專利名稱：具有共面的推拉式力變換器的加速度計的制作方法
技術領域：
本發明涉及加速度計，具體地說，涉及一種其中的一對力變換器取推拉式結構的加速度計。
振動桿式的力變換器通常用作為加速度計與其它儀表中的力-頻變換器。在一種已知的裝置中，這類變換器是以推拉配合對的形式使用，于此配合對內，一定的加速度在一個變換器上造成一壓力，而在另一變換器上造成一張力。這樣的工作方式對于許多種共態誤差，即使得此類變換器的頻率在同一方向上偏移相同量的誤差，能提供高度的補償，這是由于此種偏移免除了在處理這種變換器輸出時通常所用的計算。上述這類誤差包括振動整流誤差、溫度變化引起的誤差、絕大多數老化誤差以及因鐘脈沖頻中漂移導致的測量誤差。為使這樣一種加速度計的性能最優化，重要的是讓此種力變換器具有幾乎一致的共態響應。
近年來，業已發展了多種從硅晶體制造加速度計的技術，其中所用的顯微機加工方法與形成集成電路中所用的類似。在硅晶體中用顯微機加工方法制造加速度計時，用來構成推拉式加速度計的最簡捷方式可能是，從硅片的上表面形成一個力變換器，而從此硅片的下表面形成另一個力變換器，并以一校驗塊的鉸接軸設置于這兩個變換器之間的某處。在這樣的布置下，該校驗塊圍繞鉸接軸的轉動就將使一個變換器處于壓力狀態而另一個處于張力狀態下。此方法的問題在于這兩個變換器是由硅晶體的不同物理層所形成，因而這兩個變換器一般不具有良好匹配的共態響應。
上述這類問題對于振動桿式變換器之外的變換器，包括表面聲波變換器、金屬應變計以及壓敏電阻應變計與壓電應變計等都屬典型的問題。在某些情形下，以上這些在振動桿式變換器之外的變換器類型會帶來另一些共態問題，例如在壓電應變計中的壓電效應。
本發明提供了一種推拉式的加速度計，其中的兩個力變換器處于同一平面內。這樣，當把本發明以一種硅的顯微機加工的器件來實施時，這兩個力變換器能從一個單一層加工成由此而生產出一對具有密切配合的共態響應的變換器。本發明最好以一種擺式加速度計來實現，它包括有這樣的裝置，用來安裝這種校驗塊，使之響應于沿著一量測軸的加速度而繞一鉸接軸轉動。該鉸接軸垂直于量測軸，并與含有力變換器的公共面相平行但分開。
在本發明的附圖中
圖1是本發明之加速度計第一最佳實施例的示意性透視圖;
圖2是沿圖1中2-2線截取的橫剖面圖;
圖3是本發明第二最佳實施例的示意性透性圖;
圖4是本發明第三最佳實施例的示意性透視圖。
圖1與2示明本發明之加速度計的第一最佳實施例。加速度計10最好由硅的一個單片12形成，此硅片包括一上表面14與一下表面16。此硅片經蝕刻而形成出由一對彎曲件22與24接連于支架24上的校驗塊18，如下面所述，這些彎曲件是形成在下表面16的層26之中。此種彎曲件可使校驗塊相對于圍繞通過彎曲件中央的鉸接軸HA的上述支架而旋轉，同時此鉸接軸是處于層26之中。這樣，此加速度計便具有一個垂直于鉸接軸且通過標準塊20質量中心28的擺軸PA。該加速度計則沿著垂直于鉸接軸與擺軸的量測軸SA來測量加速度。
圖1與2所示的加速度計包括有連接在上述標準塊與支架之間的力變換器30與32。這兩個力變換器形成在硅片12的上表面14處的層34之中。此種力變換器圖示成一種雙端音叉振動桿型，其中的一對桿可在這些桿的平面中震蕩，且相互導相180°。對各個變換器來說，這一對桿平行于一界定此變換器量測方向之縱的變換器軸(LA)。對各個變換器來說，沿著其縱軸的張力將增大諧振頻率，而沿著此縱軸的壓力將減小諧振頻率。
力變換器30與32近似地平行于擺軸PA。變換器30從它與校驗塊的連接點起，在沿著擺軸的一個方向內延伸至其與支架的連接點，而力變換器32則從它與校驗塊的連接點起，在沿此擺軸的一個與上述相反的方向內延伸至其與支架的連接點。這一布置構成了推拉作業，其中對于沿量測軸SA的一給定的加速度方向，一個力變換器受到張力的影響，而另一個力變頻器則受到壓力的影響。可以看出，圖1中的裝置方式，由于各個力變換器是依同一方向對校驗塊施力，故不會在校驗塊上造成不希望有的力矩。
圖1與2所示的加速度計，可以采用周知的硅的顯微機加工技術，由多種方式制成。舉例來說，硅片12可以是一種P型晶片，具有沿100晶面定向的表面。然后可以在上表面14上生長-N型的外延層34，在下表面16上生產一第二個N型外延層26。此種晶片可予蝕刻而構成圖中所示結構，用電化學的蝕刻限制檔來阻止力變換器30與32蝕刻外延層34，并阻止彎曲件22與24蝕刻外延層26，同時卻對大部分硅材料本身進行著深蝕刻。
本發明的第二個最佳實施例圖示于圖3。此實施例包括的硅片50具有上表面52與下表面54，此硅片經過蝕刻而形成了校驗塊56，后者為彎曲件60與62連接到支架58之上。振動桿式的力變換器按推拉式的布置連接于此校驗塊與支架之間。與圖1與2中的實施例相同，力變換器70與72兩者都形成在硅片50的上表面52，以提供改進了的共態配合。
在圖3所示的這一實施例中，支架58包括有臂74與切口部76，而校驗塊56則包括有切口部78。力變換器70與72兩者均沿著此結構的公共中心軸分布，與校驗塊56的擺軸大致上平行。力變換器70延伸及整個切口部76的長度，而力變換器72則延伸到切口部78在校驗塊與臂74之間的一部分長度。這樣，此兩個力變換器便從它們的連接點延伸到防護塊，且以相反的方向沿著擺軸分布，由此而構成一種推拉式布置。
圖3所示的結構具有使兩個力變換器相互之間頗為接近的優點，這便簡化了某些驅動裝置(例如碰力驅動裝置)中的加速度計的設計。作為對比，在一磁力驅動系統中，圖1的實施例便要求形成兩個獨立的磁場，或一個很大的磁場。不過，圖3實施例中兩個力變換器的緊密靠近有時可能成為一個缺點，這是因為此兩個變換器間的機械的、聲的或電磁的耦合有可能產生鎖定現象。與圖1中的布置相反，圖3這種布置方式的另一個缺點是，校驗塊的潛在的阻尼區域為切口部78大致上切成兩半，結果將使此加速度計的壓膜阻尼本領減少遠超過其一半。另一方面，圖1所示的結構則產生了一很大的有效阻尼區，而由于這兩個力變換器之間有大的間隔，可使其間的鎖定現象減至最低限度，但圖1中的布置方式對于橫軸上加速度則有較大的共態敏感度。
本發明的第三個最佳實施例示明于圖4。此實施例包括的硅片100具有上表面102和下表面104，經蝕刻而形成了由彎曲件110與112連接到支架108上的防護塊106。力變換器120與122在校驗塊106與支架108之間延伸。彎曲件110與112呈圓弧形，可使校驗塊能相對于圍繞一鉸接軸HA的前述支架轉動，此鉸接軸則大致位于上表面102與下表面104之間的中途。
力變換器120與122兩者均形成在硅片100的上表面102。力變換器120直接在支架108與校驗塊106之間延伸，跨越過鉸接軸HA。力變換器122也跨越過此鉸接軸，并連接在從校驗塊106伸出之臂130與從支架108伸出之臂132兩者之間。結果是這兩個力變換器從它們與支架的連接點朝著它們與校驗塊106的連接點，依相反的方向延伸，形成一種推拉方式的布置。變換器120與122最好在彎曲件110與112之間取中。這樣一種配置方式，由于兩個變換器聚集于這一中性的結合軸線附近，便減少了對鉸接軸加速度的敏感性。這種設計還能有效地利用空間。靠近彎曲件的校驗塊部分對校驗塊總的慣性矩或對校驗塊的阻尼作用，所增加的影響是很小的。通過力變換器120與122之間的臂130提供了聲與電的絕緣，并使鎖定現象減至最小。變換器120與122間的這種接近的間隔簡化了某些驅動形式，例如磁力驅動形式的設計。
以上描述到的所有實施例都可利用多種形式的力變換器。適用的變換器包括已述的振動桿式的諧振器、壓敏電阻應力計、壓電式變換器(例如氧化錫涂層的)，以及表面聲波變換器等。振動桿變換器可以應用多種的驅動與位置傳感器技術。適用的技術包括磁力的、靜電的、壓電的與壓敏電阻傳感器、光學傳感器的、電阻式熱膨脹驅動以及光學式熱膨脹驅動的。在所有的實施例中，需使變換器的熱膨脹系數與制造校驗塊與支架的材料的熱膨脹系數相匹配，以使變換器的熱應變減至最小，這可以在硅的顯微機加工器件中通過控制摻雜濃度來實現。
雖然本發明的最佳實施例業已闡明與描述過，但它們的各種變更型式對于熟悉本項工藝的人是顯而易見的。本發明的范圍依據后附的權利要求書確定。
權利要求
1.在包括有第一與第二變換器(30、32、70、72、120、122)且具有相應的第一與第二縱軸(LA)的加速度計中，將兩個力變換器連至一公用的校驗塊(18、56、106)上而呈推拉式配置，其中，對于沿一量測軸(SA)的一給定的加速度，一個力變換器受到沿其相應縱軸之壓力的影響，而另一個力變換器則受到沿其相應縱軸之張力的影響，特征在于這兩個力變換器所處的位置使得它們的縱軸位于一垂直于上述量測軸的公共面34上。
2.如權利要求1的裝置，其中所說的加速度計包括有用來裝定上述校驗塊的裝置，使之響應于沿該量測軸的加速度而繞一鉸接軸(HA)轉動，此鉸接軸垂直于該量測軸且與上述公共面相平行但分隔開。
3.如權利要求2的裝置，其中所說的校驗塊包括一處于上述公共面上的表面。
4.如權利要求3的裝置，其中所述的兩縱軸相互平行且近似地平行于一擺軸(PA)，后者垂直于前述鉸接軸與量測軸同時通過此鉸接軸與校驗塊的質量中心(28)。
5.如權利要求4的裝置，其中所述的兩個力變換器沿著鉸接軸相互分開。
6.如權利要求4的裝置，其中所述的兩個力變換器分別處于校驗塊的相對側。
7.如權利要求5的裝置，其中所述用來裝定校驗塊的裝置包括至少兩個彎曲件(110、112)，而那兩個力變換器則位于這些彎曲件之間。
8.如權利要求7的裝置，其中所述的校驗塊包括一從此校驗塊起沿擺動軸按一第一方向伸向一支架的防護塊臂(130)，其中的支架包括一從此支架沿擺軸按一與此第一方向反向的第二方向伸向校驗塊的支架臂(132)，且其中的兩個力變換器中有一個在校驗塊臂與支架臂之間延伸。
9.如權利要求8的裝置，其中所說的校驗塊臂位于這兩個力變換器之間。
10.如權利要求4的裝置，其中所說的兩個力變換器沿著一條公用線定位。
全文摘要
一種推拉式加速度計，其中的兩個力變換器位于一公用面內。這樣，當以一硅的顯微機加工的器件來實現時，這兩個力變換器能從一單一的晶體層(34)加工成，由此而產生出具有密切配合的共態反應的變換器。
文檔編號G01P15/10GK1045297SQ9010106
公開日1990年9月12日 申請日期1990年2月28日 優先權日1989年2月27日
發明者米切爾·J·諾萬克, 布賴恩·L·諾林, 詹姆斯·R·伍德夫 申請人:森德斯特蘭德數據控制公司
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