专利名称：基于mems的车库门传感器的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及基于MEMS(微机电系统)的车库门传感器，更具体地说，涉及用于安全系统例如住宅/家庭安全系统的基于MEMS的架空车库门侵入传感器，用以检测通过架空车库门的侵入。
背景技术：
本发明解决检测通过架空(overhead)车库门侵入的安全系统，例如住宅/家庭安全系统的商业问题。对于这个商业问题的现有技术车库门侵入传感器的解决方案都有问题。
用于检测通过架空车库门侵入的第一种现有技术方法，涉及将包封在相对较大的金属、非磁性(例如铝)外壳中的玻璃或塑料簧片开关传感器固定地附着到车库地板上，通常是混凝土地板，外壳则连接到BX电缆。而且，磁体则连接到传感器上面的架空车库门上，以致簧片开关就可感测磁体和车库门相对该固定的相对较大的笨重金属外壳的运动。
用于检测通过架空车库门侵入的另一现有技术方法，涉及将具有玻璃包封的汞倾斜开关的传感器附着到架空车库门上，以致汞倾斜开关就感测架空车库门角位置的改变。这种现有技术方法具有毒性问题，因为汞是有毒物质，且汞倾斜开关的玻璃外壳易于破碎，结果造成有毒汞的泄漏。
发明内容
本发明提供一种用于安全系统例如住宅/家庭安全系统的基于MEMS的架空车库门侵入传感器，用以检测通过架空车库门的侵入。
在一个实施例中，MEMS传感器是MEMS加速计，且安装有MEMS装置的量测轴，MEMS装置沿此量测轴测量加速度/重力，在架空车库门关闭时，垂直向下指向地面，以致MEMS传感器测量到1g的加速度/重力，而当架空车库门开启时，MEMS装置的量测轴相对地面水平指向，以致MEMS传感器测量到0g的加速度/重力，因此MEMS传感器的输出就指示架空车库门是关闭的还是开启的。备选的是，MEMS加速计可安装有MEMS传感器的量测轴，当架空车库门关闭时，作水平指向。该实施例的一个优点是，MEMS加速计也可用作碰撞检测器，以致如果汽车驶过车库门，MEMS加速计就会测量行驶的汽车方向的加速度。备选的是，MEMS传感器可以是MEMS开关。ASIC或微控制器可监视MEMS传感器的输出。一个实施例采用了无线RF技术。
MEMS传感器的一个优点是，MEMS传感器的操作可被监控，使MEMS传感器的可操作性能被检查。如果MEMS传感器的工作不正常，错误消息发即可被发送到安全系统控制面板。
所属领域的技术人员，结合附图参阅以下对本发明几个实施例的详细说明，就很容易理解用于基于MEMS的车库门传感器的本发明上述目的和优点，附图包括图1示出用于住宅或商业房屋的典型安全系统，包括安全系统控制面板以及不同类型的侵入、占有和环境情况传感器。
图2示出本发明的一个实施例，它使用MEMS(微机电系统)传感器来确定架空车库门相对地面的定向。
图3示出MEMS加速计传感器的示范感测电路。
图4示出MEMS开关传感器的示范感测电路。
图5示出从车库门底部开启的车库门距离相对于车库门顶板角度(以度为单位)的关系图。
具体实施例方式
图1示出用于住宅或商业房屋的安全系统10，它通常包括安全系统控制面板12，设置在中央可接近位置处，例如就在安全报警系统所保护的房屋正门入口内。控制面板为个人或屋主提供有关安全系统全部状态的信息显示器14，例如安全系统的有关参数和情况的显示器。
控制面板也使个人能够控制安全系统的操作，例如通过输入适当的安全代码或特定指令使安全系统进入或解除工作状态。控制面板可包括GUI显示器(图形用户接口)14，使用户能够观看安全报警系统的状态，也可输入数据到安全系统中，以及访问和控制安全系统。
安全系统控制面板还包括RF收发器18和天线20，以发射和接收RF发射数据，且安全系统可以是无线系统，传感器和控制面板之间的许多通信是通过短程RF通信消息进行的。
典型的住宅或商业安全系统还包括安装在门上的多个侵入安全传感器22，包括安装在如图2所示的架空车库门32上和窗户上的侵入传感器，以检测那里是否有任何侵入，以及安装在房屋中关键位置的运动/占有传感器24，以检测那里是否有人，它们都通过安全系统布线连接到安全系统控制面板。典型的安全系统还可包括安装在房屋中关键位置的一个或多个CO传感器26和烟火传感器28，以检测房屋中是否有任何这些情况，这些传感器也通过安全系统布线或短程RF发射连接到安全系统控制面板。安全系统控制面板监视来自安全系统传感器的信号，以确定安全系统的状态。
典型的住宅或商业安全系统还可包括调制解调器29和电话线或电缆连接，以允许通过电话线和/或电缆系统和/或因特网进行双向数据通信，如30所示意的。
参阅图2，本发明使用MEMS(微机电系统)传感器34，例如MEMS静态加速计，如图3的感测电路中所示，或使用MEMS开关，如图4的感测电路中所示，以确定架空车库门32相对地面的定向，其中架空车库门平行于地面的定向表示开启的车库门和报警情况，而架空车库门垂直于地面的定向表示关闭的车库门和恢复情况。
在图示实施例中，MEMS传感器34安装在靠近架空车库门32的内侧(以保护其不受外部因素影响)顶部(以保持其在更受保护的位置)边缘。在一个实施例中，MEMS传感器34是MEMS加速计，且安装有MEMS装置的量测轴36，MEMS装置沿此量测轴测量加速度/重力，在架空车库门关闭时，垂直向下指向地面，如箭头36所示，以致MEMS传感器测量到大约1g的加速度/重力。当架空车库门开启时，MEMS装置的量测轴相对地面水平指向，MEMS装置沿此量测轴测量加速度/重力，以致MEMS传感器测量到0g的加速度/重力。因此，MEMS传感器的输出，即表示1g或0g的所测量加速度/重力，就分别指示架空车库门是关闭的还是开启的。
备选的是，MEMS传感器可安装有MEMS装置的量测轴，当架空车库门关闭时，它相对地面水平指向，如箭头38所示，以致MEMS传感器测量到0g的加速度/重力。当架空车库门开启时，MEMS装置的量测轴垂直向下指向地面，MEMS装置沿此量测轴测量加速度/重力，以致MEMS传感器测量到1g的加速度/重力。因此，MEMS传感器的输出，即表示0g或1g的所测量加速度/重力，就分别指示架空车库门是关闭的还是开启的。
该实施例的一个优点是，MEMS加速计也可用作碰撞检测器，以致如果汽车驶过车库门，MEMS加速计就会测量沿箭头38的行驶的汽车方向的加速度。
在实际应用中，当车库门从全部垂直位置移到全部水平位置时，MEMS加速计会测量到在0g和1g之间的值，如图5所示。在一个实施例中，报警信号是根据与车库门的预定开启相关联的预定g值而产生，例如车库门底部开启6英寸。在一个具体实施例中，车库门底部开启6英寸与车库门顶板大约70度的角位置以及安装在车库门顶板上的MEMS传感器测量的大约0.9g相关联。
备选的是，MEMS传感器可以是MEMS开关，如图4的示范感测电路中所示。MEMS开关测量其相对重力的位置，类似于Hg开关。MEMS开关可包括有一枢轴安装的锤，当MEMS开关倾斜时该锤移动，以在MEMS开关的预定角位置使两个电极短路，接通电路。
架空车库门32是个典型设计，包括多个单独可组合的门板40，它们相对彼此作枢轴安装，该车库门包括安装在相对侧上的多个铰链和滚轴机构42，滚轴定位成在轨道44中移动，轨道有垂直路线和水平路线，都位于架空车库门10的相对侧上。在备选实施例中，车库门可以是一块枢轴摆动设计，或所属领域已知的任何其它设计。
适用于本发明的一种合适传感器是MEMS静态加速计，型号为ADXL202E，可从模拟装置公司买到。ADXL202E型MEMS静态加速计测量加速度/重力，当安装在靠近车库门顶部时，根据车库门是关闭还是开启，将其放置为其测量加速度/重力所沿的量测轴定向为平行于或垂直于重力方向，以致MEMS静态加速计就根据其在车库门上的定向以及车库门是处于开启还是关闭位置，而产生表示1重力的输出信号或表示0重力的输出信号。
ADXL202E型MEMS静态加速计是双轴加速计，其特点是2-轴加速度/重力传感器，安装在5mm×5mm×2mm芯片封装内的单个IC芯片上。由于本发明需要沿单个轴测量加速度/重力，因此传感器的第二量测轴38可在车库门关闭和开启位置都定位成水平定向，如箭头38所示。备选的是，具有单个量测轴的加速计可以用于不同的实施例中。
ADXL202E型MEMS静态加速计是低成本、低功率、完全2-轴加速计，测量范围为±2g。ADXL202E可以测量动态加速度(例如振动)和静态加速度(例如重力)。其输出是占空比调制(DCM)信号，其占空比(脉冲宽度与周期之比)与沿其两个量测轴中每个轴所测量的加速度/重力成比例。它在60Hz、低功率＜0.6mA时提供2mg分辨率，并可通过占空比输出提供到低成本微控制器/微处理器46的直接接口。其输出可以用微控制器/微处理器计数器直接测量，不需要A/D转换器或胶合逻辑。DCM信号的DCM周期从0.5ms到10ms可调。与加速度成比例的模拟输出信号也可从单独的XFILT和YFILT输出管脚获得，或可通过滤波占空比输出重新构建。
在不同的实施例中，ASIC(专用集成电路)48或微控制器/微处理器46可用于监视MEMS传感器的输出，以确定其相对地面的定向，并产生适当的报警或恢复信号。
本发明的一个优选实施例采用无线RF技术，具有RF发射器或收发器49，如图2所示。
本发明的一个有利特点是，MEMS传感器的操作由微控制器/微处理器或ASIC监控，以便如果MEMS传感器因某种原因而不能操作，系统就会知道这种不可操作性。组件34、46、48和50在图2中都以非常放大的比例示出，以显示打印的字符，并且实际上这些组件的尺寸要减小很多。
图3示出用于例如ADXL202E型MEMS加速计传感器50的示范感测电路，它由微处理器52控制，微处理器52则通过发射器Tx 54与安全系统通信。微处理器52具有电池电源BAT，在优选实施例中，它定期通过电源线P将电力提供到50的电源管脚，以定期接通并抽样(例如每秒抽样一次)MEMS加速计输出。加速计产生的输出Vy表示沿y轴的加速度，而输出Vx表示沿x轴的加速度。定期抽样可保存电池电源BAT的寿命(如果让电池一直接通，估计连续1ma电流很快就会耗尽电池)。Vy和Vx输出由微处理器中的A/D转换器56转换为数字值，然后由软件编码，供Tx 54定期发射，以节约电力。
图4示出用于MEMS开关60的示范感测电路，MEMS开关60连接到ASIC编码器62，编码器62连接到发射器Tx 64。不必向MEMS开关供电，ASIC 62定期感测MEMS开关60的开启或关闭位置，其编码该位置，供Tx 64定期发射，也可节约电力。优选将MEMS开关安装成其角位置是可调的。例如，如果开关在70°开启或关闭，MEMS开关的角度可预先偏置为60°，以便检测到位置的10°改变。
以下给出对车库门传感器灵敏度计算的分析。
这些参数取自模拟装置ADXL202E的数据表。
Sensmin3v:=140·mVg]]>Sensmax3v:=195·mVg]]>OperVolt＝3.3V 工作电压Corr:=OperVoltSpecVolt]]>Corr＝1.1用于3.3伏工作的校正系数工作电压时的灵敏度SensminOper＝Corr·Sensmin3VSensminOper=154mVg]]>SensmaxOper＝Corr·Sensmax3VSensmaxOper=214.5mVg]]>Gmeas(θ):=g·sin(π180·θ)]]>所测量g重力作为水平线和传感器之间角(θ)的函数的公式顶板角度对门距地面距离的线性近似x＝0.1..90m＝-0.3近似的斜率-单位为英寸/度b＝27 Y截距-单位为英寸y(x)＝m·x+b门距离对顶板角度的公式y是门底部和地面之间的距离x是水平线和车库门顶板之间的角度改写为x(y):=y-bm]]>该公式将角度表示为门距地面距离的函数x的单位是度y的单位是英寸Dist＝0，1..20Gmeas(dist):=g·sin(π180·x(dist))]]>将传感器所受G力计算为车库门已从地面开启的距离的函数图5示出车库门从车库门底部开启的距离与车库门顶板角度之间的关系图，以度为单位。例如，MEMS传感器的角安装位置可调节，以便当车库门开启到车库门底部在其完全关闭位置之上6英寸时，就通报报警情况。
MEMS传感器的一个优点是，MEMS传感器的操作可由微处理器或ASIC监控，使MEMS传感器的可操作性能被检查。如果MEMS传感器的工作不正常，错误消息即可被发送到安全系统控制面板。例如，MEMS传感器可定期向MEMS传感器中的线圈或板供电，以产生磁场使传感器移动，模拟MEMS传感器的运动或加速。如果MEMS传感器工作不正常，错误消息就会被发送到安全系统的控制面板。
虽然本文已对本发明用于基于MEMS的车库门传感器的一些实施例和改变作了详细说明，显然本发明所公开的内容会对所属领域的技术人员建议许多备选设计。
权利要求
1.一种车库门侵入传感器，用于包括车库门和附着在所述车库门上的MEMS(微机电系统)传感器的安全系统，以确定所述车库门相对地面的定向，其中架空车库门平行于地面的定向表示开启的车库门和报警情况，而所述架空车库门垂直于地面的定向表示关闭的车库门和恢复情况。
2.如权利要求1所述的车库门侵入传感器，在具有安全系统控制面板和侵入、占有和环境情况传感器的安全系统中，且其中所述MEMS传感器与所述安全系统控制面板通信。
3.如权利要求1所述的车库门侵入传感器，在无线安全系统中，所述系统具有安全系统控制面板，包括用于发射和接收RF发射数据的RF收发器；以及所述MEMS传感器，包括用于在所述MEMS传感器和所述控制面板之间发射短程RF通信消息的RF发射器。
4.如权利要求1所述的车库门侵入传感器，其中所述MEMS传感器安装在所述车库门的内侧上，以保护其不受外部因素的影响，并靠近所述车库门的顶部，以提供保护位置。
5.如权利要求1所述的车库门侵入传感器，其中所述MEMS传感器包括用于测量加速度/重力的MEMS加速计。
6.如权利要求5所述的车库门侵入传感器，其中报警情况是根据所述MEMS加速计所测量的预定重力值产生的，所述预定重力值与在所述车库门上所安装的所述MEMS加速计的预定角位置以及所述车库门底部的预定开启相关联。
7.如权利要求5所述的车库门侵入传感器，其中所述MEMS加速计输出信号被输入到微处理器/微控制器，且所述微处理器/微控制器定期向所述MEMS加速计供电，以保存电力。
8.如权利要求1所述的车库门侵入传感器，其中所述MEMS传感器包括安装在单个IC芯片封装上的双轴加速计。
9.如权利要求1所述的车库门侵入传感器，其中所述MEMS传感器是MEMS加速计，安装有所述MEMS加速计的量测轴，所述MEMS加速计沿此量测轴测量加速度/重力，当所述架空车库门关闭时，所述量测轴垂直向下指向地面，以致所述MEMS加速计测量到1g的加速度/重力，而当所述架空车库门开启时，所述MEMS加速计的所述量测轴相对地面水平指向，以致所述MEMS加速计测量到0g的加速度/重力，这样所述MEMS加速计的输出，表示1g或0g的测量加速度/重力，就分别指示所述架空车库门是关闭还是开启。
10.如权利要求1所述的车库门侵入传感器，其中所述MEMS传感器是MEMS加速计，安装有所述MEMS加速计的量测轴，所述MEMS加速计沿此量测轴测量加速度/重力，所述量测轴相对地面水平指向，以致当所述架空车库门关闭时，所述MEMS加速计测量到0g的加速度/重力，而当所述架空车库门开启时，所述MEMS加速计的所述量测轴垂直向下指向地面，以致所述MEMS加速计测量到1g的加速度/重力，这样所述MEMS加速计的输出，表示0g或1g的测量加速度/重力，就分别指示所述架空车库门是关闭还是开启。
11.如权利要求10所述的车库门侵入传感器，其中所述MEMS传感器还用作碰撞检测器，以致如果汽车驶过所述车库门，所述MEMS加速计就会测量行驶的汽车方向的加速度。
12.如权利要求1所述的车库门侵入传感器，其中所述车库门包括架空车库门，所述架空车库门包括多个单独可组合的门板，这些门板相对彼此作枢轴安装；以及多个铰链和滚轴机构，安装在所述架空车库门的相对侧上，所述滚轴定位成在位于所述架空车库门相对侧上的轨道中移动。
13.如权利要求1所述的车库门侵入传感器，其中所述MEMS传感器包括MEMS开关。
14.如权利要求13所述的车库门侵入传感器，其中所述MEMS开关的位置可调，以预偏置所述MEMS开关的位置。
15.如权利要求13所述的车库门侵入传感器，其中所述MEMS开关连接到产生报警信号或恢复信号的ASIC(专用集成电路)。
16.如权利要求15所述的车库门侵入传感器，其中不给所述MEMS开关提供电力，并且所述ASIC感测所述MEMS开关的开启或关闭位置。
17.如权利要求1所述的车库门侵入传感器，其中所述MEMS传感器的操作被监控，使所述MEMS传感器的可操作性能够被检查，且如果所述MEMS传感器工作不正常，则错误消息就被发送到安全系统控制面板。
18.如权利要求17所述的车库门侵入传感器，其中所述MEMS传感器包括产生电磁场的元件，其被定期供电以模拟所述MEMS传感器的操作。
19.如权利要求1所述的车库门侵入传感器，其中所述MEMS传感器输出信号被输入到微处理器/微控制器，且所述微处理器/微控制器定期向所述MEMS传感器供电，以保存电力。
20.如权利要求1所述的车库门侵入传感器，其中所述MEMS开关连接到产生报警信号或恢复信号的ASIC(专用集成电路)。
21.如权利要求1所述的车库门侵入传感器，其中所述MEMS传感器输出信号被输入到产生报警信号或恢复信号的微处理器/微控制器。
全文摘要
一种用于安全系统例如住宅/家庭安全系统的基于MEMS的架空车库门侵入传感器，用以检测通过架空车库门的侵入。在一个实施例中，MEMS传感器加速计安装有MEMS装置的量测轴，MEMS装置沿此量测轴测量加速度/重力，在架空车库门关闭时，垂直向下指向地面，以致MEMS传感器测量到1g的加速度/重力，而当架空车库门开启时，MEMS装置的量测轴相对地面水平指向，以致MEMS传感器测量到0g的加速度/重力，因此MEMS传感器的输出，即表示1g或0g的测量加速度/重力，就分别指示架空车库门是关闭还是开启。备选的是，MEMS传感器可以是MEMS开关。ASIC或微控制器可监视MEMS传感器的输出，且一个实施例采用了无线RF技术。
文档编号G08B13/08GK1981311SQ200580022612
公开日2007年6月13日 申请日期2005年5月11日 优先权日2004年5月11日
发明者K·G·埃斯基尔德森 申请人:霍尼韦尔国际公司