本公開(kāi)涉及使用MEMS(微電機(jī)系統(tǒng))技術(shù)獲得的具有高精度以及對(duì)溫度和老化低敏感性的加速度度量傳感器。

背景技術(shù)：

如已知的那樣，加速度度量傳感器或者加速度計(jì)是將加速度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的慣性傳感器。使用MEMS技術(shù)獲得的加速度度量傳感器基本上由移動(dòng)結(jié)構(gòu)和檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成，檢測(cè)系統(tǒng)耦合至移動(dòng)結(jié)構(gòu)并且產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的電信號(hào)(例如電容性變化)，電信號(hào)接著提供至處理接口。

例如，美國(guó)專利8,671,756描述了用于MEMS諧振雙軸加速度計(jì)的微電機(jī)感測(cè)結(jié)構(gòu)。微電機(jī)感測(cè)結(jié)構(gòu)包括借由彈性元件以懸置在襯底之上方式而錨定至襯底的慣性質(zhì)量塊。彈性元件使能慣性感測(cè)慣性質(zhì)量塊沿著屬于慣性質(zhì)量塊的主延伸平面的第一感測(cè)軸線和第二感測(cè)軸線響應(yīng)于相應(yīng)線性外部加速度的移動(dòng)。此外，微電機(jī)感測(cè)結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)第一諧振元件和一個(gè)第二諧振元件，其沿著第一和第二感測(cè)軸線具有相應(yīng)的縱向延伸，并且經(jīng)由對(duì)應(yīng)的彈性元件以當(dāng)慣性質(zhì)量塊分別沿著第一和第二感測(cè)軸線位移時(shí)經(jīng)受相應(yīng)軸向應(yīng)力的方式而機(jī)械地耦合至慣性質(zhì)量塊。

通常，加速度計(jì)可以用于多種應(yīng)用。例如，它們可以形成對(duì)應(yīng)的傾角計(jì)。然而，在多個(gè)應(yīng)用中，需要由加速度計(jì)所提供的電信號(hào)特別精確和準(zhǔn)確。就此而論，在一些應(yīng)用中需要所謂的ZGO(零重力偏移)穩(wěn)定性小于0.00981m/s²。

更詳細(xì)地，加速度計(jì)經(jīng)受不希望的現(xiàn)象，諸如例如溫度變化、老化、機(jī)械應(yīng)力等。前述不希望的現(xiàn)象引起由加速度計(jì)所產(chǎn)生電信號(hào)內(nèi)偽分量的產(chǎn)生，也即分量不與加速度計(jì)所經(jīng)受的加速度相關(guān)聯(lián)，結(jié)果減小了加速度計(jì)的精確性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本公開(kāi)提供了一種加速度度量傳感器，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其具有對(duì)溫度和老化的低敏感性。

根據(jù)本公開(kāi)，提供了一種加速度度量傳感器，加速度度量傳感器包括：承載結(jié)構(gòu)；半導(dǎo)體材料的懸置區(qū)域，相對(duì)于所述承載結(jié)構(gòu)可移動(dòng)；至少一個(gè)第一調(diào)制電極，固定至所述承載結(jié)構(gòu)并且被配置用于在使用中采用包括具有第一頻率的至少一個(gè)周期性分量的電調(diào)制信號(hào)來(lái)偏置；至少一個(gè)第一可變電容器，由所述懸置區(qū)域以及由所述第一調(diào)制電極形成為使得所述懸置區(qū)域經(jīng)受取決于所述電調(diào)制信號(hào)的第一靜電力；以及感測(cè)組件，被配置用于當(dāng)所述加速度度量傳感器經(jīng)受加速度時(shí)產(chǎn)生電感測(cè)信號(hào)，所述電感測(cè)信號(hào)指示所述懸置區(qū)域相對(duì)于所述承載結(jié)構(gòu)的位置并且包括頻率調(diào)制分量，所述頻率調(diào)制分量取決于所述加速度和所述第一頻率。

根據(jù)本公開(kāi)，提供一種便攜式電子裝置，包括：加速度度量傳感器，包括，固定區(qū)域；半導(dǎo)體材料的懸置區(qū)域，沿相對(duì)于所述固定區(qū)域的平移或旋轉(zhuǎn)方向可移動(dòng)；第一調(diào)制電極，附接至所述固定區(qū)域并且被配置用于接收電調(diào)制信號(hào)，所述電調(diào)制信號(hào)包括具有第一頻率的至少一個(gè)周期性分量；第一可變電容器，由所述懸置區(qū)域和第一調(diào)制電極形成，用于基于所述電調(diào)制信號(hào)而向所述懸置區(qū)域提供第一靜電力；以及感測(cè)結(jié)構(gòu)，配置用于響應(yīng)于第一懸置區(qū)域經(jīng)受使得所述懸置區(qū)域沿平移或旋轉(zhuǎn)方向的移動(dòng)的加速度生成電感測(cè)信號(hào)，所述電感測(cè)信號(hào)指示所述懸置區(qū)域相對(duì)于所述固定區(qū)域的位置并且包括取決于加速度并且取決于所述電調(diào)制信號(hào)的第一頻率的函數(shù)的頻率調(diào)制分量；以及處理器單元，電耦合至所述加速度度量傳感器。。

附圖說(shuō)明

為了更好地理解本公開(kāi)，現(xiàn)在參照附圖、純粹借由非限定性示例描述本公開(kāi)的優(yōu)選實(shí)施例，其中：

圖1示出了根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)實(shí)施例的加速度計(jì)的實(shí)施例的示意性俯視圖；

圖2示出了圖1中所示實(shí)施例的一部分的示意性俯視圖；

圖3是示出了根據(jù)本公開(kāi)一個(gè)實(shí)施例的位移信號(hào)的頻譜和對(duì)應(yīng)頻譜貢獻(xiàn)、以及高通濾波器的頻率響應(yīng)的示圖；

圖4示出了用于處理由圖1的實(shí)施例中加速度計(jì)所提供信號(hào)的電路的框圖；

圖5是示出了圖1的加速度計(jì)的一個(gè)實(shí)施例的位移信號(hào)的一部分的頻譜以及機(jī)械系統(tǒng)的頻率響應(yīng)頻譜的示圖；

圖6和圖7是根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的又一些加速度計(jì)的示意性俯視圖；

圖8是沿著圖7的剖面VIII-VIII平面獲取的圖7中所示實(shí)施例的一部分的示意性剖視圖；以及

圖9是根據(jù)本公開(kāi)的另一實(shí)施例的包括圖1、圖6和圖7中的一個(gè)或多個(gè)加速度計(jì)的電子設(shè)備的框圖。

具體實(shí)施方式

圖1是使用MEMS技術(shù)以集成方式制造的、設(shè)計(jì)用于檢測(cè)加速度的加速度計(jì)1的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)的示意圖。在所示的示例中，加速度計(jì)1配置用于檢測(cè)由箭頭a_ext所示的指向平行于正交參考系統(tǒng)XYZ的軸線X的加速度。

加速度計(jì)1形成在半導(dǎo)體材料的裸片中并且包括懸置區(qū)域2和承載結(jié)構(gòu)3，承載結(jié)構(gòu)3相對(duì)于裸片固定并且因此在下文中稱作“固定區(qū)域3”。圖1中可見(jiàn)的僅是圍繞懸置區(qū)域2的固定區(qū)域3的一部分。

固定區(qū)域3界定了主腔體C，懸置區(qū)域2在其內(nèi)部延伸。

懸置區(qū)域2包括將在下文中稱作“主本體5a”的第一部分5a，以及下文中將稱作“控制元件5b”的第二部分5b。主本體5a和控制元件5b由半導(dǎo)體材料(例如單晶或多晶硅)制成。更特別地，主本體5a和控制元件5b被提供在半導(dǎo)體材料的同一層中并且彼此整體成型以及因此相對(duì)于彼此固定。

主本體5a經(jīng)由第一錨座4和第二錨座6、以及經(jīng)由也稱作“第一和第二彈簧”并且用作平移彈簧的第一彈性懸置元件8和第二彈性懸置元件9約束至固定區(qū)域3。

更詳細(xì)地，在圖1所示的示例中，主本體5a在俯視圖(在平面XY中)具有矩形形狀，具有平行于軸線X和Y的側(cè)邊。此外，主本體5a具有小于在平行于軸線X和Y的方向上的尺寸的厚度(平行于軸線Z、垂直于繪圖平面測(cè)量得到)。換言之，平面XY平行于懸置區(qū)域2的主本體5a的主延伸區(qū)的表面。例如，懸置區(qū)域2的主本體5a的厚度可以在20－30μm的區(qū)域中。在圖1中所示的示例中，控制元件5b具有與主本體5a相同的厚度并且與后者共平面。

第一錨座4和第二錨座6中的每一個(gè)基本上由柱體形成，其沿垂直于繪圖平面的方向(也即平行于軸線Z)延伸，從形成了固定區(qū)域3的一部分并且延伸在懸置區(qū)域2下方的襯底(不可見(jiàn))開(kāi)始。此外，在俯視圖中，第一錨座4和第二錨座6相對(duì)于懸置區(qū)域2的主本體5a設(shè)置在相對(duì)側(cè)邊上并且與后者有一距離。特別地，并未損失任何普遍性，在俯視圖中由懸置區(qū)域2的主本體5a在矩形的較小側(cè)邊上形成。實(shí)際中，第一錨座4和第二錨座6相對(duì)于懸置區(qū)域2的主本體5a鏡像設(shè)置，沿著平行于軸線X的軸線9(未示出)，其在俯視圖中以假想方式將主本體5a分割為兩個(gè)相等并鏡像的部分。

第一彈簧8具有第一端部和第二端部，分別機(jī)械地固定至第一錨座4以及懸置區(qū)域2的主本體5a的對(duì)應(yīng)部分。第二彈簧9的相應(yīng)的第一和第二端部分別機(jī)械地固定至第二錨座6以及懸置區(qū)域2的主本體5a的對(duì)應(yīng)部分。實(shí)際上，在靜止條件下(下文中進(jìn)一步詳述)，第一彈簧8和第二彈簧9以對(duì)稱方式設(shè)置在懸置區(qū)域2的主本體5a的相對(duì)側(cè)邊上。此外，第一彈簧8和第二彈簧9在加速度a_ext的作用下是彈性可形變的以便使得懸置區(qū)域2相對(duì)于固定區(qū)域3平行于軸線X并且在兩種感測(cè)中而平移。并未損失普遍性，第一彈簧8和第二彈簧9與懸置區(qū)域2共平面并且具有與后者相同的厚度。

在圖1所示的示例中，懸置區(qū)域2的主本體5a形成多個(gè)(特別地，四個(gè))次級(jí)腔體CS，其彼此相同。然而，實(shí)施例(未示出)是可能的，其中例如僅存在一個(gè)次級(jí)腔體CS，或者在任何情形中除了四個(gè)之外存在多個(gè)次級(jí)腔體CS。

每個(gè)次級(jí)腔體CS具有平行六面體的形狀，并且因此在俯視圖中具有矩形的形狀，并且此外延伸穿過(guò)主本體5b的厚度。每個(gè)次級(jí)腔體CS內(nèi)延伸的是對(duì)應(yīng)的導(dǎo)電極板配對(duì)，其下文中稱作“第一固定極板12和第二固定極板14”。

在圖1中所示的示例中，次級(jí)腔體CS的第一固定極板12彼此相同并且由導(dǎo)電材料(例如摻雜半導(dǎo)體材料，諸如摻雜硅)制成。類似地，次級(jí)腔體CS的第二固定極板14彼此相同并且由導(dǎo)電材料(例如摻雜半導(dǎo)體材料，諸如摻雜硅)制成。

更詳細(xì)地，在圖1中所示的示例中，給定次級(jí)腔體CS，相應(yīng)第一固定極板12和第二固定極板14彼此相同，并且設(shè)置彼此面對(duì)，以及固定至固定區(qū)域3的前述襯底以便相對(duì)于后者固定。此外，第一固定極板12和第二固定極板14平行并且分別面對(duì)次級(jí)腔體CS的第一側(cè)壁16和第二側(cè)壁18，其彼此相對(duì)并且平行于平面YZ。甚至更詳細(xì)地，第一固定極板12和第二固定極板14中的每一個(gè)可以具有同一高度(沿著軸線Z測(cè)量)。此外，第一固定極板12和第二固定極板14可以以如此方式垂直地設(shè)置(也即平行于軸線Z)以使得相應(yīng)幾何中心設(shè)置在同一高度處。

從電學(xué)角度而言，第一固定極板12和第一側(cè)壁16形成第一感測(cè)電容器，其電容值除了其他項(xiàng)之外還取決于第一固定極板12和第一側(cè)壁16之間的距離。類似地，第二固定極板14和第二側(cè)壁18形成第二感測(cè)電容器，其電容值除了其他項(xiàng)之外還取決于第二固定極板14和第二側(cè)壁18之間的距離。接著，第一和第二感測(cè)電容器的電容值取決于懸置區(qū)域2相對(duì)于固定區(qū)域3的位置，并且因此取決于加速度計(jì)1所經(jīng)受的加速度a_ext，其在下文中將稱作“外部加速度a_ext”。

如下文中更詳細(xì)所述，每個(gè)次級(jí)腔體CS的第一和第二感測(cè)電容器的電容性變化用于經(jīng)由電容至電壓轉(zhuǎn)換器接口而測(cè)量外部加速度a_ext。次級(jí)腔體CS的第一和第二感測(cè)電容器因此形成了電容性類型的感測(cè)組件。

再次參照?qǐng)D1，加速度計(jì)1進(jìn)一步包括電極20，其在下文中將稱作“調(diào)制電極20”。調(diào)制電極20固定至固定區(qū)域3的襯底并且在俯視圖中具有第一近似U形。此外，再次在俯視圖中，調(diào)制電極20以一距離面對(duì)主本體5a的主要側(cè)邊之一。

如圖2中更詳細(xì)所示，在圖1中所示的示例中，調(diào)制電極20包括第一側(cè)向部分22和第二側(cè)向部分24以及橫向部分26，其彼此整體成型并且相對(duì)于固定區(qū)域3而固定。此外，調(diào)制電極20由諸如例如摻雜半導(dǎo)體材料(例如摻雜硅)之類的導(dǎo)電材料制成。

橫向部分26以及第一側(cè)向部分22和第二側(cè)向部分24中的每一個(gè)基本上形狀為平行六面體。此外，在圖1和圖2中所示的示例中，橫向部分26以及第一側(cè)向部分22和第二側(cè)向部分24是共平面的并且具有同一的厚度，后者與懸置區(qū)域2的厚度相同，以初步近似。并未損失任何普遍性，調(diào)制電極20可以以如此方式固定至固定區(qū)域3的襯底，如果懸置區(qū)域2的最大和最小高度分別稱作“最大高度”和“最小高度”，以初步近似，第一側(cè)向部分22和第二側(cè)向部分24也延伸在最大高度和最小高度之間。

更詳細(xì)地，第一側(cè)向部分22和第二側(cè)向部分24相對(duì)于平面H鏡像設(shè)置，H平行于平面YZ，并且在靜止條件下代表加速度計(jì)1的對(duì)稱平面。第一側(cè)向部分22和第二側(cè)向部分24中的每一個(gè)具有平行于平面H的側(cè)壁配對(duì)。

橫向部分26具有連接至第一側(cè)向部分22和第二側(cè)向部分24的端部以便將它們連接在一起。并未損失任何普遍性，在靜止條件下，橫向部分26由平面H橫跨，將其分割為彼此相同并鏡像的兩個(gè)子部分。關(guān)于前述靜止條件，它們構(gòu)思了加速度計(jì)并未經(jīng)受任何外部加速度(也即a_ext＝0)，并且調(diào)制電極20和懸置區(qū)域2設(shè)置在同一電壓下。

再次參照控制元件5b，在圖1和圖2中所示的示例中，其具有平行六面體的形狀并且從主本體5a朝向調(diào)制電極20延伸。特別地，在俯視圖中，控制元件5b從調(diào)制電極20所面對(duì)的主本體5a的側(cè)邊在調(diào)制電極20的方向上延伸成設(shè)置在調(diào)制電極20的第一側(cè)向部分22和第二側(cè)向部分24之間。換言之，控制元件5b至少部分地延伸在由調(diào)制電極20界定的腔體CC內(nèi)，其將在下文中稱作“控制腔體CC”。

更詳細(xì)地，由彼此相對(duì)并且平行于平面YZ的壁部配對(duì)側(cè)向地界定控制元件5b，壁部配對(duì)下文中將稱作“第一懸置壁S_e1和第二懸置壁S_e2”，這些壁分別面對(duì)調(diào)制電極20的第一側(cè)向部分22和第二側(cè)向部分24。接著，分別由分別面向第一和第二懸置壁部S_e1、S_e2的與其平行的第一固定壁部S_m1和第二固定壁部S_m2界定調(diào)制電極20的第一側(cè)向部分22和第二側(cè)向部分24。此外，由另一壁部S_t界定調(diào)制電極20的橫向部分26，壁部S_t面向控制元件5b并且垂直于與其直接接觸的第一和第二固定壁部S_m1、S_m2。

在使用中，如下文中詳細(xì)所述，第一和第二固定壁部S_m1、S_m2是等勢(shì)的。類似地，第一和第二懸置壁部S_e1、S_e2是等勢(shì)的。

實(shí)際上，調(diào)制電極20的第一側(cè)向部分22和控制元件5b形成了電容器30，其在下文中將稱作“第一控制電容器30”。類似地，調(diào)制電極20的第二側(cè)向部分24以及控制元件5b形成另一電容器32，其在下文中將稱作“第二控制電容器32”。

第一控制電容器30的電容取決于第一固定壁部S_m1與第一懸置壁部S_e1的側(cè)向疊置(也即平行于軸線X)的面積。在該連接中，可以注意該面積如何等于L_ov·t_ov，其中L_ov如圖2中所示是側(cè)向地疊置第一固定壁部S_m1的第一懸置壁部S_e1的部分的長(zhǎng)度(平行于軸線Y測(cè)量)，而t_ov是前述部分的高度(平行于軸線Z測(cè)量)并且一級(jí)近似等于懸置區(qū)域2的厚度。此外，第一控制電容器30的電容取決于第一固定壁部S_m1和第一懸置壁部S_e1之間的距離，其可以表示為(g₀+x)，其中g(shù)₀是在靜止條件下前述壁部之間的距離，而x是前述距離相對(duì)于g₀值的變化。接下來(lái)，量x也將稱作“偏差”。

第二控制電容器32的電容取決于第二固定壁部S_m2和第二懸置壁部S_e2的側(cè)向疊置的面積，其同樣等于L_ov·t_ov。此外，第二控制電容器32的電容取決于第二固定壁部S_m2和第二懸置壁部S_e2之間的距離，其可以表示為(g₀-x)。因此，并未損失任何普遍性，在靜止條件下，控制元件5b與第一和第二固定壁部S_m1、S_m2等距離，并且第一和第二控制電容器30、32具有基本上同一的電容值。

在使用中，調(diào)制電極20設(shè)置為電壓V_m，而懸置區(qū)域2以及因此控制元件5b也設(shè)置為電壓V_rotor。因此，在控制元件5b上，并且因此更通常地在懸置區(qū)域2上，兩個(gè)靜電力在同一方向上施加，但是以相反的方式，這些力在下文中標(biāo)注為F_el,1和F_el,2。特別地，再回想經(jīng)受電壓ΔV_s的電容器經(jīng)受近似等于1/2·(ΔC/Δx)·ΔV_s²的靜電力(其中ΔC是取決于等于相應(yīng)極板距離Δx的變化的電容器的電容值的變化)，可以得到：

其中ε₀是真空介電常數(shù)。

假設(shè)，V_rotor＝0并且x<<g₀，也即，假設(shè)相對(duì)于靜止條件的小變化，能夠?qū)⒆饔迷趹抑脜^(qū)域2上的總靜電力F_el,tot的表達(dá)式線性化，其是：

對(duì)于一級(jí)近似而言，總靜電力F_el,tot因此線性地正比于懸置區(qū)域2在靜止條件下假設(shè)的距位置的偏移。此外，總靜電力F_el,tot可以理解為一種靜電剛性(stiffness)，因?yàn)槠淇梢员磉_(dá)為F_el,tot≈k_el·x，其中：

施加至調(diào)制電極20的電壓V_m可以寫(xiě)作恒定分量V_dc和可變分量ΔV·sin(ω_mt)之和，其中t,ω_m和ΔV分別是可變(振蕩)分量的時(shí)間和脈沖以及對(duì)應(yīng)的幅度。換言之，可以得到：

V_m(t)＝V_dc+ΔV·sin(ω_mt) (5)

以下關(guān)系因此適用：

假設(shè)V_dc>>ΔV/2，方程(6)可以重寫(xiě)作：

F_el,tot≈(k_el,0+Δk·sin(ω_mt))·x (7)

其中

這已經(jīng)是說(shuō)，描述了懸置區(qū)域2的運(yùn)動(dòng)的方程可以寫(xiě)作：

其中：m是懸置區(qū)域2的質(zhì)量；b是阻尼(由粘性摩擦引起)；以及k是由懸置區(qū)域2以及由第一彈簧8和第二彈簧9所形成系統(tǒng)的彈性常數(shù)(或者剛性)。對(duì)于一級(jí)近似，方程(10)可以寫(xiě)作：

在準(zhǔn)靜態(tài)近似中，也即當(dāng)頻率f_m＝ω_m/2π遠(yuǎn)低于由懸置區(qū)域2以及第一彈簧8和第二彈簧9所形成的系統(tǒng)的機(jī)械諧振頻率f_mech時(shí)，方程(11)左手邊的第一兩個(gè)項(xiàng)可以忽略。因此，關(guān)于偏移x，以下方程適用：

通過(guò)線性化方程(12)的右手邊的項(xiàng)，也即通過(guò)將方程(12)的右手邊的項(xiàng)采用變量Δk(相對(duì)于所計(jì)算的偏離)并且圍繞點(diǎn)(k-k_el,0)擴(kuò)展為一階級(jí)數(shù)，可以得到：

其中呈現(xiàn)明顯的是，量x和a_ext可以是時(shí)間的變量，并且其中：

也考慮不希望的效應(yīng)，因此能夠用公式表達(dá)以下方程：

其中右手邊的第一項(xiàng)(x_off)是對(duì)于偏移x的第一貢獻(xiàn)，其包括不希望的效應(yīng)諸如例如溫度(T)、機(jī)械應(yīng)力等。因?yàn)檫@些不希望的效應(yīng)隨時(shí)間非常緩慢地可變，第一貢獻(xiàn)可以視作所謂的d.c貢獻(xiàn)，如圖3中所示，其由37標(biāo)注。方程(15)的右手邊的第二項(xiàng)表示對(duì)于偏移x的第二貢獻(xiàn)，其取決于外部加速度a_ext，但是不取決于角頻率ω_m。方程(3)的右手邊的第三項(xiàng)表示對(duì)于偏移x的第三貢獻(xiàn)，其取決于外部加速度a_ext以及取決于角頻率ω_m。特別地，在頻域中，第三貢獻(xiàn)相對(duì)于第一和第二貢獻(xiàn)以正比于頻率f_m的方式轉(zhuǎn)換為頻率，如圖3中定性所示。借由示例的方式，圖3中已經(jīng)假設(shè)了外部加速度a_ext具有隨頻率f_in的正弦曲線，在該情形中前述第二貢獻(xiàn)由在頻率f_in下單個(gè)頻譜線(由38標(biāo)注)形成，而第三貢獻(xiàn)包括分別設(shè)置在頻率f_m-f_in和頻率f_m+f_in下的對(duì)應(yīng)頻譜線(由39和40標(biāo)注)的配對(duì)。此外，圖3定性地示出了下文中所述高通濾波器地轉(zhuǎn)移函數(shù)41。

為了呈現(xiàn)加速度計(jì)1對(duì)于聲學(xué)振動(dòng)的不敏感性，除了之外f_mech>20kHz，可能使得f_m>20kHz。

已經(jīng)陳述了所有這些，表示外部加速度a_ext的信號(hào)s_aext的產(chǎn)生可以如圖4中所示執(zhí)行，其顯示了設(shè)置在加速度計(jì)1下游的處理電路44，其示意性地表示經(jīng)受外部加速度a_ext的組塊。此外，圖4示出了電壓發(fā)生器46，其產(chǎn)生電壓V_m并且連接至加速度計(jì)1以使得在使用中調(diào)制電極20設(shè)置為電壓V_m。

在圖4的實(shí)施例的示例中，處理電路44包括電容至電壓轉(zhuǎn)換器組塊48，實(shí)施了例如圖3中所示的轉(zhuǎn)移函數(shù)41的高通濾波器50，以及解調(diào)器52。并未損失任何普遍性，加速度計(jì)1形成在第一裸片D1中，而電壓發(fā)生器46、電容至電壓轉(zhuǎn)換器48、高通濾波器50以及調(diào)制器52提供在例如作為ASIC的第二裸片中。實(shí)施例(未示出)在任何情形中是可能的，其中加速度計(jì)1、電壓發(fā)生器46以及處理電路44均形成在同一的裸片中。

更詳細(xì)地，電容至電壓轉(zhuǎn)換器電路48是連接接口，例如由自身已知類型的電荷放大器形成，連接接口電連接至形成在加速度計(jì)1的次級(jí)腔體CS中的感測(cè)電容器配對(duì)，以便以自身已知的方式接收由這些感測(cè)電容器所產(chǎn)生的電容性變化信號(hào)s_ΔC。基于之前已經(jīng)描述的內(nèi)容，電容性變化信號(hào)s_ΔC取決于偏移x，并且因此指示了后者的值，因?yàn)榭紤]到任何次級(jí)腔體CS，相應(yīng)的第一固定極板12與相應(yīng)的第一側(cè)壁16之間的距離以及第二固定極板14與第二側(cè)壁18之間的距離取決于偏移x。此外，電容性變化信號(hào)s_ΔC包括相應(yīng)的分量，其對(duì)應(yīng)于前述的偏移x的第一、第二和第三貢獻(xiàn)。

電容至電壓轉(zhuǎn)換器電路48在輸出端產(chǎn)生將要被濾波的信號(hào)s_V，其例如由取決于次級(jí)腔體CS中所形成感測(cè)電容器的電容的電壓形成，并且因此也指示了偏移x的值。換言之，待濾波的信號(hào)s_V也包括相應(yīng)的分量，其對(duì)應(yīng)于前述偏移x的第一、第二和第三貢獻(xiàn)。

待濾波信號(hào)s_V隨后由高通濾波器50濾波，其產(chǎn)生已濾波信號(hào)s_f，取決于對(duì)偏移x的前述第三貢獻(xiàn)，但是不取決于對(duì)偏移x的第一和第二貢獻(xiàn)。換言之，高通濾波器50對(duì)待濾波信號(hào)s_V的對(duì)應(yīng)于偏移x的第一和第二貢獻(xiàn)的分量進(jìn)行濾波。

在解調(diào)器52的第一輸入端上供應(yīng)經(jīng)濾波的信號(hào)s_f，其是自身已知類型并且可以包括多路復(fù)用器和低通濾波器(未示出)。此外，電壓發(fā)生器46在解調(diào)器52的第二輸入端上提供電壓V_m以使得后者提供輸出信號(hào)s_out，其同樣指示了偏移x的值，但是具有比已濾波信號(hào)s_f更低的頻率。例如，輸出信號(hào)s_out可以在基頻帶中。

實(shí)際上，電容性變化信號(hào)s_ΔC由電容至電壓轉(zhuǎn)換器48轉(zhuǎn)換為待濾波信號(hào)s_V，由高通濾波器50濾波，并且隨后由解調(diào)器52解調(diào)。輸出信號(hào)s_out是V_dc和ΔV的外部加速度的函數(shù)，但是不是角頻率ω_m的函數(shù)。此外，輸出信號(hào)s_out可以提供至輸出級(jí)58，其例如由配置用于基于輸出信號(hào)s_out而產(chǎn)生指示了外部加速度a_ext的加速度信號(hào)s_aext的外部裝置而形成。加速度信號(hào)s_aext可以是模擬或數(shù)字類型。在該后者的情形中，輸出級(jí)58可以包括A/D轉(zhuǎn)換器(未示出)。為了配置輸出級(jí)58，其例如能夠在已知加速度(例如重力加速度)的存在下執(zhí)行校準(zhǔn)的操作以便對(duì)于每個(gè)已知加速度確定輸出信號(hào)s_aout的對(duì)應(yīng)的值。

根據(jù)圖5中所示的變量，為了增大輸出信號(hào)s_out的幅度，可以利用由懸置區(qū)域2以及由第一彈簧8和第二彈簧9所形成機(jī)械系統(tǒng)的所謂頻率響應(yīng)H(s)的特性。如已知的那樣，作為在正弦狀態(tài)中外部機(jī)械驅(qū)動(dòng)力的頻率的函數(shù)，頻率響應(yīng)H(s)指示了懸置區(qū)域2所經(jīng)受的、相對(duì)于靜止條件下所假設(shè)位置的對(duì)應(yīng)的正弦振蕩的幅度的值。此外，如圖5中定性地所示，頻率響應(yīng)H(s)在等于前述機(jī)械諧振頻率f_mech的頻率值處具有峰值。

不同于之前所述的實(shí)施例，其中已經(jīng)假設(shè)操作使得前述對(duì)于偏移x的第三貢獻(xiàn)的頻譜線39和40落入頻率響應(yīng)H(s)的模數(shù)曲線的所謂平坦部分中，也即設(shè)置在明確地低于機(jī)械諧振頻率f_mech的頻率下。在圖5中假設(shè)操作更靠近頻率響應(yīng)H(s)的諧振峰值。在該情形中，存在從由對(duì)于諧振條件的接近性所給出的動(dòng)態(tài)放大而得的益處。此外，在高通濾波器50的下游，已濾波信號(hào)s_f指示以下量：

從更定量的角度而言，可以利用頻率f_m屬于包括機(jī)械諧振頻率f_mech的頻率范圍并且使得H(ω_m)的模數(shù)呈現(xiàn)至少等于例如|H(0)|+3dB的值。

不論頻率f_m和機(jī)械諧振頻率f_mech之間的相關(guān)布置如何，圖6中所示類型的實(shí)施例都是可能的，其中為了簡(jiǎn)化說(shuō)明未示出固定區(qū)域3。

詳細(xì)地，圖6展示了加速度計(jì)(在此標(biāo)注為60)的實(shí)施例，其僅參照相對(duì)于圖1中所示實(shí)施例不同之處而描述。此外，已經(jīng)存在于圖1中所示實(shí)施例中的元件由相同附圖標(biāo)記標(biāo)注，除非其中另外規(guī)定。

更詳細(xì)地，懸置區(qū)域(在此由62標(biāo)注)同樣包括在此由65a標(biāo)注的主本體，但是并未包括控制元件。

除了次級(jí)腔體CS之外，主本體65a形成多個(gè)控制腔體，在此由CC’標(biāo)注。純粹借由示例的方式，控制腔體CC’彼此相同，具有平行六面體的形狀，并且延伸穿過(guò)主本體65a的厚度。在俯視圖中，每個(gè)控制腔體CC’因此具有矩形的形狀。

更特別地，在圖6中所示的實(shí)施例中展示了八個(gè)控制腔體CC’，劃分為兩組各四個(gè)，兩組相對(duì)于平行于軸線X的虛構(gòu)軸線而鏡像設(shè)置。實(shí)際上，每組相對(duì)于次級(jí)腔體CS的集合而在相對(duì)側(cè)邊上延伸，其沿著平行于軸線X的軸線均勻地間隔開(kāi)而設(shè)置。此外，在每個(gè)組中，控制腔體CC’也沿著平行于軸線X的相應(yīng)軸線均勻地間隔開(kāi)而設(shè)置，例如具有小于次級(jí)腔體CS間距的間距。然而，實(shí)施例(未示出)是可能的，其中由不同數(shù)目控制腔體CC’形成兩組的每一個(gè)和/或僅存在一個(gè)組。此外，對(duì)于主本體65a能夠形成單個(gè)控制腔體CC’，即便在該情形中加速度計(jì)60不再對(duì)稱。

加速度計(jì)60進(jìn)一步包括在此由68標(biāo)注的多個(gè)調(diào)制電極，其彼此相同，并且由導(dǎo)電材料(例如摻雜半導(dǎo)體材料)制成，以及具有平行六面體的形狀。在使用中，調(diào)制電極68設(shè)置為電壓V_m，而懸置區(qū)域62設(shè)置為電壓V_rotor。

考慮調(diào)制電極68的任何一個(gè)，其在對(duì)應(yīng)的控制腔體CC’中延伸，并且如已經(jīng)參照?qǐng)D1中所示實(shí)施例所述，固定至固定區(qū)域3的襯底。此外，每個(gè)調(diào)制電極68由第一側(cè)壁70和第二側(cè)壁72界定，其彼此相對(duì)并且平行于平面YZ，以及以一距離分別面向?qū)?yīng)的控制腔體CC’的第一側(cè)壁76和第二側(cè)壁78，其也彼此相對(duì)并且平行于平面YZ。因此，調(diào)制電極68的第一側(cè)壁70與對(duì)應(yīng)的控制腔體CC’的第一側(cè)壁76一起形成了對(duì)應(yīng)的電容器80，其同樣將稱作“第一控制電容器”，因?yàn)槠鋱?zhí)行了與如圖1中所示實(shí)施例的第一控制電容器30相同的功能。此外，調(diào)制電極68的第二側(cè)壁72與對(duì)應(yīng)的控制腔體CC’的第二側(cè)壁78一起形成了對(duì)應(yīng)的電容器82，其將同樣稱作“第二控制電容器”，因?yàn)槠鋱?zhí)行了與如圖1中所示實(shí)施例的第二控制電容器32相同的功能。此外，在使用中，調(diào)制電極68的第一和第二側(cè)壁70、72均處于電壓V_m。對(duì)應(yīng)的控制腔體CC’的第一和第二側(cè)壁76、78均處于電壓V_rotor。

并未損失任何普遍性，在靜止條件下，調(diào)制電極68的第一側(cè)壁70與對(duì)應(yīng)的控制腔體CC’的第一側(cè)壁76之間的距離、以及調(diào)制電極68的第二側(cè)壁72與對(duì)應(yīng)的控制腔體CC’的第二側(cè)壁78之間的距離彼此相同，并且第一和第二控制電容器80、82具有彼此相同的電容值。此外，對(duì)于加速度計(jì)60，可以在對(duì)幾何條件改變的在先適應(yīng)之后，參照?qǐng)D1和圖2中所示實(shí)施例而應(yīng)用所述方程。

實(shí)際上，加速度計(jì)60設(shè)計(jì)了多個(gè)調(diào)制電極68，以及因此多個(gè)第一控制電容器80，其電耦合至對(duì)應(yīng)的第二控制電容器82。此外，每個(gè)調(diào)制電極68由懸置區(qū)域62圍繞。然而，加速度計(jì)60的操作類似于加速度計(jì)1的操作。

圖7-圖8示出了在此由90標(biāo)注的速度計(jì)的另一實(shí)施例。根據(jù)該實(shí)施例，加速度計(jì)90被設(shè)計(jì)用于檢測(cè)指向平行于軸線Z的外部加速度。為了更清晰，圖8也示出了第一錨座94。

詳細(xì)地，加速度計(jì)90包括在此由92標(biāo)注的懸置區(qū)域，經(jīng)由在此由94標(biāo)注的第一錨座、以及經(jīng)由在此由98和99標(biāo)注的第一和第二彈簧而約束至固定區(qū)域3(圖7中不可見(jiàn))，彈簧是旋轉(zhuǎn)可變形的類型，也即它們扭轉(zhuǎn)而操作。

更詳細(xì)地，懸置區(qū)域92包括在此由95a標(biāo)注的主本體，但是不包括控制元件。

錨座94在懸置區(qū)域92中的開(kāi)口100中延伸，其延伸穿過(guò)后者的厚度。第一和第二彈簧98、99與懸置區(qū)域92共平面并且延伸穿過(guò)開(kāi)口100，平行于軸線Y，在第一錨座94與界定了開(kāi)口100的主本體95a的一部分的兩個(gè)相應(yīng)相對(duì)點(diǎn)之間。以自身已知的方式，第一錨座94以及第一和第二彈簧98、99在此成形以便使能懸置區(qū)域92僅圍繞平行于軸線Y的旋轉(zhuǎn)軸線O而旋轉(zhuǎn)。實(shí)際上，在旋轉(zhuǎn)期間，懸置區(qū)域92的一部分離開(kāi)薄片的平面。就此而論，旋轉(zhuǎn)是由于懸置區(qū)域92相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸線O非對(duì)稱的事實(shí)。實(shí)際上，旋轉(zhuǎn)軸線O相對(duì)于懸置區(qū)域92的質(zhì)心(未示出)而偏心，也即旋轉(zhuǎn)軸線O相對(duì)于質(zhì)心以平行于軸線Y的非零壁部而偏移。

加速度計(jì)90進(jìn)一步包括在此由102和104標(biāo)注的第一固定極板和第二固定極板，其固定至固定區(qū)域3的襯底并且被設(shè)置為平行于平面XY。因?yàn)閼抑脜^(qū)域92疊置了第一和第二固定極板102、104，其與后者分別形成了第一感測(cè)電容器和第二感測(cè)電容器，其電容取決于角度θ，該角度指示了懸置區(qū)域92相對(duì)于靜止條件下假設(shè)位置的旋轉(zhuǎn)程度，后者的位置平行于平面XY。并未損失任何普遍性，在靜止條件下，第一和第二感測(cè)電容器可以近似具有同一的電容值。同樣不損失任何普遍性，在俯視圖中第一和第二固定極板102、104可以具有沿平行于軸線Y方向拉長(zhǎng)、并且相對(duì)于第一錨座94鏡像設(shè)置的矩形的形狀。

加速度計(jì)90進(jìn)一步包括電極的第一配對(duì)110以及電極的第二配對(duì)112，這些配對(duì)彼此相同并且相對(duì)于平行于軸線X的假想軸線鏡像設(shè)置，并且在俯視圖中穿過(guò)第一錨座94。然而，實(shí)施例是可能的，其中電極的第二配對(duì)112缺省。此外，因?yàn)殡姌O的第一和第二配對(duì)110、112彼此相同，下文中將僅描述電極的第一配對(duì)110。

詳細(xì)地，電極的第一配對(duì)110包括第一調(diào)制電極114和第二調(diào)制電極116，其并未損失任何普遍性地彼此相同并且由固定至固定區(qū)域3的襯底的、平行于平面XY的對(duì)應(yīng)極板形成。在俯視圖中，第一和第二調(diào)制電極114、116與旋轉(zhuǎn)軸線O等距離。

懸置區(qū)域92設(shè)置在第一和第二調(diào)制電極114和116的頂部上并且與其有一距離，并且分別與后者形成了在此由130和132標(biāo)注的第一和第二控制電容器。第一和第二控制電容器130、132的電容也取決于角度θ。并未損失任何普遍性，在靜止條件下，第一和第二控制電容器130、132可以具有同一的電容值。

在使用中，第一和第二電極配對(duì)110、112被設(shè)置為電壓V_m，而懸置區(qū)域92被設(shè)置為電壓V_rotor。因此，在懸置區(qū)域92上施加了兩個(gè)靜電力F_el,1和F_el,2，其引起施加至懸置區(qū)域92兩個(gè)對(duì)應(yīng)耦合，其傾向于使得懸置區(qū)域92沿相對(duì)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

因此可以表明以下方程適用：

其中J是懸置區(qū)域92的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性力矩；b是阻尼(由粘性摩擦引起)；以及k是由懸置區(qū)域92以及由第一和第二彈簧98、99形成的系統(tǒng)的彈性剛度；r是前述機(jī)械臂，也即由懸置區(qū)域92的質(zhì)心以及由旋轉(zhuǎn)軸線O限定的臂部；r_el是靜電臂，其等于從第一和第二調(diào)制電極114、116的任一個(gè)的中心的旋轉(zhuǎn)軸線O的距離。

已經(jīng)陳述了表明以下關(guān)系適用：

由此得出，加速度計(jì)90的操作等同于參照加速度計(jì)1已經(jīng)所述的操作。

實(shí)際上，之前所述的實(shí)施例設(shè)計(jì)了存在至少兩個(gè)控制電容器，每一個(gè)具有固定極板，相對(duì)于另一個(gè)控制電容器的固定極板并相對(duì)于固定區(qū)域而固定，以及具有移動(dòng)極板，相對(duì)于另一個(gè)控制電容器的移動(dòng)極板并且相對(duì)于懸置區(qū)域而固定，兩個(gè)控制電容器的電容值以相反符號(hào)跟隨懸置區(qū)域相對(duì)于固定區(qū)域的(平移或旋轉(zhuǎn))運(yùn)動(dòng)而變化。

圖9示出了電子裝置300的框圖，其包括作為封裝的裝置200的加速度計(jì)，諸如如在此涉及的加速度計(jì)1、60、90之一。加速度計(jì)可以用于例如檢測(cè)振動(dòng)，用于確定電子裝置300的朝向，或者用于識(shí)別自由落體條件。

電子裝置300可以是移動(dòng)通信設(shè)備，諸如電話或個(gè)人數(shù)字助理、便攜式計(jì)算機(jī)、照片相機(jī)或視頻相機(jī)裝置、可穿戴裝置諸如智能手表，或者任何其他電子裝置。電子裝置300包括處理單元310，其電耦合至已封裝的裝置200。處理單元310包括控制電路，例如由一個(gè)或多個(gè)處理器、分立式存儲(chǔ)器和邏輯器件、包括圖4中所示的輸出級(jí)58而形成。處理單元310配置用于向封裝裝置200發(fā)送信號(hào)并且從其接收信號(hào)。電子裝置300可以進(jìn)一步包括輸入/輸出裝置320，諸如耦合至處理單元310的小鍵盤(pán)或顯示器。電子裝置300可以此外包括電源330，其可以由電池或者由用于耦合至外部電源的部件形成。

所述加速度計(jì)使能以非常精確的方式檢測(cè)外部加速度，由于消除了d.c.部件或者在任何情形中低頻部件的可能性，其不利地影響測(cè)量的穩(wěn)定性和精度。

此外，本實(shí)用新型的加速度計(jì)可以設(shè)置在與陀螺儀相同的腔體中，在其中設(shè)備設(shè)想了兩種裝置的情形中，使能減小所占用的空間。此外，本實(shí)用新型的加速度計(jì)無(wú)需設(shè)計(jì)用于保持機(jī)械部件振蕩的任何驅(qū)動(dòng)電路，結(jié)果降低了實(shí)施方式的復(fù)雜性。

最后，明顯的是，可以對(duì)在此所述和所示的加速度計(jì)做出修改和改變，并未因此脫離如所附權(quán)利要求中限定的本公開(kāi)的保護(hù)范圍。

例如，懸置區(qū)域的形狀可以不同于所述，如類似地，感測(cè)電容器的數(shù)目和排列以及因此形成了對(duì)應(yīng)極板的導(dǎo)電元件的形狀和排列。例如，如前所述，次級(jí)腔體的數(shù)目和形狀可以不同于已經(jīng)所述的。類似地，控制元件(如果存在的話)的形狀和排列以及之前所述一個(gè)或多個(gè)調(diào)制電極的形狀和排列可以不同。因此，一個(gè)或多個(gè)控制腔體(如果存在的話)的形狀和排列可以不同于之前所述。

此外，即使之前所述的實(shí)施例大體上設(shè)想了至少兩個(gè)控制電容器的存在，以及因此兩個(gè)表面(極板)配對(duì)的存在，每個(gè)配對(duì)的表面彼此面對(duì)，實(shí)施例(未示出)在任何可能的情形中對(duì)應(yīng)于之前所述的實(shí)施例，但是其中存在單個(gè)控制電容器時(shí)，分別由調(diào)制電極和由懸置區(qū)域形成其第一和第二極板。例如，參照對(duì)應(yīng)于如圖1和圖2中所示實(shí)施例的實(shí)施例，其不同于后者，因?yàn)檎{(diào)制電極20的第二側(cè)向部分24缺省。因此，我們發(fā)現(xiàn)F_el,tot＝F_el,1，結(jié)果修改了之前展示的方程。同樣純粹借由示例的方式，參照對(duì)應(yīng)于圖7和圖8所示實(shí)施例的實(shí)施例，其不同于后者，因?yàn)殡姌O112的第二配對(duì)以及第二調(diào)制電極116缺省。同樣，即使在之前所述的實(shí)施例中描述了至少兩個(gè)控制電容器具有二乘二等勢(shì)的極板，實(shí)施例是可能的，其中并未遵守該條件，即使這可以導(dǎo)致之前所展示數(shù)學(xué)公示的復(fù)雜性增大。此外，即使之前所述的實(shí)施例設(shè)想了在至少兩個(gè)控制電容器的四個(gè)極板之間，由加速度計(jì)的一個(gè)并且相同部件(例如控制元件5b)形成這四個(gè)極板的至少兩個(gè)，實(shí)施例是可能的(未示出)，其中每個(gè)極板由加速度計(jì)的對(duì)應(yīng)部件形成。

關(guān)于電壓V_m，其可以甚至不具有任何d.c.分量，在該情形中剛性的調(diào)制將發(fā)生在兩倍于頻率f_m的頻率下。就此而論，不論是否可能存在d.c.分量，電壓V_m的a.c.分量可以不同于正弦，假設(shè)其仍然是周期性的。例如，電壓V_m可以由方波形成，在該情形中實(shí)施了所謂的斬波技術(shù)。通常，處理電路44和/或輸出級(jí)58可以作為電壓V_m的時(shí)距圖的函數(shù)而改變。

如上所述的各個(gè)實(shí)施例可以組合以提供其他實(shí)施例?？梢愿鶕?jù)以上詳述的說(shuō)明書(shū)對(duì)實(shí)施例做出這些和其他改變。通常，在以下權(quán)利要求中，所使用的術(shù)語(yǔ)不應(yīng)構(gòu)造為將權(quán)利要求限定于說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求書(shū)中所公開(kāi)的具體實(shí)施例，而是應(yīng)該構(gòu)造用于包括所有可能實(shí)施例以及這些權(quán)利要求請(qǐng)求保護(hù)的等價(jià)形式的全部范圍。因此，權(quán)利要求不由本公開(kāi)所限定。