CN104204815B - 耐振动的加速度传感器结构 - Google Patents

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Abstract

一种MEMS结构，它包括锚固件(1)、弹簧(2)和震动块(3)，所述震动块(3)通过所述弹簧而被悬挂至所述锚固件(1)以绕着转动轴枢转。通过在所述MEMS结构中包括了从所述震动块(3)延伸至所述锚固件(1)的弹簧结构(2、4、6)，减小了来自不想要的振动模的误差。所述弹簧结构(2、4、6)包括被连接至所述震动块(3)或者所述锚固件(1)的侧臂(4)。所述弹簧结构(2、4、6)的至少一部分是由在所述弹簧结构中沿与所述震动块的所述转动轴平行的方向延伸的侧臂(4)形成的；且该至少一部分被连接至所述弹簧(2)的一端。

Description

耐振动的加速度传感器结构
技术领域
本发明大体上涉及MEMS(Micro-Electro-Mechanical-System：微机电系统)技术，但是更具体地涉及如独立权利要求的前序中所限定的改良的MEMS结构。本发明还涉及包括这种改良的MEMS结构的加速度传感器、加速度传感器矩阵、装置和系统。
背景技术
对主体的加速度进行感测以提供取决于在作用力的影响下所述主体的动力学状态的信号，是被广泛应用的用于检测主体的运动和方位的方法。为了实现该目的，能够使用各种传感器，但是MEMS结构因为它们的小尺寸所以适合于许多应用。在微电子学中，日益增长的需求已经使得可以开发出越来越好的结构以满足在许多领域中遇到的目的，所述许多领域例如涉及车辆、家用电器、衣服、鞋，这里只不过提及了一些应用领域，在这些应用领域中，专利类别可能会包括与MEMS相关的加速度传感器。
使用MEMS结构来测量加速度或者与之有关的力的应用还需要适当地控制误差信号。这些误差信号不仅可能是由突然的瞬态力造成的，而且可能是由从各种分量(在这些分量之中，可能有瞬态的)叠加的周期力造成的。因此，在困难状况中，所期望的信号可能被淹没在噪声中，或者所述结构中的振动可能变得非常强。MEMS部件的操作可能因此被干扰，或者通过信号处理而进行的对信号的合理阐释可能变得(如果不是完全不可能的话)非常慢且乏味。
一种类型的MEMS结构包括平面型感测元件，该平面型感测元件由转动弹簧支撑着，且因此被布置成绕着转动轴枢转。该机械元件支撑住循着如下的枢转而移动的电极：该枢转是随着所述机械元件的枢转以摇摆(see-saw)或者跷跷板(“teeter-totter”)运动类型而进行的。静感测电极被布置成与动电极相互作用，并且从所述动电极与所述静电极之间的变化的电容生成了输出信号。
图1示意性地图示了已知技术的枢转式机械元件。该平面型机械元件包括震动块(seismic mass)100以及弹簧101、102，这些弹簧101、102将该震动块支撑于锚固件(anchor)103，该锚固件103可以被固定于主体上，且该主体的运动是要被检测的。在图1的示例性现有技术构造中，如黑色直线所示，弹簧101、102被锚固以使得震动块100围绕这些悬挂弹簧。
图1的结构依其本身是标准的、运行良好的结构。然而，该结构是比较新的设想；所述震动块围绕所述锚固件，所述锚固件处于或者基本上处于环绕的震动块的中间，并且所述震动块通过可能具有或者可能不具有恰好如图1所示的特定对准的弹簧而被连接至所述锚固件。因此，所述震动块可能会在除了所期望的方向以外的其他方向上振动。
所期望的运动方向可以是在如图1中局部地示出的X轴的附近，这意味着：根据各种迹象，在Y方向和Z方向上的运动通常是不希望出现的。然而，这样的情况在某种程度上可能会出现。对于在使用MEMS加速度传感器以测量力、运动或者它们任一者的变化的应用中的操作来说，任何作为结果而产生的不稳定性都会是令人烦恼的。
因此，该结构能够在数个方向上机械振动，并且瞬变以及相对小的振动可能会令人讨厌地关联至所述震动块从而造成误差。该运动还可能会干扰所期望的信号，以致于更难将信号与误差区分开，即该振动模不干净。因此，该结构本身可能会遭受多模态(multi-modality)的振动，这些多模态的振动对于某些应用来说可能是不想要的性能，虽然在一些其他应用中可能会是令人需要的。
发明内容
本发明的目的是提供解决方案以克服或者减轻现有技术的至少一个劣势。利用根据权利要求1的特征部分的MEMS结构来实现本发明的目的。利用根据其他独立权利要求的特征部分的加速度传感器、加速度传感器矩阵、装置和系统来进一步实现本发明的目的。从属权利要求中公开了本发明的优选实施例。
附图说明
在下面，将参照附图更详细地说明实施例。相同的附图标记可以用于相似的部件或者物体中，但是并非必须相互一致，因为本领域的技术人员从上下文中能够理解。
图1示意性地图示了已知技术的枢转式机械元件；
图2图示了传感器结构的构造的实施例；
图3A和图3B图示了其中弹簧被支撑于单个锚固件的传感器结构的构造；
图4图示了其中利用两个不同的块部Z1和Z2来实现对运动的电容式检测的实施例；
图5图示了其中元件Z1、Z2被支撑以围绕同一转动轴枢转的实施例；
图6图示了具有额外的支撑结构的传感器结构的另一个有利实施例；
图7图示了3d加速度传感器的实施例；
图8图示了本发明的传感器矩阵、装置、布置和系统的实施例。
具体实施方式
下面的各实施例是示例性的。虽然本说明书可能会涉及“某一”实施例、“一个”实施例或者“一些”实施例，但是这不一定意味着每次这样的参考是针对相同实施例，或者特征仅适用于单个实施例。不同实施例的单个特征可以结合起来以提供另一个实施例。
将利用可以实施本发明的各种实施例的传感器结构的简单示例来说明本发明的特征。仅详细地说明与为了解释实施例有关的元件。所发明的方法和装置的各种实施包括如下的元件：这些元件是本领域的技术人员普遍已知的，且在本文中可能不作具体说明。
在被转动弹簧支撑的震动块的构造中，相关的共振频率fres和惯性矩J依赖于震动块到转动轴的距离。该依赖性可以利用下面的公式(1)和(2)来估计：
这里，Kres对应于寄生转动模的弹簧常数，J对应于惯性矩，w对应于转动的震动块的宽度，l对应于震动块的长度，且r对应于转动轴到穿过震动块中心的平行轴的距离。
能够利用转动的蜿蜒弹簧(rotated meander spring)的y方向弹簧常数ky来估计寄生模的弹簧常数Kres：
Kres＝kyd2
(3)。
这里d是从弹簧的端部至寄生模的转动轴的距离。在转动的蜿蜒弹簧的情况下，ky可以被估计为：
这里E是弹性模量，h是厚度，w是弹簧的宽度且l是弹簧的长度。N是弹簧中的蜿蜒数量。
能够利用下面的公式来估计测量模的弹簧常数：
这里，G是弹簧材料的剪切模量。测量模和寄生模的共振模之比可以因此被估计为：
当距离d很小(接近0)时，必须利用如下的修正项来补充等式(3)：
这意味着第一寄生共振的总弹簧常数可以利用下面的公式来估计：
需要注意的是，在某种摇摆类型的传感器结构构造中，一些寄生共振模相当低且因此太接近测量模。在理想结构中，这样的模将不会干扰测量，但是实际上没有结构是完全对称的且所测量的信号容易被寄生共振模干扰。
图2的框图图示了简化的传感器结构的构造，其具有震动块3，该震动块3通过弹簧结构2、4、5、6而被悬挂到锚固件1。该弹簧结构从震动块3延伸至锚固件1，且该弹簧结构的至少一部分是由侧臂4形成的，该侧臂4在该弹簧结构中沿与震动块的转动轴平行的方向延伸、且被连接至弹簧的一端。
需要注意的是，通过增大公式(8)的参数d，寄生共振模能够明显地增加，且因此有效地与测量模隔离开。考虑到图2的构造，这意味着在侧臂4和肩部构件6的帮助下，至少一个弹簧2的端部与寄生模的转动轴之间的距离被增大了。所述的侧臂4和肩部构件6被连接到弹簧2和震动块3，因而，具有如此设计的侧臂4的肩部构件6使得该结构更刚硬从而抵抗不想要的振动模。虽然在图2中仅示出了侧臂4和肩部构件6的一种组合，但是本领域的技术人员能理解：可以使用至少两组侧臂和/或肩部构件来使该结构甚至更刚硬从而抵抗不想要的振动。在一个实施例中，这可以采用所述的侧臂4和/或肩部构件6的第一套尺寸来实现，而在另一个实施例中，不同的是采用了所述的侧臂4和/或肩部构件6的第二套尺寸。根据一个实施例，所述的第一套尺寸和第二套尺寸可以以相似的方式被参数化，并且在另一个实施例中，所述的第一套尺寸和第二套尺寸可以以不同的方式被参数化，以便杜绝不同模式的不想要的振动。根据本发明的实施例，第二组肩部构件6和侧臂4可以相对于第一组对称地被连接到震动块，而在另一个实施例中，第二组肩部构件6和侧臂4可以相对于第一组非对称地被连接到震动块。如图2中的肩部构件6所示，肩部构件6可以指向远离侧臂的方向，例如指向相反的方向。
虽然给出且图示了L形的侧臂4和肩部构件6组合，但是本领域的技术人员从实施例中能理解：其他形状也是可采用的，例如T形。
根据本发明的实施例，肩部构件6和侧臂4可以被集成为一个结构，使得L形状像J形状。根据实施例，弹簧2也可以被集成到弹簧结构中，作为该集成结构的较薄部分。这些类型的变型也可以按对称的方式被提供至震动块3。根据本发明的实施例，对称地予以连接的组4、6可以在尺寸上不同地设计它们的机械长度、宽度和厚度(图中没有表示出来)，以产生表征该弹簧结构2、4、6的刚硬度的弹簧常数，从而从所测得的振动中清除掉不想要的振动模。
在图2的具体化结构中，侧臂4延伸到杆臂中，该杆臂将寄生旋转运动轴转移得进一步远离弹簧的所述端部。因此，动量增大了，且该弹簧结构更有效地抵抗了在不想要的方向上的振动。侧臂越长，则第一寄生模能更有效地增加，且由此与生成振动模的信号分离。很明显，弹簧必须与震动块的转动轴对齐，于是当所述锚固不允许侧臂与弹簧对齐时，肩部构件的作用是将侧臂连接至弹簧的所述端部。优选地，为了节省空间，肩部构件在尺寸上被设计成仅延伸至允许侧臂以不接触到锚固件1为前提进行运动的距离。
图3A和图3B图示了传感器结构的进一步实施例和不同锚固机制，该锚固机制的体现方式是弹簧被支撑于单个锚固件1。在图3A中，侧臂4如同图2中一样在枢转的震动块与弹簧的所述端部之间延伸，并且为了将弹簧2连接到侧臂4，肩部构件6被用来从侧臂4转向至与侧臂4垂直的另一方向，从而形成了刚硬化的弹簧结构2、4、6。锚固件是沿着转动轴且在震动块3的内部延伸的细长元件。
图3B图示了可替代实施例，其中所述锚固允许侧臂与弹簧对齐以致于肩部构件6是不必要的。如图3B所示，通过将侧臂4的一端固定到锚固件1且将侧臂4的另一端固定到弹簧，可以增大寄生旋转运动轴与弹簧2的所述端部之间的距离。或者，侧臂的一端可以被固定到锚固件且侧臂的另一端可以被固定到弹簧2的所述端部。在图3B中，位于锚固件1另一侧的用虚线表示的侧臂4和用虚线表示的弹簧2图示了所述元件在它们各自的实施例中是互相可选用的。图3B的传感器结构可以包括两个侧臂，它们相对于锚固件1的相对两侧而被对称地设置着。位于锚固件的不同侧的侧臂构造也可以相互不同。也能使用单个侧臂4的构造，其中在锚固件的一侧是侧臂而在锚固件的另一侧是弹簧2。
图4图示了利用两个不同的震动块Z1和Z2而实现的对运动的电容式检测的实施例。根据本发明的实施例，元件Z1和Z2可以被实现为差分结构且可以被布置成特定的对称，以便实现双差分检测结构。这些实施例的上下文中的术语“差分”的意思是：例如，差分操作包括在第一位置处的减小的第一量和在第二位置处的增大的第二量，所述第一量与所述第二量耦合以便因为同一操作而发生所述减小和所述增大。在差分检测中，所述第一量和所述第二量两者都被用来生成该操作的检测结果。
这样结构的示例是电容器对，该电容器对具有均处于电位中的两个电极和处于地电位的公共电极。所述电极可以被布置成当所述两个电极绕轴枢转时，这些电极到该公共的接地电极的距离改变，一个电容增大而另一个电容减小。当利用由这两个枢转的电极共用的刚性物体而产生机械耦合时，就实现了这样的构造。
这些实施例的上下文中的术语“双差分”的意思是例如存在着另一个差分耦合对的量，所述量是：在第三位置处的第三量和在第四位置处的增大的第四量，所述第三量和所述第四量的表现方式与针对在第一位置处的第一量和在第二位置处的增大的第二量的差分的上下文中所说明的方式相同，但是具有相对于第一量和第二量这一对而言的相移(phaseshift)。在双差分检测中，第一量、第二量、第三量和第四量被成对地使用，以便生成该操作的检测结果。
在图4的结构中，元件Z1和Z2被支撑于单个锚固件，元件Z1和Z2分别具有各自的弹簧结构以提供单独的转动轴。双差分检测的第一量和第二量指的是由运动的元件Z1上的电极产生的电容，且双差分检测的第三量和第四量指的是由运动的元件Z2上的电极产生的电容。
在图4的实施例中，至少一个震动块的至少一个弹簧通过包括侧臂4和肩部构件6的弹簧支撑结构而被连接至该震动块。在震动块的另一端中，用虚线表示的元件图示了另一个弹簧可以是普通弹簧，或者可以如图3B所公开的那样包括另一个侧臂，该另一个侧臂沿着所述弹簧延伸以进一步强化该弹簧支撑结构。
图5图示了另一个实施例，其中元件Z1、Z2通过弹簧结构而被支撑于三个锚固件(每个都用1来表示)，且围绕与弹簧(每个都用2来表示)对齐的同一转动轴枢转。元件Z1、Z2可以组合应用从而实现双差分检测。如图5所示，在元件Z1、Z2各者的震动块与用于将所述元件连接至锚固件的至少一个弹簧的所述端部之间，是包括侧臂4和肩部构件6的结构。在这个实施例中，侧臂和肩部构件是枢转的元件Z1、Z2的组成部分。侧臂4较佳地在弹簧2的方向上(即，平行于转动轴)延伸，且肩部构件6延伸至远离弹簧2的方向，优选地肩部构件6垂直于弹簧2而延伸。图5的结构在除了被测量的转动之外的其他方向上是刚硬的，且在被测量的转动的检测期间内有效地消除了不想要的振动模。双差分检测的一个元件Z1的侧臂和肩部构件被嵌套到双差分检测的另一个元件Z2的尺寸内，且反之亦然。因此，在最少地使用了元件平面内的空间的前提下，实现了延伸的弹簧结构的优势。
图6图示了对称的摇摆型传感器结构的另一个有利实施例，该传感器结构的体现方式是如上所述地利用元件Z1和Z2以用于双差分检测。元件Z1、Z2通过弹簧结构而被支撑于单个锚固件1，且被布置成围绕与弹簧2对齐的同一转动轴枢转。如图6所示，元件Z1和Z2各者还是分别包括侧臂4和肩部构件6，利用该侧臂4和该肩部构件6，元件的震动块的中心与用于支撑该元件的弹簧2的所述端部之间的距离增大了，且使得该结构在不想要的振动的方向上更加刚硬。为了进一步增大所述距离，弹簧2利用细长的弹簧支撑件7而被支撑于锚固件1，该细长的弹簧支撑件7向锚固点的外面延伸且沿着转动轴向弹簧提供静止悬挂点。
图7图示了3d加速度传感器的实施例，该3d加速度传感器可以包括任一种如上所述的摇摆型MEMS结构。该传感器还可以包括X方向和/或Y方向的检测单元，该检测单元能以MEMS传感器领域的技术人员所熟知的方式而被实现。在图7中，两个震动块Z1和Z2也利用震动块在元件平面内延伸的构造而能够适用于双差分检测。这样的构造增强了所述运动且因此提高了所述检测的灵敏度。
图8图示了不同种类的实施例，其可以包括任一种如上所述的摇摆型MEMS结构。字母S表示传感器或者传感器结构。字母M表示包括所实现的传感器或者传感器结构的传感器矩阵。虽然作为示例而在一个位置处图示了一种类型的四个传感器并且在不同的位置处图示了另一种类型的两个传感器，但是传感器的数量或者它们的类型(X、Y、Z或者它们的组合)不是仅限于所图示的示例。字母D表示包括所实现的传感器或者传感器矩阵的装置。虽然作为示例而图示了示例性的四个传感器，其中三个传感器处于一个位置而一个传感器处于与第一次所述的位置不同的另一个位置处，但是传感器的数量或者它们的类型不是仅限于所图示的示例。该装置中的传感器矩阵的数量和/或位置都不是仅受限于所图示的示例。字母组合Ar表示本发明实施例的布置或者系统，其包括装置D中的至少一个所实现的传感器结构和/或装置G。一些实施例中的字母S和M的特殊位置向本领域的技术人员图示了：各种实施例中的传感器结构能够在主装置的真实位置上被独立地操作，该主装置的加速度是由包括传感器S中的单元和/或触发器的传感器结构来监测的。
对本领域的技术人员来说很明显的是：随着技术的进步，本发明的基本构思能够以各种方式被实现。因此，本发明及其实施例不限于上面的示例，而是它们可以在权利要求书的范围内变化。

Claims (17)

1.一种MEMS结构，其包括锚固件(1)、弹簧(2)和震动块(3)，所述震动块(3)被悬挂至所述锚固件(1)以通过所述弹簧绕着转动轴枢转；
所述MEMS结构包括从所述震动块(3)延伸至所述锚固件(1)的弹簧结构(2、4)；所述MEMS结构的特征在于：
所述弹簧结构(2、4)的至少一部分是由刚性的侧臂(4)形成的，所述侧臂(4)在所述弹簧结构中沿与所述震动块的所述转动轴平行的方向从所述震动块(3)或从所述锚固件(1)延伸；且所述侧臂(4)被连接至所述弹簧(2)的一端。
2.如权利要求1所述的MEMS结构，其中所述侧臂(4)被连接至所述震动块(3)，并且所述弹簧结构包括刚性的肩部构件(6)，所述肩部构件(6)被连接至所述侧臂(4)的一端和所述弹簧(2)的所述一端，由此将所述侧臂(4)连接至所述弹簧(2)的所述一端。
3.如权利要求2所述的MEMS结构，其中所述肩部构件(6)沿与所述转动轴的方向垂直的方向延伸。
4.如权利要求1至3中任一项所述的MEMS结构，其中所述侧臂(4)被连接至所述震动块(3)，所述锚固件(1)是沿着所述转动轴延伸且至少部分地进入所述震动块(3)中的细长元件。
5.如权利要求1所述的MEMS结构，其中所述侧臂(4)从所述震动块(3)开始延伸，且与所述震动块(3)的所述转动轴对齐。
6.如权利要求1至3中任一项所述的MEMS结构，其中所述MEMS结构包括位于所述震动块(3)的相对两侧的两个侧臂(4)。
7.如权利要求6所述的MEMS结构，其中所述两个侧臂中的一个侧臂不同于另一个侧臂，以用于在抵抗不想要的振动时的不同刚度模式。
8.如权利要求6所述的MEMS结构，其中所述MEMS结构包括两个肩部构件(6)，且所述两个肩部构件(6)中的一个肩部构件(6)的长度不同于另一个肩部构件(6)的长度，以用于在抵抗不想要的振动时的不同刚度模式。
9.如权利要求1至3中任一项所述的MEMS结构，其中所述MEMS结构包括被用于双差分检测的两个震动块(Z1、Z2)。
10.如权利要求9所述的MEMS结构，其中所述两个震动块(Z1、Z2)被布置成绕着同一个转动轴枢转。
11.如权利要求9所述的MEMS结构，其中所述两个震动块(Z1、Z2)中的每一个分别包括侧臂和肩部构件，且所述两个震动块中的一个震动块(Z1；Z2)的所述侧臂和所述肩部构件被嵌套到所述两个震动块中的另一个震动块(Z2；Z1)的尺寸内。
12.如权利要求9所述的MEMS结构，其中所述两个震动块(Z1、Z2)被支撑于单个锚固件(1)。
13.如权利要求9所述的MEMS结构，其中所述两个震动块(Z1、Z2)通过向单个锚固件(1)的外面延伸的细长弹簧支撑件(7)而被支撑于所述单个锚固件(1)。
14.一种MEMS结构矩阵，其包括如在前权利要求中任一项所述的MEMS结构。
15.一种加速度传感器，其包括如权利要求14所述的MEMS结构矩阵。
16.一种包括如权利要求15所述的加速度传感器的装置(D)。
17.一种包括如权利要求16所述的装置的系统。
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