专利名称：加速器的制作方法
技术领域：
本发明涉及加速器。
背景技术：
加速器是测量加速度、即运动速率变化的设备。当升降机启动或停止时，人体的几个部位可以检测到这种运动变化并将该变化报告给大脑。类似地，已知的加速器利用不同的机械和电子技术来检测运动变化，并将这种变化报告给处理器。加速器用于航海系统、自动座椅安全带、保险气囊触发器以及很多其它应用上。
在公知的制造半导体技术中，单晶硅得到了发展，然后照相和平版印刷技术被用于从这种硅片上蚀刻掉不要的部分，并将掺杂原子引入硅片中以改变硅片的电学特性。在这种硅片上镀其它材料的技术也是公知的，例如，可将金属镀在这种硅片上，以用作电路不同部分之间的导线。底层硅片用作结构基础为金属提供机械支撑，而这种金属则提供导电性。
发明内容
一般地，在一个方面，本发明特征在于一种加速器，该加速器包括固定结构、活动结构，以及弹性联结器，所述固定和活动结构基本位于一个平面内。所述固定结构具有固定电极，所述活动结构具有活动电极。设计所述弹性联结器用来保持跨过电容间隙所述固定和活动结构互相电容性相对，同时允许所述活动电极相对所述固定电极运动，以响应沿垂直于所述平面的加速度轴线方向的加速度，并且当该加速度停止时，使所述两个电极弹性回复到平衡位置。设计电子器件和/或软件用来将所述固定和活动电极之间的电容测量值转换为沿所述轴线的加速度测量值。
一般地，在第二方面，本发明特征在于一种加速器，该加速器包括固定部分、活动部分，以及弹性联结器，所述固定和活动部分一般设置在一个平面内。设计所述弹性联结器用来使所述活动部分相对所述固定部分运动，以响应沿垂直于所述平面的加速度轴线方向的加速度，并且当该加速度停止时，使所述两个部分弹性回复到平衡位置。所述硅结构的固定和活动部分中的一个部分电连接作为第一电极，所述固定和活动部分中的另一个部分具有电连接的作为第二电极的导电层，所述第一和第二电极以相互电容相对方式设置。设计电子器件和/或软件用来将所述第一和第二电极之间的电容的测量值转换为沿所述轴线的加速度测量值。
一般地，在第三方面，本发明特征在于一种加速器。蚀刻硅片形成固定部分，活动部分，以及位于两者之间的弹性联结器，所述固定部分和活动部分一般位于一个平面内，设计所述弹性联接器用来允许所述活动部分相对所述固定部分垂直于所述硅片运动，以响应与所述硅片垂直的加速度，并且当该加速度停止时，使所述两个部分弹性回复到平衡位置，所述活动部分块集中在所述弹性联结器的一侧。所述固定和活动部分各具有电极，所述电极电容性相对地设置。设计电子器件和/或软件，用来将所述第一和第二电极之间的电容测量值转换为垂直硅片的加速度测量值。
一般地，在第四个方面，本发明特征在于一种加速器。该加速器中，第一电极方向与加速度轴线平行，第二电极方向与加速度轴线平行，第三电极与所述第二电极位共平面。所述第二和第三电极与所述第一电极电容性相对地设置。设计弹性联结器使所述第一电极相对所述第二和第三电极沿加速度轴线运动用来响应加速度，并且当该加速度停止时，使所述第一电极弹性回复到平衡位置。当电极处于平衡位置时，所述第二电极与所述第一电极的大部分表面区域相对。设计电子器件和/或软件用来将所述第一和第三电极之间的电容测量值转换为沿所述轴线的加速度的测量值。
本发明的实施方式可以包括以下一个或更多特征。所述固定结构、活动结构和弹性联结器可以通过主要蚀刻硅片一体制成。所述固定结构和活动结构至少主要是由大宽高比的横梁形成。所述第三电极连接到地电位。所述的第一电极制成一个大宽高比的横梁，该横梁的较大的截面尺寸方向平行于所述加速度轴线。各种结构的活动和固定结构通过在硅片内形成的绝缘接头相互绝缘。硅片上蚀刻出的各种结构可以从硅片层的下层基片脱离。电子器件和/或软件可以测量至少两对电极之间的差动电容，并将测得的差动电容转换成加速度表示。当所述活动结构从所述平衡位置移开时，所述固定和移动电极之间的电容处于最大值。所述弹性联结器是扭转部。所述固定和活动电极可以设置在第一和第二区域，从而(a)活动结构方向的运动引起所述第一区域内中电极之间增加的电容和所述第二区域中减小的电容；并且(b)活动结构相反方向的运动引起所述第一区域中电极之间减小的电容和所述第二区域中的增加的电容。所述加速度的轴线可以垂直于所述硅片。所述金属电极可以形成镀在所述活动部分硅上的层。所述活动部分可以包括止挡部，设计该止档部用来与接合所述固定部分的底面以限制过度运动。当所述电极处于平衡位置时，所述第二硅电极可以与所述第一硅电极的大部分表面区域相对。
上述优点和特征仅仅是具有代表性的实施方式。应该理解它们不应该考虑如权利要求书所述对本发明的限制。在下面的说明中，通过附图，通过权利要求，本发明的其它的特征和优点将变得明白。
图1a为一个局部切除的加速器的透视图；图1b、1c、1d、1e、1f和1g为一个加速器的端视图；图2为一个加速器的平面图；图3和4为一个加速器的细部结构的平面图；图5a为一个加速器的平面图；图5b和5c为图5a的细部结构；图6a、6b、6c、6d、6e、6f和6g是一个加速器的制造步骤示意图；图7为一个加速器的平面图。
具体实施例方式
I概论如图1a-1g所示，加速器100可以是在诸如一块硅片上进行蚀刻而成的一个固体状态的结构。加速器100可以包括活动部分300和固定部分400，每个部分都包括多个电极112、114、116、118、122和128，这些电极一般形成为大宽高比的横梁或者电容器板。每个电极均位于与硅片垂直并与硅片的z轴130平行的平面内，沿硅片z轴130测量加速度。固定部分400的电极112、114、122可以相互插接在活动部分300的电极116、118、128之间，其间具有电容间隙142、148。弹性安装架120使活动部分300相对固定400部分保持在平衡静止位置，如图1d和1e所示，并允许活动部分300沿z轴130相对固定部分400运动以响应加速度，如图1a、1b、1c、1f和1g所示。当活动电极116、118、128相对固定电极112、114、122移动时，一些相对的电极对相互到达更直接的相对位置(也即，当活动电极116的表面区域开始与固定电极112、122更直接相对时，活动电极118、128开始与固定电极114更直接相对)，电容增加。其它相对的电极对彼此不再相对，这些电极对之间的电容因而减小。可以测量电容的这些变化，从而测出活动部分300相对固定部分400的位移，并进而整体上测出作用在加速器100上的加速度。
至少一些电容器的管脚可以分成两个单独的导体，例如112、122和118、128，绝缘层132、138用来将单个管脚的两个导体分开。例如，电极112、114、116，118可以在硅片层(通常是掺杂的以提高导电性)中制成，电极122、128可以在置于所述硅片结构元件上部的金属层中制成。当加速器处于平衡状态时，可以在彼此不直接相对的电极对122、116和114、128之间测量电容142、148。可以在不同材料的电极之间进行测量电容142、148，例如可在金属电极122、128和硅电极114、116之间测量电容。一些电极112、118可以接地152、158，或者以其它方式与消耗场电力线154、156连接，以减小电极114、116、122、128之间的总电容142、148。
对于第一位近似值，由于电极周围的边缘场形状，当金属电极122、128最中心接近相对的硅电极114、116的表面时，金属电极122、128和与它们相对的硅电极114、116之间的电容142、148处于最大值(由于在接地电极112、118中终止的场力线，实际上最大电容在金属电极122、128稍微处于相对的硅电极114、116的中间点以下时就实现了)。因此，电极116和122之间的电容142随活动部分300在固定部分400内上移(所描述的运动从图1d向图1b移动)而增加，电极114和128之间的电容148随金属电极128从电极114之间移出(所描述的运动从图1e向图1c移动)而减小。类似地，电极116和122之间的电容142随活动部分300带着硅电极116在电极122之间向下移动(所描述的运动从图1d向图1f移动)而下降，而电极114和128之间的电容148(所描述的运动从图1e向图1g移动)增加。
电子器件可以测量差动电容。例如，由于电极114对128间的电容148和电极116对122间的电容142随运动沿相反方向变化，电子器件(在下文第II.E部分讨论)可以测量到电极114对128间的电容148小于电极116对122间的电容。该差别通常将反映活动部分300的偏转程度。根据这种差别，电子器件可以测定作用在加速器100上加速度的量值。
绝缘接头160使图1a(以及图1b、1d和1f)左半边上的电极116与图1a(以及图1c、1e和1g)右半边上的电极118、128电绝缘。
弹性安装架120可以是一个扭转部，或者是一个以扭转作用工作的横梁，使活动部件300通过扭力运动(箭头162)来运动。弹性安装架120的各个部分也可以作为导体以驱动电极112、114、116、118、122、128。
II、结构A.主要结构元件参考图2，加速器100可以包括中构架204、可活动的外框架210，安装在中架构204和外框架210上的电极112、114、116和118，以及扭转部120。中架构204和固定电极112、114可以锚固到硅片上形成固定部分400。
弹性扭转部120可以在锚点206锚固到硅片上，并可以其它方式从硅片底部上松开(通过钻蚀，如下文结合图6c和6g所作的描述)。外框架210上可以携带有活动电极116和118以形成活动部分300。外框架210和活动电极116、118都从硅片底部松开，因此在活动部分300的最右端212运动倾向最大。中架构204、外框架210和扭转部120都能可以由桁架结构的硅元件形成。扭转部120的壁可以比中架构204或外框架210的壁薄以增加扭转部120的弹性。
锚点206可以相对较小，以提供应变消除，或者在制造处理或温度变化引起卷曲或弯曲时，使活动部分300和固定部分400以普通变形模式一起卷曲。在其它实施方式中，锚点206可以沿扭转部120边缘延伸更远，以提供活动部分300绕z轴130的旋转稳定性(图1a)。扭转部120首先可以顺应扭转，允许活动部分300绕轴X旋转。转角通�？梢孕∮�0.04度；因此，活动部分300可以主要地沿z轴130运动并与距扭转部120的距离成比例。活动部分300在与硅片垂直的z轴方向上相对固定部分400的最大偏转可以是数十到数百纳米的数量级。通过在活动部分和固定部分400中设计适当的加强桁架结构，偏离轴线的运动(在硅片平面内)可以被限定在一个更小的数量级。
加速器的总尺寸可以在大约1mm×1.5mm之间，活动结构的质量可以是大约10-8kg。活动部分300绕扭转部120的惯性力矩可以在大约5至6×10-8kgm2。
活动部分300在固定部分400内部沿Z轴130方向运动的共振频率可以在大约1.3到1.4千赫，对于感测1到10g范围内加速度来说，该频率最好是大约1千赫。对于更高g的加速器或者更高的频率响应来说，则一般优选更高的共振频率并且可以通过较刚性的扭转部120调节该共振频率。活动部分300可以以其它振动模式相对固定部分400运动，例如，绕Z轴130旋转，或者绕Y轴左右旋转(例如，图1a的左半部向上旋转而右半部向下旋转)。在一个理想的加速器中，活动部分300仅仅在Z轴方向上移动，对Z轴方向上的共振产生有限共振频率，并阻止其它方向上的运动，对所有其它振动模式产生无限共振频率。这样，对于这些偏离轴线的运动，通常优选更高的共振频率，并且在实际设备中可以达到共5到10千赫之间的共振频率。对于给定值的沿Z轴130的加速度，固定部分400的偏转量大约可以是活动部分300的偏转量的1/29。通常，对于其它工程技术限制所允许的程度，较小的偏转率要优于较大的偏转率。
再次参考图1a，通常这种硅结构可以在20至40微米高(尺寸240)。这种硅元件通�？梢允�2微米宽(尺寸242)。
参考图3与图4，活动部分300和固定部分400可以包括重复的硅和金属结构模式。图3和图4中示出两种重要的模式。活动部分300和固定部分400的主要结构可以由硅横梁112、114、116、118、332、338、362、364、432和438形成。这些横梁由一个单晶硅片蚀刻而成，在蚀刻硅片之前，可对硅片的上表面进行氧化以形成一个0.5到1微米的二氧化硅绝缘层，并且金属可以设置在点刻所示模式中硅的顶部。当硅片蚀刻形成物理结构时，覆盖在硅蚀刻部上的金属也被除去，从而仅在硅横梁的顶部保留有该金属。绝缘接头160、360、336、436和462使硅结构的不同部分彼此电绝缘。通路324、334、337、423、434、437通过该绝缘氧化层连接金属层到下面的硅。
B、活动部分四个电压电位(将命名为电位310、312、314和316)可以施用到各个部件上。可以测量位于这些电位对之间的电容(包括电容变化、差动电容或者差动电容的变化)，以确定加速度。
参见图3，结合图1a的左半部以及图1b、1d和1f，地电位316可以施用到硅电极116上。电极116可以与硅横梁322电邻接。硅横梁322可以通过通路324电接触到金属326上。金属326、328可以连接驱动和测量电子器件(见下文第II.E部分的讨论)，以将电位316施用到硅电极116上。因为硅电极112和金属电极122是固定部分400的一部分，所以详细的讨论将推后到在下文第II，C部分讨论和图4时讨论。管脚112、116以及114、118之间的间隙约为3微米。
参见图3，结合图1a的右半部以及图1c、1e和1g，在硅电极118上可以施用地电位310。电极118可以与硅横梁332电邻接。硅横梁可以通过通路334连接到交叉绝缘接头336的金属335上，并通过通路337重新连接到硅横梁338上。(从电的因素上来说通路334、337、绝缘接头336和金属335可以不需要；通路334和绝缘接头336可以用来提高引线(leg)332的热膨胀和引线(leg)322的热膨胀之间的匹配)。驱动和测量电子器件可将接地电位施用到硅横梁338上。金属电极128可以通过金属342连接到驱动和测量电子器件上，该器件可以在电位312驱动金属电极128。因为硅电极114可以是固定部分400的一部分，所以详细的描述将推后到在下文第II.C部分讨论和图4讨论。
绝缘接头160、360可以使硅结构的部分之间彼此电绝缘。例如，绝缘接头160可以使图3左半部中的电极116(电位316)与图3右半部上的电极118(地电位310)电绝缘。绝缘接头360可以使电极116(电位316)与硅横梁338(地电位310)电绝缘。绝缘接头160、360可以按如下制成。在该硅片内可以蚀刻出狭槽或沟槽，在这些位置形成绝缘接头160、360。在整个晶片顶部形成氧化层，以使金属层122、128与下面的硅结构绝缘的同样热氧化工艺过程中，二氧化硅物可以在晶片上长大以充满沟槽。这种成长可以使二氧化硅的两个相对表面彼此熔合。另外，二氧化硅在沟槽的圆形端部周围成长可以提供跨越绝缘接头两侧的连接。同时，相对表面的熔合和跨过沟槽端部的成长可以提供足够的结构完整性，从而为硅横梁362、364上的电极116、118提供机械支撑。
跨越绝缘接头160、360顶部而放置的金属与位于该绝缘接头两侧的硅结构电绝缘，但与跨越该绝缘接头顶部电连续。
可以由常规方式形成导电通路324、334、337、423、434和437等。在图3，它们比那些直接相邻的硅横梁区域稍宽。在设置通路的地方横梁可以加宽，以使通路位于横梁几何结构内部。
C、固定部分参见图4，结合图1a的右半部以及图1c、1e和1g，电位314可以施用到硅电极114上。电极114可以通过横梁422经通路423连接到金属424上，该金属可以超过绝缘接头462并外延达本装置边缘。驱动和测量电极可以将电位314应用到金属424上。
参见图4，结合图1a的左半部以及图1b、1d和1f，地电位310可以施用到硅电极112上。电极112可以与硅横梁432电邻接。横梁432可以通过通路434连接到金属435。金属435可以交叉绝缘接头436到达通路437，该通路437连接金属435到硅横梁438上。驱动和测量电子器件可以将地电位310施用到横梁438。(从电的因素上来说可以不需要通路434、437、绝缘接头436和金属435；通路434和绝缘接头436可以用来提高引线(leg)432的热膨胀与引线422(leg)的热膨胀之间的匹配)。金属电极122可以跨越绝缘接头460连接到金属电极424。如上所述，电位314可以施用到金属424。
绝缘接头460将硅电极112与硅电极114分开。
D、机械止挡部参见图5a和5b，回想所述活动部分300可以通过大约10微米的锚点206固定在蚀刻处理后保留下来的硅基片的底面上。当框架210的右边缘212到达该底面时，活动部分300的向下运动会受到限制。活动部分300的过度向上运动会受到止挡部510的限制，该止挡部510沿与活动部分300的电容管脚相反的方向伸出，因此，当活动部分300向上移动时，止挡部510向下移动，直到与基片底面接触。止挡部510的长度可以是从锚点206到右边缘212距离长四分之一(允许活动部分上移四倍于其下移能够达到的最远距离)到基本上与从锚点206到右边缘212的距离相同(粗略相等限制两个运动范围)之间的任何长度。期望止挡部510具有绕锚点206低的惯性力矩，以减少活动部分300响应加速度的响应衰减。
止挡部510可以结束于管脚512，该管脚512与安装在固定部分400上的管脚514相互插接。同样，安装在活动部分300上的止挡部520可以与安装在固定部分400上的管脚522相互插接。止挡部512、520限制活动部分300在硅片平面内的旋转和平移。
E、驱动与测量电子器件如以上所描述的加速器灵敏度处于10到15fF/g(非法拉/加速度g)的范围内。
如上面第I部分所述，加速器100可以采用差动电容器方式。在差动电容器装置中，对于一个方向的加速度，在一对电极对之间电容增加，其它电容对之间电容减小。而对于反方向的加速度，则电容变化与此相反。因此，该电容差将显示加速度的值。一种特定用途集成电路(application-specific integrated circuit，缩写为ASIC)将电容差转换成一个代表加速度的电压。
在一种设计中，该ASIC集成电路将大小相同但方向相反的方波电压跨越设置在两个电容器上，并且将电容器电流的差整合在一起。该积分电路将会输出与电容差成比例的电压。该电压随后被放大并经低通滤波，以得到所需的灵敏度和频率响应。在该信号基础上增加或减去编程电压以提供偏移调整。另外，可以编程电容—电压转换的增益以说明传感器性能分布及不同传感器设计。
正是由于如果在发电机的输出端施加适当的电流，发电机也可以起到电动机的作用，所以，在加速器的导体310、312、314和316上可以施加电压，从而可使活动部分300相对固定部分400移动。通过改变用于感测电容差的载波信号，有可能实现一种自检测机构。在自检测模式下，电信号310、312、314和316被驱动从而活动部分300被取代，以验证活动部分300能够移动以及合适的电容变化结果。电力总是由诸如用于感测的载波信号的电压来产生。但是，在正常运转情况下载波信号是平衡的，不会出现净力。通过改变载波信号，从而RMS电压在用于感测净力结果的差动电容两侧的电压不相同。这是一种在大多数商业加速器ASIC中所用的标准自检测方法。
这种原理的ASIC的工作，以及将电容变化转换为代表加速度的电压的其它技术，可从大多数大学和公司，包括Kionix，Inc.、Bosch GmbH和Microsensors，Inc.ofCosta Mea得到。
III、制造整个硅结构可以采用纽约Kionix，Inc.of Ithaca公司的硅制造技术来制造。这是一种成熟工艺，非常适于大规模生产。Kionix工艺是一种全干燥处理工艺，平版印刷步骤在平坦表面上完成。
参见图6a～6g，加速器100可以采用等离子微机械加工工艺制造。一种这样的等离子微机械加工工艺可以使用四个掩模和工业标准硅片。第一掩�？梢匀范ㄔ诠杵谑纯桃孕纬删到油返墓挡�。如图6a所示，这些沟槽可以用二氧化硅612来填充。利用第二掩模，可以在安装现场确定并打开通路620。可在制造植入结构622，并可以镀铝624。如图6b所示，使用第三掩模，金属624可以被设计成在必要时断开电连接。第四也是最后的掩�？梢杂美慈范ń峁购崃�。结构横梁的轮廓可以使用产品ICP硅蚀刻设备在硅片内蚀刻而成，例如，使用一种带有ICP Bosch Etch & ICP氧化蚀刻室(ICP Bosch Etch & ICP Oxide Etch Chambers)的Plasam Therm VLR770设备，可以制成图6e中所示的结构。侧壁可以用二氧化硅镀层进行钝化处理630。围绕横梁周围、在每个沟槽底部上的氧化层可以利用各向异性二氧化硅蚀刻清除，而钝化侧壁630保留下来，产生图6f的结构。
最后，如图6c和6g所示，可以各向同性蚀刻硅片，使横梁642从基片644上脱离640。(横梁642可以是任何一种电极管脚116、118，横梁332、338、扭转部120或活动结构300的任何其它部分。在一些实施方式中，固定结构400也可以从基片644和桁架结构f上脱离。)氧化层的“尾部”646可以在横梁642的硅基下方延伸。这些尾部646可以提供额外的热膨胀稳定性，因为尾部646可以抵销平衡在横梁顶部由热膨胀或氧化层648收缩产生的任何弯矩。在作为干蚀刻工艺完成脱离蚀刻的实施方式中，邻近结构之间或结构与基底之间的静态阻力可以减小到忽略不计的水平，或者到不存在的程度。
再参见图3和4，结合图6c和6g，在一些实施方式中，一些管脚112、114、116和118可以省略，以从基底上脱离横梁114、118、332、338、642的图6c和6g步骤更加容易。在另一方面，保留所有电极指部会增加加速器100的灵敏度。
通过等离子微机械加工工艺生产的典型横梁642为2μm宽，10到30μm高，与基底分开15μm。在各向同性蚀刻过程中，大于10μm宽的结构通常不从基底644上脱离。这样宽的结构可以提供使活动或固定部分锚固在硅基底的锚点。
为形成更大的毫米级的结构，通�：崃浩淘诳⒌耐唇峁股希缤�2所示。这种铺设有助于实现更高的振动Q(高Q因数的振荡器是指一直在相同频率振荡的振荡器，低Q的振荡器可以根据施加脉冲共振不同的频率)。然后，高振荡Q可以提高加速器100的精度。由于通过等离子微机械加工工艺制成的这些结构主要包含无应力单晶硅，其特性优越并且是再生材料，这些结构的特性可以预见，也将是再生的。
用来制成加速器100及绝缘接头160、360的工艺方法见于美国专利号6,239,473，Adams等，微机电设备用的沟槽绝缘工艺；美国专利号5,719,073，Adams等，微观结构和单一掩模及用于制造这种结构的单晶加工工艺；美国专利号5,846,849，微观结构和单一掩模及用于制造这种结构的单晶加工工艺，美国专利号6,051,866和S.G.Adams等；“带有去耦驱动和感应的单晶硅回转仪”，微机电设备及零部件V，Patrick J.French，Eric Peeters编辑的SPIE学报，3876卷，1999，74-83页，K.A.SHaw，Z.L.Zhang和N.C.MacDonald，“SCREAM I微机电结构的单掩膜和单晶硅工艺”，传感器与传动装置A，40卷，63-70页，1994年，和Z.L.Zhang和N.C.MacDonald”；“亚微米RIE工艺与硅机电结构”，J.Micromech.Microeng.，第2卷，31-38页，1992年)。这里并入所有这些文献为参考文献。
IV、可替代的实施方式在另一实施方式中，电极112、114、116可以从设置在硅基片上的厚的多晶硅层制成，该硅基片仅用作结构基底或者防护结构，而在感测中不起到活性作用。
在另一实施方式中，电极11、114、116、122、128可以在铺在硅基片上的多绝缘体上的硅(SOI)层上形成。
在另一实施方式中，电极112、114、116、122和128可以在铺在硅片上的多金属层上形成，硅仅用作结构基底或者作为防护，不在感测中起到活性作用。
参见图7，扭转部120可以重新构成以减少除了z轴130方向的运动(从纸面上和下)，而保持顺应z轴的运动。例如可以以更多三角形状构成扭转部120，以保持好的扭转顺应性—和活动部分300沿着z轴运动的自由度，同时在其它方向保持好的刚性和对振动模式抗性。
参见图7，可以结合有附加结构710、712、714，以保持相对一致的结构密度，以提高利用其的制造步骤操作的一致性。在可替代实施方式中，一些元件之间的间隔可以增加，以易于进行脱离步骤(见图6c和6g)。
可以设置电极112、114、116和118的放置以减小可能由制造导致的设备温度感应曲率。
可以构造活动部分300和固定部分400的内部桁架结构用来提高刚度。
在图2所示实施方式中，活动部分300设置成悬臂式“跳板”状，朝向锚点206的单一侧。另一实施方式中，活动电极116、118可以设置成“跷跷板”那样，设置在中间弹性架的两侧。在其它情况下，电极112、116可以形成于一侧，而电极114、118在另一侧。在其它情况下，活动电极116、118可以设置在锚点206的一侧，而模拟物质量在锚点206的另一侧延伸。跷跷板的两侧通常将具有不同的绕弹性架的转矩，从而加速度将引起旋转。
可以理解，所有尺寸、电学值、几何方面、制造技术等，描述仅涉及一些举出的实施方式，它们在2000-01是优选的。当新的制造技术出现时，这些值可以变化。
为方便读者，上述说明集中于所有可能实施方式中的一个有代理性的实例，教导本发明的原理并传递考虑实现该发明的最佳方式。该描述没有企图穷尽列举所有可能的变通形式。其它未描述的可替换实施例也是可能的。可以知道，很多这种实施例落入后面的权利要求的字面表述的范围内，而其它的则是等同实施例。
权利要求
1.一种加速器，包括单晶硅片蚀刻形成固定部分，活动部分，和两者之间的弹性联结器，所述固定部分和活动部分一般设置在硅片平面内，活动部分块集中在所述弹性联结器的一侧；所述硅结构的固定和活动部分中的一个部分包括方向平行于加速度轴线的第一电极，所述固定和活动部分中的另一个部分包括方向平行于所述加速度轴线的第二电极，所述固定和活动部分中的另一个部分具有金属层，该金属层与所述第二电极机械连接，并电连接作为该第二电极共平面的第三电极，所述第二和第三电极沿平行于所述加速度轴线的方向堆放在一起，并与所述第一电极电容性相对设置；设计弹性联结器保持所述第一和第三电极跨过电容间隙彼此电容性相对，同时使所述第一电极相对所述第二和第三电极运动，响应沿垂直于硅片平面的加速度轴线方向的加速度，并且当该加速度停止时，使所述第一电极弹性回复到相对所述第二和第三电极的平衡位置，当电极处于平衡位置时，所述第二电极与所述第一电极的大部分表面区域相对，电容间隙的方向平行于所述加速度轴线，当所述活动部分沿所述加速度轴线方向从所述平衡位置移开时，所述第一电极与第三电极之间的电容增加，而当所述活动部分沿远离所述平衡位置的相反方向移动时，所述电容减�。灰约吧杓频缱悠骷�/或软件，用来将所述第一和第三电极之间的电容测量值转换为沿所述轴线方向的加速度的测量值。
2.一种加速器，包括固定结构和活动结构，所述固定和活动结构一般设置在一个平面内，所述固定结构具有固定电极，所述活动结构具有活动电极；设计弹性联结器保持所述固定和活动结构跨过电容间隙互相电容性相对，同时使所述活动电极相对所述固定电极运动，响应沿垂直于所述平面的加速度轴线方向的加速度，并且当该加速度停止时，使所述两个电极弹性回复到平衡位置；以及设计电子器件和/或软件，用来将所述固定和活动电极之间的电容测量值转换为沿所述轴线方向的加速度的测量值。
3.如权利要求2所述的加速器，其中所述的固定结构、活动结构和弹性联结器主要由硅制成。
4.如权利要求3所述的加速器，其中所述的固定结构和活动结构至少主要是由大宽高比的横梁制成。
5.如权利要求3所述的加速器，其中所述固定和活动电极中的一个电极是由硅制成，作为第一电极，其它电极作为硅结构件上的导电层制成，作为第二电极。
6.如权利要求5所述的加速器，其中所述硅结构件电连接作为与所述第二电极位于同一平面的第三电极，所述第二和第三电极与所述第一电极电容性相对设置。
7.如权利要求6所述的加速器，其中所述的第三电极连接地电位。
8.如权利要求5所述的加速器，其中所述的第一电极制成大宽高比的横梁，该横梁的较大截面尺寸方向平行于所述加速度轴线。
9.如权利要求3所述的加速器，其中蚀刻硅片形成所述的固定结构和所述的活动结构。
10.如权利要求9所述的加速器，其中各种结构的活动和固定结构通过在硅片内形成的绝缘接头相互绝缘。
11.如权利要求9所述的加速器，其中硅片上蚀刻出的各种结构与下面的硅片底层脱离。
12.如权利要求2所述的加速器，其中电子器件和/或软件测量至少两对电极之间的差动电容，并将测得的差动电容转换成加速度表示。
13.如权利要求2所述的加速器，其中当所述活动结构从所述平衡位置移开时，所述固定和移动电极之间的电容处于最大值。
14.如权利要求2所述的加速器，其中所述弹性联结器是扭转部。
15.如权利要求14所述的加速器，其中所述弹性联结器是与所述固定和活动结构整体从所述硅片上蚀刻而成。
16.如权利要求2所述的加速器，还包括设置在第一和第二区域的固定和活动电极，从而活动结构沿一个方向的运动导致所述第一区域内电极之间增加的电容，所述第二区域内电极之间减小的电容；并且活动结构沿相反方向的运动导致所述第一区域内电极之间减小的电容，所述第二区域内电极之间增加的电容。
17.如权利要求2所述的加速器，其中所述活动结构块集中于所述弹性联结器的一侧。
18.一种方法，包括步骤将加速度施加到固定结构和活动结构，所述固定和活动结构一般设置在垂直于所述加速度轴线的平面内，所述固定结构具有固定电极，所述活动结构具有活动电极；响应所述加速度，使所述活动电极相对所述固定电极运动，弹性联结器，保持所述固定和活动结构彼此跨过电容间隙电容性相对；当所述加速度停止时，使所述两个电极弹性回复到平衡位置；以及测量所述活动和固定电极之间的电容，并将测得的电容转换成加速度表示。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述固定和活动电极中的一个电极由硅制成，所述固定和活动电极中的另一个电极形成为镀在硅结构上的导电层。
20.如权利要求18所述的方法，其中所述加速器的活动和固定部分的电极设置在第一和第二区域内，从而活动部分沿一个方向的运动导致所述第一区域内电极之间增加的电容，所述第二区域内电极之间减小的电容；并且活动部分沿相反方向的运动导致所述第一区域内电极之间减小的电容，所述第二区域内电极之间增加的电容。
21.如权利要求18所述的方法，其中所述弹性联结器是扭转部。
22.一种加速器，包括固定部分和活动部分，所述固定和活动部分一般设置在一个平面内；设计弹性联结器用来使所述活动部分相对所述固定部分运动，响应沿垂直于所述平面的加速度轴线方向的加速度，并且当该加速度停止时，使所述两个部分弹性回复到平衡位置；所述固定和活动部分中的一个部分电连接作为第一电极，所述固定和活动部分中的另一个部分具有导电层，电连接作为第二电极，所述第一和第二电极彼此电容性相对设置；设计电子器件和/或软件用来将所述第一和第二电极之间的电容测量值转换为沿所述轴线方向的加速度测量值。
23.如权利要求22所述的加速器，其中蚀刻硅片以形成所述的固定结构和所述的活动结构。
24.如权利要求23所述的加速器，其中所述活动结构块集中于所述弹性联结器的一侧。
25.如权利要求23所述的加速器，其中所述弹性联结器是与所述固定和活动部分整体从所述硅片上蚀刻而成。
26.如权利要求23所述的加速器，其中通过包括将所述活动部分从下面硅片底层脱离的步骤的方法制造所述活动部分的基本部分。
27.如权利要求23所述的加速器，其中所述活动和固定部分的各种部分是通过在硅片内形成的绝缘接头相互绝缘。
28.如权利要求23所述的加速器，其中所述第二电极形成为与所述活动部分的硅机械连接但电绝缘的层。
29.如权利要求22所述的加速器，其中所述弹性联结器由高弹性模件固体制成。
30.如权利要求22所述的加速器，其中所述弹性联结器是扭转部。
31.如权利要求22所述的加速器，其中所述活动部分包括止挡部，设计该止档部接合所述固定部分底面以限制过度运动。
32.如权利要求22所述的加速器，其中所述活动和固定部分的电极设置在第一和第二区域，从而活动部分沿一个方向的运动导致所述第一区域内电极之间增加的电容，所述第二区域内电极之间减小的电容；并且活动部分沿相反方向的运动导致所述第一区域内电极之间减小的电容，所述第二区域内电极之间增加的电容。
33.如权利要求22所述的加速器，其中当所述活动部分沿所述加速度轴线方向从所述平衡位置移开时，所述第一电极与第二电极之间的电容增加，而当所述活动部分沿相反的方向移动时，所述电容减小。
34.一种方法，包括步骤在加速器的活动电极和固定电极之间建立电�。龌疃凸潭ǖ缂嗷サ缛菪韵喽陨柚茫龉潭ê突疃缂械囊桓龅缂晒柚瞥桑龉潭ê突疃缂械牧硪桓龅缂纬傻嫉绮悖牍杞峁够盗硬⒌缇担⒂胨龉杞峁寡丶铀俣戎嵯叻较蚨逊旁谝黄穑龉杞峁够居胨鲇晒柚瞥傻牡缂财矫妫皇顾龌疃缂喽运龉潭ǖ缂硕韵煊ρ厮黾铀俣确较虻募铀俣龋彼黾铀俣韧Ｖ故保市淼粤崞魇顾隽礁龅缂馗吹狡胶馕恢茫徊饬克龌疃凸潭ǖ缂涞牡缛荩⒔獾玫牡缛葑怀杉铀俣缺硎�。
35.如权利要求34所述的方法，其中所述由硅制成的电极为第一硅电极；并且所述上面形成有导电层电极的硅结构电连接作为第二硅电极，所述导电层电极和第二硅电极与所述第一硅电极电容性相对设置，当所述电极处于平衡位置时，所述第二硅电极与所述第一硅电极的大部分表面区域相对。
36.如权利要求34所述的方法，其中所述加速器的主要结构件是通过蚀刻硅片制成。
37.如权利要求36所述的方法，其中所述弹性联结器从所述硅片上整体蚀刻形成。
38.一种加速器，包括硅片蚀刻形成固定部分，活动部分，以及两者之间的弹性联结器，所述固定部分和活动部分一般设置在一个平面内，设计所述弹性联结器以使所述活动部分相对所述固定部分垂直于所述硅片运动，以响应与所述硅片垂直的加速度，并且当该加速度停止时，使所述两个部分弹性回复到平衡位置，所述活动部分块集中在所述弹性联结器的一侧；所述固定和活动部分分别具有电极，所述电极电容性相对地设置；并且设计电子器件和/或软件用来将所述第一和第二电极之间的电容测量值转换为垂直硅片的加速度测量值。
39.如权利要求38所述的加速器，还包括第三电极，与所述活动电极位于一个平面内并机械连接，所述活动和第三电极与所述固定电极电容性相对地设置，当所述电极处于平衡位置时，所述第三电极与所述固定电极的大部分表面区域相对。
40.如权利要求38所述的加速器，还包括所述硅结构的固定和活动部分中的一个部分电连接作为第一电极，所述固定和活动部分中的另一个部分具有导电层，电连接作为第二电极，所述第一和第二电极相互电容性地设置。
41.如权利要求38所述的加速器，其中通过一种干式蚀刻加工工艺蚀刻硅片形成所述固定部分和活动部分。
42.如权利要求38所述的加速器，其中所述活动和固定部分的电极设置在第一和第二区域，从而所述活动部分沿一个方向的运动导致所述第一区域内电极之间增加的电容，所述第二区域内电极之间减小的电容；并且所述活动部分沿相反方向的运动导致所述第一区域内电极之间减小的电容，所述第二区域内电极之间增加的电容。
43.如权利要求38所述的加速器，其中所述弹性联结器是与所述固定和活动部分整体从所述硅片上蚀刻而成。
44.如权利要求38所述的加速器，其中所述弹性联结器由高弹性模件的固体制成。
45.如权利要求38所述的加速器，其中所述弹性联结器是扭转部。
46.如权利要求38所述的加速器，其中所述活动部分包括止挡部，设计该止挡部用来接合所述固定部分的底面以限制过度运动。
47.如权利要求38所述的加速器，其中通过包括将所述活动部分从下面硅片底层脱离的步骤的方法制造所述活动部分的基本部分。
48.一种检测沿加速度方向的加速度的方法，包括步骤在加速器的活动电极和固定电极之间建立电�。龌疃凸潭ǖ缂嗷サ缛菪韵喽陨柚茫⒁曰捣绞椒直鹬С庞谒龌疃凸潭ú糠稚希⑶揖哂写庸杵纯讨瞥傻慕峁梗龉潭ê突疃糠只旧柚迷谝桓銎矫婺冢皇顾龌疃缂喽运龉潭ǖ缂卮怪庇谒龉杵较蛟硕韵煊Υ怪庇谒龉杵募铀俣龋⑶业彼黾铀俣韧Ｖ故保市淼粤崞鹘隽礁龅缂馗吹狡胶馕恢茫龌疃糠挚榧兴龅粤崞饕徊啵灰约安饬克龌疃凸潭ǖ缂涞牡缛荩⒔獾玫牡缛葑怀杉铀俣缺硎�。
49.如权利要求48所述的加速器，其中通过使止挡部压在所述固定部分的底面来限制所述活动部分的过度运动，在基本相对集中的部分的方向，所述止挡部从所述活动部分悬臂。
50.如权利要求48所述的加速器，其中当所述活动部分沿所述加速度轴线方向从所述平衡位置移开时，所述第一电极与第二电极之间电容增加，而当所述活动部分沿相反的方向移动时，所述电容减小。
51.如权利要求50所述的加速器，其中当所述活动部分从所述平衡位置移动所述固定部分深度的一半距离时，所述第一和第二电极之间的电容达到最大值。
52.一种加速器，包括第一、第二和第三电极，所述第二电极与所述第三电极共平面，所述第二和第三电极跨越电容间隙与所述第一电极电容性相对地设置；设计弹性联结器，使所述第一电极相对所述第二和第三电极沿加速度轴线方向运动以响应加速度，并且当该加速度停止时，使所述第一电极弹性回复到平衡位置，当电极处于平衡位置时，所述第二电极与所述第一电极的大部分表面区域相对；以及设计电子器件和/或软件用来将所述第一和第三电极之间的电容测量值转换为沿所述轴线方向的加速度测量值。
53.如权利要求52所述的加速器，其中蚀刻硅片以形成所述第一和第二电极；并且所述加速度的轴线垂直于所述硅片。
54.如权利要求53所述的加速器，其中所述第三电极形成为与所述第二电极的硅结构机械连接的导电层。
55.如权利要求53所述的加速器，其中当所述活动部分沿所述加速度轴线方向从所述平衡位置移开时，所述第一电极与第三电极之间的电容增加，而当所述活动部分沿相反的方向移动时，所述电容减小。
56.如权利要求53所述的加速器，其中所述第三电极形成为与所述活动部分的硅结构机械连接并电绝缘的导电材料层。
57.如权利要求53所述的加速器，其中从所述硅片中蚀刻成的各种结构是通过在所述硅片内形成的绝缘接头相互电绝缘。
58.如权利要求53所述的加速器，其中从所述硅片中蚀刻成的各种结构与下面的硅片底层脱离。
59.如权利要求52所述的加速器，其中所述第二电极电连接到来自所述电容间隙的消耗场电力线。
60.一种方法，包括步骤在加速器的第一、第二和第三电极之间建立电�。龅诙偷谌缂胨龅谝坏缂缛菪韵喽陨柚茫龅谝�、第二和第三电极以机械方式支撑于所述加速器的活动和固定部分上，所述第二和第三电极相互机械连接并基本共平面；使所述活动部分相对所述固定部分沿垂直于基本包含所述第二和第三电极的平面方向运动，以响应加速度，并且当所述加速度停止时，允许弹性联结器将所述电极回复到平衡位置，当所述电极处于平衡位置时，所述第二电极与所述第一电极的大部分表面区域相对；以及测量第一和第三电极之间的电容，并将测得的电容转换成加速度表示。
61.如权利要求60所述的方法，其中所述固定和活动部分从硅片上蚀刻制成。
62.如权利要求61所述的方法，其中所述第一和第二电极由硅蚀刻制成。
63.如权利要求61所述的方法，其中所述第三电极形成为与所述活动部分的硅结构机械连接并电绝缘的导电材料层。
64.如权利要求63所述的方法，其中所述第一和第三电极彼此相对设置，从而活动部分沿一个方向从所述平衡位置移开的运动使所述第一和第三电极之间的电容增加，并且从所述平衡位置沿相反方向的运动使所述第一和第三电极之间的电容减小。
65.如权利要求60所述的方法，还包括步骤测量至少两对电极之间的差动电容，以及将测得的差动电容转换成加速度表示。
66.如权利要求60所述的方法，其中所述活动部分块集中于所述弹性联结器一侧。
全文摘要
一种加速器，包括蚀刻硅片形成固定部分(400)，活动部分(300)，和两者间弹性联结器(120)，固定和活动部分一般设置在硅片平面内，活动部分块集中在弹性联结器一侧。硅结构固定和活动部分中一个包括第一电极。固定和活动部分中另一部分包括方向平行于加速度轴线的第二电极，作为第三电极电连接的导电层，其与第二电极共平面并机械连接。第二和第三电极与第一电极电容性相对设置，当活动部分沿加速度轴线方向相对于固定部分移动时，第一电极和第三电极之间电容增加，当活动部分沿相反方向移动时，电容减少。弹性联结器保持第一和第三电极跨过电容间隙彼此电容性相对，同时使第一电极相对第二和第三电极运动，响应垂直于硅片平面的沿加速度轴线方向的加速度，并且当该加速度停止时，使第一电极弹性回复到平衡位置。当电极处于平衡位置时，第二电极与所述第一电极的大部分表面区域相对。通过获得沿轴线方向加速度测量值测定第一和第三电极间的电容。
文档编号G01P15/125GK1602428SQ02824702
公开日2005年3月30日 申请日期2002年10月16日 优先权日2001年10月19日
发明者斯科特·G·亚当斯, 斯科特·A·米勒, 温迪·约·H·约翰逊 申请人:基翁尼克公司
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