CN108254706B - 具有改进配置的mems三轴磁传感器 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种具有改进配置的MEMS三轴磁传感器。例如，一种MEMS三轴磁传感器设备(51)设置有感应结构(2)，该感应结构具有：衬底(6)；外部框架(4)，该外部框架内部地限定窗口(5)并且弹性地耦合至第一锚定件(7)，该第一锚定件借助于第一弹性元件(8)相对于该衬底固定；可移动结构(10)，该可移动结构被安排在悬置在该衬底上方的该窗口中、借助于第二弹性元件(12)弹性地耦合至该外部框架并且承载用于流过电流(I)的导电路径(P)；以及弹性安排(22，24)，该弹性安排操作性地耦合至该可移动结构。该可移动结构由于该第一弹性元件和该第二弹性元件以及弹性元件的该安排而执行：响应于源自第一磁场分量(Bx)的洛伦兹力的第一感应移动、响应于源自第二磁场分量(By)的洛伦兹力的第二感应移动、以及响应于源自第三磁场分量(Bz)的洛伦兹力的第三感应移动；该第一、第二和第三感应移动是不同的并且与彼此去耦。

Description

具有改进配置的MEMS三轴磁传感器
技术领域
本发明涉及一种具有改进配置的MEMS三轴磁传感器。
背景技术
众所周知，当前的微加工技术使得能够从半导体材料层开始制造MEMS(微机电系统)，这些半导体材料层已经沉积(例如，多晶硅层)或者生长(例如，外延层)在牺牲层上，这些牺牲层经由化学蚀刻而被移除。例如，利用这种技术制成的惯性传感器、加速度计和陀螺仪现今广泛地用在例如汽车领域、惯性导航、便携式设备领域或者医学领域中。
具体地，MEMS磁传感器(也定义为“磁力计”)是已知的，其利用洛伦兹力来获得磁场测量结果。
在这些传感器中，使电流循环通过相应感应结构的可移动部分，该可移动部分适当地悬置在衬底上方、通过弹性元件耦合至该衬底。在存在待检测磁场的情况下，由于洛伦兹力，生成了可移动部分的移动；可以例如利用电容技术检测到的此移动的延伸指示磁场值。
传感器的感应结构在此情况下不包括任何磁性材料并且可以通过普通的半导体微加工技术来制造。
具体地，在若干应用中，需要检测在多个感应方向上(例如，在与三个正交笛卡尔轴相对应的三个感应方向上)起作用的磁场。
例如在所谓的“传感器融合”应用中例如针对罗盘或导航设备的要求也是已知的，以便提供传感器设备，这些传感器设备以集成和组合的方式包括加速度计、陀螺仪和三轴磁力计(针对总共九个感应轴)以及相应的电子电路(所谓的ASIC——应用专用集成电路)，以用于检测和读取检测到的加速度信号、角速度信号和磁场信号。
从这个要求中显然地获得尽可能地减小尺寸和消耗的相应要求，因此需要减小上述传感器并且具体为MEMS三轴磁传感器的尺寸。
当前，大多数MEMS三轴磁传感器包括多个感应结构，通常是每个磁场感应轴一个感应结构。此解决方案具有以下优点：使得能够设计出具有针对性并且特定用于对应感应方向上的检测要求的各个感应结构(以及耦合的感应电极以及锚定和悬置结构)。然而，此解决方案不能使能减少面积占用并且通常需要高成本、功耗和制造复杂性。
用于提供MEMS三轴磁传感器的一些已知的解决方案例如在以下文献中加以描述：
J.Kyynarainen、J.Saarilahti、H.Kattelus、A.Karkkainen、T.Meinander、A.Oja、P.Pekko、H.Seppa,M.Suhonen、H.Kuisma、S.Ruotsalainen、M.Tilli，“3D微机械罗盘(A 3Dmicromechanical compass)”，传感器和执行器A物理学期刊(Sens.Actuators A,Phys.)，142，2，561-568，2008年4月；
G.Langfelder、G.Laghi、P.Minotti、A.Tocchio、A.Longoni，“洛伦兹力MEMS磁力计的非谐振低压操作(Off-Resonance Low-Pressure Operation of Lorentz Force MEMSMagnetometers)”，IEEE工业电子学汇刊(IEEE Transactions on IndustrialElectronics)，第61卷，第12期，2014年12月，7124-7130；
M.Li、S.Sonmezoglu、D.A.Horsley、“基于正交频率调制的扩展带宽洛伦兹力磁力计(Extended Bandwidth Lorentz Force Magnetometer Based on QuadratureFrequency Modulation)”，微机电系统期刊(Journal of MicroelectromechanicalSystems)，第24卷，第2期，第333-342页，2015年4月。
以本申请人的名义在美国专利申请2015/0035526A1中描述了另外已知的解决方案。
上文中已知的解决方案通常要求集成实现方式中较大的占用面积以及较高的电力消耗，并且不具有优化的电气性能(例如，关于对由操作传感器设备的环境的加速或振动所生成的干扰的敏感性、抵消和抑制)。
发明内容
本发明的目的是至少部分地解决之前所强调的问题，以便提供MEMS三轴磁传感器的优化配置(具体地，在面积占用、电能消耗和感应性能方面)。
根据本发明，因此提供了一种如在所附权利要求书中限定的MEMS三轴磁传感器。
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来描述本发明的优选实施例，在附图中：
-图1A是根据本解决方案的MEMS三轴磁传感器的感应结构的示意性顶视平面图；
-图1B和图1C示出了图1A的感应结构的放大部分；
-图2A是在图1A的感应结构中所限定的电流导电路径的示意性顶视平面图；
-图2B和图2C示出了图2A的导电路径的放大细节；
-图3是图2A的导电路径的放大部分的透视图；
-图4A至图4C示意性地示出了图1的感应结构响应于检测到的磁场的对应轴向分量的感应移动；
-图5是图1的感应结构中的感应电极的安排的示意性顶视平面图；
-图6示出了根据本解决方案的一个方面的结合MEMS三轴磁传感器的电子装置的总体框图；以及
-图7A和图7B是MEMS三轴磁传感器的感应结构中的导电路径的可能变体实施例的示意性表示。
具体实施方式
初始地参照图1A，根据本解决方案的一个实施例，MEMS三轴磁传感器1包括单个单片感应结构2(即，其本身能够检测沿一组三个正交轴的感应轴x、y、z的磁场的单片感应结构)。在示例中，感应结构2在水平平面xy中具有矩形构造，该水平平面由第一水平轴x和第二水平轴y限定并且构成感应结构2的主延伸平面(该平面沿竖直轴z具有基本上可忽略不计的或在任何情况下都小得多的延伸部，该延伸部利用水平轴x、y限定了上述一组三个正交轴)。
感应结构2通常由硅(例如，多晶硅)制成并且例如通过以下连续步骤制成：在衬底之上形成牺牲层；在牺牲层之上形成传感器层；限定传感器层以形成可移动质量块以及弹性和锚定元件；以及移除牺牲层，以从衬底中释放传感器层及其在同一衬底上方的悬置安排。
感应结构2具有平行于第一水平轴x的第一中轴(或对称轴)A和平行于第二水平轴y的第二中轴(或对称轴)A’。第一对称轴A和第二对称轴A’在感应结构2在水平平面xy中的几何中心O处相交。
感应结构2包括采用半导体材料(例如，多晶硅)的外部去耦框架4，该外部去耦框架具体地具有将旋转(或扭转)模式去耦的功能(如在下文中详细描述的那样)、在水平平面xy中具有矩形框架构造并且在其中限定主窗口5(在上述水平平面xy中具有矩形构造)。
外部去耦框架4悬置在衬底6上方并且在第二对称轴A’处耦合至相对于同一衬底6固定的第一和第二外部锚定件对7。外部锚定件7例如由对应柱构成，这些柱沿竖直轴z从上述衬底6开始竖直地延伸，并且被成对地安排在第二对称轴A’的相反侧、沿第一对称轴A对准。
具体地，外部去耦框架4通过扭转型第一弹性元件8耦合至上述外部锚定件7，这些第一弹性元件被设计成用于如在下文中所描述的那样使得同一外部去耦框架能够绕第二对称轴A’旋转。
感应结构2进一步包括可移动结构10，该可移动结构容纳在窗口5内、也由半导体材料(在示例中为多晶硅)制成并且由多个嵌套框架构成，该多个嵌套框架共享上述几何中心O并且其中每个嵌套框架在水平平面xy中具有基本上矩形的构造。
可移动结构10通过扭转型第二弹性元件12弹性地耦合至外部去耦框架4，这些第二弹性元件被安排在第一对称轴A处。弹性元件12将可移动结构10的嵌套框架的最外侧框架耦合至上述外部去耦框架4并且被设计成用于如在下文中所描述的那样使得可移动结构10能够绕第一对称轴A旋转。
具体地，可移动结构10的嵌套框架的平行于第二水平轴y的短侧通过具有S形构造沿第一对称轴A安排的第一耦合元件13成对地耦合在一起。同样地，可移动结构10的嵌套框架的平行于第一水平轴x的长侧通过也具有S形构造并且沿第二对称轴A’安排的第二耦合元件14成对地耦合在一起。
可移动结构10在第一对称轴A处进一步弹性地耦合至第一对和第二对内部锚定件17，这些内部锚定件通过扭转型第三弹性元件18相对于衬底6固定。
根据本解决方案的特定方面，在可移动结构10上限定螺旋形电气路径P以用于流过电流I。
在图2A中突出显示的此电气路径P由导电层19物理地进行限定，该导电层例如由金属材料(比如铝)制成、选择性地沉积在可移动结构10上。
如在图3的放大细节中所示出的，在导电层19与可移动结构10的材料之间，绝缘层19’可以方便地被安排成由例如碳化硅(或其他适合的电介质材料)制成。
详细地，上述电气路径P在第一对外部锚定件7处在外部去耦框架4上开始，并且在可移动结构10上成螺旋行进，从最外侧框架开始直到其到达最内侧框架，在第一对内部锚定件17处结束。
具体地并且如同样在图2B和图2C中突出显示的，电气路径P正好通过第一耦合元件13的仅一个半件(在示例中示出为相对于第二对称轴A’在右边的半件)从移动结构10的嵌套框架的外部框架传递至内部框架。
应注意的是，其中并未沉积有导电层19的第一和第二耦合元件13、14的特定S形构造防止了通过可移动结构10的电流的泄漏(尤其是在不存在上述绝缘层19’的情况下)，以限定嵌套框架的面对侧之间的高电阻部分。换句话说，电流I沿电气路径P保持“被限制”，这构成了在别处遭遇高阻抗的低电阻路径。
应进一步注意的是，根据本解决方案(如将在下文中在另一方面详细描述的)，单个可移动结构10由于洛伦兹力而被设计成用于在全部三个三轴检测感应方向上执行对应的感应移动，这些移动是不同的并且适当地与彼此去耦。
感应结构2进一步包括：电极框架20，该电极框架具有网格构造、相对于可移动结构10的最内侧框架内部地安排；第一弹性结构22(在图1B的放大图中更详细地示出)；以及第二弹性结构24(在图1C的放大图中更详细地示出)。
电极框架20包括相对于第一对称轴A被安排在相反侧的第一半框20a和第二半框20b，每个半框限定具有矩形构造的多个开口25。以未在此展示的方式(并且该方式将在下文中加以描述)，对应的定子电极对被安排在每个开口25内，与电极框架20的面对侧形成具有平面和平行面的差分电容器对(电极框架20因此限定作为整体的平行板电容器的可移动电极，再次如将在下文中详细讨论的那样)。
另外的弹性去耦元件21被安排在内部锚定件17与电极框架20之间(以便防止兴趣频率范围中的寄生模式)。
作为整体，外部去耦框架4、可移动结构10和电极框架20形成感应结构2的所谓“转子”。
电极框架20的每个半框20a、20b在第一对称轴A处连接至第一弹性结构22。
具体地，第一弹性结构22包括第一弹性耦合元件28，该第一弹性耦合元件属于所谓的音叉型、由通过第二弹性耦合元件29在中心耦合的两个半件形成。
第一弹性耦合元件28的每个半件具有分叉(或音叉)构造并且包括对应的第一臂28a和对应的第二臂28b，该第一臂和该第二臂相对于第一对称轴A对称并且具有沿第一水平轴x的线性延伸，其中，第一端分别耦合至电极框架20的第一半框20a或第二半框20b，并且第二端接合在一起。第一弹性耦合元件28的两个半件的臂28a、28b的上述第二端在感应结构2的几何中心O处通过第二弹性耦合元件29弹性地耦合在一起。
此外，第一弹性耦合元件28的两个半件的臂28a、28b的第二端通过对应的第三弹性耦合元件30弹性地耦合至内部锚定件17，该第三弹性耦合元件在相同的臂28a与28b之间沿第一对称轴A线性地延伸。
感应结构2的第二弹性结构24在第二对称轴A’处居中地安排，并且具有在感应移动(或模式)的至少一个感应移动(或模式)期间将电极框架20与可移动结构10弹性地去耦的功能。
对于电极框架20的每个半框，第二弹性结构24相对于第一对称轴A对称地包括第一弹性去耦元件34和第二弹性去耦元件35。
第一弹性去耦元件34包括沿第二对称轴A’具有线性延伸的第一部分和第二部分。具体地，第一部分从可移动结构10的最内侧框架延伸直至第二弹性元件35的面对侧(后者具有矩形框架构造)，并且第二部分从上述第二弹性元件35的相反侧(沿第二对称轴A’)延伸直至电极框架20。
现在对感应结构2的操作进行描述，该操作用于检测：被定向成平行于第一水平轴x的第一磁场分量Bx(参见图4A)；被定向成平行于第二水平轴y的第二磁场分量By(参见图4B)；以及被定向成平行于竖直轴z的第三磁场分量Bz(参见图4C)。
沿导电路径P流动的电流I确定了在存在各个磁场分量Bx、By、Bz的情况下由于洛伦兹力FL而造成的同一可移动结构10的不同移动。
感应结构2被适当地配置成使得沿三个感应轴的操作模式的谐振频率被适当地定位成接近供应电流I的频率。
详细地，在存在第一磁场分量Bx的情况下，如在图4A中示意性地展示的，沿竖直轴z定向(在感应结构2被第二对称轴A’分成的两个半件的相反方向上)生成洛伦兹力FL，导致可移动结构10的第一感应移动(相对于外部去耦框架4固定)为绕第二对称轴A’进行的旋转(应注意的是，为了更清晰的展示，此移动的范围在上述图4A中被有意夸大)。
主要确定此第一感应移动(或模式)和相应频率的弹性元件为扭转型第一弹性元件8并且部分地为具有S形构造的第二耦合元件14、这些耦合元件将可移动结构10的嵌套框架的平行于第一水平轴x的长侧耦合在一起。
在存在第二磁场分量By的情况下，如在图4B中示意性地展示的，再次沿竖直轴z定向(此次是在感应结构2被第一对称轴A分成的两个半件的相反方向上)生成洛伦兹力FL，导致可移动结构10的第二感应移动(此次是以与外部去耦框架4去耦的方式)为绕第一对称轴A进行的旋转。在此移动期间，电极框架20保持基本上静止、平行于水平平面xy。
主要确定此第二感应移动和相应频率的弹性元件为扭转型第二弹性元件12和第三弹性元件18并且部分地为具有S形构造的第一耦合元件13以及还有第二弹性结构24(具体地，相应的弹性去耦元件34、35)，这些耦合元件将可移动结构10的嵌套框架的平行于第二水平轴y的短侧耦合在一起。
在第二感应移动期间，第二弹性结构24实际上将可移动结构10的移动与电极框架20弹性地去耦，该电极框架因此保持基本上静止、平行于水平平面xy。
更详细地，第一弹性去耦元件34基本上作为双杠杆进行操作，该双杠杆使得可移动结构10在沿第二水平轴y存在第二磁场分量By的情况下能够绕第一对称轴A旋转。
第二弹性去耦元件35操作使得上述第一弹性去耦元件34可以在存在第二磁场分量By的情况下起作用(在上述图4B中所展示的移动)，在维持基本上静止的电极框架20反而不能够旋转的情况下允许可移动结构10旋转。
在存在第三磁场分量Bz的情况下，如在图4C中示意性地展示的，此次沿第二水平轴y定向(在感应结构2被第一对称轴A分成的两个半件的相反方向上)生成洛伦兹力FL，导致可移动结构10的第三感应移动(再次以与外部去耦框架4去耦的方式)为通过沿第二水平轴y平移而造成的变形。在此情况下，电极框架20在上述第三感应移动中固定地耦合至可移动结构10，由此经历相同的平移。
主要确定此第三感应移动和相应频率的弹性元件为：第一弹性结构22的音叉型第一弹性耦合元件28的臂28a、28b，这些臂在相反的方向上经历了变形，在第二水平轴y的方向上打开/关闭了分叉(根据磁场方向)；以及还有可移动结构10的嵌套框架的长侧，这些长侧在沿第二水平轴y的同一方向上经历了朝向外部/内部的变形。
更详细地，第一弹性耦合元件28因此具有耦合电极框架20的两个半框(顶半框和底半框)20a、20b的作用，保证了两个半框20a、20b的单个反相谐振频率，这两个半框在感应结构2的第三感应移动期间沿第二水平轴y在相反方向上经历了变形。同一弹性耦合元件28沿远离反相模式的频率(其是期望的)的同一第二水平轴y移位了同相位移模式的频率(其是不期望的)。
第二弹性耦合元件29微弱地耦合第一弹性耦合元件28的两个半件，具体地以防止可能导致其内端沿竖直轴z上升的模式。然而，对于水平平面xy中的模式，同一第二弹性耦合元件29使这两个半件独立，基本上移至高频率(不期望的)寄生模式(具体为离开水平平面xy定向的模式)。
第三弹性耦合元件30以基本上类似的方式防止第一弹性耦合元件28的两个半件的内端沿竖直轴z轻易地移动，以防止同一第一弹性耦合元件28在低频率处的寄生模式。
如在图5中所展示的，感应结构2进一步包括多个固定(或定子)电极，以用于通过与可移动结构10或电极框架20的电容性耦合来检测上述感应移动的范围。
如在同一图5中示意性地示出的，定子电极包括：
一对第一定子电极40a、40b，该对第一定子电极相对于同一第二对称轴A’对称地安排在衬底6上、在可移动结构10下面、在第二对称轴A’的相反侧；
至少一对第二定子电极42a、42b，该至少一对第二定子电极相对于同一第一对称轴A对称地安排在衬底6上、在可移动结构10下面、在第一对称轴A的相反侧；以及
第一多个和第二多个第三定子电极44a、44b，这些第三定子电极被成对地安排在开口25的每个开口中，这些开口分别由电极框架20的第一半框20a和第二半框20b限定，第一多个和第二多个电极被电连接在一起。
具体地，第一定子电极40a、40b与可移动结构10形成第一对差分检测电容器，其电容根据待检测的第一磁场分量Bx是可变的；第二定子电极42a、42b与同一可移动结构10形成第二对差分检测电容器，其电容根据待检测的第二磁场分量By是可变的；并且第三定子电极44a、44b与电极框架20作为整体形成第三对差分检测电容器，其电容根据待检测的第三磁场分量Bz是可变的。
感应结构2的配置导致上述感应电容器对经历了与待检测磁场的对应分量相对应的模式的差分电容变化，而与磁场的其他方向相对应的模式基本上不存在电容差异(或因为对应电极之间并未发生任何移动，或因为移动导致了由于差分检测抵消的共模变化)。
沿每个感应轴进行的检测因此与沿其他感应轴进行的检测去耦并且还不受任何可能的寄生移动或其他类型的共模干扰的影响。
具体地，有利的是，由于沿三个感应轴的加速而造成的移动还基本上确定了差分对的零电容变化(再次，或因为其导致了非常小的移动(由于相应模式已经由所描述的弹性结构改变至高频率)，或因为其引起了电极的共模移动)。
如再次在图5中示意性地示出的，此外，针对每个感应轴，可以设想专门提供的调谐电极48，该调谐电极的目的是(经由静电效应)稍微修改模式的谐振频率，以便甚至在存在导致实际频率与设计值略有不同的较小工艺波动的情况下按照设计准确地获得期望值。同一调谐电极48还可以具有减小感应结构2的机械偏移的附加目的。
通过以上描述，MEMS三轴磁传感器的优点是清楚的。
在任何情况下，再次强调的是，所描述的解决方案使得能够大量减少占用的面积和电力消耗，具体地借助于使用用于沿一组笛卡尔轴的三个轴检测磁场的单个可移动单片结构10以及使用相关联的模式去耦结构。
感应结构2的配置为有利地使得沿三个感应轴的(期望的)感应模式的谐振频率接近感应电流I的频率，并且进一步地，同时，所有其他(不期望的)寄生模式被定位成远离期望的频率范围。
例如，可以获得在水平平面中的整体尺寸小于1000μm×500μm的结构，如与在洛伦兹力的基础上操作的已知传感器相比，该结构减少了甚至一个数量级的面积，以维持电气性能(例如，在敏感度和噪声方面)不变。
此外，所描述的解决方案允许在检测磁场分量Bx、By、Bz时获得敏感度的增加，因此改进了噪声方面的性能，并且还最小化了偏移。
使用被安排在导电层19(该导电层限定导电路径P)与可移动结构10之间的电气绝缘层19’进一步提供了特定优点，其中：防止了可移动结构10的硅中不期望的泄漏电流路径；使得能够以更高的直流电压对可移动结构10进行偏置；将可移动结构10的电压设置在适当值处，该适当值将偏移和通过感应电极的随之发生的寄生电流最小化；以及使得多个嵌套电流环路能够具有相同的几何结构。
具体地，可移动结构10使用高值直流偏置电压(由于相对于导电层19的电气绝缘)同时使得能够增加从电容变化开始检测到的量的值，并且将由不期望的交流电压诱发的偏移最小化。
基本上，上述特性使得MEMS三轴磁传感器1具体地指示电子装置50的集成(如在图6中示意性地示出的那样)，该电子装置可以用在多个电子系统中，例如，导航系统、汽车系统或便携式系统(比如：PDA(个人数字助理)；便携式计算机；移动电话；数字音频播放器；以及照相机或摄像机)。电子装置50通常能够处理、存储、传输和接收信号和信息。
具体地，电子装置50包括传感器设备51，该传感器设备包括：MEMS三轴磁传感器1；振荡器电路52，该振荡器电路操作性地耦合至MEMS三轴磁传感器1，以用于供应基准频率信号；针对每个感应轴的电容读取电路53a、53b、53c，这些电容读取电路被配置成用于接收指示对应感应电容器的电容变化的电量并且处理同一量(例如，经由放大操作和滤波操作)；以及模数转换器电路54，该模数转换器电路被配置成用于对电容读取电路53a-53c供应的模拟感应信号进行数字转换并且用于在输出端处供应相应的数字信号。感应结构2是单片的并且与电容读取电路53a-53c集成在采用半导体材料的裸片中。
电子装置50进一步包括电子控制单元55，该电子控制单元例如属于微处理器型、连接至传感器设备51并且被设计成用于例如在检测到的磁场的值的基础上监督电子装置50的以及因此模数转换器电路54所接收的数字信号的一般操作。
考虑到MEMS三轴磁传感器1的小尺寸和低功耗，有利的是，传感器设备51可以可能包括另外的传感器(例如，加速计传感器和/或三轴陀螺仪)，以便根据所谓的“传感器融合”模式获得用于检测加速度、角速度和磁场的完整的集成系统。
最后，清楚的是，可以对已在此描述和展示的内容做出修改和变化，而不会由此脱离如所附权利要求书中限定的本发明的范围。
例如，强调的是，感应结构2的特定构造和配置可以相对于已展示的内容而改变，例如，设想弹性结构的不同安排或使用不同的材料(例如，代替用于可移动结构10和电极框架20的多晶硅的单晶硅)。
此外，可以提供耦合至可移动结构10和/或至电极框架20的压电元件，以用于根据对磁场的检测来检测相对位移(作为经由电容变化进行的检测的替代或除其之外)。
导电路径P可以进一步由被安排在彼此顶部上的绝缘层19’和导电层19的堆叠来获得，以便进一步增强敏感度和分辨率特性。
作为进一步替代，如在图7B中示例性地展示的(结合图7A示出的，图7A再次以示意性的方式反而表示先前所描述的解决方案)，绝缘层19’上的导电路径P可以设想，在通过对应的第一耦合元件13传递到内部框架(以作为整体形成螺旋路径)之前，在可移动结构10的每个嵌套框架上的不同于彼此的许多嵌套环路(或转弯)，以进一步增强感应结构2的感应性能。

Claims (21)

1.一种MEMS三轴磁传感器设备(51)，所述MEMS三轴磁传感器设备设置有感应结构(2)，所述感应结构包括：
衬底(6)；
外部框架(4)，所述外部框架内部地限定窗口(5)并且弹性地耦合至第一锚定件(7)，所述第一锚定件借助于第一弹性元件(8)相对于所述衬底(6)固定；
可移动结构(10)，所述可移动结构被安排在悬置在所述衬底(6)上方的所述窗口(5)中、借助于第二弹性元件(12)弹性地耦合至所述外部框架(4)并且承载用于流过电流(I)的导电路径(P)；以及
弹性安排(22，24)，所述弹性安排在所述窗口(5)内、操作性地耦合至所述可移动结构(10)，
其中，所述可移动结构(10)由于所述第一弹性元件(8)和所述第二弹性元件(12)以及所述弹性安排(22，24)而被配置成用于执行：响应于源自第一磁场分量(Bx)的洛伦兹力(FL)的第一感应移动，所述第一磁场分量被定向成平行于限定第一感应轴的第一水平轴(x)；响应于源自第二磁场分量(By)的洛伦兹力(FL)的第二感应移动，所述第二磁场分量被定向成平行于限定第二感应轴的第二水平轴(y)；以及在所述导电路径(P)中存在所述电流(I)的情况下，响应于源自第三磁场分量(Bz)的洛伦兹力(FL)的第三感应移动，所述第三磁场分量被定向成平行于限定第三感应轴的竖直轴(z)；所述第一感应移动、所述第二感应移动和所述第三感应移动是不同的并且与彼此去耦、并且沿每个感应轴的检测与沿其他感应轴的检测去耦；其中，所述感应结构(2)具有平行于所述第一水平轴(x)的第一对称轴(A)和平行于所述第二水平轴(y)的第二对称轴(A’)，所述第一水平轴(x)和所述第二水平轴(y)限定水平平面(xy)；其中，所述第一感应移动是所述可移动结构(10)绕所述第二对称轴(A’)固定地相对于所述外部框架(4)进行的旋转移动，并且由所述第一弹性元件(8)限定；所述第二感应移动是所述可移动结构(10)绕所述第一对称轴(A)与所述外部框架(4)去耦地进行的旋转移动，并且由所述第二弹性元件(12)和所述弹性安排(22，24)限定；并且第三感应移动是在所述水平平面(xy)内、与绕所述第一对称轴(A)和所述第二对称轴(A’)的所述旋转移动去耦地进行的平移移动，并且由所述弹性安排(22，24)限定。
2.根据权利要求1所述的传感器设备，其中，所述第一弹性元件(8)和所述第二弹性元件(12)属于扭转型。
3.根据权利要求1或2所述的传感器设备，其中，所述可移动结构(10)由一组嵌套框架构成，并且所述感应结构(2)进一步包括相对于所述可移动结构(10)的最内侧框架内部地安排的电极框架(20)；所述电极框架(20)耦合至所述弹性安排的第一弹性结构(22)，并且通过所述弹性安排的第二弹性结构(24)进一步弹性地耦合至所述可移动结构(10)。
4.根据权利要求3所述的传感器设备，其中，所述可移动结构(10)通过第三弹性元件(18)弹性地耦合至第二锚定件(17)，所述第二锚定件相对于所述衬底(6)固定并且相对于所述可移动结构(10)的所述最内侧框架内部地安排；并且其中，所述第一弹性结构(22)耦合至所述第二锚定件(17)。
5.根据权利要求4所述的传感器设备，其中，所述电极框架(20)包括第一半框(20a)和第二半框(20b)；并且其中，所述第一弹性结构(22)包括音叉型弹性耦合元件(28)，所述音叉型弹性耦合元件被配置成用于弹性地耦合所述第一半框(20a)和所述第二半框(20b)以响应于源自所述第三磁场分量(Bz)的所述洛伦兹力(FL)生成相应的反相移动，所述电极框架(20)在所述第三感应移动期间固定地耦合至所述可移动结构(10)。
6.根据权利要求5所述的传感器设备，其中，所述弹性耦合元件(28)包括第一半件(28a)和第二半件(28b)；并且其中，所述第一弹性结构(22)进一步包括将所述弹性耦合元件(28)的所述第一半件(28a)和所述第二半件(28b)弹性地耦合在一起的弹性元件(29)、以及将所述弹性耦合元件(28)的所述第一半件(28a)和所述第二半件(28b)弹性地耦合至所述第二锚定件(17)的另外的弹性元件(30)。
7.根据权利要求3所述的传感器设备，其中，所述第二弹性结构(24)包括杠杆元件(34)和去耦元件(35)；所述杠杆元件具有第一部分和第二部分，所述第一部分和所述第二部分具有线性延伸；所述第一部分从所述可移动结构(10)的最内侧框架延伸直至所述去耦元件(35)的面对侧，并且所述第二部分从所述去耦元件(35)延伸直至所述电极框架(20)；其中，所述第二弹性结构(24)被配置成使得所述电极框架(20)在所述第二感应移动期间与所述可移动结构(10)去耦。
8.根据权利要求1或2所述的传感器设备，其中，所述导电路径(P)由安排在所述可移动结构(10)上的导电层(19)限定。
9.根据权利要求8所述的传感器设备，其中，所述可移动结构(10)由一组嵌套框架构成，所述一组嵌套框架通过在相应的第一面对侧处的第一耦合元件(13)以及通过在相应的第二面对侧处的第二耦合元件(14)成对地耦合在一起；其中，所述导电层(19)在所述可移动结构(10)上方延伸成螺旋，所述螺旋穿过所述第一耦合元件(13)的第一半件从最外侧框架传递到最内侧框架。
10.根据权利要求9所述的传感器设备，其中，所述感应结构(2)包括被安排在所述可移动结构(10)与所述导电层(19)之间的绝缘层(29’)。
11.根据权利要求10所述的传感器设备，其中，所述导电路径(P)包括两个或更多个不同的环路，所述两个或更多个不同的环路在所述可移动结构(10)的所述框架中的每个框架上嵌套在彼此之中。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的传感器设备，其中，所述第一耦合元件(13)和所述第二耦合元件(14)的第二半件在所述最外侧框架与所述最内侧框架之间限定高电阻路径，所述高电阻路径被设计成用于抵抗所述电流(I)的传递。
13.根据权利要求1或2所述的传感器设备，其中，所述可移动结构(10)由一组嵌套框架构成，并且所述感应结构(2)进一步包括相对于所述可移动结构(10)的最内侧框架内部地安排的电极框架(20)；所述感应结构进一步包括：第一感应电极对(40a-40b)和第二感应电极对(42a-42b)，所述第一感应电极和所述第二感应电极被安排在所述衬底(6)上并且在所述可移动结构(10)下面、电容性地耦合至所述可移动结构(10)以分别根据所述可移动结构(10)的所述第一感应移动和所述第二感应移动生成差分电容变化；以及第三感应电极对(44a-44b)，所述第三感应电极电容性地耦合至所述电极框架(20)以根据所述第三感应移动生成对应的差分电容变化。
14.根据权利要求1或2所述的传感器设备(51)，进一步包括电子电路(53a-53c)，所述电子电路操作性地耦合至所述感应结构(2)以生成用于检测所述第一、第二和第三磁场分量(Bx，By，Bz)的电感应信号；其中，所述感应结构(2)是单片的并且与所述电子电路(53a-53c)集成在采用半导体材料的裸片中。
15.一种电子装置(50)，包括根据权利要求14所述的传感器设备(51)，以及操作性地耦合至所述传感器设备(51)以用于接收所述电感应信号的控制单元(55)。
16.一种电子装置，包括:
包含感应结构的传感器设备，所述感应结构包括：
衬底；
第一锚定件，相对于所述衬底固定；
第一弹性元件；
外部框架，所述外部框架内部地限定窗口并且通过所述第一弹性元件弹性地耦合至所述第一锚定件；
第二弹性元件；
可移动结构，所述可移动结构被安排在悬置在所述衬底上方的所述窗口中，通过所述第二弹性元件弹性地耦合至所述外部框架，并且提供用于流过电流的导电路径；以及
弹性安排，所述弹性安排在所述窗口内、操作性地耦合至所述可移动结构，
其中，所述可移动结构由于所述第一弹性元件和所述第二弹性元件以及所述弹性安排而被配置成用于执行：
响应于源自第一磁场分量的洛伦兹力的第一感应移动，所述第一磁场分量被定向成平行于限定第一感应轴的第一水平轴(x)；
响应于源自第二磁场分量的洛伦兹力的第二感应移动，所述第二磁场分量被定向成平行于限定第二感应轴的第二水平轴(y)；以及
在所述导电路径中存在所述电流的情况下，响应于源自第三磁场分量的洛伦兹力的第三感应移动，所述第三磁场分量被定向成平行于限定第三感应轴的竖直轴(z)；所述第一感应移动、所述第二感应移动和所述第三感应移动是不同的并且与彼此去耦、并且沿每个感应轴的检测与沿其他感应轴的检测去耦；以及
控制单元，操作性地耦合至所述传感器设备，用于接收电感应信号；
其中所述感应结构具有平行于所述第一水平轴的第一对称轴和平行于所述第二水平轴的第二对称轴，所述第一水平轴和所述第二水平轴限定水平平面；其中，所述第一感应移动是所述可移动结构绕所述第二对称轴固定地相对于所述外部框架进行的旋转移动，并且由所述第一弹性元件限定；所述第二感应移动是所述可移动结构绕所述第一对称轴与所述外部框架去耦地进行的旋转移动，并且由所述第二弹性元件和所述弹性安排限定；并且第三感应移动是在所述水平平面内、与绕所述第一对称轴和所述第二对称轴的所述旋转移动去耦地进行的平移移动，并且由所述弹性安排限定。
17.根据权利要求16所述的电子装置，其中，所述感应结构具有平行于第一水平轴的第一对称轴和平行于第二水平轴的第二对称轴，所述第一水平轴和所述第二水平轴限定水平平面；其中，所述第一感应移动是所述可移动结构绕所述第二对称轴固定地相对于所述外部框架进行的旋转移动，并且由所述第一弹性元件限定；所述第二感应移动是所述可移动结构绕所述第一对称轴与所述外部框架去耦地进行的旋转移动，并且由所述第二弹性元件和所述弹性安排限定；并且第三感应移动是在所述水平平面内进行的平移移动并且由所述弹性安排限定。
18.根据权利要求16所述的电子装置，其中，所述可移动结构由一组嵌套框架构成，所述感应结构进一步包括相对于所述可移动结构的最内侧框架内部地安排的电极框架，并且所述弹性安排包括：
第一弹性结构，耦合至所述电极框架，以及
第二弹性结构，将所述可移动结构耦合至所述电极框架。
19.一种感应结构，包括:
衬底；
第一锚定件，相对于所述衬底固定；
第一弹性元件；
外部框架，所述外部框架内部地限定窗口并且通过所述第一弹性元件弹性地耦合至所述第一锚定件；
第二弹性元件；
可移动结构，所述可移动结构被安排在悬置在所述衬底上方的所述窗口中，通过所述第二弹性元件弹性地耦合至所述外部框架，并且提供用于流过电流的导电路径；以及
弹性安排，所述弹性安排在所述窗口内、操作性地耦合至所述可移动结构，
其中，所述可移动结构由于所述第一弹性元件和所述第二弹性元件以及所述弹性安排而被配置成用于执行：
响应于源自第一磁场分量的洛伦兹力的第一感应移动，所述第一磁场分量被定向成平行于限定第一感应轴的第一水平轴(x)；
响应于源自第二磁场分量的洛伦兹力的第二感应移动，所述第二磁场分量被定向成平行于限定第二感应轴的第二水平轴(y)；以及
在所述导电路径中存在所述电流的情况下，响应于源自第三磁场分量的洛伦兹力的第三感应移动，所述第三磁场分量被定向成平行于限定第三感应轴的竖直轴(z)；所述第一感应移动、所述第二感应移动和所述第三感应移动是不同的并且与彼此去耦、并且沿每个感应轴的检测与沿其他感应轴的检测去耦；
其中所述感应结构具有平行于所述第一水平轴的第一对称轴和平行于所述第二水平轴的第二对称轴，所述第一水平轴和所述第二水平轴限定水平平面；其中，所述第一感应移动是所述可移动结构绕所述第二对称轴固定地相对于所述外部框架进行的旋转移动，并且由所述第一弹性元件限定；所述第二感应移动是所述可移动结构绕所述第一对称轴与所述外部框架去耦地进行的旋转移动，并且由所述第二弹性元件和所述弹性安排限定；并且第三感应移动是在所述水平平面内、与绕所述第一对称轴和所述第二对称轴的所述旋转移动去耦地进行的平移移动，并且由所述弹性安排限定。
20.根据权利要求19所述的感应结构，其中：
所述导电路径由安排在所述可移动结构上的导电层进行限定；以及
所述可移动结构包括：
一组嵌套框架，
第一耦合元件，在相应的第一面对侧处将所述嵌套框架成对地耦合在一起，以及
第二耦合元件，在相应的第二面对侧处将所述嵌套框架成对地耦合在一起；其中所述导电层在所述可移动结构上方延伸成螺旋，所述螺旋穿过所述第一耦合元件的第一半件从所述嵌套框架的最外侧框架传递到所述嵌套框架的最内侧框架。
21.根据权利要求19所述的感应结构，其中，所述可移动结构由一组嵌套框架构成，并且所述感应结构进一步包括相对于所述可移动结构的最内侧框架内部地安排的电极框架；所述感应结构进一步包括：
第一感应电极对和第二感应电极对，所述第一感应电极对和所述第二感应电极对被安排在所述衬底上并且在所述可移动结构下面、电容性地耦合至所述可移动结构以分别根据所述可移动结构的所述第一感应移动和所述第二感应移动生成差分电容变化；以及
第三感应电极对，所述第三感应电极对电容性地耦合至所述电极框架以根据所述第三感应移动生成差分电容变化。
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