[发明专利]数字式平衡装置

说明书

本发明涉及一种装置，尤其涉及一种数字式力平衡装置，该装置将直接的数字静电冲头与由数字反馈回路充电的伺服回路盘结合。

诸如加速度盘一类的精密仪器被广泛的用于各种行业中，如在轮船、导弹或飞机的加速度或减速度的测量中。传统的加速度仪是利用一个摆锤形振子，由摆锤的位移来标注加速度。为了使摆锤受力回到其初始的、位移前的位置，向摆锤施加一个通常由静电场产生的力。通过探测产生静电场所需要的电流可以判定加速度。最近的一种加速度仪的设计依赖于一个活动的石英电极，该电极定位于两个固定的电极之间向石英基伸出悬臂。活动电极与两个活动电极分开。整体结构是一种在玻璃层中的夹层结构并电连接到监控回路。

在使用诸如加速度仪等惯性装置的任何系统中，有一个对惯性传感器或加速度仪提供的数据进行处理的计算机。对于惯性装置非常理想的是直接向计算器输出数字数据，从而免除对复杂的量化回路的需要。实际上，它对数字表示信号的传递和处理要远比旧的模拟形式的信号容易。

已有过利用静电力构造数字输出加速度仪的尝试。这一般地分为两类：电荷控制(US.5.142.921)和电压控制(见US 07/514,114和07/908,520)。该发明装置是电压控制，意思是电压施加到静电力盘产生一个力。该发明还涉及系列号为08/097/084，题目为Electrostatically Force Balanced SiliconAccelerometer disclosing processes for fabricating electrostatic forcers的文章。

另外，STEWART等人的美国专利US.5,1442,921公开了一种用静电荷控制的力平衡装置。更精确地说，该发明就是一种采用了静电敏感元件和在其反侧的施力盘结合的摆锤。装置的工作原理要求产生的力正比于施加电压的平方。

这个被称为平方律的原理需要利用微处理器对电压取平方根得到力。这是比较复杂和费事的方法，并且是非线性的。潜在的误差源包括平方根运算中的四舍五入或任何使用软盘的查表指令。另外，任何与电压脉冲的应用有关的运算和时间常数都显示具有不同脉冲高度的不同的力。

线性力平衡的另一种方法是通过控制工作循环使得在全循环的每个部分之间的差异是加速度的线性值。这种方法的一个缺点是它倾向于在全过程中使用最大的允许电压，以至于有一种在反方向突然移动检测质量的可能。这通常被称为“颤噪”。

对于优良稳定性的偏压，当将底座返回到零位置仅需要一个很小的力时，就可避免向底座施以较大的力。随着向底座施以较大的力，静电负弹性率的问题增多，并且与时间有关的非线性变的更糟。克服这些颤噪问题的一个方法是用高速时钟达到好的分辨率；然而，对于多种应用，这种方法引起对电压的不可接受的增长。

上述的电压偏压，作为来自一直存在的偏压的静电场的结果，线性化力的方法显示很大的负弹性率。在美国专利US.07/514,114公开的方法中没有采用线性偏压场而是根据施加电压的方向，向位于加速度仪底座一侧上的盘或其它施加电压。

因此，目前存在对数字式力平衡装置，提供一种与输入的力成线性的数字码输出。这将避免了平方律的问题。

介于上述的问题，本发明数字装置的一个目的在于提供一种与输入的力呈线性的数字码输出。本发明的另一个目的是不需要平方或平方根就能获得力平衡数据。本发明的再一个目的在于提供对寄生电容可忽略其敏感性的电压驱动盘。本发明的还有一个目的在于在数字式力输出中不需要运算放大或模拟阶段。本发明的另一个目的在于采用简化的电路；即由一个集成电路块可得到的A/D转换进行量化。还有一个目的在于本发明装置应用一个接近于零g的施力，在低g输入中产生优良的偏压性能。

为了实现上述目的，本发明在优选实施例中提供了一种数字式力平衡装置，在本例中的加速度仪，它包括一个产生模拟输出信号的半导体底座电极。底座被半导体衬底包围。支撑包围在衬底上的底座的铰链将底座保持在一个悬挂的位置。在底座和包围的衬底之间有一个缝隙。

静电盘网以对称排列设置在包围衬底上底座的反侧。理想的情况是，盘围绕底座电极的动力学重心布置，将静电荷分布到关键位置。