CN103250057B - 微机电类型的谐振双轴加速度计结构 - Google Patents

Abstract

一种用于MEMS谐振双轴加速度计(16)的微机电检测结构(1；1′)具有：惯性质量体(2；2’)，借助弹性元件(8)固定至衬底(30)以便悬置在衬底(30)之上，弹性元件(8)响应于相应线性外部加速(a_x，a_y)实现惯性质量体(2；2′)的沿属于所述惯性质量体(2；2′)的主延伸的平面(xy)的第一检测轴线(x)和第二检测轴线(y)的惯性移动；以及至少一个第一谐振元件(10a)和至少一个第二谐振元件(10b)，具有分别沿第一检测轴线(x)和第二检测轴线(y)的相应纵向延伸，并且通过弹性元件(8)的相应弹性元件机械地耦合到惯性质量体(2；2’)，以便在惯性质量体分别沿第一检测轴线(x)和第二检测轴线(y)移动时经受相应的轴向应力(N₁，N₂)。

Description

微机电类型的谐振双轴加速度计结构

技术领域

本发明涉及MEMS(微机电系统)类型的谐振双轴加速度计结构，具体而言涉及能够用高的电学性能检测在平面中的两个独立加速分量的MEMS类型的谐振双轴加速度计结构。

背景技术

众所周知，由于MEMS加速度计的极其紧凑的尺度、低消耗水平、以及良好的电学性能，当前在汽车工业、振动监测以及便携式电子设备之类的很多应用领域中使用MEMS加速度计。

在文献中提出和当前在市场上存在的众多MEMS加速度计一般可以基于由对应微机电检测结构使用的检查原理分类为三类：电容性、谐振和压电性。

在谐振加速度计中，待测的外部加速产生微机电结构或者其一部分的谐振频率的可检测频移。相比于其它测量原理，谐振检测展现了提供直接频率输出、高敏感性和宽动态范围的优势。

更具体而言，在谐振元件的谐振频率的频移方面检测外部加速，该谐振元件成形为普通梁并耦合到惯性质量体(所谓的“敏感质量体”(proofmass)或“自由质量体”)。

外部线性加速a在惯性质量体m上产生力F，其中F＝m·a；所述力转而在谐振元件中产生与其成比例(并且因此与所述外部加速a成比例)的轴向动作N，这由与其耦合的电子元件适当保持在谐振状况。轴向动作因此根据下列关系确定谐振元件的由f表示的自然谐振频率的变化：

$f=f_0\·\sqrt{1+\mathrm{\α}\frac{{\mathrm{NL}}^2}{\mathrm{EI}}}---\left(1\right)$

其中f₀是没有轴向负载时的谐振元件的基本频率，其由下式给出：

$f_0=\frac{c^2}{2\mathrm{\π}{L}^2}\·\sqrt{\frac{\mathrm{EI}}{\mathrm{\ρA}}}---\left(2\right)$

此外，L、A和I分别是谐振元件的长度、截面面积和惯性力矩，ρ是制成谐振元件的材料的质量密度，E是弹性模量，并且c和α是系数，c和α的值按已知方式取决于构成所述谐振元件的梁的约束条件。

如果外部加速是角度性，而非线性，则生成与质量体的极矩J成比例的扭矩，质量体以与先前已论述的方式相似的方式引入对谐振元件的轴向动作，从而根据前述的关系(1)变化其频率。

半导体技术(具体是借助“体微加工”的技术或者最近的“表面微加工”的技术)已提出和制造了基于谐振操作原理的各种加速度计。例如，可以引用下面关于使用表面微加工技术获得谐振加速度计的文献：

M.Aikele、K.Bauer、W.Ficker、F.Neubauer、U.Prechtel、J.Schalk、H.Seidel的″Resonantaccelerometerwithself-test″，传感器和致动器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″Avacuumpackagedsurfacemicromachinedresonantaccelerometer″，JMEMS，11784-793，2002；

L.He、Y.-P.Xu、A.Qiu的″Foldedsiliconresonantaccelerometerwithtemperaturecompensation″，传感器，2004，IEEE的会议记录，1，512-515，24-27，2004年10月；

S.X.P.Su、H.S.Yang、A.M.Agogino的″Aresonantaccelerometerwithtwo-stagemicroleveragemechanismsfabricatedbySOI-MEMStechnology″传感器，5(6)，1214-1223，2005。

迄今为止提出的各种MEMS谐振加速度计从针对微机电检测结构(具体而言针对谐振元件关于惯性质量体的不同布置)设想的几何的立场不同，并且因此针对从其获得的电学特性也不同，例如关于轴向力的放大以及因此在加速的检测上的敏感性方面不同。具体而言，谐振加速度计的敏感性一般被定义为由等于1g的外部加速生成的频率变化。

通过表面微加工技术获得的已知谐振加速度计通常具有从数十Hz/g开始并且不超过200Hz/g的敏感性，并且已知谐振加速度计的至少一些谐振加速度计具有相当大的尺寸。

此外，迄今为止提出的MEMS谐振加速度计的多数部分用于单轴类型，即能够使用单个惯性检测质量体检测沿检测的给定轴线定向的单个加速分量。因此，有必要复制所提出的微机电结构(每个微机电结构具有对应的惯性质量体)以获得对沿多个检测轴线定向的加速分量的检测。

本发明人最近已在2009年9月7日提交并且尚未公开的专利申请No.TO2009A000687中提出用于单轴类型的谐振加速度计的微机电结构，其由于构成元件的特殊几何布置而具有高的敏感性和降低的尺度。然而，所述专利申请的教导也不涉及具有多个检测轴线的、紧凑的、并且具有高电学性能的结构。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供用于谐振加速度计的微机电结构，其将展示改进的物理和电学特性，并且尤其将实现沿平面中至少两个检测轴线动作的加速分量的双轴检测。

根据本发明，因此提供如所附权利要求中限定的用于谐振加速度计的微机电结构。

附图说明

为了更好的理解本发明，现在仅通过非限制示例并且参考所附附图描述本发明的一些优选实施例，其中：

图1示出了根据本发明的第一实施例的微机电检测结构的示意顶部平面图；

图2a、图2b和图2c示出了在存在不同的外部应力时图1的微机电检测结构的变形；

图3是并入微机电检测结构的谐振加速度计以及具有所述谐振加速度计的电子装置的简化框图；

图4示出了根据本发明的第二实施例的微机电检测结构的示意顶部平面图；

图5和图6分别是图1和图4的微机电检测结构的SEM(扫描电子显微镜)图像；以及

图7a和图7b示出了微机电检测结构的又一些变体的简化顶部平面图。

具体实施方式

如下文将澄清的那样，本发明的一个方面设想了使用单个惯性质量体以用于检测在平面(尤其是与所述惯性质量体的主延伸平面一致的平面)中的至少两个独立加速分量。适当耦合到所述单个惯性质量体的是用于根据谐振频率的变化的原理检测前述加速分量的谐振元件(这一方面参考前面描述)。

具体而言，图1示出了谐振双轴加速度计的整体由1表示的微机电检测结构的第一实施例。使用表面微加工半导体技术以集成方式(具体而言从由半导体材料(诸如硅)制成的本体开始)生产微机电检测结构1。

微机电检测结构1包括单个惯性质量体2，其例如具有在平面xy中的方形形状属性，对应于其自身的延伸的主平面，由第一轴线x和第二轴线y限定，其还对应于谐振双轴加速度计的检查方向(如下文将澄清的那样)。惯性质量体2在与所述平面xy正交的方向上沿第三轴线z具有可以忽略的尺度，第三轴线z与前述的第一轴线x和第二轴线y一起限定三个正交轴线的集合。

具体而言，在所述第一实施例中，惯性质量体2具有四个质量体部分2a-2d以及中心部分2e，该四个质量体部分2a-2d例如具有在平面xy中的基本方形形状并且限定在所述平面xy中的质量体的外部边界，中心部分2e在中心外接质量体部分2a-2d并且还例如具有在平面图中的基本方形形状。惯性质量体2还具有重心轴线(被定义为穿过其重力G的中心的轴线，在此情形下与中心部分2e的几何中心重合)，其还表示微机电检测结构1的对称轴线并且被定向为与平面xy正交。

质量体部分2a-2d相邻配对地限定总计为4个的相应窗口4，窗口4从中心部分2e开始延伸并且朝惯性质量体2的外部开放。具体而言，第一配对的窗口4从中心部分2e的相对侧沿第二轴线y延伸，而剩余的窗口4沿第一轴线x延伸并且也被设置在中心部分2e的相对侧上。一般而言，惯性质量体2的结构关于与轴线x和y平行的轴线对称，并且穿过中心部分2e的几何中心(重力G的中心)。

惯性质量体2被固定至衬底(未示出，例如由诸如硅之类的半导体材料制成的衬底)，以便悬置在所述衬底之上，其中平面xy与所述衬底的顶部表面基本平行。

具体而言，惯性质量体2弹性耦合到第一固定点6，第一固定点6在示出的第一实施例中总计为4个，其被外部设置至所述惯性质量体2并且在所述窗口4的延长方向上沿第一轴线x或第二轴线y成对地对准至窗口4。第一固定点6例如由柱体构成，该柱体延伸直至衬底并且机械连接至衬底。

具体而言，惯性质量体2借助相应的弹性元件8连接至前述第一固定点6(弹性元件8在示出的实施例中也总计为4个)，弹性元件8被整体配置以便维持惯性质量体2悬置在衬底之上并且实现分别沿第一轴线x和第二轴线y的平移的至少一个第一线性移动和其平移的至少一个第二线性移动(关于所述衬底)，以及防止其移动超出所述平面xy。

每个弹性元件8包括：第一部分8a，由直线线性弹性件(所谓的“单梁”)构成，其沿第一轴线x或第二轴线y从惯性质量体2(关于中心部分2e为中心)的中心部分2e的外部侧表面开始在相应窗口4内延伸；第二部分8b，连接至第一部分8a，并且由折叠弹性件(所谓的“折叠梁”)构成，具有在第一部分8a的横向的方向上的延伸，具体而言沿第二轴线y或第一轴线x(第二部分8b因此由多个彼此平行的直线弹性件构成，其具有在前述横向方向上的主要延伸并且在对应端部处彼此成圆角)；以及第三部分8c，连接至第二部分8b并且同样由直线弹性件构成，具有沿第一轴线x或第二轴线y的延伸，作为第一部分8a的延长，其长度远小于所述第一部分8a的对应长度，直至第三部分8c到达相应的第一固定点6，与第一固定点6的、面对中心部分2e的对应侧表面的、外部侧表面接合。

具体而言，弹性元件8非常薄(对应构成部分在延伸方向上的长度远大于对应宽度)。

微机电检测结构1还包括由四个谐振元件10a-10d形成的谐振部件，每个谐振元件由薄的谐振梁构成。

在示出的实施例中，谐振元件10a-10d关于平面xy在惯性质量体2的外部设置，并且谐振元件10a-10d沿第一轴线x或第二轴线y平行配对地延伸，并且谐振元件10a-10d还平行于在其外部的相关联的弹性元件8的第二部分8b。

具体而言，每个谐振元件10a-10d在其第一端部借助相应的第二固定点12(同样地由例如柱体构成，该柱体延伸直至衬底并且连接至衬底)被刚性约束至衬底，并且每个谐振元件10a-10d从所述第二固定点12开始延伸直至它由其自身的第二端部在所述弹性元件8的相应第一固定点6的靠近邻近区域中接合相应的弹性元件8(具体而言是所述弹性元件8的第三部分8c)。谐振元件10a-10d到相应弹性元件8的连接点由c表示。每个谐振元件10a-10d因此形成为相应弹性元件8的第三部分8c的一部分，包括在连接点c和对应第一固定点6之间的L形谐振结构。

每个谐振元件10a-10d因此通过相应的弹性元件8机械地耦合至惯性质量体2。有利地，所述配置实现待使用具有如下程度的抑制尺度的惯性质量体2而获得的高的检测敏感性的值，在该程度下，弹性元件8的中间存在防止谐振元件10a-10d的硬度直接阻碍惯性质量体2，并且因而减少在检测到外部加速时惯性质量体2的移动的偏移(excursion)。

此外，还证实了在第一固定点6的靠近邻近处的连接点c的位置是确定谐振检测结构的电学特性(在响应于外部加速的轴向力的放大方面，以及因此在检测敏感性方面)的因素。具体而言，已经借助仿真和实验测试证实，为了改进检测灵敏度(被定义为由1g的加速产生的频率变化，g为重力加速)将连接点c非常靠近弹性元件8的第一固定点6的位置放置是有利的。例如，如果将作为整体考虑的所述弹性元件8的沿第一轴线x或第二轴线y的长度表示为L(从惯性质量体2的中心部分2e直至相应的第一固定点6)，则将连接点c置于从对应的第一固定点6的如下距离处是有利的，该距离位于0.01·L和0.02·L之间，例如，近似为从对应的第一固定6开始的长度L的1/60。

被描述为谐振元件10a-10d的配置还有利地实现在微机电检测结构1的频率的线性行为间隔方面的增加。具体而言，可以示出弹性元件8的在连接点c和对应的第一固定点6之间包括的、具有小尺度的第三部分8c的部件的存在引起各个谐振元件10a-10d的线性行为基本不偏离在两个端部处约束的标准谐振体(所谓的“双钳位”谐振体)的线性行为，而非线性行为被显著改进。例如，由双钳位谐振体展示出的所谓的“硬性弹性件(hardspring)”效应在存在与所述谐振体的宽度相当的幅度的振荡时在所提出的结构中显著衰减，这是由于将谐振元件10a-10d的端部之一耦合至相应弹性元件8所限定的边界条件的改变。

微机电检测结构1还包括针对各个谐振元件10a-10d的电极对13、14，电极对13、14被布置成彼此平行并且关于第一轴线x或第二轴线y在所述谐振元件10a-10d的相对侧上与对应的谐振元件10a-10d平行。第一电极13用于通过施加适当的电势差将相关联的谐振元件10a-10d送入谐振状况，而第二电极14用作检测电极以用于借助与谐振元件10a-10d的电容性耦合的变化检测对应的谐振频率的变化(根据已知为“平行平面(parallelplate)”的检查方案)。如图1中所示，电极13和14具有沿对应的延伸方向的妨碍物，该妨碍物有利地包含于第二固定点12和面对的弹性元件8的第三部分8c之间。以未示出的方式，针对前述电极13、14的电连接设想去往耦合至微机电检测结构1的电子电路的适当的电连接路径。配置所述电子电路，以便供应致动的电信号给微机电检测结构1，并且接收和处理由所述微机电检测结构1供应的电检测信号。

以本文未示出的方式，还可以提供适当的阻拦物元件以用于限制惯性质量体2在平面xy中的移动的偏移。所述阻拦物便利地固定至衬底并且能够阻拦惯性质量体2的移动。在任一情形中，已经示出弹性元件8所受应力(尤其是在对应的第一固定点6处的应力)可以充分落入构成弹性元件8的材料(例如多晶硅)的抗性限制内。

现在还将参照图2a至图2c描述微机电检测结构1的操作原理，图2a至图2c示出了微机电检测结构1的响应于不同外部应力(并且尤其响应于：沿第一轴线x作用的第一线性加速(图2a)；沿第二轴线y作用的第二线性加速(图2b)；以及围绕重心轴线作用的第三角加速，或以等同方式的围绕第三轴线z作用的第三角加速)的可能变形。如将详细突出强调的那样，弹性元件8的布置实际上实现惯性质量体2在平面xy中的三个移动(分别沿第一轴线x和第二轴线y的第一平移和第二平移，以及围绕第三轴线z的转动)；在谐振元件10a-10d上的所述移动的效果可以被解耦合成实现单独并且没有相互干扰的对应加速分量的检测。

在没有外部加速的情形下，作为与对应的第一电极13和相关联的电子电路的相互作用的结果，四个谐振元件10a-10d具有相同的标称谐振频率f₀。

当惯性质量体2受到沿第一轴线x的第一加速a_x(在图2a的箭头方向上)时，作为弹性元件8的第一对的第二(折叠)部分8b的弯曲的结果以及还作为剩余弹性元件8的第一(线性)部分8a的弯曲的结果(一般而言，出现弹性件的弯曲具有与移位方向横切的延伸，在此情形下，具有沿第二轴线y的延伸，而弹性件的沿第一轴线x的延伸并不经受可观的轴向变形)，惯性质量体2作为整体沿所述第一轴线x平移。应该注意，在图2a中(如在后续的图2b和图2c中那样)，惯性质量体2的开始位置由虚线指示，而因外部加速所致的移位所得的位置由实线指示。

惯性质量体2沿第一轴线x的平移移动因此明显引起压缩性应力(沿第一轴线x布置的谐振元件对的第一谐振元件10a上的N₁)，以及具有相同强度的在所述对的第二谐振元件10c上的拉伸性应力N₁；具体而言，惯性质量体2的移动由相应弹性元件8在连接点c处被传输至谐振元件10a、10c，连接点c的位置基本受约束。

因此，第一谐振元件10a的由f₁表示的谐振频率经受其值的减少，而所述对的第二谐振元件10c的由f₂表示的谐振频率经受其值的对应增加。通过适当组合在来自两个谐振元件10a、10c的输出处的电信号，并且使用上面围绕基本频率f₀线性化的等式(1)，可以获得下面的针对第二频率f₂和第一频率f₁之间的差值的表达式：

$f_2-f_1\≅f_0(1+\mathrm{\α}\frac{N_1{L}^2}{2\mathrm{EI}}-1+\mathrm{\α}\frac{N_1{L}^2}{2\mathrm{EI}})=f_0\mathrm{\α}\frac{N_1{L}^2}{\mathrm{EI}}---\left(3\right)$

所述差值因而与作用于谐振元件10a、10c的压缩性/拉伸性应力N₁直接成比例，并且因而与沿第一轴线x作用的第一加速a_x的值直接成比例(因而可以便利地测量该值)。

着重强调的是，在谐振元件10a、10c受到相对轴向力的情形下，存在的两个谐振元件提供各种优点，其中一些是：

在测量两个谐振元件的频率之差时检测外部加速的灵敏度是检测单个谐振元件的频率变化的两倍；

改进系统的线性度，即，加速度计的响应可以在大范围的加速中线性化；以及

鉴于当考虑频率之差时，引起谐振元件中预应力的非弹性效应消失，所描述的几何布局对于热负载的杂散效应(spuriouseffect)较不敏感。

有利地，谐振元件的沿第二轴线y布置的另一对的谐振元件10b、10d相反地在存在所述第一外部加速a_x的情形下基本未被加载并且未受到关于经静息状况(restingcondition)的轴向应力。

以总体相似的方式并且如图2b中所示，沿第二轴线y作用的第二加速a_y确定惯性质量体2沿第二轴线y的总移位(在由图2b中的箭头指示的方向上)。

惯性质量体2沿第二轴线y的平移移动在此情形下引起在沿第二轴线y布置的谐振元件对的第一谐振元件10d上的压缩性应力N₂(其中，在完美对称结构的情形中N₂可以等于N₁)，以及在所述对的第二谐振元件10b上的相同强度的拉伸性应力N₂。以与之前已经论述的内容总体相似的方式，所述谐振元件10d、10b的谐振频率之间的差值(f₄-f₃)因而与沿第二轴线y作用的第二外部加速a_y的值成比例，可以由耦合至微机电检测结构1的电子电路便利地测量该值。

此外，在此情形下，沿第一轴线x布置的谐振元件的另一对的谐振元件10a、10c相反地在存在第二外部加速a_y的情形下基本未被加载并且未受到关于静息状况的应力。

此外，如图2c中所示，微机电检测结构1对绕第三轴线z作用的第三角外部加速a_θ敏感。

在此情形下，设置惯性质量体2围绕其重心轴线旋转，从而引起在所有四个谐振元件10a-10d中的相同值和符号的轴向应力N_θ。在此情形下，通过适当添加谐振元件10a-10d的谐振频率f₁-f₄的值，按下式获得作用于所述谐振元件10a-10d的应力的测量以及因此获得第三外部加速a_θ的测量：

$f_1+f_2+f_3+f_4-4f_0\≅4\·f_0(1+\mathrm{\α}\frac{N_{\mathrm{\θ}}{L}^2}{2\mathrm{EI}}-1)={2f}_0\mathrm{\α}\frac{N_{\mathrm{\θ}}{L}^2}{\mathrm{EI}}---\left(4\right)$

因此显然可以的是，将微机电检测结构1配置成解耦合外部加速在谐振元件10a-10d上的效应，并且尤其是可以借助适当组合由各种谐振元件10a-10d供应的电学量来独立确定所述外部加速的值。

为此，如图3中所示，微机电检测结构1便利地耦合至适当的电子读取电路15，其被配置成执行前述处理操作和频率f₁-f₄的值的组合以便确定线性外部加速a_x和a_y以及角加速a_θ的值。便利地，电子读取电路15包括从彼此解耦合的3个测量通道，以用于测量第一线性加速a_x之一、第二外部线性加速a_y之一和外部角加速a_θ之一。微机电检测结构1和相关联的电子读取电路15共同形成谐振双轴加速度计16(如前所示，还能够检测角加速)。电子读取电路15便利地在裸片中以如ASIC(专用集成电路)的集成形式提供，该裸片可以有利地容纳于如下同一封装中，该封装也容纳其中提供微机电检测结构1的裸片。

如图3中示意性地示出的，具有所述谐振双轴加速度计16的电子装置18(例如便携式装置，诸如膝上型计算机、掌上机、或照相机或摄相机)还包括控制单元19(例如，微处理器控制单元)，控制单元19电连接到电子读取电路15以便接收用于执行用于管理所述电子装置18的控制操作的加速测量。

现在将参照图4描述由1′表示的微机电检测结构的第二实施例，第二实施例与之前示出的实施例的不同之处在于其构成元件的不同配置。微机电检测结构1′的操作反而并不与之前示出的操作不同，并且因此在下文中将不对其进行再次描述。

具体而言，通过以下事实区分所述第二实施例：关于在此由2′表示的惯性质量体的妨碍物在平面xy中内部地设置谐振元件10a-10d。

具体而言，惯性质量体2′在此情形下包括框架20，框架20例如具有在平面xy中的基本方形外围，并且在内部限定内部开口22。惯性质量体2′在此情形下还包括由2a′-2d′表示的四个质量体部分，四个质量体部分在内部开口22中布置在框架20内部并且连接到所述框架20的相应内部拐角。质量体部分2a′-2d′例如具有在平面xy中的基本矩形形状并且被布置成成对地平行并且关于重力中心G对称。

惯性质量体2′在此借助单个的第一固定点6固定至衬底(同样未示出)，第一固定点6设置在内部开口22中心，并且在中心由重力轴线横切(在对应于重力中心G的位置中)。

数目为4的弹性元件8因而也在内部开口22中、在框架20内、从第一固定点6的相应外部侧表面开始延伸，直至面对所述框架20的侧内部表面。各个弹性元件8的第二部分8b具体设置在所述框架20的内部侧表面和与其面对的惯性质量体2′的相应质量体部分2a′-2d′的侧表面之间。在此情形下，在给定单个第一固定点6的中心位置和所述弹性元件8的第二部分8b的布置的情形下，各个弹性元件8的第一部分8a具有的长度远小于第三部分8c的长度。

此外，在框架20内部，在内部开口22中面对相应电极13、14地布置谐振元件10a-10d，相应电极13、14也布置在所述内部开口22中。具体而言，谐振元件10a-10d以及相关联的电极13、14关于框架20关于质量体部分2a′-2d′内部地设置在惯性质量体2′的对称性中心轴线的附近(与第一轴线x和与第二轴线y平行)。

同样地，谐振元件10a-10d从相应的第二固定点12(第二固定点12数目为4并且布置在内部开口22中)延伸，直至谐振元件10a-10d连接至相应的弹性元件8，具体而言是连接至所述弹性元件8的第三部分8c。各个谐振元件10a-10d连接到相应弹性元件8的连接点c在此情形中在单个第一固定点6的靠近邻近区域中，关于该结构中心地设置。

所述第二实施例具有呈现紧凑结构的优势，所有部件均包围在惯性质量体2′的框架20内部。此外，在对应于该结构的重力中心G的位置设置针对所述惯性质量体2′的单个第一固定点6的存在对于减少可能作用于该结构的热机械应力(例如，由于谐振双轴加速度计16的封装的变形所致)是有利的。同样地，为了减少热机械应力，有利的是将谐振元件10a-10d的第二固定点12布置在惯性质量体2′内部，惯性质量体2′同样靠近结构的重力中心G。

图5和图6是通过SEM获得的之前分别根据第一实施例和第二实施例描述的微机电检测结构1、1′的顶部平面图。可以注意到贯穿惯性质量体2、2′的厚度制造的孔的存在(以便通过材料的底层区域的化学蚀刻实现其关于衬底的释放)以及用于连接到结构的元件的适当路径的存在。此外，在所述图像中，由30表示的是例如由硅制成的微机电检测结构1、1′的衬底，而由31表示的是布置在惯性质量体2、2′的拐角处的阻拦物元件。

可以利用表面微加工工艺例如使用所谓的ThELMA(用于微致动器和加速度计的厚外延多晶(epipoly)层)获得微机电检测结构1、1′。

ThELMA工艺实现相对大厚度(例如约为10-15μm)的、通过适用部件(弹性件)固定至衬底并且因此能够至少在平行于底层硅衬底的平面(上文所称的平面xy)中移位的悬置结构的制造。工艺包括不同的制造步骤：

衬底的热氧化；

水平电互连的沉积和图案化；

牺牲层的沉积和图案化；

结构层(例如由多晶硅制成并且具有15μm的厚度)的外延生长；

借助沟槽蚀刻的结构层图案化；以及

牺牲氧化物的移除以及接触金属的沉积。

根据之前已经描述和示出的内容，本发明赋予的优势是显然的。

具体而言，与适当电子读取电路15组合的微机电检测结构1、1′提供非常小尺寸的双轴谐振加速度计16，双轴谐振加速度计16尤其小于使用相同技术获得的电容性加速度计的尺寸。通过使用用于检测在平面xy中的两个加速分量的单个惯性质量体2，2′并且还借助谐振元件10a-10d关于所述惯性质量体2，2′的适当布置来获得尺寸的减少(虽然可能具有又一角加速的较低的灵敏度)。

给定相同的总尺度，可以获得相比于传统结构的高灵敏度值。在第一实施例中，提出的结构例如利用近似550μmx550μm的尺度实现高于待获得的200Hz/g的灵敏度。相反，针对角加速的灵敏度低于针对平面xy中的线性加速的灵敏度，例如在0.05Hz/(rad/s²)的区域中。

提出的结构实现在谐振梁上的杂散轴向力的效果的减少，并且频率的差异测量增加加速度计的线性度的范围。具体而言，受到针对给定外部线性加速的相反符号轴向动作的两个谐振元件的存在实现加速的测量，即使在存在例如由热变化生成内部应力的状态下。

最终，清楚的是，可以对已经描述和示出的内容进行修改和变化，而不偏离在所附权利要求书中限定的本发明的范围。

具体而言，明显的是，微机电检测结构1、1′的几何布局形状或其部件的几何布局形状可以与之前描述的不同。此外，微机电检测结构1、1′可以包括针对每个检测轴线x、y的单个谐振元件10a-10d。

图7a和图7b示出了微机电检测结构1的又一变体，其中，谐振元件10a-10d和对应的第二固定点12以及惯性质量体2的第一固定点6关于惯性质量体2在平面xy中外部地布置。在此情形中，在通过所述惯性质量体2制作的开口内关于惯性质量体2中心地设置阻拦物元件31，惯性质量体2由在平面视图中基本方形形状的单个体构成。

在所述变体中，弹性元件8并且具体是折叠类型的对应第二部分8b连接至惯性质量体2的突出部34(其关于在平面xy中的所述惯性质量体2的基本方形总尺度突出)。应该注意，以未示出的方式，弹性元件8在此情形中也可以包括设置在相应的第二部分8b和突出部34之间的第一直线部分8a。

具体而言，在图7a的变体中，总数为4的突出部34关于惯性质量体2的相应外围侧中心地布置，而在图7b的变体中，突出部34布置在惯性质量体2的拐角。

所述弹性元件8的直线类型的第三部分8c同样在与相应谐振元件10a-10d横切的方向上延伸，从而连接至惯性质量体2的相应第一固定点6(在此其数目也为4)。谐振元件10a-10d在靠近对应的第一固定点6的对应第三部分8c的连接点c处连接至弹性元件8。弹性元件8的与谐振元件10a-10d相关联的并不属于所述对(即不沿所述轴线定向)的第二部分8b也与惯性质量体2的外围相对侧平行且相邻地、彼此面对地布置。

图7a、图7b的实施例中的微机电检测结构1的操作，并且尤其是构成元件的在外部加速后的变形并不与之前描述的内容不同。

Claims (13)

1.一种用于MEMS谐振双轴加速度计(16)的微机电检测结构(1；1′)，包括：

-惯性质量体(2；2’)，借助弹性元件(8)固定至衬底(30)以便悬置在所述衬底(30)之上，所述弹性元件(8)被配置成响应于相应线性外部加速(a_x，a_y)实现所述惯性质量体(2；2′)的沿属于所述惯性质量体(2；2′)的主延伸的平面(xy)的第一检测轴线(x)和第二检测轴线(y)的惯性移动；以及

-至少一个第一谐振元件(10a)和至少一个第二谐振元件(10b)，具有分别沿所述第一检测轴线(x)和所述第二检测轴线(y)的相应纵向延伸，并且通过所述弹性元件(8)的相应弹性元件机械地耦合到所述惯性质量体(2；2’)，以便在所述惯性质量体分别沿所述第一检测轴线(x)和沿所述第二检测轴线(y)移动时经受相应的轴向应力(N₁，N₂)；

其中每个所述弹性元件(8)从所述惯性质量体(2；2’)至所述衬底(30)的第一固定点(6)开始延伸至所述惯性质量体(2；2’)；并且其中每个所述第一谐振元件(10a)和所述第二谐振元件(10b)在其第一端部处借助相应的第二固定点(12)固定至所述衬底(30)，并且在其第二端部处还机械地连接至所述弹性元件(8)的相应弹性元件，连接至布置在对应的第一固定点(6)的附近布置的所述弹性元件(8)的相应弹性元件的连接点(c)；

其中所述连接点(c)沿所述弹性元件(8)的相应弹性元件在从对应的第一固定点(6)的如下距离处放置，该距离在与相关联的所述第一谐振元件(10a)或所述第二谐振元件(10b)的所述纵向延伸横切的方向上包括于所述弹性元件(8)的所述相应弹性元件的长度(L)的1/100和2/100之间。

2.根据权利要求1所述的结构，其中所述第一谐振元件(10a)和所述第二谐振元件(10b)通过所述弹性元件(8)的相应弹性元件机械地耦合到所述惯性质量体(2；2’)，从而在所述惯性质量体分别沿所述第二检测轴线(y)和所述第一检测轴线(x)，即在与所述相应纵向延伸横切的方向上，移动时，所述第一谐振元件(10a)和所述第二谐振元件(10b)不经受轴向应力。

3.根据权利要求1所述的结构，其中每个所述弹性元件(8)包括：直线部分(8a，8c)，在与关联的所述第一谐振元件(10a)或所述第二谐振元件(10b)的所述纵向延伸横切的方向上延伸；以及折叠部分(8b)，其机械地耦合到所述直线部分(8a，8c)，并且在与所述直线部分(8a，8c)横切的方向上延伸；所述直线部分(8a，8c)耦合到关联的所述第一谐振元件(10a)或所述第二谐振元件(10b)并且被配置成弯曲以在所述惯性质量体分别沿所述第一检测轴线(x)或所述第二检测轴线(y)，即在与所述第一谐振元件(10a)或所述第二谐振元件(10b)的纵向延伸平行的方向上，移动时，实现所述直线部分(8a，8c)的轴向应力(N₁，N₂)；并且所述折叠部分(8b)被配置成当所述惯性质量体分别沿所述第二检测轴线(y)或所述第一检测轴线(x)，即在与关联的所述第一谐振元件(10a)或所述第二谐振元件(10b)的纵向延伸横切的方向上移动时，经受变形。

4.根据权利要求3所述的结构，其中所述折叠部分(8b)包括多个直线分段，所述多个直线分段彼此平行并在相应端部接合；并且其中所述直线部分(8a，8c)包括具有连接至所述惯性质量体(2；2’)的第一端部以及连接至所述折叠部分(8b)的初始直线分段的第二端部的第一分段(8a)，以及具有连接至对应的第一固定点(6)的第一端部以及连接至所述折叠部分(8b)的终端直线分段的第二端部的第二分段(8c)。

5.根据权利要求1-4中的任一项所述的结构，还包括第三谐振元件(10c)和第四谐振元件(10d)，具有分别沿所述第一检测轴线(x)和所述第二检测轴线(y)、在分别与所述第一谐振元件(10a)和所述第二谐振元件(10b)平行的方向上的纵向延伸，并且通过所述弹性元件(8)的相应弹性元件机械地耦合到所述惯性质量体(2；2’)，从而在所述惯性质量体分别沿所述第一检测轴线(x)和所述第二检测轴线(y)移动时经受分别关于所述第一谐振元件(10a)和所述第二谐振元件(10b)的轴向应力的相等强度并且相反符号的相应轴向应力(N₁，N₂)。

6.根据权利要求1至4中的任一项所述的结构，其中所述第一谐振元件(10a)和所述第二谐振元件(10b)关于所述平面(xy)布置于所述惯性质量体(2)外部；并且其中所述惯性质量体(2)具有中心部分(2e)和侧部部分(2a-2d)，所述侧部部分(2a-2d)由所述中心部分(2e)连接并且在所述侧部部分(2a-2d)之间限定开口(4)，所述开口(4)朝所述惯性质量体(2)的外部开放；并且其中所述弹性元件(8)从所述中心部分(2e)开始延伸，部分地通过所述开口(4)以便到达所述惯性质量体(2)的去往所述衬底(30)的相应第一固定点(6)，所述衬底(30)关于所述平面(xy)设置在所述惯性质量体(2)外部。

7.根据权利要求1至4中的任一项所述的结构，其中所述第一谐振元件(10a)和所述第二谐振元件(10b)关于所述平面(xy)布置在所述惯性质量体(2)外部，并且所述惯性质量体(2)具有突出部(34)，所述突出部(34)在所述平面(xy)中从所述惯性质量体的外围侧部开始延伸；所述弹性元件(8)从相应突出部(34)开始延伸，直至所述弹性元件(8)到达所述惯性质量体(2)的去往所述衬底(30)的相应第一固定点(6)，所述第一固定点(6)关于所述平面(xy)布置在所述惯性质量体(2)外部；并且其中所述弹性元件(8)包括直线部分(8c)以及折叠部分(8b)，所述直线部分(8c)在与关联的所述第一谐振元件(10a)或所述第二谐振元件(10b)的所述纵向延伸横切的方向上延伸，所述折叠部分(8b)机械地耦合至所述直线部分(8c)并且在与所述直线部分(8c)横切的方向上延伸；所述折叠部分(8b)与所述惯性质量体(2)的所述外围侧部的第一外围侧部相邻地延伸，并且所述关联的第一谐振元件(10a)或第二谐振元件(10b)与所述外围侧部的第二外围侧部相邻地延伸，所述第二外围侧部与所述第一外围侧部平行并且与其面对。

8.根据权利要求1-4中的任一项所述的结构，其中所述惯性质量体(2′)包括：框架(20)，在其内部限定内部开口(22)，并且所述弹性元件(8)在从所述框架(20)开始的所述内部开口(22)中整体延伸，直至所述弹性元件(8)到达所述惯性质量体(2′)去往所述衬底(30)的单个第一固定点(6)，所述单个第一固定点(6)关于所述内部开口(22)布置在中心；并且其中所述第一谐振元件(10a)和第二谐振元件(10b)在所述内部开口(22)中关于所述平面(xy)被设置在所述惯性质量体(2)的内部。

9.根据权利要求1至4中的任一项所述的结构，其中所述弹性元件(8)被配置成实现响应于外部角加速(a_θ)检测所述惯性质量体(2；2’)的又一惯性移动，即绕与所述平面(xy)正交的轴线(z)的旋转；并且其中所述第一谐振元件(10a)和所述第二谐振元件(10b)通过所述弹性元件(8)的相应弹性元件(8)机械地耦合到所述惯性质量体(2；2’)，从而在所述惯性质量体根据检测的所述又一惯性移动而移动时经受相同的轴向应力(N_θ)。

10.根据权利要求1至4中的任一项所述的结构，还包括：第一电极(13)以及第二电极(14)，所述第一电极(13)电耦合至所述第一谐振元件(10a)和所述第二谐振元件(10b)以实现其谐振状态的生成；所述第二电极(14)电耦合至所述第一谐振元件(10a)和所述第二谐振元件(10b)以实现根据所述相应轴向应力(N₁，N₂)的谐振频率(f₁，f₂)的相应变化的检测。

11.一种谐振双轴加速度计(16)，包括根据任一前述权利要求所述的微机电检测结构(1；1′)，并且被配置成检测分别沿所述第一检测轴线(x)和所述第二检测轴线(y)定向的第一线性外部加速分量(a_x)和第二线性外部加速分量(a_y)。

12.根据权利要求11所述的加速度计，还包括：读取电路(15)，电耦合至所述微机电检测结构(1；1′)。

13.一种电子装置(18)，包括根据权利要求12所述的谐振双轴加速度计(16)以及控制单元(19)，所述控制单元(19)电连接至所述读取电路(15)。