用于z軸諧振加速度計的改進檢測結構的制作方法
【專利摘要】本發明提供一種用于z軸諧振加速度計(24)的檢測結構(1)，具有慣性質量體(2)，其借助彈性錨定件元件(6)錨定到襯底(20)，以便懸置在襯底(20)上方，并且響應于沿關于平面(xy)橫切的垂直軸(z)作用的外部加速度(az)來執行繞第一旋轉軸(A)的旋轉的慣性移動；以及第一諧振器元件(10a)和第二諧振器元件(10b)，其通過相應彈性支撐元件(16)機械耦合到慣性質量體(2)，這實現在諧振情況下的繞第二旋轉軸(B)和第三旋轉軸(C)的旋轉的移動。具體地，第二旋轉軸(B)和第三旋轉軸(C)相互平行，并且還平行于慣性質量體(2)的第一旋轉軸(A)。
【專利說明】用于Z軸諧振加速度計的改進檢測結構
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種具有MEMS (微機電系統)或NEMS (納機電系統)型的垂直軸(稱作“z軸”)的諧振加速度計的改進的檢測結構，具體地涉及一種能夠以高的電學性能來檢測在相對于相同結構的主延伸平面橫切或者在該平面之外的方向上作用的垂直加速的分
量的結構。
【背景技術】
[0002]如已知的那樣，由于MEMS(或NEMS)型的加速度計的極其緊湊的尺寸、低的消耗水平和良好的電學性能，因而已經提出并使用MEMS(或NEMS)型的加速度計以用于廣闊的應用領域(例如慣性導航應用)。
[0003]在文獻中提出的以及在當前市場上出現的各種加速度計基于其檢測結構所使用的對應的檢測原理，大體可以分為三類:電容式加速度計、壓阻式加速度計和諧振加速度計。
[0004]在諧振加速度計中，待測量的外部加速度產生機械檢測結構的一個或多個諧振器元件的諧振頻率的可檢測的偏移；諧振器元件可以由檢驗結構的整體慣性質量體(自由質量體或檢驗質量體)構成，或者由其某些部分構成。與其它測量原理相比，諧振檢測具有提供直接頻率輸出、準數字型、高靈敏度和寬動態范圍的優點。
[0005]根據檢測結構的配置，可以由在諧振器元件中軸向應力的存在，或者由相同諧振器元件所經受的稱作“電學剛度”的變化來引起諧振頻率的變化。
[0006]具體地，已經提出了使用“表面微機械”技術制造的z軸諧振加速度計，其操作原理基于檢測由電學剛度的變化所弓I起的諧振頻率的變化。
[0007]例如，在以下文獻中描述了這種加速度計:
[0008][I]S.Sung,J.G.Lee,T.Kang," Development and test of MEMS accelerometerwith self-sustained oscillation loop" , Sensors and Actuators,109,1-8(2003)；
[0009][2]B.Lee, C.0h, S.Lee, Y.0h, K.Chun, " A vacuum packaged differentialresonant accelerometer using gap sensitive electrostatic stiffness changingeffect", Proc.MEMS2000 ；
[0010][3]H.C.Kim,S.Seok,1.Kim,S-D.Choi,K.Chun, " Inertial-grade out-of-planeand in-plane differential resonant silicon accelerometers (DRXLs) " , Proc.Transducers' 05, Seoul, Korea, June5_9,172-175 (2005)。
[0011]這些諧振加速度計的操作原理可以總結如下:外部加速度a在檢測結構的慣性質量體m上生成慣性力F = m.a ;該外力引起與其成比例的慣性質量體的位移或旋轉，這就引起在慣性質量體和面向其的襯底(以及在相同襯底上的檢測電極)之間的距離或間距的變化。間距的變化引起電學剛度Ke的變化，并且這引起諧振器元件的諧振頻率的相應的變化，無論這是由整體慣性質量體、由其部分還是由與其耦合的不同的元件所組成。
[0012]具體地，基于在文獻[I]中提出的原理的加速度計使用整體慣性質量體作為諧振器元件，該整體慣性質量體借助彈性支持元件來適當地懸置在襯底之上，并且通過與其耦合的電子裝置被適當地保持在諧振狀態下。
[0013]然而，這種結構具有如下缺點:由于檢測軸與諧振質量體的振蕩的軸重合，所以難于檢查振蕩模式是否穩定；此外，給定諧振質量體的尺寸(其對應于整體慣性質量體)，將其驅動為諧振所需的能量通常很高。
[0014]在上述文獻[2]和[3]中所提出的加速度計表示了一種備選的解決方案，其中微機電檢測結構由慣性質量體以及與其耦合的兩個扭轉諧振器構成。慣性質量體被偏心地約束到襯底，并且被設置為當外部加速度存在時繞旋轉軸旋轉；扭轉諧振器具有它們自己的軸，其與慣性質量體的軸正交，并且分別保持諧振。慣性質量體的位移導致被諧振器感知的電學剛度的變化，并且因此導致諧振器的諧振頻率的變化。
[0015]對于表面微機械制造的諧振加速度計而言，在文獻中報道的靈敏度針對Ig的加速度為幾十Hz。例如在文獻[2]中所述的器件的情況下，在移動慣性質量體的整體尺寸近似為2.5mmX 2mm,厚度為40 μ m ( S卩，相當大的尺寸，在便攜應用情況中的所有尺寸之上)的情形下，靈敏度達到近似70Hz / g。在文獻[I]中所述的器件的情況下，在移動慣性質量體的整體尺寸近似為ImmX 1mm、厚度為40 μ m的情形下，靈敏度達到近似25Hz / g。
[0016]因此迄今為止，所提出的各種諧振MEMS加速度計與針對機械檢測結構所提供的布置的觀點(具體地，與關于慣性質量體的諧振器元件的不同布置的觀點)不同，并且從而與由此衍生的電學性能(具體地關于對外部加速度的檢測靈敏度)的觀點不同。
[0017]然而這些加速度計中沒有在關于電學性能和機械尺寸的方面(主要是在需要特別低的消耗水平和小的尺寸的便攜應用的情況下)完全令人滿意的加速度計。
【發明內容】
[0018]由此，本發明的目的是提供一種具有改進的機械和電學性能的用于諧振加速度計的檢測結構，該機械和電學性能具體地關于對外部加速度的檢測的靈敏度并且關于所得尺寸。
[0019]根據本發明，由此如在所附權利要求中所限定的那樣提供一種用于諧振加速度計的檢測結構。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]為了更好地理解本發明，此處純粹以的非限制性示例方式并且參照附圖來描述其優選的實施例，在附圖中:
[0021]圖1示出根據本發明的第一實施例的諧振加速度計的檢測結構的示意平面圖；
[0022]圖2a示出由外部垂直加速度造成的圖1的檢測結構的慣性質量體的旋轉；
[0023]圖2b示出圖1的檢測結構的扭轉諧振器的變形；
[0024]圖3a和圖3b分別示意地示出一個諧振器的側向截面圖以及圖1的檢測結構的慣性質量體的側向截面圖；
[0025]圖4是合并檢測結構的諧振加速度計以及與諧振加速度計一起提供的電子裝置的簡化方框圖；
[0026]圖5是根據本發明的另一個實施例的諧振加速度計的檢測結構的更詳細的頂視圖；以及
[0027]圖6是圖5的檢測結構的具有示出的電連接跡線的頂視圖。
【具體實施方式】
[0028]圖1示出z軸諧振加速度計的整體表示為I的微機電檢測結構的第一實施例。是用半導體表面微機械技術以集成方式制造檢測結構，半導體表面微機械技術具體地開始于半導體材料(諸如硅)主體。
[0029]檢測結構I包括單個慣性質量體2，其在平面xy (對應于其主延伸平面，由第一水平軸X和第二水平軸I所限定)中具有的大體矩形的形狀；慣性質量體2在與相同平面xy正交的、沿垂直軸z的(垂直軸z與前述第一和第二水平軸X、y限定三個正交軸的集合)方向上具有(相對于平面xy中的尺寸)基本上可忽略的尺寸。垂直軸z還限定由檢測結構I檢測外部加速度的方向。
[0030]慣性質量體2錨定到下方襯底(此處未示出，例如半導體材料(諸如硅)的襯底)，以便懸置在所述襯底之上，其中在靜止條件下(即，沒有任何外部加速度)平面xy基本上平行于襯底的上表面。
[0031]具體地，在平面xy中慣性質量體2彈性耦合到設置在相同質量體2內的單個中心錨定件4。中心錨定件4例如由垂直于襯底延伸并且機械連接到襯底的柱體構成。具體地，中心錨定件4設置在在慣性質量體2內提供并且穿過慣性質量體2的厚度的第一窗口 5中。
[0032]慣性質量體2借助彈性錨定件元件6 (在圖1中示出的實施例中數量為2)連接到前述中心錨定件4，被配置為一個整體(特別是在柔性方面和扭轉剛度方面)以便保持慣性質量體2懸置在襯底之上，并且使其圍繞第一旋轉軸A的旋轉能夠移動出xy平面，第一旋轉軸A基本上定向為平行于第二水平軸y并且由相同的彈性錨定件元件6的延伸軸所限定。該移動表示慣性質量體2的第一正常模式，并且在圖2a中示意地示出(其中更小厚度的線表示靜止配置)。
[0033]具體地，慣性質量體2具有相對于第一旋轉軸A不對稱的質量分布以便偏心地約束到中心錨定件4。實際上，慣性質量體2沿第一水平軸X具有不對稱的質量分布，其中第一部分2a和第二部分2b被設置在關于第一旋轉軸A的相對側上,第一部分2a具有比第二部分2b更大的沿第一水平軸的延伸。整個檢測結構I基本上關于平行于第一水平軸x(并且經過中心錨定件4)的中心對稱軸對稱。
[0034]設置彈性錨定件元件6基本上關于第一旋轉軸A對稱并且沿第二水平軸y對準關于中心錨定件4的相對側對準地延伸。
[0035]更詳細地，每個彈性錨定件元件6包括“折疊梁”型的扭簧，其大體沿第二水平軸y延伸，并且以已知方式由多個相互平行的直線線繞(rectilinear)部分6a構成,直線線繞部分6a具有沿第二水平軸I的延伸并且在相應的末端通過連接部分6b彼此連接，其在沿第一水平軸X的、橫切于直線線繞部分6a的方向上延伸(并且具有遠小于直線線繞部分6a的長度上的延伸)。此外直線線繞部分6a很薄(即，其具有遠大于對應寬度的延伸方向上的長度)。
[0036]具體地，直線線繞部分6a中的、相對于旋轉軸A更靠外地設置的第一直線線繞部分6a在其一端連接到慣性質量體2，從而面向第一開口 5地連接到慣性質量體2的內側面，而直線線繞部分6a中的、同樣靠外地設置的并且在相對于相同的旋轉軸A的相對側的第二直線線繞部分6a連接到中心錨定件4。
[0037]檢測結構I還包括第一諧振器元件IOa和第二諧振器元件10b，第一諧振器元件IOa和第二諧振器元件IOb由在中心錨定件4上的相對于第一旋轉軸A的相對側上設置的、相對于相同的第一旋轉軸A對稱的相應懸置質量體(在平面xy中具有的遠小于慣性質量體2的尺寸)構成。
[0038]在圖1中示出的實施例中，第一諧振器元件IOa被設置在慣性質量體2內，具體地在第二窗口 12內，被提供通過慣性質量體2的第一部分2a ;而第二諧振器元件IOb被設置在相對于慣性質量體2的外側位置，在第三窗口 13內，被提供通過慣性質量體2的第二部分2b。具體地，第二諧振器元件IOb位于距離第一旋轉軸A的最大距離處，從而其外側表面中的一個(在圖2a中由S1代表)與相應外側表面(在圖2a中由S2代表)平齊,并且相對于慣性質量體2的相應外側表面(在圖2a中由S2代表)沿第二水平軸y對準。因此第三窗口 13在慣性質量體2的前述外側面S2處向外開口。
[0039]諧振器元件10a、IOb借助相應彈性支撐元件16被彈性約束到慣性質量體2，慣性質量體2是扭轉型的并被配置成使諧振器元件能夠將圍繞相應第二旋轉軸B和相應第三旋轉軸C的旋轉移動出平面xy之外，第二旋轉軸B和第三旋轉軸C的平行于第一旋轉軸A和水平軸I。該移動構成諧振器元件10a、10b的第一正常模式，并且在圖2b中圖示地示出(其中再一次地更小厚度的線表示靜止配置)。
[0040]旋轉軸B、C被設置在第一旋轉軸A的相對側，與其以距離r對稱(在圖3b中示出)。距離r近似等于慣性質量體2的第二部分2b沿第一水平軸X的延伸與諧振器元件IOb的質量體的沿相同的軸X的半個延伸之間的差。
[0041]更詳細地，每個諧振器元件10a、10b中通過由折疊梁型的扭簧構成的成對彈性支撐元件16被約束到相應慣性質量體2的部分2a、2b，扭簧相對于其中心總體沿第二水平軸y在相應諧振器元件10a、10b的相對側上延伸(并且被配置為基本上如關于彈性錨定件元件6所述的那樣)。彈性支撐元件16在具有適當形態(設計為包含諧振器元件10a、IOb的整個尺寸和彈性支撐元件16的整個尺寸)的窗口 12、13內、在相應諧振器元件10a、10b和慣性質量體2之間延伸。
[0042]也參照圖3a和3b，對于每個諧振器元件10a、10b，檢測結構I還包括被設置在對應諧振器元件10a、10b之下、在相對于對應旋轉軸B、C的相對側上的成對電極17、18。電極17和18被設置在檢測結構I的襯底上，在相同的圖3a、3b中由20表示。
[0043]限定為“驅動電極” 17的第一電極被用于通過應用適當的電壓差來驅動相關聯的驅動器元件10a、10b進入諧振狀態。具體地，當相關聯的驅動電極17被設置在隨時間變化的驅動電壓Va(t)(例如有正弦波形)時，諧振器元件10a、10b以引起諧振器元件10a、10b的振蕩旋轉諧振移動的方式被設置在恒定偏置電壓Vp下。
[0044]具體地，持續引起驅動諧振器元件10a、10b進入諧振，無論待檢測的外部加速度的存在所導致的慣性質量體2的旋轉。
[0045]限定為“檢測電極”18的第二電極被用于(根據稱作“平行板檢測”的檢測方案)借助與諧振器元件10a、10b耦合的電容的變化、來檢測對應諧振頻率的變化。檢測電極18大體保持接地(OV)。[0046]具體地，由于以下將闡明的原因，驅動電極17被設置在相對于第一旋轉軸A更靠外的側向位置，并且在平面xy中被設置到慣性質量體2的整個尺寸。
[0047]在相同的圖3a、3b中:c代表沿第一水平軸x的在旋轉軸B或C和電極17和18之間的距離山代表諧振器元件10a、10b的沿相同第一水平軸X的半延伸；g(l代表靜止狀態下(即，在沒有驅動并且在沒有外部加速度的情形下)在電極17、18和相應的諧振器元件IOaUOb之間的沿豎直軸z的間隙；Θ代表諧振器元件10a、IOb的繞相應旋轉軸B、C的旋轉角；并且β代表慣性質量體2的繞第一旋轉軸A的旋轉角。
[0048]以此處未示出(但將在下文描述)的方式，合適的電連接路徑可以被提供用于前述電極17、18去往耦合至檢測結構I的電路的電連接。該電路被配置成向測試結構I提供電驅動信號并且接收和處理由相同的檢測結構I提供的電檢測信號。
[0049]現在，再一次參照圖3a、3b描述檢測結構I的工作原理，其分別示出:諧振器元件10a、IOb (特別地，第一諧振器元件IOa)的響應于驅動信號的旋轉；以及慣性質量體2的響應于沿水平軸z作用的外部加速度az的旋轉(可以注意到在圖3b中，為了圖示的簡明，諧振器元件10a、10b被示出在靜止狀態下，但應理解諧振振蕩在任何情況下都存在，即使在存在外部加速度az的情形下)。
[0050]在沒有外部加速度az的情況下，兩個諧振器元件10a、10b保持在由以下表達式給定的相同標稱振動頻率fo下旋轉。
[0051]fo ^ JK j Κβ.2π V jP(I)
[0052]其中Km和Jp分別是諧振器元件10a、IOb的質量體的機械扭轉剛度和極慣性距，并且Ke是它們的由以下表達式給定的電扭轉剛度
[0053]Ke = T-V Vp2` (b3 - C3)
3^o(2)
[0054]其中ε C1是真空介電常數，并且L是諧振器元件IOa和IOb的質量體的沿第二水平軸y的尺寸。
[0055]此外，對于小角度Θ和低驅動電壓而言的由在每個諧振器元件10a、IOb上作用的靜電吸引造成的轉矩Te由下表達式給定:
[0056]Te ^ Te0+Ke Θ(3)
[0057]其中
[0058]Te。= T2T (b2 " C2JvP'
社⑷
[0059]當檢測結構I沿水平軸z經受線性加速時，彈性錨定件元件6經歷扭轉形變，使得慣性質量體2能夠圍繞第一旋轉軸A旋轉出平面xy之外。
[0060]作為該旋轉的結果，如在圖3b中所突出的那樣，約束到慣性質量體2的諧振器元件10a、IOb經歷沿垂直軸z的對應位移，并且具體地，第一諧振器元件(例如第一諧振器元件IOa)移動遠離襯底20(并且遠離在其上設置的電極17、18)，同時另一個諧振器元件(具體地第二諧振器元件IOb)接近襯底20。
[0061]在靜止狀態下在第一諧振器元件IOa和襯底20 (以及被設置在其上的電極17、18)之間的平均距離變為近似等于go+βρ而在靜止狀態下在第二諧振器元件IOb和相同的襯底20之間的距離變為近似等于注意，對于小位移而言，應用近似sini3 ^ β)。
[0062]由于電容驅動而存在的電學剛度與在諧振器元件10a、10b和下方的驅動電極之間的距離g的立方成反比，并且因此電學剛度對于第一諧振器元件IOa而言減少，而電學剛度對于第二諧振器元件IOb而言增加。
[0063]借助等式(I)，可以計算第一諧振器元件IOa的新的諧振頻率，其已經減少，而第二諧振器元件IOb的新的諧振頻率f2，其已經相應地增加:
【權利要求】
1.一種用于Z軸諧振加速度計(24)的檢測結構(1)，包括: -慣性質量體(2)，借助彈性錨定件元件(6)被錨定到襯底(20)，以便懸置在所述襯底(20)上方，所述彈性元件(6)被配置用于使所述慣性質量體(2)響應于沿關于所述慣性質量體(2)的主延伸的平面(xy)橫切的垂直軸(z)作用的外部加速度(az)來執行繞第一旋轉軸(A)的旋轉的慣性移動，所述第一旋轉軸(A)平行于屬于所述平面(xy)的水平軸(y)；以及 -第一諧振器元件(IOa)和第二諧振器元件(10b)，通過相應彈性支撐元件(16)機械耦合到所述慣性質量體(2)，所述彈性支撐元件(16)被配置用于實現所述第一諧振器元件(IOa)和所述第二諧振器元件(IOb)的分別繞第二旋轉軸(B)和第三旋轉軸(C)的旋轉的移動， 其特征在于，所述第二旋轉軸(B)和所述第三旋轉軸(C)相互平行，并且還平行于所述慣性質量體(2)的所述第一旋轉軸(A)。
2.根據權利要求1所述的結構，其中所述彈性錨定件元件(6)將所述慣性質量體(2)連接到被設置在第一窗口(5)處的中心錨定件(4)，所述第一窗口(5)被提供在所述慣性質量體(2)內，并且所述彈性錨定件元件(6)沿所述第一旋轉軸(A)延伸；并且其中所述慣性質量體(2)相對于所述第一旋轉軸(A)具有非對稱的質量分布，以便被偏心約束至所述襯底(20)。
3.根據權利要求1或2所述的結構，其中所述第二諧振器元件(IOb)在所述平面(xy)中被設置在相對于所述慣性質量體(2)的整體尺寸的外側位置。
4.根據權利要求3所述的結構，其中所述第一諧振器元件(IOa)和所述第二諧振器元件(IOb)被分別設置在第二窗口(12)和第三窗口(13)中，所述第二窗口(12)和所述第三窗口(13)被提供在所述慣性質量體(2)中；并且其中所述第三窗口(13)面向所述慣性質量體⑵的外側，并且所述第二諧振器元`件(IOb)具有外側表面(S1),所述外側表面(S1)被設置為與所述慣性質量體(2)的相應外側表面(S2)平齊，并且沿所述水平軸y相對于所述慣性質量體⑵的相應外側表面(S2)對準。
5.根據權利要求4所述的結構，其中所述第二諧振器元件(IOb)被設置在距所述第一旋轉軸(A)可能的最大距離處，由此在所述平面(xy)中保持在所述慣性質量體(2)的整體尺寸內。
6.根據前述權利要求中任一項所述的結構，其中所述第一諧振器元件(IOa)和所述第二諧振器元件(IOb)被設置為相對于所述第一旋轉軸(A)對稱，從而所述第二旋轉軸(B)和所述第三旋轉軸(C)被設置在距所述第一旋轉軸㈧相同的距離(r)處。
7.根據前述權利要求中任一項所述的結構，其中所述彈性錨定件元件(6)和所述彈性支撐元件(16)由折疊梁型扭簧構成，所述折疊梁型扭簧具有沿所述水平軸(y)的主延伸。
8.根據前述權利要求中任一項所述的結構，其中驅動元件(17)耦合到所述第一諧振器元件(IOa)和所述第二諧振器元件(10b)，所述驅動元件被配置用于實現分別繞所述第二旋轉軸(B)和所述第三旋轉軸(C)的旋轉的諧振驅動。
9.根據權利要求8所述的結構，其中所述驅動元件(17)包括驅動電極，所述驅動電極形成在所述襯底(20)上并且設置在所述第一諧振器元件和所述第二諧振器元件(10a、10b)中的每一個的下方，并且電容耦合到所述第一諧振器元件和所述第二諧振器元件(IOaUOb)中的每一個；并且其中形成在所述襯底(20)上的第一導電路徑(34)被配置用于接觸所述驅動電極(17)，所述第一導電路徑(34)不被設置在所述慣性質量體(2)下方。
10.根據權利要求9所述的結構，其中所述第一諧振器元件和所述第二諧振器元件(IOaUOb)被分別設置在第二窗口(12)和第三窗口(13)中，所述第二窗口(12)和所述第三窗口(13)被提供經過所述慣性質量體(2)并且面向所述慣性質量體(2)的外側，并且其中所述驅動電極(17)和/或所述第一導電路徑(34)中的至少一部分被設置在對應于所述第二窗口和所述第三窗口(12、13)中的相應窗口的位置。
11.根據前述權利要求中任一項所述的結構，還包括檢測電極(18)，所述檢測電極(18)在所述襯底(20)上形成并且設置在所述第一諧振器元件和所述第二諧振器元件(IOaUOb)中的每一個的下方并且電容耦合到在所述第一諧振器元件和所述第二諧振器元件(IOaUOb)中的每一個；所述檢測電極(18)被設計用于實現對所述第一諧振器元件和所述第二諧振器元件(IOaUOb)的、作為所述慣性質量體(2)的繞所述第一旋轉軸㈧的慣性移動的結果的諧振頻率的變化的檢測。
12.根據權利要求11所述的結構，還包括第二導電路徑(35)，所述第二導電路徑(35)在所述襯底(20)上形成并且被配置用于接觸所述檢測電極(18);其中所述第二導電路徑(35)被設置為相對于所述第一旋轉軸(A)對稱。
13.一種諧振加速度計(24)，包括根據前述權利要求中任一項所述的檢測結構(1)，并且被配置用于檢測外部線性加速度(az)的沿所述垂直軸(Z)定向的分量。
14.根據權利要求13所述的加速度計，還包括讀取和驅動電路(22)，所述讀取和驅動電路(22)電耦合到所述檢測結構⑴。
15.一種電子裝置(26)，包括:根據權利要求13所述的諧振加速度計(24);以及控制單元(28)，電連接到所述讀取和驅動電路(22)。
【文檔編號】G01P15/097GK103827673SQ201280042181
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2012年8月31日 優先權日:2011年8月31日
【發明者】C·科米, A·科里利亞諾, S·澤爾比尼 申請人:意法半導體股份有限公司, 米蘭綜合工科大學