专利名称：加速度计的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种加速度计，具体涉及一种相对小尺寸和低成本的微机电系统（MEMS）加速度计。
背景技术：
MEMS 加速度计被广泛使用，例如在汽车和其他应用中。MEMS 加速度计的一个应用领域是全球定位应用，用于在卫星通信链路暂时中断的短时间间隔内提供指示所用车辆运动的备份信息。然而，应理解，这只是可以使用 MEMS 加速度计的一种可能应用，本发明在这方面不受限制。描述了一种适用于此类应用的 MEMS 加速度计。加速度计包括板状的检测质量，其被环形支撑件包围。支撑件和检测质量通常共面，并且检测质量通过一系列安装腿连接到支撑件，这些安装腿与质量和支撑件一体形成。每个腿沿通常垂直于加速度计对加速度敏感的方向延伸。在使用中，加速度计安装在要监测其运动的物体上，加速度计的安装方式使得支撑件刚性地固定到物体上，加速度计的正确定向使得每个安装支腿延伸的方向大致垂直于检测方向。如果物体在检测方向上加速，则应理解，检测质量的惯性将导致检测质量相对于支撑件移动，安装支腿弯曲并施加恢复力，将检测质量推回到其静止位置。为了允许检测检测质量和支撑件之间的相对运动并从而允许产生指示加速度的电输出，检测质量配备有几组电容器指状物，每组电容器指状物大致平行于安装支腿延伸。类似地，支撑件配备有几组电容器指状物，每组的指状物与与检测质量相关联的相应电容器指状物组相互交叉。检测质量相对于支撑构件的移动导致相邻的交叉指状指状物的相对移动。通过进行适当的电容测量，可以确定检测质量相对于支撑构件的位置或移动。由于在使用中检测质量相对于支撑构件的移动是由安装加速度计的物体所经历的加速度引起的，因此可以理解，运动输出也指示所经历的加速度。其他类似的布置例如在和中进行了描述。在这种类型的设备中，需要与支撑构件上提供的各组电容器指状物建立驱动电连接。因此，当加速度计包括与支撑构件相关联的四组电容器指状物时，除了所需的接地和输出连接之外，还需要建立四个这样的连接。提供这样的连接会占用空间，从而导致加速度计相对较大，并且还需要提供这样的连接，这会带来成本影响和额外的制造复杂性。
发明内容
本发明的目的是提供一种加速度计，其中至少一些与已知装置相关的缺点被克服或者影响被减小。
希望提供一种加速度计装置，其对两个或更多个垂直方向上的加速度敏感，本发明的另一个目的是提供一种适用于这种装置的加速度计。根据本发明，提供了一种加速度计，包括：支架；第一质量元件和第二质量元件，它们刚性地互连以形成整体可移动的检测质量，支架至少部分地布置在第一质量元件和第二质量元件之间；多个安装支腿，用于支撑质量元件以使其相对于支架移动；至少两组可移动电容器指状物布置在第一质量元件上，与与支架相关联的相应固定电容器指状物组相互交叉；以及至少两组可移动电容器指状物布置在第二质量元件上，与与支架相关联的相应固定电容器指状物组相互交叉。这种装置的优点是加速度计具有相对紧凑、节省空间的形式。有利的是，可以提供单个共享电连接以允许连接与支架相关联的两组固定电容器指状物。同样，可以提供单个电连接，以允许连接到与支撑相关的其他两组固定电容器指状物组。因此，可以通过减少所需的连接总数来简化制造。因此可以实现成本节约，还可以实现进一步的空间节约。希望加速度计能够承受非常大的加速度而不会受到损坏。为了帮助提供此功能，加速度计优选地设有止动结构，该止动结构可操作以限制质量元件可以移动的距离。有利的是，止动结构被布置成将这种移动限制到足以防止相邻电容器指状物之间接触的程度。为了在暴露于如此大的加速度后将加速度计的操作中断最小化，优选地在与第一质量元件和第二质量元件处于相同电势的支撑部分上提供止动结构。因此，避免了在如此大的加速度的情况下发生电接地。质量元件和支撑件有利地通过蚀刻硅晶片构造，硅晶片在使用时支撑在一对基板之间，例如以玻璃板的形式。质量元件和支撑件之间的空间有利地密封并充满气体，从而提供质量运动的阻尼。本发明还涉及一种双轴加速度计装置，其包括一对上述类型的加速度计，该对加速度计彼此一体形成并且彼此垂直定向。由于加速度计的尺寸相对较小并且所需的电连接数量相对较小，因此将两个这样的加速度计包括在一个装置中以提供双轴加速度计是有利的。
本发明将通过示例并参考附图进一步描述，其中：图1是根据本发明的实施例的加速度计的示意图；图2是示出包括一对图1所示类型的加速度计的加速度计装置的透视图；图3和图4是穿过图2的装置的部分的横截面图；图5是示出图2的装置的平面图；图6是示出图2的装置的一部分的放大视图；并且图7至图9是示出对图1至图6的装置的修改的视图。
首先参见图 1，图中示出了加速度计 10，其包括支架 12，通过一系列安装支腿 16 将质量块 14 可移动地安装到支架 12 上。质量块 14、支腿 16 和支架 12 彼此一体形成并且基本共面，例如通过对硅晶片进行适当的蚀刻或其他处理而构造。质量块 14 由通过一对安装支腿 16 连接到支架 12 的第一质量元件 18 和通过另一对安装支腿 16 连接到支架 12 的第二质量元件 20 构成。横向支柱 22 将第一质量元件 18 和第二质量元件 20 相互连接，以确保它们在使用时一起且均匀地移动，从而起到单个质量块的作用。安装腿 16 全部彼此平行，并且基本垂直于检测方向（图 1 中箭头 A 所示）延伸加速度计，在使用中，检测质量块 14 可相对于支架 12 移动。安装腿 16 向检测质量块 14 施加偏置负载，从而将检测质量块 14 推向中心静止位置。在使用中，如果加速度计 10 受到感测方向 A 上的加速度，则检测质量块 14 的惯性将导致检测质量块 14 相对于支架 12 移动，这种移动由安装腿 16 的弯曲适应，并克服由安装腿 16 的弹性施加的恢复负载的作用，将检测质量块 14 推回到其中心位置。
质量块 14 移动的距离与加速度计受到的加速度的大小有关。如图所示，第一质量元件 18 和第二质量元件 20 彼此间隔开，支架 12 延伸到第一质量元件 18 和第二质量元件 20 之间的空间中。支撑件 22 也延伸穿过该空间，支架 12 的形状包括不连续性，支撑件 22 延伸穿过该不连续性，使得质量块 14 可以相对于支架 12 自由移动。因此，支架 12 的形式为上部支架部分 12a 和下部支架部分 12b，它们由上述不连续性隔开。如图 6 所示，第一质量元件 18 承载可移动电容器指状物的上部组 24 和下部组 26，每个指状物大致平行于安装支腿 16 延伸，因此大致垂直于质量块 14 可以移动的方向 A。术语“可移动”用于表示指状物相对于支撑件 12 可移动，这是由于指状物设置在本身可相对于支撑件 12 移动的检测质量块上，而不考虑各个指状物相对于检测质量块 14 可移动。支撑件 12 具有与其相关联的第一对上部和下部组 28 和 30 固定电容器指状物。上部组 28 的指状物与上部组 24 的指状物交叉，下部组 30 的指状物与下部组 26 的指状物交叉。类似地，第二质量元件 20 具有上部和下部组 32 和 34 可移动电容器指状物，这些上部和下部组 32 和 34 的可移动电容器指状物与与支撑件 12 相关联的第二对上部和下部组 36 和 38 的固定电容器指状物交叉。
第一上部组28和第二上部组36与支架12的上部12a相关联，而第一下部组30和第二下部组38与支架12的下部12b相关联。如图6最清楚地所示，每对交错组的指状物并非等距分布。在每种情况下，与支架12相关联的每个组28、30、36、38的固定指状物被布置成：当检测质量14处于其中心静止位置时，它更靠近最靠近支撑杆22的相邻可移动指状物，而不是更远离支撑杆22的相邻可移动指状物。但是，也可以采用倒置布置。如上所述，支架12、检测质量14和安装支腿16彼此一体形成。如图6最佳所示。 2、3 和 4，形成这些部件的硅晶片有利地夹在一对玻璃或其他合适材料基板 40、42 之间，基板适当凹陷，以使支架 12 靠在基板 40、42 上，以便从其获得支撑，而安装腿 16 和检测质量 14 与其间隔一小段距离，以确保在加速度计 10 受到该方向的加速度时，检测质量 14 可以自由地沿检测方向 A 移动。基板 40、42、检测质量 14 和支架 12 之间的空间填充有阻尼介质，有利地是气态阻尼介质，例如空气，优选基本为大气压。因此，加速度计的操作将受到压缩阻尼。
通过适当选择指状物之间的间隙、指状物的长度等，如果需要，可以实现临界阻尼，这在加速度计用于开环配置的情况下是理想的。安装腿 16 的根部，即它们连接到支架 12 的点，靠近支架 12 的轴线，因此连接到上部 12a 的安装腿 16 的根部彼此靠近，并且连接到下部 12b 的安装腿 16 的根部彼此靠近。因此，由基板 40、42 的不同热膨胀以及形成支架 12、检测质量 14 和安装腿 16 的晶片的材料产生的应力被最小化。这很重要，因为检测质量 14 的谐振频率部分取决于安装腿 16 的应力分布。图 2、3 和 4 还示出了每个组的电容器指状物可以电连接或连接的适当位置。如图所示，支架 12 上设有两个电连接 44、46。可以使用各种已知技术构造连接或通信部分。一种有利的技术涉及通过基板 40 喷粉并喷入支架 12 的材料中以形成例如大致截头圆锥形的凹槽，然后将其表面金属化以提供与支架 12 的相关部分的良好电连接。连接器 44 设置在上部 12a 上并提供与第一和第二上部保持指状物组 28、36 的电连接，并且连接器 46 设置在下部 12b 上并提供与第一和第二下部保持指状物组 30、38 的电连接。
应当理解，由于第一和第二上部固定指状物组 28、36 从支撑件 12 的上部 12a 的相对侧延伸，因此对两个组使用单个共享连接是有利的，并且对两个下部固定指状物组使用单个共享连接同样有利。与上述类型的典型差分电容加速度计装置相比，应当理解，本发明的装置允许减少要实现的连接数量。因此，可以实现显著的空间节省和尺寸减小，并且可以显著简化制造过程。除了连接 44、46 之外，加速度计还设有连接 48，由此可以将驱动信号施加到与检测质量 14 相关联的可移动指状物组，并且还提供接地连接 50。这些连接可以具有与上述类似的形式。在使用中，如果加速度计 10 受到方向 A 上的加速度，导致质量块 14 相对于支撑 12 向上移动（图 1 所示的方向），这将导致上组 24、28、32、36 中最近的指状物之间的间距减小，而下组 26、30、34、38 中最近的指状物之间的间距将增加相当的量。可以理解，指状物间距的变化也会导致它们之间的电容发生变化，并且可以通过适当监测差分电容来实现指示质量块 14 相对于支撑 12 的位置的输出。由于质量块 14 所占据的位置与所施加加速度的大小有关，因此可以理解，通过监测电容，可以输出指示所施加加速度的大小的输出。
监测电容的方式有利地与所述基本相同，即，优选地将方波驱动电压施加到连接件 44，从而施加到与支撑件 12 相关联的第一上部组 28 和第二上部组 36 的固定指状物，同时将类似但反向的方波驱动信号施加到连接件 46，从而施加到第一和第二下部组 30、38 的固定指状物。通过适当地监测和处理经由连接件 48 安装在检测质量 14 上的可移动指状物组的信号，可以获得指示所施加加速度的输出。可以使用开环型配置或以闭环方式获得输出。由于监测电容的方式与所述已知技术基本一致，因此这里不再详细描述。应当注意，监测差分电容的方式不必如上所述。例如，不是将反相输入施加到连接 44、46 并使用连接 48 提供输出，而是可以将输入信号施加到连接 48 并监控连接 44、46 处的差分输出以得出输出信号。此外，尽管提到了方波信号的使用，但本发明并不限于此。如图 2 和图 5 所示贝语网校，加速度计 10 有利地形成更大的加速度计装置 52 的一部分，该装置由两个加速度计 10 组成，这两个加速度计 10 彼此相邻布置并且它们的检测方向 A 彼此垂直。如果需要，基板 40、42 可以为两个加速度计 10 所共用。这种形式的加速度计装置 52 允许监控两个垂直方向或轴上的加速度。由于每个单独的加速度计 10 具有相对紧凑的形式，并且只需要进行较少数量的电连接，因此加速度计装置 52 也可以具有相对紧凑和简单的形式。加速度计 10 和装置 52 可以采用多种形式。可以设想，装置 52 可以具有大约
2.1mmX4.2mm。在这种布置中，形成支架12、安装腿16和检测质量14的硅晶片有利地具有大约150μm的厚度，安装腿16可以具有大约7-8μm的宽度，因此具有20:1范围内的纵横比，指状物具有大约0.7mm的长度和大约6μm的宽度，指状物间距为9-15μm，并且每组指状物包括18个指状物。在这种布置中，柱状物22可以具有大约0.85mm的长度和50μm的宽度。然而，应当理解，这些尺寸仅仅是示例，并且各种其他布置也是可能的。希望加速度计10能够承受显著的加速度而不会受到损坏。在上述布置中，检测方向 A 上的非常大的加速度可能导致第一质量元件 18 和第二质量元件 20 中的每个的端部抵靠在支架 12 的相邻部分上。这种接触可能发生在相邻的交叉指状物之间接触之前，因此损坏指状物或指状物之间发生粘连的风险较低。然而，检验质量 14 与支架 12 的部分之间的接合可能导致它们之间的电传导，暂时将检验质量 14 短路到地，从而导致暂时的输出损失或输出精度降低。虽然在某些应用中，这种短暂的、暂时的短路可能不是问题，但在某些情况下，可能希望避免这种短路。
图7至图9示出了上述装置的改进，其中可以避免这种短路。如图7至图9所示，支架12设有固定止动件54，该止动件54延伸至安装腿16附近但与安装腿16间隔开，并且不可移动地固定至基板40、42。止动件54电连接至检测质量块14的各个组成部分，因此始终处于与这些组成部分基本相同的电位，并且在其自由端处形成为包括邻接部分56，该邻接部分56被布置成在检测质量块14移动到预定极限位置的情况下邻接或接合第一质量元件16和第二质量元件18的端部，从而防止检测质量块14进一步移动。由于止动件54保持在与检测质量块14相同的电位，因此可以理解，这种接触不会导致检测质量块14对地短路。在指状物不相互接触的情况下，指状物可以如图 7 所示设置小叉 58，这些叉以这样的方式对齐，即接触将发生在相邻指状物的叉 58 之间，而不是基本上覆盖其整个表面，从而进一步降低粘滞风险。图 7、8 和 9 清楚地显示了形成支架 12、安装腿 16 和检测质量 14 的硅晶片的哪些部分阳极键合到基板 40、42；以及哪些部分与基板间隔一小段距离（该距离通过在基板 40、42 中形成浅凹槽而产生），因此可以相对于基板自由移动。
具体而言，图7示出了支架12和止动件54粘合到底层基板40，而除了每个安装腿16的实际端部之外，检测质量块14和安装腿16相对于基板自由移动，离相关检测质量块元件最远的部分除外。图7还示出了通过蚀刻掉晶片相关部分的整个厚度来中断支架12，使得上部和下部固定指状物组彼此电隔离。虽然这些特征在图7至图9中最清楚地示出，但可以认识到，图1至图6的布置在这方面非常相似。虽然本文已经描述了本发明的具体实施例，但可以认识到，可以对所述和所示的布置进行各种修改和改变，而不会偏离本发明的范围。
索赔
1.一种加速度计，包括：支架；第一质量元件和第二质量元件，所述第一质量元件和第二质量元件刚性地互连以形成整体可移动的检测质量，所述支架至少部分地设置在第一质量元件和第二质量元件之间；多个安装腿，所述安装腿支撑第一质量元件和第二质量元件以相对于支架移动；至少两组可移动电容器指状物，设置在第一质量元件上并与与支架相关联的相应固定电容器指状物组相互交叉；以及至少两组可移动电容器指状物，设置在第二质量元件上并与与支架相关联的相应固定电容器指状物组相互交叉。
2.根据权利要求1所述的加速度计，其中存在单个共享电连接加速度计，允许连接到与支架相关的两组固定电容器指状件。
3.根据权利要求2所述的加速度计，其中存在单个电连接，允许连接到与支架相关的另外两组固定电容器指状件。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的加速度计，还包括可操作以限制所述质量块元件能够移动的距离的止动结构。
5.根据权利要求4所述的加速度计，其中，所述止动结构被布置为将所述运动限制到足以防止相邻的电容器指状物之间接触的程度。
6.根据权利要求4或权利要求5所述的加速度计，其中所述止动结构设置在与第一和第二质量元件具有相同电势的支架的一部分上。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的加速度计，其中，第一质量元件和第二质量元件通过支撑杆相互连接。
8.根据权利要求7所述的加速度计，其中支撑杆延伸在第一和第二质量块元件中的每一个与支架的指状件组之间。
9.根据前述权利要求中任一项所述的加速度计，其中，所述第一质量块元件、所述第二质量块元件以及所述支撑件通过蚀刻硅晶片构造而成，所述硅晶片在使用时被支撑在一对基板之间。
10.根据权利要求9所述的加速度计，其中第一和第二质量块元件与支撑件之间的空间被密封并且填充有气体以对质量块的运动提供阻尼。
11.一种加速度计，其基本如上文参照任意一个附图所述。
12.一种双轴加速度计装置，包括一对如前述权利要求中的任一项所述的加速度计，所述一对加速度计彼此一体形成并且彼此垂直取向。
全文摘要
一种加速度计包括支架；第一质量元件和第二质量元件，所述质量元件刚性地互连以形成整体可移动的检测质量，所述支架至少部分地设置在第一质量元件和第二质量元件之间；多个安装腿，将质量元件固定到支撑构件；设置在第一质量元件上的至少两组可移动电容器指状物，与与支架相关联的相应组固定电容器指状物相互交叉；以及设置在第二质量元件上的至少两组可移动电容器指状物，与与支架相关联的相应组固定电容器指状物相互交叉。
文件编号/
公开日期 2013 年 8 月 7 日 申请日期 2011 年 12 月 2 日 优先权日期 2010 年 12 月 7 日
发明人：A. 申请人： Ltd.