加速计是一种传感器， 一般被用于测量加速力。这些力可以是静 态的，例如恒定的重力，或者它们也可以是动态的，这是通过移动或 震动该加速计而导致的。加速计可以检测沿着一个，两个或者三个轴 或方向的加速度或其他现象。从这些信息中就能够确认其中安装有该 加速计的装置的移动或方位。
加速计被用于惯性导航系统，交通工具的安全气囊展开系统，以 及许多其他的科学和工程系统中。微型机电系统（MEMS)的一种增 长的使用就是用于各种装置的保护系统中。这些保护系统理论上的功 能就是保护装置防止受到震动和振动。典型的装置包括可携式摄像 机，膝上及笔记本计算机，个人数字助理（PDA)，蜂窝电话，数字 音频播放器，以及其他这样的装置，其中该装置可以包括内置硬盘驱 动器和/或类似部件。自由落体是装置受到重力的加速而落下的运动。 因此，当装置坠落时就会出现自由落体的情况，并且当该装置最终撞 击到一表面时就会导致损坏。保护系统用于保护装置防止其坠落时受 到的损坏，该保护系统可以包括MEMS加速计，其中该加速计用于 检测自由落体的情况。 一旦检测到自由落体，该保护系统就可以致使 自动切断该装置的电源，并且可以使内置硬盘驱动器的写磁头脱离， 以便于当该装置撞击到表面上时可以避免磁头碰撞。
在一些情况下，其产品包括硬盘驱动器或其他这样的装置部件的 制造商可以对他们的产品进行坠落测试。该坠落测试可以使完成的产品坠落至一表面上，以检查自由落体保护特征的功能性。这种测试的 目的就是确认对自由落体的检测，以及验证在检测到自由落体时该硬
盘驱动器头和/或其他装置部件被安置好（park)或在其他情况下脱离 出来。不幸的是，很难进行受控的坠落测试。也就是说，当产品从不 同高度坠落，落到不同表面上，以及产品只是简单坠落或被掷出落下 时，都会导致不同的结果。此外，该坠落测试可能对完成的产品的外 壳留下伤痕或者刮伤、使其凹陷、或以其他方式损伤完成的产品的外 壳。另外，该坠落测试还会结束或缩短该成品内其他部件的使用寿命。 因此，为了确认自由落体保护特性的功能性而进行坠落测试是很难控 制的，与时间密切相关的，并且考虑到产品的损坏，成本是很高的。
附图说明
通过联系附图参照详细说明和权利要求可以对本发明有更深刻 的理解，其中整个附图中类似的参考数字是指类似的项，以及：
图1示出了根据本发明优选实施例的包括自测致动器的传感器 的顶4见图；
图2示出了图1中传感器的侧视图；
图3示出了具有自由落体保护特征的装置的方框图，其中该装置 利用了图1中的传感器；
图4示出了自由落体自测过程的流程图，其中进行该过程以验证 图3中装置的自由落体保护特性；
图5示出了图1中传感器的方框图，其中该传感器根据自由落体 自测过程而被放置在倒置位置上；
图6示出了图1中传感器的方框图，其中将自测信号应用于该传
感器；
图7示出了根据本发明替换实施例的包括自测致动器的传感器 的顶;现图；
图8示出了图7中传感器的方框图，其中该传感器根据自由落体 自测过程而被放置在倒置位置上；以及图9示出了图7中传感器的方框图，其中^4居自由落体自测过程 而将自测信号应用于该传感器。
详细说明
在一实施例中，传感器可以是例如加速计或其他传感装置，所述 传感器包括自测能力，用于验证其中安装有该传感器的装置的自由落 体保护特性。可以很容易地以及成本有效地将该自由落体自测能力并 入到现存的以及未来的微型机电系统（MEMS)传感器设计中。
参看图1-2,图l示出了根据本发明优选实施例的包括自测致动 器22的传感器20的顶视图，并且图2示出了传感器20的侧^L图。 传感器20是被形成为MEMS芯片的电容性加速计。电容性加速计来 检测电容的与加速度相关的变化，以改变赋能电路的输出。传感器20 包括可移动元件24，其具有中心质量块26，其中该中心质量块26被 X检测指30和Y检测指32支撑在框架28上。通过一系列的弹簧36 将框架28依次连附至多个支撑34,其中该弹簧36优选地顺着三个相 互垂直的方向。支撑34被安装在管芯或者其他村底38上。
每个X检测指30都被两个固定的指40和42包围。类似地，每 个Y检测指32都被两个固定的指44和46包围。当传感器20沿着X 轴经历加速时，X检测指30与相邻固定指40和42之间的距离就会 变化，这样就会改变这些指之间的电容。检测电路（未示出）记录该 电容变化并将其转换为表示沿着X轴的加速度的输出信号。通过记录 Y检测指32与相应固定指44和46之间的电容变化，从而按照类似 的方式来检测沿着Y轴的加速度。
已知作为检测质量块的可移动元件24具有第一和第二相对侧面
48和50，它们具有不同的质量，因此导致了不平衡的检测检测质量 块。根据该实施例，相对侧面48和50的厚度和宽度基本相等，但长 度不相同。也就是说，第一侧面48的第一长度52大于第二侧面50 的第二长度54。因此，第一侧面48具有比第二侧面50更大的质量， 这样就导致可移动元件24响应于沿着Z轴的加速度而绕着Y轴旋转/倾斜。通过以第一电容板56和第二电容板58的形式的检测元件来检 测可移动元件24沿着Z轴的移动，其中上述电容板56和58位于可 移动元件24之下的衬底38上。第一和第二电容板56和58分别形成 了两个按照差分模式工作的电容器，并且当传感器20在Z轴上经受 加速时其操作改变振荡器产生的峰值电压。检测电路（未示出）捕获 该峰值电压，接着将该峰值电压处理为最终的输出信号。在受到固定 或恒定加速时，该电容值也是恒定的，这就导致了与静态加速度成比 例的测量信号，也被称为DC或均匀加速。
在传感器20中，X检测指30， Y检测指32，固定指40， 42， 44， 46，以及弹簧36^皮均匀间隔，并且分别位于中心质量块26的相 对的第一和第二侧面48和50上，这样就使得这些元件排列成两条镜 像对称线，即对应于X轴的第一对称线60，以及对应于Y轴的第二 对称线62。这种对称能够有效地消除交叉轴的敏感度，因此在沿着X 和Y轴检测加速度时，传感器20只需要检测沿着这些轴的每一个上 出现的加速度分量。但是，作为选择，也可以采用不具有这种对称结 构的各种其他结构的可移动元件24。
第一和第二电容板56和58 —般都相对于第二对称线62 >^皮均匀 间隔，并且分别被放置在相对的第一和第二侧面48和50上。第一和 第二电容板56和58中的每一个都可以从第二对称线62沿着相反方 向偏移第一距离64。由于第一侧面48的第一长度52大于第二侧面 50的第二长度54，因此就会形成可移动元件24的未使用或防护区域 66。自测致动器22从第二对称线62偏离了第二距离68，其中该第二 距离68大于第一距离64。这样，自测致动器22就被位于可移动元件 24的通常未被使用的防护区66之下的衬底38支撑。
在一个实施例中，可以根据传统的MEMS工艺技术来制造传感 器20，例如使用多种不同材料进行表面微机械加工。表面微机械加工 基于对不同的结构层进行沉积，图案化，以及蚀刻。因为表面微机械 加工基于在制造中结合了控制和灵活性的薄膜工艺，因此它能够制造 出高质量的MEMS装置。举例说明，可以在衬底38的表面上沉积导电材料层。接着可以对该导电材料进行掩模，图案化以及蚀刻，以分
别定义出第一和第二电容板56和58以及自测致动器22。接下来的操 作包括沉积牺牲层，形成接触开口，沉积第二导电材料，按照传统技 术进行掩模，图案化，蚀刻等，以生成具有内置自测能力——即自测 致动器——的传感器20，用于检测自由落体。
图3示出了具有自由落体保护特性的装置70的方框图，其中该 装置70利用了传感器20。装置70可以为多个装置中任意数量的具有 内部硬盘驱动器72和/或其他部件的装置，其中这些内部硬盘驱动器 72和/或其他部件理论上应该在装置70坠落并且先于装置70撞击例 如地面的表面时被置于"安全模式"。这种装置包括可携式摄像机，膝 上或笔记本计算机，个人数字助理（PDA),蜂窝电话，数字音频播 放器等等。装置70包括加速计包74，其中传感器20插入到该加速计 包74中。加速计包74与处理器76进行通信，并且处理器76通过常 规的总线结构与例如硬盘驱动器72进行通信。本领域内的普通技术 人员可以认识到，装置70可以包括为了筒略起见在这里没有描述的 许多其他部件。
一般地，处理器76监视来自加速计包74的信号。这些信号包括 来自X, Y,和Z轴的加速度。根据自由落体保护特性，处理器76 接收沿着对应于自由落体条件（即，在全部三个轴上检测到的加速度 都近似为OG)的所有X， Y，和Z轴的加速度信号，处理器76将向 硬盘驱动器72发出信号，以安置好或者否则使该驱动器头脱离出来， 以便于将对于该硬盘驱动器72的损害最小化。
加速计包74的传感器20检测X轴加速度（Ax) 78， Y轴加速 度（AY) 80,以及Z轴加速度（Az) 82。可以从本领域内的技术人 员已知的电容信号对（即，XI: X2， Yl: Y2，以及Z1: Z2)产生X 轴加速度78, Y轴加速度80,以及Z轴加速度82。加速计包74还包 括与传感器20进行通信的输入输出（I/O)电路芯片84。 1/0电路芯 片84可以为互补-对称/金属氧化物半导体（CMOS)，其具有数字 信号处理器等，用于处理和输出X轴加速度78， Y轴加速度80,以及Z轴加速度82。 一般地，正如本领域内的4支术人员所知，来自MEMS 传感器20的电容信号在被输出给处理器76之前被传送给电路芯片 84，用以进行适当的处理。
加速计包74还包括与处理器76进行通信的自测输入端口 86， 用于应用数字自测输入信号87。数字自测输入信号87向I/O电路芯 片84发出信号，以使能自测操作模式。在自测操作模式下，1/0电路 芯片84将自测信号88应用于自测致动器22 (图2 )。自测信号88 是一个电压，该电压能够产生静电力并模拟加速。处理器76另外还 可以与装置70外部的自测端口 90进行通信。外部自测输入信号91 可以被传送给处理器76，以使能自测模式。处理器76上的处理器软 件或硬件接着生成数字自测输入信号87，其被传送给该输入端口 86。 自测端口卯使得测试操作者能够很容易地通过应用外部自测信号91 来确定已完成产品即装置70的自由落体保护特性的功能性，其中该 自测信号91将使得处理器76以及IO电路84来激励（excite )该自 测致动器22。但是，自测端口 90的存在并不是对本发明的限制。作 为选择，测试操作者可以打开装置70来访问位于加速计包74处的自 测输入端口 86。
自测信号91理想地是高逻辑信号。自测信号91的应用使得处理 器76和I/O电路芯片84通过自测信号88来激励自测致动器22。如 下所述的，激励该自测致动器22可以导致可移动元件24 (图l)在 执行自由落体自测过程期间被静电力从第 一位置移动至第二位置。第 一和第二电容板56和58 (图1)分别检测该移动，以确定Z轴加速 度82。在制造加速计74期间，能够对自测效果的幅值即自测信号88 进行校准。举例来说，可以将自测效果的幅值调整至1G。由于在制 造包以及MEMS芯片20时会出现各种变化，因此这种校准是期望的。 该校准是由I/O电路芯片84通过使用可编程存储器等进行的，其中 该芯片包括可调电路参数，其以自测校准电路93为代表。这样，当 加速计74被安装在系统70中时，该自测幅值就是初步已知的了。
图4示出了自由落体自测过程92的流程图，其中通过执行该过程92来验证装置70 (图3)的自由落体保护特性。特别地，当装置 70被放置在标称的（nominally)竖直位置时，在Z轴，即最容易受 到重力加速度的轴上执行该过程92。通过执行该过程92来诊断装置 70的自由落体检测以及保护特征，而不需要对装置70进行坠落测试。
自测过程92从任务94开始。在任务94，具有已安装加速计包 74 (图3)的装置70被放置相对于传感器20的标称的竖直位置的倒 置位置上。在该位置上，传感器20的方位使得产生了一个负重力场。
参看与任务94相关的图5，图5示出了被置于倒置位置上的传 感器20的方框图。装置70的其余部分虽然没有被显示出来，但是在 对装置70的最终产品进行测试时其也被倒置。当传感器20被保持在 固定的倒置位置上时，可移动元件24绕着Y轴旋转/倾斜以移动至第 一位置96。由于传感器20是固定的，因此当传感器被倒置放置时， X轴加速度78为约0G并且Y轴加速度80为约0G。但是，传感器 20的Z轴受到了重力，并且由于可移动元件24的移动而检测Z轴加 速度82为约-lG。这样，第一位置96就对应于负重力位置。
回来参看图4，自测过程92进行至跟随在定位任务94之后的任 务98。在任务98,通过自测端口 90 (图3 )将自测信号（VLH ) 88 (图 3)应用于自测输入86 (图3)。
参看与任务98相关的图6，图6示出了传感器20的方框图，其 中自测信号88被应用于该传感器20。如前面所提到的，自测信号88 为高逻辑信号。在自测校准电路92 (图3 )处进行调整之后，将自测 信号88应用于自测致动器22就会在可移动元件24与自测致动器22 之间产生静电力100。静电力100的幅值通常对应于由于重力而产生 的加速度，即1G。这样，静电力100就会使得可移动元件24绕着Y 轴旋转/倾斜，从而移动至第二位置102。再一次，由于传感器20是 固定的，X轴加速度78和Y轴加速度80保持为约0G。但是，当受 到了静电力100时，Z轴加速度82就从前面的-1G变为约0G。这样， 第二位置102就对应于中性重力位置。该中性重力位置模拟了自由落 体的情形，其中加速计信号（在所有三个轴上都为0G)与装置70坠落时将会出现的信号相同。
回来参看图4,自测过程92进行至跟随在任务98之后的任务 104。在任务104，将传感器信号，即X轴加速度（Ax) 78， Y轴加 速度（AY) 80，以及Z轴加速度（Az) 82 (它们都为0G)从加速计 包74 (图3)输出给装置70 (图3)的处理器76 (图3)。处理器76 随后检测X轴加速度（Ax) 78， Y轴加速度（AY ) 80，以及Z轴加 速度（Az) 82。
响应于任务104执行查询任务106。在查询任务106，响应于在 处理器76检测到的X轴加速度（Ax) 78， Y轴加速度（Ay)80，以 及Z轴加速度（Az) 82来确定是否使能了装置70的自由落体保护特 性。例如通过当X轴加速度（Ax) 78, Y釉加速度（Ay)80，以及Z 轴加速度（Az) 82都为OG时，可以验证硬盘驱动器72 (图3)的磁 头被安置好或其他情况下被脱离出来从而确认该自由落体保护特性 的使能。
当查询任务确认使能了装置70的自由落体保护特性时，过程92 进行至任务108。在任务108，可以任意由测试操作者手动地或者由 装置70自动地生成表示该装置70已经通过了其自测的报告。在任务 108之后，自由落体自测过程92结束。
相反，当查询任务106确定装置70的自由落体保护特性在出现 模拟自由落体的情况下没有被使能时，过程92进行至任务110。在任 务110，可以任意地手动或自动地生成表示装置70未通过其自测的报 告。在任务110之后，自由落体自测过程92结束。这样，过程92就 提供了一种用于对装置70的保护特性进行测试的方法，而不会使该 装置70受到潜在的损伤以及坠落测试的高成本影响。
上面参照三轴电容性加速计的不平衡检测质量块（可移动元件 24)描述了自由落体自测设备以及方法，其中在该加速计中，自测致 动器22位于可移动元件24的未被使用防护区66(图l)之下。但是， 作为选择，本发明可以以如下装置来实现，即具有多种X和Y传感 元件排列的单轴或双轴加速计的装置，和/或以包括多个检测质量块的装置来实现。另外，在一替换实施例中，在沿着z轴的加速度检测采 用对称排列，即，平衡的检测质量块时，也可以实现自由落体自测设 备以及方法。
图7示出了根据本发明替换实施例的包括自测致动器114的传感 器112的顶视图。特别地，传感器112显示出了对称排列，其中可移 动元件116分别具有第一和第二相对侧面118和120，它们大致具有 相同的质量。根据该实施例，相对侧面118和120在厚度，宽度，以 及长度上基本上相等，这样就导致了平衡检测质量块。
此外，在传感器112中，X检测指30, Y检测指32，固定指40， 42， 44， 46,以及弹簧36^皮均匀间隔，并且分别位于可移动元件116 的中心质量块122的相对的第一和第二侧面118和120上，这样就使 得这些元件具有两条镜像对称的线，即对应于X轴的第 一镜像对称线 124，以及对应于Y轴的第二对称线126。
由于可移动元件116是平衡的，因此可移动元件116 —般是响应 于沿着Z轴加速度与Z轴平行地移动，而不是如传感器20(图1)中 那样绕着Y轴旋转/倾斜。因此，具有电容板128形式的传感元件可 以位于可移动元件116之下的中心位置130处，其中该中心位置130 是由分别第一和第二对称线124和126的交叉线定义的。电容板128 检测到了可移动元件116沿着Z轴的移动。检测电路（未示出）可以 记录电容板128与位于远离可移动元件116 (例如，位于传感器112 的刚板上）的固定电容（未示出）之间的电容变化，并将其转换为表 示沿着Z轴加速度的输出信号。
根据该平衡的可移动元件116以及电容板128的中心位置130, 自测致动器114相对于第一和第二对称线124和126对称地位于可移 动元件116上。在该示例性实施例中，自测致动器114包括第一部分 132和第二部分134。自测致动器114的第一和第二部分132和134 分别相对于中心位置134对称地位于衬底136 (图8-9中所示）上。 也就是说，第一和第二部分132和134相对于第一和第二对称线124 和126分别位于相应的第一和第二相对侧面118和120上的相同位置上。在下面的说明中，这种对称排列的目的将会变得更加清晰。
图8示出了根据自由落体自测过程92 (图4 )的任务94 (图4 ) 而被放置在倒置位置上的传感器112的方框图。当传感器112保持在 固定的倒置位置上时，可移动元件116沿着与Z轴平行的方向移动至 第一位置138，其比传感器112被保持在标称的竖直位置时更加远离 衬底136。由于可移动元件116的平衡属性，当传感器112位于倒置 位置时，可移动元件116的第一和第二相对侧面118和120响应于由 于重力而产生的加速度而位于与衬底136距离相同的位置。由于传感 器112是固定的，因此X轴加速度78和Y轴加速度80在第一位置 138均为约0G。但是，当相对于固定电容（未示出）在电容板128检 测时，Z轴加速度82由于受到了约为-lG重力。
图9示出了传感器112的方框图，其中根据自由落体自测过程（图 4)的任务98而将自测信号88 (图3)应用于该传感器112。在自测 校准电路92 (图3)的调整之后，将自测信号88分别应用于自测致 动器114的第一和第二部分132和134就会在可移动元件116与自测 致动器114的第一和第二部分132和134之间产生静电力140。静电 力140的幅值基本上对应于由于重力而产生的加速度，即1G。这样， 静电力140就会使得可移动元件116沿着与Z轴平行的方向朝着衬底 136移动至第二位置142。由于传感器112是固定的，因此当可移动 元件116移动至笫二位置142时，X轴加速度78和Y轴加速度80仍 保持为约0G。但是，受到了静电力100的Z轴加速度82变为约0G。 这样，第二位置102就对应于模拟了自由落体情形的中性重力位置， 而在该情形中加速计信号（在所有三个轴上都为OG)与装置70坠落 时出现的信号相同。因此，在安装有传感器112的装置中就能够确定 验证自由落体自测保护系统的使能。
这里描述的实施例包括一种装置，该装置包括具有自由落体自测 能力的传感器。另一实施例包括一种用于测试装置的自由落体保护特 性的方法，其中该装置具有适用于检测自由落体的传感器。该传感器 可以为其中包括有能够向其施加静电力的自测致动器的其他感测装置或加速计。当传感器被置于适当位置并施加静电力时，该传感器就
会产生一个对应于0G的静电加速信号，以模拟自由落体环境。该自 由落体情形被传送给装置的处理元件。该处理元件能够使能自由落体 保护系统以保护例如硬盘驱动器的某些装置部件不受到损伤。可以很 容易地以及成本有效地将该自由落体自测能力并入到现存的以及未 来的微型机电系统（MEMS)传感器设计中。例如，在装置的管芯面 积不会相应的增加的情况下，自测致动器可以并入到事先存在的不平 衡检测质量块实施方案的未使用的防护区中。另外，该自由落体自测 能力消除了由制造商提前对成品进行有损以及高成本的坠落测试的 需要。
虽然已经详细地描述了本发明的优选实施例，但是对于本领域内 的技术人员来说很清晰的是在不脱离本发明的精神或所附权利要求 的范畴的情况下可以进行各种修改。例如，虽然通过赋能该自测致动 器来产生静电力，来在加速计的Z轴分量上导致了 0G信号，但是作 为选择也可以使用相同或不同的力来验证加速计包Z轴分量的功能 和/或加速计X轴及Y轴分量的功能。