技术领域
[0001] 本
发明涉及加速度计，尤其涉及一种光学式加速度计。
背景技术
[0002] 近年来，手持
游戏机等消费性
电子产品受到消费者的青睐。为了更好地实现人机互动，许多
手持设备都引入了加速度计以感测外界加速度变化，而且，越来越多的微机电结构(Microelectronic Mechanical Structure，MEMS)电容式加速度计被应用于手持设备。关于微机电结构电容式加速度计的分析请参阅Beliveau，A.等人于Design&Test of Computers，IEEE，Volume 16，Issue 4，Oct.-Dec.1999Page(s)：48--56发表的文章“Evaluation of MEMS capacitive accelerometers”。
[0003] 微机电结构电容式加速度计一般具有可动臂和固定臂，可动臂与固定臂之间平行板电容距离改变，而后通过电容-
电压转换
电路将电容变化讯号读出。然而，可动臂和固定臂之间的距离毕竟有限，若要具有更高的灵敏度就需要增加可动臂和固定臂之间的距离，这将带来体积增加的问题，因此电容式加速度计的灵敏度受限于体积。
发明内容
[0004] 有鉴于此，提供一种灵敏度高且体积小的加速度计十分必要。
[0005] 一种加速度计，该加速度计包括一个基底、一个盖板、一个
光源、一个具有第一表面的衬底、一个可动板及位于该衬底第一表面的第一锚定件、第二锚定件、第一弹性连接部和第二弹性连接部，该基底与该盖板构成一封闭空间，该基底承载该衬底，该封闭空间收容该光源，该光源用于提供检测用光线，该可动板包括仅一个第一透光区和若干非透光区，该可动板两端分别与该第一弹性连接部和该第二弹性连接部相连，该第一弹性连接部、该第二弹性连接部分别由第一锚定件、第二锚定件锚接于该衬底第一表面，该可动板悬于该衬底第一表面上方且具有一平行于该衬底第一表面的移动方向，该光线经由该可动板的第一透光区照射到该衬底第一表面，该衬底第一表面对应于该可动板的区域、沿该可动板的移动方向交替分布有多个光电感测器及多个非光电感测区，该第一透光区的宽度与该多个光电感测器之一的宽度相同，该可动板进一步包括分布于该第一透光区一侧且沿该可动板移动方向排列的一个第二透光区和一个第三透光区，第一透光区、第二透光区、第三透光区的宽度相同，与该第一透光区的垂直投影区相邻的两个光电感测器的间距等于该第一透光区的宽度，与该第二透光区的垂直投影区相邻的两个光电感测器的间距等于该第一透光区宽度的三倍，与该第三透光区的垂直投影区相邻的两个光电感测器的间距等于该第一透光区宽度的五倍。
[0006] 相对于
现有技术，该加速度计的可动板根据受到的加速度大小而
水平移动，具有光电转换功能的区域所受的光强也随可动板的移动而改变，从而影响输出
电流的大小，其灵敏度不受加速度计机械结构和体积的影响。
附图说明
[0007] 图1是本发明第一
实施例提供的加速度计晶片立体示意图。
[0008] 图2是图1中沿II-II方向剖视图。
[0009] 图3是本发明第二实施例提供的加速度计示意图。
[0010] 图4是本发明第三实施例提供的加速度计晶片的示意图。
具体实施方式
[0011] 请一并参阅图1和图2，本发明第一实施例提供的加速度计晶片10包括衬底12，光电感测区20，非光电感测区21，可动板30，第一锚定件32和第二锚定件34，第一弹性连接部31和第二弹性连接部33，透光区36，不透光区38和电路单元40。
[0012] 其中，衬底12的材料为
硅或砷化镓或其他
半导体。衬底12具有一个表面121，在衬底20上利用互补金属
氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)工艺，制成光电感测区20，光电感测区20的表面和衬底12的表面121重合。光电感测区20是一个光电感测器阵列，具体地，可以是晶体管阵列，光电
二极管阵列或者
光电倍增管阵列。
[0013] 光电感测区20包括相互平行排列的光电感测器14，15，16，17，18，和19。每个光电感测器所在区域的截面大致为一长方形。
[0014] 由于光电感测器16和光电感测器17之间的距离明显大于光电感测器14和光电感测器15之间的距离，因此可以认为光电感测器14，15和16形成一个分区，在该分区内，每相邻两个光电感测区之间，例如光电感测器14和光电感测器15之间，光电感测器15和光电感测器16之间被半导体材料隔开，且每相邻两个光电感测区之间的距离相等。
[0015] 光电感测器17，18和19形成一个分区，在该分区内，每相邻两个光电感测区之间的距离相等。
[0016] 当然，光电感测器16和光电感测器17之间的距离也可以等于每个分区内的相邻两个光电感测器之间的距离。
[0017] 光电感测器14，15，16，17，18和19之间的区域为非光电感测区，其材料与衬底12相同。
[0018] 可动板30悬伸于衬底12的表面121上方，且与衬底12平行，其移动方向与衬底12平行，还与光电感测器14的延伸方向垂直。可动板30是利用微机电结构(Microelectronic Mechanical Structure，MEMS)制程加工形成。一般地，该可动板30的材料为金属。透光区36和不透光区38设置在可动板30上。
[0019] 透光区36是一个形状大小和光电感测器14、15、16、17、18、19中任一个的宽度都相同的区域，即，是一个截面大致为长方形的狭孔。
[0020] 当加速度计晶片没有受到外界作用
力时，透光区36和非光电感测区21对准，并且透光区36的垂直投影落在非光电感测区21之内。
[0021] 第一锚定件32和第二锚定件34固定于衬底表面121，可动板30两端分别与第一弹性连接部31和第二弹性连接部33连接，第一弹性连接部31和第二弹性连接部33分别通过第一锚定件32和第二锚定件34锚接于衬底表面121，且光电感测区20对应着可动板30的区域，即，位于第一弹性连接部31和第二弹性连接部33所限的范围之内。第一锚定件
32和第二锚定件34的作用在于使可动板30相对衬底12固定连接。第一弹性连接部31和第二弹性连接部33的作用在于：当加速度计晶片10受到外界作用力时，可动板30能沿平行于衬底12沿垂直光电感测器的延伸方向移动。
[0022] 光电感测器阵列20与电路40连接，且电路40通常为放大电路，以将光电感测器阵列20所产生的电
信号放大输出。
[0023] 加速度计晶片10的工作原理具体如下：
[0024] 当加速度计晶片10不受外力时，可动板30的透光区36位于衬底表面121的光电感测区20以外，由于此时光电感测区20没有感光，因此没有
电信号输出。
[0025] 当加速度计晶片10受外力时，根据
牛顿第二定律(F＝ma，其中F表示物体所受外力大小，m表示物体
质量，a指物体所受的加速度大小)，加速度计晶片10具有一定的加速度，使得可动板30相对衬底12水平移动，因此透光区36相对衬底12移动，光电感测区20的光电感测阵列将感测到外部的
光信号。
[0026] 例如，在第一时刻，透光区36位于光电感测器18的上方，光电感测器18感光，因此只有光电感测器18有电信号输出；在第二时刻，透光区36位于光电感测器19的上方，光电感测器19感光，因此只有光电感测器19有电信号输出。
[0027] 电路40记录两次电信号的时间差，又由于光电感测器18及光电感测器19之间的距离是已知量，因此可以计算出加速度计晶片10所受的加速度变化量。
[0028] 当然，也可以得到瞬时加速度值，或该信号作为其他功能性结构的指令。
[0029] 另外，每个光电探测器所接收的光信号的性质，例如光强、
频率等随着外界加速度的变化而变化，都会影响光电感测器阵列电信号的输出。
[0030] 特别是，当可动板30受到外界作用力而以固定频率振动时，在第一时刻和第二时刻，透光区36都位于光电感测器18的上方使得光电感测器18输出电信号，即，在一个周期内，光电感测器18输出两次电信号，由于光电感测器18与透光区36所能到达的最远处间隔确定且已知，便可根据一个周期内的电信号测得加速度变化量。若初始速度为0，则测得一个周期后的瞬时加速度。
[0031] 请参看图3，加速度计50包括基底100，内部光源106，盖板102和加速度计晶片10。其中，基底100和盖板102形成一封闭空间103，该封闭空间103容纳加速度计晶片10和内部光源106，基底100和盖板102可为该加速度计提供机械保护。
[0032] 基底100具有一内表面101，加速度计晶片10的衬底12位于表面101且加速度计晶片10和基底100以
引线键合(wire bonding)的方式进行电性相连。
[0033] 内部光源106位于基底表面101，且通过管芯键合(die bonding)的方式与该基底100进行电性相连。
[0034] 优选地，内部光源106采用
发光效率较高耗电量低易封装的
发光二极管(LED)。内部光源可以是一个或多个独立封装的发光单元，也可以是一个发光单元阵列。
[0035] 盖板102为一玻璃板，其具有一个外表面1021和内表面1022，外表面1021
镀有反射膜104。优选地，该反射膜104为高反射率反射膜，例如通过镀一层金属反射膜或绝缘膜(dielectric coating)来实现高反射率。反射膜104的作用在于使内部光源106发出的光经过反射膜104的反射到达加速度计晶片10。
[0036] 根据实际需要，盖板102也可以由不透明材料制成。另外，反射膜104既可镀于外表面1021，也可镀于内表面1022，也可两面都镀，以提高加速度计晶片10的受光量。
[0037] 请参看图4，本发明第三实施例提供的加速度计晶片60与第一实施例提供的加速度计晶片10基本相同，不同之处在于：
[0038] 加速度计60为振幅型加速度计；
[0039] 可动板70包括三个透光区71，72和73，且透光区71、72、73的宽度相等。
[0040] 光电感测区66包括一个光电感测器阵列，其包括光电感测器61，62，63，64和65；其中，光电感测器61和光电感测器62的间距等于透光区71的宽度；光电感测器63和光电感测器64的间距等于透光区72的三倍宽度；光电感测器64和光电感测器65的间距等于透光区73的五倍宽度。
[0041] 静止时，透光区71位于光电感测器61和光电感测器62中间，透光区72位于光电感测器63和光电感测器64中间，透光区73位于光感测器64和光电感测器65中间，且每个透光区的垂直投影区落在与之相邻的两个光电感测器之间，以保证测量的精确性。
[0042] 当加速度计晶片60受到外力时，在同一时刻，至少有一个透光区落在至少一个光电感测器上方，即，同一时刻，至少有一个光电感测器输出光信号。
[0043] 当可动板70受到外界作用力而移动时，由于受力大小不同，可动板70的移动幅度不同，对应地，不同
位置的光电感测器有电信号输出。例如，可动板70的移动幅度较小时，光电感测器61或62输出电信号，若移动幅度进一步加大，则光电感测器63或64输出电信号，依此类推，再由电路80来判断电信号的输出时间差，从而得到加速度变化量。
[0044] 可以理解，还可以进一步增设第四个透光区，第四个透光区的垂直投影区与相邻的光电感测器的距离是透光区宽度的四倍。
[0045] 另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。
