CN107271719B - 具有高精度以及对温度和老化低敏感性的mems加速度度量传感器 - Google Patents

具有高精度以及对温度和老化低敏感性的mems加速度度量传感器 Download PDF

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Abstract

MEMS加速度度量传感器包括承载结构以及由半导体材料制成的悬置区域。至少一个调制电极固定至承载结构并且采用指示了具有第一频率的至少一个周期性分量而偏置。由悬置区域以及由调制电极以该方式形成至少一个可变电容器以使得悬置区域经受取决于电调制信号的静电力。当加速度度量传感器经受加速度时，感测组件产生电感测信号，指示了悬垂区域相对于承载结构的位置，并且包括作为加速度以及第一频率的函数的频率调制分量。

Description

具有高精度以及对温度和老化低敏感性的MEMS加速度度量传 感器
技术领域
本公开涉及使用MEMS(微电机系统)技术获得的具有高精度以及对温度和老化低敏感性的加速度度量传感器。
背景技术
如已知的那样，加速度度量传感器或者加速度计是将加速度转换为电信号的惯性传感器。使用MEMS技术获得的加速度度量传感器基本上由移动结构和检测系统构成，检测系统耦合至移动结构并且产生对应的电信号(例如电容性变化)，电信号接着提供至处理接口。
例如，美国专利8,671,756描述了用于MEMS谐振双轴加速度计的微电机感测结构。微电机感测结构包括借由弹性元件以悬置在衬底之上方式而锚定至衬底的惯性质量块。弹性元件使能惯性感测惯性质量块沿着属于惯性质量块的主延伸平面的第一感测轴线和第二感测轴线响应于相应线性外部加速度的移动。此外，微电机感测结构包括至少一个第一谐振元件和一个第二谐振元件，其沿着第一和第二感测轴线具有相应的纵向延伸，并且经由对应的弹性元件以当惯性质量块分别沿着第一和第二感测轴线位移时经受相应轴向应力的方式而机械地耦合至惯性质量块。
通常，加速度计可以用于多种应用。例如，它们可以形成对应的倾角计。然而，在多个应用中，需要由加速度计所提供的电信号特别精确和准确。就此而论，在一些应用中需要所谓的ZGO(零重力偏移)稳定性小于0.00981m/s2。
更详细地，加速度计经受不希望的现象，诸如例如温度变化、老化、机械应力等。前述不希望的现象引起由加速度计所产生电信号内伪分量的产生，也即分量不与加速度计所经受的加速度相关联，结果减小了加速度计的精确性。
发明内容
本公开提供了一种加速度度量传感器，与现有技术相比，其具有对温度和老化的低敏感性。
根据本公开，提供了一种加速度度量传感器以及一种用于检测加速度度量信号的方法。
附图说明
为了更好地理解本公开，现在参照附图、纯粹借由非限定性示例描述本公开的优选实施例，其中：
图1示出了根据本公开的一个实施例的加速度计的实施例的示意性俯视图；
图2示出了图1中所示实施例的一部分的示意性俯视图；
图3是示出了根据本公开一个实施例的位移信号的频谱和对应频谱贡献、以及高通滤波器的频率响应的示图；
图4示出了用于处理由图1的实施例中加速度计所提供信号的电路的框图；
图5是示出了图1的加速度计的一个实施例的位移信号的一部分的频谱以及机械系统的频率响应频谱的示图；
图6和图7是根据本公开实施例的又一些加速度计的示意性俯视图；
图8是沿着图7的剖面VIII-VIII平面获取的图7中所示实施例的一部分的示意性剖视图；以及
图9是根据本公开的另一实施例的包括图1、图6和图7中的一个或多个加速度计的电子设备的框图。
具体实施方式
图1是使用MEMS技术以集成方式制造的、设计用于检测加速度的加速度计1的实施例的结构的示意图。在所示的示例中，加速度计1配置用于检测由箭头aext所示的指向平行于正交参考系统XYZ的轴线X的加速度。
加速度计1形成在半导体材料的裸片中并且包括悬置区域2和承载结构3，承载结构3相对于裸片固定并且因此在下文中称作“固定区域3”。图1中可见的仅是围绕悬置区域2的固定区域3的一部分。
固定区域3界定了主腔体C，悬置区域2在其内部延伸。
悬置区域2包括将在下文中称作“主本体5a”的第一部分5a，以及下文中将称作“控制元件5b”的第二部分5b。主本体5a和控制元件5b由半导体材料(例如单晶或多晶硅)制成。更特别地，主本体5a和控制元件5b被提供在半导体材料的同一层中并且彼此整体成型以及因此相对于彼此固定。
主本体5a经由第一锚座4和第二锚座6、以及经由也称作“第一和第二弹簧”并且用作平移弹簧的第一弹性悬置元件8和第二弹性悬置元件9约束至固定区域3。
更详细地，在图1所示的示例中，主本体5a在俯视图(在平面XY中)具有矩形形状，具有平行于轴线X和Y的侧边。此外，主本体5a具有小于在平行于轴线X和Y的方向上的尺寸的厚度(平行于轴线Z、垂直于绘图平面测量得到)。换言之，平面XY平行于悬置区域2的主本体5a的主延伸区的表面。例如，悬置区域2的主本体5a的厚度可以在20－30μm的区域中。在图1中所示的示例中，控制元件5b具有与主本体5a相同的厚度并且与后者共平面。
第一锚座4和第二锚座6中的每一个基本上由柱体形成，其沿垂直于绘图平面的方向(也即平行于轴线Z)延伸，从形成了固定区域3的一部分并且延伸在悬置区域2下方的衬底(不可见)开始。此外，在俯视图中，第一锚座4和第二锚座6相对于悬置区域2的主本体5a设置在相对侧边上并且与后者有一距离。特别地，并未损失任何普遍性，在俯视图中由悬置区域2的主本体5a在矩形的较小侧边上形成。实际中，第一锚座4和第二锚座6相对于悬置区域2的主本体5a镜像设置，沿着平行于轴线X的轴线9(未示出)，其在俯视图中以假想方式将主本体5a分割为两个相等并镜像的部分。
第一弹簧8具有第一端部和第二端部，分别机械地固定至第一锚座4以及悬置区域2的主本体5a的对应部分。第二弹簧9的相应的第一和第二端部分别机械地固定至第二锚座6以及悬置区域2的主本体5a的对应部分。实际上，在静止条件下(下文中进一步详述)，第一弹簧8和第二弹簧9以对称方式设置在悬置区域2的主本体5a的相对侧边上。此外，第一弹簧8和第二弹簧9在加速度aext的作用下是弹性可形变的以便使得悬置区域2相对于固定区域3平行于轴线X并且在两种感测中而平移。并未损失普遍性，第一弹簧8和第二弹簧9与悬置区域2共平面并且具有与后者相同的厚度。
在图1所示的示例中，悬置区域2的主本体5a形成多个(特别地，四个)次级腔体CS，其彼此相同。然而，实施例(未示出)是可能的，其中例如仅存在一个次级腔体CS，或者在任何情形中除了四个之外存在多个次级腔体CS。
每个次级腔体CS具有平行六面体的形状，并且因此在俯视图中具有矩形的形状，并且此外延伸穿过主本体5b的厚度。每个次级腔体CS内延伸的是对应的导电极板配对，其下文中称作“第一固定极板12和第二固定极板14”。
在图1中所示的示例中，次级腔体CS的第一固定极板12彼此相同并且由导电材料(例如掺杂半导体材料，诸如掺杂硅)制成。类似地，次级腔体CS的第二固定极板14彼此相同并且由导电材料(例如掺杂半导体材料，诸如掺杂硅)制成。
更详细地，在图1中所示的示例中，给定次级腔体CS，相应第一固定极板12和第二固定极板14彼此相同，并且设置彼此面对，以及固定至固定区域3的前述衬底以便相对于后者固定。此外，第一固定极板12和第二固定极板14平行并且分别面对次级腔体CS的第一侧壁16和第二侧壁18，其彼此相对并且平行于平面YZ。甚至更详细地，第一固定极板12和第二固定极板14中的每一个可以具有同一高度(沿着轴线Z测量)。此外，第一固定极板12和第二固定极板14可以以如此方式垂直地设置(也即平行于轴线Z)以使得相应几何中心设置在同一高度处。
从电学角度而言，第一固定极板12和第一侧壁16形成第一感测电容器，其电容值除了其他项之外还取决于第一固定极板12和第一侧壁16之间的距离。类似地，第二固定极板14和第二侧壁18形成第二感测电容器，其电容值除了其他项之外还取决于第二固定极板14和第二侧壁18之间的距离。接着，第一和第二感测电容器的电容值取决于悬置区域2相对于固定区域3的位置，并且因此取决于加速度计1所经受的加速度aext，其在下文中将称作“外部加速度aext”。
如下文中更详细所述，每个次级腔体CS的第一和第二感测电容器的电容性变化用于经由电容至电压转换器接口而测量外部加速度aext。次级腔体CS的第一和第二感测电容器因此形成了电容性类型的感测组件。
再次参照图1，加速度计1进一步包括电极20，其在下文中将称作“调制电极20”。调制电极20固定至固定区域3的衬底并且在俯视图中具有第一近似U形。此外，再次在俯视图中，调制电极20以一距离面对主本体5a的主要侧边之一。
如图2中更详细所示，在图1中所示的示例中，调制电极20包括第一侧向部分22和第二侧向部分24以及横向部分26，其彼此整体成型并且相对于固定区域3而固定。此外，调制电极20由诸如例如掺杂半导体材料(例如掺杂硅)之类的导电材料制成。
横向部分26以及第一侧向部分22和第二侧向部分24中的每一个基本上形状为平行六面体。此外，在图1和图2中所示的示例中，横向部分26以及第一侧向部分22和第二侧向部分24是共平面的并且具有同一的厚度，后者与悬置区域2的厚度相同，以初步近似。并未损失任何普遍性，调制电极20可以以如此方式固定至固定区域3的衬底，如果悬置区域2的最大和最小高度分别称作“最大高度”和“最小高度”，以初步近似，第一侧向部分22和第二侧向部分24也延伸在最大高度和最小高度之间。
更详细地，第一侧向部分22和第二侧向部分24相对于平面H镜像设置，H平行于平面YZ，并且在静止条件下代表加速度计1的对称平面。第一侧向部分22和第二侧向部分24中的每一个具有平行于平面H的侧壁配对。
横向部分26具有连接至第一侧向部分22和第二侧向部分24的端部以便将它们连接在一起。并未损失任何普遍性，在静止条件下，横向部分26由平面H横跨，将其分割为彼此相同并镜像的两个子部分。关于前述静止条件，它们构思了加速度计并未经受任何外部加速度(也即aext＝0)，并且调制电极20和悬置区域2设置在同一电压下。
再次参照控制元件5b，在图1和图2中所示的示例中，其具有平行六面体的形状并且从主本体5a朝向调制电极20延伸。特别地，在俯视图中，控制元件5b从调制电极20所面对的主本体5a的侧边在调制电极20的方向上延伸成设置在调制电极20的第一侧向部分22和第二侧向部分24之间。换言之，控制元件5b至少部分地延伸在由调制电极20界定的腔体CC内，其将在下文中称作“控制腔体CC”。
更详细地，由彼此相对并且平行于平面YZ的壁部配对侧向地界定控制元件5b，壁部配对下文中将称作“第一悬置壁Se1和第二悬置壁Se2”，这些壁分别面对调制电极20的第一侧向部分22和第二侧向部分24。接着，分别由分别面向第一和第二悬置壁部Se1、Se2的与其平行的第一固定壁部Sm1和第二固定壁部Sm2界定调制电极20的第一侧向部分22和第二侧向部分24。此外，由另一壁部St界定调制电极20的横向部分26，壁部St面向控制元件5b并且垂直于与其直接接触的第一和第二固定壁部Sm1、Sm2。
在使用中，如下文中详细所述，第一和第二固定壁部Sm1、Sm2是等势的。类似地，第一和第二悬置壁部Se1、Se2是等势的。
实际上，调制电极20的第一侧向部分22和控制元件5b形成了电容器30，其在下文中将称作“第一控制电容器30”。类似地，调制电极20的第二侧向部分24以及控制元件5b形成另一电容器32，其在下文中将称作“第二控制电容器32”。
第一控制电容器30的电容取决于第一固定壁部Sm1与第一悬置壁部Se1的侧向叠置(也即平行于轴线X)的面积。在该连接中，可以注意该面积如何等于Lov·tov，其中Lov如图2中所示是侧向地叠置第一固定壁部Sm1的第一悬置壁部Se1的部分的长度(平行于轴线Y测量)，而tov是前述部分的高度(平行于轴线Z测量)并且一级近似等于悬置区域2的厚度。此外，第一控制电容器30的电容取决于第一固定壁部Sm1和第一悬置壁部Se1之间的距离，其可以表示为(g0+x)，其中g0是在静止条件下前述壁部之间的距离，而x是前述距离相对于g0值的变化。接下来，量x也将称作“偏差”。
第二控制电容器32的电容取决于第二固定壁部Sm2和第二悬置壁部Se2的侧向叠置的面积，其同样等于Lov·tov。此外，第二控制电容器32的电容取决于第二固定壁部Sm2和第二悬置壁部Se2之间的距离，其可以表示为(g0-x)。因此，并未损失任何普遍性，在静止条件下，控制元件5b与第一和第二固定壁部Sm1、Sm2等距离，并且第一和第二控制电容器30、32具有基本上同一的电容值。
在使用中，调制电极20设置为电压Vm，而悬置区域2以及因此控制元件5b也设置为电压Vrotor。因此，在控制元件5b上，并且因此更通常地在悬置区域2上，两个静电力在同一方向上施加，但是以相反的方式，这些力在下文中标注为Fel,1和Fel,2。特别地，再回想经受电压ΔVs的电容器经受近似等于1/2·(ΔC/Δx)·ΔVs 2的静电力(其中ΔC是取决于等于相应极板距离Δx的变化的电容器的电容值的变化)，可以得到：
Figure BDA0001125642850000071
Figure BDA0001125642850000072
其中ε0是真空介电常数。
假设，Vrotor＝0并且x<<g0，也即，假设相对于静止条件的小变化，能够将作用在悬置区域2上的总静电力Fel,tot的表达式线性化，其是：
Figure BDA0001125642850000081
对于一级近似而言，总静电力Fel,tot因此线性地正比于悬置区域2在静止条件下假设的距位置的偏移。此外，总静电力Fel,tot可以理解为一种静电刚性(stiffness)，因为其可以表达为Fel,tot≈kel·x，其中：
Figure BDA0001125642850000082
施加至调制电极20的电压Vm可以写作恒定分量Vdc和可变分量ΔV·sin(ωmt)之和，其中t,ωm和ΔV分别是可变(振荡)分量的时间和脉冲以及对应的幅度。换言之，可以得到：
Vm(t)＝Vdc+ΔV·sin(ωmt) (5)
以下关系因此适用：
Figure BDA0001125642850000083
假设Vdc>>ΔV/2，方程(6)可以重写作：
Fel,tot≈(kel,0+Δk·sin(ωmt))·x (7)
其中
Figure BDA0001125642850000084
Figure BDA0001125642850000085
这已经是说，描述了悬置区域2的运动的方程可以写作：
Figure BDA0001125642850000086
其中：m是悬置区域2的质量；b是阻尼(由粘性摩擦引起)；以及k是由悬置区域2以及由第一弹簧8和第二弹簧9所形成系统的弹性常数(或者刚性)。对于一级近似，方程(10)可以写作：
Figure BDA0001125642850000087
在准静态近似中，也即当频率fm＝ωm/2π远低于由悬置区域2以及第一弹簧8和第二弹簧9所形成的系统的机械谐振频率fmech时，方程(11)左手边的第一两个项可以忽略。因此，关于偏移x，以下方程适用：
Figure BDA0001125642850000091
通过线性化方程(12)的右手边的项，也即通过将方程(12)的右手边的项采用变量Δk(相对于所计算的偏离)并且围绕点(k-kel,0)扩展为一阶级数，可以得到：
Figure BDA0001125642850000092
其中呈现明显的是，量x和aext可以是时间的变量，并且其中：
Figure BDA0001125642850000093
也考虑不希望的效应，因此能够用公式表达以下方程：
Figure BDA0001125642850000094
其中右手边的第一项(xoff)是对于偏移x的第一贡献，其包括不希望的效应诸如例如温度(T)、机械应力等。因为这些不希望的效应随时间非常缓慢地可变，第一贡献可以视作所谓的d.c贡献，如图3中所示，其由37标注。方程(15)的右手边的第二项表示对于偏移x的第二贡献，其取决于外部加速度aext，但是不取决于角频率ωm。方程(3)的右手边的第三项表示对于偏移x的第三贡献，其取决于外部加速度aext以及取决于角频率ωm。特别地，在频域中，第三贡献相对于第一和第二贡献以正比于频率fm的方式转换为频率，如图3中定性所示。借由示例的方式，图3中已经假设了外部加速度aext具有随频率fin的正弦曲线，在该情形中前述第二贡献由在频率fin下单个频谱线(由38标注)形成，而第三贡献包括分别设置在频率fm-fin和频率fm+fin下的对应频谱线(由39和40标注)的配对。此外，图3定性地示出了下文中所述高通滤波器地转移函数41。
为了呈现加速度计1对于声学振动的不敏感性，除了之外fmech>20kHz，可能使得fm>20kHz。
已经陈述了所有这些，表示外部加速度aext的信号saext的产生可以如图4中所示执行，其显示了设置在加速度计1下游的处理电路44，其示意性地表示经受外部加速度aext的组块。此外，图4示出了电压发生器46，其产生电压Vm并且连接至加速度计1以使得在使用中调制电极20设置为电压Vm。
在图4的实施例的示例中，处理电路44包括电容至电压转换器组块48，实施了例如图3中所示的转移函数41的高通滤波器50，以及解调器52。并未损失任何普遍性，加速度计1形成在第一裸片D1中，而电压发生器46、电容至电压转换器48、高通滤波器50以及调制器52提供在例如作为ASIC的第二裸片中。实施例(未示出)在任何情形中是可能的，其中加速度计1、电压发生器46以及处理电路44均形成在同一的裸片中。
更详细地，电容至电压转换器电路48是连接接口，例如由自身已知类型的电荷放大器形成，连接接口电连接至形成在加速度计1的次级腔体CS中的感测电容器配对，以便以自身已知的方式接收由这些感测电容器所产生的电容性变化信号sΔC。基于之前已经描述的内容，电容性变化信号sΔC取决于偏移x，并且因此指示了后者的值，因为考虑到任何次级腔体CS，相应的第一固定极板12与相应的第一侧壁16之间的距离以及第二固定极板14与第二侧壁18之间的距离取决于偏移x。此外，电容性变化信号sΔC包括相应的分量，其对应于前述的偏移x的第一、第二和第三贡献。
电容至电压转换器电路48在输出端产生将要被滤波的信号sV，其例如由取决于次级腔体CS中所形成感测电容器的电容的电压形成，并且因此也指示了偏移x的值。换言之，待滤波的信号sV也包括相应的分量，其对应于前述偏移x的第一、第二和第三贡献。
待滤波信号sV随后由高通滤波器50滤波，其产生已滤波信号sf，取决于对偏移x的前述第三贡献，但是不取决于对偏移x的第一和第二贡献。换言之，高通滤波器50对待滤波信号sV的对应于偏移x的第一和第二贡献的分量进行滤波。
在解调器52的第一输入端上供应经滤波的信号sf，其是自身已知类型并且可以包括多路复用器和低通滤波器(未示出)。此外，电压发生器46在解调器52的第二输入端上提供电压Vm以使得后者提供输出信号sout，其同样指示了偏移x的值，但是具有比已滤波信号sf更低的频率。例如，输出信号sout可以在基频带中。
实际上，电容性变化信号sΔC由电容至电压转换器48转换为待滤波信号sV，由高通滤波器50滤波，并且随后由解调器52解调。输出信号sout是Vdc和ΔV的外部加速度的函数，但是不是角频率ωm的函数。此外，输出信号sout可以提供至输出级58，其例如由配置用于基于输出信号sout而产生指示了外部加速度aext的加速度信号saext的外部装置而形成。加速度信号saext可以是模拟或数字类型。在该后者的情形中，输出级58可以包括A/D转换器(未示出)。为了配置输出级58，其例如能够在已知加速度(例如重力加速度)的存在下执行校准的操作以便对于每个已知加速度确定输出信号saout的对应的值。
根据图5中所示的变量，为了增大输出信号sout的幅度，可以利用由悬置区域2以及由第一弹簧8和第二弹簧9所形成机械系统的所谓频率响应H(s)的特性。如已知的那样，作为在正弦状态中外部机械驱动力的频率的函数，频率响应H(s)指示了悬置区域2所经受的、相对于静止条件下所假设位置的对应的正弦振荡的幅度的值。此外，如图5中定性地所示，频率响应H(s)在等于前述机械谐振频率fmech的频率值处具有峰值。
不同于之前所述的实施例，其中已经假设操作使得前述对于偏移x的第三贡献的频谱线39和40落入频率响应H(s)的模数曲线的所谓平坦部分中，也即设置在明确地低于机械谐振频率fmech的频率下。在图5中假设操作更靠近频率响应H(s)的谐振峰值。在该情形中，存在从由对于谐振条件的接近性所给出的动态放大而得的益处。此外，在高通滤波器50的下游，已滤波信号sf指示以下量：
Figure BDA0001125642850000121
从更定量的角度而言，可以利用频率fm属于包括机械谐振频率fmech的频率范围并且使得H(ωm)的模数呈现至少等于例如|H(0)|+3dB的值。
不论频率fm和机械谐振频率fmech之间的相关布置如何，图6中所示类型的实施例都是可能的，其中为了简化说明未示出固定区域3。
详细地，图6展示了加速度计(在此标注为60)的实施例，其仅参照相对于图1中所示实施例不同之处而描述。此外，已经存在于图1中所示实施例中的元件由相同附图标记标注，除非其中另外规定。
更详细地，悬置区域(在此由62标注)同样包括在此由65a标注的主本体，但是并未包括控制元件。
除了次级腔体CS之外，主本体65a形成多个控制腔体，在此由CC’标注。纯粹借由示例的方式，控制腔体CC’彼此相同，具有平行六面体的形状，并且延伸穿过主本体65a的厚度。在俯视图中，每个控制腔体CC’因此具有矩形的形状。
更特别地，在图6中所示的实施例中展示了八个控制腔体CC’，划分为两组各四个，两组相对于平行于轴线X的虚构轴线而镜像设置。实际上，每组相对于次级腔体CS的集合而在相对侧边上延伸，其沿着平行于轴线X的轴线均匀地间隔开而设置。此外，在每个组中，控制腔体CC’也沿着平行于轴线X的相应轴线均匀地间隔开而设置，例如具有小于次级腔体CS间距的间距。然而，实施例(未示出)是可能的，其中由不同数目控制腔体CC’形成两组的每一个和/或仅存在一个组。此外，对于主本体65a能够形成单个控制腔体CC’，即便在该情形中加速度计60不再对称。
加速度计60进一步包括在此由68标注的多个调制电极，其彼此相同，并且由导电材料(例如掺杂半导体材料)制成，以及具有平行六面体的形状。在使用中，调制电极68设置为电压Vm，而悬置区域62设置为电压Vrotor。
考虑调制电极68的任何一个，其在对应的控制腔体CC’中延伸，并且如已经参照图1中所示实施例所述，固定至固定区域3的衬底。此外，每个调制电极68由第一侧壁70和第二侧壁72界定，其彼此相对并且平行于平面YZ，以及以一距离分别面向对应的控制腔体CC’的第一侧壁76和第二侧壁78，其也彼此相对并且平行于平面YZ。因此，调制电极68的第一侧壁70与对应的控制腔体CC’的第一侧壁76一起形成了对应的电容器80，其同样将称作“第一控制电容器”，因为其执行了与如图1中所示实施例的第一控制电容器30相同的功能。此外，调制电极68的第二侧壁72与对应的控制腔体CC’的第二侧壁78一起形成了对应的电容器82，其将同样称作“第二控制电容器”，因为其执行了与如图1中所示实施例的第二控制电容器32相同的功能。此外，在使用中，调制电极68的第一和第二侧壁70、72均处于电压Vm。对应的控制腔体CC’的第一和第二侧壁76、78均处于电压Vrotor。
并未损失任何普遍性，在静止条件下，调制电极68的第一侧壁70与对应的控制腔体CC’的第一侧壁76之间的距离、以及调制电极68的第二侧壁72与对应的控制腔体CC’的第二侧壁78之间的距离彼此相同，并且第一和第二控制电容器80、82具有彼此相同的电容值。此外，对于加速度计60，可以在对几何条件改变的在先适应之后，参照图1和图2中所示实施例而应用所述方程。
实际上，加速度计60设计了多个调制电极68，以及因此多个第一控制电容器80，其电耦合至对应的第二控制电容器82。此外，每个调制电极68由悬置区域62围绕。然而，加速度计60的操作类似于加速度计1的操作。
图7-图8示出了在此由90标注的速度计的另一实施例。根据该实施例，加速度计90被设计用于检测指向平行于轴线Z的外部加速度。为了更清晰，图8也示出了第一锚座94。
详细地，加速度计90包括在此由92标注的悬置区域，经由在此由94标注的第一锚座、以及经由在此由98和99标注的第一和第二弹簧而约束至固定区域3(图7中不可见)，弹簧是旋转可变形的类型，也即它们扭转而操作。
更详细地，悬置区域92包括在此由95a标注的主本体，但是不包括控制元件。
锚座94在悬置区域92中的开口100中延伸，其延伸穿过后者的厚度。第一和第二弹簧98、99与悬置区域92共平面并且延伸穿过开口100，平行于轴线Y，在第一锚座94与界定了开口100的主本体95a的一部分的两个相应相对点之间。以自身已知的方式，第一锚座94以及第一和第二弹簧98、99在此成形以便使能悬置区域92仅围绕平行于轴线Y的旋转轴线O而旋转。实际上，在旋转期间，悬置区域92的一部分离开薄片的平面。就此而论，旋转是由于悬置区域92相对于旋转轴线O非对称的事实。实际上，旋转轴线O相对于悬置区域92的质心(未示出)而偏心，也即旋转轴线O相对于质心以平行于轴线Y的非零壁部而偏移。
加速度计90进一步包括在此由102和104标注的第一固定极板和第二固定极板，其固定至固定区域3的衬底并且被设置为平行于平面XY。因为悬置区域92叠置了第一和第二固定极板102、104，其与后者分别形成了第一感测电容器和第二感测电容器，其电容取决于角度θ，该角度指示了悬置区域92相对于静止条件下假设位置的旋转程度，后者的位置平行于平面XY。并未损失任何普遍性，在静止条件下，第一和第二感测电容器可以近似具有同一的电容值。同样不损失任何普遍性，在俯视图中第一和第二固定极板102、104可以具有沿平行于轴线Y方向拉长、并且相对于第一锚座94镜像设置的矩形的形状。
加速度计90进一步包括电极的第一配对110以及电极的第二配对112，这些配对彼此相同并且相对于平行于轴线X的假想轴线镜像设置，并且在俯视图中穿过第一锚座94。然而，实施例是可能的，其中电极的第二配对112缺省。此外，因为电极的第一和第二配对110、112彼此相同，下文中将仅描述电极的第一配对110。
详细地，电极的第一配对110包括第一调制电极114和第二调制电极116，其并未损失任何普遍性地彼此相同并且由固定至固定区域3的衬底的、平行于平面XY的对应极板形成。在俯视图中，第一和第二调制电极114、116与旋转轴线O等距离。
悬置区域92设置在第一和第二调制电极114和116的顶部上并且与其有一距离，并且分别与后者形成了在此由130和132标注的第一和第二控制电容器。第一和第二控制电容器130、132的电容也取决于角度θ。并未损失任何普遍性，在静止条件下，第一和第二控制电容器130、132可以具有同一的电容值。
在使用中，第一和第二电极配对110、112被设置为电压Vm，而悬置区域92被设置为电压Vrotor。因此，在悬置区域92上施加了两个静电力Fel,1和Fel,2，其引起施加至悬置区域92两个对应耦合，其倾向于使得悬置区域92沿相对方向转动。
因此可以表明以下方程适用：
Figure BDA0001125642850000151
其中J是悬置区域92的转动惯性力矩；b是阻尼(由粘性摩擦引起)；以及k是由悬置区域92以及由第一和第二弹簧98、99形成的系统的弹性刚度；r是前述机械臂，也即由悬置区域92的质心以及由旋转轴线O限定的臂部；rel是静电臂，其等于从第一和第二调制电极114、116的任一个的中心的旋转轴线O的距离。
已经陈述了表明以下关系适用：
Figure BDA0001125642850000152
由此得出，加速度计90的操作等同于参照加速度计1已经所述的操作。
实际上，之前所述的实施例设计了存在至少两个控制电容器，每一个具有固定极板，相对于另一个控制电容器的固定极板并相对于固定区域而固定，以及具有移动极板，相对于另一个控制电容器的移动极板并且相对于悬置区域而固定，两个控制电容器的电容值以相反符号跟随悬置区域相对于固定区域的(平移或旋转)运动而变化。
图9示出了电子装置300的框图，其包括作为封装的装置200的加速度计，诸如如在此涉及的加速度计1、60、90之一。加速度计可以用于例如检测振动，用于确定电子装置300的朝向，或者用于识别自由落体条件。
电子装置300可以是移动通信设备，诸如电话或个人数字助理、便携式计算机、照片相机或视频相机装置、可穿戴装置诸如智能手表，或者任何其他电子装置。电子装置300包括处理单元310，其电耦合至已封装的装置200。处理单元310包括控制电路，例如由一个或多个处理器、分立式存储器和逻辑器件、包括图4中所示的输出级58而形成。处理单元310配置用于向封装装置200发送信号并且从其接收信号。电子装置300可以进一步包括输入/输出装置320，诸如耦合至处理单元310的小键盘或显示器。电子装置300可以此外包括电源330，其可以由电池或者由用于耦合至外部电源的部件形成。
所述加速度计使能以非常精确的方式检测外部加速度，由于消除了d.c.部件或者在任何情形中低频部件的可能性，其不利地影响测量的稳定性和精度。
此外，本发明的加速度计可以设置在与陀螺仪相同的腔体中，在其中设备设想了两种装置的情形中，使能减小所占用的空间。此外，本发明的加速度计无需设计用于保持机械部件振荡的任何驱动电路，结果降低了实施方式的复杂性。
最后，明显的是，可以对在此所述和所示的加速度计做出修改和改变，并未因此脱离如所附权利要求中限定的本公开的保护范围。
例如，悬置区域的形状可以不同于所述，如类似地，感测电容器的数目和排列以及因此形成了对应极板的导电元件的形状和排列。例如，如前所述，次级腔体的数目和形状可以不同于已经所述的。类似地，控制元件(如果存在的话)的形状和排列以及之前所述一个或多个调制电极的形状和排列可以不同。因此，一个或多个控制腔体(如果存在的话)的形状和排列可以不同于之前所述。
此外，即使之前所述的实施例大体上设想了至少两个控制电容器的存在，以及因此两个表面(极板)配对的存在，每个配对的表面彼此面对，实施例(未示出)在任何可能的情形中对应于之前所述的实施例，但是其中存在单个控制电容器时，分别由调制电极和由悬置区域形成其第一和第二极板。例如，参照对应于如图1和图2中所示实施例的实施例，其不同于后者，因为调制电极20的第二侧向部分24缺省。因此，我们发现Fel,tot＝Fel,1，结果修改了之前展示的方程。同样纯粹借由示例的方式，参照对应于图7和图8所示实施例的实施例，其不同于后者，因为电极112的第二配对以及第二调制电极116缺省。同样，即使在之前所述的实施例中描述了至少两个控制电容器具有二乘二等势的极板，实施例是可能的，其中并未遵守该条件，即使这可以导致之前所展示数学公示的复杂性增大。此外，即使之前所述的实施例设想了在至少两个控制电容器的四个极板之间，由加速度计的一个并且相同部件(例如控制元件5b)形成这四个极板的至少两个，实施例是可能的(未示出)，其中每个极板由加速度计的对应部件形成。
关于电压Vm，其可以甚至不具有任何d.c.分量，在该情形中刚性的调制将发生在两倍于频率fm的频率下。就此而论，不论是否可能存在d.c.分量，电压Vm的a.c.分量可以不同于正弦，假设其仍然是周期性的。例如，电压Vm可以由方波形成，在该情形中实施了所谓的斩波技术。通常，处理电路44和/或输出级58可以作为电压Vm的时距图的函数而改变。
如上所述的各个实施例可以组合以提供其他实施例。可以根据以上详述的说明书对实施例做出这些和其他改变。通常，在以下权利要求中，所使用的术语不应构造为将权利要求限定于说明书和权利要求书中所公开的具体实施例，而是应该构造用于包括所有可能实施例以及这些权利要求请求保护的等价形式的全部范围。因此，权利要求不由本公开所限定。

Claims (20)

1.一种加速度度量传感器，包括：
承载结构；
半导体材料的悬置区域，相对于所述承载结构可移动，所述悬置区域包括由所述悬置区域的一个或多个腔体侧壁界定的腔体；
第一调制电极，固定至所述承载结构并且被配置用于采用包括具有第一频率的至少一个周期性分量的电调制信号来偏置；
控制元件，设置在所述悬置区域上，并且采用所述第一调制电极来形成第一可变电容器；
第一导电板，固定到所述承载结构，并且延伸进入所述腔体；以及
感测组件，包括所述第一导电板和所述一个或多个腔体侧壁的至少一个腔体侧壁，并且所述感测组件被配置为响应于所述加速度度量传感器经受加速度而产生包括频率调制分量的电感测信号，所述频率调制分量是所述加速度和所述第一频率的函数。
2.根据权利要求1所述的加速度度量传感器，进一步包括：
第二可变电容器，在所述悬置区域与所述第一调制电极之间，或者在所述悬置区域与第二调制电极之间，所述第二可变电容器固定至所述承载结构、并且被配置为采用所述电调制信号而被偏置；
以及其中所述悬置区域被配置为经受基于所述电调制信号的静电力，并且其中所述第一可变电容器和所述第二可变电容器被配置为根据具有相反符号的所述悬置区域的运动而改变。
3.根据权利要求2所述的加速度度量传感器，其中，所述第一调制电极具有彼此平行的第一固定表面和第二固定表面；以及
其中所述悬置区域包括主本体和所述控制元件，所述控制元件包括朝向所述主本体的外侧突出以在所述第一固定表面和所述第二固定表面之间延伸的狭长元件，所述狭长元件具有第一移动表面和第二移动表面，所述第一移动表面和所述第二移动表面分别面向所述第一固定表面和所述第二固定表面。
4.根据权利要求2所述的加速度度量传感器，其中，所述加速度度量传感器是平面外加速度传感器、并且包括所述第二调制电极；以及其中所述悬置区域被设置为叠置所述第一调制电极和所述第二调制电极、并且通过被配置为使得所述悬置区域围绕旋转轴线而旋转的弹性悬置元件而锚定至所述承载结构，所述旋转轴线平行于所述悬置区域的主延伸表面。
5.根据权利要求2所述的加速度度量传感器，其中，所述加速度度量传感器是平面内加速度传感器，其中所述悬置区域通过被配置为使得所述悬置区域相对于所述承载结构沿着平移轴线平移的弹性悬置元件而锚定至所述承载结构。
6.根据权利要求5所述的加速度度量传感器，进一步包括发生器，被配置用于产生所述电调制信号以偏置所述第一调制电极。
7.根据权利要求6所述的加速度度量传感器，其中，所述悬置区域和所述弹性悬置元件是频率响应在第二频率处具有峰值的机械系统；以及其中所述第一频率在所述频率响应的模数至少等于所述频率响应的模数在0处增加近似3dB的值的频率范围中。
8.根据权利要求7所述的加速度度量传感器，进一步包括处理电路，所述处理电路包括所述发生器；
转换接口，耦合至所述感测组件，并且被配置用于基于所述电感测信号而在输出端产生电信号，所述电信号包括d.c.分量和许多相应分量，所述相应分量之一取决于所述频率调制分量；
滤波器，耦合至所述转换接口的所述输出端，并且被配置为对所述电信号的所述d.c.分量进行滤波，所述滤波器包括输出端；以及
解调器，耦合至所述滤波器的输出端，并且被配置用于产生指示所述加速度、并且具有比所述频率调制分量的频率更低的频率。
9.根据权利要求8所述的加速度度量传感器，其中，所述悬置区域和所述承载结构在半导体材料的第一裸片中，并且其中所述处理电路在半导体材料的第二裸片中。
10.根据权利要求8所述的加速度度量传感器，其中，所述悬置区域、所述承载结构以及所述处理电路在半导体材料的第一裸片中。
11.根据权利要求8所述的加速度度量传感器，其中，所述感测组件是电容类型感测组件，并且其中所述电感测信号是电容-变化信号。
12.根据权利要求1所述的加速度度量传感器，其中所述一个或多个腔体侧壁限定所述腔体，并且其中所述第一导电板从所述承载结构延伸进入所述腔体、并且采用所述至少一个侧壁来形成电容元件。
13.根据权利要求1所述的加速度度量传感器，进一步包括：
第二导电板，固定至所述承载结构、并且平行于所述第一导电板延伸进入所述腔体。
14.根据权利要求1所述的加速度度量传感器，其中所述感测组件基于所述电调制信号生成所述电感测信号，所述加速度度量传感器进一步包括：
处理电路，电耦合至所述感测组件，所述电路被配置为基于所述频率调制分量、并且通过对所述电感测信号的一个或多个分量进行滤波而生成输出信号。
15.一种装置，包括：
基底；
第一锚和第二锚，从所述基底向上延伸；
第一弹性元件，耦接至所述第一锚；
第二弹性元件，耦接至所述第二锚；
基板，耦接至所述第一弹性元件和所述第二弹性元件，并悬置在所述第一锚和所述第二锚之间的所述基底之上，所述基板包括控制元件，并且具有形成在所述基板中、并由一个或多个腔体侧壁界定的腔体；
电极，设置在支撑件上并与所述控制元件对准；
一组导电板，固定至所述基底、并向上延伸进入所述腔体；以及
感测组件，包括所述一组导电板中的第一导电板和所述一个或多个腔体侧壁中的至少一个腔体侧壁，所述感测组件包括耦合至所述一组导电板、并被配置为生成作为所述装置的加速度的函数的信号的处理电路。
16.根据权利要求15所述的装置，进一步包括：
电压发生器，电耦合到所述电极、并被配置为将调制信号提供至所述电极。
17.一种用于检测加速度的方法，包括：
采用具有第一频率的电调制信号来偏置第一调制电极，所述第一调制电极相对于承载结构被固定，并且所述第一频率在如下频率范围中，其中在第二频率处具有峰值的频率响应的模数至少等于所述频率响应的所述模数在零频率处增加近似3分贝的值；
将所述第一调制电极电容性地耦合至悬置区域，以便产生施加至所述悬置区域的第一静电力，所述第一静电力是基于所述电调制信号的，并且所述悬置区域通过弹性悬置元件耦合到所述承载结构，所述频率响应对应于由所述悬置区域和所述弹性悬置元件形成的机械系统的频率响应；以及
基于从从所述承载结构延伸进入所述悬置区域的腔体、并采用所述腔体的侧壁来形成感测电容器的导电板接收的信号，产生电感测信号，所述悬置区域相对于所述承载结构可移动，并且所述电感测信号包括取决于加速度以及取决于所述电调制信号的第一频率的频率调制分量。
18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括：
基于所述电感测信号，产生待滤波的电信号，所述待滤波的电信号包括多个相应的分量，所述相应分量之一取决于所述频率调制分量；以及
对所述待滤波的电信号的d.c.分量进行滤波以由此产生待解调的电信号。
19.根据权利要求18所述的方法，进一步包括，从待解调电信号开始，产生指示所述加速度并且处于比所述频率调制分量的频率低的频率处的已解调的输出信号。
20.根据权利要求17所述的方法，其中所述加速度具有沿平移轴的方向，并导致所述悬置区域沿所述平移轴的运动。
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