CN108450010B - 改进的微机电加速计装置 - Google Patents

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Abstract

本结构能够以紧凑的组件尺寸并且以最小的横轴灵敏度实现加速度的双向感测。旋转质量块(100)包括第一框架(102)和第二框架(102)。在一个感测方向上，该结构采用第一框架和第二框架的组合检测质量块，这提高了利用所述装置尺寸可实现的信噪比水平。在另一个感测方向上，具有至少两个感测元件的检测结构(140)用于检测第二框架的检测质量块的位移。由于检测结构(140)的特定内部构造，感测元件在一个方向上的信号贡献相互抵消。

Description

改进的微机电加速计装置
技术领域
本发明涉及微机电系统，并且特别涉及用于测量加速度的微机电结构和微机电加速计装置。
背景技术
微机电结构可以被应用于快速且准确地检测物理性质的变化。这种检测的示例是测量对象所经受的加速度。加速计也可以被用作测斜计来测量地球重力在测量方向上的分量。
加速度感测的原理简单且可靠：根据牛顿第二定律将运动体的惯性转换为力。加速计的基本元件是弹簧、检测质量块(proof mass)和周围的支承结构。弹簧将该质量块连接到该支承件。当传感器的速度变化时，检测质量块被强制经由弹簧耦接而跟随该变化。需要力来改变检测质量块的运动。由于该力的作用，弹簧发生偏转并且支承件与检测质量块之间的距离与加速度成比例地变化。
在电容式传感器中，支承件和检测质量块彼此绝缘，并且测量它们的电容或电荷存储容量。随着距离减小，电容增加；当距离增加时，出现相反的情况。传感器将主体的加速度转换为电流、电荷或电压。
弹簧的偏转通常被布置成定向的，使得弹簧以所选择的弹簧常数的刚度响应检测质量块沿一个方向即沿感测轴的位移，并且消除检测质量块在其他方向上的位移。根据应用的需要，可以针对特定的灵敏度、测量范围和频率响应设计加速计装置。加速计装置也可以适于在两个或更多个方向上进行感测，即使用具有不同感测轴的单独检测质量块的组合来进行多轴感测。为了尝试减小加速计装置的尺寸，也可以使用包括具有多于一个的自由度的一个或多个部分的更复杂的检测质量块结构，并且因此能够检测在多于一个的感测轴方向上的位移。
具有针对多于一个的自由度的检测质量块结构的多轴传感器通常包括嵌套在平面内并且使用定向弹簧结构彼此机械耦接的部件的组合。然而，弹簧结构往往允许到感测的运动的垂直加速度，并且因此增加这种加速度传感器装置的横轴误差。
惯性检测质量块的尺寸很重要，因为它们通常确定检测灵敏度的范围。不同类型的加速度传感器具有不同的要求，并且特定挑战是检测不同范围内的加速度。感测低加速度(低重力加速计)需要较大的检测质量块，而在更高的加速度(高重力加速计)中，可以使用较小的检测质量块实现可检测到的运动。对紧凑的结构中高重力加速计和低重力加速计的组合要求是非常苛刻的。
发明内容
本发明公开了一种新型紧凑型微机电结构，其能够以减小的横轴灵敏度检测两个平面内方向上的加速度。
本发明的实施方式包括如独立权利要求1中限定的微机电加速计结构和根据独立权利要求13所述的微机电加速计装置。
利用在从属权利要求和以下详细描述中公开的其他实施方式更详细地讨论本发明可实现的其他优点。
附图说明
在下面将参照附图结合优选实施方式更详细地描述本发明，在附图中：
图1示出了可应用于微机电系统(MEMS)加速计装置中的微机电结构的基本元件；
图2示出了来自图1中的平面结构层的局部部分；
图3A和图3B更详细地示出了对图1中的次级检测元件的内部结构的参考；
图4示出了图1中的MEMS加速计装置的检测元件的组合；
图5示出了具有不同种类的信号源位置的可替选配置；
图6示出了具有另外可替选的信号源位置的另一可替选配置；
图7示出了具有不同元件取向的另一可替选配置；
图8示出了用于水平方向上和竖直方向上的双差分检测的实施方式；
图9示出了用于水平方向上和竖直方向上的双差分检测的可替选实施方式；
图10示出了具有感测平面外方向上的位移的其他能力的实施方式；
图11示出了微机电加速计装置的元件。
具体实施方式
以下实施方式是示例性的。虽然说明书可以提及“一种”、“一个”或“一些”实施方式，但是这不一定意味着每个这样的提及是针对相同的实施方式，或该特征仅适用于单个实施方式。不同实施方式的单个特征可以被组合以提供其他实施方式。
在下文中，将利用可以实现本发明的各种实施方式的装置架构的简单示例来描述本发明的特征。仅详细描述与说明实施方式相关的元件。本文中可能不具体描述本领域技术人员通常已知的微机电装置的各种实现方式。
图1示出了可应用于微机电系统(MEMS)加速计装置中的微机电结构的基本元件。图1示出了形成MEMS加速计装置的微机电结构的平面结构层的部分的俯视图。可以通过在衬底晶片、绝缘体上硅晶片或空腔绝缘体上硅晶片上图案化或蚀刻结构来制造平面结构层。MEMS装置的制造方法对于本领域技术人员来说是公知的，并且在此将不会更详细地阐述。与平面结构的平面平行的方向被称为平面内方向，与平面结构的平面垂直的方向被称为平面外方向。
平面结构层可以包括下述部分，所述部分锚定到由MEMS加速计装置的另一结构层提供的支承平面使得锚定部分随着MEMS加速计装置的运动而刚性地移动。平面结构层还可以包括悬置部分，其被柔性地支承到MEMS加速计装置，例如支承到MEMS加速计装置的另一结构层，并且因此可以根据作用于MEMS加速计装置的力相对于锚定部分移动。结构层的锚定部分和悬置部分之间的相互定位可以被用于感测MEMS加速计装置的位置、速度或加速度。
在图1中，结构的锚定部分被示为可以被认为刚性耦接到支承平面(未示出)的图案化区域。例如，可以通过绝缘体上硅晶片的处理晶片或平面结构层上的帽晶片来提供支承平面。图1还示出了包括第一框架102、第二框架104的转子质量块100和将第一框架102和第二框架104彼此耦接的耦接弹簧结构106。
在初始状态下，当没有额外的外力作用在MEMS加速计装置上时，第一框架102借助于第一弹簧结构108被悬置到从平面支承结构起的中间位置。第一弹簧结构108可以是根据第一框架从中间位置的位移而变形的定向柔性机构。第一弹簧结构108可以以第一弹簧常数的刚度响应第一框架102沿所选择的第一方向从中间位置的位移，并且远远消除第一框架沿除了第一方向之外的方向的位移。在图1的示例性结构中，所选择的第一方向被称为水平面内方向，并且在附图中用X表示。因此，第一弹簧结构108为第一框架102提供关于支承平面的一个自由度。
将第一框架102和第二框架104彼此耦接的第二弹簧结构106也是柔性机构。第二弹簧结构106将第二框架104悬置到从第一框架102起的中间位置，并且可以根据第二框架从该中间位置的位移而变形。此外，第二弹簧结构106也是定向的，使得第二弹簧结构106以第二弹簧常数的刚度响应第二框架104沿第二方向从其中间位置的位移，并且远远地消除第二框架104沿除了第二方向之外的方向的位移。在图1的示例性结构中，所选择的第二方向被称为竖直平面内方向并且在附图中用Y表示。竖直平面内方向与水平平面内方向X正交。注意，在此使用术语竖直和水平用于简单参照附图。在该范围内，任何两个正交的平面内方向可用作第一方向和第二方向。
因此，作为第一弹簧结构、第一框架、第二弹簧结构和第二框架的组合的结果，第一框架102在水平平面内方向X上具有一个自由度。在水平方向上刚性地耦接至第一框架的第二框架104沿第一框架102的水平位移移动。另一方面，第一弹簧结构108有效地消除了第一框架102沿竖直方向Y的位移，而第二弹簧结构106允许第二框架104沿竖直方向Y移位。因此第二框架具有关于支承件的两个正交的平面内自由度。这意味着用于在水平方向上检测的惯性检测质量块包括第一框架的质量块和第二框架的质量块两者。
下面，为了区分结构的功能元件，术语“主”用于指在应用了较大检测质量块的方向上的位移的检测，并且术语“次级”用于指在应用了较小检测质量块的方向上的位移的检测，然而，不指示对方向中的任一个方向的任何等级、偏好的重要性等。图1的结构还被示为包括用于检测第一框架102在水平方向上的运动的主检测结构110。检测可以基于检测电容的变化。在平行极板电容器中，电容与交叠面积成正比，并且与两个电容器极板之间的间隔成反比。平行极板电容器可以被用于创建闭合间隙结构或面积调制结构或它们的混合。
在闭合间隙结构中，电容器极板朝向彼此或远离彼此地移动。通常极板中的一个是固定的，而另一个极板靠近和远离另一个极板移动。然后可以用等式(1)近似模拟电容行为：
Figure BDA0001605369780000051
其中C是电容，ε是介电常数，A是极板之间的恒定交叠面积，d是极板之间的初始间隙，x是距离初始间隙位置的位移，并且Cf是静态杂散电容。
在面积调制结构中，极板彼此平行移动，并且可以用等式(2)模拟电容行为：
Figure BDA0001605369780000052
其中d是极板之间的恒定间隙，h是极板的恒定交叠尺寸(高度)，l是初始交叠长度，x是从初始交叠长度的位移，并且Cf是静态杂散电容。
图2示出了来自图1的平面结构层的局部部分。该部分包括第一框架102、第一弹簧结构108和用于检测转子质量块100沿第一方向的位移的主检测结构110。在图1的结构中，第一方向是水平方向，并且根据第一框架102从其中间位置相对于支承结构的位移来检测转子质量块100的水平位移。如图2所示，主检测结构110可以包括主检测元件114a，主检测元件114a包括与一组一个或更多个主转子梳状物122电容性耦合的一组一个或更多个主定子梳状物120。
通常，在位移测量中，可以考虑检测元件输出处于与输入加速度相同频率的电容信号。首先将外部观察到的加速度信号转换为具有与传感器组件的可移动惯性质量块相等的增益的力，并且力域信号转换为惯性质量块的位移。惯性质量块形成具有与之绝缘的静态参考元件的电容器，使得输入加速度引起检测元件的电容偏移。由电子读出电路检测电容器的变化的电容，该电子读出电路首先使用交流电压将电容转换成电荷，该电荷可以通过前端电子器件转换为容易访问的格式例如电压或数字字。因此，此处的术语电容性耦合是指静态元件和可移动元件连接到读出电路系统的布置，该读出电路系统能够将静态元件和可移动元件之间的电容转换成不同的电量，例如电荷、电压或数字字。例如，将一组一个或更多个主定子梳状物120与一组一个或更多个主转子梳状物122电容性耦合意味着该组主定子梳状物120与该组主转子梳状物122电绝缘，并且传感器装置包括读出电路系统，该读出电路系统能够将该组主定子梳状物120和该组主转子梳状物122之间的电容转换成另一电量。在该范围内，可以在读出电路中应用各种开环和闭环读出电路配置。这样的配置对于本领域技术人员来说是公知的，并且在此将不进行更详细地讨论。
主定子梳状物120可以被刚性地耦接至锚定的元件112，并且主转子梳状物122可以被刚性地耦接至第一框架102。主定子梳状物120的指状物126和主转子梳状物122的指状物124可以以交叉方式沿水平方向延伸，使得一个主定子梳状物和一个主转子梳状物变成配对的，以形成一个主感测元件125。在这样的主感测元件125中，用于主定子梳齿的竖直相邻梳齿是主转子梳齿，并且用于主转子梳齿的竖直相邻梳齿是主定子梳齿。因此，当第一框架102沿水平方向移动时，主定子梳齿和主转子梳齿的交叠以及因此主感测元件的主定子梳状物120与主转子梳状物122之间的电容增加和减少。一个主检测元件114a的输出信号是其中主感测元件125的信号的总和，即所述主检测元件114a的配对的定子梳状物和转子梳状物之间的电容的总和。
至少，需要至少一个主检测元件114a来检测第一框架的位移。在图1的示例性布置中，主检测结构110还被布置成提供消除例如由支承结构中的潜在变形引起的常见源误差的差分信号。为此，主检测结构可以包括至少一对主检测元件114a、114b，这两个主检测元件114a、114b都被布置成对主检测结构110的输出检测信号做贡献。每个主检测元件114a、114b可以包括一个或更多个主感测元件，其中，如上所述，主感测元件125由一对或更多对主定子梳状物120和主转子梳状物122形成。作为示例，在图2的说明性结构中，主检测元件114a、114b中的每一个被示为包括两个主感测元件。一对主检测元件114a、114b可以相对于第一框架102定位，使得第一框架102在正水平方向上的位移同时增加该对主检测元件中的一个主检测元件114a的电容并且减少该对主检测元件中的另一个主检测元件114b的电容。响应于第一框架沿水平方向的位移而生成的主检测结构110的差分输出信号sx可以从以下导出：
sx＝s(114a)-s(114b)
由此抵消了主检测元件114a、114b的电容中的任何潜在的常见误差偏移。
对于增加的信号电平和准确度，可以在差分检测方案中应用多于一对的主检测元件的容量。在图1的示例性布置中，第一框架102是矩形的，但是可以在该范围内应用其他形式。如图2中更详细地示出的，对于增加的信号电平，第一框架102的一侧(在此表示为第一侧130)可以包括至少两个主检测元件114a、116a，并且第一框架在竖直方向上的相对侧中的第二侧132可以包括另外两个主检测元件114b、116b。
作为示例，可以将第一侧130中的两个主检测元件114a、116a分别与第二侧132中的其他两个主检测元件114b、116b耦接以形成检测元件对，使得当第一框架102在正水平方向+X上移动时，第一侧130中的主检测元件114a、116a的电容增加，并且第二侧132中的主检测元件114b、116b的电容减少。相应地，当第一框架102在负水平方向-X上移动时，第一侧130中的主检测元件114a、116a的电容减少并且第二侧132中的主检测元件114b、116b的电容增加。因此响应于第一框架沿水平方向的位移而生成的主检测结构110的差分输出信号sx可以被导出为：
sx＝[s(114a)+s(116a)]-[s(114b)+s(116b)]
在这种差分检测中，例如由结构层中的温度相关的变形引起的误差被消除，并且生成更准确地表示第一框架102的真实位移的信号。
注意，图1中的差分布置仅仅是示例性的。在范围内可以应用主检测元件的其他差分取向。此外，梳状结构和差分检测不是主检测结构的基本特征，在范围内还可以应用可用于检测第一框架102沿水平方向从其中间位置的位移的其他检测方法。
如图1所示，微机电结构还包括用于检测转子质量块100沿第二方向的运动的次级检测结构140。在图1的实施方式中，第二方向被表示为竖直方向。由于定向的第一弹簧结构108消除了第一框架102的竖直运动，所以根据第二框架104的竖直位移检测转子质量块100的竖直运动。由于第二框架104具有两个自由度，因此次级检测结构140的信号包括：由第二框架沿水平方向从其中间位置的位移产生的第一信号分量Sx和由第二框架沿竖直方向从其中间位置的位移产生的第二信号分量Sy。如将更详细描述的，次级检测结构140可以包括至少一个次级检测元件，其中一对次级感测元件被定位成使得：第二框架沿第一方向的位移增加该对次级感测元件中的一个次级感测元件对第一信号分量的贡献，并且同等地减少该对次级感测元件中的另一个次级感测元件对第一信号分量的贡献。这意味着该对次级感测元件中的一个次级感测元件对第一信号分量的贡献和该对次级感测元件中的另一个次级感测元件对第一信号分量的贡献因此相互抵消。
次级感测元件可以被实现为次级检测梳状物，使得第二框架沿水平方向从其中间位置的位移与次级检测结构140中的梳齿的交叠的变化对应，并且第二框架沿竖直方向从其中间位置的位移与次级检测结构140中的梳齿之间的距离的变化对应。
图1示出了包括次级检测元件190的次级检测结构140的示例性实现。图3A和图3B更详细地示出了对图1的次级检测元件190的内部结构的参考。
因此，如图3A所示，次级检测元件190可以包括一对次级感测元件160、162，一对次级感测元件160、162被定位成使得：第二框架沿水平方向的位移同时增加一个次级感测元件160对第一信号分量Sx的贡献，并且同等地减少另一个次级感测元件162对第一信号分量Sx的贡献。这意味着，即使第二框架104被耦接成随着第一框架沿水平方向的位移而移动，次级感测元件160、162对第一信号分量Sx的信号贡献相互抵消(Sx＝0)，并且由一个次级检测元件190生成的输出信号S＝Sx+Sy仅根据第二框架沿竖直方向的位移而变化。用于沿竖直方向的位移的惯性检测质量块包括第二框架的质量块，但是用于沿水平方向的位移的惯性检测质量块包括第一框架的质量块和第二框架的质量块两者，其可以大大超过第一框架独自的质量块。
在图3B中，该布置还通过次级检测元件详细化，该次级检测元件包括：具有在两个相反方向上延伸的梳齿的锚定的次级定子梳状物170以及具有从第二框架朝向定子梳状物170延伸的梳齿的次级转子梳状物172。更具体地，次级定子梳状物170包括在竖直方向上延伸的次级定子梳体148和两组次级定子梳齿144、146。第一组次级定子梳齿144在负水平方向上从次级定子梳体148延伸，并且第二组次级定子梳齿146在相反的正水平方向上从定子梳体148延伸。
在图1中示出：第二框架104可以外接第一框架102并且包括子框架150。图3B示出：次级转子梳状物172可以机械地耦接至子框架150，使得次级转子梳状物172的梳齿沿子框架150的运动并且因此沿第二框架104的运动而移动。子框架150可以在次级定子梳状物170的相对侧中提供两个竖直支承180、182，用于次级转子梳状物172的次级转子梳齿152、154的刚性机械耦接。在图3B中，这由次级转子梳状物172示出，次级转子梳状物172包括从子框架150的竖直支承向内延伸的两组次级转子梳齿152、154。第一组次级转子梳齿152与第一组次级定子梳齿144相互交叉，并且第二组次级转子梳齿154与第二组次级定子梳齿146相互交叉。子框架150将所述组次级转子梳齿152、154刚性地耦接到它们的相互取向中，使得所述组次级转子梳齿152、154沿第二框架104的位移类似地移动。因此，第一组次级转子梳齿152和第一组次级定子梳齿144形成次级检测元件190的第一次级感测元件160，并且第二组次级转子梳齿154和第二组次级定子梳齿146形成次级检测元件190的第二次级感测元件162。
当第二框架104在正水平方向上移动时，刚性耦接的第一组次级转子梳齿152和第二组次级转子梳齿154在正水平方向上同等地移动，由此第一组次级转子梳齿152和第一组次级定子梳齿144之间的交叠增加。同时，第二组次级转子梳齿154和第二组次级定子梳齿146的梳齿之间的交叠在相似程度上减小。由第二框架沿水平方向的位移生成的信号部分与第一次级感测元件160中的梳齿的交叠的总和以及第二次级感测元件162中的梳齿的交叠的总和对应。由于同等地增加和减少，因此交叠相互抵消并且次级检测结构的检测对第二框架104的水平位移不敏感。次级检测元件190的输出信号仅与第一次级感测元件160与第二次级感测元件162的梳齿之间的间隙的变化对应。
由于元件的特定布置，该结构能够检测微机电加速计装置沿水平方向和竖直方向的运动，但是在水平方向上，感测应用了第一框架和第二框架的组合惯性质量块。因此，该结构能够以紧凑的组件尺寸和最小的横轴灵敏度实现双向感测。在感测方向中的一个方向上，该结构采用组合检测质量块，这提高了使用所述加速计装置尺寸可实现的信噪比水平。
至少，次级检测结构140可以包括一个次级检测元件190，该次级检测元件190具有相反地响应第二框架的水平位移的一对感测元件160、162。然而，为了消除由常见误差源引起的偏移，差分检测方案也可以被有效地应用于所描述的结构中。在差分检测方案中，可以根据分开的次级检测元件190的信号来处理次级检测结构的总输出信号。图4示出了图1的平面层结构，其中虚线框示出了可以被用于MEMS加速计装置的次级检测结构140中的差分检测的次级检测元件190、192、194、196的组合。
在图4的示例性结构中，第一次级检测元件190是第一信号元件s(190)的源。第二次级检测元件192在水平方向上与第一次级检测元件190位于第一框架的同一侧，并且第二次级检测元件是第二信号元件s(192)的源。第三次级检测元件194在水平方向上与第一次级检测元件190相对，并且是第三信号元件s(194)的源。注意，“A在C方向上与B相对”的表达在本文中用于表示：对象A被设置到相对对象B越过介于中间的第一框架的位置，第一框架的相对侧面向正C方向和负C方向。第四次级检测元件196与第二次级检测元件192相对，在水平方向上与第三次级检测元件194位于第一框架的同一侧，并且是第四信号元件s(194)的源。
如前所述，对于其内部配置，次级检测结构140中的每一个次级检测元件190、192、194、196响应于第二框架104在水平方向上的位移而生成零信号。然而，在竖直方向上，次级检测元件的定位能够实现双差分检测。图4的配置示出了水平并行的双差分检测。这意味着当第二框架104在正竖直方向+Y上移位时，第一次级检测元件190和第二次级检测元件192中的梳齿之间的距离增加，并且第三次级检测元件194和第四次级检测元件196中的梳齿之间的距离减小。相应地，当第二框架104在负竖直方向-Y上移动时，第一次级检测元件190和第二次级检测元件192中的梳齿之间的距离减小，并且第三次级检测元件194和第四次级检测元件196中的梳齿之间的距离增加。为了消除对这些水平并行的次级检测元件对具有相同效果的常见误差源，可以使用下述差分测量方案：对位于第一框架的一侧上的次级检测元件和位于第一框架的另一侧上的另一个次级检测元件进行求和。然后总输出信号Sy可以从以下导出：
Sy＝[s(194)+s(196)]-[s(190)+s(192)]
在一方面中，由于特定设计，所提出的配置能够以非常紧凑的方式实现一个结构层元件内的低重力检测与较高重力检测的组合。如之前所讨论的，第一弹簧结构108以第一弹簧常数K1的刚度响应第一框架102沿水平平面内方向从其中间位置的位移。第二弹簧结构106以第二弹簧常数K2的刚度响应第二框架104沿竖直方向从其中间位置的位移。可以通过调整弹簧常数K1和弹簧常数K2来调整沿水平方向和竖直方向的检测范围。在有利的配置中，可以调整内部第一框架以将较大的检测质量块应用于低重力检测，并且可以使用外部第二框架的较小检测质量块用于高重力检测。因此，第一弹簧常数K1可以被调整为远小于第二弹簧常数K2。第一弹簧常数K1和第二弹簧常数K2之间的比率有利地为1:50或更小，优选为1:100或更小。然而，在范围内也可能有其他规则可替选方案。第一弹簧常数K1可以比第二弹簧常数K2高，或弹簧常数K1和弹簧常数K2可以相等。
图5示出了具有用于竖直并行双差分检测的不同种类的信号源位置的可替选配置。在图5的配置中，当第二框架104在正竖直方向+Y上移位时，第一次级检测元件190和第三次级检测元件194中的梳齿之间的距离增加，并且第二次级检测元件192和第四检测单元196中的梳齿之间的距离减小。相应地，当第二框架104在负竖直方向-Y上移位时，第一次级检测元件190和第三次级检测元件194中的梳齿之间的距离减小，并且第二次级检测元件192和第四次级检测元件196中的梳齿之间的距离增加。为了消除对在竖直方向上平行的次级检测元件对具有相同效果的常见误差源，可以使用下述差分测量方案：对竖直平行地定位在第一框架的相对侧上的次级检测元件进行求和。总输出信号Sy可以从以下导出：
Sy＝[s(190)+s(194)]-[s(192)+s(196)]
图6示出了具有用于交叉耦合双差分检测的又一可替选信号源位置的其他可替选配置。在图6的配置中，当第二框架104在正竖直方向+Y上移位时，第一次级检测元件190和第四检测单元196中的梳齿之间的距离减小，并且第二次级检测元件192和第三次级检测元件194中的梳齿之间的距离增加。相应地，当第二框架104在负竖直方向-Y上移位时，第一次级检测元件190和第四次级检测元件194中的梳齿之间的距离增加，并且第二次级检测元件192和第三次级检测元件194中的梳齿之间的距离减少。为了消除对交叉定位的次级检测元件对具有相同效果的常见误差源，可以使用下述差分测量方案：对交叉定位在第一框架的相对侧上的次级检测元件进行求和。总输出信号S可以从以下导出：
Sy＝[s(190)+s(196)]-[s(192)+s(194)]
图7示出了具有不同的可能取向的结构元件的其他可替选配置。在该实施方式中，第一弹簧结构108将第一框架102悬置到相对于支承的中间位置并且允许竖直方向上从中间位置的位移，并且第二弹簧结构106将第二框架104悬置到相对于第一框架102的中间位置，并且允许水平方向上从中间位置的位移。第二框架104随着第一框架102的位移而移动，并且次级检测结构的次级检测元件190、192、194、196被定向成使得第二框架104在竖直方向上的位移生成相等并且自动相反的信号分量。因此，从由次级检测结构产生的信号中消除竖直方向信号分量。
当第二框架104在正水平方向+X上移位时，第一次级检测元件190和第二次级检测元件192中的梳齿之间的距离增加，并且第三次级检测元件194和第四次级检测元件196中的梳齿之间的距离减小。相应地，当第二框架104在负水平方向-X上移位时，第一次级检测元件190和第二次级检测元件192中的梳齿之间的距离减小，并且第三次级检测元件194和第四次级检测元件196中的梳齿之间的距离增加。对于差分检测，总输出信号Sx可以从以下导出：
Sx＝[s(190)+s(192)]-[s(194)+s(196)]
图8示出了在水平方向和竖直方向二者上可应用于双差分检测的实施方式。作为示例，第一结构部分800可以包括图4中的微机电结构，并且第二结构部分850可以包括图6中的微机电结构。对于差分检测，来自第一结构部分800的水平方向上的总输出信号sx以及竖直方向上的总输出信号Sy可以从以下导出：
sx＝[s(802)+s(804)]-[s(806)+s(808)]
Sy＝[s(814)+s(816)]-[s(810)+s(812)]
在sx中使用小写s并且在Sy中使用大写S的符号示出示例性布置：第一结构部分700的第一弹簧结构的第一弹簧常数K1已经被调整为远小于第二弹簧常数K2，从而提供不同调整范围用于水平方向和竖直方向上的感测。自然地，在该范围内可以应用弹簧常数的任何其他配置。
类似地，对于差分检测，来自第二结构部分850的水平方向上的总输出信号Sx和竖直方向上的总输出信号sy可以从以下导出：
Sx＝[s(866)+s(864)]-[s(860)+s(862)]
sy＝[s(856)+s(858)]-[s(852)+s(854)]
图9示出了可应用于水平方向和竖直方向二者上的上述双差分检测的另一实施方式。第一结构部分900包括图6中的微机电结构，并且第二结构部分950包括具有图7的取向但是具有次级检测元件的可替选配置的微机电结构。因此，对于差分检测，现在可以从以下导出来自第一结构部分800的水平方向上的总输出信号sx和竖直方向上的总输出信号Sy：
sx＝[s(902)+s(904)]-[s(906)+s(908)]
Sy＝[s(910)+s(916)]-[s(912)+s(914)]
类似地，对于差分检测，来自第二结构部分950的水平方向上的总输出信号Sx和竖直方向上的总输出信号sy可以从以下导出：
Sx＝[s(966)+s(960)]-[s(962)+s(964)]
sy＝[s(954)+s(958)]-[s(952)+s(956)]
图10示出了示例性微机电结构，其中图9的具有两个平面内感测结构部分1000和1002的配置与能够感测平面外方向上的位移的另一结构部件1004组合。如前面的实施方式所述，平面内感测结构部分1000、1002中的每一个可以被布置成感测惯性转子质量块在两个平面内方向上的位移，并且梳状结构可以被布置成提供差分检测或双差分检测。在结构部分1000、1002中的一个或每一个中，第一弹簧常数和第二弹簧常数可以被调整以提供用于平面内检测的相同、不同或甚至显著不同的检测范围。第一平面内感测结构部分1000和第二平面内感测结构部分1002可以被布置成具有至少一个公共感测方向。在图10的示例性配置中，第一结构部分1000和第二结构部分1002被并排定位，使得它们具有公共的水平感测方向X和公共的竖直感测方向Y。
另外，另一第三结构部分1004被交错在第一结构部分1000和第二结构部分1002之间，使得第三结构部分1004的锚906被定位在第一结构部分1000和第二结构部分1002之间。从锚沿公共感测方向之一并且超出第一结构部分1000和第二结构部分1002的范围地延伸刚性第一条状物1008，刚性第一条状物1008刚性地耦接至与第一条状物1008垂直的刚性第二条状物1010。第一条状物和第二条状物形成T形元件。从第二条状物的两端延伸扭转弹簧1012、1014，扭转弹簧1012、1014将静态T形元件与部分外接平面内感测第一结构部分1000和平面内感测第二结构部分1002的悬置U形质量块1016耦接。由于扭转弹簧1012、1014，微机电加速计装置在平面外方向上的运动使U形元件的惯性质量块在穿过扭转弹簧1012、1014的对齐的扭转轴的轴A周围以旋转运动移位。一个或更多个检测元件1018可以被布置成检测U形元件在平面外方向上的位移。在图10的示例性配置中，使用梳状结构来实现平面外检测，其中与U形元件一起移动的梳齿在平面外方向Z上形成电容器极板。这些转子梳齿与锚定的定子结构1020中的定子梳齿的类似定向的电容器极板交错，使得转子极板和定子极板之间的交叠区域根据U形转子质量块的平面外运动而变化。
特定配置允许平面外感测结构元件的锚1006被定位成靠近其定子结构1020。这大大减小了由支承结构中的潜在变形引起的误差。另一方面，该配置同时将检测元件1018定位成远离旋转轴A，由此使得能够进行较大的移动并且因此使得能够得到来自检测元件1018的较大的信号。结合起来，该配置允许在非常紧凑的结构区域中提供多个检测方向和范围。
图11示出了微机电加速计装置10的元件。加速计装置10包括微机电部分12，微机电部分12包括前面描述的任何微机电层结构。加速计装置还可以包括电路部分14，电路部分14被连接成输入来自微机电部分12的电信号并且向其输出电信号。微机电加速计装置可以被包括在组合传感器元件中，仅举几例，组合传感器元件包括：各种传感器元件、有线或移动计算、游戏或通信装置、测量装置、渲染装置或车辆功能控制单元。
对于本领域技术人员而言明显的是，随着技术进步，本发明的基本构思可以以各种方式实现。因此，本发明及其实施方式不限于上述示例，而是它们可以在权利要求书的范围内变化。

Claims (16)

1.一种用于测量加速度的微机电结构，所述微机电结构包括：
转子质量块(100)，其包括第一框架(102)和第二框架(104)，所述第二框架外接所述第一框架；
第一弹簧结构(108)，其用于将所述第一框架(102)悬置到从支承平面起的中间位置，其中，所述第一弹簧结构以第一弹簧常数的刚度响应所述第一框架沿第一平面内方向从所述中间位置的位移，并且消除所述第一框架沿除了第一方向之外的方向的位移；
主检测结构(110)，其用于检测所述转子质量块(100)沿所述第一方向从所述中间位置的位移；
第二弹簧结构(106)，其用于将所述第二框架(104)悬置到从所述第一框架(102)起的中间位置，其中，所述第二弹簧结构以第二弹簧常数的刚度响应所述第二框架沿第二方向从所述中间位置的位移，并且消除所述第二框架沿除了所述第二方向之外的其他方向从所述第一框架的位移，所述第二方向垂直于所述第一方向，并且所述第二弹簧常数是所述第一弹簧常数的至少50倍；
次级检测结构(140)，其用于检测所述第二框架(104)的位移，所述次级检测结构的信号包括响应于所述第二框架沿所述第一方向的位移的第一信号分量和响应于所述第二框架沿所述第二方向的位移的第二信号分量；
所述次级检测结构(140)包括至少一个次级检测元件(190)，在所述至少一个次级检测元件中，一对次级感测元件(160，162)被定位成使得：所述第二框架(104)沿所述第一方向的位移增加所述一对次级感测元件中的一个次级感测元件(160)对所述第一信号分量的贡献，并且同等地减少所述一对次级感测元件中的另一个次级感测元件(162)对所述第一信号分量的贡献，由此所述一对次级感测元件中的一个次级感测元件(160)对所述第一信号分量的贡献和所述一对次级感测元件中的另一个次级感测元件(162)对所述第一信号分量的贡献相互抵消。
2.根据权利要求1所述的微机电结构，其特征在于，
所述主检测结构(110)包括至少一个主检测元件(114a)；
所述主检测元件包括一个或更多个主感测元件，每个主感测元件包括：主转子梳状物(122)，其被耦接成与所述第一框架(102)一起移动；以及锚定的主定子梳状物(120)，其电容性地连接至所述主转子梳状物(122)。
3.根据权利要求2所述的微机电结构，其特征在于，
所述主转子梳状物(122)包括：在所述第一方向上朝向电容性地连接的所述定子梳状物(120)延伸的主转子梳齿(124)；
所述主定子梳状物(120)包括：在所述第一方向上朝向电容性地连接的所述主转子梳状物(122)延伸的主定子梳齿(126)；
所述主转子梳齿(124)和所述主定子梳齿(126)相互交叉，使得主感测元件(114b)的电容根据所述第一框架(102)沿所述第一方向的运动而改变。
4.根据权利要求3所述的微机电结构，其特征在于，
所述主检测结构(110)包括：被定位成用于差分检测的至少一对主检测元件(114a，114b)，其中，所述第一框架沿所述第一方向的运动同时增加所述一对主检测元件中的一个主检测元件(114a)的电容并且减少所述一对主检测元件中的另一个主检测元件(114b)的电容；
所述主检测结构(110)的差分输出信号是从所述一对主检测元件(114a，114b)的电容的差导出的。
5.根据权利要求4所述的微机电结构，其特征在于，
所述主检测结构(110)包括：被定位成用于双差分检测的两对主检测元件(114a，116a；114b，116b)，其中，所述第一框架沿所述第一方向的运动同时增加第一对主感测元件(114a，116a)中的电容，并且减少第二对主感测元件(114b，116b)中的电容；
所述主检测结构(110)的差分输出信号是从所述第一对主检测元件(114a，116a)的求和电容与所述第二对主检测元件(114b，116b)的求和电容之间的差导出的。
6.根据前述权利要求中任一项所述的微机电结构，其特征在于，所述次级检测元件(190)包括：具有在两个相反方向上延伸的梳齿的锚定的次级定子梳状物(170)，以及具有从所述第二框架朝向所述定子梳状物(170)延伸的梳齿的次级转子梳状物(172)。
7.根据权利要求6所述的微机电结构，其特征在于，
所述次级定子梳状物(170)包括：沿所述第二方向延伸的次级定子梳体(148)和沿所述第一方向在相反方向上延伸的两组次级定子梳齿(144，146)；
所述次级转子梳状物(172)包括第一组次级转子梳齿(152)和第二组次级转子梳齿(154)，所述第一组次级转子梳齿(152)和所述第二组次级转子梳齿(154)机械地耦接至所述第二框架(104)，以保持相互取向并且随着所述第二框架(104)的运动而移动；
所述第一组次级转子梳齿(152)和第一组次级定子梳齿(144)形成所述次级检测元件(190)的第一次级感测元件(160)；
并且所述第二组次级转子梳齿(154)和第二组次级定子梳齿(146)形成所述次级检测元件(190)的第二次级感测元件(162)。
8.根据权利要求1-5中任一项所述的微机电结构，其特征在于，包括：
被定位成用于差分检测的一对次级检测元件(190，194)，其中，被定位成用于差分检测，其中，所述第二框架沿所述第二方向的运动同时增加所述一对次级检测元件中的一个次级检测元件(190)中的电容并且减少所述一对次级检测元件中的另一个次级检测元件(194)中的电容；并且
所述次级检测结构(140)的差分输出信号是从所述一对次级检测元件(190，194)的电容的差导出的。
9.根据权利要求8所述的微机电结构，其特征在于，包括：被定位成用于在所述第一方向上进行并行双差分检测的两对次级检测元件(190，192；194，196)，其中，从所述第一框架在所述第一方向上的一侧中的一对次级检测元件(194，196)的电容中减去所述第一框架的相对侧中的一对次级检测元件(190，192)的电容。
10.根据权利要求8所述的微机电结构，其特征在于，包括：被定位成用于在所述第二方向上进行并行双差分检测的两对次级检测元件(190，194；192，196)，其中，从位于所述第一框架的相对侧并且在所述第一方向上平行的一对次级检测元件(192，196)的电容中减去位于所述第一框架的相对侧并且在所述第一方向上平行的一对次级检测元件(190，194)的电容。
11.根据权利要求8所述的微机电结构，其特征在于，包括：被定位成用于交叉耦合双差分检测的两对次级检测元件(190，196；192，194)，其中，从来自位于所述第一框架的相对侧的第二交叉位置的一对次级检测元件(192，194)的电容的信号中减去位于所述第一框架的相对侧的第一交叉位置的另一对次级检测元件(190，196)的电容。
12.一种微机电加速计装置，包括至少一个根据权利要求1所述的微机电结构。
13.根据权利要求12所述的微机电加速计装置，其特征在于，包括：两个微机电结构(800，850)，其中，第一微机电结构(800)被定向成检测第一框架沿所述第一方向从所述中间位置的位移，并且第二微机电结构(850)被定向成检测第一框架沿所述第一方向从所述中间位置的位移。
14.根据权利要求13所述的微机电加速计装置，其特征在于，能够感测平面外方向上的位移的第三微机电结构(1004)。
15.根据权利要求14所述的微机电加速计装置，其特征在于，所述第三微机电结构(1004)被交错在第一微机电结构(1000)和第二微机电结构(1002)之间，使得所述第三微机电结构的锚(1006)被定位在所述第一微机电结构(1000)和所述第二微机电结构(1002)之间。
16.根据权利要求15所述的微机电加速计装置，其特征在于：
刚性第一条状物(1008)沿所述第一方向或第二方向从所述锚(1006)延伸并且超出所述第一微机电结构和所述第二微机电结构的范围；
所述刚性第一条状物(1008)刚性地耦接至与所述第一条状物垂直的刚性第二条状物(1010)，所述第一条状物和所述第二条状物形成T形元件；
扭转弹簧(1012，1014)，其从所述第二条状物(1010)的两端延伸以将所述T形元件与部分地外接所述第一微机电结构(1000)和所述第二微机电结构(1002)的悬置U形质量块(1016)耦接；
一个或更多个检测元件(1018)，其被布置成检测U形元件在平面外方向上的位移。
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