CN105263852A - Mems感测器 - Google Patents

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Abstract

一种用于测量诸如加速度、旋转、磁场的物理参数的感测器包括限定衬底平面的衬底(13)以及悬挂在衬底(13)上方用于进行至少具有沿感测方向的第一分量的运动的至少一个感测板(11、12)。感测方向垂直于衬底平面。存在至少一个检测臂(14.1、14.2)，悬挂在衬底(13)的上方，用于进行绕平行于衬底平面的旋转轴线的旋转运动。面外耦合结构(17.1、17.4)用于将所述感测板(11、12)的运动的第一分量耦合到所述检测臂(14.1、14.2)，用于产生检测臂(14.1、14.2)的旋转运动。旋转检测结构与检测臂(14.1、14.2)配合，用于检测检测臂(14.1、14.2)相对于衬底平面的旋转运动。枢转元件(17.2、17.3)布置在距离面外耦合结构(17.1、17.4)的一段距离处，该枢转元件(17.2、17.3)将感测板耦合到衬底平面上方固定距离处的基准面(19)，使得感测板(11、12)进行面外倾斜运动。

Description

MEMS感测器
技术领域
本发明涉及一种用于测量诸如加速度、旋转、磁场的物理参数的感测器，其包括：
a)限定衬底平面的衬底，
b)至少一个感测板，悬挂在衬底的上方，用于进行至少具有沿感测方向的第一分量的运动，其中，感测方向垂直于衬底平面，
c)至少一个检测臂，悬挂在衬底的上方，用于进行绕平行于衬底平面的旋转轴线的旋转运动，
d)面外耦合结构，用于将所述感测板的运动的第一分量耦合到所述检测臂，用于产生检测臂的旋转运动，
e)旋转检测结构，与臂配合，用于检测检测臂相对于衬底平面的旋转运动。
背景技术
FR2951826A(CEA)和FR2957414A(CEA)示出一种感测器，用于使用沿x方向致动并且沿y方向由科里奥利(Coriolis)力偏转的矩形抗震质量块检测力。抗震质量块由允许抗震质量块绕z轴线旋转的铰链悬挂。绕铰链的旋转由压阻量规检测。
FR2962532A(CEA)示出一种感测器，用于检测两个不同旋转方向的科里奥利力。感测器包括三个不同的抗震质量块。激振轴线平行于z轴线并且检测方向对应于x和y轴线。激振质量块具有圆环形状并且其围绕处于感测器中心的检测质量块。
FR2963099A(CEA)和FR2963192A1(CEA)示出用于检测和产生动压(麦克风、扩音器)的MEMS感测器。压力振动影响枢转元件的旋转运动，并且该运动由压阻量规线检测。另一个实施例使用检测质量块的线性运动和电容性检测系统(梳状电极)。
FR2941534A(CEA)公开一种磁性感测器，其具有通过铰链可枢转地连接到锚的可移动质量块。质量块设有磁性层，其在外部磁场中产生旋转质量块的力。
FR2941533A(CEA)公开一种具有量规的MEMS结构，用于检测可移动质量块的面外运动。
FR2941525A(CEA)公开一种MEMS结构，其具有通过两个臂耦合的两个质量块。臂可绕面内轴线旋转。两个质量块在面内致动并且进行转变成臂的平衡运动的面外运动。
FR2924422A(CEA)公开一种用于压阻量规线的放大器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种属于开头所提及的技术领域的感测器，其中，该感测器具有高灵敏度并使用更少的芯片面积。
本发明的技术方案由权利要求1的特征限定。根据本发明，用于测量诸如加速度、旋转、磁场或压力的感测器包括：
a)限定衬底平面的衬底，
b)至少一个感测板，悬挂在衬底的上方，用于进行至少具有沿感测方向的第一分量的运动，其中，感测方向垂直于衬底平面，
c)至少一个检测臂，悬挂在衬底的上方，用于进行绕平行于衬底平面的旋转轴线的旋转运动，
d)面外耦合结构，用于将所述感测板的运动的第一分量耦合到所述检测臂，用于产生检测臂的旋转运动，
e)旋转检测结构，与臂配合，用于检测检测臂相对于衬底平面的旋转运动，以及
f)枢转元件，布置在距离面外耦合结构的一段距离处，所述枢转元件将感测板耦合到衬底上方固定距离处的基准面，使得感测板进行倾斜的面外运动。
衬底可以是适于实现微机电系统(MEMS)的任意支撑件(机械载体)。优选地，衬底适于NEMS(纳机电加工系统)。例如，衬底可以由单晶硅或玻璃构成。衬底可是平板。衬底的表面限定平面(x-y平面)。平行于所述平面的任意方向称为“面内”，并且不平行于衬底平面的任意方向(例如，z向)称为“面外”。
感测器具有悬挂在衬底上方的至少一个感测板。悬挂通过能够进行面外运动的结构实现。因此，感测板能够进行沿一个方向的运动，其至少具有沿感测方向的分量，其中，感测方向(z轴线)垂直于衬底平面。感测板的悬挂结构也可以允许具有平行于衬底平面的方向分量的运动。感测板是其厚度小于平行于衬底平面的最小尺寸的结构。
感测器具有至少一个检测臂，其悬挂在衬底上方，用于进行绕平行于衬底平面的旋转轴线的旋转运动。一般而言，检测臂可以在平行于衬底平面的平面中具有任意形状。但是，优选地，检测臂具有与感测板的质量块相比较小的质量块。臂形成刚性杠杆，其能够进行面外摆动(即，臂能够进行在垂直于衬底平面的方向中具有矢量分量的运动)。臂的摆动运动是绕平行于衬底平面的轴线的旋转。
面外耦合结构提供沿所述感测板的运动的第一分量的方向到所述检测臂的耦合。因此，感测板的面外运动被传递到臂并且使得臂绕其旋转轴旋转。
臂的旋转由旋转检测结构检测。此结构与臂配合并检测检测臂相对于衬底平面的旋转运动。检测结构可以包括将检测臂的面外偏移转换成电信号的静电或压阻元件。
用于将感测板耦合到几何基准面的枢转元件布置在距离面外耦合结构的一段距离处。所述枢转元件距离感测器的y轴线(即，距离检测臂的旋转轴线)还具有一定径向距离。
由于一方面的面外耦合结构与另一方面的枢转元件之间的距离，当垂直于衬底平面的力作用于感测板上时，感测板相对于衬底平面进行倾斜运动。检测臂的旋转轴线与枢转元件之间的距离越小，感测板与检测臂之间的倾斜角度越小。一般而言，优选具有小的倾斜角。枢转元件优选接近于检测臂的旋转轴。
优点：
本发明的感测器可以在比现有技术的感测器更小的面积上实现。感测器需要用于结构元件的悬挂和耦合的更不复杂的弹簧。本发明的另一个优点在于，感测板的运动直接传递到检测臂。因此，与现有技术相比，感测板的面外运动的能量被更有效地使用，并且感测器的灵敏度提高。
驱动质量块：
感测器可以进一步包括悬挂用于沿平行于衬底平面的驱动方向进行运动的驱动质量块以及用于沿驱动方向致动驱动质量块的驱动结构。驱动质量块可以以此方式悬挂，使得其能够沿x方向(垂直于检测臂的旋转轴线)振动。优选地，驱动质量块的悬挂防止垂直于驱动方向的运动。就是说，驱动质量块仅仅进行面内运动并且不沿z方向(面外)运动。
与FR2941525A1相比，x方向和z方向的运动之间的串扰被消除。
也可以通过经静电装置(梳状电极)直接在没有单独驱动质量块的情况下驱动感测板。致动可以以与FR2941525A1(CEA)的图1中所示相似的方式进行。
具有以某一频率致动以检测物理参数的两个质量块(双质量块感测器)称为音叉感测器。
对于非谐振应用而言，与感测板分开的驱动质量块不是必需的。
驱动质量块的耦合：
根据本发明的具体实施例，驱动质量块通过枢转元件耦合到感测板。当驱动质量块被悬挂使得其可仅仅平行于衬底平面但不垂直于所述平面运动时，感测板的一个轴线(即枢转元件所限定的旋转轴线)保持在基准面中。感测板的面外运动在距离枢转元件的一段距离处进行。
虽然枢转元件优选地仅仅允许感测板绕枢转轴线的旋转，也可以替代接受的是，枢转元件也具有垂直于检测臂的旋转轴线的一些弹性。可以甚至具有沿z方向的一定(但微小)的弹性。
根据本发明的具体实施例，所述枢转元件是v形。例如，枢转元件基本由两个梁构成，此两个梁在其一个端部接合并且在其另一个端部彼此之间以>0°并且<90°的角分开延伸。v形枢转元件的分开端部可以连接到驱动质量块并且枢转元件的接合端部可以连接到感测板。两个梁优选相对于彼此对称，使得v形枢转元件的对称轴限定枢转轴线。v形枢转元件的取向也可以沿相反方向。
枢转元件的臂优选针对于z方向(垂直于衬底平面)的变形是刚性的。即使每个梁横向于其纵向轴线是柔性的并且可以绕其纵向轴旋转，枢转元件仅仅具有绕其枢转轴线的需要的旋转自由度。
还可以使用不同的结构，例如对于x和z方向的变形足够刚性但对于y方向的扭转为柔性的直梁。
根据另一个优选实施例，枢转元件是柔性片状元件。其可以是从驱动质量块延伸到感测板的薄层的一部分，其中薄层的一侧连接到驱动质量块并且另一侧连接到感测板。
检测臂：
在具体实施例中，检测臂是围绕感测板的框架结构的一部分。就是说，臂构成框架的一侧。事实上，框架通常是矩形，其悬挂以可绕其对称轴线中的一个旋转。当然，其他形状(六边形、局部圆形)的框架是可以的，但是更复杂。
优选地，框架沿x和y方向对称并且在框架的相对侧上的两点处悬挂。所以，两个相对侧中的每一侧可以代表检测臂并且可以为每一侧提供旋转检测结构。
根据另一个优选实施例，检测臂布置在感测板的开口中。检测臂可以为三个元件：检测臂、感测板和驱动质量块中的最内侧元件。
对称性：
最优选的是，感测板、驱动质量块和检测臂相对于平行于衬底平面并垂直于检测臂的旋转轴线(x轴线)的轴线对称。对称设计比非对称设计更加稳定。另外，对称设计是优选的反相操作的基础。因此，优选具有沿x和y方向对称的MEMS结构。
驱动质量块：
在具体实施例中，驱动质量块是具有框架形状(在俯视图中)的微机械结构。这就是说，在驱动质量块内具有可以用于放置驱动元件(诸如电极)、锚、弹性元件、耦合元件或枢转元件的空闲区域。例如，驱动质量块可以具有基本上由四个直梁构成的矩形形状。梁中的一个可以分离成两个部分，使得存在可以用作传递件的开口或间隙。
检测结构的框架可以围绕感测板。特别地，所述框架可以围绕感测板。但是，也可以具有不围绕感测板或甚至在感测板的内侧的框架形检测结构。检测结构可以是单一的直梁。
根据优选实施例，面外耦合结构在由驱动质量块所围住的区域外侧。就是说，如果驱动质量块是框架，面外耦合结构在框架的外侧并且不在框架的内侧。
面外耦合元件使得检测臂和感测质量块之间相对于驱动方向(x轴线)的解耦。
根据另一个实施例，面外耦合结构在由驱动质量块所围住的区域的内侧。就是说，驱动质量块可以具有放置耦合结构的开口。
根据优选实施例，用于产生驱动运动的静电驱动单元布置在由检测框架所围住的区域的内侧。特别地，驱动单元也在由驱动质量块所围住的区域内。这样几何结构的主要优点在于，驱动质量块(优选具有驱动框架的形状)变得更紧凑。
在另一个具体实施例中，用于产生驱动运动的静电驱动单元布置在由驱动质量块所围住的区域外侧。驱动单元可以在驱动质量块的最外端(相对于检测结构的枢转轴线)。
反相操作：
反相操作降低检测信号上的扰动影响、例如沿x、y或z方向的线性加速度的不期望影响。因此，优选提供第二感测板和第二面外耦合结构，其用于将所述第二感测板的运动的第一分量耦合到所述检测臂，用于产生检测臂的旋转运动。
进一步而言，感测器优选包括反相耦合结构，用于反相耦合第一和第二感测板沿驱动方向的运动。
反相耦合结构可以锚定到衬底。这提高了振动系统的稳定性。
锚：
根据本发明的具体实施例，驱动质量块柔性地连接到锚，该锚布置在由驱动质量块所围住的区域外侧以及由感测板所围住的区域的内侧。可选地，锚可以在驱动质量块所围住的区域外侧。也可以将驱动质量块柔性地连接到布置在驱动质量块所围住的区域外侧的锚。
检测结构：
检测结构可以包括柔性层，该柔性层充当将检测臂的面外偏移转换成电信号的压阻元件。优选地，旋转检测结构包括压阻纳米线量规。这样的量规可以在小面积上实现。因此，具有纳米线量规的感测器所占用的总的芯片面积小于具有静电检测装置的感测器所占用的面积。但是，可选地，检测臂的运动可以由静电结构或谐振器量规检测。
纳米线量规从FR2941525A1(CEA)已知，而电子放大器从FR2924422A1(CEA)已知。
本发明的感测器设计优选用于y轴线陀螺仪。但是，其对于线性z轴线加速度也是有利的。此外，该设计也可适于磁场检测。或者，如果在感测板下方提供适当的中空空间，使得在中空空间中的压力相对于感测板上方的压力增大时感测板被沿z方向推压，甚至于可以检测压力变动。中空空间可以与衬底的背侧连通，使得背侧处的压力被确定。
应当注意，对于磁力计、加速计以及压力感测器装置，一般而言，不需要激活电极或不需要反相耦合装置。
从以下的详细说明和全部权利要求中，可以得出其他有利的实施例和特征组合。
附图说明
用于解释实施例的附图示出了：
图1是根据现有技术的音叉感测器的面外运动的示意图；
图2是根据本发明第一实施例的音叉感测器的面外运动的示意图；
图3是本发明用于面外加速度检测或用于磁场检测的可选实施例的示意图；
图4是本发明的优选实施例的俯视图；
图5是关于检测结构的俯视图部分；
图6是感测板在驱动质量块外侧的实施例的俯视图；
图7a、7b、7c是图6的可替换实施例，其中v形枢轴由NEMS层连接件取代；
图8是其中检测臂在驱动质量块的内侧的实施例的俯视图。
在附图中，相同的部件使用相同的标号表示。
具体实施方式
图1示出FR2941525A(CEA)中公开的感测器的面外运动。具有悬挂在衬底3上方的两个感测板1、2。该两个感测板通过具有两个臂4.1、4.2的杠杆4耦合。杠杆4经由枢轴6连接到锚5，枢轴6沿y方向限定平行于衬底3的旋转轴线。两个感测板1、2通过弹簧7.1、...、7.4耦合到臂4.1、4.2，弹簧7.1、...、7.4沿平行于杠杆4的方向为柔性，但是沿平行于枢轴6的旋转轴线的方向(y方向)和z方向为刚性。静电驱动器(未示出)耦合到感测板1、2并且沿x方向产生振动运动8.1、8.2。
当没有角速率(或科里奥利力)时，杠杆4和板1、2在平行于衬底3的基准面9中。为了检测y方向的力，板被驱动沿x方向(8.1、8.2)振动。如果旋转速率冲击感测器，则科里奥利力10.1、10.2沿z方向作用并且影响感测板1、2的面外运动。此运动耦合到臂4.1、4.2并且臂4的离开板角(theoutofplateangle)由纳米线量规检测。
图2示出本发明的优选实施例。具有悬挂在衬底13上方的两个感测板11、12。该两个感测板11、12通过杠杆14耦合，该杠杆14在枢轴16的相对侧上具有两个臂14.1、14.2。杠杆14经由枢轴16连接到锚15，枢轴16沿y方向限定平行于衬底13的旋转轴线。两个感测板11、12每者在其外端分别通过枢轴17.1、17.4耦合到臂14.1、14.2。两个额外枢轴17.2、17.3用于将感测板11、12的每个内端耦合到基准面19。根据图2所示，将感测板11、12的内端耦合到基准面19的结构包括将枢轴17.2、17.3分别耦合到锚22.1、22.2的弹簧21.1、21.2。
因此，每个感测板通过两个不同枢轴悬挂。比内枢轴17.2进一步远离枢轴16的旋转轴线的外枢轴17.1将感测板的面外(z轴线)运动传递到检测臂14.1。并且接近于枢轴17的旋转轴线的内枢轴17.2具有这样的效果，如果面外力作用在感测板11，则感测板进行倾斜板运动。
静电驱动器(未示出)耦合到感测板1、2并沿x方向产生振动运动18.1、18.2。
当没有力作用在板11、12上时，杠杆14和板11、12在平行于衬底13的基准面19中。为了检测z方向的加速度，板(通过未示出的驱动系统)被驱动沿x方向振动。如果感测板11、12被设计成具有用于在z方向产生足够高的力的足够高的质量块，该装置可以用于检测y轴线旋转速率。
如果加速度冲击感测器，则科里奥利力20.1、20.2沿z方向作用并且影响感测板11、12的面外倾斜运动。此运动被传递到臂14.1、14.2并且杠杆14的面外角由纳米线量规(未示出)检测。
图2示出的基本系统也可以用于检测磁场。为此，板11、12必须设置有例如在FR2941534A(CEA)中公开的磁性材料层。z方向的磁场将产生类似于图2中所示的科里奥利力的旋转板11、12的力。为了检测磁场或z轴线加速度，也可以使用非对称结构。在这样的结构中，驱动装置不是必需的。
仅包括图2的右手侧所示的元件(感测板12、臂14.2、枢轴16、17.3、17.4、弹簧21.1、锚15和22)已足以，特别是对于线性z轴线加速度而言。这样改进的感测器是非对称的。
图3示出本发明对于感测板的倾斜角提供更高灵敏度的实施例。这通过提供在x方向比检测臂32更长的感测板31实现。检测臂32的一端通过枢轴36连接到锚35并且检测臂32的另一端(沿x方向)通过枢轴37.2连接到感测板31的第一端。感测板31的第二端通过枢轴37.1耦合到基准面39。枢轴37.1经由弹簧34耦合到锚38。弹簧34沿x方向为柔性，但沿y和z方向为刚性。
锚35、38固定到衬底33。他们可以是微机加工层(例如，SOI层＝绝缘体上的硅)的不移动部分。衬底具有表面33.1。在衬底33中可以具有中空空间，用于提供用于感测板的面外运动的空间。
基准面39由枢轴36(其是面外耦合)和枢轴37.1(其是检测臂的旋转轴线)的轴线限定。
如果板31承载作为永磁体的磁性层并且如果存在z方向的磁场，板31将承受面外力40并且将进行面外倾斜运动。因为枢轴37.1和37.2在检测臂的枢轴39的相对侧，所以臂32的倾斜角大于感测板31的倾斜角。这不同于图2，其中感测板11的枢轴17.1和17.2在检测臂14.1的枢轴16的相同侧。
图3中所示的结构优选用于实现磁力计或z加速计。应当注意，磁场感测器不必须是音叉型。
图4示出根据本发明具体实施例的优选的y轴线陀螺仪的MEMS结构的俯视图。几何结构设计相对于x和y方向为对称的。因此，下面的说明局限于对称性设计的一侧。
具有限定音叉型感测器的感测质量块的两个感测板41、42。感测板41、42包围在矩形检测框架43内。框架43的长侧平行于x方向并且每者限定检测杠杆44.1、44.2。检测杠杆44.1、44.2的自由端通过两个连接梁44.3、44.4连接，该两个连接梁44.3、44.4平行于y方向并且与检测杠杆44.1、44.2一起限定封闭矩形。检测框架43连接到两个锚45.1、45.2，该两个锚45.1、45.2布置在框架43的相对侧。具有平行于y方向的旋转轴线的枢轴46.1将检测杠杆44.1连接到锚45.1。杠杆44.2和锚45.2以及枢轴46.2之间的连接相对于感测器的x轴线镜像对称。因此，检测框架43可以绕y轴线摇摆。
感测板41分别通过面外耦合结构47.1、47.2耦合到每个检测杠杆44.1、44.2的外端。所述面外耦合结构47.1、47.2沿y方向是细长的并且相对于感测器的x轴线镜像对称。其y方向的长度为感测板41沿y方向的宽度的约一半。
面外耦合结构可以包括四个平行主梁A、B、C、D，其沿y方向取向并且在其第一端通过短横梁(垂直于主梁)彼此连接。四个梁中的两个内主梁B、C的第二端附接到检测杠杆44.1并且两个外主梁A、D的第二端附接到感测板41。
感测板41包括三个板部分41.1、...、41.3。
第一部分41.1具有沿y方向细长的整体矩形形状。第一部分41.1距离枢轴46的轴线(y轴线)在所有三个板部分中具有最长的距离。在其整体矩形形状中具有四个凹槽，即两个凹槽用于容纳面外耦合结构47.1、47.2以及两个凹槽用于容纳两个锚48.1、48.2。锚48.1、48.2比面外耦合结构47.1、47.2更接近于y轴。
第二板部分41.2沿x方向细长并且其沿y方向的尺寸比第一部分41.1沿y方向的尺寸小(即小5-10倍)。第一和第二板部分41.1、41.2一起呈现“T”形状。
第三板部分41.3是最接近于感测器的y轴线的一个。其沿y方向细长，但是沿y方向没有第一板部分41.1长。其沿x方向也小于第一板部分41.1。在第三板部分41.3中存在用于枢转元件49.1、49.2的两个凹槽，枢转元件49.1、49.2将感测板41连接到驱动质量块50。第三和第二板部分41.3、41.2一起呈现“倒T”形状。
驱动质量块50具有由框架梁50.1、...、50.5限定的整体矩形形状。第一框架50不封闭，而是在最远离感测器的y轴线的框架梁50.1、50.5之间具有开口。沿x方向延伸的板部分41.2穿过驱动质量块框架中的开口。因此感测板41部分在驱动质量块框架内，部分在驱动质量块框架外侧。
布置在距离面外耦合结构的一段距离(沿x方向)处的枢转元件49.1、49.2将感测板41耦合到在衬底平面上方固定距离处的几何基准面，使得感测板进行面外倾斜运动。
驱动质量块50悬挂，以能够在y方向或z方向没有运动的情况下沿x方向振动。驱动质量块的外端(即框架梁50.1和50.5)分别通过x-弹簧51.1、51.2连接到锚48.1、48.2。x-弹簧51.1、51.2沿x方向柔性，但沿y和z方向刚性。根据本发明的具体实施例，所述x-弹簧51.1、51.2由折叠的梁结构、即沿y方向延伸并且在其一端成对彼此连接的至少两个细梁构成。事实上，任何曲折状形状可以用作x-弹簧。图4示出由在细长侧中心处连接的几个0形(或窄矩形)组成的结构：“0-0-0-0”形(四重0形)。
内框架梁50.3(即，最接近于y轴的驱动质量块50的部分)通过两个x-弹簧51.3、51.4连接到沿y方向细长的耦合板52。x-弹簧51.3、51.4类似于x-弹簧41.1、51.2。在具体实施例中，他们具有三重0形：“0-0-0”形。
耦合板52在其(沿y方向)中心连接到反相耦合弹簧53。反相耦合弹簧53的功能是耦合感测板41和42的x方向运动，使得强制进行反相运动并抑制同相运动。根据优选实施例，反相耦合弹簧53具有菱形形状。其优选沿y方向细长。其沿y方向的长度与感测板41沿y方向的尺寸大约相同。耦合板52连接到菱形弹簧53中具有>90°角的角53.1。菱形弹簧53中具有<90°角的尖角53.2、53.3沿y方向取向并且分别连接到细梁54.1、54.2的中心。梁54.1、54.2沿x方向取向并且在两端分别附接到锚55.1、55.2。锚55.1、55.2具有整体矩形形状，但设有开口(空闲区域)，用于梁54.1、54.2以及菱形弹簧53的尖角53.2、53.3。
图5示出旋转检测结构的放大俯视图。检测杠杆44.1具有突出的对接元件(buttelement)57。枢轴46.1连接到对接元件57。(枢轴46.1可以通过沿y方向具有足够扭转弹性的直梁实现。)对接元件57沿y方向突出并且在距离y轴线一段距离处提供两个侧向肩部。两个纳米线量规56.1、56.2设置在两个侧向肩部和两个锚58.1、58.2之间。三个锚45.1、58.1、58.2每者承载电极层，用于接触以测量压阻纳米线量规56.1、56.2由于杠杆44.1的面外摇摆运动而产生的电阻变化。
图4还示出用于驱动质量块50的静电驱动装置。在驱动质量块50中设置的空闲区域内布置有四个驱动电极59.1、...、59.4。根据优选实施例，在驱动质量块50的矩形形状内具有两个框架梁50.6、50.7。所述框架梁50.6、50.7连接到框架梁50.2、50.4并且以相对于x轴线镜像对称的方式沿y方向取向。驱动电极59.1、59.2布置在框架梁50.1和50.5之间、即在比检测板41的板部分41.3更远离(由枢轴46.1、46.2限定的)y轴线的区域中。
根据图4、5的感测器相对于x和y轴线镜像对称。锚45.1、45.2、55.1、55.2、枢轴46.1、46.2以及反相耦合弹簧53的尖角53.2、53.3布置在感测器的y轴线上。放置在锚55.1、55.2之间的耦合板52在距离y轴线的短距离处。耦合板52因此在距离y轴线方面是最内侧元件。
-耦合板52(最内侧＝最接近于y轴线)
-x-弹簧51.3、51.4
-框架梁50.3(驱动质量块50的最内侧部分)
-板部分41.3(感测板41的最内侧部分)
-枢转元件49.1、49.2
-框架梁50.6、50.7
-驱动电极59.1、...、59.4
-框架梁50.1、50.5
-x-弹簧51.1、51.2
-锚48.1、48.2
-板部分41.1(感测板41的最外侧部分)
-耦合结构47.1、47.2
-连接梁44.3、44.4(最外侧＝距离y轴线最远)
上述列表例如表明：框架梁50.1、50.5比锚48.1、48.2更接近于y轴线；或者耦合结构47.1、47.2比枢转元件49.1、49.2更远离y轴线；等等。
操作：
电极59.1、...、59.4供给有迫使驱动质量块50沿x方向以预定频率振动的电驱动信号。由于通过x-弹簧51.1、...、51.4悬挂，驱动质量块50可以仅仅沿x方向运动，但是沿y方向或z方向不运动。两个枢转元件49.1、49.2沿x和y方向刚性，使得驱动质量块50的运动传递到感测板41。感测板的x方向振动不传递到检测框架43，因为面外耦合结构47.1、47.2沿x方向柔性(柔软)并且因为检测框架43沿x和y方向不运动。
如果感测器的旋转速率沿y方向进行，则感测板41、42也沿z向运动。由于感测板的具体悬挂，他们开始面外倾斜。虽然板部分41.3主要保持在枢转元件46.1、46.2所限定的基准面中，板部分41.1基本在基准面外运动。此面外运动耦合到检测框架43，使得杠杆44.1开始绕枢轴46限定的y轴线摇摆。
图6示出本发明另一实施例的MEMS结构的俯视图。该结构可以用于y轴线陀螺仪。几何结构设计相对于x和y方向为对称的。因此，下面的说明局限于对称性设计的一侧。
具有限定音叉型感测器的感测质量块的两个感测板61、62。感测板61、62包围在矩形检测框架63内。框架43的长侧平行于x方向并且每者限定检测杠杆64.1、64.2。检测杠杆64.1、64.2的自由端通过两个连接梁64.3、64.4连接，该两个连接梁平行于y方向并且与检测杠杆64.1、64.2一起限定封闭矩形。检测框架63连接到两个锚65.1、65.2，该两个锚65.1、65.2布置在框架63的相对侧(注：相对于x轴线的相对侧)上。具有平行于y方向的旋转轴线的枢轴66.1将检测杠杆64.1连接到锚65.1。杠杆64.2和锚65.2以及枢轴66.2之间的连接与锚65.1、杠杆64.2和枢轴66.2相对于感测器的x轴线镜像对称。因此，检测框架63可以绕y轴线摇摆。
感测板61分别通过面外耦合结构67.1、67.2耦合到每个检测杠杆64.1、64.2的外端。所述面外耦合结构67.1、67.2沿y方向是细长的并且布置成相对于感测器的x轴线彼此镜像对称。其(y方向的)长度为感测板61(沿y方向)的宽度的约一半。它们在板部分61.1的外端区域中。
到此为止，图6中所示的设计与图4中所示的设计相似。在图6中所示的面外耦合结构67.1、67.2为直梁，但是其也可以与图4中的结构47.1相同的方式设计。关键的是其沿x的柔软度以及沿y和z的刚度。
与图4中所示的面外耦合结构47.1相比，图6的面外耦合结构67.1是直梁，梁的一端连接到检测框架63的内侧(在检测杠杆64.1的外端处)并且梁的另一端连接到检测板61(在感测板的外端处)。在本实施例中，感测板61具有沿y方向延伸的两个狭槽，用于容纳面外耦合结构67.1、67.2。在感测板61的x轴线(＝对称的中心轴线)上，具有感测板61的桥接板部分61.4，用于将狭槽的端部彼此分开。
感测板61包括五个板部分61.1、...、61.5。感测质量块的主要部分由在两个检测杠杆64.1、64.2之间延伸的矩形板部分61.1限定。两个板部分61.3、61.4平行于检测杠杆64.1、64.2并且与所述杠杆相邻地延伸。这两个板部分61.3、61.4从板部分61.1的内端延伸到枢转元件69.1、69.2，其中所述枢转元件69.1、69.1(与板部分61.1的重心相比)接近于y轴线。
感测板61的外端由与板部分61.1相比沿x方向细长的板部分61.5形成。板部分61.5可以省略。
板部分61.1、61.2以及61.3包围用于驱动结构的基本矩形(内)区域。即，驱动结构在感测板61所围住的区域的内侧。
驱动结构包括几个(例如三个)锚68.1、...、68.3，每个锚具有与设置在驱动质量块70的外端处的对应指形电极配合的驱动电极79.1、...、79.3。驱动质量块70基本为C-形，具有平行于y轴线延伸的主臂70.1以及平行于x轴线延伸的两个臂70.2、70.3。两个臂中每者的内端连接到枢转元件69.1、69.2。
驱动质量块70通过例如具有双0形状：“0-0”的x-弹簧71悬挂。x-弹簧71在C-形驱动质量块70所围住的区域内。x-弹簧71的内端连接到反相耦合弹簧73，其设计成类似于图4中所示的反相耦合弹簧53。反相耦合弹簧73的每个尖端74.1、74.2连接到沿x方向取向的柔性梁的中部。每个柔性梁的两端分别连接到两个锚75.1、75.3和75.2、75.4。两个所述锚75.1、...、75.2在驱动质量块70所围住的区域内。在本实施例中，所述锚75.1、...、75.2在x-弹簧71和臂70.2、70.3之间。
根据图6的感测器相对于x和y轴线镜像对称。锚65.1、65.2、枢轴66.1、66.2以及反相耦合弹簧73的尖端74.1、74.2布置在感测器的y轴线上。放置在锚75.1、75.2之间的x-弹簧71在距离y轴线的短距离处。x-弹簧71因此不在y轴线上，但是所有其他元件中的最内侧元件(相对于到y轴线的距离)，所述元件包括：
-枢转元件69.1、69.2(最内侧＝最接近于y轴线)
-x-弹簧71
-驱动质量块的主梁70.1(驱动质量块50的最外侧部分)
-驱动电极79.1、...、79.3
-锚68.1、...、68.3
-板部分(主质量块)61.1
-耦合结构67.1、67.2
-板部分61.5(感测板61的最外侧部分)
-连接梁64.3
上述列表例如表示：驱动质量块70.1的主梁比板部分61.1更接近于y轴线；或者驱动电极79.1、...、79.3在驱动质量块70.1外侧，但x-弹簧71在驱动质量块70的内侧。耦合结构67.1、67.2距离y轴线具有比枢转元件69.1、69.2更大的距离。
操作：
操作基本与图4的相同。驱动质量块被致动沿x方向振动。由于通过x-弹簧71、反相耦合结构73和锚75.1、...、75.4的悬挂，驱动质量块70仅在x-y平面振动(面内振动)。该振动经由枢轴69.1、69.2传递到感测板61。如果存在面外力(科里奥利力)，感测板61的外端进行面外倾斜运动。此运动的z-分量经由耦合结构67.1、67.2传递到检测框架63。框架63绕y轴线的旋转由纳米线量规(或由其他合适检测装置)检测。
图7a、7b、7c示出图6的感测器设计，其在驱动质量块70和感测板61之间具有不同类型的枢转元件。除了图6的v形结构69.1、69.2之外，存在形成片状元件的柔性层。图7b、7c清楚示出，感测板部分的内端、即臂81.3(对应于感测板部分61.3)连接到驱动质量块部分80.3的内端(对应于臂70.3)。感测板81和驱动质量块80的主体积由例如几百微米厚的晶体硅层构成。该层通过(本领域公知的)标准方法以此方式进行机加工，使得实现优选的几何感测器设计(例如如图4或6所示)。根据本发明的优选实施例，晶体顶层82布置在薄晶体层83的顶部上，薄晶体层83具有通常小于1微米(例如，250-500纳米)的厚度。薄层83也用于实现纳米线量规(图5中的56.1、56.2)。由于在驱动质量块80和感测板81之间移除顶层82以形成间隙84的事实，驱动质量块80和感测板81之间的连接是沿z方向为薄的并柔性的片状元件83.1。薄晶体层83在一侧连接到驱动质量块而在另一侧连接到感测板。
因此，如图7c所示绕y轴线的摇摆运动是可以的，而绕x或z轴线的旋转被阻止。
图8示出另一实施例。与图4的实施例第一不同之处在于，驱动质量块100具有围绕感测板91的框架形状。第二不同之处在于，驱动电极放置在驱动质量块框架的外侧处。事实上，驱动质量块100的最外侧部分设置有沿x方向延伸的指形电极，与指形电极相对的是附接到锚98.1、...、98.3的固定电极94.1、...、94.3。
第三不同之处在于，检测杠杆93在两个感测板91、92中心放置在x轴线上。检测杠杆93在其中心具有开口，用于锚95(在感测器的中心)和两个纳米线量规结构106.1、106.2。存在两个枢轴96.1、96.2，沿y方向延伸并且将检测杠杆93连接到锚95。当检测杠杆绕y轴线摇摆时，沿x方向延伸的两个纳米线量规结构106.1、106.2交替地伸展。因此可以实现差分检测体系。
检测杠杆93通过两个耦合结构97.1、97.2耦合到感测板91，用于将感测板91的倾斜运动的面外分量耦合到检测杠杆93。如图8中所示，面外耦合结构可以是沿y方向延伸的直梁。直梁沿x方向为柔性，但沿y和z方向为刚性。
感测板91的内端(即最接近于y轴线的端部)通过沿y方向取向的两个枢转元件99.1、99.2连接到驱动质量块100。
驱动质量块100的框架在四边包围感测板91。框架100仅具有一个开口，该开口布置在x轴线的区域，使得检测杠杆93可以从锚95(其是驱动质量块框架的外侧)延伸到驱动质量块100的内侧。驱动质量块100的两个框架部分100.1、100.2通过两个x-弹簧101.1、101.2、两个反相耦合弹簧10.3、104以及八个锚悬挂。x-弹簧101.1、反相耦合弹簧103和对应的四个锚与图6中所示的x-弹簧71、反相耦合弹簧73和四个锚75.1、...、75.4具有基本相同的设计。
操作基本与图4和6相同：驱动电极94.1、...、94.4产生驱动质量块100沿x方向的振动。枢轴99.1、99.2将振动传递到感测板61。如果科里奥利力沿z方向有效，则实现感测板的面外倾斜运动。倾斜运动的z-分量经由耦合结构97.1、97.2传递到在中心的检测杠杆93。
附图中所示的实施例在不偏离本发明范围的情况下可以进行不同修改。
除了将枢转元件放置在由驱动质量块50所包围的区域的内侧之外，其可以放置在外侧。例如，如果在杠杆44.1和框架梁50.2之间设置空间，则感测板的板部分可以布置在所述空间中并且枢轴49.1可以指向远离x轴线(而非如图4中所示指向x轴线)。
感测板41不需要延伸进入驱动质量块50所围住的区域。感测板41也可以由驱动质量块围绕。
在基准面中支撑驱动质量块50的锚48.1、48.2也可以放置在驱动质量块50的内侧(即由其围绕的区域中)。在这样的情况下，驱动质量块同样可以是密闭框架或环(而非如图4所示的C-形结构)。
两个感测板41、42的反相耦合可以通过除图4中所示之外的其他弹簧结构实现。
检测框架或感测板的形状不必须是矩形。多边形、菱形或圆形也是可以的。
检测杠杆44.1、44.2的面外运动可以由静电电极测量。
本发明并不局限于需要沿x方向致动的音叉感测器。特别地，如图2或3中所示产生面外倾斜运动的悬挂可以用于检测线性z方向加速度。还可以在感测板上提供磁性材料并且检测z方向的磁场。
用于面外耦合的枢轴不需要连接检测臂的端部和感测板的外端。感测板或检测臂可以延伸超过所述枢轴。以类似方式，用于将感测板耦合到基准面的枢轴不需要必须在感测板的内端处。
本发明的感测器可以与其他感测器一起在单个芯片上实现，以提供具有9个自由度、即三个线性加速度、三个磁场方向和三个旋转速率(3A+3M+3G)的感测器装置。

Claims (21)

1.用于测量诸如加速度、旋转、磁场的物理参数的感测器，包括：
a)限定衬底平面的衬底(13)；
b)至少一个感测板(11、12)，悬挂在所述衬底(13)的上方，用于进行至少具有沿感测方向的第一分量的运动，其中，所述感测方向垂直于所述衬底平面；
c)至少一个检测臂(14.1、14.2)，悬挂在所述衬底(13)的上方，用于进行绕平行于所述衬底平面的旋转轴线的旋转运动；
d)面外耦合结构(17.1、17.4)，用于将所述感测板(11、12)的所述运动的所述第一分量耦合到所述检测臂(14.1、14.2)，用于产生所述检测臂(14.1、14.2)的旋转运动；
e)旋转检测结构，与所述检测臂(14.1、14.2)配合，用于检测所述检测臂(14.1、14.2)相对于所述衬底平面的所述旋转运动；以及
f)其特征在于，枢转元件(17.2、17.3)，布置在距离所述面外耦合结构(17.1、17.4)的一段距离处，所述枢转元件(17.2、17.3)将所述感测板耦合到所述衬底上方固定距离处的基准面(19)，使得所述感测板(11、12)进行面外倾斜运动。
2.根据权利要求1所述的感测器，还包括用于沿平行于所述衬底平面的驱动方向(x)进行运动的悬挂的驱动质量块(50)以及用于沿所述驱动方向致动所述驱动质量块(50)的驱动结构(59.1、...、59.4)。
3.根据权利要求2所述的感测器，其中，所述驱动质量块(50)通过所述枢转元件(49.1、49.2)耦合到所述感测板(41)。
4.根据权利要求3所述的感测器，其中，所述枢转元件(49.1、49.2)是v形并且沿y方向指向。
5.根据权利要求3所述的感测器，其中，所述枢转元件(49.1、49.2)是柔性片状元件(83.1)。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的感测器，其中，所述检测臂(44.1、44.2)是具有围绕所述感测板(41)的框架(43)的形状的检测结构的一部分。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的感测器，其中，所述检测臂(93)布置在所述感测板(91)的开口中。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的感测器，其中，所述感测板(41)、所述驱动质量块(50)和所述检测臂(44.1)相对于轴线(x)对称，所述轴线(x)平行于所述衬底平面并且垂直于所述检测臂(44.1)的所述旋转轴线(y)。
9.根据权利要求2-8中任一项所述的感测器，其中，所述驱动质量块(50)具有框架(50.1、...、50.5)的形状。
10.根据权利要求2-9中任一项所述的感测器，其中，所述面外耦合结构(47.1、47.2)在所述驱动质量块(50)所围住的区域外侧。
11.根据权利要求2-9中任一项所述的感测器，其中，所述面外耦合结构(97.1、97.2)在所述驱动质量块(100)所围住的区域的内侧。
12.根据权利要求2-11中任一项所述的感测器，其中，用于产生所述驱动运动的静电驱动单元布置在所述检测结构所围住的区域的内侧。
13.根据权利要求2-11中任一项所述的感测器，其中，用于产生所述驱动运动的静电驱动单元(94.1、...、94.3)布置在所述驱动质量块(100)所围住的区域外侧。
14.根据权利要求1-13中任一项所述的感测器，还包括第二感测板和第二面外耦合结构，所述第二面外耦合结构用于将所述第二感测板的运动的第一分量耦合到所述检测臂，用于产生所述检测臂的所述旋转运动。
15.根据权利要求2-14中任一项所述的感测器，还包括反相耦合结构(53)，用于反相耦合第一和第二感测板(41、42)沿驱动方向的运动。
16.根据权利要求15所述的感测器，其中，所述反相耦合结构(53)锚固到所述衬底。
17.根据权利要求2-16中任一项所述的感测器，其中，所述驱动质量块柔性地连接到锚(48.1、48.2)，所述锚(48.1、48.2)布置在所述驱动质量块(50)所围住的区域外侧以及所述感测板(41)所围住的区域的内侧。
18.根据权利要求2-17中任一项所述的感测器，其中，所述驱动质量块(100)柔性地连接到布置在所述驱动质量块(100)所围住的区域外侧的锚。
19.根据权利要求1-18中任一项所述的感测器，其中，所述面外耦合结构(47.1、47.2)相对于所述旋转轴线布置在所述感测板(41)的外端处。
20.根据权利要求1-19中任一项所述的感测器，其中，所述旋转检测结构包括压阻纳米线量规或谐振器量规。
21.根据权利要求1-19中任一项所述的感测器，其中，所述旋转检测结构包括柔性层(83)，所述柔性层(83)充当将所述检测臂的所述面外偏移转换成电信号的压阻元件。
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