專利名稱：微機(jī)電類型的諧振雙軸加速度計(jì)結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及MEMS (微機(jī)電系統(tǒng))類型的諧振雙軸加速度計(jì)結(jié)構(gòu)，具體而言涉及能夠用高的電學(xué)性能檢測(cè)在平面中的兩個(gè)獨(dú)立加速分量的MEMS類型的諧振雙軸加速度計(jì)結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
眾所周知，由于MEMS加速度計(jì)的極其緊湊的尺度、低消耗水平、以及良好的電學(xué)性能，當(dāng)前在汽車工業(yè)、振動(dòng)監(jiān)測(cè)以及便攜式電子設(shè)備之類的很多應(yīng)用領(lǐng)域中使用MEMS加速度計(jì)。在文獻(xiàn)中提出和當(dāng)前在市場(chǎng)上存在的眾多MEMS加速度計(jì)一般可以基于由對(duì)應(yīng)微機(jī)電檢測(cè)結(jié)構(gòu)使用的檢查原理分類為三類:電容性、諧振和壓電性。在諧振加速度計(jì)中，待測(cè)的外部加速產(chǎn)生微機(jī)電結(jié)構(gòu)或者其一部分的諧振頻率的可檢測(cè)頻移。相比于其它測(cè)量原理，諧振檢測(cè)展現(xiàn)了提供直接頻率輸出、高敏感性和寬動(dòng)態(tài)范圍的優(yōu)勢(shì)。更具體而言，在諧振元件的諧振頻率的頻移方面檢測(cè)外部加速，該諧振元件成形為普通梁并耦合到慣性質(zhì)量體(所謂的“敏感質(zhì)量體”(proof mass)或“自由質(zhì)量體”)。外部線性加速a在慣性質(zhì)量體m上產(chǎn)生力F,其中F = m*a ;所述力轉(zhuǎn)而在諧振元件中產(chǎn)生與其成比例(并且因此與所述外部加速a成比例)的軸向動(dòng)作N，這由與其耦合的電子元件適當(dāng)保持在諧振狀況。軸向動(dòng)作因此根據(jù)下列關(guān)系確定諧振元件的由f 表示的自然諧振頻率的變化:f = f.Jl + a (·I)
VEI其中&是沒(méi)有軸向負(fù)載時(shí)的諧振元件的基本頻率，其由下式給出:
C2 [Elf, = - — (2)
2 兀L2 \ pA此外，L、A和I分別是諧振元件的長(zhǎng)度、截面面積和慣性力矩，P是制成諧振元件的材料的質(zhì)量密度，E是彈性模量，并且c和a是系數(shù)，c和a的值按已知方式取決于構(gòu)成所述諧振元件的梁的約束條件。如果外部加速是角度性，而非線性，則生成與質(zhì)量體的極矩J成比例的扭矩，質(zhì)量體以與先前已論述的方式相似的方式引入對(duì)諧振元件的軸向動(dòng)作，從而根據(jù)前述的關(guān)系(I)變化其頻率。半導(dǎo)體技術(shù)(具體是借助“體微加工”的技術(shù)或者最近的“表面微加工”的技術(shù))已提出和制造了基于諧振操作原理的各種加速度計(jì)。例如，可以引用下面關(guān)于使用表面微加工技術(shù)獲得諧振加速度計(jì)的文獻(xiàn):M.Aikele、K.Bauer、W.Ficker、F.Neubauer、U.PrechteK J.Schalk、H.Seidel的"Resonant accelerometer with self-test"，傳感器和致動(dòng)器 A，92，161-167，2001 ;
A.A.Seshia、M.Palaniapan、T.A.Roessig、R.T.Howe、R.W.Gooch、T.R.Shimert、S.Montague 的"A vacuum packaged surface micromachined resonantaccelerometer" , JMEMS,11784-793,2002 ；L.He、Y.-P.Xu、A.Qiu 的"Folded silicon resonant accelerometer withtemperature compensation"，傳感器，2004, IEEE 的會(huì)議記錄，I, 512-515, 24-27, 2004 年10月；S.X.P.Su> H.S.Yang> A.M.Agogino 的 "A resonant accelerometer withtwo-stage microleverage mechanisms fabricated by SO1-MEMS technology"傳感器，5(6)，1214-1223,2005。迄今為止提出的各種MEMS諧振加速度計(jì)從針對(duì)微機(jī)電檢測(cè)結(jié)構(gòu)(具體而言針對(duì)諧振元件關(guān)于慣性質(zhì)量體的不同布置)設(shè)想的幾何的立場(chǎng)不同，并且因此針對(duì)從其獲得的電學(xué)特性也不同，例如關(guān)于軸向力的放大以及因此在加速的檢測(cè)上的敏感性方面不同。具體而言，諧振加速度計(jì)的敏感性一般被定義為由等于Ig的外部加速生成的頻率變化。通過(guò)表面微加工技術(shù)獲得的已知諧振加速度計(jì)通常具有從數(shù)十Hz/g開(kāi)始并且不超過(guò)200Hz/g的敏感性，并且已知諧振加速度計(jì)的至少一些諧振加速度計(jì)具有相當(dāng)大的尺寸。此外，迄今為止提出的MEMS諧振加速度計(jì)的多數(shù)部分用于單軸類型，即能夠使用單個(gè)慣性檢測(cè)質(zhì)量體檢測(cè)沿檢測(cè)的給定軸線定向的單個(gè)加速分量。因此，有必要復(fù)制所提出的微機(jī)電結(jié)構(gòu)(每個(gè)微機(jī)電結(jié)構(gòu)具有對(duì)應(yīng)的慣性質(zhì)量體)以獲得對(duì)沿多個(gè)檢測(cè)軸線定向的加速分量的檢測(cè)。本發(fā)明人最近已在2009年9月7日提交并且尚未公開(kāi)的專利申請(qǐng)N0.T02009A000687中提出用于單軸類型的諧振加速度計(jì)的微機(jī)電結(jié)構(gòu)，其由于構(gòu)成元件的特殊幾何布置而具有高的敏感 性和降低的尺度。然而，所述專利申請(qǐng)的教導(dǎo)也不涉及具有多個(gè)檢測(cè)軸線的、緊湊的、并且具有高電學(xué)性能的結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供用于諧振加速度計(jì)的微機(jī)電結(jié)構(gòu)，其將展示改進(jìn)的物理和電學(xué)特性，并且尤其將實(shí)現(xiàn)沿平面中至少兩個(gè)檢測(cè)軸線動(dòng)作的加速分量的雙軸檢測(cè)。根據(jù)本發(fā)明，因此提供如所附權(quán)利要求中限定的用于諧振加速度計(jì)的微機(jī)電結(jié)構(gòu)。


為了更好的理解本發(fā)明，現(xiàn)在僅通過(guò)非限制示例并且參考所附附圖描述本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施例，其中:圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的微機(jī)電檢測(cè)結(jié)構(gòu)的示意頂部平面圖；圖2a、圖2b和圖2c示出了在存在不同的外部應(yīng)力時(shí)圖1的微機(jī)電檢測(cè)結(jié)構(gòu)的變形；圖3是并入微機(jī)電檢測(cè)結(jié)構(gòu)的諧振加速度計(jì)以及具有所述諧振加速度計(jì)的電子裝置的簡(jiǎn)化框圖；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的微機(jī)電檢測(cè)結(jié)構(gòu)的示意頂部平面圖；圖5和圖6分別是圖1和圖4的微機(jī)電檢測(cè)結(jié)構(gòu)的SEM(掃描電子顯微鏡)圖像；以及圖7a和圖7b示出了微機(jī)電檢測(cè)結(jié)構(gòu)的又一些變體的簡(jiǎn)化頂部平面圖。
具體實(shí)施例方式如下文將澄清的那樣，本發(fā)明的一個(gè)方面設(shè)想了使用單個(gè)慣性質(zhì)量體以用于檢測(cè)在平面(尤其是與所述慣性質(zhì)量體的主延伸平面一致的平面)中的至少兩個(gè)獨(dú)立加速分量。適當(dāng)耦合到所述單個(gè)慣性質(zhì)量體的是用于根據(jù)諧振頻率的變化的原理檢測(cè)前述加速分量的諧振元件(這一方面參考前面描述)。具體而言，圖1示出了諧振雙軸加速度計(jì)的整體由I表示的微機(jī)電檢測(cè)結(jié)構(gòu)的第一實(shí)施例。使用表面微加工半導(dǎo)體技術(shù)以集成方式(具體而言從由半導(dǎo)體材料(諸如硅)制成的本體開(kāi)始)生產(chǎn)微機(jī)電檢測(cè)結(jié)構(gòu)I。微機(jī)電檢測(cè)結(jié)構(gòu)I包括單個(gè)慣性質(zhì)量體2，其例如具有在平面xy中的方形形狀屬性，對(duì)應(yīng)于其自身的延伸的主平面，由第一軸線X和第二軸線y限定，其還對(duì)應(yīng)于諧振雙軸加速度計(jì)的檢查方向(如下文將澄清的那樣)。慣性質(zhì)量體2在與所述平面xy正交的方向上沿第三軸線z具有可以忽略的尺度，第三軸線z與前述的第一軸線X和第二軸線y —起限定三個(gè)正交軸線的集合。具體而言，在所述第一實(shí)施例中，慣性質(zhì)量體2具有四個(gè)質(zhì)量體部分2a_2d以及中心部分2e，該四個(gè)質(zhì)量體部分2a_2d 例如具有在平面xy中的基本方形形狀并且限定在所述平面xy中的質(zhì)量體的外部邊界，中心部分2e在中心外接質(zhì)量體部分2a_2d并且還例如具有在平面圖中的基本方形形狀。慣性質(zhì)量體2還具有重心軸線(被定義為穿過(guò)其重力G的中心的軸線,在此情形下與中心部分2e的幾何中心重合)，其還表示微機(jī)電檢測(cè)結(jié)構(gòu)I的對(duì)稱軸線并且被定向?yàn)榕c平面xy正交。質(zhì)量體部分2a_2d相鄰配對(duì)地限定總計(jì)為4個(gè)的相應(yīng)窗口 4，窗口 4從中心部分2e開(kāi)始延伸并且朝慣性質(zhì)量體2的外部開(kāi)放。具體而言，第一配對(duì)的窗口 4從中心部分2e的相對(duì)側(cè)沿第二軸線I延伸，而剩余的窗口 4沿第一軸線X延伸并且也被設(shè)置在中心部分2e的相對(duì)側(cè)上。一般而言，慣性質(zhì)量體2的結(jié)構(gòu)關(guān)于與軸線X和y平行的軸線對(duì)稱，并且穿過(guò)中心部分2e的幾何中心(重力G的中心)。慣性質(zhì)量體2被固定至襯底(未示出，例如由諸如硅之類的半導(dǎo)體材料制成的襯底)，以便懸置在所述襯底之上，其中平面xy與所述襯底的頂部表面基本平行。具體而言，慣性質(zhì)量體2彈性耦合到第一固定點(diǎn)6，第一固定點(diǎn)6在示出的第一實(shí)施例中總計(jì)為4個(gè)，其被外部設(shè)置至所述慣性質(zhì)量體2并且在所述窗口 4的延長(zhǎng)方向上沿第一軸線X或第二軸線y成對(duì)地對(duì)準(zhǔn)至窗口 4。第一固定點(diǎn)6例如由柱體構(gòu)成,該柱體延伸直至襯底并且機(jī)械連接至襯底。具體而言，慣性質(zhì)量體2借助相應(yīng)的彈性元件8連接至前述第一固定點(diǎn)6 (彈性元件8在示出的實(shí)施例中也總計(jì)為4個(gè))，彈性元件8被整體配置以便維持慣性質(zhì)量體2懸置在襯底之上并且實(shí)現(xiàn)分別沿第一軸線X和第二軸線y的平移的至少一個(gè)第一線性移動(dòng)和其平移的至少一個(gè)第二線性移動(dòng)(關(guān)于所述襯底)，以及防止其移動(dòng)超出所述平面xy。每個(gè)彈性元件8包括:第一部分8a，由直線線性彈性件(所謂的“單梁”)構(gòu)成，其沿第一軸線X或第二軸線y從慣性質(zhì)量體2 (關(guān)于中心部分2e為中心)的中心部分2e的外部側(cè)表面開(kāi)始在相應(yīng)窗口 4內(nèi)延伸；第二部分Sb，連接至第一部分8a，并且由折疊彈性件(所謂的“折疊梁”)構(gòu)成，具有在第一部分8a的橫向的方向上的延伸，具體而言沿第二軸線I或第一軸線x(第二部分8b因此由多個(gè)彼此平行的直線彈性件構(gòu)成，其具有在前述橫向方向上的主要延伸并且在對(duì)應(yīng)端部處彼此成圓角)；以及第三部分8c，連接至第二部分Sb并且同樣由直線彈性件構(gòu)成，具有沿第一軸線X或第二軸線y的延伸，作為第一部分8a的延長(zhǎng)，其長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于所述第一部分8a的對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度，直至第三部分8c到達(dá)相應(yīng)的第一固定點(diǎn)6，與第一固定點(diǎn)6的、面對(duì)中心部分2e的對(duì)應(yīng)側(cè)表面的、外部側(cè)表面接合。具體而言，彈性元件8非常薄(對(duì)應(yīng)構(gòu)成部分在延伸方向上的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于對(duì)應(yīng)寬度)。微機(jī)電檢測(cè)結(jié)構(gòu)I還包括由四個(gè)諧振元件IOa-1Od形成的諧振部件，每個(gè)諧振元件由薄的諧振梁構(gòu)成。在示出的實(shí)施例中，諧振元件IOa-1Od關(guān)于平面xy在慣性質(zhì)量體2的外部設(shè)置，并且諧振元件IOa-1Od沿第一軸線X或第二軸線y平行配對(duì)地延伸，并且諧振元件IOa-1Od還平行于在其外部的相關(guān)聯(lián)的彈性元件8的第二部分Sb。具體而言，每個(gè)諧振元件IOa-1Od在其第一端部借助相應(yīng)的第二固定點(diǎn)12(同樣地由例如柱體構(gòu)成,該柱體延伸直至襯底并且連接至襯底)被剛性約束至襯底,并且每個(gè)諧振元件IOa-1Od從所述第二固定點(diǎn)12開(kāi)始延伸直至它由其自身的第二端部在所述彈性元件8的相應(yīng)第一固定點(diǎn)6的靠近鄰近區(qū)域中接合相應(yīng)的彈性元件8 (具體而言是所述彈性元件8的第三部分Sc)。諧振元件IOa-1Od到相應(yīng)彈性元件8的連接點(diǎn)由c表示。每個(gè)諧振元件IOa-1Od因此形成為相應(yīng)彈性元件8的第三部分Sc的一部分，包括在連接點(diǎn)c和對(duì)應(yīng)第一固定點(diǎn)6之間的L 形諧振結(jié)構(gòu)。每個(gè)諧振元件IOa-1Od因此通過(guò)相應(yīng)的彈性元件8機(jī)械地稱合至慣性質(zhì)量體2。有利地，所述配置實(shí)現(xiàn)待使用具有如下程度的抑制尺度的慣性質(zhì)量體2而獲得的高的檢測(cè)敏感性的值，在該程度下，彈性元件8的中間存在防止諧振元件IOa-1Od的硬度直接阻礙慣性質(zhì)量體2，并且因而減少在檢測(cè)到外部加速時(shí)慣性質(zhì)量體2的移動(dòng)的偏移(excursion)。此外，還證實(shí)了在第一固定點(diǎn)6的靠近鄰近處的連接點(diǎn)c的位置是確定諧振檢測(cè)結(jié)構(gòu)的電學(xué)特性(在響應(yīng)于外部加速的軸向力的放大方面，以及因此在檢測(cè)敏感性方面)的因素。具體而言，已經(jīng)借助仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試證實(shí)，為了改進(jìn)檢測(cè)靈敏度(被定義為由Ig的加速產(chǎn)生的頻率變化，g為重力加速)將連接點(diǎn)c非?？拷鼜椥栽?的第一固定點(diǎn)6的位置放置是有利的。例如，如果將作為整體考慮的所述彈性元件8的沿第一軸線X或第二軸線I的長(zhǎng)度表示為L(zhǎng)(從慣性質(zhì)量體2的中心部分2e直至相應(yīng)的第一固定點(diǎn)6)，則將連接點(diǎn)c置于從對(duì)應(yīng)的第一固定點(diǎn)6的如下距離處是有利的，該距離位于0.01 -L和0.02-L之間，例如，近似為從對(duì)應(yīng)的第一固定6開(kāi)始的長(zhǎng)度L的1/60。被描述為諧振元件IOa-1Od的配置還有利地實(shí)現(xiàn)在微機(jī)電檢測(cè)結(jié)構(gòu)I的頻率的線性行為間隔方面的增加。具體而言，可以示出彈性元件8的在連接點(diǎn)c和對(duì)應(yīng)的第一固定點(diǎn)6之間包括的、具有小尺度的第三部分Sc的部件的存在引起各個(gè)諧振元件IOa-1Od的線性行為基本不偏離在兩個(gè)端部處約束的標(biāo)準(zhǔn)諧振體(所謂的“雙鉗位”諧振體)的線性行為，而非線性行為被顯著改進(jìn)。例如，由雙鉗位諧振體展示出的所謂的“硬性彈性件(hardspring)”效應(yīng)在存在與所述諧振體的寬度相當(dāng)?shù)姆鹊恼袷帟r(shí)在所提出的結(jié)構(gòu)中顯著衰減，這是由于將諧振元件IOa-1Od的端部之一耦合至相應(yīng)彈性元件8所限定的邊界條件的改變。微機(jī)電檢測(cè)結(jié)構(gòu)I還包括針對(duì)各個(gè)諧振元件IOa-1Od的電極對(duì)13、14，電極對(duì)13、14被布置成彼此平行并且關(guān)于第一軸線X或第二軸線y在所述諧振元件IOa-1Od的相對(duì)側(cè)上與對(duì)應(yīng)的諧振元件IOa-1Od平行。第一電極13用于通過(guò)施加適當(dāng)?shù)碾妱?shì)差將相關(guān)聯(lián)的諧振元件IOa-1Od送入諧振狀況，而第二電極14用作檢測(cè)電極以用于借助與諧振元件IOa-1Od的電容性耦合的變化檢測(cè)對(duì)應(yīng)的諧振頻率的變化(根據(jù)已知為“平行平面(parallel plate) ”的檢查方案)。如圖1中所示，電極13和14具有沿對(duì)應(yīng)的延伸方向的妨礙物，該妨礙物有利地包含于第二固定點(diǎn)12和面對(duì)的彈性元件8的第三部分Sc之間。以未示出的方式，針對(duì)前述電極13、14的電連接設(shè)想去往耦合至微機(jī)電檢測(cè)結(jié)構(gòu)I的電子電路的適當(dāng)?shù)碾娺B接路徑。配置所述電子電路，以便供應(yīng)致動(dòng)的電信號(hào)給微機(jī)電檢測(cè)結(jié)構(gòu)1，并且接收和處理由所述微機(jī)電檢測(cè)結(jié)構(gòu)I供應(yīng)的電檢測(cè)信號(hào)。以本文未示出的方式，還可以提供適當(dāng)?shù)淖钄r物元件以用于限制慣性質(zhì)量體2在平面xy中的移動(dòng)的偏移。所述阻攔物便利地固定至襯底并且能夠阻攔慣性質(zhì)量體2的移動(dòng)。在任一情形中，已經(jīng)示出彈性元件8所受應(yīng)力(尤其是在對(duì)應(yīng)的第一固定點(diǎn)6處的應(yīng)力)可以充分落入構(gòu)成彈性元件8的材料(例如多晶硅)的抗性限制內(nèi)?，F(xiàn)在還將參照?qǐng)D2a至圖2c描述微機(jī)電檢測(cè)結(jié)構(gòu)I的操作原理，圖2a至圖2c示出了微機(jī)電檢測(cè)結(jié)構(gòu)I的響應(yīng)于不同外部應(yīng)力(并且尤其響應(yīng)于:沿第一軸線X作用的第一線性加速(圖2a);沿第二軸線y作用的第二線性加速(圖2b);以及圍繞重心軸線作用的第三角加速，或以等同方式的圍繞第三軸線z作用的第三角加速)的可能變形。如將詳細(xì)突出強(qiáng)調(diào)的那樣，彈性元件8的布置實(shí)際上實(shí)現(xiàn)慣性質(zhì)量體2在平面xy中的三個(gè)移動(dòng)(分別沿第一軸線X和第二軸線y 的第一平移和第二平移，以及圍繞第三軸線z的轉(zhuǎn)動(dòng))；在諧振元件IOa-1Od上的所述移動(dòng)的效果可以被解耦合成實(shí)現(xiàn)單獨(dú)并且沒(méi)有相互干擾的對(duì)應(yīng)加速分量的檢測(cè)。在沒(méi)有外部加速的情形下，作為與對(duì)應(yīng)的第一電極13和相關(guān)聯(lián)的電子電路的相互作用的結(jié)果，四個(gè)諧振元件IOa-1Od具有相同的標(biāo)稱諧振頻率fQ。當(dāng)慣性質(zhì)量體2受到沿第一軸線X的第一加速ax (在圖2a的箭頭方向上)時(shí)，作為彈性元件8的第一對(duì)的第二(折疊)部分Sb的彎曲的結(jié)果以及還作為剩余彈性元件8的第一(線性)部分8a的彎曲的結(jié)果(一般而言，出現(xiàn)彈性件的彎曲具有與移位方向橫切的延伸，在此情形下，具有沿第二軸線I的延伸，而彈性件的沿第一軸線X的延伸并不經(jīng)受可觀的軸向變形)，慣性質(zhì)量體2作為整體沿所述第一軸線X平移。應(yīng)該注意，在圖2a中(如在后續(xù)的圖2b和圖2c中那樣)，慣性質(zhì)量體2的開(kāi)始位置由虛線指示，而因外部加速所致的移位所得的位置由實(shí)線指示。慣性質(zhì)量體2沿第一軸線X的平移移動(dòng)因此明顯引起壓縮性應(yīng)力(沿第一軸線X布置的諧振元件對(duì)的第一諧振元件IOa上的N1)，以及具有相同強(qiáng)度的在所述對(duì)的第二諧振元件IOc上的拉伸性應(yīng)力N1 ;具體而言,慣性質(zhì)量體2的移動(dòng)由相應(yīng)彈性元件8在連接點(diǎn)c處被傳輸至諧振元件10a、10c，連接點(diǎn)c的位置基本受約束。因此，第一諧振元件IOa的由表示的諧振頻率經(jīng)受其值的減少，而所述對(duì)的第二諧振元件IOc的由f2表示的諧振頻率經(jīng)受其值的對(duì)應(yīng)增加。通過(guò)適當(dāng)組合在來(lái)自兩個(gè)諧振元件IOaUOc的輸出處的電信號(hào)，并且使用上面圍繞基本頻率&線性化的等式(1)，可以獲得下面的針對(duì)第二頻率f2和第一頻率之間的差值的表達(dá)式:
權(quán)利要求
1.一種用于MEMS諧振雙軸加速度計(jì)(16)的微機(jī)電檢測(cè)結(jié)構(gòu)(I ;1')，包括: -慣性質(zhì)量體(2 ;2’)，借助彈性元件(8)固定至襯底(30)以便懸置在所述襯底(30)之上，所述彈性元件(8)被配置成響應(yīng)于相應(yīng)線性外部加速(ax，ay)實(shí)現(xiàn)所述慣性質(zhì)量體(2 '2')的沿屬于所述慣性質(zhì)量體(2 '2')的主延伸的平面(xy)的第一檢測(cè)軸線(x)和第二檢測(cè)軸線(y)的慣性移動(dòng)；以及 -至少一個(gè)第一諧振元件(IOa)和至少一個(gè)第二諧振元件(10b)，具有分別沿所述第一檢測(cè)軸線(X)和所述第二檢測(cè)軸線(y)的相應(yīng)縱向延伸，并且通過(guò)所述彈性元件(8)的相應(yīng)彈性元件機(jī)械地耦合到所述慣性質(zhì)量體(2 ;2’)，以便在所述慣性質(zhì)量體分別沿所述第一檢測(cè)軸線(X)和沿所述第二檢測(cè)軸線(y)移動(dòng)時(shí)經(jīng)受相應(yīng)的軸向應(yīng)力(隊(duì)，隊(duì))。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中所述第一諧振元件(IOa)和所述第二諧振元件(IOb)通過(guò)所述彈性元件(8)的相應(yīng)彈性元件機(jī)械地耦合到所述慣性質(zhì)量體(2 ;2’)，從而在所述慣性質(zhì)量體分別沿所述第二檢測(cè)軸線(y)和所述第一檢測(cè)軸線(X)，即在與所述相應(yīng)縱向延伸橫切的方向上，移動(dòng)時(shí)，不經(jīng)受軸向應(yīng)力。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)所述彈性元件(8)從所述慣性質(zhì)量體(2;2’ )至所述襯底(30)的第一固定點(diǎn)(6)開(kāi)始延伸至所述慣性質(zhì)量體(2 ;2’ );并且其中每個(gè)所述第一諧振元件(IOa)和所述第二諧振元件(IOb)在其第一端部處借助相應(yīng)的第二固定點(diǎn)(12)固定至所述襯底(30)，并且在其第二端部處還機(jī)械地連接至所述彈性元件(8)的相應(yīng)彈性元件，連接至布置在對(duì)應(yīng)的第一固定點(diǎn)￠)的附近布置的所述彈性元件(8)的相應(yīng)彈性元件的連接點(diǎn)(c)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的結(jié)構(gòu)，其中所述連接點(diǎn)(c)沿所述彈性元件(8)的相應(yīng)彈性元件在從對(duì)應(yīng)的第一固定點(diǎn)￠)的如下距離處放置，該距離在與相關(guān)聯(lián)的所述第一諧振元件(IOa)或所述第二諧振元件(IOb)的所述縱向延伸橫切的方向上包括于所述彈性元件(8)的所述相應(yīng)彈性元件的長(zhǎng)度(L)的1/100和2/100之間。
5.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)所述彈性元件(8)包括:直線部分(8a，Sc)，在與關(guān)聯(lián)的所述第一諧振元件(IOa)或所述第二諧振元件(IOb)的所述縱向延伸橫切的方向上延伸；以及折疊部分(8b)，其機(jī)械地耦合到所述直線部分(8a，8c)，并且在與所述直線部分(8a，8c)橫切的方向上延伸；所述直線部分(8a，8c)耦合到關(guān)聯(lián)的所述第一諧振元件(IOa)或所述第二諧振元件(IOb)并且被配置成彎曲以在所述慣性質(zhì)量體分別沿所述第一檢測(cè)軸線(X)或所述第二檢測(cè)軸線(y)，即在與所述第一諧振元件(IOa)或所述第二諧振元件(IOb)的縱向延伸平行的方向上，移動(dòng)時(shí)，實(shí)現(xiàn)所述直線部分(8a，8c)的軸向應(yīng)力(N1, N2);并且所述折疊部分(Sb)被配置成當(dāng)所述慣性質(zhì)量體分別沿所述第二檢測(cè)軸線(y)或所述第一檢測(cè)軸線(X)，即在與關(guān)聯(lián)的所述第一諧振元件(IOa)或所述第二諧振元件(IOb)的縱向延伸橫切的方向上移動(dòng)時(shí)，經(jīng)受變形。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的結(jié)構(gòu)，其中所述折疊部分(Sb)包括多個(gè)直線分段，所述多個(gè)直線分段彼此平行并在相應(yīng)端部接合；并且其中所述直線部分(8a，8c)包括具有連接至所述慣性質(zhì)量體(2 ;2’ )的第一端部以及連接至所述折疊部分(Sb)的初始直線分段的第二端部的第一分段(8a)，以及具有連接至對(duì)應(yīng)的第一固定點(diǎn)￠)的第一端部以及連接至所述折疊部分(8b)的終端直線分段的第二端部的第二分段(Sc)。
7.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的結(jié)構(gòu)，還包括第三諧振元件(IOc)和第四諧振元件(IOd)，具有分別沿所述第一檢測(cè)軸線(X)和所述第二檢測(cè)軸線(y)、在分別與所述第一諧振元件(IOa)和所述第二諧振元件(IOb)平行的方向上的縱向延伸，并且通過(guò)所述彈性元件(8)的相應(yīng)彈性元件機(jī)械地耦合到所述慣性質(zhì)量體(2 ;2’)，從而在所述慣性質(zhì)量體分別沿所述第一檢測(cè)軸線(X)和所述第二檢測(cè)軸線(y)移動(dòng)時(shí)經(jīng)受分別關(guān)于所述第一諧振元件(IOa)和所述第二諧振元件(IOb)的軸向應(yīng)力的相等強(qiáng)度并且相反符號(hào)的相應(yīng)軸向應(yīng)力(N1, N2)。
8.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的結(jié)構(gòu)，其中所述第一諧振元件(IOa)和所述第二諧振元件(IOb)關(guān)于所述平面(xy)布置于所述慣性質(zhì)量體(2)外部；并且其中所述慣性質(zhì)量體(2)具有中心部分(2e)和側(cè)部部分(2a_2d)，所述側(cè)部部分(2a_2d)由所述中心部分(2e)連接并且在所述側(cè)部部分(2a-2d)之間限定開(kāi)口(4)，所述開(kāi)口(4)朝所述慣性質(zhì)量體(2)的外部開(kāi)放；并且其中所述彈性元件(8)從所述中心部分(2e)開(kāi)始延伸，部分地通過(guò)所述開(kāi)口(4)以便到達(dá)所述慣性質(zhì)量體(2)的去往所述襯底(30)的相應(yīng)第一固定點(diǎn)￠)，所述襯底(30)關(guān)于所述平面(xy)設(shè)置在所述慣性質(zhì)量體(2)外部。
9.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的結(jié)構(gòu)，其中所述第一諧振元件(IOa)和所述第二諧振元件(IOb)關(guān)于所述平面(xy)布置在所述慣性質(zhì)量體(2)外部，并且所述慣性質(zhì)量體(2)具有突出部(34)，所述突出部(34)在所述平面(xy)中從所述慣性質(zhì)量體的外圍側(cè)部開(kāi)始延伸；所述彈性元件(8)從相應(yīng)突出部(34)開(kāi)始延伸，直至所述彈性元件(8)到達(dá)所述慣性質(zhì)量體(2)的去往所述襯底(30)的相應(yīng)第一固定點(diǎn)￠)，所述第一固定點(diǎn)(6)關(guān)于所述平面(xy)布置在所述慣性質(zhì)量體(2)外部；并且其中所述彈性元件(8)包括直線部分(Sc)以及折疊部分(8b)，所述直線部分(Sc)在與關(guān)聯(lián)的所述第一諧振元件(IOa)或所述第二諧振元件(IOb)的 所述縱向延伸橫切的方向上延伸，所述折疊部分(Sb)機(jī)械地耦合至所述直線部分(8c)并且在與所述直線部分(Sc)橫切的方向上延伸；所述折疊部分(Sb)與所述慣性質(zhì)量體(2)的所述外圍側(cè)部的第一外圍側(cè)部相鄰地延伸，并且所述關(guān)聯(lián)的第一諧振元件(IOa)或第二諧振元件(IOb)與所述外圍側(cè)部的第二外圍側(cè)部相鄰地延伸，所述第二外圍側(cè)部與所述第一外圍側(cè)部平行并且與其面對(duì)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一權(quán)利要求所述的結(jié)構(gòu)，其中所述慣性質(zhì)量體(2')包括:框架(20)，在其內(nèi)部限定內(nèi)部開(kāi)口(22)，并且所述彈性元件(8)在從所述框架(20)開(kāi)始的所述內(nèi)部開(kāi)口(22)中整體延伸，直至所述彈性元件(8)到達(dá)所述慣性質(zhì)量體(2')去往所述襯底(30)的單個(gè)第一固定點(diǎn)(6)，所述單個(gè)第一固定點(diǎn)(6)關(guān)于所述內(nèi)部開(kāi)口(22)布置在中心；并且其中所述第一諧振元件(IOa)和第二諧振元件(IOb)在所述內(nèi)部開(kāi)口(22)中關(guān)于所述平面(xy)被設(shè)置在所述慣性質(zhì)量體(2)的內(nèi)部。
11.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的結(jié)構(gòu)，其中所述彈性元件(8)被配置成實(shí)現(xiàn)響應(yīng)于外部角加速(ae)檢測(cè)所述慣性質(zhì)量體(2 ;2’ )的又一慣性移動(dòng)，即繞與所述平面(xy)正交的軸線(z)的旋轉(zhuǎn)；并且其中所述第一諧振元件(IOa)和所述第二諧振元件(IOb)通過(guò)所述彈性元件(8)的相應(yīng)彈性元件(8)機(jī)械地耦合到所述慣性質(zhì)量體(2 ;2’)，從而在所述慣性質(zhì)量體根據(jù)檢測(cè)的所述又一慣性移動(dòng)而移動(dòng)時(shí)經(jīng)受相同的軸向應(yīng)力(Ne)。
12.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的結(jié)構(gòu)，還包括:第一電極(13)以及第二電極(14)，所述第一電極(13)電耦合至所述第一諧振元件(IOa)和所述第二諧振元件(IOb)以實(shí)現(xiàn)其諧振狀態(tài)的生成；所述第二電極(14)電耦合至所述第一諧振元件(IOa)和所述第二諧振元件(IOb)以實(shí)現(xiàn)根據(jù)所述相應(yīng)軸向應(yīng)力(NpN2)的諧振頻率(f\，f2)的相應(yīng)變化的檢測(cè)。
13.一種諧振雙軸加速度計(jì)(16)，包括根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的微機(jī)電檢測(cè)結(jié)構(gòu)(I ；r )，并且被配置成檢測(cè)分別沿所述第一檢測(cè)軸線(X)和所述第二檢測(cè)軸線(y)定向的第一線性外部加速分量(ax)和第二線性外部加速分量(ay)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的加速度計(jì)，還包括:讀取電路(15)，電耦合至所述微機(jī)電檢測(cè)結(jié)構(gòu)(1;1')。
15.一種電子裝置(18)，包括根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的諧振雙軸加速度計(jì)(16)以及控制單元(19)， 所述控制單元(19)電連接至所述讀取電路(15)。
全文摘要
一種用于MEMS諧振雙軸加速度計(jì)(16)的微機(jī)電檢測(cè)結(jié)構(gòu)(1；1′)具有慣性質(zhì)量體(2；2’)，借助彈性元件(8)固定至襯底(30)以便懸置在襯底(30)之上，彈性元件(8)響應(yīng)于相應(yīng)線性外部加速(ax，ay)實(shí)現(xiàn)慣性質(zhì)量體(2；2′)的沿屬于所述慣性質(zhì)量體(2；2′)的主延伸的平面(xy)的第一檢測(cè)軸線(x)和第二檢測(cè)軸線(y)的慣性移動(dòng)；以及至少一個(gè)第一諧振元件(10a)和至少一個(gè)第二諧振元件(10b)，具有分別沿第一檢測(cè)軸線(x)和第二檢測(cè)軸線(y)的相應(yīng)縱向延伸，并且通過(guò)彈性元件(8)的相應(yīng)彈性元件機(jī)械地耦合到慣性質(zhì)量體(2；2’)，以便在慣性質(zhì)量體分別沿第一檢測(cè)軸線(x)和第二檢測(cè)軸線(y)移動(dòng)時(shí)經(jīng)受相應(yīng)的軸向應(yīng)力(N1，N2)。
文檔編號(hào)G01P15/097GK103250057SQ201180058118
公開(kāi)日2013年8月14日 申請(qǐng)日期2011年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月26日
發(fā)明者C·科米, A·科里格利亞諾, B·西莫尼 申請(qǐng)人:意法半導(dǎo)體股份有限公司, 米蘭綜合工科大學(xué)