CN113375635A - 具有减小的振动校正误差的mems测斜仪 - Google Patents

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Abstract

一种具有减小的振动校正误差的MEMS测斜仪。该MEMS测斜仪包括基底、第一移动质量块和传感单元。传感单元包括第二移动质量块、多个弹性元件，弹性元件被插入在第二移动质量块与基底之间并且在与第一轴线平行的方向是柔顺的，以及多个弹性结构，多个弹性结构中的每个弹性结构被插入在第一移动质量块与第二移动质量块之间并且在与第一轴线和第二轴线平行的方向是柔顺的。传感单元进一步包括相对于基底固定的固定电极以及相对于第二移动质量块固定的移动电极，这形成了可变电容器。

Description

具有减小的振动校正误差的MEMS测斜仪
技术领域
本公开涉及一种具有减小振动校正误差的MEMS(微机电系统)测斜仪。
背景技术
众所周知，测斜仪是用于监测物体或结构相对于一个或多个参考轴线或平面的倾斜角度的设备。特别地，已知由平面外加速度计(即，对沿着与参考平面垂直的轴线的加速度敏感的加速计，该轴线通常与地球重力的方向一致)形成的测斜仪，该测斜仪被设计用于测量受约束表面的倾斜度。
在工业领域，具有极高精度和分辨率的测斜仪是必要的，例如，用于监测天线的指向、建筑物和其他建筑结构的结构健康状态以及海上平台的水平状态。
利用MEMS技术制造的测斜仪是在半导体材料(例如硅)的裸片上获得的。由于这些设备的尺寸小、精度高、可以将它们集成到电路中以改进其性能以及成本低，这使得这些设备能够广泛地扩散。
MEMS测斜仪的操作机制通常基于电容测量，即，基于与彼此相对布置的至少两个金属电极相关联的电容的测量。例如，已知测斜仪，每个测斜仪包括两个电极，两个电极彼此相对布置以便形成具有平行平面的电容器，如美国专利申请US2011/0023604A1中所述。
在上述解决方案中，描述了一种跷跷板架构，该架构包括移动质量块、基底、多个底部电极以及多个顶部电极。所述底部电极被固定到所述基底并且面向对应的顶部电极，顶部电极相对于移动质量块固定。移动质量块在静止时位于与基底平行的参考平面内，并且在使用中可以围绕中心销自由旋转，中心销将顶部电极分为第一组和第二组，第一组包括相对于中心销布置在第一侧的顶部电极，第二组包括相对于中心销布置在第二侧的顶部电极。在静止位置，第一组和第二组的顶部电极与相应的底部电极等距，因此对应的电容器具有相同的电容。在使用中，当设备受到相对于参考平面横向定向的加速度时，移动质量块围绕中心销转动。因此，例如，可能发生第一组的顶部电极接近相应的底部电极，并且第二组的顶部电极远离相应的底部电极，从而生成电容差，这指示设备的倾斜。更详细地说，第一电容C1与第二电容C2之间产生差异，第一电容C1取决于第一组的顶部电极的位置，第二电容C2取决于第二组的顶部电极的位置。特别地，第一电容C1和第二电容C2可以通过以下公式来描述：
Figure BDA0002950200830000021
Figure BDA0002950200830000022
其中ε0是真空介电常数，A是电极的面积，g0是顶部电极与底部电极之间的静止距离。此外，x表示在静止状态下的位移，因此当第一电容C1和第二电容C2相等时，x为零。相反，当测斜仪倾斜角度α时，x表示第一组顶部电极的质心在对应的底部电极方向上的位移。
为了保证电容的测量以及因此倾角的测量的准确性，MEMS倾角仪应该对不期望的外部刺激具有鲁棒性。特别地，两个主要的干扰源是机械应力，例如由于温度变化或者设备变形引起的机械应力，以及销周围的移动质量块的虚假振动，该虚假振动通常具有从几赫兹到几千赫兹的频率。
例如，在存在关于静止位置的移动质量块的虚假振动的情况下，位移x在绝对值彼此相同的正值Vp和负值Vn之间振荡。此外，第一电容C1与第二电容C2之间的差相对于位移x不是线性的。
更详细地说，如果第一电容C1和第二电容C2具有相同的电极面积A和相同的静止距离g0，则根据位移x定义第一电容C1与第二电容C2之间的差的变化的曲线是对称的，例如，如图1A中所示。因此，当位移x等于值Vp或Vn时，差DIFF分别取第一值DIFFp和第二值DIFFn，这两个值具有不同的符号但模相同。
因此，同样在存在上述振动的情况下，所述不期望的振动对测量倾斜度所基于的差值DIFF的贡献具有零平均值。因此，例如可以通过应用滤波来移除上述不期望的贡献。
相反，在顶部电极与对应的底部电极之间的静止距离针对第一组和第二组的顶部电极不相同、从而在静止状态下存在偏移gOS的情况下，使得第一电容C1和第二电容C2可以被定义为
Figure BDA0002950200830000031
Figure BDA0002950200830000032
差值DIFF具有根据非对称位移x的曲线图，如图1B所示。因此，在存在上述振荡的情况下，当位移x分别等于正值Vp或负值Vn时，差值DIFF分别取第三值DIFFp’和第四值DIFFn’，这两个值具有不同的模。因此，即使当静止位置周围出现振动时，这些振动对差值DIFF的贡献也具有非零平均值；这使得对上述贡献的滤波更加困难。因此，振动会导致倾斜角度测量的误差；这种误差被称为振动校正误差(VRE)。
在实践中，已知当前制造工艺的公差不能消除偏移gOS。然而，可以实现各种解决方案来限制误差VRE，尽管只是部分地限制。例如，有可能：通过采用更复杂和昂贵的制造工艺来最小化偏移gOS；减少每个加速度单元的电极的位移x，尽管这需要降低测斜仪的灵敏度，从而对噪声更敏感。
发明内容
在各种实施例中，本公开提供了具有减小误差VRE的MEMS测斜仪。
在至少一个实施例中，MEMS测斜仪包括基底和被悬挂在基底上的第一移动质量块。在使用中，第一移动质量块受到取决于测斜仪倾斜度的加速度。第一传感单元包括被悬挂在基底上的第二移动质量块。第一传感单元包括多个弹性元件，每个弹性元件被机械地插入在第二移动质量块与基底之间，并且在与第一轴线平行的方向上是柔顺的。第一传感单元进一步包括多个弹性结构，每个弹性结构被机械地插入在第一移动质量块与第二移动质量块之间，并且在与第一轴线和第二轴线平行的方向上是柔顺的。第一传感单元进一步包括相对于基底固定的至少一个第一固定电极，以及相对于第二移动质量块固定并且被配置为与第一固定电极一起形成第一可变电容器的至少一个第一移动电极。每个弹性结构包括至少一个相应的伸长结构，伸长结构在静止状态下，在与第三轴线平行的方向上延伸，并且在与包含第一轴线和第二轴线的平面平行的平面中，具有相对于第一轴线和第二轴线横向的惯性主轴线，使得由所述加速度引起的第一移动质量块在与第二轴线平行的方向上的运动，导致第二移动质量块在与第一轴线平行的方向上的相应的运动。
在至少一个实施例中，提供了一种MEMS测斜仪，包括基底、第一移动质量块，被悬挂在基底上并且在使用中受到取决于测斜仪的倾斜度的加速度、以及第一传感单元。第一传感单元包括：第二移动质量块，被悬挂在基底上，第二移动质量块包括沿着与第一轴线平行的第一方向延伸的第一臂以及沿着与第二轴线平行的第二方向延伸的第二臂，第一轴线垂直于第二轴线；第一弹性元件，被机械地耦合在第二移动质量块的第二臂的第一侧与基底之间，第一弹性元件在第一方向上是柔顺的；第二弹性元件，被机械地耦合在第二移动质量块的第二臂的第二侧与基底之间，第二弹性元件在第一方向上是柔顺的，第二侧沿着第一方向与第一侧相对；第三弹性元件，被机械地耦合在第二移动质量块的第二臂的第一侧与基底之间，第三弹性元件在第一方向上是柔顺的，第二移动质量块的第一臂被布置在第一弹性元件与第三弹性元件之间；第四弹性元件，被机械地耦合在第二移动质量块的第二臂的第二侧与基底之间，第四弹性元件在第一方向上是柔顺的，第二移动质量块的第一臂被布置在第二弹性元件与第四弹性元件之间；多个弹性结构，每个弹性结构被机械地插入在第一移动质量块与第二移动质量块之间，并且在第一方向上是柔顺的并且沿着第二方向为刚性；至少一个第一固定电极，相对于基底固定；以及至少一个第一移动电极，相对于第二移动质量块固定并且被配置为形成具有第一固定电极的第一可变电容器。
附图说明
为了更好地理解本公开，现在仅通过非限制性示例，参考附图来描述其实施例，其中：
图1A和图1B各自分别示出了在理想和非理想条件的假设下，根据偏移指示倾斜的电容量的曲线图；
图2是本测斜仪的实施例的示意性顶视图；
图3是图2中所示测斜仪的一部分的示意性顶视图；
图4A和图4B是图3中所示测斜仪的部分的示意性横截面视图；
图5A至图5C示意性地示出了图3中所示的测斜仪的部分在静止状态下的对应的横截面，以及对应的局部轴线对；
图6A至图6C分别示出了图5A至图5C中所示的在与静止状态不同的状态下的横截面，以及图5A至图5C中所示的在相同位置的局部轴线对；以及
图7和图8是本测斜仪的进一步的实施例的示意性顶视图。
具体实施方式
下文描述MEMS测斜仪20(在下文中更简要地称为测斜仪)，其可以用于测量平面外的倾斜度，即，相对于笛卡尔参考系XYZ的轴线Z的倾斜度。例如，测斜仪20可以被约束到物体或结构上，以便测量物体/结构的倾斜度。
如图2所示，测斜仪20包括半导体材料(例如硅)的基底21，以及由导电材料(例如多晶硅)制成的内部质量块22和外部质量块23。
测斜仪20还包括四个柱24A至24D，它们从基底21开始垂直延伸，并且它们与基底21形成整体。因此，四个柱24A至24D例如由与基底21相同的材料制成。
更详细地说，每个柱24A至24D在与轴线Z平行的方向上延伸，并且具有固定到基底21的底端(未示出)和顶端25A至25D。
内部质量块22被悬挂在基底21上并且基本上呈十字形并且由相互正交并且具有近似平行六面体形状的第一臂22A和第二臂22B形成。第一臂22A具有与轴线X平行的轴线X’，而第二臂22B具有与轴线Y平行的轴线Y’。
在静止状态下，测斜仪20相对于与笛卡尔参考系XYZ的平面ZY平行的第一对称平面Z’Y’对称。
在中心处，内部质量块22限定具有近似平行六面体形状的副腔26，以及多个第一突起部分27A和第二突起部分27B，它们的形状也类似于平行六面体，在与笛卡尔参考系XYZ的轴线Y平行的方向上伸长。
更详细地说，副腔26是贯通型的，因此完全穿过内部质量块22并且面对基底21。此外，副腔26由第一副侧壁Pl1和第二副侧壁Pl2横向限定，所述第一副侧壁Pl1和第二副侧壁Pl2由内部质量块22形成并且与平面Z’X’平行。内部质量块22的第一突起部分27A和第二突起部分27B分别从第一副侧壁Pl1和第二副侧壁Pl2向副腔26的中心延伸。
第一电极29A和第二电极29B被布置在副腔26内，第一电极29A和第二电极29B相对于底层基底21固定并且由导电材料(诸如多晶硅)制成。
更详细地说，第一电极29A和第二电极29B中的每个电极都被固定在基底21的相应的第一端，并且具有梳状形状，它们在与轴线X平行的方向上延伸，并且具有在与轴线Y平行的方向上延伸的突起。特别地，第一电极29A和第二电极29B的突起，分别由30A和30B指定。此外，第一电极29A和第二电极29B的突起30A、30B分别部分地设置在内部质量块22的第一突起部分27A和第二突起部分27B旁边。在实践中，内部质量块22的第一突起部分27A和第一电极29A的突起30A形成第一电容器31A，第一电容器31A的板是交叉的。第一电容器31A具有第一电容Cp1。同样，内部质量块22的第二突起部分27B和第二电极29B的突起30B形成第二电容器31B，第二电容器31B的板是交叉的；第二电容器31B具有第二电容Cp2。
内部质量块22的第一臂22A经由四个弹性悬挂元件28A至28D弹性地耦合到柱24A至24D的顶端25A至25D，弹性悬挂元件28A至28D例如由与内部质量块22相同的材料(例如，多晶硅)制成。
特别地，每个弹性悬挂元件28A至28D被固定到第一臂22A的对应的点和对应的柱24A至24D的顶端25A至25D。此外，每个弹性悬挂元件28A至28D在与轴线Y平行的方向上是柔顺的(compliant)，并且在与轴线Z和X平行的方向上是刚性的。
在这不意味着任何失去一般性的情况下，弹性悬挂元件28A至28D具有折叠类型的弹簧结构；即，它们各自由多个主臂(其中两个在图2中可见)形成，在静止状态下，在与轴线X平行的方向上伸长，并在与轴线Y平行的方向上连续排列，每对相邻的主臂具有由相应的连接部分连接的端部，在静止状态下，该连接部分具有在与轴线Y平行的方向上伸长的形状。
外部质量块23被悬挂在基底21上并且基本上是框架形状(例如，在顶视图中具有矩形形状)以便限定主腔50，内部质量块22在主腔50内部延伸。换言之，在顶视图中，外部质量块23包围内部质量块22。
尽管未示出，但是内部质量块22、外部质量块23和弹性悬挂元件28A至28D具有相同的厚度。
更详细地说，主腔50是贯穿型的，因此完全穿过外部质量块23，并且具有平行六面体形状。此外，主腔50由第一主侧壁PP1和第二主侧壁PP2横向限定，第一主侧壁PP1和第二主侧壁PP2由外部质量块23形成，彼此相对并且与第一对称平面Z’Y’平行。
外部质量块23的质量大于内部质量块22的质量。此外，外部质量块23通过四个弹性变换元件32A至32D弹性地耦合到内部质量块22，每个弹性变换元件32A至32D在与轴线Z和Y平行的方向上是柔顺的，并且在与轴线X平行的方向上是刚性的。
每个弹性变换元件32A至32D具有固定到外部质量块23的相应的第一端39A至39D、以及被固定到内部质量块22的第二臂22B的相应的第二端40A至40D。
详细地说，如图3和图4A至图4B所示，每个弹性变换元件32A至32D具有伸长形状，在静止状态下沿着与轴线X平行的方向延伸。
更详细地说，每个弹性变换元件32A至32D包括顶部伸长部分33、底部伸长部分34和多个横向部分35。此外，每个弹性变换元件32A至32D的顶部伸长部分33、底部伸长部分34和横向部分35例如由与内部质量块22和外部质量块23(例如，多晶硅)相同的材料制成，并且形成单个部件，尤其是单个伸长结构。
在静止状态下，顶部伸长部分33和底部伸长部分34具有平行六面体的形状，其具有与轴线X平行的轴线。
更详细地说，在下文中，将弹性变换元件32A至32D分别称为第一、第二、第三和第四弹性变换元件32A至32D。此外，在静止状态下，第一、第二、第三和第四弹性变换元件32A至32D中的每一个的顶部伸长部分33和底部伸长部分34彼此分离，并且特别是在与轴线Y平行的方向和与轴线Z平行的方向上横向错开，例如，在图4A和4B中可以看到。在不意味着任何失去一般性的情况下，顶部伸长部分33沿着Y的坐标小于底部伸长部分34沿着Y的坐标。此外，如图4A中所示，如果在与轴线Y平行的方向上观察，则顶部伸长部分33和底部伸长部分34在与轴线Z平行的方向上横向错开到彼此不重叠甚至仅部分重叠的点。
此外，第一弹性变换元件32A和第二弹性变换元件32B彼此相同并且相对于第一对称平面Z’Y’对称。此外，第一弹性变换元件32A和第二弹性变换元件32B中的每个弹性变换元件的顶部伸长部分33和底部伸长部分34具有相应的第一端，该第一端被固定到内部质量块22的第二臂22B的第一端，以及相应的第二端，该第二端被固定到外部质量块23的对应的点。同样，第三和第四弹性变换元件32C、32D彼此相同并且相对于第一对称平面Z’Y’对称。此外，第三和第四弹性变换元件32C、32D中的每一个弹性变换元件的顶部伸长部分33和底部伸长部分34具有相应的第一端，其固定到内部质量块22的第二臂22B的第二端，以及相应的第二端，其固定到外部质量块23的对应点。
再次参考图2、图3和图4A至图4B中所示的实施例，在静止状态下，第一弹性变换元件32A与第四弹性变换元件32D相同，除了在与轴线Y平行的方向上的平移。同样，第二弹性变换元件32B与第三弹性变换元件32C相同，除了上述在与轴线Y平行的方向上的平移之外。因此，第一、第二、第三和第四弹性变换元件32A至32D彼此相同。
此外，对第一、第二、第三和第四弹性变换元件32A至32D进行定向，使得在顶视图中，第一臂22A被插入在第三弹性变换元件32C和第四弹性变换元件32D的底部伸长部分34与第一弹性变换元件32A和第二弹性变换元件32B的顶部伸长部分33之间。
在第一、第二、第三和第四弹性变换元件32A至32D中的每个弹性变换元件中，横向部分35具有在与轴线Z平行的方向上伸长的形状，并且被插入在底部伸长部分34与顶部伸长部分33之间，底部伸长部分34与顶部伸长部分33被布置在每个横向部分35的相对侧上。特别地，每个横向部分35的顶部横向接触顶部伸长部分33，而横向部分35的底部横向接触底部伸长部分34。
更详细地说，如图所示，在不意味着任何失去一般性的情况下，在图3和图4B中，横向连接部分35彼此相同并且具有轴线与轴线Z平行的平行六面体的形状，例如，这些平行六面体在与轴线X平行的方向上等距。
更详细地说，图5A通过示例示出了第一弹性变换元件32A的第一端39A的横截面。此外，图5B示出了第一弹性变换元件32A的中间部分41A的横截面，该部分基本上处于与第一端39A和第二端40A等距的位置。图5C示出了第一弹性变换元件32A的第二端40A的横截面。
图5A至5C突起示出了在静止状态下，第一弹性变换元件32A的顶部伸长部分33和底部伸长部分34如何彼此相同并且相对于与轴线X平行的静止轴线38A对称。
同样地，图5A至5C中的每一个示出了所示第一弹性变换元件32A的相应截面的惯性主轴线I1、I2，假设所述截面具有无穷小的厚度。特别地，在图5A至5C的每一个中，惯性主轴线I1、I2具有相同的方向；此外，惯性主轴线I1、I2相对于轴线Y和轴线Z都是横向的。再次参考图5A至5C，在静止状态下，图中所示也是局部轴线对(分别由Ly’-Lz’、Ly”-Lz”和Ly”’-Lz”指定)，每对由分别与轴线Y和轴线Z平行并穿过所示截面形心的轴线形成。
对于第一弹性变换元件32A的每个截面，可以通过求解积分来计算相对于对应的一对局部轴线的离心惯性矩IC：
IC＝∫∫r1r2dA,
其中r1和r2分别表示截面的每个点与局部轴线对的第一轴线和第二轴线的距离，而dA是截面的面积单位。所述离心惯性矩IC不为零，因为局部轴线不是截面的对称轴线，因此与惯性主轴线I1、I2不重合。特别地，惯性主轴线I1、I2分别与平行于轴线Z的局部轴线以及平行于轴线Y的局部轴线形成角度β。
因此，参考例如图5B中所示的截面，施加在第一弹性变换元件32A上的力，例如沿着局部轴线Lz”，生成第一弹性变换元件32A的所谓的偏移弯曲。特别地，该力导致沿局部轴线Lz”的变形，这导致沿着局部轴线Ly”的后续变形。
上述关于惯性主轴线布置的考虑也适用于穿过相应横向部分35的、第一、第二、第三和第四弹性变换元件32A至32D中的每一个的截面的情况(例如，如图4B所示)。
在使用中，测斜仪20在与轴线Z平行的方向上经受直接加速度，例如由于重力或振动的加速度。此外，作用在外部质量块23上的是具有与上述加速度相反的方向的外力，所述外力具有与轴线Z平行的分量，在下文中称为外力Fi。内部质量块22相对于基底21固定，用于与轴线Z平行的位移，因为弹性悬挂元件28A至28D(内部质量块22经由弹性悬挂元件28A至28D耦合至基底21)沿着轴线Z是刚性的。因此外力Fi导致外部质量块23和第一弹性变换元件32A的第一端39A，在外力Fi的方向上相对于基底21的位移，如图6A所示(假设外力Fi的方向与轴线Z的方向一致)，因为弹性变换元件32A至32D(外部质量块23经由弹性变换元件被耦合至内部质量块22)沿着轴线Z是柔顺的。例如，第一弹性变换元件32A的第一端39A相对于静止位置远离基底21，并且更精确地在与轴线Z平行的方向上平移。
对于第一近似，第一端39A不经历参考图5B所描述的类型的变形，因为它相对于外部质量块23是固定的。相反，作用在第一弹性变换元件32A的中间部分41A上的是局部力Fi*，其取决于外力Fi并且与外力Fi平行；因此，第一弹性变换元件32A的中间部分41A受到偏移弯曲，具体如图6B中所示。特别地，第一弹性变换元件32A的中间部分41A相对于基底21经历i)在与轴线Z平行的方向上的平移(比第一端39A经历的平移程度低)，ii)在与轴线Y平行的方向上的平移，以及iii)在与平面ZY平行的平面上的旋转。此外，如图6C所示，对于第一近似值，第一弹性变换元件32A的第二端40A在与轴线Z平行的方向上不经历任何平移，因为其相对于内部质量块22固定，而内部质量块22又相对于基底21固定，但仅在与轴线Y平行的方向上，经历比第一弹性变换元件32A的中间部分41A所经历的与轴线Y平行的平移程度大的平移。
通常，关于第一弹性变换元件32A的中间部分41A的运动的考虑可以应用于第一弹性变换元件32A的除第一端39A和第二端40A之外的任何部分，尽管具有来自于沿着轴线X的不同定位的差异。此外，关于第一弹性变换元件32A的考虑也可以应用于第二、第三和第四弹性变换元件32B至32D。
在与第一、第二、第三和第四弹性变换元件32A至32D的第二端40A至40D的轴线Y平行的方向上的平移也导致在与内部质量块22的轴线Y平行的方向上的平移，因为如前所述，弹性悬挂元件28A至28D在与轴线Y平行的方向是柔顺的。因此，内部质量块22的第一突起部分27A和第一电极29A的突起30A之间的相对位置改变；同时，内部质量块22的第二突起部分27B和第二电极29B的突起30B之间的相对位置也改变。接下来是第一电容器31A和第二电容器31B的第一电容Cp1和第二电容Cp2的值的符号相反的变化，其可以以本身已知的方式检测，因此指示测斜仪20经历的倾斜。
实际上，平面外(沿着轴线Z)的加速度在与平面XY平行的平面内引起第一电容器31A和第二电容器31B中的每一个电容器的电极的位移，如上所述，第一电容器31A和第二电容器31B具有交叉结构，这进而保证了相应的电容对电极之间距离的线性依赖，从而消除了振动校正误差的问题。具体地，第一电容Cp1和第二电容Cp2分别与(Lov-xos-x)和(Lov+xos+x)成正比，其中(Lov-xos)和(Lov+xos)分别表示以下沿着X的重叠程度i)内部质量块22的第一突起27A和第一电极29A的突起30A，以及ii)内部质量块22的第二突起27B和第二电极29B的突起30B；x表示内部质量块22相对于静止位置沿着Y的位移。
图7示出了根据另一实施例的测斜仪70，现在仅参考相对于测斜仪20的区别来描述，除非另有说明。
详细地说，测斜仪70包括与测斜仪20相同的第一部分100。此外，测斜仪70包括第二部分102；第一部分100和第二部分102相对于第二对称平面S(与平面ZX平行)对称，并且此外共享基底21和外部质量块23。此外，除非另有说明，否则第二部分102的元件由与测斜仪20的对应的元件相同的参考数字增加50来指定。在实践中，第一部分100和第二部分102以与测斜仪20相同的方式工作，除了下文描述的区别。
详细地说，由内部质量块22、柱24A至24D、弹性悬挂元件28A至28D、内部质量块22的第一突起部分27A和第二突起部分27B、第一、第二、第三和第四弹性变换元件32A至32D以及第一电极29A和第二电极29B形成的整体形成第一传感单元，第一传感单元与第二传感单元相同，第二传感单元由内部质量块72、柱74A至74D、弹性悬挂元件78A至78D、内部质量块72的第一突起部分77A和第二突起部分77B、第一、第二、第三和第四弹性变换元件82A至82D以及第一电极79A和第二电极79B构成的整体形成，除了沿着轴线Y的平移以及下文所述的方面。
详细地说，在第二部分102的第一、第二、第三和第四弹性变换元件82A至82D中的每个弹性变换元件中，相应的顶部伸长部分83和相应的底部伸长部分84的布置相对于第一部分100的对应的弹性变换元件32A至32D中发生的情况相反。换言之，例如参考第二部分102的第一弹性变换元件82A(但是相同的考虑适用于第二、第三和第四弹性变换元件82B至82D)，底部伸长部分84沿着Y的坐标小于顶部伸长部分83沿着Y的坐标。以此方式，例如，参考第二部分102的第四弹性变换元件82D，这相对于第二部分100的第一弹性变换元件32A，具有相对于第二对称平面S的对称形状。
在使用中，在存在指向平面外的加速度的情况下，除了第一方向上与轴线Y平行的第一部分100的内部质量块22的平移之外，外部质量块23在与轴线Z平行的方向上的运动(例如，在图7中由MZ指定)还引起也是第二部分102的内部质量块72的平移，再次与轴线Y平行，但在与第一方向相反的第二方向上。在图7中，第一部分100和第二部分102的内部质量块22、72的可能平移的示例用MM1和MM2指定。对于第一近似值，第一部分100和第二部分102的内部质量块22、72的平移MM1、MM2具有相同的程度。换言之，第一部分100和第二部分102的内部质量块22、72以相位相反的方式运动。在这方面，可以证明弹性变换元件82A至82D的截面的惯性主轴线I1、I2沿顺时针方向旋转一角度，该角度相对于弹性变换元件32A至32D的对应的惯性主轴线的布置，等于上述角度β的两倍。
在实践中，通过以适当的方式电连接第一部分100的第一电极29A和第二电极29B以及第二部分102的第一电极79A和第二电极79B，可以改进倾斜的估计，从而改进沿Z的加速度的估计，或在与轴线Y平行的方向上测量加速度。
特别地，回顾第一部分100的第一电容器31A和第二电容器31B分别具有第一电容Cp1和第二电容Cp2，并且分别用Cp3和Cp4表示第二部分102的第一电容器81A和第二电容器81B的电容，为了使沿Z的加速度的测量独立于沿着Y的可能的加速度，可以基于以下量确定沿着Z的加速度的估计值：DELTA_Z＝(Cp2+Cp3)-(Cp1+Cp4)。事实上，由于测斜仪70沿着Y经历的可能的加速度引起的电容Cp1至Cp4的值的变化，对量DELTA_Z的贡献抵消。
此外，可以基于以下量DELTA_Y＝(Cp1+Cp3)-(Cp2+Cp4)获得测斜仪70在与轴线Y平行的方向上受到的加速度的测量。事实上，由于测斜仪70在与轴线Z平行的方向上受到的可能的加速度引起的电容Cp1至Cp4的值的变化，对量DELTA_Y的贡献被抵消。
如图8中所示，还有可能的变体，其中弹性变换元件具有与所描述的形状不同的形状。特别地，图8示出了测斜仪220，其描述仅限于相对于图2中所示的差异。
详细地说，测斜仪220包括第一锚定(anchorage)部分200和第二锚定部分202，第一锚定部分200和第二锚定部分202由与外部质量块23相同的材料制成，它们相对于外部质量块23固定并且与外部质量块23形成一个整体。此外，第一锚定部分200和第二锚定部分202具有平行六面体的形状，该平行六面体分别从主腔50的第三主侧壁PP3和第四主侧壁PP4开始向主腔50的中心延伸，主腔50的第三主侧壁PP3和第四主侧壁PP4由外部质量块23形成并且彼此相对并且与面Z’X’平行。第一锚定部分200和第二锚定部分202彼此相同并且相对于平面Z’X’对称。此外，第一锚定部分200和第二锚定部分202具有与外部质量块23相同的厚度。
此外，例如参考这里由232A指定的第一弹性变换元件(但是同样的考虑也适用于第二、第三和第四弹性变换元件232B至232D)，其具有折叠形状。
详细地说，第一弹性变换元件232A包括第一伸长结构240和第二伸长结构242以及连接臂244，它们由与内部质量块22(例如，多晶硅)相同的材料制成。
第一伸长结构240和第二伸长结构242中的每个伸长结构包括相应的顶部伸长部分(在第一伸长结构240和第二伸长结构242的情况下分别由233’和233”指定)，以及相应的底部伸长部分(在第一伸长结构240和第二伸长结构242的情况下分别由234’和234”指定)，这些伸长部分在静止状态下具有与轴线X平行的轴线的平行六面体的形状。此外，第一伸长结构240和第二伸长结构242中的每个伸长结构包括相应的多个横向部分(在第一伸长结构240和第二伸长结构242的情况下分别由235’和235”指定)，在不意味着任何失去一般性的情况下，这些横向部分彼此相同并且具有与轴线Z平行的轴线的平行六面体的形状，例如，在与轴线X平行的方向上等距。此外，为了简单起见，仅参考第一伸长结构240(但相同的考虑适用于第二伸长结构242)、顶部伸长部分233’、底部伸长部分234’和横向部分235的相互布置，例如与关于图2中所示的第一弹性变换元件32A所描述的相同。在实践中，第一伸长结构240和第二伸长结构242彼此相同，但是在与轴线Y平行的方向上平移。
连接部分244具有平行六面体的形状，其壁与平面ZY或平面ZX交替平行，并且厚度等于外部质量块23的厚度。
更详细地说，第一伸长结构240的顶部伸长部分233’和底部伸长部分234’中的每个伸长部分在相应的第一端被固定到内部质量块22的第二臂22B的对应的点，以及在相应的第二端被固定到连接部分244的对应的点。此外，第二伸长结构242的顶部伸长部分233”和底部伸长部分234”中的每个伸长部分在相应的第一端被固定到第一锚固部分200的对应的点，并且在相应的第二端被固定到连接部分244的对应的点。
如先前参考图2所解释的，第一弹性变换元件232A和第二弹性变换元件232B相对于第一对称平面Z’Y’对称。同样，第三弹性变换元件232C和第四弹性变换元件232D相对于第一对称平面Z’Y’对称。此外，第一弹性变换元件232A和第四弹性变换元件232D除了在与轴线Y平行的方向上的平移外，是相同的。第二弹性变换元件232B和第三弹性变换元件232C除了在与轴线Y平行的方向上的上述平移外，是相同的。因此，第一、第二、第三和第四弹性变换元件232A至232D彼此相同。
在使用中，第一、第二、第三和第四弹性变换元件232A至232D的行为方式与图2中所示的第一、第二、第三和第四弹性变换元件32A至32D的行为方式相同，但其特征在于给定了与主腔50相同的尺寸以及从而给定了测斜仪的尺寸的情况下，具有更大长度(理解为相应的第一伸长结构240和第二伸长结构242的长度之和)的可能性。此外，这种更大的长度导致更大的弹性，从而保证了测斜仪更大的灵敏度。
上述描述清楚地显示了本测斜仪提供的优点。特别地，本测斜仪使得能够将平面外加速度转换为平面内运动，以便为了测量加速度的目的，当具有交叉电极的可变电容器在与相应的突起的伸长的方向平行的方向上移动时，有利于可变电容器的电容变化的线性，相应的突起相对于彼此交叉。以这种方式，减小了误差VRE。此外，所描述的实施例中的至少一些实施例不仅适用于平面外加速度的测量，而且还适合用作平面内加速度计。
最后，显然可以对本文描述和说明的测斜仪进行修改和变更，而不因此背离本公开的范围。
例如，弹性变换元件的形状可以与已经描述的形状不同。例如，横向部分的形状可以与已经描述的形状不同。在这方面，横向部分的数目和间距，以及在折叠类型的弹性变换元件的情况下可能的折叠数目，可以根据弹性变换元件所需的弹性来选择。在任何情况下，至少一个横向部分的存在使得相应的底部伸长部分和顶部伸长部分能够机械地耦合，从而防止顶部伸长部分以独立的方式经历变形，从而降低平面外加速度转换为平面内运动的有效性。
此外，考虑到任何弹性变换元件，惯性主轴线的方向也有可能根据沿着所考虑的截面的平面(平行于Z’Y’)的X的位置而变化。然而，如果在一个或多个截面中，对应的惯性主轴线的方向与轴线Z和Y重合，则平面外加速度转换为平面内运动的有效性将降低。
最后，可以组合所描述的各种实施例以提供进一步的解决方案。
可以组合上述各种实施例以提供进一步的实施例。根据上述详细描述，可以对实施例进行这些和其他变更。通常，在所附权利要求中，所使用的术语不应该被解释为将权利要求限制于说明书和权利要求中公开的具体实施例，而应该被解释为包括所有可能的实施例以及这些权利要求有权获得的等效物的全部范围。因此，权利要求不受本公开的限制。

Claims (20)

1.一种微机电系统MEMS测斜仪，包括：
基底；
第一移动质量块，被悬挂在所述基底上方，并且在使用中，受到取决于所述测斜仪的倾斜度的加速度；以及
第一传感单元，所述第一传感单元包括：
第二移动质量块，被悬挂在所述基底上方；
多个弹性元件，所述多个弹性元件中的每个弹性元件被机械地插入在所述第二移动质量块与所述基底之间，并且在与第一轴线平行的方向上是柔顺的；
多个弹性结构，所述多个弹性结构中的每个弹性结构被机械地插入在所述第一移动质量块与所述第二移动质量块之间，并且在与所述第一轴线和第二轴线平行的方向上是柔顺的；
至少一个第一固定电极，所述至少一个第一固定电极相对于所述基底被固定；以及
至少一个第一移动电极，所述至少一个第一移动电极相对于所述第二移动质量块被固定，并且被配置为与所述第一固定电极一起形成第一可变电容器，
其中每个弹性结构包括至少一个相应的伸长结构，所述伸长结构在静止状态下，在与第三轴线平行的方向上延伸，并且在与包含所述第一轴线和所述第二轴线的平面平行的平面内，所述伸长结构具有相对于所述第一轴线和所述第二轴线横向的惯性主轴线，使得由所述加速度引起的所述第一移动质量块在与所述第二轴线平行的方向上的运动，导致所述第二移动质量块在与所述第一轴线平行的方向上对应的运动。
2.根据权利要求1所述的MEMS测斜仪，其中所述第一固定电极和所述第一移动电极具有相应的突起，所述突起在与所述第一轴线平行的方向上伸长并且互相交叉。
3.根据权利要求1所述的MEMS测斜仪，其中所述第三轴线垂直于与包含所述第一轴线和所述第二轴线的平面平行的所述平面。
4.根据权利要求1所述的MEMS测斜仪，其中每个伸长结构包括顶部伸长部分、底部伸长部分、以及多个横向部分，所述顶部伸长部分和所述底部伸长部分在静止状态下，在与所述第三轴线平行的方向上延伸，并且沿着所述第一轴线以及沿着所述第二轴线被间隔开，每个横向部分被插入在所述顶部伸长部分与所述底部伸长部分之间，
其中所述横向部分、所述顶部伸长部分以及所述底部伸长部分形成一个整体。
5.根据权利要求4所述的MEMS测斜仪，其中所述横向部分具有在与所述第二轴线平行的方向上伸长的形状，并且在与所述第三轴线平行的方向上被连续布置。
6.根据权利要求4所述的MEMS测斜仪，其中每个伸长结构的所述顶部伸长部分和所述底部伸长部分各自具有相应的第一端和相应的第二端，所述相应的第一端和相应的第二端分别被固定到所述第一移动质量块和第二移动质量块。
7.根据权利要求1所述的MEMS测斜仪，其中每个伸长结构被固定在所述第一移动质量块与所述第二移动质量块之间，并且在与包含所述第一轴线和所述第二轴线的所述平面平行的每个平面内，每个伸长结构具有相对于所述第一轴线和所述第二轴线横向布置的惯性主轴线。
8.根据权利要求1所述的MEMS测斜仪，其中每个弹性结构包括相应的多个伸长结构，所述多个伸长结构被连接以便形成折叠结构，所述折叠结构具有分别被固定到所述第一移动质量块和所述第二移动质量块的第一端和第二端。
9.根据权利要求8所述的MEMS测斜仪，其中，在与包含所述第一轴线和所述第二轴线的所述平面平行的每个平面内，每个伸长结构具有相对于所述第一轴线和所述第二轴线横向布置的惯性主轴线。
10.根据权利要求1所述的MEMS测斜仪，其中除了与所述第一轴线或所述第三轴线平行的平移外，所述弹性结构是相同的。
11.根据权利要求1所述的MEMS测斜仪，其中所述第二移动质量块是十字形的，并且包括第一臂和第二臂，
每个弹性结构被固定到所述第二移动质量块的所述第二臂的相应端和所述第一移动质量块，以及
每个弹性元件具有第一端和第二端，所述第一端和所述第二端分别被固定到所述第二移动质量块的所述第一臂和所述基底。
12.根据权利要求1所述的MEMS测斜仪，其中所述第二移动质量块侧面地限定面向所述基底的腔，以及
所述第一固定电极从所述基底延伸直到所述第一固定电极穿入所述腔。
13.根据权利要求1所述的MEMS测斜仪，包括第二传感单元，所述第二传感单元包括：
第三移动质量块，被悬挂在所述基底上方；
多个相应的弹性元件，所述多个相应的弹性元件中的每个弹性元件被机械地插入在所述第三移动质量块与所述基底之间，并且在与所述第一轴线平行的方向上是柔顺的；
多个相应的弹性结构，所述多个相应的弹性结构中的每个弹性结构被机械地插入在所述第一移动质量块与所述第三移动质量块之间，并且在与所述第一轴线和所述第二轴线平行的方向上是柔顺的；
至少一个相应的第一固定电极，相对于所述基底被固定；以及
至少一个相应的第一移动电极，相对于所述第三移动质量块被固定，并且被配置为与所述第二传感单元的所述第一固定电极一起形成相应的第一可变电容器，
其中所述第二传感单元的所述弹性结构被配置为：使得由所述加速度引起的所述第一移动质量块在与所述第二轴线平行的方向上的所述运动，引起所述第三移动质量块在与所述第一轴线平行的方向上的对应的运动，所述对应的运动具有与平行于所述第一轴线的方向上的所述第二移动质量块的所述运动相反的方向。
14.根据权利要求13所述的MEMS测斜仪，其中所述第一传感单元进一步包括：
相应的第二固定电极，相对于所述基底被固定；以及
相应的第二移动电极，相对于所述第二移动质量块被固定，并且被配置为与所述第一传感单元的所述第二固定电极一起形成对应的第二可变电容器，
其中所述第二传感单元进一步包括：
相应的第二固定电极，相对于所述基底被固定；以及
相应的第二移动电极，相对于所述第三移动质量块被固定，并且被配置为与所述第二传感单元的所述第二固定电极一起形成对应的第二可变电容器。
15.一种微机电系统MEMS测斜仪，包括：
基底；
第一移动质量块，被悬挂在所述基底上方，并且在使用中，受到取决于所述测斜仪的倾斜度的加速度；以及
第一传感单元，所述第一传感单元包括：
第二移动质量块，被悬挂在所述基底上方，所述第二移动质量块包括沿着与第一轴线平行的第一方向延伸的第一臂、以及沿着与第二轴线平行的第二方向延伸的第二臂，所述第一轴线垂直于所述第二轴线；
第一弹性元件，被机械地耦合在所述第二移动质量块的所述第二臂的第一侧与所述基底之间，所述第一弹性元件在所述第一方向上是柔顺的；
第二弹性元件，被机械地耦合在所述第二移动质量块的所述第二臂的第二侧与所述基底之间，所述第二弹性元件沿着所述第一方向是柔顺的，所述第二侧沿着所述第一方向与所述第一侧相对；
第三弹性元件，被机械地耦合在所述第二移动质量块的所述第二臂的所述第一侧与所述基底之间，所述第三弹性元件沿着所述第一方向是柔顺的，所述第二移动质量块的所述第一臂被布置在所述第一弹性元件与所述第三弹性元件之间；
第四弹性元件，被机械地耦合在所述第二移动质量块的所述第二臂的所述第二侧与所述基底之间，所述第四弹性元件沿着所述第一方向是柔顺的，所述第二移动质量块的所述第一臂被布置在所述第二弹性元件与所述第四弹性元件之间；
多个弹性结构，所述多个弹性结构中的每个弹性结构被机械地插入在所述第一移动质量块与所述第二移动质量块之间，并且沿着所述第一方向是柔顺的，并且沿着所述第二方向为刚性的；
至少一个第一固定电极，所述至少一个第一固定电极相对于所述基底被固定；以及
至少一个第一移动电极，所述至少一个第一移动电极相对于所述第二移动质量块被固定，并且被配置为与所述第一固定电极一起形成第一可变电容器。
16.根据权利要求15所述的MEMS测斜仪，其中每个弹性结构包括至少一个相应的伸长结构，所述相应的伸长结构在静止状态下，沿着所述第二方向延伸，并且在与包含所述第一轴线、以及与所述第一轴线和所述第二轴线垂直的第三轴线的平面平行的平面内，所述相应的伸长结构具有相对于所述第一轴线和所述第三轴线横向的惯性主轴线，使得由所述加速度引起的所述第一移动质量块在与所述第三轴线平行的方向上的运动，引起所述第二移动质量块在所述第一方向上的对应的运动。
17.根据权利要求15所述的MEMS测斜仪，其中所述多个弹性结构包括：
第一弹性结构，被耦合在所述第一移动质量块与所述第二移动质量块的所述第一臂的第一侧之间；
第二弹性结构，被耦合在所述第一移动质量块与所述第二移动质量块的所述第一臂的所述第一侧之间，所述第二移动质量块的所述第二臂被布置在所述第一弹性结构与所述第二弹性结构之间；
第三弹性结构，被耦合在所述第一移动质量块与所述第二移动质量块的所述第一臂的第二侧之间，所述第二移动质量块的所述第一臂的所述第二侧与所述第二移动质量块的所述第一臂的所述第一侧相对；以及
第四弹性结构，被耦合在所述第一移动质量块与所述第二移动质量块的所述第一臂的所述第二侧之间，所述第二移动质量块的所述第二臂被布置在所述第三弹性结构与所述第四弹性结构之间。
18.根据权利要求15所述的MEMS测斜仪，其中所述第一固定电极和所述第一移动电极具有相应的突起，所述突起沿着所述第一方向伸长并且互相交叉。
19.根据权利要求15所述的MEMS测斜仪，其中所述第一移动质量块形成框架，所述框架侧面地包围所述第二移动质量块。
20.根据权利要求15所述的MEMS测斜仪，其中所述第二移动质量块侧面地限定面向所述基底的腔，以及
所述至少一个第一固定电极从所述基底延伸，并且至少部分地延伸到所述腔中。
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