专利名称：电容性加速度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于加速度测量中的测量装置，更具体地涉及电容性加速度传感器。本发明的目的是提供一种改进的传感器结构，其特别是在小的电容性加速度传感器设计中，能实现可靠的和有效的加速度测量。
背景技术：
业已证明，基于电容性加速度传感器的测量具有简单的原理和在加速度的测量中提供了可靠的方法，电容性测量是基于传感器的一对电极的两个表面之间的间隙的变化。表面之间的电容，即用来存储电荷的能力，取决于表面的面积和表面之间的距离。电容性测量已经能用在相当低的加速度测量范围。
在下面示例性地参考附图描述现有技术，其中图1表示根据现有技术的加速度传感器的一对电极的结构的透视图；和图2表示根据现有技术的加速度传感器的一对基于平移运动的电极的结构的侧视图。
图1表示根据现有技术的加速度传感器的一对电极的结构的透视图。根据现有技术的加速度传感器的该对电极包括一个根据加速度移动的可移动电极1和一个静止电极2，可移动电极1是对加速度传感器的加速度响应的那个部分1，并且该部分由于加速度的缘故而相对于静止电极2移动。可移动电极1和静止电极2组成一对电极，该对电极将加速度转变成能电测量的量，即电容。在附图中，加速度传感器的可移动电极1支承在点3和4处。通常，在可移动电极1的相对侧上，现有技术的加速度传感器还包括第二对电极，为了清楚的原因，在附图中没有示出第二对电极。
能基于该对电极的可移动电极的平移运动或旋转运动来实施加速度传感器。
图2表示根据现有技术加速度传感器的一对基于平移运动的电极的功能结构的侧视图。根据现有技术的加速度传感器的该对电极包括可移动电极1和静止板部2。加速度传感器的可移动电极1的支承点由点4表示。当加速度传感器的可移动电极1处于上面的位置中时，在可移动电极1的底面和板部2的顶面之间形成电容，电容的大小取决于表面1、2的面积和表面1、2之间的距离。当加速度传感器的可移动电极1移动到一个较低位置时，由于表面1、2之间的距离减小，所以表面1、2之间的电容相当大地增加。
在申请人的共同未决的专利申请中更详细地描述了用于支承该对电极的可移动电极的布置和根据本发明的加速度传感器的电极的结构。
发明内容
本发明的目的是提供这样一种改进的传感器结构，其实现对称的优点，和特别是在小的电容性加速度传感器设计中，其能实现可靠和有效的加速度测量。
根据本发明的第一特点，提供有一种电容性加速度传感器，其包括至少一对电极，以便每对电极包括一个对加速度起反应的可移动电极和至少一个静止板部，以便每对电极还包括基本上形成公共轴线的旋转轴线，从而加速度传感器的可移动电极被刚性地支承在旋转轴线，以便可移动电极绕着旋转轴线在旋转运动上自由转动；和在加速度传感器中利用了多对电极。
优选地，关于对称轴线对称地选择所述多对电极的位置。优选地，所述多对电极的电极形状选择成适合多对电极的数量。优选地，在加速度传感器中利用至少两对电极。
可选择地，在加速度传感器中利用两对电极。优选地，通过使用两对电极，实现单轴线加速度传感器。优选地，通过使用两对电极，实现两轴线加速度传感器。优选地，所述多对电极这样定位，即形成两个对称轴线。优选地，在每个可移动电极的重心之间的线段的长度短于在不同可移动电极的任何支承点之间划出的直线。
优选地，在加速度传感器中利用三对电极。优选地，通过使用三对电极实现单轴线加速度传感器。另外，也可以通过使用三对电极实现两轴线加速度传感器。另外，也可以通过使用三对电极实现三轴线加速度传感器。优选地，所述多对电极这样定位，即形成三个对称轴线。优选地，所述多对电极这样定位于传感器中，即每个可移动电极的正方向向量之间的角度关于另外两个可移动电极的正方向向量是120°和240°。优选地，可移动电极的反方向向量基本上在单个点处相交。
另外，也可以在加速度传感器中利用四对电极。优选地，通过使用四对电极实现单轴线加速度传感器。另外，也可以通过使用四对电极实现两轴线加速度传感器。另外，也可以通过使用四对电极实现三轴线加速度传感器。优选地，所述多对电极这样定位，即形成四个对称轴线。
优选地，所述多对电极这样定位于传感器中，即每个可移动电极的正方向向量和另外三个可移动电极的正方向向量之间的角度是90°、180°和270°。优选地，可移动电极的反方向向量基本上在单个点处相交。
另外，也可以在加速度传感器中利用八对电极。优选地，通过使用八对电极实现单轴线加速度传感器。另外，也可以通过使用八对电极实现两轴线加速度传感器。
另外，也可以通过使用八对电极实现三轴线加速度传感器。优选地，所述多对电极这样定位，即形成四个对称轴线。优选地，各对电极适合在不同的加速度范围进行测量。优选地，加速度传感器的多对电极中的一些是备用的电极对。优选地，加速度传感器的多对电极中的一些用于电容变化的线性化。
下面示例性地参考附图对本发明和实现它的优选方法进行详细的描述，其中图1表示根据现有技术的加速度传感器的一对电极的结构的透视图；图2表示根据现有技术的加速度传感器的基于平移运动的一对电极的功能结构的侧视图；图3表示根据本发明的加速度传感器的一对电极的功能结构的侧视图；图4表示根据本发明的加速度传感器的一对电极的结构的透视图；
图5表示当一对电极的表面之间的距离改变时，根据本发明的加速度传感器的一对电极的电容的变化，其以百分比的方式表达；图6表示用两对电极实现的根据本发明的加速度传感器；图7表示用三对电极实现的根据本发明的加速度传感器；图8表示用四对电极实现的根据本发明的加速度传感器；图9表示用八对电极实现的根据本发明的加速度传感器；图10表示根据本发明的可选加速度传感器，其用四对电极实现；以及图11表示根据本发明的第二可选加速度传感器，其用四对电极实现。
上面介绍了图1-2，下面，参考图3-11描述本发明和用于其实施的优选方法。
具体实施例方式
图3表示根据本发明的加速度传感器的一对电极的功能结构的侧视图。根据本发明的加速度传感器的一对电极包括一个可移动电极5、一个静止电极6和一个旋转轴线7。
加速度传感器的可移动电极5这样刚性地支承在旋转轴线7，即可移动电极5绕着旋转轴线7以旋转运动方式自由转动。处于旋转运动中的可移动电极5组成加速度传感器的对加速度起反应的部分，该部分由于加速度而绕着旋转轴线7进行旋转运动。
在旋转运动之前，当加速度传感器的可移动电极5处于上位置中时，在可移动电极5的底面和静止电极6的顶面之间形成电容，电容的大小取决于表面5、6的面积和表面5、6之间的距离。当可移动电极5在旋转运动之后旋转到下位置时，由于表面5、6之间的距离减小，所以表面5、6之间的电容增加。
由于表面5、6之间的距离变化，所以根据本发明的加速度传感器的该对电极中的表面5、6之间的电容不均匀地分布在表面5和6之上。根据本发明的加速度传感器还可以在可移动电极5的相对侧上包括第二对电极。
在根据本发明的加速度传感器中，与矩形形状的一对电极相比，借助于该对电极的形状增强处于旋转运动中的可移动电极的电容变化。电容变化的增强是基于由旋转运动引起的电极距离的不均匀性。
处于旋转运动中的可移动电极的末端的位置是限制旋转角度最大值的因素。通常，在静止电极的顶部上有一个缓冲结构，当可移动电极碰撞到那个结构时，该对电极达到其电容最大值。关于电容变化的最敏感区域在可移动电极的末端，因为那里是该对电极的距离变化最大的地方。
旋转角度的最大值取决于可移动电极与旋转轴线的最大距离，然而在电极的末端形成的电容的大小取决于该对电极的宽度，一对无载电极的电容仅仅取决于该对电极的表面。
在本发明中，通过可移动电极、静止电极或这两个电极这样成形该对电极，即该对电极的面积的相当大的部分在静止电极处尽可能远离旋转运动的轴线。根据本发明，多对电极的形状例如是三角形状的、水滴状的或锤子状的多对电极。通过根据本发明的结构，由该对电极产生的电容的较大部分在这样的区域中产生，在该区域中，该对电极的距离非常大地变化。
图4表示根据本发明的加速度传感器的一对电极的结构的透视图。根据本发明，加速度传感器的该对电极包括事先设计好的可移动电极8和事先设计好的静止电极9，可移动电极8根据加速度移动。可移动电极8组成加速度传感器的那个部分8，该部分对加速度起反应，并且该部分由于加速度而相对于板部9移动。可移动电极8和静止电极9形成一对电极，该对电极将加速度转变成可电测量的数值，即电容。在附图中，加速度传感器的可移动电极8支承在旋转轴线的点10和11处。
多对电极的可选形状例如是三角形状的、水滴状的或锤子状的多对电极。通过这样的结构，由该对电极产生的电容的较大部分在这样的区域中产生，在该区域中，该对电极的距离非常大地变化。
图5表示当一对电极的表面之间的距离改变时，根据本发明的加速度传感器的一对电极的电容的变化，其以百分比的方式表达。横轴表示该对电极的表面之间的距离(d)，相对地，纵轴表示该对电极的电容的变化(％C变化)，其以百分比的方式表达。曲线12表示当一对普通电极的表面之间的距离改变时，该对普通电极的电容的变化，该变化以百分比的方式表达，该对普通电极具有以平移运动的方式移动的矩形形状的表面。曲线13相应地表示当一对电极的表面之间的距离改变时，该对电极的电容的变化，该变化以百分比的方式表达，该对电极具有以旋转运动的方式移动的矩形形状的表面。
因而，可以看到，在测量中使用的以旋转运动方式移动的那对电极的电容变化没有在以平移运动的方式移动的具有矩形形状表面的普通对电极情况下的电容变化同样大。测量所需的这种变化灵敏度能通过设计该对电极的形状来补偿。曲线14表示当一对电极的表面之间的距离改变时，该对电极的电容的变化，该变化以百分比的方式表达，该对电极具有处于旋转运动中的三角形形状的表面。
根据本发明的加速度传感器的该对电极的可移动电极基本上具有两个支承点，支承点具有相关的弹簧，所述弹簧规定了可移动电极绕通过支承点划出的直线旋转的自由度。
可移动电极可以局限于对加速度的敏感方向不与电极平面平行的可移动电极。这里，电极平面理解成意指通过最小二乘法形成的电极的平面，因而，在垂直于可移动电极的电极平面的方向上，可移动电极的重心投影在与可移动电极的电极平面平行的平面上，平行于可移动电极的电极平面的该平面穿过可移动电极的支承点，所述投影的可移动电极不必落在在可移动电极的支承点之间划出的直线上。
在根据本发明的加速度传感器中可使用多对电极，因而，可以关于几个不同轴线测量加速度，多对电极的定位选择成关于对称轴线对称，由此在承受温度应力或其它对称负载时，多对电极的行为将是同等的。
加速度传感器的多对电极的形状选择成适合多对电极的数量，由此通过利用大批量对象的形状和定位，获得最佳的组装密度。在申请人的共同未决的国际专利申请中更详细地描述了根据本发明的加速度传感器的该对电极的可移动电极的支承布置和电极的结构。
图6表示用两对电极实现的根据本发明的加速度传感器。在附图中，除了三角形的可移动电极之外，还表明了对称轴线、弹簧连接点、旋转轴线和传感器的外壁。通过使用多对电极和通过合适地选择支承点，能实现具有另外的一个或两个轴线的加速度传感器。在附图中，用两对电极实现了具有两个轴线的加速度传感器，两对电极如此定位，即获得两个对称轴线。在根据本发明的加速度传感器中，每个可移动电极的重心和重心之间的线段的长度必须短于在不同可移动电极的任何支承点之间划出的直线。
图7表示用三对电极实现的根据本发明的加速度传感器。在附图中，除了三角形的可移动电极之外，还表明了对称轴线、弹簧连接点、旋转轴线和传感器的外壁。通过使用多对电极和通过合适地选择支承点，能实现具有另外一个、两个或三个轴线的加速度传感器。在附图中，用三对电极实现了具有三个轴线的加速度传感器，三对电极如此定位，即获得三个对称轴线。在根据本发明的加速度传感器中，正方向理解成是从可移动电极的支承轴线朝着重心的方向，而反方向理解成是与其相反的方向。在根据本发明的加速度传感器中，多对电极这样定位于传感器中，即每个可移动电极的正方向向量关于另外两个可移动电极的正方向向量是120°和240°，可移动电极的反方向向量基本上在单个点处相交。
图8表示用四对电极实现的根据本发明的加速度传感器。在附图中，除了三角形的可移动电极之外，还表明了对称轴线、弹簧连接点、旋转轴线和传感器的外壁。通过使用多对电极和通过合适地选择支承点，能实现具有另外一个、两个或三个轴线的加速度传感器。在附图中，用四对电极实现了具有三个轴线的加速度传感器，各对电极如此定位，即获得四个对称轴线。在根据本发明的加速度传感器中，多对电极这样定位于传感器中，即每个可移动电极的正方向向量关于另外三个可移动电极的正方向向量是90°、180°和270°的角度，而可移动电极的反方向向量基本上在单个点处相交。
图9表示用八对电极实现的根据本发明的加速度传感器。在附图中，除了三角形的可移动电极之外，还表明了对称轴线、弹簧连接点、旋转轴线和传感器的外壁。通过使用多对电极和通过合适地选择支承点，能实现具有另外一个、两个或三个轴线的加速度传感器。在附图中，用八对电极实现了具有三个轴线的加速度传感器，各对电极如此定位，即获得四个对称轴线。
可以用根据本发明加速度传感器的不同的电极对测量不同的加速度范围，加速度传感器的一些电极对还可以是备用的电极。另外，加速度传感器的多对电极中的一些可用于电容变化的线性化。
图10表示根据本发明的可选加速度传感器，其用四对电极实现。在根据本发明的可选加速度传感器中，多对电极这样定位于传感器中，即每个可移动电极的正方向向量关于另外三个可移动电极的正方向向量是90°、180°和270°的角度，而可移动电极的反方向向量基本上在组件中心的单个点相交。可移动电极的电极平面和支承点关于电极平面中的四个对称轴线对称。
图11表示根据本发明的第二可选加速度传感器，其用四对电极实现。在根据本发明的第二可选加速度传感器中，各对电极这样定位于传感器中，即每个可移动电极的正方向向量关于另外三个可移动电极的正方向向量是90°、180°和270°的角度，而可移动电极的反方向向量基本上在组件中心的单个点相交。可移动电极的电极平面和支承点关于电极平面中的四个对称轴线对称。
用根据本发明的加速度传感器实现了对称的优点，并且它能实现可靠和有效的加速度测量，特别是在小的电容性加速度传感器设计中。
权利要求
1.一种电容性加速度传感器，它包括这样的至少一对电极，即每对电极包括对加速度起反应的可移动电极(5)和至少一个静止板部(6)，其特征在于，每对电极还这样包括基本上形成公共轴线的旋转轴线(7)，即加速度传感器的可移动电极(5)被这样刚性地支承在旋转轴线(7)，以便可移动电极(5)绕着旋转轴线(7)以旋转运动方式自由转动；和在加速度传感器中使用几对电极。
2.如权利要求1所述的电容性加速度传感器，其特征在于，关于对称轴线对称地选择所述几对电极的位置。
3.如权利要求1或2所述的电容性加速度传感器，其特征在于，所述几对电极的形状选择成适合几对电极的数量。
4.如权利要求1-3中任一项所述的电容性加速度传感器，其特征在于，在所述加速度传感器中使用至少两对电极。
5.如权利要求1-3中任一项所述的电容性加速度传感器，其特征在于，在所述加速度传感器中使用两对电极。
6.如权利要求5所述的电容性加速度传感器，其特征在于，通过使用两对电极实现单轴线加速度传感器。
7.如权利要求5所述的电容性加速度传感器，其特征在于，通过使用两对电极实现两轴线加速度传感器。
8.如权利要求5-7中任一项所述的电容性加速度传感器，其特征在于，所述几对电极这样定位，即形成两个对称轴线。
9.如权利要求5-8中任一项所述的电容性加速度传感器，其特征在于，在每个可移动电极的重心之间的线段的长度短于在不同可移动电极的任何支承点之间划出的直线。
10.如权利要求1-3中任一项所述的电容性加速度传感器，其特征在于，在所述加速度传感器中使用三对电极。
11.如权利要求10所述的电容性加速度传感器，其特征在于，通过使用三对电极实现单轴线加速度传感器。
12.如权利要求10所述的电容性加速度传感器，其特征在于，通过使用三对电极实现两轴线加速度传感器。
13.如权利要求10所述的电容性加速度传感器，其特征在于，通过使用三对电极实现三轴线加速度传感器。
14.如权利要求10-13中任一项所述的电容性加速度传感器，其特征在于，所述几对电极这样定位，即形成三个对称轴线。
15.如权利要求10-14中任一项所述的电容性加速度传感器，其特征在于，所述几对电极这样定位于传感器中，即每个可移动电极的正方向向量关于另外两个可移动电极的正方向向量是120°和240°的角度。
16.如权利要求8-15中任一项所述的电容性加速度传感器，其特征在于，可移动电极的反方向向量基本上在一点处相交。
17.如权利要求1-3中任一项所述的电容性加速度传感器，其特征在于，在所述加速度传感器中使用四对电极。
18.如权利要求17所述的电容性加速度传感器，其特征在于，通过使用四对电极实现单轴线加速度传感器。
19.如权利要求17所述的电容性加速度传感器，其特征在于，通过使用四对电极实现两轴线加速度传感器。
20.如权利要求17所述的电容性加速度传感器，其特征在于，通过使用四对电极实现三轴线加速度传感器。
21.如权利要求17-20中任一项所述的电容性加速度传感器，其特征在于，所述几对电极这样定位，即形成四个对称轴线。
22.如权利要求17-21中任一项所述的电容性加速度传感器，其特征在于，所述几对电极这样定位于传感器中，即每个可移动电极的正方向向量关于另外三个可移动电极的正方向向量是90°、180°和270°的角度。
23.如权利要求17-22中任一项所述的电容性加速度传感器，其特征在于，可移动电极的反方向向量基本上在一点处相交。
24.如权利要求1-3中任一项所述的电容性加速度传感器，其特征在于，在所述加速度传感器中使用八对电极。
25.如权利要求24所述的电容性加速度传感器，其特征在于，通过使用八对电极实现单轴线加速度传感器。
26.如权利要求17所述的电容性加速度传感器，其特征在于，通过使用八对电极实现两轴线加速度传感器。
27.如权利要求17所述的电容性加速度传感器，其特征在于，通过使用八对电极实现三轴线加速度传感器。
28.如权利要求24-27中任一项所述的电容性加速度传感器，其特征在于，所述几对电极这样定位，即形成四个对称轴线。
29.如权利要求1-28中任一项所述的电容性加速度传感器，其特征在于，不同的电极对适合在不同的加速度范围进行测量。
30.如权利要求1-29中任一项所述的电容性加速度传感器，其特征在于，加速度传感器的几对电极中的一些是备用的电极对。
31.如权利要求1-30中任一项所述的电容性加速度传感器，其特征在于，加速度传感器的几对电极中的一些用于电容变化的线性化。
全文摘要
一种用于加速度测量中的测量装置，更具体地涉及电容性加速度传感器。根据本发明的电容性加速度传感器包括支承在旋转轴线(7)处的加速度传感器的可移动电极(5)，在根据本发明的加速度传感器中利用了几对电极，用根据本发明的加速度传感器结构实现了对称的优点，并且它能实现可靠和有效的加速度测量，特别是在小的电容性加速度传感器设计中。
文档编号G01P15/18GK1748147SQ200480003948
公开日2006年3月15日 申请日期2004年1月30日 优先权日2003年2月11日
发明者T·莱托宁 申请人:Vti技术有限公司