度计的后视图；图10为图8加速度计的前视图11为图8加速度计的平面视图；图12为用于本发明加速度计的控制电流供应装置的电路图；图13为与本发明加速度计一起使用的另一控制电流供应装置的电路图。
附图中所例示的本发明加速度计是以硅显微加工的加速度计来实施。在图3中示出根据本发明第一实施例的加速度计。在图4、5和6中以概要形式且在图7-11中以更完整的形式示出根据本发明第二实施例的加速度计。在图3中实施例和图4-11中实施例之间的唯一区别是挠性安装脚8的数量。在图3实施例中共有12个安装脚8，分为4组，每组3个；而在图4-11实施例中共有8个安装脚，分为4组，每组3个。然而，根据本发明将有4个或更多的这种脚8存在。因此在两个实施例之间，图3除了安装脚8数量以外的全部部件与图4-11除了安装脚8数量以外的全部部件是可互换的。因此图3的结构适用于图4-11，反之亦然。不管安装脚8的数量是多少，只要此数量是4个或更多，图12和13中所示控制电流供应装置都同样地适用于图3-11中任一附图所示的本发明加速度计。在图3-13的所有图中，相同的部件将赋予相同的参考号，并且如果已对一个实施例详细描述，那么在另一个实施例中就不再进一步描述。
根据本发明的加速度计具有基本为平面的板状校验块9，校验块9在附图的图3中最详细示出。校验块9在图4中以更粗略的方式示出。如图3、4和5中所示，设置基本为平面的板状支座10，支座10相对于校验块9为固定安装且与之处于同一平面，这在后面将更详细地描述。校验块9通过4个或更多个挠性安装脚8连接到支座10，每个安装脚8的一端连接到校验块9而另一端连接支座10，以便校验块9安装得在包含校验块9、安装脚8和支座10的平面内沿检测方向C作直线运动，从而检测作用到加速度计的加速度变化。检测方向C在图3中示出。安装脚8基本与此检测方向C正交。
加速度计还包括至少两个间隔开的基本为平面的电容极板11，电容极板11在图3、12和13中最清楚地示出，而在图4-11中为了清晰起见则被省略。这些电容极板11每个都与校验块9、安装脚8和支座10处于同一平面，并且对校验块9在检测方向C的直线运动的检测是可操作的。另外，本发明加速度计的形成部件是用于使校验块9沿检测方向C朝零位返回的回复部件。校验块9沿着检测方向C直线运动，检测方向C在包含校验块9、安装脚8、支座10和电容极板11的平面内。
本发明加速度计的一个重要特征是，校验块9、安装脚8、支座10和电容极板11由沿[111]或[100]晶面取向的单片硅板通过干式蚀刻而形成。所述共平面结构应与图1常规加速度计的夹层结构相反，图1常规加速度计要求所有组件联接在一起。优选用深槽蚀刻工艺实施干式蚀刻，深槽蚀刻工艺提供显微加工复杂形状的能力。此工艺使用包含单个掩蔽层的简单工艺来达到高精度，并因此用微加工法而直接完成，所述掩蔽层确定所有关键部件。深槽蚀刻工艺允许在深的硅结构内使用诸如安装脚8的狭窄部件。另外应用计算机控制，用诸如聚四氟乙烯、氟乙烯的聚合物使硅板表面钝化并且各向同性地蚀刻硅。硅的厚度一般为200-400微米且特征宽度为10-20微米，这意味着至少10∶1的深度-宽度比。
优选使用[111]硅，因为与[100]晶面相比，[111]硅具有各向同性的弹性常数。这对于校准是有好处的。虽然[111]硅的蚀刻速率比[100]硅慢一些，但弹性常数各向同性的优点比蚀刻速度更重要。由于使用能同时制作许多部件的晶片刻度工艺，使用硅的进一步好处是尺寸小和成本低。
当校验块9的运动在单一平面内为直线时，有可能替换使用[100]晶面硅。只要晶体轴线与运动平面平齐，那么[100]晶面硅就是令人满意的。考虑到在芯片上集成电子器件如前置放大器，使用[100]硅是有益的。
校验块9、安装脚8、支座10和电容极板11的平面性质保证加速度计的所有部件在同时制成，由此提供高水平的精确性和可重复性。用一般200微米厚的硅晶片进行干式蚀刻工艺，可在固定电容极板11和可移动校验块9之间获得10微米的间隙。通过重度掺杂硅得到低电阻率。
如图3-5所示，支座10具有基本为矩形的环状外形，外部尺寸一般为10mm*10mm，并且支座10环绕尺寸一般为6mm*6mm的内部开孔区域12，从而为支座10提供2mm的壁宽。位于开孔区域12内的校验块9具有基本为矩形的形状且尺寸一般为2mm*2mm，校验块9用安装脚8支撑，安装脚8为2mm长、20微米宽和150-200微米厚，该厚度为图7中由13示意性示出的硅晶片的厚度，此硅晶片形成校验块9、支座10、安装脚8和电容极板11。安装脚8沿检测方向C具有高柔顺性而沿其它方向具有低柔顺性，这样，其它的运动模式就有明显更高的共振频率。如前所述，虽然图4和图5示出使用8个安装脚8，但图3示出12个安装脚。安装脚可行的最少数量为4个，在校验块9的每个角各安装一个。由挠性安装脚8支撑的校验块9优选具有在1-2kHz范围内的共振频率，优选为1kHz。增加安装脚8的数量要求减少每个安装脚的宽度。实际上，安装脚8的数量大于48个意味着需要更窄的脚宽来达到相同的共振频率，共振频率本身又决定加速度计的灵敏度，宽度越窄就越难以控制。
如图3和4所示，校验块9和安装脚8位于内部开孔区域12内。安装脚8基本垂直于检测方向C延伸，在确定内部开孔区域12的支座10的第一内壁14与对面的校验块9第一外壁15之间至少有两个安装脚8，并且，在相反的确定内部开孔区域12的支座10第二内壁16与对面的校验块9第二外壁17之间至少有两个安装脚8。
校验块9的矩形形式导致外部应力的去耦得到改善。当加速度计一直工作到DC应变时，换句话说即为加速度，加速度计对任何能使校验块偏转的应变非常灵敏。实例包括因固定部件而引起的安装应变和横跨硅的热梯度。依靠外部环绕支座10安装校验块9减少作用在校验块9上的应变并从而提高加速度计的偏差准确度。
本发明的加速度计还包括由非导电材料制成的支撑板18，在其上固定地安装支座10和电容极板11。支撑板18优选由玻璃制成，支座10和电容极板11用阳极粘接法而固定地安装在支撑板18上，并且安装脚8和校验块9与支撑板18间隔开。再通过深槽蚀刻，形成校验块9和安装脚8的硅晶片13的下部一般底切10-15微米。用于支撑板18的合适玻璃为Corning型7740的PYREXTM牌玻璃、或者为HOYATM牌SD-2。这些玻璃基本上与硅的膨胀率相匹配，因此避免硅晶片13与支撑板18之间出现差动应变。在可密封的混合包装内，把支撑板18粘接到陶瓷基板(未示出)。以此方式，能为加速度计提供用于获得磁屏蔽并可电连接的金属密封罐。
本发明加速度计的回复装置是电磁的。为此，如图4所示，校验块9设有由线匝19组成的薄膜导电线圈结构。为方便起见，线圈结构线匝19未在图3和图5-13中示出，但是它们是以与图4中完全相同的形式存在的。从图4可看到，每一个安装脚8至少承载线圈结构线匝19的一部分。图3和图5-13同样如此。线圈结构的匝数越多，使校验块回复到零位所需的电流就越小。当然，线圈结构匝数越多，安装脚8的数量也越多。通过具有尽可能多的线圈线匝19，加速度计优选具有48个脚8以提供最佳的反馈比例因子。为方便起见，线圈结构始于支座10上的起始粘贴块20，终止于支座10上的终止粘贴块21。粘贴块20、21在图7和11中在稍稍不同的位置简略示出。
为方便起见，线圈结构由直接淀积到硅晶片13的金属薄膜形成，此金属薄膜淀积在硅晶片13的形成校验块9的区域上。为了绝缘，所述硅一般涂敷氧化物薄膜。随后，所述金属用光刻法形成图案并淀积在氧化物上。一般使用3微米厚的铝合金以获得低电阻。如果设置总共48个安装脚8，分4组，每组12个，那么安装脚就约为15微米宽并且形成线圈线匝19的金属轨迹约为10微米宽，其中，线圈线匝19淀积在每个脚上。在支座10和校验块9上，形成线圈线匝19的金属宽度增加到100微米，以减少整个线圈的电阻。对于有12个线匝19的线圈结构，与图3中所示加速度计的情况一样，加速度计具有12个带线圈结构的安装脚8，该线圈结构在支座10和2mm长的安装脚8上的整体尺寸为11mm*7mm时，电阻小于200Ω。这意味着，对于在20g的小范围上工作的典型加速度计，比例因子为mA/g，在稳定的20g负荷下，得到最大40mA的电流需求量，导致需要8伏的供应电流及80毫瓦的损耗。
每个安装脚8上的金属线圈线匝19安装在脚的中心，即在相对于沿检测方向C偏转的中轴上。这可用光刻技术达到指定精度。这样做的优点是，如果每个脚上线匝19的金属中有任何蠕变或长期变化，在校验块9上就没有应变，从而没有脚8的净偏转且由此没有校验块9的净偏转，这将视作偏移。对于金属淀积和确定脚8的深槽蚀刻，优选使用相同的掩膜。
在根据本发明的加速度计中，电容极板11位于支座10的内部开孔区域12内，一个电容极板11在校验块9的一侧上，另一个在校验块9的对面一侧上，两个电容极板11都在基本与检测方向C横切的方向上延伸。为方便起见，电容极板11已在图3中示出，在图10、12和13中简略示出，但在剩余的图4-9和图11中未示出。两个电容极板11用相同的工艺由相同的硅在同时制成。这提供了使两个电容极板的值的平衡达到极高准确度的好机会，这对消除振动修正很重要。此后一效果在有平面内振动存在时引起DC加速度计输出而当两个电容器值精确匹配时消失。可达到的电容值平衡能好于1％，这对减少振动修正重要。支座10与大致位于校验块9四角区域的安装脚一起使用意味着，校验块对于在与检测方向C垂直的方向上的运动和在平面内的运动是非常费劲的。这又另外导致在检测方向C上非常低的横轴灵敏度。
另外，通过使用厚硅晶片(一般为150微米)，横轴灵敏度在检测方向C上保持较低，其中，与相对较薄的安装脚8相比，此硅晶片算是厚的。当两个电容极板11的值很好地匹配时，校验块9在平面外的运动将不会引起差动电容。平面外运动至少比沿检测方向C的平面内运动小10倍，并且，对于两个电容器值的平衡在1％之内而言，平面外灵敏度比平面内灵敏度的0.1％更小，这对加速度计有利。
从图3可看到，加速度计包括至少两个位于内部开孔区域12内的接地屏蔽22，每个接地屏蔽在相邻的电容极板11和确定了内部开孔区域12的支座10的相邻第三内壁23或第四内壁24之间。接地屏蔽22是可操作的，用以把电容极板11与支座10屏蔽。为此，每个接地屏蔽22具有翻转端25以覆盖电容极板11的自由端。电容极板11与接地屏蔽22电绝缘，接地屏蔽22与支座10电绝缘，接地屏蔽22安装在支座10的粘贴块26处，如图3以及图7、8和11所示。从图3可看出，环绕每个接地屏蔽22设有优选10微米宽的间隙，以便电容极板与地面电绝缘并且地面与硅晶片13的剩余硅电绝缘。使用这种接地屏蔽22意味着，电容极板11上的高电压影响不到支座10的其它硅部分。
本发明加速度计还包括多个在空气中的交叉指状物，所述交叉指状物包括横向隔开的第一指状物阵列27，第一指状物阵列27从支座10的第一和第二内壁14、16朝着相邻的校验块9的第一和第二外壁15、17在基本与检测方向C垂直的方向上延伸；以及，横向隔开的第二指状物阵列28，阵列28从校验块9的第一和第二外壁15、17朝着相邻的支座10的第一和第二内壁14、16在基本与检测方向C垂直的方向上延伸。从图3可看到，第一指状物阵列27与相邻的第二指状物阵列28相互交叉，为校验块9在检测方向C上相对于支座10的运动提供空气挤压阻尼。在操作中，相对于固定连接到固定支座10的第一指状物阵列27而言，连接到校验块9的第二指状物阵列28与校验块一起运动，这样，随着校验块沿检测方向C的直线运动，在相互交叉的指状物之间的空气被压缩。这产生校验块9的阻尼。每个阵列27、28的指宽优选为10微米，并且在校验块9处于零位时指状物的间隙约为10微米。交叉指状物之间的空气可为大气压力或为任何其它的减少或提高的压力。
在真空中，校验块9具有含高品质因子Q的共振频率(通常设置在1到2kHz之间)，Q在1,000到10,000的范围内。高Q共振的存在对加速度计性能产生有害影响，并可能导致加速度计即使在断电时也会在震动条件下损坏。通过在校验块9相对于检测方向C的两侧上设置适当数量的指状物并且在相互交叉的指状物之间容纳大气压，这极有可能衰减共振以便Q因子小于1。这意味着在震动条件下毁坏不可能发生。两个阵列27、28的指状物优选通过干式蚀刻，如深槽蚀刻技术，用硅晶片13形成，以便它们与安装脚8、校验块9、支座10、电容极板11以及接地屏蔽22处于同一平面。另外，两个阵列27、28的交叉指状物与支撑板18分隔开。
如图7-11中示出的，根据本发明的加速度计优选包括具有穿孔30的穿孔玻璃框架29。框架29位于支撑板18远离支座10的一侧上，并且用任何方便的方式连接到支撑板18，例如，在玻璃转变高温下用具有薄粘合层的环氧树脂粘合剂如Epotek360TM粘接在一起。
本发明加速度计的回复装置包括优选为钐钴磁铁的磁铁31。此磁铁31在检测方向C上极化，例如，使其一端32为南极而另一端33为北极。
还有，回复装置的形成部件为两个位于玻璃框架穿孔30内的棒状磁极块34，其中，磁极块34在磁铁31相对的两端相互分隔开，与校验块9所设置的线圈结构线匝19对齐。在加速情况下，流经这些线匝19的电流产生与校验块9运动方向相反的回复力，以使校验块9返回到零位。磁铁31使用钐钴的优点是提供高矫磁力、高残余量、高居里温度和良好的长期稳定性。
在图7、8和10中具体示出，支撑板18的相邻表面35在36处凹进以容纳部分棒状磁极块34。在支撑板18的支撑侧上设置链接块37，链接块37在两个棒状磁极块34之间延伸并与之对齐。磁铁31端部的这些棒状磁极块34和链接块37在一般为400微米宽的间隙内产生与硅晶片13晶面正交的强磁场。至少部分容纳棒状磁极块34的支撑件18内的凹进处36帮助实现此400微米间隙。当从校验块9的一端至另一端磁场方向相反并且线圈线匝19内检测电流的方向也相反时，其中电流的方向如图4中箭头38所示，校验块9上的线圈结构线匝19有助于整体偏转，从而，在校验块9上的线圈线匝19两侧上，洛伦兹力的方向相同。这提高比例因子(mA/g)。
为方便起见，加速度计包括由任何方便的材料如PYREXTM制成的板状玻璃基座39，基座39在玻璃框架29远离支撑座18的一侧上连接到玻璃框架29，以使磁铁31和棒状磁极块34保留在玻璃框架穿孔30之内。另外，提供玻璃罩40用于遮盖链接磁极块37。因此磁铁31封装在玻璃里，在加速度计使用寿命内这防止任何微粒粘连到磁铁31。
优选链接磁极块37粘贴到玻璃罩40，提供良好的机械热稳定性。玻璃罩40连接到玻璃框架29，玻璃框架29又连接到玻璃基座39。在玻璃转变高温下，用具有薄粘合层的环氧树脂粘合剂如Epotek360TM把所有这些部件粘贴在一起。因此硅晶片13的上表面没有直接粘贴任何物体，以便减少热诱导应变。如图7、8和11中所示，在硅支座10上的20和21处设置用于线圈结构线匝19两端的连接。支座10上还设置接地粘贴块26。另外，一个电容极板11连接到支座10上的粘贴块41，另一个电容极板11连接到支座10上的粘贴块42。校验块9连接到支座10上的粘贴块43，为校验块9的输出信号提供连接。
在图3-11的实施例中，校验块9上的线圈结构线匝19承载前述反馈电流。当电流流经线圈结构19时，如图4中箭头38所示，在棒状磁极块34和链接磁极块37之间形成的磁场产生横向力以抗衡沿检测方向C的加速力。当电磁力与作用的加速力相等时，流过线圈结构线匝19的电流与加速度成正比，校验块9返回到它的平衡位置或零位。
根据本发明的加速度计包括为两个电容极板11提供反相方波驱动电压的装置。这可按照图12装置或图13装置来实施。当方波驱动电压经两个反相交流驱动器44作用到两个电容极板时，由于用于电容极板和校验块9的硅轻微导电，因此在两个板11之间建立电场。校验块9的拾取在粘贴块43上输出。支座10、校验块9和电容极板11的硅依靠安装在高绝缘玻璃支撑板18上而电隔绝。
设置用于向校验块线圈结构线匝19提供控制电流的装置，其中，控制电流供应装置包括前置放大器45，前置放大器45用于在交流(AC)调制频率下从校验块线圈结构19接收两个电容极板之间的差动信号，所述AC调制频率是在加速度下因电容极板11不均衡而产生的。因此，沿检测方向C的加速度产生校验块9的直线运动，这又导致两个电容极板11的不均衡。这种不均衡被当作误差信号检测，所述误差信号为差动信号。为了消除在没有加速度存在时电容极板的固定偏移，施加固定的差动驱动电平。因为电容极板的偏移随装置的变化而变化，所以必需进行校正。因而，闭环没有输入误差，这样对于闭环就不需要电偏移，结果有可能发生电偏移的漂移。可用电阻链设置两个电容极板11的相对驱动电平，以便有可能精确设立两个电容极板11之间精确的电容值比。
因此，在电容极板11上使用反相信号意味着从校验块9只出现单一信号，此信号被放大作为闭环操作的误差信号。为此，通过AC解调器46对作用到两个电容极板11的AC调制进行同步解调，AC解调器46对前置放大器45的输出信号进行解调。设置积分器47，对解调器46的输出信号进行积分；并且，设置环路滤波器48，确保从积分器47接收的输出信号的稳定性。环路滤波器48优选为低通过滤波器。设置电流驱动器49，用于接收环路滤波器48的输出信号并且用于向校验块线圈结构线匝19馈送控制电流。
在图12控制电流供应装置中，从驱动电压供应装置44到两个电容极板11的AC驱动是反相的，但是以任何方便的方式设置差动电平，所述方式例如为使用电位计链。设置驱动电压差异，以便在加速度计上没有加速度存在时电容极板没有输出。实际上所执行的是，通过在校验块9的驱动上加上偏移量并且不引入可产生变化的偏差，从而抵消两个电容极板11之间的任何电势不均衡。由于差动电压在校验块9上产生低电压，因此通过向两个电容极板11施加差动电压而使输出信号的采集问题最小化。由于使用单一采集前置放大器45，因此就没有在使用两个前置放大器的情况下所出现的相对稳定性问题。
可采用图13所示控制电流供应装置以替代图12控制电流供应装置。在图13的布置中，对校验块9使用单一调制，从两个电容极板11产生两个信号，接着差分信号以产生净位移。从AC电源50向校验块9提供单一调制交流电。电容极板11的输出信号，一个信号供给第一前置放大器51而另一个信号供给第二前置放大器52。两个前置放大器51、52的输出信号传到差动放大器53，差动放大器53差分前置放大器输出信号以产生与校验块9净位移相对应的输出信号。差动放大器53的输出信号传到AC解调器54，AC解调器54同步解调差动放大器53的输出信号以产生直流(DC)输出信号，作为传送到校验块线圈结构线匝19的控制电流。
由于电容极板11阳极粘接到玻璃支撑板18，因此在操作中电容极板与地面良好电隔绝。反相施加给两个电容极板的方波电压较大，在优选为14000Hz的任意频率下一般为+10或-10伏。从而，加速度引起的校验块9位置的任何不平衡将导致在校验块上出现小电压，此电压与加速度成正比。由于高掺杂水平硅的高传导性，因此，所述电压就出现在支座10上。通过切穿氧化物层而把粘贴块43连接到硅晶片13，这形成用于进一步电子处理的输出端。为了在前置放大器45获得最大信号，重要的是，此输出信号不通过旁路寄生电容泄漏到地面并且使用阳极粘接到所述硅的玻璃以产生最低的寄生电容量。
本发明加速度计的平面结构提供高精确度的制作，这有可能精确匹配两个电容极板的值。尽管电容极板作为差动对以反相操作，但仔细匹配它们的值以减少加速度计的偏差仍然很重要。电容极板值的匹配有助于使振动校正误差最小化。在本发明加速度计中，校验块9的加速度在加速情况下是线性的。当校验块的质心和悬挂中心位于同一点时，这确保基本上没有振摆误差，从而，开环运动是直线的而不象前面结合图1所述的摆锤结构加速度那样是弧形的。为了把本发明加速度计的灵敏度降低到静态加速度和应变，希望对校验块9和电容极板11的应变尽可能多地去耦，此去耦通过匹配制造校验块9、支座10及安装脚8的硅和制造支撑板18的玻璃的膨胀系数来达到最佳效果。
使用电磁力，从而在线圈结构线匝19内的驱动电流和施加的加速力之间产生高度线性关系。在均匀磁场内，作用于校验块9上的线性力与线圈结构线匝19内的电流成正比。因此加速度计的输出为电流，并且此输出信号容易进行无衰减的或不使准确度下降的传送，这与发生热电效应的电压情况不同。
在电容极板11、支座10和玻璃制成的支撑板18之间使用阳极粘接，在电容极板与地面之间获得良好的电隔绝。支撑板18使用其膨胀系数与硅接近的玻璃，确保温度差异不影响在校验块9、电容极板11及支座10的硅上的差动电容。另外，电容极板11用于提供空气挤压膜，所述膜也部分地用于使弹性校验块9的共振衰减。这防止加速度计在没有供电或未工作时发生震动。由于有可能电阻性地耦合电容极板11和地面，因此没有产生误差的静电。
权利要求
1.一种加速度计，其中具有基本为平面的板状校验块；四个或更多的挠性安装脚，每个安装脚都与校验块同平面；基本为平面的板状支座，其中相对于校验块而言，支座固定地安装且与之同平面；每个安装脚一端连接到校验块且另一端连接到支座，以便校验块安装在包含校验块、安装脚和支座的平面内，响应作用到加速度计上的加速度变化而沿检测方向作直线运动，并且，安装脚在基本与检测方向正交的方向上延伸；至少两个间隔开的基本为平面的电容极板，其中，每个电容极板与校验块、安装脚和支座同平面，用于检测所述校验块沿检测方向的直线运动，校验块、安装脚、支座和电容极板由单个硅板形成；以及用于使校验块沿检测方向返回零位的回复装置。
2.如权利要求1所述的加速度计，其中，校验块、安装脚、支座和电容极板由沿[111]或[100]晶面取向的硅板通过干式蚀刻形成。
3.如权利要求1或2所述的加速度计，其中，支座具有基本为矩形的环状外形，支座环绕内部开孔区域，基本为矩形外形的校验块位于此内部开孔区域内；并且其中，安装脚以分隔开的阵列在基本与检测方向垂直的方向上延伸，至少有两个安装脚位于支座的第一内壁与对面的校验块第一外壁之间，并且至少有两个安装脚位于支座相对的第二内壁与对面的校验块第二外壁之间，所述支座用于确定内部开孔区域。
4.如权利要求3所述的加速度计，其中，安装脚在检测方向上具有高柔顺性并且在其它方向具有低柔顺性。
5.如权利要求4所述的加速度计，其中包括非导电材料的支撑板，在支撑板上固定地安装支座和电容极板，安装脚和校验块与支撑板间隔开。
6.如权利要求5所述的加速度计，其中支撑板由玻璃制成，支座和电容极板通过阳极粘接固定地安装到支撑板上。
7.如权利要求6所述的加速度计，其中，回复装置是电磁的。
8.如权利要求7所述的加速度计，其中，校验块承载薄膜式的导电线圈结构，每个安装脚至少承载一部分线圈结构线匝。
9.如权利要求3所述的加速度计，其中，电容极板位于支座的内部开孔区域内，一个电容极板位于校验块一侧，而另一个电容极板位于校验块另一侧并基本上垂直于检测方向延伸。
10.如权利要求8或9所述的加速度计，其中包括位于支撑板远离支座的一侧上并连接到支撑板的穿孔玻璃框架；以及，回复装置，包括磁铁和两个位于玻璃框架穿孔内的棒状磁极块，棒状磁极块在磁铁的两相对端处分隔开并与承载在校验块上的线圈结构线匝对齐。
11.如权利要求10所述的加速度计，其中，支撑板的相邻表面凹进以容纳部分棒状磁极块，并且，包括位于支撑板的支撑侧上的链接磁极块，所述链接磁极块在两个棒状磁极块之间延伸并与磁极块对齐。
12.如权利要求11所述的加速度计，其中包括在玻璃框架远离支撑板的一侧上固定到玻璃框架的板状玻璃基座，以使磁铁和棒状磁极块保留在玻璃框架穿孔之内；以及遮盖链接磁极块的玻璃罩。
13.如权利要求12所述的加速度计，其中，磁铁沿检测方向极化。
14.如权利要求3所述的加速度计，还包括在空气中的多个相互交叉的指状物，包括横向隔开的第一指状物阵列和横向隔开的第二指状物阵列，其中，第一阵列从支座的第一和第二内壁朝着校验块的相邻第一和第二外壁在基本与检测方向垂直的方向上延伸，第二阵列从校验块的第一和第二外壁朝着支座的相邻第一和第二内壁在基本与检测方向垂直的方向上延伸，第一指状物阵列与相邻的第二指状物阵列相互交叉，为校验块在检测方向上相对于支座的运动提供空气挤压阻尼。
15.如权利要求14所述的加速度计，当附属于权利要求2时，其中，相互交叉的指状物由硅板通过干式蚀刻形成。
16.如权利要求15所述的加速度计，当附属于权利要求5时，其中，相互交叉的指状物与支撑板间隔开。
17.如权利要求3所述的加速度计，其中包括至少两个位于内部开孔区域内的接地屏蔽，每个接地屏蔽在相邻的电容极板和相邻的确定内部开孔区域的支座的第三内壁或第四内壁之间，并且，所述接地屏蔽是可操作的，用于使电容极板从支座屏蔽开，电容极板与所述接地屏蔽电绝缘并且接地屏蔽与其上安装有所述接地屏蔽的支座电绝缘。
18.如权利要求1-17中任一项所述的加速度计，其中，包括为两个电容极板提供反相方波驱动电压的装置。
19.如权利要求8或18所述的加速度计，其中，包括向校验块线圈结构提供控制电流的装置，控制电流供应装置包括前置放大器，用于在交流(AC)调制频率下从校验块线圈结构接收两个电容极板之间的差动信号，所述AC调制频率是在加速度下因电容极板不均衡而产生的；AC解调器，用于同步解调前置放大器的输出信号；积分器，用于对解调器的输出信号进行积分；环路滤波器，用于确保从积分器接收到的输出信号的稳定性；以及，电流驱动器，用于接收环路滤波器的输出信号并用于向校验块线圈结构馈送控制电流。
20.如权利要求1-17中任一项所述的加速度计，其中，驱动装置包括向校验块提供单一调制交流(AC)的装置，这产生到每个电容极板的输出信号。
21.如权利要求8或20所述的加速度计，其中包括向校验块线圈结构提供控制电流的装置，在控制电流供应装置中包括两个前置放大器，一个前置放大器用于接收其中一个电容极板的输出信号而另一个前置放大器用于接收另一电容极板的输出信号；差动放大器，用于接收两个前置放大器的输出信号并差分前置放大器输出信号以产生与校验块净位移相应的输出信号；以及AC解调器，用于接收差动放大器的输出信号并用于同步解调差动放大器的输出信号以产生直流(DC)输出信号，所述信号作为直流输出控制电流传送到校验块线圈结构，以使校验块沿检测方向返回零位。
22.基本上如前所述的以及如附图的图3、图4-11、图12或图13所示的加速度计。
全文摘要
本发明加速度计是线性的，具有基本为平面的板状校验块(9)，其中，校验块通过4个或更多个挠性安装脚(8)安装到基本为平面的板状支座(10)上，每个安装脚都与校验块(9)同平面；支座(10)相对于校验块(9)而言固定地安装并且与校验块(9)同平面。校验块(9)以此方式安装，在包含校验块(9)、安装脚(8)和支座(10)的平面内沿检测方向作直线运动，以检测作用到加速度计的加速度变化。设置至少两个间隔开的基本为平面的电容极板(11)，用于检测所述校验块(9)沿检测方向C的直线运动，其中每个电容极板(11)与校验块、安装脚和支座同平面。校验块(9)、安装脚(8)、支座(10)及电容极板(11)由单个硅板形成，并且安装脚(8)在基本与检测方向C垂直的方向上延伸。设置回复装置，用于使校验块(9)沿检测方向C返回零位。
文档编号G01P15/08GK1401080SQ01804958
公开日2003年3月5日 申请日期2001年1月5日 优先权日2000年1月13日
发明者阿兰·理查德·马尔文, 艾恩·戴维·霍普金, 凯文·唐三德, 尼古拉斯·弗兰斯·德鲁伊 申请人:Bae系统公共有限公司