CN108982917A - 电容式微电子机械加速度计 - Google Patents
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Abstract
描述了一种微电子机械加速度计。该加速度计包括：用于测量沿着垂直于衬底平面的竖直轴的加速度的第一传感器；以及具有与衬底平面相邻且平行的至少一个内封装平面的加速度计封装。第一传感器包括相对于衬底可移动的转子、转子悬吊件以及相对于衬底不可移动的一个或更多个定子。转子是跷跷板框架，其中纵向转子杆包括一个或更多个第一偏转电极，并且第二偏转电极在该一个或更多个第一偏转电极中的每一个的上方和/或下方被固定至内封装平面，使得它们交叠。该加速度计可以被配置成通过将测试电压施加于至少一个第一偏转电极和至少一个第二偏转电极来执行自测试。可以利用在转子电极与定子电极之间进行的电容式测量来读取自测试响应信号。
Description
技术领域
本公开内容涉及电容式加速度计，并且涉及具有当加速度计经历具有垂直于衬底平面的加速度分量的运动时可以旋转离开衬底平面的可移动转子的加速度传感器。这样的传感器可以与测量衬底平面中的加速度的两个其他传感器组合以形成三轴加速度计。这样的加速度计可以被用于汽车应用，例如电子稳定性控制(ESP/ESC)、防抱死制动(ABS)、电动停车制动(EPB)、坡道起步辅助(HSA)、电子控制悬架(ECS)、头灯调平或气囊部署。
背景技术
三轴加速度计中的每个电容式传感器可以包括相对于衬底不可移动的定子和相对于衬底至少部分可移动的转子。在本公开内容中，术语“转子”和“定子”均指的是互连的微机械结构，例如杆或梁。可以通过蚀刻衬底例如硅衬底来形成结构及其互连。
在本公开内容中，术语“杆”和“梁”指的是例如由硅制成的细长的结构，与可以称为“弹簧”的更柔的结构相比，所述细长结构是刚性的。刚性和柔性是相对术语。尽管构成转子的杆和梁将具有一定的柔性，但是它们将保持当转子移动时保持它们相对于彼此的相互位置的良好的近似，并且只有从其悬吊转子的弹簧将由于运动而经历显著的柔性变形。
转子和定子通常包括在它们的互连结构中的至少一些上的导电电极区域，以促进转子与定子之间的电测量。
三轴加速计通常包括衬底平面，其可以被标记为xy平面。定子可以是衬底平面中的固定结构。可以在具有转子的衬底平面中实现加速度传感器，所述转子响应于沿着轴的加速移动而经历沿着平面中的该轴的线性运动。本公开内容主要集中于加速度传感器，其中，转子被实现为跷跷板，使得它被附接至一个或更多个扭转弹簧并且响应于不平行于由扭转弹簧限定的旋转轴的加速移动而经历围绕该轴的旋转运动。
如果转子被实现为跷跷板，则它的质量中心不应当与旋转轴重合，因为这将使其对线性加速度无响应。跷跷板转子应该因此是不平衡的跷跷板，至少在某种程度上是不平衡的跷跷板。跷跷板转子可以被实现为完全单侧式跷跷板，使得转子的所有部分位于旋转轴的一侧——可以称为第一侧。更准确地，如果可以画一个与其旋转轴相交的平面使得整个转子位于平面的一侧，则跷跷板转子是单侧式的。被实现为跷跷板的转子还可以是双侧式的，使得转子的一些部分位于轴的一侧，其可以称为第一侧，并且一些部分位于轴的相对侧，其可以称为第二侧。对于双面转子，不可能画出与其旋转轴交叉的平面使得整个转子位于平面的一侧。
文献US 2007119252公开了一种包括加速度传感器的三轴加速度计，所述加速度传感器用于测量衬底平面中的加速度并且用于测量平面外加速度。
偏转测试可以被用于验证加速度传感器中的惯性质量在外部震动后的正常移动、停止和释放。安全要求增加了对加速度计部件可以被编程为自主执行的偏转测试的需求。这些自测试需要将转子上的某些电极用作偏转电极。当将已知大小的偏转电压信号施加于偏转电极时，转子偏转一定量。利用常规测量电极执行的测量确认偏转程度是否与在该偏转电压处的期望偏转相对应，并且转子没有卡住。
US 2007119252中提出的加速度计的缺点是不能容易地实现自测试功能。用于信号读出的转子/定子电极不能为自测试偏转提供足够的电力。
发明内容
本公开内容的目的是提供一种用于减轻以上缺点的装置。
本公开内容的目的通过一种电容式微机械加速度计来实现。该电容式微机械加速度计包括：衬底，所述衬底限定了在横向方向和纵向方向上延伸的衬底平面，所述横向方向垂直于所述纵向方向；第一传感器，所述第一传感器用于测量沿着垂直于所述衬底平面的竖直轴的加速度；以及加速度计封装，所述加速度计封装具有与所述衬底平面相邻且平行的至少一个内封装平面，其中，所述第一传感器包括相对于所述衬底可移动的转子、转子悬吊件以及相对于所述衬底不可移动的一个或更多个定子，所述转子包括一个或更多个转子电极，并且所述一个或更多个定子包括一个或更多个定子电极，所述电极被配置用于差分电容式测量，所述转子悬吊件包括附接至所述转子的一个或更多个横向扭转弹簧，其中，所述横向扭转弹簧在横向转子旋转轴上对齐，其特征在于，所述转子是包括至少横向转子杆、附接至所述横向转子杆的第一纵向转子杆以及附接至所述横向转子杆的第二纵向转子杆的跷跷板框架，并且至少一个纵向转子杆包括一个或更多个第一偏转电极，并且第二偏转电极在所述一个或更多个第一偏转电极中的每一个的上方和/或下方被固定至所述内封装平面，使得所述一个或更多个第一偏转电极中的每一个与对应的第二偏转电极在所述衬底平面中的投影在交叠区域中交叠。此外，还公开了本公开内容的优选实施方式。
本公开内容基于在具有框架形转子的z轴加速度传感器上实现偏转电极的构思。偏转电极可以靠近转子旋转轴来实现。
附图说明
以下将参照附图借助于优选实施方式来更详细地描述本公开内容，在附图中：
图1图示了电容式加速度计中的第一传感器。
图2图示了从图1的截面A-A中的第一传感器和加速度计封装的一部分。
图3图示了第一偏转电极与第二偏转电极之间的区域交叠的第一示例。
图4图示了第一偏转电极与第二偏转电极之间的区域交叠的第二示例。
图5图示了电容式加速度计中的第一传感器。
图6图示了加速度计还包括第二传感器和第三传感器的实施方式。
图7图示了本公开内容中描述的方法。
图8还图示了本公开内容中描述的方法。
图9图示了包括加速度计和控制单元的系统。
图示是示意图，并且没有按比例绘制。
具体实施方式
本公开内容描述了一种电容式微机械加速度计，所述电容式微机械加速度计包括：衬底，衬底限定了在横向方向和纵向方向上延伸的衬底平面，横向方向垂直于纵向方向；以及第一传感器，第一传感器用于测量沿着垂直于衬底平面的竖直轴的加速度；以及加速度计封装，加速度计封装具有与衬底平面相邻且平行的至少一个内封装平面。第一传感器包括相对于衬底可移动的转子、转子悬吊件以及相对于衬底不可移动的一个或更多个定子。转子包括一个或更多个转子电极，并且所述一个或更多个定子包括一个或更多个定子电极，电极被配置用于差分电容式测量。转子悬吊件包括附接至转子的一个或更多个横向扭转弹簧，其中，横向扭转弹簧在横向转子旋转轴上对齐。
转子是跷跷板框架，该跷跷板框架包括至少横向转子杆、附接至横向转子杆的第一纵向转子杆以及附接至横向转子杆的第二纵向转子杆。至少一个纵向转子杆包括一个或更多个第一偏转电极，并且第二偏转电极在所述一个或更多个第一偏转电极中的每一个的上方和/或下方被固定至内封装平面，使得所述一个或更多个第一偏转电极中的每一个与对应的第二偏转电极在衬底平面中的投影在交叠区域中交叠。
图1示意性地图示了电容式加速度计中的第一传感器。衬底平面在本公开内容中对应于xy平面。在本公开内容中，术语“衬底”指的是根据其已制备了构成传感器的微机械结构的本体。当完成结构时，衬底的其余部分形成围绕加速度计的支撑体。衬底可以例如是硅晶片。可以通过蚀刻和涂覆方法由衬底来制造构成传感器的微机械结构。换言之，在本公开内容中，术语“衬底”指的是形成加速度计中的微电子机械结构由其制造的结构层(或器件层)的薄衬底。该衬底通常需要来自独立的、更厚的处理晶片或支撑晶片的结构支撑。
竖直的z轴可以被定义成垂直于xy平面。图1中描绘的微机械部件中的一些可以具有与衬底相同的厚度，其他可以具有更小的厚度。在本公开内容中，衬底的整个厚度构成xy平面，术语“上方”和“下方”指的是z坐标与衬底表面的差。换言之，图1中描绘的在衬底平面“上方”的物体可以被解释为比图1所示的部件的顶表面更靠近观察者，而在衬底平面“下方”的物体可以被解释为比图1所示的部件的底表面更远离观察者。图2图示了在衬底平面中的设备部件14上方的加速度计封装21。
第一传感器被配置用于测量z轴方向上的加速度，在本公开内容中将称为竖直轴并且垂直于衬底平面。第一传感器包括转子，转子包括横向转子杆13和两个纵向转子杆14和15。横向转子杆13以及两个纵向转子杆14和15一起形成可以部分地围绕衬底平面上的其他部件的框架。转子还包括用作转子电极的转子电极指组131。指的数目可能比图1中示意性图示的要大得多，并且指之间的间隔比图1中示意性图示的要小得多。
图1中的传感器还包括具有横向定子杆16和17以及用作定子电极的对应的定子电极指组161和171的两个定子。转子电极和定子电极可以被涂覆，并且它们可以从衬底的顶部和/或底部面竖直凹进。如图1所示，框架形转子可以部分地包围定子。横向定子杆16和17在定子锚定点162和172处固定至衬底。术语“锚定点”在本公开内容中指的是物体例如杆可以牢固地附接至衬底的区域。
取决于意向的测量应用，转子电极和定子电极的位置和数目以及它们的几何形状和相互定位可以以许多方式针对电容式测量进行优化。
转子从转子悬吊件悬吊，转子悬吊件可以被锚定至一个或更多个转子锚定点。在本公开内容中，术语“悬吊件”指的是包括至少一个或多个扭转弹簧的结构。如果所述一个或更多个扭转弹簧没有直接连接至锚定点，则悬吊件结构也可以指的是以从转子锚定点延伸至扭转弹簧的顺序连接的杆或梁。转子在横向的扭转弹簧扭转地扭曲时转动。悬吊件中的可选的杆或梁不会经受大量的弯曲或扭曲。而是，它们的主要功能是移位，因为它们允许将转子锚定点放置成距扭转弹簧一定距离。
在本公开内容中，术语“扭转弹簧”指的是具有使得扭转弹簧易于围绕它的纵向尺寸扭转扭曲的纵横比的硅结构。在这种情况下，“横向”扭转弹簧意指其纵向尺寸与图1中的x轴平行的弹簧。横向扭转弹簧在y方向上可以是窄的以允许扭转扭曲，但是在竖直z方向上是厚的以防止平移运动离开xy平面。可替选地，横向扭转弹簧可以在xy平面中具有蜿蜒形状并且在z方向上是厚的。蜿蜒的弹簧可以允许例如围绕x轴扭转扭曲，而不必在y轴方向上是窄的。
图1图示了其中悬吊件包括第一横向转子悬吊杆181和第二横向转子悬吊杆183的传感器，并且其中，第一横向扭转弹簧191附接至第一横向转子悬吊杆181的一端，并且第二横向扭转弹簧193附接至第二横向转子悬吊杆183的一端。横向转子悬吊杆181和183被锚定至转子锚定点182。如果需要将扭转弹簧更远离悬吊件锚定点布置，则可以在被锚定的悬吊杆与扭转弹簧之间添加附加的悬吊杆。这些附加的悬吊杆可以在横向或纵向方向上延伸。
包括横向转子杆13以及第一纵向转子杆14和第二纵向转子杆15的转子可以称为“跷跷板”，因为横向扭转弹簧191和193允许转子围绕图1所示的横向转子旋转轴(RRA)枢转。该轴由扭转弹簧191和193的位置确定。两个扭转弹簧必须在同一轴上对齐以便利于转子的旋转或枢转。
当加速度计经受竖直方向上的加速运动时，转子可以围绕横向转子旋转轴旋转，并且可以利用在以上描述的转子电极与定子电极之间进行的差分电容式测量来检测该运动。
图1所示的转子也可以被表征为双侧式跷跷板，因为它延伸至横向转子旋转轴的两侧(其可以在下文中称为RRA或者称为横向RRA)。换言之，每个纵向转子杆14和15从横向转子旋转轴的第一侧延伸穿过横向转子旋转轴至第二侧。
这从图2中的另一角度示出，其示出了来自图1的横截面A-A。图2示出了第一纵向转子杆14和加速度计封装21，其中，内封装平面211邻近衬底平面。纵向转子杆14延伸至RRA的两侧。换言之，转子14从RRA沿着第一方向和第二方向二者延伸。这两个方向是完全相反的，因为转子形成围绕RRA旋转的平面结构。在图2中，第一纵向转子杆位于衬底平面中。第一方向是正y方向，并且第二方向是负y方向。当加速度计经历z轴方向上的加速度时，转子围绕RRA旋转，离开xy平面。扭转弹簧191和193的刚度应当被构造成以期望的应用特定的加速度达到合适的运动。
封装21延伸到第一传感器之外至左侧和右侧。封装在所有侧面围绕加速度计，但是封装的远离传感器的部分与本公开内容无关并且未在图2中示出。封装与传感器之间的空间是密封空间，通常用惰性气体填充。
图1中的转子包括纵向转子杆14和15中的对称的正方形的突出区域101-104。这些突出区域中的一个或更多个可以经由扭转杆、悬吊杆和锚定点连接至外部电路。突出部不一定需要是正方形的。它们可以具有矩形形式或任何其他形式。原则上电极甚至可以在纵向转子杆上实现而根本不在杆上形成任何突出部，但是窄杆的表面积本身可能不足以生成足够的电力来使转子明显地移位。
转子上的每个第一偏转电极需要相邻的反电极来生成使转子偏转的电力。该反电极(在本公开内容中称为第二偏转电极)需要与第一偏转电极紧密竖直接近。第二偏转电极可以在加速度计封装上被制备并且可以被涂覆有导电材料。
图2图示了突出区域101和102的位置。第二偏转电极201和202可以在突出区域101和102的上方或下方被制造在内封装平面211上。图2图示了第二偏转电极已制造在突出区域101和102上的装置。第二偏转电极203和204(未示出)可以分别在突出区域103和104的上方或下方对应地制造在内封装平面上。
其中偏转电极对可以使转子偏转的方向取决于该对中的第二偏转电极是位于第一偏转电极的上方还是下方，并且取决于偏转电极对相对于转子旋转轴的位置。例如，图2中的偏转电极对101-201可以从所示出的角度使转子顺时针偏转，而偏转电极对102-202可以从所示出的角度使转子逆时针偏转。如果替代地将第二偏转电极201-202放置在转子的下方(未示出的可替选方案)，则偏转方向将颠倒。
第一偏转电极与第二偏转电极之间的竖直间隙可以在0.5μm与5μm之间。可以利用独立的停止结构来防止转子与封装接触。施加于每对偏转电极(第一对101+201、第二对102+202)的电压将产生在电场足够强时使转子围绕RRA旋转的转矩。由施加的电压并且由第一偏转电极与第二偏转电极之间的区域交叠来确定电场。
第一偏转电极不需要具有与第二偏转电极完全相同的尺寸、面积或xy位置。在第一偏转电极与第二偏转电极在衬底平面中的投影交叠的任何地方生成电场。第二偏转电极在衬底平面中的投影是位于所讨论的第二偏转电极的正下方的xy平面中的区域。第一偏转电极与投影交叠的区域可以称为交叠区域。第一偏转电极可以比第二偏转电极大，反之亦然。
图3图示了两个第一偏转电极和两个第二偏转电极在衬底平面中的投影。交叠区域用条纹图示。在所示构造中，转子上的第一偏转电极101和102比封装上的第二偏转电极201和202大，并且它们部分交叠。第一交叠区域是31，并且第二交叠区域是32。图4图示了其中仅存在一个具有覆盖第一偏转电极101和102二者的至xy平面的投影的第二偏转电极201的构造。这些第一偏转电极101或102可以用来使转子偏转，但是它们不能同时使用。在这种情况下，再次用条纹示出的第一交叠区域41与第一偏转电极101重合，并且第二交叠区域42与第一偏转电极102重合。
在图1所示的第一实施方式中，转子是双侧式跷跷板框架，这意指第一纵向转子杆14和第二纵向转子杆15从转子转动轴(RRA)的一侧延伸穿过RRA到RRA的第二侧。偏转电极可以形成在一个或更多个突出区域101-104上。换言之，突出区域101-104中的一些可以连接至电压源，使得它们可以用作第一偏转电极，而突出区域101-104中的其他可以不具有电连接。第二偏转电极201-204可以在用作第一偏转电极的突出区域101-104的上方被制备在内封装平面上。第一偏转电极和第二偏转电极一起构成偏转电极对。第一偏转电极可以全部连接至相同的电位，而第二偏转电极可以连接至不同的电位。
第一偏转电极可以例如由在纵向转子杆14或15二者中的任一个上的一个第一偏转电极构成。可以将该单独的第一偏转电极放置在RRA的与横向转子杆13所在侧相同的一侧。换言之，可以在突出区域101或突出区域103上制备第一偏转电极。可替选地，可以将单独的第一偏转电极放置在RRA的相比于横向转子杆13所在侧的相对侧。在这种情况下，在突出区域102上或突出区域104上制备第一偏转电极。
如在图1中，甚至当突出区域101、102、103和104中仅有一个被用作偏转电极时，其他突出区域仍可以存在于转子中。其他突出区域可以用于其它目的，例如阻尼。可替选地，如果突出区域中的仅一个被用作偏转电极，则可以移除其他突出部，使得除了纵向杆中的被用作偏转电极的一个纵向杆上的突出区域之外纵向转子杆14和15各处都是窄的。
仅使用一对偏转电极(衬底平面中的第一偏转电极和内封装平面上的对应的第二偏转电极)的好处是与电极对的电连接容易进行，需要更少的电布线并且元件的尺寸可以更小，这降低了元件的成本。由于仅将电力施加于转子的一侧，因此当转子偏转时，转子会经受围绕其纵向对称轴(LSA，如图1所示)的转矩。可以使转子悬吊件克服该干扰，以使得它有效地防止转子围绕LSA旋转或倾斜，同时允许它围绕横向RRA旋转。
第一偏转电极可以例如由纵向转子杆14或15二者中的任一个上的两个第一偏转电极构成。换言之，例如可以通过与突出区域101和102、或者可替选地与突出区域103和104进行电连接来制备第一偏转电极。可以在内封装平面上制备对应的第二偏转电极以生成偏转电极对。RRA的第一侧的偏转电极对可以被用于使转子围绕RRA在第一方向上旋转，而RRA的第二侧的偏转电极对可以被用于使转子围绕RRA在第二方向上旋转，第一个方向与第二个方向相反。
可替选地，第一偏转电极可以由第一纵向转子杆14上的一个第一偏转电极和第二纵向转子杆15上的一个第一偏转电极构成。可以例如在突出区域101和103上制备这些第一偏转电极。可以在内封装平面上制备对应的第二偏转电极以生成偏转电极对。然后可以将偏转力在LSA的两侧对称且同时地施加于转子。为偏转电极选择的突出电极还可以是101和104或者102和103，使得第一偏转电极中的一个在横向转子旋转轴的第一侧，而第一偏转电极中的另一个在横向转子旋转轴的第二侧。
所有电极，无论是否被用于偏转，都可以在它们的正常工作模式下连接至地电位。当电极被对称地放置在RRA的两侧时，即使地电位与转子质量连接的电位不同，它们也不会产生将使质量倾斜的电力。所有由具有不同功函数的材料构成的电极对经受材料之间的电位差。该电位差通常称为内建偏置电压。由于内建偏置电压始终存在，并且在元件的使用寿命期间还可以漂移，因此将电极对称放置在RRA的两侧是重要的。将内建偏置电压与同一电极对中的转子质量和电极的外部电位差相加。当RRA的不同侧的电极被设计成彼此靠近时，由于封装应力引起的变化或电极对之内的电极间隙的温度变化可以更好地相互跟随。另外，由于内建电位电压受材料表面化学性质影响，因此如果电极对之间的距离小，则RRA两侧的电极对的变化可能更加相似。以这种方式，由电极产生的偏移误差就被最小化。
在横向转子旋转轴的任一侧，在第一纵向转子杆14上并且/或者在第二纵向转子杆15上可以存在两个或更多个突出区域。增加偏转电极对的数目增加了当转子偏转时可以赋予转子的电力。这增加了偏转幅度。还可以通过增加偏转电极的总交叠面积或者通过增加施加于电极的偏转电压来增加偏转幅度。
利用多个偏转电极的一种方式是第一偏转电极可以由与在内封装平面上制备的对应的第二偏转电极配对的在第一纵向转子杆14上例如在突出区域101和102上的两个第一偏转电极和在第二纵向转子杆15上例如在突出区域103和104上的两个第一偏转电极构成。第一偏转电极中的至少一个可以位于横向转子旋转轴的第一侧，并且第一偏转电极中的至少一个可以位于横向转子旋转轴的第二侧。
可替选地，如图1所示，第一偏转电极可以由在第一纵向转子杆14或第二纵向转子杆15上例如在突出区域101和102上或者在突出区域103和104上的两个第一偏转电极构成，使得一个第一偏转电极在横向转子旋转轴的第一侧，而另一个第一偏转电极在横向转子旋转轴的第二侧。可以在内封装平面上制备对应的第二偏转电极以在RRA的每一侧形成一个偏转电极对。
可替选地，第一偏转电极可以由第一纵向转子杆14上的一个第一偏转电极和第二纵向转子杆15上的一个第一偏转电极构成。这些第一偏转电极中的一个可以在横向转子旋转轴的第一侧，而这些第一偏转电极中的另一个可以在横向转子旋转轴的第二侧。换言之，一个第一偏转电极可以在突出区域101上形成，而另一个第一偏转电极可以在突出区域104上形成。或者一个第一偏转电极可以在突出区域102上形成，而另一个第一偏转电极可以在突出区域103上形成。如前所述，可以在内封装平面上制备对应的第二偏转电极以在RRA的每一侧和纵向对称轴(LSA)的每一侧形成一个偏转电极对。
以上描述的第一偏转电极构造中的任何可以被用于本公开内容中描述的任何实施方式中，其中，转子是双侧式跷跷板框架。
当一对偏转电极存在于横向转子旋转轴的第一侧和第二侧二者时，轴的第一侧的对可以用来使转子围绕轴在第一方向上偏转，并且转子旋转轴的第二侧的对可以用来使转子围绕轴在第二方向上偏转。第一方向可以是围绕横向转子旋转轴的顺时针方向，并且第二方向可以是逆时针方向。
在图5所示的第二实施方式中，转子是单侧式跷跷板框架。图5中的附图标记53-57、501、503、531、561-562、571-572、582、591和593分别指示与图1中的附图标记13-17、101、103、131、161-162、171-172、182、191和193指示的部件相同的部件。第一纵向转子杆54和第二纵向转子杆55延伸至横向转子旋转轴，但不穿过该轴。可以在突出区域501和503中的一者或二者上形成偏转电极。如在第一实施方式中，第一偏转电极可以由与在内封装平面上制备的对应的第二偏转电极配对的第一纵向转子杆上的一个第一偏转电极构成。这有助于轻松接触。
可替选地，第一偏转电极可以由各自与在内封装平面上制备的对应的第二偏转电极配对的第一纵向转子杆上的一个第一偏转电极和第二纵向转子杆上的一个第一偏转电极构成。换言之，在纵向对称轴(LSA)的每一侧可以存在一个偏转电极对。
在第一偏转电极的上方在内封装平面中可以存在一个第二偏转电极，并且在同一第一偏转电极的下方在内封装平面中可以存在另一个第二偏转电极。第二偏转电极中的一个可以被用于使转子围绕RRA在第一方向上偏转，而第二偏转电极中的另一个可以被用于使转子围绕RRA在第二方向上偏转。第一方向可以是顺时针方向并且第二方向可以是逆时针方向。在本公开内容的其他实施方式中提及的第一偏转电极也可以与两个第二偏转电极配对，两个第二偏转电极中的一个在第一偏转电极的上方，而两个第二偏转电极中的另一个在第二偏转电极的下方。
除了以上描述的第一传感器之外，三轴加速度计还可以包含用于测量xy平面中的加速度的两个其他传感器。图6图示了包含第二传感器61和第三传感器62的三轴加速计。图6中的都与第一传感器相关的附图标记63-67、601-604、631、661-662、671-672、682、691和693分别指示与图1中的附图标记13-17、101-104、131、161-162、171-172、182、191和193指示的部件相同的部件。
第二传感器61可以被配置成测量x轴方向上的加速度，在本公开内容中x轴称为横轴。第二传感器可以是电容式微机械加速度传感器。第三传感器62可以被配置成测量y轴方向上的加速度，在本公开内容中y轴称为纵轴。横轴与纵轴正交。第三传感器可以是电容式微机械加速度传感器。第二传感器和第三传感器可以是适于测量一个方向上的加速度的从现有技术已知的任何适用的平面传感器。
如果第一传感器中的框架形转子部分地围绕第二传感器和第三传感器，则可以在衬底平面中的小区域上制造三轴加速度计。在本公开内容中，“转子部分地围绕传感器”意指每个矩形传感器61和62的三侧面向转子的一部分。图6中的传感器的上侧面对横向转子杆63，左侧面对第一纵向转子杆64，并且右侧面对第二纵向转子杆65。
除了消耗的区域之外，与第一传感器相关的其他设计考虑包括从横向转子旋转轴到转子电极和定子电极上的测量电极的距离。距离越长，转子电极相对于定子电极的移位越大，并且电容信号越强。在图6中，转子电极指631仅附接至横向转子杆63，因此电极与转子旋转轴之间的距离可以由从横向转子杆到转子旋转轴的距离L来表示。即使转子电极指将附接至转子上的其他位置，相同的距离优化也适用。
保持第一传感器的转子锚定器和定子锚定器彼此非常靠近常常是有益的。机械应力将然后大致以相同的方式移动转子和定子，并且在转子与定子之间的差分电容式测量中不产生误差信号。如果锚定器靠近指电极所在的横向转子杆，则误差信号也较小。此外，当第一扭转杆和第二扭转杆在转子旋转轴上彼此远离时，寄生共振移向较高频率。
在图6所示的加速度计中，第一传感器中的转子悬吊件包括第一横向转子悬吊杆681和第二横向转子悬吊杆683，两个横向转子悬吊杆都从一端附接至转子锚定点682。转子悬吊件还包括附接至第一横向转子悬吊件681的第一纵向移位杆684。如所示出的，第一横向扭转弹簧691附接至第一纵向移位杆684的另一端。转子悬吊件还包括附接至第二横向转子悬吊件683的第二纵向移位杆685。第二横向扭转弹簧693附接至第二纵向移位杆685的另一端。
纵向移位杆684和685二者从横向转子悬吊件681和683沿远离横向转子杆63的方向延伸。横向转子旋转轴(RRA)因此比穿过转子锚定点682的横向线更远离横向转子杆63放置。换言之，距离L比图6所示的距离D大。该转子悬吊件构造因此允许转子锚定点662、672和682彼此靠近放置，并且它允许距离L相对较长，同时由于第二传感器61和第三传感器62被转子和转子悬吊件部分地包围因此仍然保持加速度计的总面积相对较小。
如前所述，第一偏转电极可以由在第一纵向转子杆64或第二纵向转子杆65上例如在突出区域601和602上或者在突出区域603和604上的两个第一偏转电极构成，使得一个第一偏转电极在横向转子旋转轴的第一侧，而另一个第一偏转电极在横向转子旋转轴的第二侧。可以在内封装平面上制备对应的第二偏转电极以在RRA的每一侧形成偏转电极对。第一偏转电极还可以由第一纵向转子杆64或第二纵向转子杆65二者上的两个第一偏转电极构成，使得所有四个突出区域601-604被用作偏转电极。利用对应的第二偏转电极，它们在RRA的每一侧形成两个偏转电极对。转子旋转轴的第一侧的一对偏转电极可以被用于使转子围绕轴在第一方向上偏转，并且转子旋转轴的第二侧的另一对偏转电极可以被用于使转子围绕轴在第二方向上偏转。
通过将测试电压施加于至少一个第一偏转电极和对应的第二偏转电极而在第一传感器中的转子上生成驱动力，可以在以上描述的加速度计中的任何中执行自测试。自测试可以包括第一偏转，该第一偏转使转子围绕转子旋转轴在第一方向上旋转，接着是第二偏转，该第二偏转使转子围绕转子旋转轴在第二方向上旋转。测试响应信号可以利用电容式测量来从转子电极和定子电极读取，并且可以将响应与加速度计投入使用之前编制的制成表的校准值进行比较。校准值可以包括具有阈值限制的间隔。
可以由被配置成控制加速度计的控制元件来执行自测试。控制元件可以包括处理器和存储器单元以及连接至加速度计的电控制装置。控制元件可以被配置成以有规律的间隔来自主执行自测试，并且被配置成在测量的自测试响应落在阈值限制之外时生成错误代码。
图7图示了一次施加驱动力的一种方法的步骤。图8图示了两次施加驱动力以使转子沿着两个不同方向旋转的另一种方法的步骤。图9示意性地图示了包括加速度计902和控制元件903的加速度计系统901。
第一纵向转子杆64和第二纵向转子杆65上的突出区域601-604还可以用作第一阻尼板，第一阻尼板与内封装平面上的第二偏转电极或与仅用于阻尼目的在内封装平面上制备的第二阻尼板一起可以被配置成对转子运动中的振动施加阻尼。窄杆的表面积本身不足以生成有形的阻尼效应。
换言之，不管突出区域601-604是否被用作偏转电极，它们都可以被用作阻尼板。第一纵向转子杆和第二纵向转子杆可以包括至少两个第一阻尼板，并且第二阻尼板可以在该一个或更多个第一阻尼板中的每一个的上方和/或下方被固定至内封装平面。
第一阻尼板不需要与第二阻尼板具有完全相同的尺寸、面积或xy位置。阻尼发生在第一阻尼板与第二阻尼板在衬底平面中的投影交叠的任何地方，以与图3和4所示的偏转电极相同的方式形成交叠区域。
可以通过在横向转子旋转轴的每一侧配置至少一个交叠区域来实现阻尼效应。第一交叠区域和第二交叠区域可以关于转子旋转轴对称地布置。一种对称形式是当转子旋转轴的第一侧和第二侧的所有第一和第二交叠区域对如它们在图3和4中的情况那样共享相同的形状、面积和距转子旋转轴的距离。第一交叠区域和第二交叠区域在此情况下相对于横向转子旋转轴所在的竖直平面而平面对称。
还可以以较少受限制的方式来理解关于转子旋转轴的对称性。如果转子旋转轴两侧的偏转电极对在使用相同电压时产生与转子结构相等但相反的力矩，则第一交叠区域和第二交叠区域可以被认为关于横向转子旋转轴而对称。可以由下式来描述在偏转电极中由电力产生的力矩Me：
其中，V是电压，C是电容，并且θ是移位倾角。
Claims (14)
1.一种电容式微机械加速度计，包括：
衬底，所述衬底限定了在横向方向和纵向方向上延伸的衬底平面，所述横向方向垂直于所述纵向方向；
第一传感器，所述第一传感器用于测量沿着垂直于所述衬底平面的竖直轴的加速度；以及
加速度计封装，所述加速度计封装具有与所述衬底平面相邻且平行的至少一个内封装平面，
其中，
所述第一传感器包括相对于所述衬底可移动的转子、转子悬吊件以及相对于所述衬底不可移动的一个或更多个定子，
所述转子包括一个或更多个转子电极，并且所述一个或更多个定子包括一个或更多个定子电极，所述电极被配置用于差分电容式测量，
所述转子悬吊件包括附接至所述转子的一个或更多个横向扭转弹簧，其中，所述横向扭转弹簧在横向转子旋转轴上对齐，
其特征在于，
所述转子是包括至少横向转子杆、附接至所述横向转子杆的第一纵向转子杆以及附接至所述横向转子杆的第二纵向转子杆的跷跷板框架，并且
至少一个纵向转子杆包括一个或更多个第一偏转电极，并且第二偏转电极在所述一个或更多个第一偏转电极中的每一个的上方和/或下方被固定至所述内封装平面，使得所述一个或更多个第一偏转电极中的每一个与对应的第二偏转电极在所述衬底平面中的投影在交叠区域中交叠。
2.根据权利要求1所述的电容式微机械加速度计，其特征在于，所述转子是双侧式跷跷板框架。
3.根据权利要求2所述的电容式微机械加速度计，其特征在于，所述一个或更多个第一偏转电极由所述第一纵向转子杆上的一个第一偏转电极构成。
4.根据权利要求2所述的电容式微机械加速度计，其特征在于，所述一个或更多个第一偏转电极由所述第一纵向转子杆上的一个第一偏转电极和所述第二纵向转子杆上的一个第一偏转电极构成。
5.根据权利要求4所述的电容式微机械加速度计，其特征在于，所述第一偏转电极中的一个在所述横向转子旋转轴的第一侧，而所述第一偏转电极中的另一个在所述横向转子旋转轴的第二侧。
6.根据权利要求2所述的电容式微机械加速度计，其特征在于，所述一个或更多个第一偏转电极由所述第一纵向转子杆上的两个第一偏转电极和所述第二纵向转子杆上的两个第一偏转电极构成，并且每个纵向转子杆上的一个第一偏转电极在所述横向转子旋转轴的第一侧，而每个纵向转子杆上的另一个第一偏转电极在所述横向转子旋转轴的第二侧。
7.根据权利要求2所述的电容式微机械加速度计，其特征在于，所述一个或更多个第一偏转电极由所述第一纵向转子杆或所述第二纵向转子杆上的两个第一偏转电极构成，并且一个第一偏转电极在所述横向转子旋转轴的第一侧，而另一个第一偏转电极在所述横向转子旋转轴的第二侧。
8.根据权利要求2所述的电容式微机械加速度计，其特征在于，所述一个或更多个第一偏转电极由所述第一纵向转子杆上的一个第一偏转电极和所述第二纵向转子杆上的一个第一偏转电极构成，并且所述第一偏转电极中的一个在所述横向转子旋转轴的第一侧，而所述第一偏转电极中的另一个在所述横向转子旋转轴的第二侧。
9.根据权利要求2至8中的任一项所述的电容式微机械加速度计，其特征在于，所述第一纵向转子杆和所述第二纵向转子杆还包括至少两个第一阻尼板，并且第二阻尼板在所述一个或更多个第一阻尼板中的每一个的上方和/或下方被固定至所述内封装平面，使得至少一个第一阻尼板与第二阻尼板至所述衬底平面的投影在所述横向转子旋转轴的第一侧的第一交叠区域中交叠，并且至少一个第一阻尼板与第二阻尼板至所述衬底平面的投影在所述横向转子旋转轴的第二侧的第二交叠区域中交叠。
10.根据权利要求9所述的电容式微机械加速度计，其特征在于，所述第一交叠区域与所述第二交叠区域关于包括所述横向转子旋转轴的竖直平面而平面对称。
11.根据权利要求1所述的电容式微机械加速度计，其特征在于，所述转子是单侧式跷跷板框架。
12.根据权利要求11所述的电容式微机械加速度计，其特征在于，所述一个或更多个第一偏转电极由所述第一纵向转子杆上的一个第一偏转电极构成。
13.根据权利要求11所述的电容式微机械加速度计，其特征在于，所述一个或更多个第一偏转电极由所述第一纵向转子杆上的一个第一偏转电极和所述第二纵向转子杆上的一个第一偏转电极构成。
14.一种用于执行根据权利要求1至13中的任一项所述的电容式微机械加速度计中的自测试的方法，其特征在于，通过将测试电压施加于至少一个第一偏转电极和至少一个第二偏转电极来将驱动力施加于所述第一传感器中的转子，并且利用电容式测量来从所述转子电极和所述定子电极读取测试响应信号。
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