CN219065508U - 谐振加速度计、用于其的检测结构以及电子装置 - Google Patents
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Abstract
本公开的实施例涉及谐振加速度计、用于其的检测结构以及电子装置。检测结构包括惯性质量块，惯性质量块悬置在衬底上方，并且具有提供在惯性质量块并且在惯性质量块的整个厚度上穿过它的窗口。惯性质量块通过扭转类型的第一锚定弹性元件和第二锚定弹性元件耦合到主锚定件，主锚定件布置在窗口中，并且与衬底一体。检测结构还包括具有纵向延伸的至少第一谐振元件，第一谐振元件耦合在第一弹性元件和布置在窗口中的第一约束元件之间。第一约束元件悬置在衬底上方，通过第一辅助锚定元件固定地耦合到衬底，第一辅助锚定元件在具有纵向延伸的第一谐振元件下方延伸，并且一体地耦合在第一约束元件和主锚定件之间。
Description
技术领域
本公开涉及具有改进的性能的检测结构的垂直轴线(所谓的“z轴线”)谐振加速度计。
背景技术
MEMS(微机电系统)加速度计(在该定义中还包括具有亚微米尺寸的设备)是已知的，MEMS加速度计以频率调制(FM)检测原理操作，并且能够检测垂直加速度分量，该垂直加速度分量在垂直于或超出对应检测结构的主延伸平面的方向上起作用。
在这些谐振加速度计中，待测量的外部加速度产生检测结构的一个或多个谐振元件的谐振频率的可检测变化，谐振元件由驱动电路维持振荡；谐振元件可以由检测结构的整个惯性质量块(检验质量块或自由质量块)形成，或者由耦合到同一惯性质量块的不同元件形成。
相对于其他测量原理，谐振检测具有提供准数字类型、高灵敏度、高干扰抑制和宽动态范围的直接频率输出的优点。此外，由于谐振加速度计被真空封装，并且在低压下工作，因此它们具有良好的可集成性质。
根据检测结构的配置，谐振频率的变化可能由谐振元件中存在的轴向应力和机械刚度的对应变化引起，或者由所谓的静电刚度(同一谐振元件所经受的静电刚度)的变化引起。
如图1A中示意性所示的，在其操作是基于检测由于电气刚度变化引起的谐振频率变化的加速度计的情况下，在垂直方向上(沿z轴线)作用的外部加速度aext在检测结构的惯性质量块m(弹性耦合到支撑件)上生成惯性力，该惯性力引起惯性质量块的位移，并且使同一惯性质量块和与之耦合的谐振元件r之间的距离或“间隙”变化。间隙变化产生“电气刚度”的变化，这引起谐振元件的谐振频率的对应变化，谐振元件通过致动结构a维持振荡(通常，间隙变化、随之而来的“电气刚度”变化也可能在谐振元件和与之耦合的电极之间出现)。
如图1B中示意性所示的，在其操作是基于检测由于机械刚度变化引起的谐振频率变化的加速度计的情况下，上述外部加速度aext在检测结构的惯性质量块m上生成惯性力，该惯性力引起同一惯性质量块的位移，该位移确定与其机械耦合的谐振元件r上的轴向应力(牵引轴向应力或压缩轴向应力)，该轴向应力与上述外部加速度成比例。
在基于静电刚度变化的谐振加速度计的已知解决方案之中，可以提及例如：
B.Yang，X.Wang，B.Dai，X.Liu，“A new z axis resonant micro accelerometerbased on electrostatic stiffness，”Sensors，vol.15，pp.687 702，2015；
C.Comi et al，“Sensitivity and temperature behavior of a novel z axisdifferential accelerometer，”J.Micromech Microeng，vol.26，2016；
I.Kim et al，“Wafer Level vacuum packaged out of plane and in planedifferential resonant silicon accelerometers for navigational applications”J.Semiconductor Tech.Sc.，Vol.5，no.1，pp 58-66，2005；以及
C.R.Marra，A.Tocchio，F.Rizzini，G.Langfelder，“Solving FSR versus offsetdrift tradeoffs with three axis time switched FM MEMS accelerometer”J.Microelectromech.Syst.，Vol.27，n.5，2018。
在基于机械刚度变化的谐振加速度计的已知解决方案之中，可以提及例如：
J.Wang，Y.Shang，J.Chen，Z.Sun，D.Chen，“Micro machined resonant out ofplane accelerometer with a differential structure fabricated by silicon oninsulator mems technology，”Micro&Nano Letters，vol.7(12)，pp.1230-1233，2012；以及
S.M.Zhao，Y.F.Liu，J.X.Dong，“A novel micro machined out of planeresonant accelerometer with differential structure of different heightresonant beams，”Key Engineering Materials vol.645，pp488-491，2015。
已知类型的其他谐振加速度计在例如：US 8468887 B2、US2019/0277634A1、US9377482 B2和US 8671756 B2中有所描述。
本申请人发现，Z轴线谐振加速度计的当前解决方案在任何情况下都具有一些缺点，包括：灵敏度降低、占用空间大、抑制干扰的能力有限、动态性能(dynamics)有限以及线性度降低。
因此，主要在需要特别减小的消耗和尺寸的便携式应用的情况下，上述谐振加速度计中没有一个谐振加速度计在电气特性和机械尺寸方面完全令人满意。
实用新型内容
本公开涉及用于z轴线谐振加速度计的检测结构，其具有改进的机械和电气特性，特别是在外部加速度检测的灵敏度和所得尺寸方面。
根据本公开的一个或多个方面，提供了一种用于垂直轴线谐振加速度计的检测结构，检测结构包括：衬底；惯性质量块，悬置在衬底上方，并且具有由第一水平轴线和第二水平轴线限定的主延伸的平面，垂直轴线垂直于平面；惯性质量块中的窗口，窗口贯穿惯性质量块的厚度而延伸；主锚定件，耦合到惯性质量块，并且布置在窗口中；第一锚定弹性元件和第二锚定弹性元件，耦合到主锚定件和衬底，第一锚定弹性元件和第二锚定弹性元件是扭转型的，在主锚定件的相对侧上具有纵向延伸，第一锚定弹性元件和第二锚定弹性元件被配置成使惯性质量块围绕平行于第二水平轴线的旋转轴线旋转；第一谐振元件，具有沿第一水平轴线的纵向延伸；第一辅助锚定元件，具有沿第一水平轴线的纵向延伸，并且在第一谐振元件下方延伸；以及窗口中的第一约束元件，悬置在衬底上方，并且通过第一辅助锚定元件固定地耦合到衬底，第一辅助锚定元件耦合在第一约束元件和主锚定件之间，第一谐振元件耦合在第一锚定弹性元件和第一约束元件之间。
在一个或多个实施例中，第一锚定弹性元件和第二锚定弹性元件被配置成：响应于沿垂直轴线作用的外部加速度，允许惯性质量块围绕旋转轴线的惯性旋转运动。
在一个或多个实施例中，第一谐振元件耦合到第一锚定弹性元件，使得惯性质量块围绕旋转轴线的惯性旋转运动在第一谐振元件上引起压缩或牵引的轴向应力，并且引起对应谐振频率的随之变化。
在一个或多个实施例中，第一锚定弹性元件沿垂直轴线具有第一厚度，第一谐振元件沿垂直轴线具有第二厚度，第二厚度小于第一厚度，以及第一谐振元件在第一谐振元件的相应顶部处耦合到第一锚定弹性元件和第一约束元件，并且沿垂直轴线布置在相对于衬底的一定距离处。
在一个或多个实施例中，第一辅助锚定元件在第一辅助锚定元件的相应底部处耦合到第一约束元件和主锚定件，以及第一辅助锚定元件以浮置方式插入在第一谐振元件和衬底之间，第一辅助锚定元件和第一谐振元件之间具有第一间隙，并且第一辅助锚定元件和衬底之间具有第二间隙。
在一个或多个实施例中，第一辅助锚定元件沿垂直轴线具有第三厚度，以及第一厚度等于第二厚度和第三厚度以及第一辅助锚定元件与第一谐振元件之间的第一间隙的厚度的总和。
在一个或多个实施例中，第一谐振元件在主锚定件附近耦合到第一锚定弹性元件。
在一个或多个实施例中，该检测结构还包括：一对驱动电极，沿第二水平轴线布置在第一谐振元件的相对侧上，并且被配置成以谐振振荡运动方式驱动第一谐振元件；以及两对检测电极，沿第一水平轴线布置在一对驱动电极的相对侧上，沿第二水平轴线面对第一谐振元件的相对侧，并且被配置成通过与第一谐振元件的电容耦合的变化来检测对应谐振频率的变化。
在一个或多个实施例中，驱动电极和检测电极被布置在第一辅助锚定元件上方，具有延伸到衬底并且与衬底一体的相应锚定部分，并且相对于第一辅助锚定元件在平面内横向布置，以及相应锚定部分相对于第一谐振元件的纵向延伸而布置在中心，并且相互邻近。
在一个或多个实施例中，该检测结构还包括：第二谐振元件，具有沿第一水平轴线的纵向延伸；第二辅助锚定元件，具有沿第一水平轴线的纵向延伸，并且在第二谐振元件下方延伸；以及窗口中的第二约束元件，悬置在衬底上方，并且通过第二辅助锚定元件固定地耦合到衬底，第二辅助锚定元件耦合在第二约束元件和主锚定件之间，第二谐振元件耦合在第二锚定弹性元件和第二约束元件之间。
在一个或多个实施例中，第一谐振元件被布置在窗口被旋转轴线划分的第一半中，以及第二谐振元件被布置在窗口的第二半中，相对于旋转轴线在第一谐振元件的相对侧上。
在一个或多个实施例中，第一谐振元件和第二谐振元件以及第一辅助锚定元件和第二辅助锚定元件关于主锚定件的中心以对称的方式布置。
在一个或多个实施例中，惯性质量块关于旋转轴线具有不对称的质量分布，使得惯性质量块以偏心的方式被约束到主锚定件。
根据本公开的一个或多个方面，提供了一种谐振加速度计，包括：衬底；以及检测结构，被配置成检测沿垂直轴线的线性外部加速度分量，检测结构包括：惯性质量块，悬置在衬底上方，并且具有由第一水平轴线和第二水平轴线限定的主延伸的平面，垂直轴线垂直于平面；惯性质量块中的窗口，窗口贯穿惯性质量块的厚度而延伸；主锚定件，耦合到惯性质量块，并且布置在窗口中；第一锚定弹性元件和第二锚定弹性元件，耦合到主锚定件和衬底，第一锚定弹性元件和第二锚定弹性元件是扭转型的，在主锚定件的相对侧上具有纵向延伸，第一锚定弹性元件和第二锚定弹性元件被配置成使惯性质量块围绕平行于第二水平轴线的旋转轴线旋转；第一谐振元件，具有沿第一水平轴线的纵向延伸；第一辅助锚定元件，具有沿第一水平轴线的纵向延伸，并且在第一谐振元件下方延伸；以及窗口中的第一约束元件，悬置在衬底上方，并且通过第一辅助锚定元件固定地耦合到衬底，第一辅助锚定元件耦合在第一约束元件和主锚定件之间，第一谐振元件耦合在第一锚定弹性元件和第一约束元件之间。
在一个或多个实施例中，谐振加速度计还包括：读出和致动电路，电耦合到检测结构，并且被配置成基于第一谐振元件的谐振频率值来确定线性外部加速度分量。
在一个或多个实施例中，检测结构包括：第二谐振元件，具有沿第一水平轴线的纵向延伸；第二辅助锚定元件，具有沿第一水平轴线的纵向延伸，并且在第二谐振元件下方延伸；以及窗口中的第二约束元件，悬置在衬底上方，并且通过第二辅助锚定元件固定地耦合到衬底，第二辅助锚定元件耦合在第二约束元件和主锚定件之间，第二谐振元件耦合在第二锚定弹性元件和第二约束元件之间。
在一个或多个实施例中，第一锚定弹性元件和第二锚定弹性元件被配置成：响应于沿垂直轴线作用的外部加速度，允许惯性质量块围绕旋转轴线的惯性旋转运动。
根据本公开的一个或多个方面，提供了一种电子装置，包括：衬底；以及检测结构，被配置成检测沿垂直轴线的线性外部加速度分量，检测结构包括：惯性质量块，悬置在衬底上方，并且具有由第一水平轴线和第二水平轴线限定的主延伸的平面，垂直轴线垂直于平面；惯性质量块中的窗口，窗口贯穿惯性质量块的厚度而延伸；主锚定件，耦合到惯性质量块，并且布置在窗口中；第一锚定弹性元件和第二锚定弹性元件，耦合到主锚定件和衬底，第一锚定弹性元件和第二锚定弹性元件是扭转型的，在主锚定件的相对侧上具有纵向延伸，第一锚定弹性元件和第二锚定弹性元件被配置成使惯性质量块围绕平行于第二水平轴线的旋转轴线旋转；第一谐振元件，具有沿第一水平轴线的纵向延伸；第一辅助锚定元件，具有沿第一水平轴线的纵向延伸，并且在第一谐振元件下方延伸；以及窗口中的第一约束元件，悬置在衬底上方，并且通过第一辅助锚定元件固定地耦合到衬底，第一辅助锚定元件耦合在第一约束元件和主锚定件之间，第一谐振元件耦合在第一锚定弹性元件和第一约束元件之间；读出和致动电路，电耦合到检测结构，并且被配置成基于第一谐振元件的谐振频率值来确定线性外部加速度分量；以及控制单元，电连接到读出和致动电路，并且被配置成基于线性外部加速度分量来控制电子装置。
在一个或多个实施例中，检测结构包括：第二谐振元件，具有沿第一水平轴线的纵向延伸；第二辅助锚定元件，具有沿第一水平轴线的纵向延伸，并且在第二谐振元件下方延伸；以及窗口中的第二约束元件，悬置在衬底上方，并且通过第二辅助锚定元件固定地耦合到衬底，第二辅助锚定元件耦合在第二约束元件和主锚定件之间，第二谐振元件耦合在第二锚定弹性元件和第二约束元件之间。
在一个或多个实施例中，第一锚定弹性元件和第二锚定弹性元件被配置成：响应于沿垂直轴线作用的外部加速度，允许惯性质量块围绕旋转轴线的惯性旋转运动。
该检测结构包括惯性质量块，惯性质量块悬置在衬底上方，并且具有提供在其中并且在其整个厚度上穿过它的窗口。惯性质量块通过扭转类型的第一和第二锚定弹性元件耦合到主锚定件，主锚定件布置在窗口中并且与衬底一体。第一和第二锚定弹性元件限定惯性质量块的旋转轴线，使得它们响应于沿z轴线作用的外部加速度而允许惯性质量块进行惯性旋转运动。检测结构还包括具有纵向延伸的至少第一谐振元件，第一谐振元件耦合在第一弹性元件和布置在窗口中的第一约束元件之间。第一约束元件悬置在衬底上方，通过第一辅助锚定元件固定地耦合到衬底，第一辅助锚定元件在纵向延伸的第一谐振元件下方延伸，并且一体地耦合在第一约束元件和主锚定件之间。
通过使用根据本公开的实施例，可以至少解决前述问题的至少一部分，并实现相应的效果，例如提高外部加速度检测的灵敏度以及减小尺寸。
附图说明
为了更好地理解本公开，现在仅以非限制性示例的方式参考附图描述其实施例，在附图中：
图1A和图1B分别是基于静电刚度变化和基于机械刚度变化的谐振加速度计的示意图；
图2是根据本公开的垂直轴线谐振加速度计的检测结构的示意平面图；
图3是图2的检测结构的一个实施例的透视平面图；
图4是图3的检测结构的放大部分的透视平面图；
图5A和图5B分别是图3的检测结构的其他部分的透视平面图和截面图；
图6A和图6B是图3的检测结构的部分的截面图；
图7示意性地示出了检测结构的谐振元件的变形；
图8示意性地示出了检测结构的惯性质量块由于外部加速度的旋转；以及
图9是包含检测结构的谐振加速度计和提供有该谐振加速度计的电子装置的简化框图。
具体实施方式
图2和图3分别以示意性方式和更详细的方式示出了垂直轴线(z轴线)谐振加速度计的检测结构(整体用1标示)的一个实施例。检测结构1以集成方式，利用半导体表面微机械加工技术，具体从半导体材料体(诸如硅)开始制造。
图4、图5A-图5B和图6A-图6B以详细方式示出了检测结构1的部分，以便于理解下文将描述的内容。
检测结构1包括惯性质量块2，惯性质量块2具有在由第一水平轴线x和第二水平轴线y限定的水平平面xy中主延伸，其在示例中具有一般的矩形形状；惯性质量块2在垂直于同一xy平面的方向上沿垂直轴线(z轴线)具有第一厚度w1(如图3中所示)，与上述第一水平轴线x和第二水平轴线y限定了三个正交轴线的集合。z轴线还限定了检测结构1对外部加速度的检测方向。
惯性质量块2被锚定到下面的衬底8(在图6A和图6B中进行图示，例如，诸如硅的半导体材料的衬底)，以便在静止时(即，在没有外部加速度的情况下)悬置在同一衬底8上方，其中xy平面大致平行于同一衬底8的顶表面。
惯性质量块2弹性耦合到单个主锚定件4，主锚定件4内部地布置在同一惯性质量块2在xy平面中的占用空间内；主锚定件4例如由朝向衬底8垂直延伸的柱形成，并且通过耦合区域9机械且一体地耦合到同一衬底8(再次参见前述图6A和图6B)。
主锚定件4被布置在窗口5中，窗口5被提供在惯性质量块2的内部，并且在惯性质量块2的整个厚度上穿过它；同一主锚定件4在水平平面xy中具有例如大致的正方形或矩形形状。
惯性质量块2通过第一弹性元件6a和第二弹性元件6b连接到上述主锚定件4，第一弹性元件6a和第二弹性元件6b在同一主锚定件4的相对侧上(在该示例中)沿第二水平轴线y纵向延伸并且对齐。
前述的第一弹性元件6a和第二弹性元件6b也具有沿垂直轴线z的第一厚度w1(如图5A-图5B和图6A-图6B中所示)。
具体地，第一弹性元件6a和第二弹性元件6b是扭转类型的(即，具有高弯曲刚度并且屈服于扭转)，并且被配置成维持惯性质量块2悬置在衬底8上方，并且允许惯性质量块2在xy平面之外围绕旋转轴线A的旋转运动，旋转轴线A平行于第二水平轴线y，并且由同一第一弹性元件6a和第二弹性元件6b的延伸轴线限定；另一方面，也如在下文中讨论的，该运动是惯性质量块2的第一适当模式(proper mode)。
具体地，惯性质量块2相对于第一旋转轴线A具有不对称的质量分布，使得它通过前述弹性元件6a、6b以偏心的方式被约束到主锚定件4；惯性质量块2实际上沿第一水平轴线x具有不对称的质量分布，在该示例中，第一部分2a和第二部分2b相对于旋转轴线A布置在相对的两侧，相对于第二部分2b，第一部分2a沿第一水平轴线x具有更大的延伸。
检测结构1还包括布置在窗口5中的第一谐振元件10a和第二谐振元件10b，具体地，分别布置在第一半5a和第二半5b中，其中同一窗口5由旋转轴线A划分，这些第一半5a和第二半5b关于主锚定件4的中心O对称。
换句话说，第一谐振元件10a被布置在惯性质量块2内，通过惯性质量块2的第一部分2a而提供在窗口5的第一半5a内部，；而第二谐振元件10b通过同一惯性质量块2的第二部分2b提供，被布置在窗口5的第二半5b内部，。
第一谐振元件10a和第二谐振元件10b具有关于上述中心O对称的在示例中沿着第一水平轴线x的线性延伸(沿第二水平轴线y具有小得多的尺寸，因此在水平平面xy中“较细”)，并且由锚定在两端的相应梁形成(谐振元件是所谓的“夹紧-夹紧”型)。
详细地，第一谐振元件10a和第二谐振元件10b的相应第一端在主锚定件4附近分别耦合到第一弹性元件6a、第二弹性元件6b；具体地，该相应的第一端与相应的第一弹性元件6a或第二弹性元件6b之间的耦合点位于距主锚定件4第一距离d1处(视为沿着第二水平轴线y并且沿着同一弹性元件的纵向延伸)并且位于距惯性质量块2第二距离d2处，第一距离d1比第二距离d2小，在所示示例中小很多。
第一谐振元件10a和第二谐振元件10b的相应第二端也分别耦合到悬置在衬底8上方的第一约束元件12a和第二约束元件12b。例如，第一约束元件12a和第二约束元件12b具有在水平平面xy中的大致的矩形或正方形形状，并且具有对应于前述第一厚度w1的厚度(如图4和图6A和图6B中所示)。
上述第一约束元件12a和第二约束元件12b以间接的方式，分别通过第一辅助锚定元件14a和第二辅助锚定元件14b固定地耦合到衬底8，第一辅助锚定元件14a和第二辅助锚定元件14b分别在第一谐振元件10a和第二谐振元件10b下方延伸(例如，参见上述图4、图5A-图5B和图6A-图6B)。
这些辅助锚定元件14a、14b具有沿第一水平轴线x的纵向延伸，并且以一体方式耦合到相应的第一约束元件12a、第二约束元件12b，并且此外耦合到主锚定件4(因此被插入在对应约束元件和同一主锚定件4之间并且与之接触)。
详细地，第一谐振元件10a和第二谐振元件10b具有沿z轴线的第二厚度w2(参见前述图5A-图5B和图6A-图6B，第二厚度w2小于第一厚度w1，具体地，小于或等于同一第一厚度w1的一半)，并且在其相应顶部处(即，相对于下面的衬底8沿z轴线布置在更远的距离处)一体地耦合到相应的第一弹性元件6a、第二弹性元件6b，并且耦合到相应的第一约束元件12a、第二约束元件12b。
因此，前述的第一辅助锚定元件14a和第二辅助锚定元件14b分别被布置在第一谐振元件10a和第二谐振元件10b下方，插入在同一谐振元件与衬底8之间。这些辅助锚定元件14a、14b还具有第三厚度w3，其中前述第一厚度w1对应于第二厚度w2、该第三厚度w3以及第一间隙g1的总和，第一间隙g1存在于前述第一辅助锚定元件14a和第二辅助锚定元件14b与第一谐振元件10a和第二谐振元件10b之间(参见图5B和图6A-图6B)。
如图6A-图6B中所示，第二间隙g2(在该示例中大于第一间隙g1)还存在于同一第一辅助锚定元件14a和第二辅助锚定元件14b与下面的衬底8之间。
换句话说，第一辅助锚定元件14a和第二辅助锚定元件14b相对于衬底8和相应的第一谐振元件10a或第二谐振元件10b以“浮置”方式布置。
同一第一辅助锚定元件14a和第二辅助锚定元件14b因此在对应的底部部分处(即，沿z轴线，相对于下面的衬底8布置在较近的距离处或附近)一体地耦合到相应的第一约束元件12a或第二约束元件12b，并且耦合到主锚定件4。
对于每个谐振元件10a、10b，检测结构1还包括相应的驱动电极对21，驱动电极对21以所谓的“平行板”配置布置在相应的谐振元件10a、10b的相对侧(沿第二水平轴线y)上，在该示例中相对于同一谐振元件(以及窗口5的对应半部5a、5b)的纵向延伸而在中心。
这些驱动电极21用于通过施加适当的电位差，在谐振振荡的条件下驱动(通过被称为“推挽(push-pull)”的驱动方案)相关联的谐振元件10a、10b；例如，谐振元件10a、10b可以被设置为恒定的基准偏置电压，而相关联的驱动电极21可以被设置为例如具有正弦趋势的时变驱动电压，从而引起同一谐振元件10a、10b的谐振振荡运动。
与由于要被检测的外部加速度的存在引起的惯性质量块2的旋转无关地，谐振元件10a、10b的该谐振驱动以连续方式被诱导。
在这方面，图7示出了谐振元件(在该示例中，第一谐振元件10a)的谐振振荡运动，该谐振振荡运动对应于水平平面xy中的对应第一弯曲模式。
对于每个谐振元件10a、10b，检测结构1还包括两对相应的检测电极22，两对相应的检测电极22沿第一水平轴线x布置在驱动电极21的相对侧上，并且还以“平行板”配置面对其对侧(沿第二水平轴线y)上的相应谐振元件10a、10b。
例如，如图4中所示，这些检测电极22具有沿第一水平轴线x的、平行于相应谐振元件10a、10b的纵向延伸。
检测电极22被配置成：通过与相应谐振元件10a、10b的电容耦合的变化，来检测对应谐振频率的变化(有利地，根据差分检测方案)。
驱动电极21和检测电极22具有(参见图4、图5A-图5B和图6A)沿z轴线的第二厚度w2，并且被布置在对应的第一辅助锚定元件14a或第二辅助锚定元件14b上方；此外，上述驱动电极21和检测电极22中的每个电极具有锚定部分21'、22'，锚定部分21'、22'延伸到衬底8，机械耦合到同一衬底8，相对于对应辅助锚定元件14a、14b而在外部布置或横向布置(在水平平面xy中)。
具体地，前述锚定部分21'、22'相对于对应谐振元件10a、10b(以及窗口5的对应半部5a、5b)的纵向延伸而布置在中心，相互靠近并且具有小尺寸，以便使衬底8由于残余机械应力和/或热应力引起的任何位移对同一电极的影响最小化。
例如，如前述图3和图4中所示，检测电极22在内部也具有孔，以减少与下方对应的辅助锚定元件14a、14b的电容耦合。
在操作期间，并且如图8中示意性所示，响应于沿z轴线作用的外部加速度aext，惯性质量块2按照其第一扭转模式围绕旋转轴线A旋转；该旋转被转换为谐振元件10a、10b上的轴向载荷，这尤其是由于谐振元件相对于弹性元件6a、6b和惯性质量块2的减小的厚度(并且也由于同一谐振元件在同一弹性元件6a、6b的唯一顶部部分处的耦合)。
因此，在这些谐振元件中的一个谐振元件(在所示的示例中，在第一谐振元件10a中)上生成牵引应力或伸长应力，并且在另一谐振元件(在所示的示例中，在第二谐振元件10b中)中生成对应的压缩应力。
由于机械刚度的随之变化，因此出现上述谐振元件10a、10b的谐振频率的差分变化(在该示例中，第一谐振元件10a的谐振频率增加，而第二谐振元件10b的谐振频率经受对应的减小)。
因此可以通过检测谐振元件10a、10b的上述频率变化来测量外部加速度aext。
如图9中示意性所示的，检测结构1方便地耦合到适当的电子读出和驱动电路30，电子读出和驱动电路30被配置成实施上述第一谐振元件10a和第二谐振元件10b的谐振频率值的适当处理和组合(具体地执行这些值的差)，以确定外部加速度aext的值。
检测结构1和相关联的电子读出和驱动电路30一起形成z轴线谐振加速度计32；电子电路30方便地以集成方式作为ASIC(专用集成电路)而被提供在裸片中，该裸片可以有利地被安置在封装中，该同一封装还容纳提供检测结构1的裸片。
如在同一图9中示意性所示的，提供有该谐振加速度计32的电子装置34(例如便携式装置，诸如智能电话、平板计算机、掌上计算机、膝上型计算机、电子手表或手镯、图片相机或视频相机)还包括控制单元36(例如，微处理器)，控制单元36电连接到电子读出和驱动电路30，以接收外部加速度aext的测量结果，以执行用于管理同一电子装置34的控制操作。
需要强调的是，经受谐振频率的相反变化的两个谐振元件10a、10b的存在提供了各种优势，包括：
-通过测量两个谐振元件的频率之间的差异，而不是单个谐振元件的频率变化，外部加速度aext的检测的灵敏度加倍；
-系统的线性度得到改进，即加速度计的响应可以在更宽的加速度范围内线性化。
然而，应当注意，检测结构1的不同实施例还可以包括这些谐振元件中的单个，例如第一谐振元件10a。
上述检测结构1可以有利地利用已知的半导体材料表面微加工工艺制造，例如使用所谓的ThELMA(用于微致动器和加速度计的厚外延层)工艺制造。
通常，ThELMA工艺能够实现具有相对较小厚度(例如，在20μm-30μm量级)的悬置结构的形成，悬置结构通过屈服部件(弹簧)锚定到衬底，并且因此能够例如由于惯性效果而相对于下面的硅衬底位移。该工艺包括各种制造步骤，包括：
-衬底的热氧化；
-水平电互连的沉积和图案化；
-牺牲层(具体地，氧化硅)的沉积和图案化；
-第一结构层(例如，由多晶硅制成，被设计成用于形成悬置质量块)的外延生长；
-通过沟槽蚀刻对结构层进行图案化；
-牺牲氧化物的去除，以用于释放各种悬置质量块；以及
-接触金属化的沉积。
具体地，为了制造检测结构1，可以方便地实施双ThELMA工艺，其中在衬底上外延形成的第一结构层上方外延生长另外的结构层。
在特定情况下，上述第二厚度w2可以大致对应于该另外的结构层的厚度，上述第三厚度w3可以大致对应于第一结构层的厚度，而上述第一厚度w1可以大致对应于该另外的结构层的厚度和第一结构层的厚度(以及附加地，上述第一间隙g1的厚度)的总和。
可以打开适当的沟槽以定义形成检测结构1的元件，该沟槽仅穿过另外的结构层或穿过两个结构层，直到到达衬底。
例如，如图3中所图示的，提供贯穿惯性质量块2(以及其他制造的元件的厚度)的厚度的孔，以便通过蚀刻下面的材料区域(具体地，上述牺牲氧化物)来允许相对于衬底8的释放。
本解决方案的优点根据前面的描述是清楚的。
在任何情况下，要强调的是，先前描述的检测结构1允许获得：对外部加速度aext的高灵敏度和对干扰的降低的灵敏度；在水平平面xy中的占用空间减少；高线性范围(例如，高达50g)和高动态性能(基本受惯性质量块2和衬底8之间的距离限制)。
此外，检测结构1可以利用已知类型的制造方法来进行提供，而不需要对常用工艺进行大量修改。
例如，本申请人已通过仿真表明，在1120μm(沿第一水平轴线x)、608μm(沿第二水平轴线y)和30μm(沿z轴线)的尺寸情况下，可以获得280Hz/g的灵敏度、高达17g的动态性能和小于2％(在50g时)的非线性。
最后，清楚的是，可以对已经描述和图示的内容进行修改和变化，而不由此脱离本公开的范围。
例如，需要强调的是，对于惯性质量块2，可以提供不同的形状和尺寸，只要它相对于旋转轴线A保持不平衡和偏心的特性即可；例如，惯性质量块2可以具有“T”形(即，沿第二水平轴线y，第二部分2b具有比第一部分2a更小的尺寸)。
检测结构1中也可以存在不同数目的谐振元件，例如单个谐振元件(例如，第一谐振元件10a)，或者甚至更多的元件以进一步改进其灵敏度。例如，两个谐振元件可以在相对于旋转轴线A的相对侧上耦合到每个弹性元件6a、6b。
此外，驱动电极21和检测电极22的锚定部分21'、22'可以被布置成更靠近检测结构1的主锚定件4，以进一步减少例如机械应力或热应力的干扰的影响。
用于垂直轴线谐振加速度计(32)的检测结构(1)可以被概括为包括：惯性质量块(2)，悬置在衬底(8)上方，并且具有由第一(x)水平轴线和第二(y)水平轴线定义的主延伸的平面(xy)；在惯性质量块(2)内提供的窗口(5)，该窗口(5)在惯性质量块的整个厚度上穿过惯性质量块(2)；所述惯性质量块(2)通过扭转类型的，并且在所述主锚定件(4)的相对侧具有纵向延伸的第一和第二锚定弹性元件(6a、6b)，而耦合到被布置在所述窗口(5)中，并且与所述衬底(8)一体的主锚定件(4)，所述第一和第二弹性元件(6a、6b)限定了所述惯性质量块(2)的平行于所述第二水平轴线(y)的旋转轴线(A)，并且被配置成：响应于沿垂直于所述平面(xy)的垂直轴线(z)作用的外部加速度(aext)，而允许所述惯性质量块(2)围绕所述旋转轴线(A)的惯性旋转运动；以及至少一个第一谐振元件(10a)，具有沿所述第一水平轴线(x)的纵向延伸，耦合在所述第一弹性元件(6a)和布置在所述窗口(5)中的第一约束元件(12a)之间。所述第一约束元件(12a)可以悬置在所述衬底(8)上方并且通过第一辅助锚定元件(14a)固定地耦合到所述衬底(8)，第一辅助锚定元件(14a)在具有沿所述第一水平轴线(x)的纵向延伸的所述第一谐振元件(10a)下方延伸，并且一体地耦合在所述第一约束元件(12a)和所述主锚定件(4)之间。
所述第一谐振元件(10a)可以耦合到所述第一弹性元件(6a)，使得所述惯性质量块(2)围绕旋转轴线(A)的惯性旋转运动在所述第一谐振元件(10a)上引起压缩或牵引的轴向应力，并且引起对应谐振频率的随之变化。
沿着所述垂直轴线(z)，所述第一弹性元件(6a)可以具有第一厚度(w1)并且所述第一谐振元件(10a)可以具有第二厚度(w2)，所述第二厚度(w2)相对于第一厚度(w1)更小；并且所述第一谐振元件(10a)可以在其相应顶部处一体地耦合到所述第一弹性元件(6a)和所述第一约束元件(12a)，沿所述垂直轴线(z)布置在相对于下方衬底(8)的一定距离处。
所述第一辅助锚定元件(14a)可以在其相应底部处耦合到所述第一约束元件(12a)和主锚定件(4)；并且所述第一辅助锚定元件(14a)可以以浮置方式插入在所述第一谐振元件(10a)和所述衬底(8)之间，在所述第一辅助锚定元件(14a)和所述第一谐振元件(10a)之间存在第一间隙(g1)，并且在所述第一辅助锚定元件(14a)和所述衬底(8)之间存在第二间隙(g2)。
所述第一辅助锚定元件(14a)可以具有沿所述垂直轴线(z)的第三厚度(w3)。所述第一厚度(w1)可以等于所述第二厚度(w2)和第三厚度(w3)以及在所述第一辅助锚定元件(14a)与所述第一谐振元件(10a)之间存在的第一间隙(g1)的总和。
所述第一谐振元件(10a)可以在所述主锚定件(4)附近耦合到所述第一弹性元件(6a)。
所述结构还可以包括一对驱动电极(21)，该一对驱动电极(21)沿所述第二水平轴线(y)布置在所述第一谐振元件(10a)的相对侧上，并且被配置成以谐振振荡运动方式驱动所述第一谐振元件(10a)；以及两对检测电极(22)，沿所述第一水平轴线(x)布置在驱动电极(21)的相对侧上，并且面向所述第一谐振元件(10a)沿所述第二水平轴线(y)的相对侧，被配置成通过与所述第一谐振元件(10a)的电容耦合的变化来检测对应谐振频率的变化。
所述驱动电极(21)和所述检测电极(22)可以被布置在所述第一辅助锚定元件(14a)上方，并且还具有相应锚定部分(21'，22')，相应锚定部分(21'，22')延伸到所述衬底(8)并且与所述衬底(8)一体，相对于所述第一辅助锚定元件(14a)横向布置在水平平面(xy)中。所述相应锚定部分(21'，22')相对于第一谐振元件(10a)的纵向延伸而可以被布置在中心，并且相互邻近。
该结构还可以包括第二谐振元件(10b)，第二谐振元件(10b)具有沿所述第一水平轴线(x)的纵向延伸并且耦合在所述第二弹性元件(6b)和布置在所述窗口(5)中的第二约束元件(12b)之间。所述第二约束元件(12b)可以悬置在所述衬底(8)上方，并且可以通过第二辅助锚定元件(14b)固定地耦合到所述衬底(8)，第二辅助锚定元件(14b)在所述第二谐振元件(10b)下方，具有沿所述第一水平轴线(x)的纵向延伸，并且可以一体地耦合在所述第二约束元件(12b)和所述主锚定件(4)之间。
所述第一谐振元件(10a)可以被布置在所述窗口(5)可以被所述旋转轴线(A)划分的第一半中；并且所述第二谐振元件(10b)可以被布置在所述窗口(5)的第二半中，在所述第一谐振元件(10a)相对于所述旋转轴线(A)的相对侧上。
所述第一和第二谐振元件(10a，10b)以及所述第一和第二辅助锚定元件(14a，14b)可以关于所述主锚定件(4)的中心(O)以对称的方式进行布置。
所述惯性质量块(2)关于所述旋转轴线(A)可以具有不对称的质量分布，使得它可以以偏心的方式被约束到主锚定件(4)。
谐振加速度计(32)可以被概括为包括如上所述的检测结构(1)，并且被配置成检测沿所述垂直轴线(z)定向的线性外部加速度分量(aext)。
加速度计还可以包括电耦合到所述检测结构(1)的读出和致动电路(30)。
一种电子装置(34)可以被概括为包括如上所述的谐振加速度计(32)，并且包括电连接到所述读出和致动电路(30)的控制单元(36)。
上述各种实施例可以被组合以提供另外的实施例。
可以根据以上详细描述对实施例进行这些和其他改变。一般而言，在以下权利要求中，所使用的术语不应当被解释为将权利要求限制为在说明书和权利要求中公开的特定实施例，而是应当被解释为包括所有可能的实施例以及这种权利要求被赋予的等价物的全部范围。因此，权利要求不被本公开限制。
Claims (20)
1.一种用于垂直轴线谐振加速度计的检测结构，其特征在于，所述检测结构包括：
衬底；
惯性质量块，悬置在所述衬底上方，并且具有由第一水平轴线和第二水平轴线限定的主延伸的平面，所述垂直轴线垂直于所述平面；
所述惯性质量块中的窗口，所述窗口贯穿所述惯性质量块的厚度而延伸；
主锚定件，耦合到所述惯性质量块，并且布置在所述窗口中；
第一锚定弹性元件和第二锚定弹性元件，耦合到所述主锚定件和所述衬底，所述第一锚定弹性元件和所述第二锚定弹性元件是扭转型的，在所述主锚定件的相对侧上具有纵向延伸，所述第一锚定弹性元件和所述第二锚定弹性元件被配置成使所述惯性质量块围绕平行于所述第二水平轴线的旋转轴线旋转；
第一谐振元件，具有沿所述第一水平轴线的纵向延伸；
第一辅助锚定元件，具有沿所述第一水平轴线的纵向延伸，并且在所述第一谐振元件下方延伸；以及
所述窗口中的第一约束元件，悬置在所述衬底上方，并且通过所述第一辅助锚定元件固定地耦合到所述衬底，所述第一辅助锚定元件耦合在所述第一约束元件和所述主锚定件之间，所述第一谐振元件耦合在所述第一锚定弹性元件和所述第一约束元件之间。
2.根据权利要求1所述的检测结构，其特征在于，所述第一锚定弹性元件和所述第二锚定弹性元件被配置成：响应于沿所述垂直轴线作用的外部加速度，允许所述惯性质量块围绕所述旋转轴线的惯性旋转运动。
3.根据权利要求2所述的检测结构，其特征在于，所述第一谐振元件耦合到所述第一锚定弹性元件，使得所述惯性质量块围绕所述旋转轴线的所述惯性旋转运动在所述第一谐振元件上引起压缩或牵引的轴向应力，并且引起对应谐振频率的随之变化。
4.根据权利要求1所述的检测结构，其特征在于，
所述第一锚定弹性元件沿所述垂直轴线具有第一厚度，
所述第一谐振元件沿所述垂直轴线具有第二厚度，
所述第二厚度小于所述第一厚度，以及
所述第一谐振元件在所述第一谐振元件的相应顶部处耦合到所述第一锚定弹性元件和所述第一约束元件，并且沿所述垂直轴线布置在相对于所述衬底的一定距离处。
5.根据权利要求4所述的检测结构，其特征在于，
所述第一辅助锚定元件在所述第一辅助锚定元件的相应底部处耦合到所述第一约束元件和所述主锚定件，以及
所述第一辅助锚定元件以浮置方式插入在所述第一谐振元件和所述衬底之间，所述第一辅助锚定元件和所述第一谐振元件之间具有第一间隙，并且所述第一辅助锚定元件和所述衬底之间具有第二间隙。
6.根据权利要求4所述的检测结构，其特征在于，
所述第一辅助锚定元件沿所述垂直轴线具有第三厚度，以及
所述第一厚度等于所述第二厚度和所述第三厚度以及所述第一辅助锚定元件与所述第一谐振元件之间的第一间隙的厚度的总和。
7.根据权利要求1所述的检测结构，其特征在于，所述第一谐振元件在所述主锚定件附近耦合到所述第一锚定弹性元件。
8.根据权利要求1所述的检测结构，其特征在于，还包括：
一对驱动电极，沿所述第二水平轴线布置在所述第一谐振元件的相对侧上，并且被配置成以谐振振荡运动方式驱动所述第一谐振元件；以及
两对检测电极，沿所述第一水平轴线布置在所述一对驱动电极的相对侧上，沿所述第二水平轴线面对所述第一谐振元件的相对侧，并且被配置成通过与所述第一谐振元件的电容耦合的变化来检测对应谐振频率的变化。
9.根据权利要求8所述的检测结构，其特征在于，
所述驱动电极和所述检测电极被布置在所述第一辅助锚定元件上方，具有延伸到所述衬底并且与所述衬底一体的相应锚定部分，并且相对于所述第一辅助锚定元件在所述平面内横向布置，以及
所述相应锚定部分相对于所述第一谐振元件的所述纵向延伸而布置在中心，并且相互邻近。
10.根据权利要求1所述的检测结构，其特征在于，还包括：
第二谐振元件，具有沿所述第一水平轴线的纵向延伸；
第二辅助锚定元件，具有沿所述第一水平轴线的纵向延伸，并且在所述第二谐振元件下方延伸；以及
所述窗口中的第二约束元件，悬置在所述衬底上方，并且通过所述第二辅助锚定元件固定地耦合到所述衬底，所述第二辅助锚定元件耦合在所述第二约束元件和所述主锚定件之间，所述第二谐振元件耦合在所述第二锚定弹性元件和所述第二约束元件之间。
11.根据权利要求10所述的检测结构，其特征在于，
所述第一谐振元件被布置在所述窗口被所述旋转轴线划分的第一半中，以及
所述第二谐振元件被布置在所述窗口的第二半中，相对于所述旋转轴线在所述第一谐振元件的相对侧上。
12.根据权利要求10所述的检测结构，其特征在于，所述第一谐振元件和所述第二谐振元件以及所述第一辅助锚定元件和所述第二辅助锚定元件关于所述主锚定件的中心以对称的方式布置。
13.根据权利要求1所述的检测结构，其特征在于，所述惯性质量块关于所述旋转轴线具有不对称的质量分布，使得所述惯性质量块以偏心的方式被约束到所述主锚定件。
14.一种谐振加速度计，其特征在于，包括：
衬底；以及
检测结构，被配置成检测沿垂直轴线的线性外部加速度分量，所述检测结构包括：
惯性质量块，悬置在所述衬底上方，并且具有由第一水平轴线和第二水平轴线限定的主延伸的平面，所述垂直轴线垂直于所述平面；
所述惯性质量块中的窗口，所述窗口贯穿所述惯性质量块的厚度而延伸；
主锚定件，耦合到所述惯性质量块，并且布置在所述窗口中；
第一锚定弹性元件和第二锚定弹性元件，耦合到所述主锚定件和所述衬底，所述第一锚定弹性元件和所述第二锚定弹性元件是扭转型的，在所述主锚定件的相对侧上具有纵向延伸，所述第一锚定弹性元件和所述第二锚定弹性元件被配置成使所述惯性质量块围绕平行于所述第二水平轴线的旋转轴线旋转；
第一谐振元件，具有沿所述第一水平轴线的纵向延伸；
第一辅助锚定元件，具有沿所述第一水平轴线的纵向延伸，并且在所述第一谐振元件下方延伸；以及
所述窗口中的第一约束元件，悬置在所述衬底上方，并且通过所述第一辅助锚定元件固定地耦合到所述衬底，所述第一辅助锚定元件耦合在所述第一约束元件和所述主锚定件之间，所述第一谐振元件耦合在所述第一锚定弹性元件和所述第一约束元件之间。
15.根据权利要求14所述的谐振加速度计，其特征在于，还包括：
读出和致动电路，电耦合到所述检测结构，并且被配置成基于所述第一谐振元件的谐振频率值来确定所述线性外部加速度分量。
16.根据权利要求14所述的谐振加速度计，其特征在于，所述检测结构包括：
第二谐振元件，具有沿所述第一水平轴线的纵向延伸；
第二辅助锚定元件，具有沿所述第一水平轴线的纵向延伸，并且在所述第二谐振元件下方延伸；以及
所述窗口中的第二约束元件，悬置在所述衬底上方，并且通过所述第二辅助锚定元件固定地耦合到所述衬底，所述第二辅助锚定元件耦合在所述第二约束元件和所述主锚定件之间，所述第二谐振元件耦合在所述第二锚定弹性元件和所述第二约束元件之间。
17.根据权利要求14所述的谐振加速度计，其特征在于，所述第一锚定弹性元件和所述第二锚定弹性元件被配置成：响应于沿所述垂直轴线作用的外部加速度，允许所述惯性质量块围绕所述旋转轴线的惯性旋转运动。
18.一种电子装置，其特征在于，包括：
衬底；以及
检测结构，被配置成检测沿垂直轴线的线性外部加速度分量，所述检测结构包括：
惯性质量块，悬置在所述衬底上方，并且具有由第一水平轴线和第二水平轴线限定的主延伸的平面，所述垂直轴线垂直于所述平面；
所述惯性质量块中的窗口，所述窗口贯穿所述惯性质量块的厚度而延伸；
主锚定件，耦合到所述惯性质量块，并且布置在所述窗口中；
第一锚定弹性元件和第二锚定弹性元件，耦合到所述主锚定件和所述衬底，所述第一锚定弹性元件和所述第二锚定弹性元件是扭转型的，在所述主锚定件的相对侧上具有纵向延伸，所述第一锚定弹性元件和所述第二锚定弹性元件被配置成使所述惯性质量块围绕平行于所述第二水平轴线的旋转轴线旋转；
第一谐振元件，具有沿所述第一水平轴线的纵向延伸；
第一辅助锚定元件，具有沿所述第一水平轴线的纵向延伸，并且在所述第一谐振元件下方延伸；以及
所述窗口中的第一约束元件，悬置在所述衬底上方，并且通过所述第一辅助锚定元件固定地耦合到所述衬底，所述第一辅助锚定元件耦合在所述第一约束元件和所述主锚定件之间，所述第一谐振元件耦合在所述第一锚定弹性元件和所述第一约束元件之间；
读出和致动电路，电耦合到所述检测结构，并且被配置成基于所述第一谐振元件的谐振频率值来确定所述线性外部加速度分量；以及
控制单元，电连接到所述读出和致动电路，并且被配置成基于所述线性外部加速度分量来控制所述电子装置。
19.根据权利要求18所述的电子装置，其特征在于，所述检测结构包括：
第二谐振元件，具有沿所述第一水平轴线的纵向延伸；
第二辅助锚定元件，具有沿所述第一水平轴线的纵向延伸，并且在所述第二谐振元件下方延伸；以及
所述窗口中的第二约束元件，悬置在所述衬底上方，并且通过所述第二辅助锚定元件固定地耦合到所述衬底，所述第二辅助锚定元件耦合在所述第二约束元件和所述主锚定件之间，所述第二谐振元件耦合在所述第二锚定弹性元件和所述第二约束元件之间。
20.根据权利要求18所述的电子装置，其特征在于，所述第一锚定弹性元件和所述第二锚定弹性元件被配置成：响应于沿所述垂直轴线作用的外部加速度，允许所述惯性质量块围绕所述旋转轴线的惯性旋转运动。
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