在硅中的深沟槽蚀刻的发展，已经使得能够在硅片的平面内通过 一个工序制造复杂结构的陀螺仪。这种制造技术已经应用于加速度计 的制作，具有降低制造成本的优点，同时保持非常高的位置精度，并 且可以同时制造大量的器件。
利用交叉指状元件以便施加静电力的结构是公知的，包括偏置交 叉指状元件的使用。通过在指状元件之间外加电压，偏置交叉指状元 件引起静电力，但是，由于弥散场的作用，因使用多个交叉指状元件 导致的放大效应可能是非线性的。
发明的内容
因此需要一种改进的使用偏置交叉指状元件的电容式加速度计， 它至少将上述缺点减小到最低限度，优选地，改进带有外加电压的指 状元件之间的力的线性化，并且，优选地，改进对于给定的电压的检 测质量的偏转。
根据本发明的第一个方案，提供一种加速度计，该加速度计具有： 基本上为平面片状的检测质量；四个或更多个柔性安装腿，其中的每 个安装均与检测质量共平面；基本上平面的环状支撑件，所述检测质 量可移动地安装于其中，所述支撑件相对于该检测质量固定地安装并 与之共平面；对于每一个安装腿，在其一端连接到检测质量上，在其 另一端连接到支撑件上，以便将检测质量安装成在一个包括检测质量、 安装腿和支撑件的平面内响应于施加到该加速度计上的加速度的变 化，沿着一个感测方向进行线性运动，并且，其安装腿基本上垂直于 感测方向延伸；多个交叉电容器指状元件，在气态介质中安装在所述 环状支撑件上，用于感测所述检测质量沿着感测方向的线性运动，并 且为所述检测质量沿着感测方向提供气态介质的挤压阻尼，所述指状 元件、检测质量、安装腿和支撑件是共平面的，并由一个单一的单晶 硅片形成；所述指状元件包括横向间隔开的第一、第二、第三和第四 指状元件阵列，所述指状元件阵列基本上垂直于感测方向并离开支撑 件向着检测质量延伸，其中，第一和第二阵列位于检测质量的一侧， 第三和第四阵列位于检测质量的相对侧，并且，可动的第五、第六、 第七和第八横向间隔开的指状元件阵列基本上垂直于感测方向从检测 质量向支撑件延伸，并固定到所述检测质量上，第五和第六阵列位于 检测质量的所述一侧并分别与第一和第二阵列交叉，第七和第八阵列 位于检测质量的所述相对侧并分别与第三和第四阵列交叉，第一与第 五阵列以及第三与第七阵列的交错结合位于沿着感测方向的一个方向 从第一、第二、第三和第四阵列中的相邻的指状元件之间的中线起的 第一偏置距处，第二与第六阵列以及第四与第八阵列的交错结合位于 和第一偏置距大小相等方向相反的第二偏置距处；以及向指状元件的 第一偏置阵列提供第一驱动电压、向指状元件的第二偏置阵列提供大 小相等方向相反的第二驱动电压的装置，使得交叉指状元件提供检测 质量响应于施加到加速度计上的加速度的感测位移，驱动并衰减位移。
设置气态介质挤压膜阻尼、利用带有电容性的力反馈的交叉指状 元件，以这种方式可以确保利用低的驱动电压就能够实现线性输出， 而输入加速度与输出电压成正比。
优选地，借助干法蚀刻由一个硅片形成检测质量、安装腿、支撑 件和交叉指状元件，所述硅片沿着晶面[111]或[100]取向。
方便地是，支撑件具有围绕一个内部开口区域的矩形环状的形状， 具有基本上矩形形状的检测质量位于该开口区域内，并且其中，安装 腿基本上垂直于感测方向在间隔开的阵列中延伸，在限定出内部开口 区域的支撑件的第一内壁和检测质量的面对的第一外壁之间至少有两 个，在限定出内部开口区域的支撑件的相对的第二内壁与检测质量的 面对的第二外壁之间至少有两个。
有利地是，安装腿在感测方向具有高的顺从性，在其它方向具有 低的顺从性。
优选地，加速度计包括一个非导电性材料的支撑片，支撑件、第 一、第二、第三及第四指状元件阵列固定地安装在该支撑片上，而安 装腿、检测质量和第五、第六、第七和第八指状元件阵列与该支撑片 间隔开。
方便地是，所述支撑片用玻璃制成，支撑件和第一、第二、第三 和第四指状元件阵列通过阳极结合固定地安装在该支撑片上。
有利地是，该加速度计至少包括位于内壁开口区域内的四个接地 屏蔽网，其中的每一个与第一、第二、第三和第四指状元件阵列中相 应的一个相联系并部分地将其包围，可操作地将指状元件阵列从支撑 件屏蔽开，并且与支撑件电绝缘。
方便地是，接地屏蔽网通过阳极结合固定地安装在玻璃支撑片上。
优选地，该加速度计包括向固定的第三和第四指状元件阵列以反 相位提供矩形波驱动电压的装置，该装置包括：矩形波发生器；同相 位单元，用于从矩形波发生器接收输出信号并向第三指状元件阵列提 供同相信号；反相位单元，用于从矩形波发生器接收输出信号并向第 四指状元件阵列提供反相位信号；解调器，用于从矩形波发生器接收 频率信号；通过检测质量提供直流偏压的的器件；电容器，用于从检 测质量接收输出信号；积分器，用于从电容器接收输出信号；交流放 大单元，用于从积分器接收输出信号；带通滤波器，用于从交流放大 单元接收输出信号并且用于将输出信号转送到解调器；环路滤波器， 用于从解调器接收输出信号；直流放大单元，用于从环路滤波器接收 输出信号；正放大单元，用于从直流放大单元接收输出信号并将正输 出信号转送到第二指状元件阵列、以及一个负放大单元，用于从直流 放大单元接收输出信号并把负输出信号转送到第一指状元件阵列。
有利地是，该加速度计包括向固定的第一、第二、第三和第四指 状元件阵列以反相位提供矩形波驱动电压的装置，该装置包括：矩形 波发生器；同相位单元，用于从矩形波发生器接收输出信号并向第三 和第一指状元件阵列提供同相位信号；反相位单元，用于从矩形波发 生器接收输出信号并向第四和第二指状元件阵列提供反相位信号；积 分器，用于从检测质量接收输出电流，并将该电流转换成输出电压； 带通滤波器，用于接收输出电压；解调器，从带通滤波器接收输出信 号并将其转换成直流输出信号；一个低通滤波器，用于接收直流输出 信号并用于由此提供一个开环输出信号。
附图说明
为了更好地理解本发明，并且表明可以如何实现本发明，将通过 举例的方式，参照下面的附图进行描述，其中：
图1表示根据本发明的第一个实施例的加速度计的平面图；
图2是在图1中的沿方向A的端视图；
图3是沿着图1的BB线的剖视图；
图4是沿着图1的CC线取的剖视图；
图5是沿着图1的DD线取的剖视图；
图6是沿着图1的EE线取的剖视图；
图7是表示供图1至6所示的加速度计使用的、以闭合环路结构 向固定的第三和第四指状元件阵列以反相位提供矩形波驱动电压的装 置的框图；以及
图8是表示供图1至6所示的加速度计使用的、以开环回路结构 向固定的第一、第二、第三和第四指状元件阵列以反相位提供矩形波 驱动电压的装置的框图。

首先参照图1至6所示的根据本发明的第一个实施例的电容性加 速度计，它包括：基本上为平面片状的检测质量1；四个或更多个柔 性的安装腿2，其中的每一个均与检测质量1共平面；基本上为平面 的环状支撑件3，检测质量1可移动地安装在该支撑件3中，该支撑 件3相对于检测质量1固定地安装，并且与之共平面。每个安装腿2 在其一端连接到检测质量1上，在其另一端连接到支撑件3上，以便 将检测质量1安装成使之响应于施加到加速度计上的加速度的变化， 在包含检测质量1、安装腿2和支撑件3的平面中沿着感测方向线性 运动。安装腿2基本上垂直于在图1中主要用标号4表示的感测方向 延伸。
根据本发明的加速度计，包括多个在气态介质中安装在环状支撑 件3中的交叉的电容器指状元件，用于感测所述检测质量1的线性运 动，并且用于为所述检测质量1沿着感测方向4提供一个气态介质的 挤压阻尼，其中所述气态介质优选地为空气，所述指状元件、检测质 量1、安装腿2和支撑件3，是共平面的，并由一个单一的单晶硅片形 成。
指状元件包括横向间隔设置的指状元件9的第一、第二、第三和 第四阵列5、6、7和8，所述指状元件阵列基本上垂直于感测方向4 从支撑件3向检测质量1延伸。第一和第二阵列5、6位于检测质量1 的一侧，第三和第四阵列7、8位于检测质量1的相对侧。加速度计还 包括横向间隔的指状元件14的可动第五、第六、第七和第八阵列10、 11、12、和13，其中，所述指状元件阵列基本上垂直于感测方向4从 检测质量1向支撑件3延伸，并固定到检测质量1上。第五和第六阵 列10、11位于检测质量1的所述一侧，并且分别与指状元件9的第一 和第二阵列5、6交叉。第七和第八阵列12、13位于检测质量1的所 述相反侧，并分别与第三和第四阵列7、8交叉。第一与第五阵列5 和10以及第三与第七阵列7和12的交错结合位于沿着感测方向4的 一个方向从第一、第二、第三和第四阵列5、6、7和8中的相邻的指 状元件之间的中线(未示出)起的第一偏置距d-δ处。第二与第六阵 列6和11以及第四与第八阵列8和13的交错结合，位于和第一偏置 距d-δ大小相等与感测方向4的相反方向的第二偏置距d+δ处。
现将参照附图的图1的对于横向间隔开的指状元件14、14a的交 叉的可动第七阵列12和指状元件9的交叉的固定第三阵列7的例子进 行描述。距离15代表距离d+δ，距离16代表d-δ。因此，对于阵 列7和12而言，第一偏置距在感测方向4上朝向阵列7和12实际上 为-δ。
观察第四固定阵列8和第八可动阵列13，距离15在图1上是最 大的，使得对于这一对交叉的阵列而言，第二偏置距实际上为+δ。进 一步详细地考虑交叉的第三阵列7和第八阵列12，静电力F(牛顿) 由下式给出：
F＝eE                                ...(1)
其中，E是静电电场，e是电荷。固定到检测质量1上的两个可 动指状元件14和14a，具有电压V1，并且相对于支撑件3固定的阵 列7的中间的指状元件9a具有电压V2。中心指状元件9a从可动指状 元件14和14a的中点偏移一个量δ。检测质量1被保持在固定的电压 V1，而中心指状元件9a则被保持在可变的电压V2。认为由于该单一 的组合作用到检测质量1上的力：
F＝q(E1-E2)＝C(V1-V2)(E1-E2)        ...(2)
$C=C_1+C_2=\frac{{\mathrm{Aϵ}}_0}{d}(1-\frac{\delta }{d}+1+\frac{\delta }{d})=\frac{2A{ϵ}_0}{d}---\left(3\right)$
$E_1-E_2=(V_1-V_2)(\frac{1}{d-\delta }-\frac{1}{d+\delta })=(V_1-V_2)\left(\frac{2\delta }{d^2}\right)---\left(4\right)$
从而，
$F=\left(\frac{4A{ϵ}_0\delta }{d^3}\right){(V_1-V_2)}^2---\left(5\right)$
因此，当利用这种形式的指状元件对时，该力是电压的二次函数。 在实际上，存在有n个指状元件9、14的一个组，其中δ是正的，带有 正的电压V2，以及n个指状元件9、14的另一个组，其中δ是负的， 带有一个负的电压V2。从而，对于全部指状元件的全部的力，由下式 给出：
$F_1+F_2=\frac{4\mathrm{n\delta A}{ϵ}_0}{d^3}[{(V_1-V_2)}^2-{(V+V_2)}^2]=\frac{16\mathrm{n\delta }{\mathrm{Aϵ}}_0}{d^3}{V}_1{V}_2---\left(6\right)$
从而，向检测质量1施加偏压V1，向支撑件3施加可变电压V2。 从而，加速度计的比例因子由施加到检测质量上的驱动电压设定，这 将需要设定成高的精度，以便满足在ag到100g的范围内典型的为 0.1％的比例因子精度的要求，例如，其中
n＝60
d＝10微米
δ＝3微米
V1＝15V
V2位于-15V和+15V之间
ε0＝8.86 10-12(自由空间的介电常数)
A＝硅的深度(140微米)*指状元件长度(2mm)＝2.8e-7m2
这给出2.2 10-3N的力。
如果检测质量1的重量为2毫克，1g的加速度要求1.96e-5N，从 而利用+/-15V将能够将100g归零。对于具有6微米的间隙的15微米 的典型的指状元件的宽度，在宽度为5mm的硅上可以有120个指状 元件。
检测质量1、安装腿2、支撑件3和交叉的指状元件9、9a、14 和14a由一个硅片通过干法蚀刻形成，优选地，通过深反应离子蚀刻 形成，所述硅片沿着[111]或[100]晶面取向。如可以从附图的图1至6 中看出的那样，支撑件3具有围绕内部开口区域17基本上为矩形的环 状形状，如图所示，优选地具有基本上矩形形状的检测质量1位于该 内部开口区域内，其中，安装腿2基本上垂直于感测方向4以间隔配 置的阵列延伸，在支撑件3的限定出内部开口区域17的第一内壁18 和检测质量1的相面对的第一外壁19之间至少有4个安装腿2，在限 定出内部开口区域17的支撑件3的第二内壁20与检测质量1的相面 对的第二外壁21之间至少有4个安装腿2。安装腿2在感测方向4上 具有高的顺从性，在其它方向具有低的顺从性。
本发明的加速度计还包括一个非导电性材料的支撑片22，支撑件 3和指状元件9的第一、第二、第三及第四阵列5、6、7和8固定地 安装在该支撑片22上，而安装腿2、检测质量1和指状元件14的第 五、第六、第七和第八阵列10、11、12、和13与支撑片22间隔开。 该支撑片22由玻璃制成，优选地由Pyrex(注册商标)玻璃制成，以 便形成一个薄片结构，借助阳极结合，将指状元件9的第一、第二、 第三和第四阵列5、6、7和8固定地安装到该玻璃支撑片上。利用阳 极结合将硅结合到玻璃支撑片22上，具有将交叉的指状元件的电容相 对于接地层电绝缘的优点。微小的电容量的变化对于加速度计的精度 是非常重要的。
指状元件9、9a、14和14a沿着它们的长度悬挂，并且在支撑件 3的内部开口区域17内支撑在支撑片22上，但是，与支撑件3电绝 缘。为此，每一个指状元件阵列设置有一个接地屏蔽网23，在图示的 实施例中为4个。每个屏蔽网23位于内部开口区域17内，并与指状 元件的第一、第二、第三和第四阵列5、6、7和8的每一个相联系并 将其部分地包围，可操作地将指状元件阵列相对于支撑件3屏蔽，并 与支撑件3电绝缘。为此，将屏蔽网23固定到与支撑件3电绝缘的支 撑片22上。用于指状元件9、9a的第一和第二阵列5、6，在电学上 通常处于0伏。这改进了高电压驱动与位于支撑件3和检测质量1的 其余部分上的低电平信号的隔离。将与指状元件9、9a的第三和第四 阵列7、8相联系的接地屏蔽网23设置在0伏，以便将驱动与支撑件 3隔离。优选地，利用阳极结合将接地屏蔽网23固定地安装到玻璃支 撑片22上。
检测阵列1和支撑安装腿2在内部开口区域17内悬挂在支撑片 22之上。尽管在图中示出了4个这种腿2，但是也可以提供更多个， 例如对于检测质量1的4个端角的每一个设置16个，总计设置64个 腿2。所选择的腿的数目，使得给出经过核准的质量组合的所需的响 应频率。优选地，腿2安装在检测质量1的所有4个拐角处，以便给 出相对于加速度的横轴的最大刚性。这样，图解说明的加速度计是一 个平面加速度计，其感测轴4位于加速度计器件的平面内。
对所使用的指状元件和腿的数目和它们之间的间隙进行选择，以 便由气态介质挤压薄膜阻尼给出临界阻尼。为此，可以将加速度计密 封以便提供一个典型地处于大气压力的内部环境。尽管气态介质可以 是空气，但优选地的介质是干燥的氮气，将其填充到加速度计的密封 的内部开口区域17内，但是，如果需要的话，也可以使用其它气体， 例如氦气或者氖气。优选地，所述气体具有一个低于加速度计的最低 工作温度的露点，以避免在加速度计内形成冷凝。
根据本发明的加速度计还包括向固定的第一、第二、第三和第四 指状元件阵列7和8以反相位提供矩形波驱动电压的装置。在如附图 的图7中所示的闭合环路结构中，该装置包括矩形波发生器24，该发 生器主要产生典型地为100kHz的矩形波输出信号，该矩形波输出信 号形成通过指状元件的第三和第四阵列7、8驱动检测质量1的信号。 为此，该装置包括一个同相位单元25，用于从矩形波发生器24接收 输出信号、并向指状元件的第三阵列7提供一个同相位信号。设置一 个反相位单元26，用于从矩形波发生器24接收输出信号、并向第四 指状元件阵列8提供一个反相位信号。检测质量典型地以这种方式在 一个15伏的高电压下驱动，这是因为加速度计的增益正比于驱动电 压。如前面所述，阵列7和8具有相反的偏置距并利用反相位信号驱 动，以便在相同的方向给出一个净的正力。将围绕阵列7和8的接地 屏蔽网23设定在零伏。
在输入端29向检测质量1提供一个输入的直流偏压V1，用于闭 合环路操作。该装置还包括一个DC隔直流电容器30，通过该电容器 30，一个输出信号从检测质量1通过以便消除在检测质量1上的偏压。 然后，来自于电容器30的输出信号通向积分器31，该积分器31提供 一个与检测质量1从平均位置的位移成正比的输出电压。由于检测质 量1利用高导电性的硅、典型地利用[100]面电连结到支撑件3上，借 助引线结合到支撑片3上的焊接点上(未示出)可以获得该输出信号。 通过交流电流放大单元32将AC增益施加到该信号上。可以添加进一 步的增益，以便改进回路特性。然后该信号通过一个集中在标准的矩 形波发生器频率的带通滤波器33，以便在解调器34解调之前除去不 需要的频率。该信号在解调器34上以一个标准频率相对于通过线35 来自于信号发生器24的基准被解调。相对于平均位置，这将引起一个 误差信号，然后使之通过环路滤波器36，并作为一个反馈信号，在经 过DC放大单元37、一个正放大单元38和一个负放大单元39进行电 压放大之后，施加到驱动指状元件的第一和第二阵列5、6上。因此， 驱动电压是对所施加的加速度的一个计量。这用来将环路闭合，以便 在加速度的作用下，检测质量1不会移动，其惯性力被静电力所平衡。 从该系统来的输出信号，取自DC放大单元37。
在附图的图8所示的开环结构中，和图7中所示的类似的部分赋 予类似的参考标号，并省略其进一步的详细说明。在图8中，发生器 24以典型的频率100kHz产生一个矩形波，并通过固定的第一、第二、 第三和第四指状元件阵列5、6、7、8以反相位驱动检测质量1。该矩 形波信号被传送到一个同相位、非反相放大器单元26a，并传送到一 个不同相位的，反相放大器单元25a。来自于单元25a的输出信号被 提供给指状元件阵列7和5，来自于单元26a的输出信号被提供给指 状元件阵列8和6。这些输出信号的大小被单元25a和26a精确地设 定。
交叉的指状元件相对于该检测质量1电绝缘，该检测质量1利用 安装腿2固定到支撑件3上。支撑件3电连接到积分器31上，该积分 器31起着互阻抗放大器的作用，将来自于100kHz信号的电流转换成 100kHz的电压。然后后一种电压信号通过也起着AC增益级的作用的 带通滤波器33，然后进入解调器34。解调器34其中一个全波整流器 的作用，将来自于检测质量1的100kHz的信号转换成直流信号，该 直流信号然后被转送到低通滤波器36。
来自于低通滤波器36的输出27形成开环输出信号，该信号与施 加的g力(惯性力)成正比。
交叉驱动指状元件的使用将气态介质挤压薄膜阻尼的效果和提供 一个大的电容量以便利用一个适当强度的用于力反馈的力很容易进行 驱动结合起来。这样，通过在不损害功能性的情况下降低成本、缩小 尺寸和降低复杂性，提供了一种超过电感式加速度计的益处。从而， 本发明的加速度计由于最好地使用一个推挽输出驱动级，提供了一个 相对于外加电压的线性比例因子，从而降低了所需要的电压的限制。 和硅一起使用阳极结合的玻璃，与可以作为一种选择方案的硅熔接结 合相比，使得改进了电容器指状元件的绝缘。检测质量1连与支撑腿 2一起的矩形几何形状，对于高的g冲击阳极对于横向加速度，给出 良好的强度。
权利要求书
(按照条约第19条的修改)
开，并且与所述支撑件电绝缘。
8.根据权利要求7所述的加速度计，其特征在于，所述接地屏蔽 网通过阳极结合固定地安装在所述玻璃支撑片上。
9.根据权利要求8所述的加速度计，包括向所述固定的第一、第 二、第三和第四指状元件阵列以反相位提供矩形波驱动电压的装置， 该装置包括：矩形波发生器；同相位单元，用于从所述矩形波发生器 接收输出信号并向所述第三指状元件阵列提供同相位信号；反相位单 元，用于从所述矩形波发生器接收输出信号并向所述第四指状元件阵 列提供反相位信号；解调器，用于从所述矩形波发生器接收频率信号； 用于向所述检测质量提供直流偏压的器件；电容器，用于从所述检测 质量接收输出信号；积分器，用于从所述电容器接收输出信号；交流 放大单元，用于从所述积分器接收输出信号；带通滤波器，用于从所 述交流放大单元接收输出信号并且用于将输出信号转送到所述解调 器；环路滤波器，用于从所述解调器接收输出信号；直流放大单元， 用于从所述环路滤波器接收输出信号；正放大单元，用于从所述直流 放大单元接收输出信号并将正输出信号转送到所述第二指状元件阵 列，以及一个负放大单元，用于从所述直流放大单元接收输出信号并 把负输出信号转送到所述第一指状元件阵列。
10.根据权利要求8所述的加速度计，包括向所述固定的第一、第 二、第三和第四指状元件阵列提供矩形波驱动电压的装置，该装置包 括：矩形波发生器；同相位单元，用于从所述矩形波发生器接收输出 信号并向所述第三和第一指状元件阵列提供同相位信号；反相位单元， 用于从所述矩形波发生器接收输出信号并向所述第四和第二指状元件 阵列提供反相位信号；积分器，用于从所述检测质量接收输出电流， 并将该电流转换成输出电压；带通滤波器，用于接收所述输出电压； 解调器，从所述带通滤波器接收输出信号并将其转换成直流输出信号； 以及低通滤波器，用于接收所述直流输出信号并用于由此提供一个开 环输出信号。