CN103827673A - 用于z轴谐振加速度计的改进检测结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于z轴谐振加速度计(24)的检测结构(1)，具有惯性质量体(2)，其借助弹性锚定件元件(6)锚定到衬底(20)，以便悬置在衬底(20)上方，并且响应于沿关于平面(xy)横切的垂直轴(z)作用的外部加速度(a_z)来执行绕第一旋转轴(A)的旋转的惯性移动；以及第一谐振器元件(10a)和第二谐振器元件(10b)，其通过相应弹性支撑元件(16)机械耦合到惯性质量体(2)，这实现在谐振情况下的绕第二旋转轴(B)和第三旋转轴(C)的旋转的移动。具体地，第二旋转轴(B)和第三旋转轴(C)相互平行，并且还平行于惯性质量体(2)的第一旋转轴(A)。

Description

用于Z轴谐振加速度计的改进检测结构

技术领域

本发明涉及一种具有MEMS(微机电系统)或NEMS(纳机电系统)型的垂直轴(称作“z轴”)的谐振加速度计的改进的检测结构，具体地涉及一种能够以高的电学性能来检测在相对于相同结构的主延伸平面横切或者在该平面之外的方向上作用的垂直加速的分量的结构。

背景技术

如已知的那样，由于MEMS(或NEMS)型的加速度计的极其紧凑的尺寸、低的消耗水平和良好的电学性能，因而已经提出并使用MEMS(或NEMS)型的加速度计以用于广阔的应用领域(例如惯性导航应用)。

在文献中提出的以及在当前市场上出现的各种加速度计基于其检测结构所使用的对应的检测原理，大体可以分为三类：电容式加速度计、压阻式加速度计和谐振加速度计。

在谐振加速度计中，待测量的外部加速度产生机械检测结构的一个或多个谐振器元件的谐振频率的可检测的偏移；谐振器元件可以由检验结构的整体惯性质量体(自由质量体或检验质量体)构成，或者由其某些部分构成。与其它测量原理相比，谐振检测具有提供直接频率输出、准数字型、高灵敏度和宽动态范围的优点。

根据检测结构的配置，可以由在谐振器元件中轴向应力的存在，或者由相同谐振器元件所经受的称作“电学刚度”的变化来引起谐振频率的变化。

具体地，已经提出了使用“表面微机械”技术制造的z轴谐振加速度计，其操作原理基于检测由电学刚度的变化所引起的谐振频率的变化。

例如，在以下文献中描述了这种加速度计：

[1]S.Sung，J.G.Lee，T.Kang，″Development and test of MEMSaccelerometer with self-sustained oscillation loop″，Sensors andActuators，109，1-8(2003)；

[2]B.Lee，C.Oh，S.Lee，Y.Oh，K.Chun，″A vacuum packageddifferential resonant accelerometer using gap sensitive electrostaticstiffness changing effect"，Proc.MEMS2000；

[3]H.C.Kim，S.Seok，I.Kim，S-D.Choi，K.Chun，″Inertial-gradeout-of-plane and in-plane differential resonant silicon accelerometers(DRXLs)″，Proc.Transducers′05，Seoul，Korea，June5-9，172-175(2005)。

这些谐振加速度计的操作原理可以总结如下：外部加速度a在检测结构的惯性质量体m上生成惯性力F＝m·a；该外力引起与其成比例的惯性质量体的位移或旋转，这就引起在惯性质量体和面向其的衬底(以及在相同衬底上的检测电极)之间的距离或间距的变化。间距的变化引起电学刚度K_e的变化，并且这引起谐振器元件的谐振频率的相应的变化，无论这是由整体惯性质量体、由其部分还是由与其耦合的不同的元件所组成。

具体地，基于在文献[1]中提出的原理的加速度计使用整体惯性质量体作为谐振器元件，该整体惯性质量体借助弹性支持元件来适当地悬置在衬底之上，并且通过与其耦合的电子装置被适当地保持在谐振状态下。

然而，这种结构具有如下缺点：由于检测轴与谐振质量体的振荡的轴重合，所以难于检查振荡模式是否稳定；此外，给定谐振质量体的尺寸(其对应于整体惯性质量体)，将其驱动为谐振所需的能量通常很高。

在上述文献[2]和[3]中所提出的加速度计表示了一种备选的解决方案，其中微机电检测结构由惯性质量体以及与其耦合的两个扭转谐振器构成。惯性质量体被偏心地约束到衬底，并且被设置为当外部加速度存在时绕旋转轴旋转；扭转谐振器具有它们自己的轴，其与惯性质量体的轴正交，并且分别保持谐振。惯性质量体的位移导致被谐振器感知的电学刚度的变化，并且因此导致谐振器的谐振频率的变化。

对于表面微机械制造的谐振加速度计而言，在文献中报道的灵敏度针对1g的加速度为几十Hz。例如在文献[2]中所述的器件的情况下，在移动惯性质量体的整体尺寸近似为2.5mm×2mm、厚度为40μm(即，相当大的尺寸，在便携应用情况中的所有尺寸之上)的情形下，灵敏度达到近似70Hz／g。在文献[1]中所述的器件的情况下，在移动惯性质量体的整体尺寸近似为1mm×1mm、厚度为40μm的情形下，灵敏度达到近似25Hz／g。

因此迄今为止，所提出的各种谐振MEMS加速度计与针对机械检测结构所提供的布置的观点(具体地，与关于惯性质量体的谐振器元件的不同布置的观点)不同，并且从而与由此衍生的电学性能(具体地关于对外部加速度的检测灵敏度)的观点不同。

然而这些加速度计中没有在关于电学性能和机械尺寸的方面(主要是在需要特别低的消耗水平和小的尺寸的便携应用的情况下)完全令人满意的加速度计。

发明内容

由此，本发明的目的是提供一种具有改进的机械和电学性能的用于谐振加速度计的检测结构，该机械和电学性能具体地关于对外部加速度的检测的灵敏度并且关于所得尺寸。

根据本发明，由此如在所附权利要求中所限定的那样提供一种用于谐振加速度计的检测结构。

附图说明

为了更好地理解本发明，此处纯粹以的非限制性示例方式并且参照附图来描述其优选的实施例，在附图中：

图1示出根据本发明的第一实施例的谐振加速度计的检测结构的示意平面图；

图2a示出由外部垂直加速度造成的图1的检测结构的惯性质量体的旋转；

图2b示出图1的检测结构的扭转谐振器的变形；

图3a和图3b分别示意地示出一个谐振器的侧向截面图以及图1的检测结构的惯性质量体的侧向截面图；

图4是合并检测结构的谐振加速度计以及与谐振加速度计一起提供的电子装置的简化方框图；

图5是根据本发明的另一个实施例的谐振加速度计的检测结构的更详细的顶视图；以及

图6是图5的检测结构的具有示出的电连接迹线的顶视图。

具体实施方式

图1示出z轴谐振加速度计的整体表示为1的微机电检测结构的第一实施例。是用半导体表面微机械技术以集成方式制造检测结构，半导体表面微机械技术具体地开始于半导体材料(诸如硅)主体。

检测结构1包括单个惯性质量体2，其在平面xy(对应于其主延伸平面，由第一水平轴x和第二水平轴y所限定)中具有的大体矩形的形状；惯性质量体2在与相同平面xy正交的、沿垂直轴z的(垂直轴z与前述第一和第二水平轴x、y限定三个正交轴的集合)方向上具有(相对于平面xy中的尺寸)基本上可忽略的尺寸。垂直轴z还限定由检测结构1检测外部加速度的方向。

惯性质量体2锚定到下方衬底(此处未示出，例如半导体材料(诸如硅)的衬底)，以便悬置在所述衬底之上，其中在静止条件下(即，没有任何外部加速度)平面xy基本上平行于衬底的上表面。

具体地，在平面xy中惯性质量体2弹性耦合到设置在相同质量体2内的单个中心锚定件4。中心锚定件4例如由垂直于衬底延伸并且机械连接到衬底的柱体构成。具体地，中心锚定件4设置在在惯性质量体2内提供并且穿过惯性质量体2的厚度的第一窗口5中。

惯性质量体2借助弹性锚定件元件6(在图1中示出的实施例中数量为2)连接到前述中心锚定件4，被配置为一个整体(特别是在柔性方面和扭转刚度方面)以便保持惯性质量体2悬置在衬底之上，并且使其围绕第一旋转轴A的旋转能够移动出xy平面，第一旋转轴A基本上定向为平行于第二水平轴y并且由相同的弹性锚定件元件6的延伸轴所限定。该移动表示惯性质量体2的第一正常模式，并且在图2a中示意地示出(其中更小厚度的线表示静止配置)。

具体地，惯性质量体2具有相对于第一旋转轴A不对称的质量分布以便偏心地约束到中心锚定件4。实际上，惯性质量体2沿第一水平轴x具有不对称的质量分布，其中第一部分2a和第二部分2b被设置在关于第一旋转轴A的相对侧上，第一部分2a具有比第二部分2b更大的沿第一水平轴的延伸。整个检测结构1基本上关于平行于第一水平轴x(并且经过中心锚定件4)的中心对称轴对称。

设置弹性锚定件元件6基本上关于第一旋转轴A对称并且沿第二水平轴y对准关于中心锚定件4的相对侧对准地延伸。

更详细地，每个弹性锚定件元件6包括“折叠梁”型的扭簧，其大体沿第二水平轴y延伸，并且以已知方式由多个相互平行的直线线绕(rectilinear)部分6a构成，直线线绕部分6a具有沿第二水平轴y的延伸并且在相应的末端通过连接部分6b彼此连接，其在沿第一水平轴x的、横切于直线线绕部分6a的方向上延伸(并且具有远小于直线线绕部分6a的长度上的延伸)。此外直线线绕部分6a很薄(即，其具有远大于对应宽度的延伸方向上的长度)。

具体地，直线线绕部分6a中的、相对于旋转轴A更靠外地设置的第一直线线绕部分6a在其一端连接到惯性质量体2，从而面向第一开口5地连接到惯性质量体2的内侧面，而直线线绕部分6a中的、同样靠外地设置的并且在相对于相同的旋转轴A的相对侧的第二直线线绕部分6a连接到中心锚定件4。

检测结构1还包括第一谐振器元件10a和第二谐振器元件10b，第一谐振器元件10a和第二谐振器元件10b由在中心锚定件4上的相对于第一旋转轴A的相对侧上设置的、相对于相同的第一旋转轴A对称的相应悬置质量体(在平面xy中具有的远小于惯性质量体2的尺寸)构成。

在图1中示出的实施例中，第一谐振器元件10a被设置在惯性质量体2内，具体地在第二窗口12内，被提供通过惯性质量体2的第一部分2a；而第二谐振器元件10b被设置在相对于惯性质量体2的外侧位置，在第三窗口13内，被提供通过惯性质量体2的第二部分2b。具体地，第二谐振器元件10b位于距离第一旋转轴A的最大距离处，从而其外侧表面中的一个(在图2a中由S₁代表)与相应外侧表面(在图2a中由S₂代表)平齐，并且相对于惯性质量体2的相应外侧表面(在图2a中由S₂代表)沿第二水平轴y对准。因此第三窗口13在惯性质量体2的前述外侧面S₂处向外开口。

谐振器元件10a、10b借助相应弹性支撑元件16被弹性约束到惯性质量体2，惯性质量体2是扭转型的并被配置成使谐振器元件能够将围绕相应第二旋转轴B和相应第三旋转轴C的旋转移动出平面xy之外，第二旋转轴B和第三旋转轴C的平行于第一旋转轴A和水平轴y。该移动构成谐振器元件10a、10b的第一正常模式，并且在图2b中图示地示出(其中再一次地更小厚度的线表示静止配置)。

旋转轴B、C被设置在第一旋转轴A的相对侧，与其以距离r对称(在图3b中示出)。距离r近似等于惯性质量体2的第二部分2b沿第一水平轴x的延伸与谐振器元件10b的质量体的沿相同的轴x的半个延伸之间的差。

更详细地，每个谐振器元件10a、10b中通过由折叠梁型的扭簧构成的成对弹性支撑元件16被约束到相应惯性质量体2的部分2a、2b，扭簧相对于其中心总体沿第二水平轴y在相应谐振器元件10a、10b的相对侧上延伸(并且被配置为基本上如关于弹性锚定件元件6所述的那样)。弹性支撑元件16在具有适当形态(设计为包含谐振器元件10a、10b的整个尺寸和弹性支撑元件16的整个尺寸)的窗口12、13内、在相应谐振器元件10a、10b和惯性质量体2之间延伸。

也参照图3a和3b，对于每个谐振器元件10a、10b，检测结构1还包括被设置在对应谐振器元件10a、10b之下、在相对于对应旋转轴B、C的相对侧上的成对电极17、18。电极17和18被设置在检测结构1的衬底上，在相同的图3a、3b中由20表示。

限定为“驱动电极”17的第一电极被用于通过应用适当的电压差来驱动相关联的驱动器元件10a、10b进入谐振状态。具体地，当相关联的驱动电极17被设置在随时间变化的驱动电压V_a(t)(例如有正弦波形)时，谐振器元件10a、10b以引起谐振器元件10a、10b的振荡旋转谐振移动的方式被设置在恒定偏置电压V_p下。

具体地，持续引起驱动谐振器元件10a、10b进入谐振，无论待检测的外部加速度的存在所导致的惯性质量体2的旋转。

限定为“检测电极”18的第二电极被用于(根据称作“平行板检测”的检测方案)借助与谐振器元件10a、10b耦合的电容的变化、来检测对应谐振频率的变化。检测电极18大体保持接地(0V)。

具体地，由于以下将阐明的原因，驱动电极17被设置在相对于第一旋转轴A更靠外的侧向位置，并且在平面xy中被设置到惯性质量体2的整个尺寸。

在相同的图3a、3b中：c代表沿第一水平轴x的在旋转轴B或C和电极17和18之间的距离；b代表谐振器元件10a、10b的沿相同第一水平轴x的半延伸；g₀代表静止状态下(即，在没有驱动并且在没有外部加速度的情形下)在电极17、18和相应的谐振器元件10a、10b之间的沿竖直轴z的间隙；θ代表谐振器元件10a、10b的绕相应旋转轴B、C的旋转角；并且β代表惯性质量体2的绕第一旋转轴A的旋转角。

以此处未示出(但将在下文描述)的方式，合适的电连接路径可以被提供用于前述电极17、18去往耦合至检测结构1的电路的电连接。该电路被配置成向测试结构1提供电驱动信号并且接收和处理由相同的检测结构1提供的电检测信号。

现在，再一次参照图3a、3b描述检测结构1的工作原理，其分别示出：谐振器元件10a、10b(特别地，第一谐振器元件10a)的响应于驱动信号的旋转；以及惯性质量体2的响应于沿水平轴z作用的外部加速度a_z的旋转(可以注意到在图3b中，为了图示的简明，谐振器元件10a、10b被示出在静止状态下，但应理解谐振振荡在任何情况下都存在，即使在存在外部加速度a_z的情形下)。

在没有外部加速度a_z的情况下，两个谐振器元件10a、10b保持在由以下表达式给定的相同标称振动频率f₀下旋转。

$f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{K_m-K_e}{J_p}}---\left(1\right)$

其中K_m和J_p分别是谐振器元件10a、10b的质量体的机械扭转刚度和极惯性距，并且K_e是它们的由以下表达式给定的电扭转刚度

$K_e=\frac{{2\mathrm{\ϵ}}_{0}L}{{3g}_0^3}{V}_p^2(b^3-c^3)---\left(2\right)$

其中ε₀是真空介电常数，并且L是谐振器元件10a和10b的质量体的沿第二水平轴y的尺寸。

此外，对于小角度θ和低驱动电压而言的由在每个谐振器元件10a、10b上作用的静电吸引造成的转矩T_e由下表达式给定：

T_e≈T_e0+K_eθ              (3)

其中

$T_{e0}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}L}{{2g}_0^2}(b^2-c^2)V_p{V}_a---\left(4\right)$

当检测结构1沿水平轴z经受线性加速时，弹性锚定件元件6经历扭转形变，使得惯性质量体2能够围绕第一旋转轴A旋转出平面xy之外。

作为该旋转的结果，如在图3b中所突出的那样，约束到惯性质量体2的谐振器元件10a、10b经历沿垂直轴z的对应位移，并且具体地，第一谐振器元件(例如第一谐振器元件10a)移动远离衬底20(并且远离在其上设置的电极17、18)，同时另一个谐振器元件(具体地第二谐振器元件10b)接近衬底20。

在静止状态下在第一谐振器元件10a和衬底20(以及被设置在其上的电极17、18)之间的平均距离变为近似等于g₀+β_r，而在静止状态下在第二谐振器元件10b和相同的衬底20之间的距离变为近似等于g₀-β_r(注意，对于小位移而言，应用近似sinβ≈β)。

由于电容驱动而存在的电学刚度与在谐振器元件10a、10b和下方的驱动电极之间的距离g的立方成反比，并且因此电学刚度对于第一谐振器元件10a而言减少，而电学刚度对于第二谐振器元件10b而言增加。

借助等式(1)，可以计算第一谐振器元件10a的新的谐振频率f₁，其已经减少，而第二谐振器元件10b的新的谐振频率f₂，其已经相应地增加：

$f_1=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{K_e-\frac{{2\mathrm{\ϵ}}_{0}L}{3{(g_0+\mathrm{\βr})}^3}{V}_p^2(b^3-c^3)}{J_p}}---\left(5\right)$

$f_2=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{K_e-\frac{{2\mathrm{\ϵ}}_{0}L}{3{(g_0-\mathrm{\βr})}^3}{V}_p^2(b^3-c^3)}{J_p}}---\left(6\right)$

通过组合由两个谐振器元件10a、10b提供的(具体地经由相应的检测电极18获得的)读数，可以由谐振频率f₁、f₂的差开始，确定在垂直方向上作用在检测结构1上的外部加速度a_z的值。

具体地，通过组合由两个谐振器元件10a、10b生成的信号，使用关于f₀线性化的表达式(5)和(6)，可以确定频率变化Δf。

$\mathrm{\Δf}\≈f_0[-\frac{g_0^3}{2{(g_0+\mathrm{\βr})}^3}+\frac{g_0^3}{2{(g_0-\mathrm{\βr})}^3}]\frac{K_e}{K_m-K_e}\≈f_0\·3\·\frac{\mathrm{\βr}}{g_0}\·\frac{K_e}{K_m-K_e}---\left(7\right)$

还可以经由以下表达式来确定旋转角β：

$\mathrm{\β}=\frac{{\mathrm{ma}}_z{R}_G}{{2\mathrm{Gsw}}^3}{n}_r{L}_r---\left(8\right)$

其中a_z是沿垂直轴z的外部加速度，R_G是从第一旋转轴A到惯性质量体2的中心的距离，G是弹性剪切模量，w和s分别是在弹性锚定件元件6的截面的平面xy之中和之外的尺寸，并且n_r和L_r分别是弹性锚定件元件6的折叠的数目和每个直线线绕部分6a的长度。

借助表达式(7)和(8)，因此可以获得检测结构1的灵敏度，为：

$\frac{\mathrm{\Δf}}{a_z}\≈f_{0}3\frac{{\mathrm{mR}}_G}{{2\mathrm{Gsw}}^3{g}_0}{n}_r{L}_{r}r\·\frac{K_e}{K_m-K_e}---\left(9\right)$

如在图4中示出的那样，检测结构1适宜地耦合到适当的电读数和驱动电路22，其被配置用于执行对谐振频率f₁、f₂的值的适当的处理操作以及组合(具体地这些值的差)以便确定外部加速度a_z的值。

检测结构1和相关联的电读取和驱动电路22一起形成z轴谐振加速度计24；电读取电路22以集成方式适宜地提供为在管芯中的ASIC(专用集成电路)，其可以有益地被容纳在还容纳其中提供检测结构1的管芯的同一个封装中。

如在相同的图4中图示地示出的那样，被提供有谐振加速度计24的电子装置26(例如便携装置诸如膝上电脑、掌上电脑或摄影照相机或视频照相机)还包括控制单元28(例如微处理器控制单元)，其电连接到电子读取和驱动电路22，以便接收用于执行用于管理电学装置26的控制操作的加速度测量。

应强调，经受相反的谐振频率变化的两个谐振器元件10a、10b的存在提供各种优点，其中：

-通过测量两个谐振器元件的频率之间的差而不是单个谐振器元件的频率的变化，而使对外部加速度的检测中的灵敏度增为两倍；

-改进系统的线性度，即，加速度计的响应可以在更宽的加速度范围中被线性化；以及

-假设当考虑频率之间的差时，去除在谐振器元件中导致预应力的非弹性效应，则所述几何形状对热负载的寄生(spurious)效应更不敏感。

图5和图6是检测结构的具体实施例的更详细的顶视图，同样由1表示，其中可以注意，除了其它特征之外，存在穿过惯性质量体2和谐振器元件10a、10b的厚度的孔，以便通过化学蚀刻下方材料区域实现它们相对于衬底20的放出。

还可以注意到停止器元件(停止器)30，其被设置在惯性质量体2的角部以便限制惯性质量体2在平面xy中的寄生位移的范围。这些停止器30被适宜地锚定于衬底20，并且能够在可能的故障发生之前使惯性质量体2的移动停止。

在该实施例中，谐振器元件10a、10b由在平面图中具有基本上正方形形状的相应悬置的质量体构成。

此外，在该情况下第二窗口12也向外开口，具有从第一谐振器元件10a的质量体朝惯性质量体2的外部延伸的延长部分12a，其横跨平行于第一水平轴x的惯性质量体2的第一部分2a的整个部分。相反地，第三窗口13在惯性质量体2的第二部分2b中限定凹槽13a，以用于容纳第二谐振器元件10b的部分并且用于实现弹性支撑元件16的形成和适当布置。

如在图6中更清晰地示出的那样，该几何配置实现朝向驱动电极17的由34表示的第一电迹线(其为了这个目的而有益地被设置在检测结构1的相对于第一旋转轴A的外侧)，以跟随不从惯性质量体2的下方通过以便防止由于电驱动量而造成的其任何不期望的移动的路径。此外，朝向驱动电极17的第一电迹线34和朝向检测电极18的由35表示的第二电迹线两者都有利地基本上相对于第一旋转轴A对称。

以已知的方式在衬底20上提供第一和第二电迹线34、35，其通过适当的绝缘材料与该衬底20隔离，并且接触电极17、18(例如由同一个材料层(例如多晶硅)开始获得)。

与在图5和图6中示出的检测结构1相关联的、对沿垂直轴z的加速度的灵敏度高于300Hz／g，其中惯性质量体2的尺寸为近似400μm(沿第一水平轴x)×300μm(沿第二水平轴y)×15μm(沿垂直轴z)并且具有6V的偏置电压V_p；在该情况下，谐振器元件10a、10b的尺寸是105μm×105μm，具有15μm的相同厚度，并且标称谐振频率是23kHz。

如上所述，检测结构1可以用表面微机械工艺获得，例如使用称为ThELMA(用于微执行器和加速度计的厚外延多晶(epipoly)层)的工艺。

ThELMA工艺实现悬置结构的形成，其中具有相对包含的厚度(例如在10-15μm的范围中)，通过屈从部分(弹簧)来锚定到衬底，并且因此能够相对于下方硅衬底移动。工艺由各种制造步骤构成，其中：

-热氧化衬底；

-沉积并图案化水平电互连(目的是例如获得电极17、18和电迹线34、35)；

-沉积并图案化牺牲层；

-外延生长结构层(例如，由多晶硅制成，其中具有15μm的厚度，目的是形成悬置质量体)；

-借助沟槽蚀刻来图案化结构层；

-去除牺牲氧化物，以放出各个悬置质量体；并且

-沉积接触金属化。

由已经在上文中描述的那样，本解决方案提供的优点是显然的。

具体地，所提供的几何配置(例如关于谐振器元件10a、10b的相对于惯性质量体2的位置)以及谐振器元件10a、10b绕平行于惯性质量体2的旋转轴旋转的事实使得可以减少检测结构1的整体尺寸。

可以由所述结构获得的加速度计的灵敏度(作为每1g外部加速度的频率的变化来测量)比由已知结构(例如如在文献[1]、[2]和[3]中和前文阐述所述的)可以获得的更高，并且被给定更小的整体尺寸。

具体地，为了在保持小尺寸的同时增加检测的灵敏度，将谐振器元件中的一个(在示例中示出第二谐振器元件10b)放置在相对于惯性质量体2的侧方，位于在平面xy中相同的惯性质量体2的整体尺寸所允许的最大距离处(不超过这些整体尺寸)是有益的。总体而言，加速度计的对于线性加速度的灵敏度实际上随着在对应于两个谐振器元件10a、10b的点在平面之外的位移(并且因此随着谐振器元件10a、10b的离第一旋转轴A的距离)而增加。另一方面，该位移被在衬底20和惯性质量体2之间存在的空间所限制。如果考虑给定的表面微机械工艺的典型间距，则弹性元件的刚度和惯性质量体2的尺寸因此被优化。

致动谐振器元件以及检测谐振频率所需的电学迹线34、35还可以被设置为相对于惯性质量体2的第一旋转轴A对称，并且可以防止被设计用于致动的第一电学迹线34从惯性质量体的下方通过，从而导致质量体的由于静电吸引而造成的不期望的移动。

与在文献中提出的其它MEMS谐振加速度计比较，经受相反信号的频率变化的两个谐振器元件对象的存在实现外部加速度读取，即使在存在产生相互作用的情况下，该相互作用例如通过可以引起检测结构的非平面性的热变化生成。差分测量自身还增加加速度检测的线性范围。

此外，检测结构1的谐振部分不由整体惯性质量体2而是只由两个谐振器元件10a、10b构成，对于节能问题而言这是有益的，两个谐振器元件10a、10b近似借助被设置在其质量体下方的驱动电极18来致动。

总之，显然可以在不背离本发明的如在所附权利要求中所限定的范围的情况下，做出对已经在本文中所描述和所图示的修改和变化。

具体地，显然的是，检测结构1的几何形状或其部分的几何形状可以与前文所已经描述的不同，而这并不需要在工作原理中做出任何改变。

此外，在使用适当的设想达到亚微米尺寸的制造方法的情况下，检测结构1可以是纳机电型的。

Claims (15)

1.一种用于z轴谐振加速度计(24)的检测结构(1)，包括：

-惯性质量体(2)，借助弹性锚定件元件(6)被锚定到衬底(20)，以便悬置在所述衬底(20)上方，所述弹性元件(6)被配置用于使所述惯性质量体(2)响应于沿关于所述惯性质量体(2)的主延伸的平面(xy)横切的垂直轴(z)作用的外部加速度(a_z)来执行绕第一旋转轴(A)的旋转的惯性移动，所述第一旋转轴(A)平行于属于所述平面(xy)的水平轴(y)；以及

-第一谐振器元件(10a)和第二谐振器元件(10b)，通过相应弹性支撑元件(16)机械耦合到所述惯性质量体(2)，所述弹性支撑元件(16)被配置用于实现所述第一谐振器元件(10a)和所述第二谐振器元件(10b)的分别绕第二旋转轴(B)和第三旋转轴(C)的旋转的移动，

其特征在于，所述第二旋转轴(B)和所述第三旋转轴(C)相互平行，并且还平行于所述惯性质量体(2)的所述第一旋转轴(A)。

2.根据权利要求1所述的结构，其中所述弹性锚定件元件(6)将所述惯性质量体(2)连接到被设置在第一窗口(5)处的中心锚定件(4)，所述第一窗口(5)被提供在所述惯性质量体(2)内，并且所述弹性锚定件元件(6)沿所述第一旋转轴(A)延伸；并且其中所述惯性质量体(2)相对于所述第一旋转轴(A)具有非对称的质量分布，以便被偏心约束至所述衬底(20)。

3.根据权利要求1或2所述的结构，其中所述第二谐振器元件(10b)在所述平面(xy)中被设置在相对于所述惯性质量体(2)的整体尺寸的外侧位置。

4.根据权利要求3所述的结构，其中所述第一谐振器元件(10a)和所述第二谐振器元件(10b)被分别设置在第二窗口(12)和第三窗口(13)中，所述第二窗口(12)和所述第三窗口(13)被提供在所述惯性质量体(2)中；并且其中所述第三窗口(13)面向所述惯性质量体(2)的外侧，并且所述第二谐振器元件(10b)具有外侧表面(S₁)，所述外侧表面(S₁)被设置为与所述惯性质量体(2)的相应外侧表面(S₂)平齐，并且沿所述水平轴y相对于所述惯性质量体(2)的相应外侧表面(S₂)对准。

5.根据权利要求4所述的结构，其中所述第二谐振器元件(10b)被设置在距所述第一旋转轴(A)可能的最大距离处，由此在所述平面(xy)中保持在所述惯性质量体(2)的整体尺寸内。

6.根据前述权利要求中任一项所述的结构，其中所述第一谐振器元件(10a)和所述第二谐振器元件(10b)被设置为相对于所述第一旋转轴(A)对称，从而所述第二旋转轴(B)和所述第三旋转轴(C)被设置在距所述第一旋转轴(A)相同的距离(r)处。

7.根据前述权利要求中任一项所述的结构，其中所述弹性锚定件元件(6)和所述弹性支撑元件(16)由折叠梁型扭簧构成，所述折叠梁型扭簧具有沿所述水平轴(y)的主延伸。

8.根据前述权利要求中任一项所述的结构，其中驱动元件(17)耦合到所述第一谐振器元件(10a)和所述第二谐振器元件(10b)，所述驱动元件被配置用于实现分别绕所述第二旋转轴(B)和所述第三旋转轴(C)的旋转的谐振驱动。

9.根据权利要求8所述的结构，其中所述驱动元件(17)包括驱动电极，所述驱动电极形成在所述衬底(20)上并且设置在所述第一谐振器元件和所述第二谐振器元件(10a、10b)中的每一个的下方，并且电容耦合到所述第一谐振器元件和所述第二谐振器元件(10a、10b)中的每一个；并且其中形成在所述衬底(20)上的第一导电路径(34)被配置用于接触所述驱动电极(17)，所述第一导电路径(34)不被设置在所述惯性质量体(2)下方。

10.根据权利要求9所述的结构，其中所述第一谐振器元件和所述第二谐振器元件(10a、10b)被分别设置在第二窗口(12)和第三窗口(13)中，所述第二窗口(12)和所述第三窗口(13)被提供经过所述惯性质量体(2)并且面向所述惯性质量体(2)的外侧，并且其中所述驱动电极(17)和／或所述第一导电路径(34)中的至少一部分被设置在对应于所述第二窗口和所述第三窗口(12、13)中的相应窗口的位置。

11.根据前述权利要求中任一项所述的结构，还包括检测电极(18)，所述检测电极(18)在所述衬底(20)上形成并且设置在所述第一谐振器元件和所述第二谐振器元件(10a、10b)中的每一个的下方并且电容耦合到在所述第一谐振器元件和所述第二谐振器元件(10a、10b)中的每一个；所述检测电极(18)被设计用于实现对所述第一谐振器元件和所述第二谐振器元件(10a、10b)的、作为所述惯性质量体(2)的绕所述第一旋转轴(A)的惯性移动的结果的谐振频率的变化的检测。

12.根据权利要求11所述的结构，还包括第二导电路径(35)，所述第二导电路径(35)在所述衬底(20)上形成并且被配置用于接触所述检测电极(18)；其中所述第二导电路径(35)被设置为相对于所述第一旋转轴(A)对称。

13.一种谐振加速度计(24)，包括根据前述权利要求中任一项所述的检测结构(1)，并且被配置用于检测外部线性加速度(a_z)的沿所述垂直轴(z)定向的分量。

14.根据权利要求13所述的加速度计，还包括读取和驱动电路(22)，所述读取和驱动电路(22)电耦合到所述检测结构(1)。

15.一种电子装置(26)，包括：根据权利要求13所述的谐振加速度计(24)；以及控制单元(28)，电连接到所述读取和驱动电路(22)。

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