CN107271721B - 高准确度且对温度和老化具有低灵敏度的mems加速度传感器 - Google Patents

高准确度且对温度和老化具有低灵敏度的mems加速度传感器 Download PDF

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Abstract

公开了高准确度且对温度和老化具有低灵敏度的MEMS加速度传感器。一种加速度传感器，具有：悬置区域(21)，该悬置区域相对于支撑结构(24)可移动；以及感测组件(37)，该感测组件耦合至该悬置区域并且被配置成用于检测该悬置区域相对于该支撑结构的移动。该悬置区域(21)具有在与各自的质心相关联的彼此不同的至少两个构型之间可变的几何形状。该悬置区域(21)由可旋转地锚定至该支撑结构(24)的第一区域(22)以及通过弹性连接元件(25)耦合至该第一区域(22)的第二区域(23)形成，该弹性连接元件被配置成用于允许该第二区域(23)相对于该第一区域(22)相对移动。驱动组件(40)耦合至该第二区域(23)，以便控制该第二区域相对于该第一区域的相对移动。

Description

高准确度且对温度和老化具有低灵敏度的MEMS加速度传感器
技术领域
本发明涉及一种MEMS技术中具有高准确度并且对温度和老化具有低灵敏度的加速度传感器。
背景技术
如已知的，加速度传感器或加速度计是将加速度转换成电信号的惯性传感器。MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)技术中的加速度传感器基本上由移动结构和检测系统形成，耦合至移动结构并生成供应至处理接口的相应电信号(例如，电容变化)。
图1是例如用于检测平面内加速度的已知MEMS加速度传感器的结构的示意图。在此，整体上由1来标示的传感器是单轴传感器并且具有检测由箭头a外部指示的加速度的功能，该箭头平行于笛卡尔轴(在此，笛卡尔坐标系XYZ的轴X)。
传感器1包括悬置区域2，该悬置区域通常由单晶硅或多晶硅组成，经由锚定件13和弹性悬置元件(也被称为“弹簧14”)偏心地锚定至固定区域3(仅包围图1中可见的悬置质量块2的部分)。在所展示的示例中，悬置区域2在顶视平面图(在平面XY中)中具有矩形形状，其侧面平行于轴X和Y，并且厚度在方向Z上，垂直于绘图平面，小于其在方向X和Y上的尺寸。
锚定件13基本上由柱形成，在绘图平面的垂直方向(平行于轴Z)上从衬底(不可见)开始延伸，该衬底形成固定区域3的一部分并且在悬置区域下方延伸。锚定件13限定了悬置区域2的旋转轴O。在此，旋转轴O相对于悬置质量块2的质量中心(质心)B是偏心的。确切地，旋转轴O相对于质心B沿轴Y偏移臂b。锚定件13在悬置区域2中的开口6中延伸。与悬置区域2共平面的弹簧14在锚定件13与开口6的两个相对点(沿轴Y)之间延伸穿过开口6(在此，平行于轴Y)。以本身已知的方式，弹簧14被成形成以便允许悬置区域2仅绕旋转轴O旋转。
移动电极7由悬置区域2形成或者相对应该悬置区域被固定并且面向固定电极8，进而固定至固定区域3或者由该固定区域形成。移动电极7和固定电极8的数量、位置和形状可能变化。在所展示的示例中，四个固定电极8被安排在悬置区域2的侧面上(平行于轴X)，并且面向对应四个移动电极7，以便形成四个电极对10a、10b、10c和10d。此外，在此，两两地将电极对10a-10d安排在由穿过旋转轴O的迹线R的由平行于平面XZ的平面限定的两个半平面中。所有固定电极8到旋转轴O的距离相等。
如下文中详细讨论的，每个电极对10a-10d限定了电容元件，其电容C取决于面向彼此的对应固定电极8与移动电极7之间的距离，并且因此取决于悬置区域2的位置。
由于旋转轴O相对于质心B的偏心率，在存在沿轴X指向或具有沿该轴指向的分量的外部加速度a外部的情况下，如在图中通过箭头D所指示的，移动质量块2绕旋转轴O转动，引起移动电极7相对移动远离沿直径相对安排的两个电极对(在图中，对10b、10d)的相应固定电极8，以及移动电极7相应地靠近另外两个对(在此，对10a、10c)的相应固定电极8。随后，电极对10b、10d经历电容减小，并且电极对10a、10c经历相应的电容增加。
可以在针对旋转主体的谐运动方程的基础上计算将悬置区域2的旋转角θ与在方向X上的外部加速度a外部(或者与在通用外部加速度的方向X上的分量)相联系的定律，忽略阻尼分量。
具体地，
kθ＝M外部＝F外部·b＝m·a外部·b
其中，M外部和F外部分别是外部加速度a外部施加到悬置区域2上的力矩和力，m是悬置区域2的质量，b是旋转轴O与质心B之间的臂或距离，并且k是弹簧14的弹性。
旋转角θ因此由下式给出：
Figure BDA0001255817490000031
此外，由ε0指示真空电容率、A指示每个电极对10a-10c的固定电极8与移动电极7之间的面对面积、g0指示每个移动电极7与对应固定电极8之间的静止距离，r指示每个固定电极8的中心与旋转轴O之间的距离，C1指示与移动远离彼此的电极7、8(在此，对10a、10c)相关联的电容，以及C2指示与彼此靠近的电极7、8(在此，对10b、10d)相关联的电容，并且通过将rsinθ近似为rθ，得出：
Figure BDA0001255817490000032
Figure BDA0001255817490000033
将电容C1与C2相减，获得由外部加速度a外部引起的电容变化ΔC：
ΔC＝C2-C1 (4)
通过组合等式(1)至(4)，有可能在小角度rθ<g0的情况下将外部加速度a外部导出为函数ΔC：
Figure BDA0001255817490000034
因此，通过适当地偏置移动电极7和固定电极8以及将它们电连接至下游处理电路(例如，ASIC-专用集成电路)，有可能在可能的放大和滤波之后获得与所寻求的加速度值a外部成正比的输出电压信号ΔV。
然而，使用这种技术，不可能将由外部加速度引起的影响与例如由如温度和湿度等环境条件的变化、或者由外部结构(例如，由封闭传感器的封装体)或材料的老化现象引起的结构修改(比如，弯曲)引起的应力而造成的寄生影响电子地区分开。以上现象可能引起低频或直流电容变化，无法将这些变化与有用信号电子地区分开。
实际上，在存在应力的情况下，等式(2)和等式(3)变成
Figure BDA0001255817490000035
Figure BDA0001255817490000036
其中，Δy1和Δy2是每个移动电极7与相应固定电极8之间由于寄生应力引起的位移而造成的沿轴y的距离变化。
随后，所测量的电容变化变成
ΔC′＝ΔC+ΔC应力 (4')
其中，ΔC应力是由寄生应力引起的电容变化。
为了防止由应力引起的误差，已经基于旨在减少寄生信号的引发或者旨在减小结构对应力的灵敏度(然而，并不想完全消除这些应力或消除它们的影响)的传感器的不同空间构型提出了解决方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种克服现有技术缺点的加速度设备。
根据本发明，如在所附权利要求书中所限定的，提供了一种加速度传感器和一种用于检测加速度信号的相应方法。
在实践中，提出了能够对由于外部加速度而引起的有用信号进行频率调制从而使得其具有除了零以外的频率并且由此可以将其与由于机械变形或更一般地由于寄生应力而引起的直流信号进行区分的解决方案。
为此，本加速度传感器具有悬置区域的可几何变化的构型以便允许对感测臂(旋转轴与悬置质量块的质心之间的距离)进行调节。通过将悬置区域划分成以下两个部分来获得加速度传感器的可变构型或调节构型：第一区域，该第一区域被支撑以便移动(例如，绕锚定件轴转动)；以及至少一个第二区域，该至少一个第二区域是可移动的(例如，可相对于第一区域平移)，以便调节悬置区域的质心。悬置质量块的可变几何结构允许以可以设置的频率获得离散时间或连续时间信号，以便允许消除由于应力而引起的信号。
附图说明
为了更好地理解本发明，现在仅通过非限制性示例的方式、参照附图描述本发明的优选实施例，在附图中：
-图1是用于检测平面内加速度的已知加速度计的示意图；
-图2是用于检测平面内加速度的本加速度计在第一操作位置的实施例的示意性顶视平面图；
-图3是图2的加速度计在第二操作位置的示意性顶视平面图；
-图4是图2的加速度计在不同操作位置的示意性顶视平面图；
-图5是可使用图2至图4的加速度计来获得的信号在频域中的表示；
-图6是在离散时间检测的情况下对本加速度计供应的信号的可能处理的流程图；
-图7示出了在连续时间检测的情况下对本加速度计供应的信号的可能处理的框图；
-图8示出了图7的框图的部件的等效电路；
-图9是用于检测平面外加速度的本加速度计在第一操作位置的不同实施例的顶视平面图；
-图10是图9的加速度计在第二操作位置的示意性顶视平面图；
-图11是沿图10的横截面XI-XI截取的横截面；
-图12是用于检测平面内加速度的本加速度计的不同实施例的顶视平面图；
-图13是用于检测平面外加速度的本加速度计的另一个实施例的顶视平面图；以及
-图14示出了包括本加速度计的电子装置的框图。
具体实施方式
图2是以MEMS技术制造的被设计成用于检测外部平面内加速度的加速度计20的实施例的结构的示意图。在所展示的示例中，加速度计20被配置成用于检测平行于属于笛卡尔参考系XYZ的轴X指向的加速度。
详细地，加速度计20形成在由导电材料(通常，单晶硅或多晶硅)组成的裸片中，包括支撑区域24(通常相对于裸片被固定并且因此在下文中还被定义为“固定区域”)，在图2中示意性地表示并且承载悬置区域21。
悬置区域21在此由三个部分形成：中心区域22和两个外侧区域23。中心区域22和外侧区域23被设置在相同的半导体材料层中，彼此形成整体，并且悬置在形成支撑区域24的一部分的衬底(未示出)之上。外侧区域23通过也悬置在衬底(未示出)之上的与中心区域22和外侧区域23形成一体的对应弹性连接区域25连接至中心区域22。悬置区域21在方向Z上具有垂直于绘图平面的均匀厚度；此外，悬置区域21的厚度比其在方向X和Y上的尺寸小得多。
中心区域22通过锚定件27和弹性悬置元件(也被称为“弹簧28”)锚定至衬底(未示出)。
锚定件27基本上由垂直于绘图平面(平行于轴Z)延伸的柱形成并且在中心区域22的开口29内终止。锚定件27通过弹簧28连接至悬置区域21并且限定了悬置区域21的旋转轴O1。
而且，弹簧28在锚定件27与开口29的两个相对点(沿轴Y)之间延伸穿过开口29(在此，平行于轴Y)。以本身已知的方式，如通过箭头D来指示的，弹簧28被成形成以便允许悬置区域21仅绕旋转轴O1旋转。
在图2中，中心区域22在顶视平面图中(在平面XY中)具有矩形形状，其一对第一侧面30平行于轴X并且一对第二侧面31平行于轴Y。
在图2的加速度计20中，中心区域22相对于穿过旋转轴O1的平面XZ、YZ具有对称结构，其在图2中的迹线由第一轴S1(静止的纵向对称轴)和第二轴S2(横向对称轴)表示。因此，中心区域22具有沿旋转轴O1安排的质心B1。
每个弹性连接区域25从中心区域22的对应第二侧面31延伸，从这些侧面的中间部分开始延伸，并且在静止状态下沿第一轴S1延伸。弹性连接区域25具有相同的形状；具体地，它们在方向X和Y上具有相同的尺寸。
因此，外侧区域23在中心区域22的与第二轴S2相反的两个第二侧面31上延伸。外侧区域23具有相同形状和大小。在此，外侧区域两者都具有矩形形状并且连接至弹性连接区域25，从而使得，在图2的静止位置中，与轴S1、S2对称地对它们进行安排。
因此，在静止状态下，整个悬置结构21的质心B1与中心区域的质心相同并且沿旋转轴O1。
中心区域22在第二侧面31上承载面向相应固定感测电极36的移动感测电极35。如在图1中的，如下文中更加详细地讨论的，移动感测电极35和固定感测电极36形成电容式感测元件37，这些电容式感测元件的电容变化用于测量外部加速度。
此外，外侧区域23各自耦合至被设计成用于控制外侧区域23平行于轴Y的位移的对应驱动组件40。在所展示的示例中，每个驱动组件40包括相对于对应外侧区域23被固定的移动驱动电极41以及相对于支撑区域24被固定的固定驱动电极42。移动驱动电极41和固定驱动电极42相对于彼此呈梳齿状并且平行于平面YZ延伸。然而，其他驱动模式是可能的。
此外，弹性连接区域25被配置成用于允许外侧区域23相对于中心区域22基本上平行于轴Y位移。
通过控制外侧区域23(通过对应驱动组件40)，有可能将悬置结构21从图2的静止位置(在该位置中，如所述的，整个悬置结构21相对于第一轴S1被对称地安排并且其质心B1在旋转轴O1上(零臂位置))变为在图3或在图4中可见的第一调节臂位置(在该位置中，外侧区域23不再处于相对于第一轴S1的对称位置，并且因此悬置结构21的质心B2相对于旋转轴O1偏移b)。
外侧区域23的位移允许将与电容式感测元件37相关联的且由于应力现象而引起的电容变化与由于外部加速度而引起的电容元件的电容变化进行区别。
具体地，根据感测模式，外侧区域23的位移在离散时间模式下进行控制，并且外部处理系统经由电容/电压转换器接口在两个不同位置读取电容式感测元件37生成的信号，例如，在静止位置(图2中所示出的)和在测量位置(例如，在图3的位置中)。
确切地，通过在悬置区域21的静止位置中读取电容式感测元件37生成的信号，由于质心轴与旋转轴重合，所以外部加速度a外部并不引起悬置区域21绕旋转轴O1的任何旋转，并且其可能的旋转仅由应力引起并且引起第一电容变化ΔCo1，该电容变化由下式给出：
ΔCo1＝ΔC应力 (5)
其中，ΔC应力是仅由应力引起的电容变化。
相反，在图2或图3的测量位置中，由于质心轴B2相对于旋转轴O1的偏心率，悬置区域21既由于外部加速度a外部又由于应力而转动。在这种情况下，与电容式感测元件37相关联的电容变化ΔCo2由以下等式给出：
ΔCo2＝ΔCa+ΔC应力 (6)
(第二电容变化)，其中，ΔCa是由于外部加速度a外部而引起的电容变化。
通过将等式(5)从等式(6)中减去，加速度计20下游的处理级由此能够仅隔离由于外部加速度a外部而引起的电容变化ΔCa，并且由此以已知方式获得外部加速度a外部的值。
如图6中所示出的，检测外部加速度a外部可以由此分两个步骤进行。在第一个步骤(步骤100)中，施加第一偏置电压(例如，0V)，以及(步骤102)，测量第一电容变化ΔCo1。在第二个步骤(步骤104)中，施加第二偏置电压，以及(步骤106)，测量第二电容变化ΔCo2。然后，步骤108，第一和第二电容变化从彼此中减去。
以此方式，不论加速度计20的上述几何结构变化如何，都可能消除应力的基本上恒定的影响。
此外，使用所描述的可调节结构，可能调节传感器的灵敏度。实际上，对加速度计20而言，等式(1)可以被改写为：
Figure BDA0001255817490000081
其中，θ外部是悬置区域21的由于外部加速度a外部而引起的旋转角，m＝m0+m1是中心区域的质量m0与外侧区域23的质量m1之和，xm是悬置区域的可调节臂，并且k是弹性连接区域25的弹性。
灵敏度由此与臂xm成正比，进而同质量m0与m1(该质量更大，外侧质量m1相对于中心质量m0更大)之比以及同外侧质量块23的位移相关。然后，为了增加灵敏度，例如针对如图1的已知解决方案中的相同总质量m，悬置区域21可以被设计成使得m0<<m1。
根据所描述的驱动方法的不同实施例，可以通过位移两个位置(两个位置都不是静止位置)之间的外侧区域23来检测外部加速度a外部。
例如，可以在由质心位移到两个位置(B2、B3)表征的两个步骤中检测与电容式感测元件37相关联的电容，如图3和图4中所示出的，这两个位置被安排在第一轴S1的相反侧。
实际上，在这种情况下，相对于第一调节臂位置中(例如，图3的位置中)的静止位置(没有驱动)读取与电容式感测元件37相关联的电容变化，产生值
ΔC′o1＝ΔCa+ΔC应力 (7)
并且相对于第二调节臂位置中(例如，图4的位置中)的静止位置读取与电容式感测元件37相关联的电容变化，产生值
ΔC′o2＝-ΔCa+ΔC应力 (8)
通过将等式(8)从等式(7)中减去，由此在这种情况下，还可能仅隔离由于外部加速度a外部而引起的电容变化ΔCa。
根据又不同的实施例，对悬置区域21的几何构型的调节可以在连续时间模式中例如通过经由频率为fm＝ωm/2π的正弦信号来控制驱动组件40而发生。以此方式，臂xm以及由此质心B的位置根据正弦特性以连续的方式被修改。
臂xm因此由以下等式给出：
xm＝Xcos(ωmt) (9)
将外部加速度写为
a外部＝a0 cos(ωint) (10)
(该外部加速度作为特殊情况包括直流外部加速度，其中，ωin＝0)，外部加速度a外部施加的力矩变成
kθ＝M外部＝m·a外部·xm＝m·Xcos(ωmt)·a0cos(ωint)＝
＝m·a0·X·[cos((ωm+ωin)t)+cos((ωm-ωin)t)] (11)
外部加速度a外部施加的力矩由此等于针对恒定臂X以非零频率调制的等效外部加速度a’外部施加的力矩。等效外部加速度a’外部在频域中的变化在图5中示出，并且在频率(ωm+ωin)和(ωm-ωin.)处具有谐波分量(由箭头46指示)。通过适当选择供应到驱动组件40的驱动电压的调制频率fm＝ωm/2π(例如，等于悬置质量块21的共振频率)，等效外部加速度信号的分量可以具有与信号的由于应力而引起的零频率(在图5中由箭头45表示)非常不同的频率，该零频率可能由此被采样滤波器消除。对外部加速度的调制实际上还可以产生低频分量(未示出)，这些低频分量不可与应力信号区分开；然而，由于外部加速度的期望信息可以从高频分量中获得，因此它们的消除并不产生问题。
可以例如通过如图7所示出的被安排在加速度计20下游的处理电路48来执行对等效加速度信号的解调。
在图7中，加速度计20由框示意性地表示，该加速度计接收外部加速度a外部和来自调制信号Vm的由驱动电路85生成并供应到驱动组件40(图2)用于如以上所解释的调节悬置质量块21的几何图形的偏置电压Vb。如所提及的，驱动电压Vm(与调制信号Vm是同样的)是具有频率fm＝ωm/2π的交流电压。
在图7的实施例中，处理电路48包括调制电压源86、电容/电压转换器框80、高通滤波器81、和混合器82。调制电压源86、电容/电压转换器80、高通滤波器81、和解调器82被设置在不同裸片中，例如，ASIC。
调制电压源86生成调制电压Vm，该调制电压还被供应到解调器82。
电容/电压转换器电路80是例如由连接至加速度计20(图2)的电容式感测元件37的电荷放大器形成的连接接口。
混合器82例如被实施为一对MOS晶体管(如图8中详细展示的)。
在图7的电路中，由电容式感测元件37生成的电容变化信号sΔC在由C/V转换器80转换成信号sac之后被高通滤波器81滤波并在混合器82中被解调。与外部加速度a外部单独相关的输出信号V0可以随后以已知方式处理。
图9至图11示出了被设计成用于检测垂直于图9和图10的绘图平面(由于这些绘图平面的厚度较小，因此它们可能接近悬置区域的平面)的外部加速度的加速度计50的实施例。在所展示的示例中，加速度计50被配置成用于检测平行于属于笛卡尔参考系XYZ的轴Z指向的加速度。
加速度计50具有整体上类似于图2至图4的加速度计20的结构，除了允许到悬置区域的移动类型以及由此感测电极的位置之外。与加速度计20一样的元件将由此由相同的参考号来标示，并且在本文中将不会进行任何进一步的描述。
详细地，在加速度计50中，中心区域22经由锚定件27和一对弹簧52被锚定至属于支撑区域24的衬底51(图11中可见)，该一对弹簧被配置成用于允许悬置质量块21绕由悬置质量块21限定的理想平面的轴旋转。在此，中心区域22可绕平行于轴X的旋转轴O2旋转，并且弹簧52是平行于轴X延伸的扭转弹簧。
此外，移动感测电极55被安排在中心区域22(具体地参见图11)的底表面56上，并且面向被安排在衬底51上的对应的固定感测电极57。并且在此，移动感测电极55和固定感测电极57形成电容式感测元件58(图11)。
并且在图9至图11的实施例中，悬置区域21具有可以调节的臂b，并且测量可以在离散时间模式(机电斩波)或连续时间模式(机电调制)中执行。
详细地，在离散时间测量模式中，外侧区域23由静止位置(图9中示出)与测量位置(图10中示出)之间的驱动组件40(图9)驱动，在静止位置中，悬置区域21具有相对于轴S1和S2两者的对称构型，并且臂b(质心B与旋转轴O2之间的距离)为0，并且在测量位置中，悬置区域21具有相对于第一轴S1的非对称构型，并且臂b由此为非零。
在静止位置中(图9和图11中的实线)，由于悬置区域21的对称性和零臂b的存在，因此外部加速度a外部不引起悬置区域21绕旋转轴O2的任何旋转。任何可能的旋转由此仅由于应力而引起，这些应力可以通过电容式感测元件58来检测。
相反，在测量位置中(例如由图10和图11中用虚线所展示)，由于质心轴B1相对于旋转轴O2的位移和非零臂b的存在，因此悬置区域21由于外部加速度a外部和应力(具体地参见图11)两者而转动。
如之前所描述的，对通过两步检测的在静止和测量位置处并且获得相应电容变化值的外部平面内加速度的检测而言，如以上详细讨论的，可能消除应力的影响。
并且在这种情况下，作为以上的替代方案，可以在两个平移位置中以离散时间检测电容变化值。
在连续时间测量模式中，外侧区域23由驱动组件40(图9)经由正弦驱动信号连续地驱动。如以上所描述的，通过使用处理电路48来对所获得的信号进行滤波并对其进行解调，可以获得外部加速度a外部的值。
图12示出了被设计成用于检测平面内外部加速度的加速度计60的实施例。在所展示的示例中，加速度计60被配置成用于检测平行于属于笛卡尔参考系XYZ的轴X的外部加速度a外部。
加速度计60包括在静止位置中相对于平行于轴X的第一轴S1和相对于平行于轴Y的第二轴S2两者对称的悬置区域61。
在加速度计60中，侧面区域由单个框架(由63标示)形成，该单个框架具有四边形形状并包围中心区域62。框架63由中心区域62通过弹性连接区域65承载，该弹性连接区域沿第二轴S2延伸。确切地，具有相对于第二轴S2对称的构型的每个弹性连接区域65具有一对U形部分66，该一对U形部分相对于彼此翻转并且面向彼此，以便一起形成矩形周界，该周界的两侧在中间位置经由直线部分67分别连接至中心区域62和框架63的内侧。以此方式，如在图2至图4和图9至图10的外侧区域23的情况下，弹性连接区域65允许框架63相对于中心区域62沿轴Y平移。
如在外侧结构63的情况下，驱动组件68在框架63的两个外部相反侧上耦合，以便控制框架63在静止位置与测量位置之间或在两个相反测量位置之间平移。
在此，固定感测电极90形成在中心区域62的周界内。由例如金属导电区域形成和由衬底中突出的部分(未展示)承载的固定感测电极90在形成于中心区域62中的开口64内延伸并面向中心区域62的相应壁91。固定感测电极90限定移动感测电极并由此使用壁91形成电容式感测电极69。以此方式，在每个开口64中，存在被设计成具有由于应力和外部加速度而引起的相反电容变化的两个电容式感测元件90。
图13示出了被设计成用于检测平面外外部加速度的加速度计70的实施例。在所展示的示例中，加速度计70被配置成用于检测平行于属于笛卡尔参考系XYZ的轴Z的外部加速度a外部。
加速度计70具有类似于图13并且由此包围中心区域72的框架73，并且后者被形成像旋转的H一样。加速度计70进一步包括弹性连接区域75以及被成形为像图12的对应元件65和68的驱动组件78。此外，电容式感测元件79同样被成形为像图9至图11的相应元件58。
图14示出了电子设备300的框图，该电子设备300包括加速度计(如加速度计20、60、70之一)，在此被称为封装设备200。加速度计可以例如用于检测振动、确定电子设备的取向或者识别自由落体条件。
电子设备300可以是如电话或个人数字助理等移动通信装置、便携式计算机、台式计算机、光或视频相机设备、如智能手表等可穿戴设备、或任何其他电子设备。电子设备300包括处理单元310和电耦合至处理单元310的封装设备200。处理单元310包括控制电路(包括例如一个或多个处理器)、离散存储器和逻辑(包括图7的处理电路48)。处理单元310被配置成用于向/从封装设备200发射和接收信号。电子设备可以进一步包括输入/输出设备320，例如，耦合至处理单元310的键盘或显示器。电子设备300可以进一步包括电源330，该电源可以是用于耦合至外部电源的电池或部件。
由于有可能消除不利地影响稳定性和测量精度的直流分量，所以所描述的加速度计允许以非常准确的方式检测加速度。
加速度计可以被安排在与陀螺仪相同的空腔中(当装置包括这两个设备时)，由此使得能够减小空间。
所描述的加速度计具有很高的刚度并且由此关于移动电极与结构的固定元件的静摩擦具有很高的稳健性。
最后，清楚的是，可以对本文中所描述和展示的设备和方法做出修改和变化，而不会由此脱离如在所附权利要求中限定的本发明的范围。例如，可以组合各个所描述的实施例，以便提供进一步解决方案。
此外，外侧区域23(以及框架63、73)可以随着相对于中心区域22、62、72的一般旋转平移(包括旋转)的移动而移动。

Claims (17)

1.一种集成MEMS加速度传感器，包括：
悬置区域(21)，所述悬置区域相对于支撑结构(24)可移动；以及
感测组件(37；58；69；79)，所述感测组件耦合至所述悬置区域，被配置成用于检测所述悬置区域相对于所述支撑结构的移动；
其中，所述悬置区域(21)具有可变的几何结构，所述几何结构可在与各自的质心相关联的彼此不同的至少两个构型之间变化，所述悬置区域(21)包括：可旋转地锚定至所述支撑结构(24)的第一区域(22；62；72)、以及通过弹性连接元件(25)耦合至所述第一区域(22)的第二区域(23；63；73)，所述弹性连接元件被配置成用于允许所述第二区域(23；63；73)相对于所述第一区域(22；62；72)相对移动；并且其中，所述传感器进一步包括驱动组件(40)，所述驱动组件耦合至所述第二区域(23；63)以便控制所述相对移动，所述驱动组件被配置为接收可变驱动电压以控制所述相对移动。
2.根据权利要求1所述的加速度传感器，其中，所述驱动组件(40)是电容型的，并且包括面对彼此且引起所述第二区域(23)相对于所述第一区域(22)旋转平移移动的驱动电极对(41，42)。
3.根据权利要求1或2所述的加速度传感器，进一步包括驱动电源(100，104)，所述驱动电源被配置成用于在第一感测步骤中向所述驱动组件(40)供应第一驱动电压并且在第二感测步骤中向所述驱动组件供应第二驱动电压；所述传感器进一步包括处理电路，所述处理电路包括：
转换接口(102，106)，所述转换接口耦合至所述感测组件(37；58；69；79)，并且被配置成用于在所述第一感测步骤中生成第一位置测量信号并且在所述第二感测步骤中生成第二位置测量信号；以及
减法器(108)，所述减法器接收所述第一和第二位置测量信号，并且生成加速度信号作为所述第一与第二位置测量信号之间的差。
4.根据权利要求1或2所述的加速度传感器，进一步包括驱动电源(86)，所述驱动电源被配置成用于向所述驱动组件(37；58；69；79)供应交流驱动电压；所述传感器进一步包括处理电路(48)，所述处理电路包括：
转换接口(80)，所述转换接口耦合至所述感测组件(37；58；69；79)，并且被配置成用于生成交流位置测量信号；
高通滤波器(81)，所述高通滤波器耦合至所述接口的输出端；以及
解调器(82)，所述解调器耦合至所述高通滤波器的输出端。
5.根据权利要求4所述的加速度传感器，其中，所述悬置区域(21)和所述支撑结构(24)形成在第一半导体材料裸片(20)中，并且所述处理电路(48)形成在第二半导体材料裸片中。
6.根据权利要求1或2所述的加速度传感器，其中，所述第一和第二区域(22，23)具有形成在相同单片层中的半导体材料。
7.根据权利要求1或2所述的加速度传感器，其中，所述感测组件(37；58；69；79)是电容型的，并且包括面对彼此的至少两个感测电极(35，36；55，57；91，90)。
8.根据权利要求1或2所述的加速度传感器，其中，所述第二区域包括包围所述第一区域(62；72)的框架(63；73)。
9.根据权利要求1或2所述的加速度传感器，形成平面内加速度传感器(20；60)，其中，所述悬置区域(21；61)通过弹性悬置元件(28)锚定至所述支撑结构(24)，所述弹性悬置元件被配置成用于允许所述悬置区域(21；61)绕垂直于所述悬置区域的旋转轴(O1)旋转。
10.根据权利要求1或2所述的加速度传感器，形成平面外加速度传感器(50；70)，其中，所述悬置区域(51；71)通过弹性悬置元件(52)锚定至所述支撑结构(24)，所述弹性悬置元件被配置成用于允许所述悬置区域绕平行于所述悬置区域的旋转轴(O2)旋转。
11.一种用于使用根据权利要求1至10中任一项所述的加速度传感器来检测外部加速度的方法，所述方法包括以下步骤：
驱动相对于支撑结构(24)可移动的悬置区域(21)，从而使得所述悬置区域在第一感测步骤中具有至少一个第一几何构型并且在第二感测步骤中具有第二几何构型，所述第一和第二几何构型彼此不同；
获得第一和第二位置测量信号，所述第一和第二位置测量信号在所述第一感测步骤中与所述悬置区域的第一位置相关，并且在所述第二感测步骤中与所述悬置区域的第二位置相关；以及
处理所述第一和第二位置测量信号，以便生成与所述悬置区域相对于所述支撑结构的寄生位移无关的加速度信号；其中，所述悬置区域(21；61)包括：可旋转地锚定至所述支撑结构(24)的第一区域(22；62；72)、以及通过弹性连接元件(25)耦合至所述第一区域(22；62；72)的第二区域(23；63；73)，所述弹性连接元件被配置成用于允许所述第二区域(23；63；73)相对于所述第一区域(22；62；72)相对移动；并且其中，驱动悬置区域包括向耦合至所述第二区域(23；63；73)的驱动组件(40)施加可变驱动电压。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，施加可变驱动电压包括在所述第一感测步骤中供应第一驱动电压以及在所述第二感测步骤中供应第二驱动电压，
所述方法进一步包括：
生成加速度信号作为所述第一与第二位置测量信号之间的差。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，施加可变驱动电压包括供应交流驱动电压，并且所述第一和第二位置测量信号是交流测量信号的采样，
所述方法进一步包括：
利用高通滤波器对所述交流测量信号进行滤波，以便生成没有直流分量的经滤波的信号；以及
解调所述经滤波的信号。
14.一种集成MEMS加速度传感器，包括：
支撑结构；
悬置区域，所述悬置区域相对于所述支撑结构可移动，其中所述悬置区域具有在第一配置和第二配置之间的几何变量，并且所述悬置区域包括耦合到所述支撑结构的第一区域、耦合到所述第一区域的第二区域以及弹性连接元件，所述弹性连接元件将所述第二区域耦合到所述第一区域并且被配置为允许所述第二区域相对于所述第一区域的相对移动；
感测组件，所述感测组件耦合到所述悬置区域并且被配置为检测所述悬置区域相对于所述支撑结构的移动；以及
驱动组件，所述驱动组件耦合到所述第二区域并且被配置为控制所述第二区域相对于所述第一区域的相对移动；并且
其中，所述传感器进一步包括驱动组件(40)，所述驱动组件耦合至所述第二区域(23；63)以便控制所述相对移动，所述驱动组件被配置为接收可变驱动电压以控制所述相对移动。
15.根据权利要求14所述的加速度传感器，其中，所述驱动组件是电容式驱动组件，并且包括彼此面对且引起所述第二区域相对于所述第一区域的旋转平移移动的驱动电极对。
16.根据权利要求14所述的加速度传感器，还包括：
驱动源，被配置为在第一感测步骤中向所述驱动组件供应第一驱动电压并且在第二感测步骤中向所述驱动组件供应第二驱动电压；以及
处理电路，包括：
转换接口，耦合到所述感测组件，并且被配置为在所述第一感测步骤中生成第一位置测量信号并且在所述第二感测步骤中生成第二位置测量信号；以及
减法器，被配置为接收所述第一位置测量和所述第二位置测量信号，并且生成作为所述第一位置测量信号与所述第二位置测量信号之间的差的加速度信号。
17.根据权利要求14所述的加速度传感器，还包括：
驱动源，被配置为向所述驱动组件提供交流驱动电压；以及
处理电路，包括：
转换接口，耦合到所述感测组件，并且被配置为生成交流位置测量信号；
高通滤波器，耦合到所述转换接口的输出；以及
解调器，耦合到所述高通滤波器的输出。
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