專(zhuān)利名稱(chēng)：加速器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及加速器。
背景技術(shù)：
加速器是測(cè)量加速度、即運(yùn)動(dòng)速率變化的設(shè)備。當(dāng)升降機(jī)啟動(dòng)或停止時(shí)，人體的幾個(gè)部位可以檢測(cè)到這種運(yùn)動(dòng)變化并將該變化報(bào)告給大腦。類(lèi)似地，已知的加速器利用不同的機(jī)械和電子技術(shù)來(lái)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)變化，并將這種變化報(bào)告給處理器。加速器用于航海系統(tǒng)、自動(dòng)座椅安全帶、保險(xiǎn)氣囊觸發(fā)器以及很多其它應(yīng)用上。
在公知的制造半導(dǎo)體技術(shù)中，單晶硅得到了發(fā)展，然后照相和平版印刷技術(shù)被用于從這種硅片上蝕刻掉不要的部分，并將摻雜原子引入硅片中以改變硅片的電學(xué)特性。在這種硅片上鍍其它材料的技術(shù)也是公知的，例如，可將金屬鍍?cè)谶@種硅片上，以用作電路不同部分之間的導(dǎo)線。底層硅片用作結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)為金屬提供機(jī)械支撐，而這種金屬則提供導(dǎo)電性。

發(fā)明內(nèi)容
一般地，在一個(gè)方面，本發(fā)明特征在于一種加速器，該加速器包括固定結(jié)構(gòu)、活動(dòng)結(jié)構(gòu)，以及彈性聯(lián)結(jié)器，所述固定和活動(dòng)結(jié)構(gòu)基本位于一個(gè)平面內(nèi)。所述固定結(jié)構(gòu)具有固定電極，所述活動(dòng)結(jié)構(gòu)具有活動(dòng)電極。設(shè)計(jì)所述彈性聯(lián)結(jié)器用來(lái)保持跨過(guò)電容間隙所述固定和活動(dòng)結(jié)構(gòu)互相電容性相對(duì)，同時(shí)允許所述活動(dòng)電極相對(duì)所述固定電極運(yùn)動(dòng)，以響應(yīng)沿垂直于所述平面的加速度軸線方向的加速度，并且當(dāng)該加速度停止時(shí)，使所述兩個(gè)電極彈性回復(fù)到平衡位置。設(shè)計(jì)電子器件和/或軟件用來(lái)將所述固定和活動(dòng)電極之間的電容測(cè)量值轉(zhuǎn)換為沿所述軸線的加速度測(cè)量值。
一般地，在第二方面，本發(fā)明特征在于一種加速器，該加速器包括固定部分、活動(dòng)部分，以及彈性聯(lián)結(jié)器，所述固定和活動(dòng)部分一般設(shè)置在一個(gè)平面內(nèi)。設(shè)計(jì)所述彈性聯(lián)結(jié)器用來(lái)使所述活動(dòng)部分相對(duì)所述固定部分運(yùn)動(dòng)，以響應(yīng)沿垂直于所述平面的加速度軸線方向的加速度，并且當(dāng)該加速度停止時(shí)，使所述兩個(gè)部分彈性回復(fù)到平衡位置。所述硅結(jié)構(gòu)的固定和活動(dòng)部分中的一個(gè)部分電連接作為第一電極，所述固定和活動(dòng)部分中的另一個(gè)部分具有電連接的作為第二電極的導(dǎo)電層，所述第一和第二電極以相互電容相對(duì)方式設(shè)置。設(shè)計(jì)電子器件和/或軟件用來(lái)將所述第一和第二電極之間的電容的測(cè)量值轉(zhuǎn)換為沿所述軸線的加速度測(cè)量值。
一般地，在第三方面，本發(fā)明特征在于一種加速器。蝕刻硅片形成固定部分，活動(dòng)部分，以及位于兩者之間的彈性聯(lián)結(jié)器，所述固定部分和活動(dòng)部分一般位于一個(gè)平面內(nèi)，設(shè)計(jì)所述彈性聯(lián)接器用來(lái)允許所述活動(dòng)部分相對(duì)所述固定部分垂直于所述硅片運(yùn)動(dòng)，以響應(yīng)與所述硅片垂直的加速度，并且當(dāng)該加速度停止時(shí)，使所述兩個(gè)部分彈性回復(fù)到平衡位置，所述活動(dòng)部分塊集中在所述彈性聯(lián)結(jié)器的一側(cè)。所述固定和活動(dòng)部分各具有電極，所述電極電容性相對(duì)地設(shè)置。設(shè)計(jì)電子器件和/或軟件，用來(lái)將所述第一和第二電極之間的電容測(cè)量值轉(zhuǎn)換為垂直硅片的加速度測(cè)量值。
一般地，在第四個(gè)方面，本發(fā)明特征在于一種加速器。該加速器中，第一電極方向與加速度軸線平行，第二電極方向與加速度軸線平行，第三電極與所述第二電極位共平面。所述第二和第三電極與所述第一電極電容性相對(duì)地設(shè)置。設(shè)計(jì)彈性聯(lián)結(jié)器使所述第一電極相對(duì)所述第二和第三電極沿加速度軸線運(yùn)動(dòng)用來(lái)響應(yīng)加速度，并且當(dāng)該加速度停止時(shí)，使所述第一電極彈性回復(fù)到平衡位置。當(dāng)電極處于平衡位置時(shí)，所述第二電極與所述第一電極的大部分表面區(qū)域相對(duì)。設(shè)計(jì)電子器件和/或軟件用來(lái)將所述第一和第三電極之間的電容測(cè)量值轉(zhuǎn)換為沿所述軸線的加速度的測(cè)量值。
本發(fā)明的實(shí)施方式可以包括以下一個(gè)或更多特征。所述固定結(jié)構(gòu)、活動(dòng)結(jié)構(gòu)和彈性聯(lián)結(jié)器可以通過(guò)主要蝕刻硅片一體制成。所述固定結(jié)構(gòu)和活動(dòng)結(jié)構(gòu)至少主要是由大寬高比的橫梁形成。所述第三電極連接到地電位。所述的第一電極制成一個(gè)大寬高比的橫梁，該橫梁的較大的截面尺寸方向平行于所述加速度軸線。各種結(jié)構(gòu)的活動(dòng)和固定結(jié)構(gòu)通過(guò)在硅片內(nèi)形成的絕緣接頭相互絕緣。硅片上蝕刻出的各種結(jié)構(gòu)可以從硅片層的下層基片脫離。電子器件和/或軟件可以測(cè)量至少兩對(duì)電極之間的差動(dòng)電容，并將測(cè)得的差動(dòng)電容轉(zhuǎn)換成加速度表示。當(dāng)所述活動(dòng)結(jié)構(gòu)從所述平衡位置移開(kāi)時(shí)，所述固定和移動(dòng)電極之間的電容處于最大值。所述彈性聯(lián)結(jié)器是扭轉(zhuǎn)部。所述固定和活動(dòng)電極可以設(shè)置在第一和第二區(qū)域，從而(a)活動(dòng)結(jié)構(gòu)方向的運(yùn)動(dòng)引起所述第一區(qū)域內(nèi)中電極之間增加的電容和所述第二區(qū)域中減小的電容；并且(b)活動(dòng)結(jié)構(gòu)相反方向的運(yùn)動(dòng)引起所述第一區(qū)域中電極之間減小的電容和所述第二區(qū)域中的增加的電容。所述加速度的軸線可以垂直于所述硅片。所述金屬電極可以形成鍍?cè)谒龌顒?dòng)部分硅上的層。所述活動(dòng)部分可以包括止擋部，設(shè)計(jì)該止檔部用來(lái)與接合所述固定部分的底面以限制過(guò)度運(yùn)動(dòng)。當(dāng)所述電極處于平衡位置時(shí)，所述第二硅電極可以與所述第一硅電極的大部分表面區(qū)域相對(duì)。
上述優(yōu)點(diǎn)和特征僅僅是具有代表性的實(shí)施方式。應(yīng)該理解它們不應(yīng)該考慮如權(quán)利要求書(shū)所述對(duì)本發(fā)明的限制。在下面的說(shuō)明中，通過(guò)附圖，通過(guò)權(quán)利要求，本發(fā)明的其它的特征和優(yōu)點(diǎn)將變得明白。


圖1a為一個(gè)局部切除的加速器的透視圖；圖1b、1c、1d、1e、1f和1g為一個(gè)加速器的端視圖；圖2為一個(gè)加速器的平面圖；圖3和4為一個(gè)加速器的細(xì)部結(jié)構(gòu)的平面圖；圖5a為一個(gè)加速器的平面圖；圖5b和5c為圖5a的細(xì)部結(jié)構(gòu)；圖6a、6b、6c、6d、6e、6f和6g是一個(gè)加速器的制造步驟示意圖；圖7為一個(gè)加速器的平面圖。
具體實(shí)施例方式
I概論如圖1a-1g所示，加速器100可以是在諸如一塊硅片上進(jìn)行蝕刻而成的一個(gè)固體狀態(tài)的結(jié)構(gòu)。加速器100可以包括活動(dòng)部分300和固定部分400，每個(gè)部分都包括多個(gè)電極112、114、116、118、122和128，這些電極一般形成為大寬高比的橫梁或者電容器板。每個(gè)電極均位于與硅片垂直并與硅片的z軸130平行的平面內(nèi)，沿硅片z軸130測(cè)量加速度。固定部分400的電極112、114、122可以相互插接在活動(dòng)部分300的電極116、118、128之間，其間具有電容間隙142、148。彈性安裝架120使活動(dòng)部分300相對(duì)固定400部分保持在平衡靜止位置，如圖1d和1e所示，并允許活動(dòng)部分300沿z軸130相對(duì)固定部分400運(yùn)動(dòng)以響應(yīng)加速度，如圖1a、1b、1c、1f和1g所示。當(dāng)活動(dòng)電極116、118、128相對(duì)固定電極112、114、122移動(dòng)時(shí)，一些相對(duì)的電極對(duì)相互到達(dá)更直接的相對(duì)位置(也即，當(dāng)活動(dòng)電極116的表面區(qū)域開(kāi)始與固定電極112、122更直接相對(duì)時(shí)，活動(dòng)電極118、128開(kāi)始與固定電極114更直接相對(duì))，電容增加。其它相對(duì)的電極對(duì)彼此不再相對(duì)，這些電極對(duì)之間的電容因而減小?？梢詼y(cè)量電容的這些變化，從而測(cè)出活動(dòng)部分300相對(duì)固定部分400的位移，并進(jìn)而整體上測(cè)出作用在加速器100上的加速度。
至少一些電容器的管腳可以分成兩個(gè)單獨(dú)的導(dǎo)體，例如112、122和118、128，絕緣層132、138用來(lái)將單個(gè)管腳的兩個(gè)導(dǎo)體分開(kāi)。例如，電極112、114、116，118可以在硅片層(通常是摻雜的以提高導(dǎo)電性)中制成，電極122、128可以在置于所述硅片結(jié)構(gòu)元件上部的金屬層中制成。當(dāng)加速器處于平衡狀態(tài)時(shí)，可以在彼此不直接相對(duì)的電極對(duì)122、116和114、128之間測(cè)量電容142、148?？梢栽诓煌牧系碾姌O之間進(jìn)行測(cè)量電容142、148，例如可在金屬電極122、128和硅電極114、116之間測(cè)量電容。一些電極112、118可以接地152、158，或者以其它方式與消耗場(chǎng)電力線154、156連接，以減小電極114、116、122、128之間的總電容142、148。
對(duì)于第一位近似值，由于電極周?chē)倪吘増?chǎng)形狀，當(dāng)金屬電極122、128最中心接近相對(duì)的硅電極114、116的表面時(shí)，金屬電極122、128和與它們相對(duì)的硅電極114、116之間的電容142、148處于最大值(由于在接地電極112、118中終止的場(chǎng)力線，實(shí)際上最大電容在金屬電極122、128稍微處于相對(duì)的硅電極114、116的中間點(diǎn)以下時(shí)就實(shí)現(xiàn)了)。因此，電極116和122之間的電容142隨活動(dòng)部分300在固定部分400內(nèi)上移(所描述的運(yùn)動(dòng)從圖1d向圖1b移動(dòng))而增加，電極114和128之間的電容148隨金屬電極128從電極114之間移出(所描述的運(yùn)動(dòng)從圖1e向圖1c移動(dòng))而減小。類(lèi)似地，電極116和122之間的電容142隨活動(dòng)部分300帶著硅電極116在電極122之間向下移動(dòng)(所描述的運(yùn)動(dòng)從圖1d向圖1f移動(dòng))而下降，而電極114和128之間的電容148(所描述的運(yùn)動(dòng)從圖1e向圖1g移動(dòng))增加。
電子器件可以測(cè)量差動(dòng)電容。例如，由于電極114對(duì)128間的電容148和電極116對(duì)122間的電容142隨運(yùn)動(dòng)沿相反方向變化，電子器件(在下文第II.E部分討論)可以測(cè)量到電極114對(duì)128間的電容148小于電極116對(duì)122間的電容。該差別通常將反映活動(dòng)部分300的偏轉(zhuǎn)程度。根據(jù)這種差別，電子器件可以測(cè)定作用在加速器100上加速度的量值。
絕緣接頭160使圖1a(以及圖1b、1d和1f)左半邊上的電極116與圖1a(以及圖1c、1e和1g)右半邊上的電極118、128電絕緣。
彈性安裝架120可以是一個(gè)扭轉(zhuǎn)部，或者是一個(gè)以扭轉(zhuǎn)作用工作的橫梁，使活動(dòng)部件300通過(guò)扭力運(yùn)動(dòng)(箭頭162)來(lái)運(yùn)動(dòng)。彈性安裝架120的各個(gè)部分也可以作為導(dǎo)體以驅(qū)動(dòng)電極112、114、116、118、122、128。
II、結(jié)構(gòu)A.主要結(jié)構(gòu)元件參考圖2，加速器100可以包括中構(gòu)架204、可活動(dòng)的外框架210，安裝在中架構(gòu)204和外框架210上的電極112、114、116和118，以及扭轉(zhuǎn)部120。中架構(gòu)204和固定電極112、114可以錨固到硅片上形成固定部分400。
彈性扭轉(zhuǎn)部120可以在錨點(diǎn)206錨固到硅片上，并可以其它方式從硅片底部上松開(kāi)(通過(guò)鉆蝕，如下文結(jié)合圖6c和6g所作的描述)。外框架210上可以攜帶有活動(dòng)電極116和118以形成活動(dòng)部分300。外框架210和活動(dòng)電極116、118都從硅片底部松開(kāi)，因此在活動(dòng)部分300的最右端212運(yùn)動(dòng)傾向最大。中架構(gòu)204、外框架210和扭轉(zhuǎn)部120都能可以由桁架結(jié)構(gòu)的硅元件形成。扭轉(zhuǎn)部120的壁可以比中架構(gòu)204或外框架210的壁薄以增加扭轉(zhuǎn)部120的彈性。
錨點(diǎn)206可以相對(duì)較小，以提供應(yīng)變消除，或者在制造處理或溫度變化引起卷曲或彎曲時(shí)，使活動(dòng)部分300和固定部分400以普通變形模式一起卷曲。在其它實(shí)施方式中，錨點(diǎn)206可以沿扭轉(zhuǎn)部120邊緣延伸更遠(yuǎn)，以提供活動(dòng)部分300繞z軸130的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性(圖1a)。扭轉(zhuǎn)部120首先可以順應(yīng)扭轉(zhuǎn)，允許活動(dòng)部分300繞軸X旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)角通?？梢孕∮?.04度；因此，活動(dòng)部分300可以主要地沿z軸130運(yùn)動(dòng)并與距扭轉(zhuǎn)部120的距離成比例?；顒?dòng)部分300在與硅片垂直的z軸方向上相對(duì)固定部分400的最大偏轉(zhuǎn)可以是數(shù)十到數(shù)百納米的數(shù)量級(jí)。通過(guò)在活動(dòng)部分和固定部分400中設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)桁架結(jié)構(gòu)，偏離軸線的運(yùn)動(dòng)(在硅片平面內(nèi))可以被限定在一個(gè)更小的數(shù)量級(jí)。
加速器的總尺寸可以在大約1mm×1.5mm之間，活動(dòng)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量可以是大約10-8kg?；顒?dòng)部分300繞扭轉(zhuǎn)部120的慣性力矩可以在大約5至6×10-8kgm2。
活動(dòng)部分300在固定部分400內(nèi)部沿Z軸130方向運(yùn)動(dòng)的共振頻率可以在大約1.3到1.4千赫，對(duì)于感測(cè)1到10g范圍內(nèi)加速度來(lái)說(shuō)，該頻率最好是大約1千赫。對(duì)于更高g的加速器或者更高的頻率響應(yīng)來(lái)說(shuō)，則一般優(yōu)選更高的共振頻率并且可以通過(guò)較剛性的扭轉(zhuǎn)部120調(diào)節(jié)該共振頻率。活動(dòng)部分300可以以其它振動(dòng)模式相對(duì)固定部分400運(yùn)動(dòng)，例如，繞Z軸130旋轉(zhuǎn)，或者繞Y軸左右旋轉(zhuǎn)(例如，圖1a的左半部向上旋轉(zhuǎn)而右半部向下旋轉(zhuǎn))。在一個(gè)理想的加速器中，活動(dòng)部分300僅僅在Z軸方向上移動(dòng)，對(duì)Z軸方向上的共振產(chǎn)生有限共振頻率，并阻止其它方向上的運(yùn)動(dòng)，對(duì)所有其它振動(dòng)模式產(chǎn)生無(wú)限共振頻率。這樣，對(duì)于這些偏離軸線的運(yùn)動(dòng)，通常優(yōu)選更高的共振頻率，并且在實(shí)際設(shè)備中可以達(dá)到共5到10千赫之間的共振頻率。對(duì)于給定值的沿Z軸130的加速度，固定部分400的偏轉(zhuǎn)量大約可以是活動(dòng)部分300的偏轉(zhuǎn)量的1/29。通常，對(duì)于其它工程技術(shù)限制所允許的程度，較小的偏轉(zhuǎn)率要優(yōu)于較大的偏轉(zhuǎn)率。
再次參考圖1a，通常這種硅結(jié)構(gòu)可以在20至40微米高(尺寸240)。這種硅元件通常可以是2微米寬(尺寸242)。
參考圖3與圖4，活動(dòng)部分300和固定部分400可以包括重復(fù)的硅和金屬結(jié)構(gòu)模式。圖3和圖4中示出兩種重要的模式?；顒?dòng)部分300和固定部分400的主要結(jié)構(gòu)可以由硅橫梁112、114、116、118、332、338、362、364、432和438形成。這些橫梁由一個(gè)單晶硅片蝕刻而成，在蝕刻硅片之前，可對(duì)硅片的上表面進(jìn)行氧化以形成一個(gè)0.5到1微米的二氧化硅絕緣層，并且金屬可以設(shè)置在點(diǎn)刻所示模式中硅的頂部。當(dāng)硅片蝕刻形成物理結(jié)構(gòu)時(shí)，覆蓋在硅蝕刻部上的金屬也被除去，從而僅在硅橫梁的頂部保留有該金屬。絕緣接頭160、360、336、436和462使硅結(jié)構(gòu)的不同部分彼此電絕緣。通路324、334、337、423、434、437通過(guò)該絕緣氧化層連接金屬層到下面的硅。
B、活動(dòng)部分四個(gè)電壓電位(將命名為電位310、312、314和316)可以施用到各個(gè)部件上?？梢詼y(cè)量位于這些電位對(duì)之間的電容(包括電容變化、差動(dòng)電容或者差動(dòng)電容的變化)，以確定加速度。
參見(jiàn)圖3，結(jié)合圖1a的左半部以及圖1b、1d和1f，地電位316可以施用到硅電極116上。電極116可以與硅橫梁322電鄰接。硅橫梁322可以通過(guò)通路324電接觸到金屬326上。金屬326、328可以連接驅(qū)動(dòng)和測(cè)量電子器件(見(jiàn)下文第II.E部分的討論)，以將電位316施用到硅電極116上。因?yàn)楣桦姌O112和金屬電極122是固定部分400的一部分，所以詳細(xì)的討論將推后到在下文第II，C部分討論和圖4時(shí)討論。管腳112、116以及114、118之間的間隙約為3微米。
參見(jiàn)圖3，結(jié)合圖1a的右半部以及圖1c、1e和1g，在硅電極118上可以施用地電位310。電極118可以與硅橫梁332電鄰接。硅橫梁可以通過(guò)通路334連接到交叉絕緣接頭336的金屬335上，并通過(guò)通路337重新連接到硅橫梁338上。(從電的因素上來(lái)說(shuō)通路334、337、絕緣接頭336和金屬335可以不需要；通路334和絕緣接頭336可以用來(lái)提高引線(leg)332的熱膨脹和引線(leg)322的熱膨脹之間的匹配)。驅(qū)動(dòng)和測(cè)量電子器件可將接地電位施用到硅橫梁338上。金屬電極128可以通過(guò)金屬342連接到驅(qū)動(dòng)和測(cè)量電子器件上，該器件可以在電位312驅(qū)動(dòng)金屬電極128。因?yàn)楣桦姌O114可以是固定部分400的一部分，所以詳細(xì)的描述將推后到在下文第II.C部分討論和圖4討論。
絕緣接頭160、360可以使硅結(jié)構(gòu)的部分之間彼此電絕緣。例如，絕緣接頭160可以使圖3左半部中的電極116(電位316)與圖3右半部上的電極118(地電位310)電絕緣。絕緣接頭360可以使電極116(電位316)與硅橫梁338(地電位310)電絕緣。絕緣接頭160、360可以按如下制成。在該硅片內(nèi)可以蝕刻出狹槽或溝槽，在這些位置形成絕緣接頭160、360。在整個(gè)晶片頂部形成氧化層，以使金屬層122、128與下面的硅結(jié)構(gòu)絕緣的同樣熱氧化工藝過(guò)程中，二氧化硅物可以在晶片上長(zhǎng)大以充滿溝槽。這種成長(zhǎng)可以使二氧化硅的兩個(gè)相對(duì)表面彼此熔合。另外，二氧化硅在溝槽的圓形端部周?chē)砷L(zhǎng)可以提供跨越絕緣接頭兩側(cè)的連接。同時(shí)，相對(duì)表面的熔合和跨過(guò)溝槽端部的成長(zhǎng)可以提供足夠的結(jié)構(gòu)完整性，從而為硅橫梁362、364上的電極116、118提供機(jī)械支撐。
跨越絕緣接頭160、360頂部而放置的金屬與位于該絕緣接頭兩側(cè)的硅結(jié)構(gòu)電絕緣，但與跨越該絕緣接頭頂部電連續(xù)。
可以由常規(guī)方式形成導(dǎo)電通路324、334、337、423、434和437等。在圖3，它們比那些直接相鄰的硅橫梁區(qū)域稍寬。在設(shè)置通路的地方橫梁可以加寬，以使通路位于橫梁幾何結(jié)構(gòu)內(nèi)部。
C、固定部分參見(jiàn)圖4，結(jié)合圖1a的右半部以及圖1c、1e和1g，電位314可以施用到硅電極114上。電極114可以通過(guò)橫梁422經(jīng)通路423連接到金屬424上，該金屬可以超過(guò)絕緣接頭462并外延達(dá)本裝置邊緣。驅(qū)動(dòng)和測(cè)量電極可以將電位314應(yīng)用到金屬424上。
參見(jiàn)圖4，結(jié)合圖1a的左半部以及圖1b、1d和1f，地電位310可以施用到硅電極112上。電極112可以與硅橫梁432電鄰接。橫梁432可以通過(guò)通路434連接到金屬435。金屬435可以交叉絕緣接頭436到達(dá)通路437，該通路437連接金屬435到硅橫梁438上。驅(qū)動(dòng)和測(cè)量電子器件可以將地電位310施用到橫梁438。(從電的因素上來(lái)說(shuō)可以不需要通路434、437、絕緣接頭436和金屬435；通路434和絕緣接頭436可以用來(lái)提高引線(leg)432的熱膨脹與引線422(leg)的熱膨脹之間的匹配)。金屬電極122可以跨越絕緣接頭460連接到金屬電極424。如上所述，電位314可以施用到金屬424。
絕緣接頭460將硅電極112與硅電極114分開(kāi)。
D、機(jī)械止擋部參見(jiàn)圖5a和5b，回想所述活動(dòng)部分300可以通過(guò)大約10微米的錨點(diǎn)206固定在蝕刻處理后保留下來(lái)的硅基片的底面上。當(dāng)框架210的右邊緣212到達(dá)該底面時(shí)，活動(dòng)部分300的向下運(yùn)動(dòng)會(huì)受到限制?；顒?dòng)部分300的過(guò)度向上運(yùn)動(dòng)會(huì)受到止擋部510的限制，該止擋部510沿與活動(dòng)部分300的電容管腳相反的方向伸出，因此，當(dāng)活動(dòng)部分300向上移動(dòng)時(shí)，止擋部510向下移動(dòng)，直到與基片底面接觸。止擋部510的長(zhǎng)度可以是從錨點(diǎn)206到右邊緣212距離長(zhǎng)四分之一(允許活動(dòng)部分上移四倍于其下移能夠達(dá)到的最遠(yuǎn)距離)到基本上與從錨點(diǎn)206到右邊緣212的距離相同(粗略相等限制兩個(gè)運(yùn)動(dòng)范圍)之間的任何長(zhǎng)度。期望止擋部510具有繞錨點(diǎn)206低的慣性力矩，以減少活動(dòng)部分300響應(yīng)加速度的響應(yīng)衰減。
止擋部510可以結(jié)束于管腳512，該管腳512與安裝在固定部分400上的管腳514相互插接。同樣，安裝在活動(dòng)部分300上的止擋部520可以與安裝在固定部分400上的管腳522相互插接。止擋部512、520限制活動(dòng)部分300在硅片平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)和平移。
E、驅(qū)動(dòng)與測(cè)量電子器件如以上所描述的加速器靈敏度處于10到15fF/g(非法拉/加速度g)的范圍內(nèi)。
如上面第I部分所述，加速器100可以采用差動(dòng)電容器方式。在差動(dòng)電容器裝置中，對(duì)于一個(gè)方向的加速度，在一對(duì)電極對(duì)之間電容增加，其它電容對(duì)之間電容減小。而對(duì)于反方向的加速度，則電容變化與此相反。因此，該電容差將顯示加速度的值。一種特定用途集成電路(application-specific integrated circuit，縮寫(xiě)為ASIC)將電容差轉(zhuǎn)換成一個(gè)代表加速度的電壓。
在一種設(shè)計(jì)中，該ASIC集成電路將大小相同但方向相反的方波電壓跨越設(shè)置在兩個(gè)電容器上，并且將電容器電流的差整合在一起。該積分電路將會(huì)輸出與電容差成比例的電壓。該電壓隨后被放大并經(jīng)低通濾波，以得到所需的靈敏度和頻率響應(yīng)。在該信號(hào)基礎(chǔ)上增加或減去編程電壓以提供偏移調(diào)整。另外，可以編程電容—電壓轉(zhuǎn)換的增益以說(shuō)明傳感器性能分布及不同傳感器設(shè)計(jì)。
正是由于如果在發(fā)電機(jī)的輸出端施加適當(dāng)?shù)碾娏?，發(fā)電機(jī)也可以起到電動(dòng)機(jī)的作用，所以，在加速器的導(dǎo)體310、312、314和316上可以施加電壓，從而可使活動(dòng)部分300相對(duì)固定部分400移動(dòng)。通過(guò)改變用于感測(cè)電容差的載波信號(hào)，有可能實(shí)現(xiàn)一種自檢測(cè)機(jī)構(gòu)。在自檢測(cè)模式下，電信號(hào)310、312、314和316被驅(qū)動(dòng)從而活動(dòng)部分300被取代，以驗(yàn)證活動(dòng)部分300能夠移動(dòng)以及合適的電容變化結(jié)果。電力總是由諸如用于感測(cè)的載波信號(hào)的電壓來(lái)產(chǎn)生。但是，在正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下載波信號(hào)是平衡的，不會(huì)出現(xiàn)凈力。通過(guò)改變載波信號(hào)，從而RMS電壓在用于感測(cè)凈力結(jié)果的差動(dòng)電容兩側(cè)的電壓不相同。這是一種在大多數(shù)商業(yè)加速器ASIC中所用的標(biāo)準(zhǔn)自檢測(cè)方法。
這種原理的ASIC的工作，以及將電容變化轉(zhuǎn)換為代表加速度的電壓的其它技術(shù)，可從大多數(shù)大學(xué)和公司，包括Kionix，Inc.、Bosch GmbH和Microsensors，Inc.ofCosta Mea得到。
III、制造整個(gè)硅結(jié)構(gòu)可以采用紐約Kionix，Inc.of Ithaca公司的硅制造技術(shù)來(lái)制造。這是一種成熟工藝，非常適于大規(guī)模生產(chǎn)。Kionix工藝是一種全干燥處理工藝，平版印刷步驟在平坦表面上完成。
參見(jiàn)圖6a～6g，加速器100可以采用等離子微機(jī)械加工工藝制造。一種這樣的等離子微機(jī)械加工工藝可以使用四個(gè)掩模和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)硅片。第一掩?？梢源_定在硅片內(nèi)蝕刻以形成絕緣接頭的溝槽。如圖6a所示，這些溝槽可以用二氧化硅612來(lái)填充。利用第二掩模，可以在安裝現(xiàn)場(chǎng)確定并打開(kāi)通路620。可在制造植入結(jié)構(gòu)622，并可以鍍鋁624。如圖6b所示，使用第三掩模，金屬624可以被設(shè)計(jì)成在必要時(shí)斷開(kāi)電連接。第四也是最后的掩?？梢杂脕?lái)確定結(jié)構(gòu)橫梁。結(jié)構(gòu)橫梁的輪廓可以使用產(chǎn)品ICP硅蝕刻設(shè)備在硅片內(nèi)蝕刻而成，例如，使用一種帶有ICP Bosch Etch & ICP氧化蝕刻室(ICP Bosch Etch & ICP Oxide Etch Chambers)的Plasam Therm VLR770設(shè)備，可以制成圖6e中所示的結(jié)構(gòu)。側(cè)壁可以用二氧化硅鍍層進(jìn)行鈍化處理630。圍繞橫梁周?chē)?、在每個(gè)溝槽底部上的氧化層可以利用各向異性二氧化硅蝕刻清除，而鈍化側(cè)壁630保留下來(lái)，產(chǎn)生圖6f的結(jié)構(gòu)。
最后，如圖6c和6g所示，可以各向同性蝕刻硅片，使橫梁642從基片644上脫離640。(橫梁642可以是任何一種電極管腳116、118，橫梁332、338、扭轉(zhuǎn)部120或活動(dòng)結(jié)構(gòu)300的任何其它部分。在一些實(shí)施方式中，固定結(jié)構(gòu)400也可以從基片644和桁架結(jié)構(gòu)f上脫離。)氧化層的“尾部”646可以在橫梁642的硅基下方延伸。這些尾部646可以提供額外的熱膨脹穩(wěn)定性，因?yàn)槲膊?46可以抵銷(xiāo)平衡在橫梁頂部由熱膨脹或氧化層648收縮產(chǎn)生的任何彎矩。在作為干蝕刻工藝完成脫離蝕刻的實(shí)施方式中，鄰近結(jié)構(gòu)之間或結(jié)構(gòu)與基底之間的靜態(tài)阻力可以減小到忽略不計(jì)的水平，或者到不存在的程度。
再參見(jiàn)圖3和4，結(jié)合圖6c和6g，在一些實(shí)施方式中，一些管腳112、114、116和118可以省略，以從基底上脫離橫梁114、118、332、338、642的圖6c和6g步驟更加容易。在另一方面，保留所有電極指部會(huì)增加加速器100的靈敏度。
通過(guò)等離子微機(jī)械加工工藝生產(chǎn)的典型橫梁642為2μm寬，10到30μm高，與基底分開(kāi)15μm。在各向同性蝕刻過(guò)程中，大于10μm寬的結(jié)構(gòu)通常不從基底644上脫離。這樣寬的結(jié)構(gòu)可以提供使活動(dòng)或固定部分錨固在硅基底的錨點(diǎn)。
為形成更大的毫米級(jí)的結(jié)構(gòu)，通常橫梁鋪在開(kāi)發(fā)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)上，如圖2所示。這種鋪設(shè)有助于實(shí)現(xiàn)更高的振動(dòng)Q(高Q因數(shù)的振蕩器是指一直在相同頻率振蕩的振蕩器，低Q的振蕩器可以根據(jù)施加脈沖共振不同的頻率)。然后，高振蕩Q可以提高加速器100的精度。由于通過(guò)等離子微機(jī)械加工工藝制成的這些結(jié)構(gòu)主要包含無(wú)應(yīng)力單晶硅，其特性?xún)?yōu)越并且是再生材料，這些結(jié)構(gòu)的特性可以預(yù)見(jiàn)，也將是再生的。
用來(lái)制成加速器100及絕緣接頭160、360的工藝方法見(jiàn)于美國(guó)專(zhuān)利號(hào)6,239,473，Adams等，微機(jī)電設(shè)備用的溝槽絕緣工藝；美國(guó)專(zhuān)利號(hào)5,719,073，Adams等，微觀結(jié)構(gòu)和單一掩模及用于制造這種結(jié)構(gòu)的單晶加工工藝；美國(guó)專(zhuān)利號(hào)5,846,849，微觀結(jié)構(gòu)和單一掩模及用于制造這種結(jié)構(gòu)的單晶加工工藝，美國(guó)專(zhuān)利號(hào)6,051,866和S.G.Adams等；“帶有去耦驅(qū)動(dòng)和感應(yīng)的單晶硅回轉(zhuǎn)儀”，微機(jī)電設(shè)備及零部件V，Patrick J.French，Eric Peeters編輯的SPIE學(xué)報(bào)，3876卷，1999，74-83頁(yè)，K.A.SHaw，Z.L.Zhang和N.C.MacDonald，“SCREAM I微機(jī)電結(jié)構(gòu)的單掩膜和單晶硅工藝”，傳感器與傳動(dòng)裝置A，40卷，63-70頁(yè)，1994年，和Z.L.Zhang和N.C.MacDonald”；“亞微米R(shí)IE工藝與硅機(jī)電結(jié)構(gòu)”，J.Micromech.Microeng.，第2卷，31-38頁(yè)，1992年)。這里并入所有這些文獻(xiàn)為參考文獻(xiàn)。
IV、可替代的實(shí)施方式在另一實(shí)施方式中，電極112、114、116可以從設(shè)置在硅基片上的厚的多晶硅層制成，該硅基片僅用作結(jié)構(gòu)基底或者防護(hù)結(jié)構(gòu)，而在感測(cè)中不起到活性作用。
在另一實(shí)施方式中，電極11、114、116、122、128可以在鋪在硅基片上的多絕緣體上的硅(SOI)層上形成。
在另一實(shí)施方式中，電極112、114、116、122和128可以在鋪在硅片上的多金屬層上形成，硅僅用作結(jié)構(gòu)基底或者作為防護(hù)，不在感測(cè)中起到活性作用。
參見(jiàn)圖7，扭轉(zhuǎn)部120可以重新構(gòu)成以減少除了z軸130方向的運(yùn)動(dòng)(從紙面上和下)，而保持順應(yīng)z軸的運(yùn)動(dòng)。例如可以以更多三角形狀構(gòu)成扭轉(zhuǎn)部120，以保持好的扭轉(zhuǎn)順應(yīng)性—和活動(dòng)部分300沿著z軸運(yùn)動(dòng)的自由度，同時(shí)在其它方向保持好的剛性和對(duì)振動(dòng)模式抗性。
參見(jiàn)圖7，可以結(jié)合有附加結(jié)構(gòu)710、712、714，以保持相對(duì)一致的結(jié)構(gòu)密度，以提高利用其的制造步驟操作的一致性。在可替代實(shí)施方式中，一些元件之間的間隔可以增加，以易于進(jìn)行脫離步驟(見(jiàn)圖6c和6g)。
可以設(shè)置電極112、114、116和118的放置以減小可能由制造導(dǎo)致的設(shè)備溫度感應(yīng)曲率。
可以構(gòu)造活動(dòng)部分300和固定部分400的內(nèi)部桁架結(jié)構(gòu)用來(lái)提高剛度。
在圖2所示實(shí)施方式中，活動(dòng)部分300設(shè)置成懸臂式“跳板”狀，朝向錨點(diǎn)206的單一側(cè)。另一實(shí)施方式中，活動(dòng)電極116、118可以設(shè)置成“蹺蹺板”那樣，設(shè)置在中間彈性架的兩側(cè)。在其它情況下，電極112、116可以形成于一側(cè)，而電極114、118在另一側(cè)。在其它情況下，活動(dòng)電極116、118可以設(shè)置在錨點(diǎn)206的一側(cè)，而模擬物質(zhì)量在錨點(diǎn)206的另一側(cè)延伸。蹺蹺板的兩側(cè)通常將具有不同的繞彈性架的轉(zhuǎn)矩，從而加速度將引起旋轉(zhuǎn)。
可以理解，所有尺寸、電學(xué)值、幾何方面、制造技術(shù)等，描述僅涉及一些舉出的實(shí)施方式，它們?cè)?000-01是優(yōu)選的。當(dāng)新的制造技術(shù)出現(xiàn)時(shí)，這些值可以變化。
為方便讀者，上述說(shuō)明集中于所有可能實(shí)施方式中的一個(gè)有代理性的實(shí)例，教導(dǎo)本發(fā)明的原理并傳遞考慮實(shí)現(xiàn)該發(fā)明的最佳方式。該描述沒(méi)有企圖窮盡列舉所有可能的變通形式。其它未描述的可替換實(shí)施例也是可能的?？梢灾溃芏噙@種實(shí)施例落入后面的權(quán)利要求的字面表述的范圍內(nèi)，而其它的則是等同實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種加速器，包括單晶硅片蝕刻形成固定部分，活動(dòng)部分，和兩者之間的彈性聯(lián)結(jié)器，所述固定部分和活動(dòng)部分一般設(shè)置在硅片平面內(nèi)，活動(dòng)部分塊集中在所述彈性聯(lián)結(jié)器的一側(cè)；所述硅結(jié)構(gòu)的固定和活動(dòng)部分中的一個(gè)部分包括方向平行于加速度軸線的第一電極，所述固定和活動(dòng)部分中的另一個(gè)部分包括方向平行于所述加速度軸線的第二電極，所述固定和活動(dòng)部分中的另一個(gè)部分具有金屬層，該金屬層與所述第二電極機(jī)械連接，并電連接作為該第二電極共平面的第三電極，所述第二和第三電極沿平行于所述加速度軸線的方向堆放在一起，并與所述第一電極電容性相對(duì)設(shè)置；設(shè)計(jì)彈性聯(lián)結(jié)器保持所述第一和第三電極跨過(guò)電容間隙彼此電容性相對(duì)，同時(shí)使所述第一電極相對(duì)所述第二和第三電極運(yùn)動(dòng)，響應(yīng)沿垂直于硅片平面的加速度軸線方向的加速度，并且當(dāng)該加速度停止時(shí)，使所述第一電極彈性回復(fù)到相對(duì)所述第二和第三電極的平衡位置，當(dāng)電極處于平衡位置時(shí)，所述第二電極與所述第一電極的大部分表面區(qū)域相對(duì)，電容間隙的方向平行于所述加速度軸線，當(dāng)所述活動(dòng)部分沿所述加速度軸線方向從所述平衡位置移開(kāi)時(shí)，所述第一電極與第三電極之間的電容增加，而當(dāng)所述活動(dòng)部分沿遠(yuǎn)離所述平衡位置的相反方向移動(dòng)時(shí)，所述電容減小；以及設(shè)計(jì)電子器件和/或軟件，用來(lái)將所述第一和第三電極之間的電容測(cè)量值轉(zhuǎn)換為沿所述軸線方向的加速度的測(cè)量值。
2.一種加速器，包括固定結(jié)構(gòu)和活動(dòng)結(jié)構(gòu)，所述固定和活動(dòng)結(jié)構(gòu)一般設(shè)置在一個(gè)平面內(nèi)，所述固定結(jié)構(gòu)具有固定電極，所述活動(dòng)結(jié)構(gòu)具有活動(dòng)電極；設(shè)計(jì)彈性聯(lián)結(jié)器保持所述固定和活動(dòng)結(jié)構(gòu)跨過(guò)電容間隙互相電容性相對(duì)，同時(shí)使所述活動(dòng)電極相對(duì)所述固定電極運(yùn)動(dòng)，響應(yīng)沿垂直于所述平面的加速度軸線方向的加速度，并且當(dāng)該加速度停止時(shí)，使所述兩個(gè)電極彈性回復(fù)到平衡位置；以及設(shè)計(jì)電子器件和/或軟件，用來(lái)將所述固定和活動(dòng)電極之間的電容測(cè)量值轉(zhuǎn)換為沿所述軸線方向的加速度的測(cè)量值。
3.如權(quán)利要求2所述的加速器，其中所述的固定結(jié)構(gòu)、活動(dòng)結(jié)構(gòu)和彈性聯(lián)結(jié)器主要由硅制成。
4.如權(quán)利要求3所述的加速器，其中所述的固定結(jié)構(gòu)和活動(dòng)結(jié)構(gòu)至少主要是由大寬高比的橫梁制成。
5.如權(quán)利要求3所述的加速器，其中所述固定和活動(dòng)電極中的一個(gè)電極是由硅制成，作為第一電極，其它電極作為硅結(jié)構(gòu)件上的導(dǎo)電層制成，作為第二電極。
6.如權(quán)利要求5所述的加速器，其中所述硅結(jié)構(gòu)件電連接作為與所述第二電極位于同一平面的第三電極，所述第二和第三電極與所述第一電極電容性相對(duì)設(shè)置。
7.如權(quán)利要求6所述的加速器，其中所述的第三電極連接地電位。
8.如權(quán)利要求5所述的加速器，其中所述的第一電極制成大寬高比的橫梁，該橫梁的較大截面尺寸方向平行于所述加速度軸線。
9.如權(quán)利要求3所述的加速器，其中蝕刻硅片形成所述的固定結(jié)構(gòu)和所述的活動(dòng)結(jié)構(gòu)。
10.如權(quán)利要求9所述的加速器，其中各種結(jié)構(gòu)的活動(dòng)和固定結(jié)構(gòu)通過(guò)在硅片內(nèi)形成的絕緣接頭相互絕緣。
11.如權(quán)利要求9所述的加速器，其中硅片上蝕刻出的各種結(jié)構(gòu)與下面的硅片底層脫離。
12.如權(quán)利要求2所述的加速器，其中電子器件和/或軟件測(cè)量至少兩對(duì)電極之間的差動(dòng)電容，并將測(cè)得的差動(dòng)電容轉(zhuǎn)換成加速度表示。
13.如權(quán)利要求2所述的加速器，其中當(dāng)所述活動(dòng)結(jié)構(gòu)從所述平衡位置移開(kāi)時(shí)，所述固定和移動(dòng)電極之間的電容處于最大值。
14.如權(quán)利要求2所述的加速器，其中所述彈性聯(lián)結(jié)器是扭轉(zhuǎn)部。
15.如權(quán)利要求14所述的加速器，其中所述彈性聯(lián)結(jié)器是與所述固定和活動(dòng)結(jié)構(gòu)整體從所述硅片上蝕刻而成。
16.如權(quán)利要求2所述的加速器，還包括設(shè)置在第一和第二區(qū)域的固定和活動(dòng)電極，從而活動(dòng)結(jié)構(gòu)沿一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致所述第一區(qū)域內(nèi)電極之間增加的電容，所述第二區(qū)域內(nèi)電極之間減小的電容；并且活動(dòng)結(jié)構(gòu)沿相反方向的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致所述第一區(qū)域內(nèi)電極之間減小的電容，所述第二區(qū)域內(nèi)電極之間增加的電容。
17.如權(quán)利要求2所述的加速器，其中所述活動(dòng)結(jié)構(gòu)塊集中于所述彈性聯(lián)結(jié)器的一側(cè)。
18.一種方法，包括步驟將加速度施加到固定結(jié)構(gòu)和活動(dòng)結(jié)構(gòu)，所述固定和活動(dòng)結(jié)構(gòu)一般設(shè)置在垂直于所述加速度軸線的平面內(nèi)，所述固定結(jié)構(gòu)具有固定電極，所述活動(dòng)結(jié)構(gòu)具有活動(dòng)電極；響應(yīng)所述加速度，使所述活動(dòng)電極相對(duì)所述固定電極運(yùn)動(dòng)，彈性聯(lián)結(jié)器，保持所述固定和活動(dòng)結(jié)構(gòu)彼此跨過(guò)電容間隙電容性相對(duì)；當(dāng)所述加速度停止時(shí)，使所述兩個(gè)電極彈性回復(fù)到平衡位置；以及測(cè)量所述活動(dòng)和固定電極之間的電容，并將測(cè)得的電容轉(zhuǎn)換成加速度表示。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述固定和活動(dòng)電極中的一個(gè)電極由硅制成，所述固定和活動(dòng)電極中的另一個(gè)電極形成為鍍?cè)诠杞Y(jié)構(gòu)上的導(dǎo)電層。
20.如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述加速器的活動(dòng)和固定部分的電極設(shè)置在第一和第二區(qū)域內(nèi)，從而活動(dòng)部分沿一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致所述第一區(qū)域內(nèi)電極之間增加的電容，所述第二區(qū)域內(nèi)電極之間減小的電容；并且活動(dòng)部分沿相反方向的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致所述第一區(qū)域內(nèi)電極之間減小的電容，所述第二區(qū)域內(nèi)電極之間增加的電容。
21.如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述彈性聯(lián)結(jié)器是扭轉(zhuǎn)部。
22.一種加速器，包括固定部分和活動(dòng)部分，所述固定和活動(dòng)部分一般設(shè)置在一個(gè)平面內(nèi)；設(shè)計(jì)彈性聯(lián)結(jié)器用來(lái)使所述活動(dòng)部分相對(duì)所述固定部分運(yùn)動(dòng)，響應(yīng)沿垂直于所述平面的加速度軸線方向的加速度，并且當(dāng)該加速度停止時(shí)，使所述兩個(gè)部分彈性回復(fù)到平衡位置；所述固定和活動(dòng)部分中的一個(gè)部分電連接作為第一電極，所述固定和活動(dòng)部分中的另一個(gè)部分具有導(dǎo)電層，電連接作為第二電極，所述第一和第二電極彼此電容性相對(duì)設(shè)置；設(shè)計(jì)電子器件和/或軟件用來(lái)將所述第一和第二電極之間的電容測(cè)量值轉(zhuǎn)換為沿所述軸線方向的加速度測(cè)量值。
23.如權(quán)利要求22所述的加速器，其中蝕刻硅片以形成所述的固定結(jié)構(gòu)和所述的活動(dòng)結(jié)構(gòu)。
24.如權(quán)利要求23所述的加速器，其中所述活動(dòng)結(jié)構(gòu)塊集中于所述彈性聯(lián)結(jié)器的一側(cè)。
25.如權(quán)利要求23所述的加速器，其中所述彈性聯(lián)結(jié)器是與所述固定和活動(dòng)部分整體從所述硅片上蝕刻而成。
26.如權(quán)利要求23所述的加速器，其中通過(guò)包括將所述活動(dòng)部分從下面硅片底層脫離的步驟的方法制造所述活動(dòng)部分的基本部分。
27.如權(quán)利要求23所述的加速器，其中所述活動(dòng)和固定部分的各種部分是通過(guò)在硅片內(nèi)形成的絕緣接頭相互絕緣。
28.如權(quán)利要求23所述的加速器，其中所述第二電極形成為與所述活動(dòng)部分的硅機(jī)械連接但電絕緣的層。
29.如權(quán)利要求22所述的加速器，其中所述彈性聯(lián)結(jié)器由高彈性模件固體制成。
30.如權(quán)利要求22所述的加速器，其中所述彈性聯(lián)結(jié)器是扭轉(zhuǎn)部。
31.如權(quán)利要求22所述的加速器，其中所述活動(dòng)部分包括止擋部，設(shè)計(jì)該止檔部接合所述固定部分底面以限制過(guò)度運(yùn)動(dòng)。
32.如權(quán)利要求22所述的加速器，其中所述活動(dòng)和固定部分的電極設(shè)置在第一和第二區(qū)域，從而活動(dòng)部分沿一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致所述第一區(qū)域內(nèi)電極之間增加的電容，所述第二區(qū)域內(nèi)電極之間減小的電容；并且活動(dòng)部分沿相反方向的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致所述第一區(qū)域內(nèi)電極之間減小的電容，所述第二區(qū)域內(nèi)電極之間增加的電容。
33.如權(quán)利要求22所述的加速器，其中當(dāng)所述活動(dòng)部分沿所述加速度軸線方向從所述平衡位置移開(kāi)時(shí)，所述第一電極與第二電極之間的電容增加，而當(dāng)所述活動(dòng)部分沿相反的方向移動(dòng)時(shí)，所述電容減小。
34.一種方法，包括步驟在加速器的活動(dòng)電極和固定電極之間建立電場(chǎng)，所述活動(dòng)和固定電極相互電容性相對(duì)設(shè)置，所述固定和活動(dòng)電極中的一個(gè)電極由硅制成，所述固定和活動(dòng)電極中的另一個(gè)電極形成導(dǎo)電層，與硅結(jié)構(gòu)機(jī)械連接并電絕緣，并與所述硅結(jié)構(gòu)沿加速度軸線方向堆放在一起，所述硅結(jié)構(gòu)基本與所述由硅制成的電極共平面；使所述活動(dòng)電極相對(duì)所述固定電極運(yùn)動(dòng)，以響應(yīng)沿所述加速度方向的加速度，當(dāng)所述加速度停止時(shí)，允許彈性聯(lián)結(jié)器使所述兩個(gè)電極回復(fù)到平衡位置；測(cè)量所述活動(dòng)和固定電極之間的電容，并將測(cè)得的電容轉(zhuǎn)換成加速度表示。
35.如權(quán)利要求34所述的方法，其中所述由硅制成的電極為第一硅電極；并且所述上面形成有導(dǎo)電層電極的硅結(jié)構(gòu)電連接作為第二硅電極，所述導(dǎo)電層電極和第二硅電極與所述第一硅電極電容性相對(duì)設(shè)置，當(dāng)所述電極處于平衡位置時(shí)，所述第二硅電極與所述第一硅電極的大部分表面區(qū)域相對(duì)。
36.如權(quán)利要求34所述的方法，其中所述加速器的主要結(jié)構(gòu)件是通過(guò)蝕刻硅片制成。
37.如權(quán)利要求36所述的方法，其中所述彈性聯(lián)結(jié)器從所述硅片上整體蝕刻形成。
38.一種加速器，包括硅片蝕刻形成固定部分，活動(dòng)部分，以及兩者之間的彈性聯(lián)結(jié)器，所述固定部分和活動(dòng)部分一般設(shè)置在一個(gè)平面內(nèi)，設(shè)計(jì)所述彈性聯(lián)結(jié)器以使所述活動(dòng)部分相對(duì)所述固定部分垂直于所述硅片運(yùn)動(dòng)，以響應(yīng)與所述硅片垂直的加速度，并且當(dāng)該加速度停止時(shí)，使所述兩個(gè)部分彈性回復(fù)到平衡位置，所述活動(dòng)部分塊集中在所述彈性聯(lián)結(jié)器的一側(cè)；所述固定和活動(dòng)部分分別具有電極，所述電極電容性相對(duì)地設(shè)置；并且設(shè)計(jì)電子器件和/或軟件用來(lái)將所述第一和第二電極之間的電容測(cè)量值轉(zhuǎn)換為垂直硅片的加速度測(cè)量值。
39.如權(quán)利要求38所述的加速器，還包括第三電極，與所述活動(dòng)電極位于一個(gè)平面內(nèi)并機(jī)械連接，所述活動(dòng)和第三電極與所述固定電極電容性相對(duì)地設(shè)置，當(dāng)所述電極處于平衡位置時(shí)，所述第三電極與所述固定電極的大部分表面區(qū)域相對(duì)。
40.如權(quán)利要求38所述的加速器，還包括所述硅結(jié)構(gòu)的固定和活動(dòng)部分中的一個(gè)部分電連接作為第一電極，所述固定和活動(dòng)部分中的另一個(gè)部分具有導(dǎo)電層，電連接作為第二電極，所述第一和第二電極相互電容性地設(shè)置。
41.如權(quán)利要求38所述的加速器，其中通過(guò)一種干式蝕刻加工工藝蝕刻硅片形成所述固定部分和活動(dòng)部分。
42.如權(quán)利要求38所述的加速器，其中所述活動(dòng)和固定部分的電極設(shè)置在第一和第二區(qū)域，從而所述活動(dòng)部分沿一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致所述第一區(qū)域內(nèi)電極之間增加的電容，所述第二區(qū)域內(nèi)電極之間減小的電容；并且所述活動(dòng)部分沿相反方向的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致所述第一區(qū)域內(nèi)電極之間減小的電容，所述第二區(qū)域內(nèi)電極之間增加的電容。
43.如權(quán)利要求38所述的加速器，其中所述彈性聯(lián)結(jié)器是與所述固定和活動(dòng)部分整體從所述硅片上蝕刻而成。
44.如權(quán)利要求38所述的加速器，其中所述彈性聯(lián)結(jié)器由高彈性模件的固體制成。
45.如權(quán)利要求38所述的加速器，其中所述彈性聯(lián)結(jié)器是扭轉(zhuǎn)部。
46.如權(quán)利要求38所述的加速器，其中所述活動(dòng)部分包括止擋部，設(shè)計(jì)該止擋部用來(lái)接合所述固定部分的底面以限制過(guò)度運(yùn)動(dòng)。
47.如權(quán)利要求38所述的加速器，其中通過(guò)包括將所述活動(dòng)部分從下面硅片底層脫離的步驟的方法制造所述活動(dòng)部分的基本部分。
48.一種檢測(cè)沿加速度方向的加速度的方法，包括步驟在加速器的活動(dòng)電極和固定電極之間建立電場(chǎng)，所述活動(dòng)和固定電極相互電容性相對(duì)設(shè)置，并以機(jī)械方式分別支撐于所述活動(dòng)和固定部分上，并且具有從硅片蝕刻制成的結(jié)構(gòu)，所述固定和活動(dòng)部分基本設(shè)置在一個(gè)平面內(nèi)；使所述活動(dòng)電極相對(duì)所述固定電極沿垂直于所述硅片方向運(yùn)動(dòng)，以響應(yīng)垂直于所述硅片的加速度，并且當(dāng)所述加速度停止時(shí)，允許彈性聯(lián)結(jié)器將所述兩個(gè)電極回復(fù)到平衡位置，所述活動(dòng)部分塊集中所述彈性聯(lián)結(jié)器一側(cè)；以及測(cè)量所述活動(dòng)和固定電極之間的電容，并將測(cè)得的電容轉(zhuǎn)換成加速度表示。
49.如權(quán)利要求48所述的加速器，其中通過(guò)使止擋部壓在所述固定部分的底面來(lái)限制所述活動(dòng)部分的過(guò)度運(yùn)動(dòng)，在基本相對(duì)集中的部分的方向，所述止擋部從所述活動(dòng)部分懸臂。
50.如權(quán)利要求48所述的加速器，其中當(dāng)所述活動(dòng)部分沿所述加速度軸線方向從所述平衡位置移開(kāi)時(shí)，所述第一電極與第二電極之間電容增加，而當(dāng)所述活動(dòng)部分沿相反的方向移動(dòng)時(shí)，所述電容減小。
51.如權(quán)利要求50所述的加速器，其中當(dāng)所述活動(dòng)部分從所述平衡位置移動(dòng)所述固定部分深度的一半距離時(shí)，所述第一和第二電極之間的電容達(dá)到最大值。
52.一種加速器，包括第一、第二和第三電極，所述第二電極與所述第三電極共平面，所述第二和第三電極跨越電容間隙與所述第一電極電容性相對(duì)地設(shè)置；設(shè)計(jì)彈性聯(lián)結(jié)器，使所述第一電極相對(duì)所述第二和第三電極沿加速度軸線方向運(yùn)動(dòng)以響應(yīng)加速度，并且當(dāng)該加速度停止時(shí)，使所述第一電極彈性回復(fù)到平衡位置，當(dāng)電極處于平衡位置時(shí)，所述第二電極與所述第一電極的大部分表面區(qū)域相對(duì)；以及設(shè)計(jì)電子器件和/或軟件用來(lái)將所述第一和第三電極之間的電容測(cè)量值轉(zhuǎn)換為沿所述軸線方向的加速度測(cè)量值。
53.如權(quán)利要求52所述的加速器，其中蝕刻硅片以形成所述第一和第二電極；并且所述加速度的軸線垂直于所述硅片。
54.如權(quán)利要求53所述的加速器，其中所述第三電極形成為與所述第二電極的硅結(jié)構(gòu)機(jī)械連接的導(dǎo)電層。
55.如權(quán)利要求53所述的加速器，其中當(dāng)所述活動(dòng)部分沿所述加速度軸線方向從所述平衡位置移開(kāi)時(shí)，所述第一電極與第三電極之間的電容增加，而當(dāng)所述活動(dòng)部分沿相反的方向移動(dòng)時(shí)，所述電容減小。
56.如權(quán)利要求53所述的加速器，其中所述第三電極形成為與所述活動(dòng)部分的硅結(jié)構(gòu)機(jī)械連接并電絕緣的導(dǎo)電材料層。
57.如權(quán)利要求53所述的加速器，其中從所述硅片中蝕刻成的各種結(jié)構(gòu)是通過(guò)在所述硅片內(nèi)形成的絕緣接頭相互電絕緣。
58.如權(quán)利要求53所述的加速器，其中從所述硅片中蝕刻成的各種結(jié)構(gòu)與下面的硅片底層脫離。
59.如權(quán)利要求52所述的加速器，其中所述第二電極電連接到來(lái)自所述電容間隙的消耗場(chǎng)電力線。
60.一種方法，包括步驟在加速器的第一、第二和第三電極之間建立電場(chǎng)，所述第二和第三電極與所述第一電極電容性相對(duì)設(shè)置，所述第一、第二和第三電極以機(jī)械方式支撐于所述加速器的活動(dòng)和固定部分上，所述第二和第三電極相互機(jī)械連接并基本共平面；使所述活動(dòng)部分相對(duì)所述固定部分沿垂直于基本包含所述第二和第三電極的平面方向運(yùn)動(dòng)，以響應(yīng)加速度，并且當(dāng)所述加速度停止時(shí)，允許彈性聯(lián)結(jié)器將所述電極回復(fù)到平衡位置，當(dāng)所述電極處于平衡位置時(shí)，所述第二電極與所述第一電極的大部分表面區(qū)域相對(duì)；以及測(cè)量第一和第三電極之間的電容，并將測(cè)得的電容轉(zhuǎn)換成加速度表示。
61.如權(quán)利要求60所述的方法，其中所述固定和活動(dòng)部分從硅片上蝕刻制成。
62.如權(quán)利要求61所述的方法，其中所述第一和第二電極由硅蝕刻制成。
63.如權(quán)利要求61所述的方法，其中所述第三電極形成為與所述活動(dòng)部分的硅結(jié)構(gòu)機(jī)械連接并電絕緣的導(dǎo)電材料層。
64.如權(quán)利要求63所述的方法，其中所述第一和第三電極彼此相對(duì)設(shè)置，從而活動(dòng)部分沿一個(gè)方向從所述平衡位置移開(kāi)的運(yùn)動(dòng)使所述第一和第三電極之間的電容增加，并且從所述平衡位置沿相反方向的運(yùn)動(dòng)使所述第一和第三電極之間的電容減小。
65.如權(quán)利要求60所述的方法，還包括步驟測(cè)量至少兩對(duì)電極之間的差動(dòng)電容，以及將測(cè)得的差動(dòng)電容轉(zhuǎn)換成加速度表示。
66.如權(quán)利要求60所述的方法，其中所述活動(dòng)部分塊集中于所述彈性聯(lián)結(jié)器一側(cè)。
全文摘要
一種加速器，包括蝕刻硅片形成固定部分(400)，活動(dòng)部分(300)，和兩者間彈性聯(lián)結(jié)器(120)，固定和活動(dòng)部分一般設(shè)置在硅片平面內(nèi)，活動(dòng)部分塊集中在彈性聯(lián)結(jié)器一側(cè)。硅結(jié)構(gòu)固定和活動(dòng)部分中一個(gè)包括第一電極。固定和活動(dòng)部分中另一部分包括方向平行于加速度軸線的第二電極，作為第三電極電連接的導(dǎo)電層，其與第二電極共平面并機(jī)械連接。第二和第三電極與第一電極電容性相對(duì)設(shè)置，當(dāng)活動(dòng)部分沿加速度軸線方向相對(duì)于固定部分移動(dòng)時(shí)，第一電極和第三電極之間電容增加，當(dāng)活動(dòng)部分沿相反方向移動(dòng)時(shí)，電容減少。彈性聯(lián)結(jié)器保持第一和第三電極跨過(guò)電容間隙彼此電容性相對(duì)，同時(shí)使第一電極相對(duì)第二和第三電極運(yùn)動(dòng)，響應(yīng)垂直于硅片平面的沿加速度軸線方向的加速度，并且當(dāng)該加速度停止時(shí)，使第一電極彈性回復(fù)到平衡位置。當(dāng)電極處于平衡位置時(shí)，第二電極與所述第一電極的大部分表面區(qū)域相對(duì)。通過(guò)獲得沿軸線方向加速度測(cè)量值測(cè)定第一和第三電極間的電容。
文檔編號(hào)G01P15/125GK1602428SQ02824702
公開(kāi)日2005年3月30日 申請(qǐng)日期2002年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月19日
發(fā)明者斯科特·G·亞當(dāng)斯, 斯科特·A·米勒, 溫迪·約·H·約翰遜 申請(qǐng)人:基翁尼克公司