DE112019004729T5

DE112019004729T5 - 3-Achsen-Beschleunigungsmesser

Info

Publication number: DE112019004729T5
Application number: DE112019004729.9T
Authority: DE
Inventors: Jianglong Zhang; Xin Zhang
Original assignee: Analog Devices Inc
Current assignee: Analog Devices Inc
Priority date: 2018-09-21
Filing date: 2019-09-18
Publication date: 2021-06-10
Also published as: WO2020061131A8; CN112739642A; US11733263B2; CN112739642B; US20200096538A1; JP7433299B2; TW202018299A; TWI765180B; JP2022500650A; WO2020061131A1

Abstract

Ein Dreiachsen-Beschleunigungsmesser enthält eine einzelne integrierte Masse, die wenigstens eine seitliche (x-y-) Probemasse und wenigstens eine vertikale (z-) Probemasse enthält. Die vertikale Probemasse ist als eine Wippenmasse angeordnet, die sich innerhalb der seitlichen Probemasse befindet. Die vertikale Probemasse ist mit einer oder mehreren Torsionsfedern mechanisch an die seitliche Probemasse gekoppelt, und die seitliche Probemasse ist mit einer oder mehreren seitlichen Fendern mechanisch an einen oder mehrere Anker gekoppelt. Die wenigstens eine vertikale Probemasse kann um eine oder mehrere Achsen des Dreiachsen-Beschleunigungsmessers symmetrisch positioniert sein, so dass der 3-Achsen-Beschleunigungsmesser eine Ebenensymmetrie aufweist. Der Dreiachsen-Beschleunigungsmesser kann gegen mechanisches Übersprechen oder Rauschen weniger empfindlich sein und kann eine kleinere gepackte Lösung zum Erfassen der Beschleunigung in drei Richtungen bereitstellen.

Description

QUERVERWEIS AUF ZUGEHÖRIGE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung ist eine Fortführung, die die Priorität gemäß 35 USC §120 der US-Patentanmeldung Nr. 16/138,091 , eingereicht am 21. September 2018 mit dem Anwaltsaktenzeichen G0766.70249US00 und mit dem Titel „3-AXIS ACCELEROMETER“, die hier durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen ist, beansprucht.
GEBIET DER OFFENBARUNG
Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf Trägheitssensoren mit mikroelektromechanischen Systemen (MEMS-Trägheitssensoren).
HINTERGRUND
Einige Trägheitssensoren mit mikroelektromechanischen Systemen (MEMS-Trägheitssensoren) werden verwendet, um eine Beschleunigung in einer oder mehreren Richtungen zu messen, und werden als Beschleunigungsmesser bezeichnet. Diese Beschleunigungsmesser nutzen allgemein Probemassen, die federnd mit einem Substrat gekoppelt sind und die in Reaktion darauf, dass sie einer Beschleunigung ausgesetzt sind, verlagert werden. Wegen der Federkopplungen oszillieren die Probemasse(n) häufig in Reaktion auf die Beschleunigung. Die Verlagerung und/oder Oszillationsfrequenz der Probemasse(n) werden unter Verwendung kapazitiver Erfassungstechniken gemessen, die zu einem analogen Ausgangssignal führen, das für die Verlagerung oder Oszillation repräsentativ ist. Einige Beschleunigungsmesser, die als Resonanz-Beschleunigungsmesser bezeichnet sind, verwenden Antriebe, um die Probemasse(n) mit einer vorbestimmten Frequenz zu oszillieren. In Reaktion auf die Beschleunigung ändert sich die Oszillationsfrequenz der Probemasse(n). Die Frequenzabweichung von der vorbestimmten Antriebsfrequenz kann gemessen werden, um die angewandte Beschleunigung zu bestimmen.
Einige herkömmliche Dreiachsen-Beschleunigungsmesser nutzen individuelle Probemassen für jede Erfassungsrichtung. Das heißt, für einen Dreiachsen-Beschleunigungsmesser werden drei separate und mechanisch unabhängige Probemassen einsetzt, wobei jeder Richtung eine Probemasse zugewiesen ist. Typischerweise werden die seitlichen Probemassen (z. B. x- und/oder y-Achsen-Probemassen) in einer einzigen Ebene verlagert und/oder oszillieren darin. Vertikale Probemassen (z. B. die z-Achsen-Probemassen) werden allgemein in die oder aus der einzelnen Ebene verlagert und/oder oszillieren auf diese Weise.
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
Ein Dreiachsen-Beschleunigungsmesser enthält eine einzelne integrierte Masse, die wenigstens eine sich seitlich bewegende (x-y-) Masse, die mit wenigstens einer sich vertikal bewegenden (z-) Masse integriert ist, enthält. Die sich vertikal bewegende Masse ist als eine Wippe-Masse (teeter-totter mass) ausgelegt, die sich innerhalb der sich seitlich bewegenden Masse befindet. Die sich vertikal bewegende Masse ist mit der sich seitlich bewegenden Masse mit einer oder mehreren Torsionsfedern mechanisch gekoppelt, und die sich seitlich bewegende Masse ist mit einem oder mehreren Ankern oder Trägern mit einer oder mehreren sich seitlich bewegenden Fendern mechanisch gekoppelt. Die wenigstens eine sich seitlich bewegende Masse kann symmetrisch um eine oder mehrere Achsen des Dreiachsen-Beschleunigungsmessers positioniert sein, so dass der Dreiachsen-Beschleunigungsmesser Ebenensymmetrie besitzt. Der Dreiachsen-Beschleunigungsmesser kann verschiedene Vorteile bereitstellen, wobei Beispiele dafür enthalten, dass er weniger empfindlich gegenüber mechanischem Übersprechen oder Rauschen als alternative Dreiachsen-Beschleunigungsmesserkonstruktionen ist und eine kleinere Grundfläche - die weniger Chipfläche besetzt - als alternative Dreiachsen-Beschleunigungsmesserkonstruktionen aufweist.
In einigen Ausführungsformen enthält ein integrierter Einzelmasse-Dreiachsen-Beschleunigungsmesser einen x-y-Beschleunigungsdetektionsabschnitt der einzelnen Masse und einen Wippe-z-Achsen-Beschleunigungsdetektionsabschnitt der einzelnen Masse, der in den x-y-Beschleunigungsdetektionsabschnitt eingebettet ist.
In einigen Ausführungsformen enthält ein integrierter Dreiachsen-Beschleunigungsmesser einen Anker, der mit einem Substrat gekoppelt ist, eine kombinierte x-y-Beschleunigungsdetektionsprobemasse und eine erste und eine zweite Wippe-z-Achsen-Beschleunigungsdetektionsprobemasse, die in der x-y-Beschleunigungsdetektionsprobemasse eingebettet ist. Die kombinierte x-y-Beschleunigungsdetektionsprobemasse ist mit dem Anker durch eine erste Haltevorrichtung (tether) gekoppelt, und die erste und die zweite Wippe-z-Beschleunigungsdetektionsprobemassen sind mit der x-y-Beschleunigungsdetektionsprobemasse durch eine zweite Haltevorrichtung bzw. eine dritte Haltevorrichtung gekoppelt.
In einigen Ausführungsformen enthält ein integrierter Einzelmasse-Dreiachsen-Beschleunigungsmesser einen x-y-Beschleunigungsdetektionsabschnitt der einzelnen Masse und wenigstens einen Wippe-z-Achsen-Beschleunigungsdetektionsabschnitt der einzelnen Masse, der in den x-y-Beschleunigungsdetektionsabschnitt eingebettet ist. Der Beschleunigungsmesser ist um sowohl eine x-Achse als auch eine y-Achse des Beschleunigungsmessers symmetrisch.
Figurenliste
Verschiedene Aspekte und Ausführungsformen der Anmeldung werden mit Bezug auf die folgenden Figuren beschrieben. Es ist zu verstehen, dass die Figuren nicht notwendigerweise maßstabsgerecht gezeichnet sind. Gegenstände, die in mehreren Figuren auftreten, sind in allen Figuren, in denen sie auftreten, durch das gleiche Bezugszeichen angegeben.

1 ist eine Draufsicht einer Ausführungsform eines Dreiachsen-Beschleunigungsmessers, der eine z-Achsen-Probemasse eingebettet in eine x-y-Achsen-Probemasse aufweist;
2 ist eine Draufsicht einer Ausführungsform eines Dreiachsen-Beschleunigungsmessers, der zwei z-Achsen-Probemassen eingebettet in eine x-y-Achsen-Probemasse aufweist;
3 ist eine Draufsicht einer zu der von 2 alternativen Ausführungsform, die einen Dreiachsen-Beschleunigungsmesser, der zwei z-Achsen-Probemassen eingebettet in eine x-y-Achsen-Probemasse aufweist, repräsentiert;
4 ist eine Draufsicht einer Ausführungsform eines Dreiachsen-Beschleunigungsmessers, der vier z-Achsen-Probemassen eingebettet in eine x-y-Achsen-Probemasse aufweist; und
5 ist eine Draufsicht einer zu der von 4 alternativen Ausführungsform, die einen Dreiachsen-Beschleunigungsmesser, der vier z-Achsen-Probemassen eingebettet in eine x-y-Achsen-Probemasse aufweist, repräsentiert.
6 stellt ein Kraftfahrzeug dar, das wenigstens einen Dreiachsen-Beschleunigungsmesser gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung enthalten kann.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die Erfinder haben erkannt, dass herkömmliche Dreiachsen-Beschleunigungsmesser mit mehreren unabhängigen Probemassen für jede Erfassungsachse für viele Anwendungen zu groß und/oder zu teuer sind. Solche Dreiachsen-Beschleunigungsmesser besetzen einen erheblichen Platz (Chip-Grundfläche), da jede Probemasse sowohl eine eigene Erfassungsschaltungsanordnung als auch Anker und Federn benötigt. Einige Dreiachsen-Beschleunigungsmesser adressieren dieses Problem durch Nutzen nur einer einzelnen massiven Probemasse zum Erfassen der Beschleunigung in allen drei Richtungen. Die Erfinder haben jedoch erkannt, dass eine solche Konstruktion in hohem Maße gegen mechanische Belastung und/oder mechanisches Übersprechen empfindlich ist, da die einzelne massive Probemasse manchmal in irgendeiner der drei Erfassungsrichten angeregt wird, unabhängig von der angewandten Beschleunigung. Diese/s mechanische Belastung und/oder mechanische Übersprechen ist unerwünscht, da es sich in schlechte Leistungsfähigkeit des Beschleunigungsmessers umwandelt.
Um dieses Problem zu adressieren, nutzen einige Dreiachsen-Beschleunigungsmesser integrierte Probemassen mit einer x-y-Achsen-Masse, die von einer separaten z-Achsen-Probemassen umgeben ist. Die Erfinder haben jedoch erkannt, dass diese Beschleunigungsmesser Nachteile, die geringe Genauigkeit und einen hohen z-Achsen-Versatzfehler enthalten, besitzen. Eine einzelne z-Achsen-Probemasse als äußere Masse ist in Bezug auf ihre Drehachse unsymmetrisch, was zu einem Moden-Übersprechen in dem Dreiachsen-Beschleunigungsmesser führen kann. Außerdem haben die Erfinder erkannt, dass eine solche Konfiguration zu größeren Signalversatzfehlern für die z-Achsen-Probemasse führt, weil sie notwendigerweise weiter von der Drehachse entfernt positioniert ist als sie sein könnte, falls die x-y-Achsenmasse nicht in ihrem Inneren angeordnet wäre.
Im Hinblick auf das Vorstehende stellen Aspekte der vorliegenden Anmeldung einen integrierten Dreiachsen-Beschleunigungsmesser bereit, der eine x-y-Achsen-Probemasse mit einer eingebetteten Probenmasse zur Detektion der z-Achsen-Beschleunigung enthält. Eine solche Anordnung kann in einer kleineren Grundfläche als alternative Konstruktionen implementiert sein und kann eine verbesserte Genauigkeit relativ zu herkömmlichen Einzelmasse-Beschleunigungsmessern aufgrund des reduzierten mechanischen Übersprechens und z-Achsen-Versatzfehlers aufweisen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Anmeldung ist ein integrierter Einzelmasse-Dreiachsen-Beschleunigungsmesser bereitgestellt. Der Beschleunigungsmesser enthält eine x-y-Achsen-Probemasse, die dazu ausgebildet ist, sich in den seitlichen Richtungen (z. B. der x- und der y-Richtung) in einer Ebene zu bewegen. Die x-y-Achsen-Probemasse enthält eine eingebettete Masse, die dazu ausgebildet, sich aus der Ebene in einer vertikalen Richtung (z. B. der z-Richtung) zu schwenken. In einigen Ausführungsformen ist die eingebettete Masse eine Wippe-Masse, die dazu ausgebildet ist, sich in die und aus der x-y-Ebene zu drehen. Da die eingebettete z-Achsen-Probemasse in die x-y-Achsen-Probemasse integriert ist, trägt sie auch zur x-y-Bewegung bei. Somit kann der Beschleunigungsmesser als ein Einzelmasse-Dreiachsen-Beschleunigungsmesser bezeichnet sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Anmeldung enthält ein integrierter Einzelmasse-Dreiachsen-Beschleunigungsmesser eine Probemasse, die dazu ausgebildet ist, sich in der x- und der y-Richtung in einer Ebene zu bewegen, wobei zwei oder mehr eingebettete Massen dazu ausgebildet sind, sich aus der Ebene in der z-Richtung zu bewegen. Der Beschleunigungsmesser kann um eine oder mehrere Achsen symmetrisch sein, wie z. B. um die x- und die y-Achse symmetrisch sein (hier als „Ebenensymmetrie“ bezeichnet). Die symmetrische Konstruktion kann das Auftreten von mechanischem Übersprechen zwischen den x-, y- und z-Achsen-Moden reduzieren und eine bessere Versatzleistung bieten.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Anmeldung enthält ein integrierter Einzelmasse-Dreiachsen-Beschleunigungsmesser eine einzelne Probemasse mit einem x-y-Beschleunigungsdetektionsabschnitt und einem z-Beschleunigungsdetektionsabschnitt, der in den x-y-Beschleunigungsdetektionsabschnitt eingebettet ist. Der Beschleunigungsmesser kann um sowohl eine x-Achse als auch eine y-Achse des Beschleunigungsmessers symmetrisch sein und somit Ebenensymmetrie zeigen.
Wie hier verwendet ist eine „x-y-Achsen-Probemasse“ eine, die dazu ausgebildet ist, sich in der x-y-Ebene zu bewegen. Eine „z-Achsen-Probemasse“ ist eine, die dazu ausgebildet ist, sich in der z-Richtung zu bewegen, beispielsweise durch Drehung um die x-y-Ebene.
1 bildet eine Ausführungsform eines Dreiachsen-Beschleunigungsmessers gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung ab. In dieser nicht einschränkenden Ausführungsform enthält der Dreiachsen-Beschleunigungsmesser 100 eine x-y-Achsen-Probemasse mit einer eingebetteten z-Achsen-Probemasse. Die x-y-Achsen-Probemasse ist mit einem festen Lager, wie z. B. einem Substrat, gekoppelt, und die eingebettete z-Achsen-Probemasse ist mit der x-y-Achsen-Probemasse gekoppelt. Bezug nehmend auf die Figur enthält der Dreiachsen-Beschleunigungsmesser 100 eine x-y-Achsen-Probemasse 110 und eine eingebettete z-Achsen-Probemasse 120, die einen ersten Abschnitt 122 und einen zweiten Abschnitt 124 (die manchmal als positiver bzw. negativer Abschnitt bezeichnet sind) enthält. Der Dreiachsen-Beschleunigungsmesser 100 enthält außerdem ein Substrat 102, Anker 104, x-y-Haltevorrichtungen 112 und z-Haltevorrichtungen 126.
Das Substrat 102 funktioniert als eine Basis für den Beschleunigungsmesser. Das heißt, das Substrat 102 kann die Probemasse lagern, und die Probemasse kann sich relativ zu dem Substrat 102 bewegen. Das Substrat 102 kann aus irgendeinem geeigneten Material wie z. B. einem Halbleitermaterial (z. B. Silizium) gebildet sein. Das Substrat kann eine Antriebs- und/oder Erfassungsschaltungsanordnung enthalten, wie z. B. Elektroden, Antriebsschaltungen, Filterschaltungen oder irgendeine andere Schaltungsanordnung für den Betrieb des Dreiachsen-Beschleunigungsmessers. In einigen Ausführungsformen repräsentieren die Anker 104 Erweiterungen des Substrats 102, wie z. B. dass sie vertikale Säulen des Substrats sind. Es sind jedoch Alternativen möglich. Beispielsweise können die Anker 104 in einigen Ausführungsformen aus einem separaten Material gebildet sein. Die Anker selbst können mit den x-y-Haltevorrichtungen 112 gekoppelt sein, um die x-y-Achsen-Probemasse (und indirekt die z-Achsen-Probemasse) oberhalb des Substrats 102 aufzuhängen.
Die x-y-Achsen-Probemasse 110 ist dazu ausgebildet, die Beschleunigung in der x- und der y-Richtung zu detektieren. Insbesondere ist die x-y-Achsen-Probemasse 110 so angeordnet, dass sie sich in seitlichen Richtungen (x- und y-Richtungen) in Reaktion auf Beschleunigung in diesen Richtungen bewegt. Die resultierende Bewegung der x-y-Achsen-Probemasse 110 kann gemessen werden und verwendet werden, um die Beschleunigung in der x- und/oder der y-Richtung zu berechnen. Die x-y-Haltevorrichtungen 112 sind so angeordnet, dass sie die x-y-Achsen-Probemasse 110 mit den Ankern 104 koppeln und eine Bewegung der x-y-Achsen-Probemasse 110 in der x- und der y-Richtung ermöglichen. Zusätzlich sind die x-y-Haltevorrichtungen 112 in der z-Richtung starr, um mechanisches Übersprechen der x-y-Achsen-Probemasse 110 zu reduzieren oder zu eliminieren. Die x-y-Haltevorrichtungen 112 stellen eine Rückstellkraft für die x-y-Achsen-Probemasse 110 bereit. In diesem nicht einschränkenden Beispiel sind die x-y-Haltevorrichtungen 112 als eine Sprungfeder ausgelegt, die in einer ersten Richtung (z. B. der x-Richtung) komprimiert und in einer zweiten ebeneninternen Richtung (z. B. der y-Richtung) dreht. Andere Konfigurationen der Haltevorrichtungen 112 sind jedoch möglich.
Die x-y-Achsen-Probemasse 110 kann verschiedene geeignete Formen und Abmessungen aufweisen und kann aus irgendeinem geeigneten Material gebildet sein. In dem dargestellten nicht einschränkenden Beispiel ist die x-y-Achsen-Probemasse 110 im Wesentlichen rechteckig und weist eine im Wesentlichen rechteckige äußere Umfangsfläche auf. Die Abmessungen der x-y-Achsen-Probemasse können irgendwelche geeigneten Abmessungen sein. Beispielsweise können die Seiten der äußeren Umfangsfläche der x-y-Achsen-Probemasse jeweils im Bereich von 50-500 Mikrometer (der irgendwelche Werte innerhalb dieses Bereichs einschließt) sein, oder können irgendwelche anderen geeigneten Werte sein. Die x-y-Achsen-Probemasse kann aus irgendeinem geeigneten Material wie z. B. Silizium gebildet sein. In einigen Ausführungsformen ist die x-y-Achsen-Probemasse 110 dadurch gebildet, dass sie aus dem Substrat 102 geätzt wird, obwohl alternative Herstellungsprozesse möglich sind. In einigen Ausführungsformen sind die x-y-Haltevorrichtungen 112 aus dem gleichen Material gebildet. Beispielsweise können die x-y-Achsen-Probemasse 110 und die x-y-Haltevorrichtungen 112 aus einer gemeinsamen Siliziumschicht des Substrats 102 geätzt sein.
Die x-y-Achsen-Probemasse 110 kann in einigen Ausführungsformen Antriebs/Erfassungs-Elektroden enthalten. Beispielsweise kann die Bewegung der x-y-Achsen-Probemasse 110 unter Verwendung von Kammfingern, die an irgendeinem geeigneten Ort der x-y-Achsen-Probemasse positioniert sein können, detektiert werden. Beispielsweise können die Finger in den Bereichen positioniert sein, die durch die Kästen 114 abgegrenzt sind, und können irgendeine geeignete Konfiguration aufweisen. Das Substrat 102 kann entsprechende Antriebs/Erfassungs-Elektroden enthalten. Die Elektroden können kapazitives Erfassen der Bewegung der x-y-Achsen-Probemasse 110 ermöglichen. Wenn mehrere Kammantriebe eingesetzt sind, kann differentielles Erfassen verwendet werden, was verbesserte Genauigkeit und Präzision des Beschleunigungsmessers bereitstellen kann. Separate Kammantriebe können für jede aus der x- und der y-Achse verwendet werden. In einigen Ausführungsformen können die Antriebselektroden verwendet werden, um die x-y-Achsen-Probemasse und die z-Achsen-Probemasse mit einer vorbestimmten Frequenz um die Ruheposition zu oszillieren.
Die z-Achsen-Probemasse 120 ist als eine Wippe-Masse mit einem erste Abschnitt 122 und einem zweiten Abschnitt 124, die Abschnitte der z-Achsen-Probemasse 120 auf separaten Seiten der Drehachse der z-Haltevorrichtung 126 repräsentieren, ausgelegt. Dementsprechend ist die z-Achsen-Probemasse so ausgelegt, sich in die x-y-Ebene oder aus ihr heraus zu drehen. Der erste Abschnitt 122 besitzt eine größere Masse als der zweite Abschnitt 124. Dieses Massenungleichgewicht veranlasst die z-Achsen-Probemasse 120, sich in Reaktion auf eine angewandte z-Achsen-Beschleunigung zu drehen. Die z-Haltevorrichtungen 126 sind als Torsionsfedern ausgelegt, die der Drehung der x-y-Achsen-Probemasse widerstehen und die z-Achsen-Probemasse in eine Ruheposition zurückstellen. Die z-Haltevorrichtungen 126 koppeln die z-Achsen-Probemasse mit der x-y-Achsen-Probemasse. Weil die z-Achsen-Probemasse 120 nur mit der x-y-Achsen-Probemasse 110 und nicht direkt mit dem Substrat 102 gekoppelt ist, bewegt sich die z-Achsen-Probemasse 120 in der x-y-Ebene mit der x-y-Achsen-Probemasse 110 und kann somit als Teil der x-y-Achsen-Probemasse 110 betrachtet werden. Die z-Achsen-Probemasse 120 ist in die x-y-Achsen-Probemasse 110 eingebettet, weil sie sich mit der x-y-Achsen-Probemasse 110 bewegt. Da die z-Achsen-Probemasse in die x-y-Achsen-Probemasse eingebettet ist, trägt die z-Achsen-Probemasse zu den x-y-Erfassungsrichtungen bei. Die z-Achsen-Probemasse ist jedoch von der x-y-Achsen-Probemasse in der z-Richtung durch die z-Haltevorrichtungen entkoppelt, so dass die x-y-Achsen-Probemasse nicht zu der Erfassung in z-Richtung beiträgt. Weil die z-Achsen-Probemasse in die x-y-Achsen-Probemasse eingebettet ist, können sie so betrachtet werden, dass sie eine einzige Probemasse bilden, wobei die x-y-Achsen-Probemasse einen Abschnitt der einzelnen Probemasse repräsentiert und die z-Achsen-Probemasse einen zweiten Abschnitt der Probemasse repräsentiert. Somit sollte erkannt werden, dass wenigstens einige der Aspekte der vorliegenden Anmeldung so betrachtet werden können, dass sie eine einzelne, integrierte Probemasse zum Erfassen der Beschleunigung in drei Richtungen bereitstellen und dass die einzelne, integrierte Probemasse einen x-y-Beschleunigungsdetektionsabschnitt und einen z-Beschleunigungsdetektionsabschnitt enthalten kann.
Die z-Achsen-Probemasse 120 kann Elektroden enthalten, die das Erfassen/Antreiben ihrer Bewegung ermöglichen. Beispielsweise können der erste und der zweite Abschnitt 122 und 124 dotiert sein, so dass sie leitfähig sind, oder können leitfähige Schichten (z. B. Metallschichten) enthalten, und können eine Kapazität mit Strukturen (z. B. Elektroden) auf dem der z-Achsen-Probemasse zugrunde liegenden Substrat 102 bilden. Die Kapazitäten können kapazitives Erfassen und/oder Antreiben der z-Achsen-Probemasse ermöglichen.
Wie in 1 gezeigt ist der Dreiachsen-Beschleunigungsmesser 100 symmetrisch um die x-Achse. Das heißt, auf jeder Seit der Mittellinie A-A' in Längsrichtung parallel zu der x-Achse weist der Beschleunigungsmesser eine gleiche Verteilung der Masse auf, die sowohl die x-y-Achsen-Probemasse 110 als auch die z-Achsen-Probemasse 120 enthält. Gemäß der Ausführungsform von 1 ist der Beschleunigungsmesser 100 nicht symmetrisch um die y-Achse. Da die z-Achsen-Probemasse eine Wippe-Masse ist, weist die z-Achsen-Probemasse eine ungleiche Gewichtsverteilung um die y-Achse auf. Dementsprechend besitzt der Beschleunigungsmesser eine teilweise Ebenensymmetrie - Symmetrie um eine aus der x- und der y-Achse - jedoch keine vollständige Ebenensymmetrie (Symmetrie um sowohl die x- als auch die y-Achse). In einigen Ausführungsformen können das Substrat, die Anker und die Antriebs- und/oder Erfassungs-Elektroden eine teilweise oder vollständige Ebenensymmetrie oder irgendeine andere geeignete Anordnung besitzen, da die vorliegende Offenbarung nicht so eingeschränkt ist.
Variationen der Haltevorrichtungen 112 sind möglich, was die Anzahl, die Positionierung, die Orientierung, die Form und das Material enthält. In einigen Ausführungsformen können die x-y-Haltevorrichtungen 112 als separate x-Haltevorrichtungen und y-Haltevorrichtungen ausgelegt sein. Das heißt, der Beschleunigungsmesser 100 kann sowohl x-Haltevorrichtungen, die dafür ausgelegt sind, die Verlagerung der x-y-Achsen-Probemasse 110 in der x-Richtung zu ermöglichen, als auch y-Haltevorrichtungen, die dafür ausgelegt sind, die Verlagerung der x-y-Achsen-Probemasse in der y-Richtung zu ermöglichen, enthalten. Die separaten x- und y-Haltevorrichtungen können irgendeine geeignete Feder sein, die dafür ausgelegt ist, eine Rückstellkraft für die x-y-Achsen-Probemasse bereitzustellen. Beispielsweise enthalten mögliche x- und y-Haltevorrichtungen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Druckfedern, Zugfedern und Sprungfedern. Die x-y-Haltevorrichtungen 112 können an irgendeiner geeigneten Position und in irgendeiner geeigneten Orientierung positioniert sein, um die Verlagerung der x-y-Achsen-Probemasse in einer vorbestimmten Richtung zu unterstützen und eine Rückstellkraft in der vorbestimmten Richtung bereitzustellen. Irgendeine geeignete Anzahl von x-y-Haltevorrichtungen oder x-Haltevorrichtungen und y-Haltevorrichtungen kann vorgesehen sein, um die gewünschte Bewegung der x-y-Haltevorrichtungen zu ermöglichen. Somit ist die Darstellung von vier x-y-Haltevorrichtungen in 1 nicht einschränkend.
Variationen für die z-Haltevorrichtungen 126 sind ebenfalls möglich. Gemäß der in 1 abgebildeten Ausführungsform können die z-Haltevorrichtungen als Torsionsfedern ausgelegt sein, die eine Rückstellkraft bereitstellen, die die z-Achsen-Probemasse 120 auf eine Ruheposition zurückführt, wenn die z-Achsen-Probemasse aus der x-y-Ebene gedreht wird. Die z-Haltevorrichtung kann irgendeine geeignete Torsionsfeder sein, da die vorliegende Offenbarung nicht so eingeschränkt ist. Obwohl in 1 zwei z-Haltevorrichtungen 126 dargestellt sind, kann eine alternative Anzahl vorgesehen sein. In einigen Ausführungsformen können die x-y-Haltevorrichtungen und die z-Haltevorrichtungen nicht als Federn ausgelegt sein, sondern können vielmehr irgendein geeignetes Lager sein, das die x-y-Achsen-Probemasse und die z-Achsen-Probemasse oberhalb des Substrats aufhängt und ermöglicht, dass sich jede der Massen bewegt.
In einigen Ausführungsformen kann die Dicke einer Haltevorrichtung die Empfindlichkeit der Haltevorrichtung gegen unerwünschtes mechanisches Übersprechen zwischen einer oder mehreren Erfassungsrichtungen beeinflussen. Insbesondere können Haltevorrichtungen, die ausreichend starr sind, unerwünschte Moden verhindern. Das heißt, wenn die Haltevorrichtungen ausreichend starr sind, besitzen die mechanischen Übersprechmoden eine ausreichend hohe Frequenz, so dass sie durch typische Betriebsbedingungen nicht angeregt werden. In einigen Ausführungsformen kann eine Haltevorrichtung (z. B. die x-y-Haltevorrichtung und die z-Haltevorrichtung) eine geeignete Materialdicke aufweisen, um mechanisches Übersprechen zu reduzieren. Beispielsweise kann eine Dicke (gemessen in der z-Richtung von 1) einer Haltevorrichtung größer als 2 µm, 5 µm, 8 µm, 10 µm, 15 µm, 20 µm, 25 µm, 30 µm, zwischen 2 und 35 µm oder irgendeine andere geeignete Dicke sein. Dementsprechend kann eine Dicke einer Haltevorrichtung kleiner als 35 µm, 28 µm, 23 µm , 18 µm, 13 µm, 9 µm, 7 µm , 4 µm und/oder irgendeine andere geeignete Dicke sein. Kombinationen der vorstehend genannten Bereiche sind angedacht, die, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, sowohl Dicken zwischen 25 und 35 µm , 10 und 23 µm als auch zwischen 5 und 13 µm enthalten. Selbstverständlich kann irgendeine geeignete Dicke einer Haltevorrichtung eingesetzt sein, da die vorliegende Offenbarung nicht so eingeschränkt ist.
In einigen Fällen kann eine Dicke einer Haltevorrichtung einer speziellen Breite einer Haltevorrichtung entsprechen (gemessen in der x-y-Ebene von 1), so dass eine Haltevorrichtung eine wünschenswerte Steifigkeit aufweisen kann, um mechanisches Übersprechen zu reduzieren. Beispielsweise kann ein Verhältnis zwischen einer Dicke und einer Breite einer Haltevorrichtung größer als 0,5, 2, 4, 6, 8, 10, 15, 20 und/oder irgendein anderes geeignetes Verhältnis sein. Dementsprechend kann ein Verhältnis zwischen einer Dicke und einer Breite einer Haltevorrichtung kleiner als 25, 20, 15, 10, 8, 6, 4, 1 und/oder irgendein anderes geeignetes Verhältnis sein. Kombinationen der vorstehend genannten Bereiche sind angedacht, die, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Verhältnisse von sowohl 0,5 und 4, 10 und 25 als auch 6 und 15 enthalten. Selbstverständlich kann irgendein geeignetes Verhältnis zwischen einer Dicke und einer Breite einer Haltevorrichtung eingesetzt sein, da die vorliegende Offenbarung nicht so eingeschränkt ist.
2 bildet eine weitere Ausführungsform eines Dreiachsen-Beschleunigungsmessers 200 ab, der zum differentiellen Erfassen der z-Richtungs-Beschleunigung fähig ist, der eine x-y-Achsen-Probemasse 210 und zwei z-Achsen-Probemassen 220a, 220b, die jeweils einen ersten Abschnitt 222a, 222b und einen zweiten Abschnitt 224a, 224b enthalten, enthält. Der Beschleunigungsmesser enthält außerdem ein Substrat 202, Anker, 204, x-y-Haltevorrichtungen 212 und z-Haltevorrichtungen 226. Wie das Substrat 102 in der nicht einschränkenden Ausführungsform von 1 funktioniert das Substrat 202 als eine Basis für den Beschleunigungsmesser und ist mit den Ankern 204 direkt verbunden. Das Substrat funktioniert außerdem als eine stationäre Plattform, die Antriebs- und Erfassungs-Elemente enthalten kann, die x-y-Masse und die z-Achsen-Probemasse bewegen und/oder ihre Bewegung messen können. Die Anker 204 sind ausgelegt, um mit den x-y-Haltevorrichtungen 212 zu verbinden und die x-y-Achsen-Probemasse (und indirekt die z-Achsen-Probemasse) oberhalb des Substrats 202 aufzuhängen. Die x-y-Achsen-Probemasse ist so angeordnet, dass sie sich in seitlichen Richtungen (x- und y-Richtungen) bewegt, wobei diese Bewegung gemessen und verwendet wird, um die Beschleunigung in der x- und/oder der y-Richtung zu berechnen. Die x-y-Haltevorrichtungen 212 sind so angeordnet, dass sie die x-y-Achsen-Probemasse mit den Ankern 204 koppeln und eine Rückstellkraft für die x-y-Achsen-Probemasse bereitstellen. Insbesondere sind die x-y-Haltevorrichtungen als eine Sprungfeder ausgelegt, die in einer ersten Richtung (z. B. der y-Richtung) komprimiert und in einer zweiten ebeneninternen Richtung (z. B. der x-Richtung) dreht. Die Ausführungsformen von 2 unterscheidet sich von derjenigen von 1 darin, dass die x-y-Haltevorrichtungen in den zwei Ausführungsformen unterschiedlich orientiert sind, wie gezeigt. Die z-Achsen-Probemassen 220a, 220b sind als Wippe-Massen mit den ersten Abschnitten 222a, 222b und den zweiten Abschnitten 224a, 224b ausgelegt. Dementsprechend sind die z-Achsen-Probemassen so angeordnet, dass sie sich in die oder aus der x-y-Ebene bewegen und sich somit in der z-Richtung bewegen. Die ersten Abschnitte 222a, 222b besitzen eine größere Masse als die zweiten Abschnitt 224a, 224b. Diese Massenungleichgewichte verursachen die Drehung der z-Achsen-Probemassen in Reaktion auf eine in z-Richtung angewandte Beschleunigung. Die z-Haltevorrichtungen 226 sind als Torsionsfedern ausgelegt, die der Drehung der x-y-Achsen-Probemasse widerstehen und die z-Achsen-Probemassen in eine Ruheposition zurückstellen. Die z-Haltevorrichtungen koppeln die z-Achsen-Probemasse mit der x-y-Achsen-Probemasse.
Wie in 2 gezeigt sind die zwei z-Achsen-Probemassen 220a, 220b in die x-y-Achsen-Probemasse 210 eingebettet. Die zwei z-Achsen-Probemassen sind in Bezug auf die y-Achse des Beschleunigungsmessers 200 entgegengesetzt orientiert. Das heißt, die ersten Abschnitte 222a, 222b sind in gleichem Abstand von der y-Achse, und die zweiten Abschnitte 224a, 224b sind ähnlich in gleichem Abstand von der y-Achse. Gemäß der Ausführungsform von 2 sind die zwei z-Achsen-Probemassen außerdem symmetrisch um die x-Achse des Beschleunigungsmessers angeordnet. Dementsprechend zeigen die zwei z-Achsen-Probemassen insgesamt eine Ebenensymmetrie mit gleicher Massenverteilung um sowohl die x- als auch die y-Achse. Das heißt, die zwei z-Achsen-Probemassen sind symmetrisch mit gleicher Massenverteilung auf jeder Seite der Mittellinie B-B' in Längsrichtung und der Mittellinie C-C' in Querrichtung. Eine solche Anordnung kann das mechanische Übersprechen reduzieren und die Genauigkeit des Beschleunigungsmessers verbessern. Gemäß der Ausführungsform von 2 können die Ausgaben der zwei z-Achsen-Probemassen 220a, 220b kombiniert werden, um ein einziges Ausgangssignal, das die Beschleunigung in der z-Richtung angibt, zu erzeugen. Beispielsweise kann die Differenz der zwei z-Achsen-Probemassenausgaben verwendet werden (d. h. differenzielle Detektion), um Rauschen und Versatzfehler, die einem einzelnen z-Achsen-Probemassensignal zugeordnet sind, zu reduzieren. Eine solche Anordnung kann die Genauigkeit in Bezug auf einen Beschleunigungsmesser mit einer einzelnen z-Achsen-Probemasse verbessern. Selbstverständlich kann irgendeine geeignete Kombination oder Verarbeitung der zwei z-Achsen-Probemassensignale eingesetzt werden, da die vorliegende Offenbarung nicht so eingeschränkt ist.
Gemäß der Ausführungsform von 2 umgibt die x-y-Achsen-Probemasse 210 die zwei z-Achsen-Probemassen 220a, 220b und weist eine vollständige Ebenensymmetrie auf. Das heißt, die x-y-Achsen-Probemasse besitzt eine gleiche Massenverteilung in Bezug auf die Mittellinie B-B' in Längsrichtung und die Mittellinie C-C' in Querrichtung. Dementsprechend kann der Beschleunigungsmesser 200 gegen mechanisches Übersprechen weniger empfindlich sein. Wie in 2 gezeigt ist die x-y-Achsen-Probemasse mit dem Substrat 202 durch x-y-Haltevorrichtungen 212 gekoppelt, die als Sprungfedern ausgelegt sind, die mit den Ankern 204 gekoppelt sind, die an dem Substrat befestigt sind. Die x-y-Haltevorrichtungen und die Anker sind sowohl um die x- als auch die y-Achse symmetrisch positioniert, so dass der Beschleunigungsmesser eine vollständige Ebenensymmetrie aufweist.
3 bildet eine alternative Ausführungsform zu derjenigen von 2 ab, die einen Dreiachsen-Beschleunigungsmesser 300 repräsentiert, der eine x-y-Achsen-Probemasse 310 und zwei z-Achsen-Probemassen 320a, 320b enthält, von denen jede einen ersten Abschnitt 322a, 322b und einen zweiten Abschnitt 324a, 324b enthält. Der Beschleunigungsmesser 300 enthält außerdem ein Substrat 302, Anker, 304, x-y-Haltevorrichtungen 312 und z-Haltevorrichtungen 326. Wie das Substrat 102 in der nicht einschränkenden Ausführungsform von 1 funktioniert das Substrat 302 als eine Basis für den Beschleunigungsmesser und ist mit den Ankern 304 direkt verbunden. Das Substrat funktioniert außerdem als eine stationäre Plattform, die Antriebs- und Erfassungs-Elemente enthalten kann, die x-y-Achsen-Probemasse und die z-Achsen-Probemasse bewegen und/oder ihre Bewegung messen können. Die Anker 304 sind ausgelegt, um mit den x-y-Haltevorrichtungen 312 zu verbinden und die x-y-Achsen-Probemasse (und indirekt die z-Achsen-Probemasse) oberhalb des Substrats 302 aufzuhängen. Die x-y-Achsen-Probemasse ist so angeordnet, dass sie sich in seitlichen Richtungen (x- und y-Richtungen) bewegt, wobei diese Bewegung gemessen und verwendet wird, um die Beschleunigung in der x- und/oder der y-Richtung zu berechnen. Die x-y-Haltevorrichtungen 312 sind so angeordnet, dass sie die x-y-Achsen-Probemasse mit den Ankern 304 koppeln und eine Rückstellkraft für die x-y-Achsen-Probemasse bereitstellen. Insbesondere sind die x-y-Haltevorrichtungen als eine Sprungfeder ausgelegt, die in einer ersten Richtung (z. B. der x-Richtung) komprimiert und in einer zweiten ebeneninternen Richtung (z. B. der y-Richtung) dreht. Die Ausführungsformen von 3 unterscheidet sich von derjenigen von 2 darin, dass die x-y-Haltevorrichtungen in den zwei Ausführungsformen unterschiedlich orientiert sind, wie gezeigt. Die z-Achsen-Probemassen 320a, 320b sind als Wippe-Massen mit ersten Abschnitten 322a, 322b und zweiten Abschnitten 324a, 324b ausgelegt. Dementsprechend sind die z-Achsen-Probemassen so angeordnet, dass sie sich in die oder aus der x-y-Ebene bewegen und sich somit in der z-Richtung bewegen. Die ersten Abschnitte 322a, 322b besitzen eine größere Masse als die zweiten Abschnitt 324a, 324b. Diese Massenungleichgewichte verursachen die Drehung der z-Achsen-Probemassen in Reaktion auf eine in z-Richtung angewandte Beschleunigung. Die z-Haltevorrichtungen 326 sind als Torsionsfedern ausgelegt, die der Drehung der x-y-Achsen-Probemasse widerstehen und die z-Achsen-Probemassen in eine Ruheposition zurückstellen. Die z-Haltevorrichtungen koppeln die z-Achsen-Probemasse mit der x-y-Achsen-Probemasse.
Wie in 3 gezeigt sind die zwei z-Achsen-Probemassen 320a, 320b in die x-y-Achsen-Probemasse 310 auf ähnliche Weise wie diejenige von 2 eingebettet. Die zwei z-Achsen-Probemassen sind in Bezug auf die y-Achse des Beschleunigungsmessers 300 entgegengesetzt orientiert. Das heißt, die ersten Abschnitte 322a, 322b sind in gleichem Abstand von der y-Achse, und die zweiten Abschnitte 324a, 324b sind ähnlich in gleichem Abstand von der y-Achse. Gemäß der Ausführungsform von 2 sind die zwei z-Achsen-Probemassen außerdem symmetrisch um die x-Achse des Beschleunigungsmessers angeordnet. Dementsprechend zeigen die zwei z-Achsen-Probemassen vollständige Ebenensymmetrie mit gleicher Massenverteilung auf beiden Seiten der Mittellinie D-D' in Längsrichtung und der Mittellinie E-E' in Querrichtung. Gemäß der Ausführungsform von 3 und ähnlich der Ausführungsform von 2 können die Ausgaben der zwei z-Achsen-Probemassen 320a, 320b kombiniert werden, um ein einziges Ausgangssignal, das die Beschleunigung in der z-Richtung angibt, zu erzeugen.
Gemäß der Ausführungsform von 3 umgibt die x-y-Achsen-Probemasse 310 die zwei z-Achsen-Probemassen 320a, 320b und weist eine vollständige Ebenensymmetrie auf, ähnlich der Ausführungsform von 2. Das heißt, die x-y-Achsen-Probemasse besitzt eine gleiche Massenverteilung in Bezug auf die Mittellinie D-D' in Längsrichtung und die Mittellinie E-E' in Querrichtung. Dementsprechend kann der Beschleunigungsmesser 300 gegen mechanisches Übersprechen weniger empfindlich sein. Wie in 3 gezeigt ist die x-y-Achsen-Probemasse mit dem Substrat 302 durch x-y-Haltevorrichtungen 312 gekoppelt, die als Sprungfedern ausgelegt sind, die mit den Ankern 304 gekoppelt sind, die an dem Substrat befestigt sind. Die x-y-Haltevorrichtungen und die Anker sind sowohl um die x- als auch die y-Achse symmetrisch positioniert, so dass der Beschleunigungsmesser eine vollständige Ebenensymmetrie aufweist. Im Gegensatz zu der Ausführungsform von 2 sind die x-y-Haltevorrichtungen 312 und Anker 304 senkrecht in Bezug auf die x-y-Haltevorrichtungen 212 von 2 orientiert. Dementsprechend sind die Anker weiter entfernt von der Mitte des Beschleunigungsmessers angeordnet, und die zwei z-Achsen-Probemassen können eine größere relative Fläche der x-y-Achsen-Probemasse besetzen und als ein Ergebnis mehr Masse besitzen. Die z-Achsen-Probemasse mit einer größeren Masse kann fähig sein, dickere Haltevorrichtungen zu nutzen, was das mechanische Übersprechen durch Verringern des Effekts unerwünschter Moden reduzieren kann, wie vorstehend diskutiert.
4 bildet eine weitere Ausführungsform eines Dreiachsen-Beschleunigungsmessers 400 ab, der vollständige Ebenensymmetrie zeigt, der eine x-y-Achsen-Probemasse 410 und vier z-Achsen-Probemassen 420a, 420b, 420c, 420d enthält, von denen jede sowohl einen ersten Abschnitt 422a, 422b, 422c, 422d als auch einen zweiten Abschnitt 424a, 424b, 424c, 424d enthält. Der Beschleunigungsmesser enthält außerdem ein Substrat 402, Anker 404, x-y-Haltevorrichtungen 412, z-Haltevorrichtungen 426, Finger 414, positive Elektroden 416a und negative Elektroden 416b. Die x-y-Achsen-Probemasse 410 ist so angeordnet, dass sie sich in seitliche Richtungen (x- und y-Richtung) verschiebt. Jede der z-Achsen-Probemassen 420a, 420b, 420c, 420d ist so angeordnet, dass sie sich in Bezug auf die x-y-Achsen-Probemasse aus der Ebene dreht. Jeder der ersten Abschnitte 422a, 422b, 422c, 422d besitzt mehr Masse als jeder der zweiten Abschnitte 424a, 424b, 424c, 424d, und als ein Ergebnis werden sich die z-Achsen-Probemassen drehen, wenn sie einer Beschleunigung in der z-Richtung ausgesetzt sind.
Wie in 4 gezeigt sind die Anker 404 an dem Substrat 402 befestigt und sind so angeordnet, dass sie mit den x-y-Haltevorrichtungen 412 verbunden sind. Die x-y-Haltevorrichtungen sind als Sprungfedern ausgelegt und hängen die x-y-Haltevorrichtungen oberhalb des Substrats auf und ermöglichen, dass sich die x-y-Achsen-Probemasse 410 in der x- und y-Richtung bewegt, während sie eine Rückstellkraft zum Zurückführen der x-y-Achsen-Probemasse in eine Ruheposition bereitstellen. Die z-Haltevorrichtungen 426 sind als Torsionsfedern ausgelegt, die die z-Achsen-Probemasse oberhalb des Substrats aufhängen und die x-y-Achsen-Probemasse mit den z-Achsen-Probemassen 420a, 420b, 420c, 420d mechanisch koppeln. Die z-Haltevorrichtungen stellen außerdem eine Rückstellkraft bereit, die jede der z-Achsen-Probemassen in eine Ruheposition zurückführt, wenn die z-Achsen-Probemassen aus der x-y-Ebene heraus gedreht sind. Die Finger 414 sind mit der x-y-Achsen-Probemasse gekoppelt, oder repräsentieren in einigen Ausführungsformen einen Teil davon, und bewegen sich mit der x-y-Achsen-Probemasse, wenn sich die x-y-Achsen-Probemasse bewegt. Die Finger sind zwischen den positiven Elektroden 416a und den negativen Elektroden 416b, die an dem Substrat 402 befestigt sind und die verwendet werden können, um den Abstand zwischen den Fingern 414 und den Elektroden zu messen, angeordnet. Beispielsweise können die Elektroden verwendet werden, um eine Kapazität zwischen den Fingern und den Elektroden, die einer speziellen Position der x-y-Achsen-Probemasse entsprechen kann, zu messen. Die Elektroden 416a, 416b können außerdem verwendet werden, um die x-y-Achsen-Probemasse mit einer speziellen Frequenz anzutreiben und Änderungen der Frequenz zu messen, um die Beschleunigung zu detektieren. Selbstverständlich können die Elektroden und Finger für irgendeine geeignete Funktion zum Messen von Beschleunigungen verwendet werden, da die vorliegende Offenbarung nicht so eingeschränkt ist.
Gemäß der Ausführungsform von 4 kann jede der vier z-Achsen-Probemassen 420a, 420b, 420c, 420d entsprechende Elektroden (z. B. erste und zweite Elektroden, manchmal als positive und negative Elektroden bezeichnet) aufweisen, die auf dem Substrat angeordnet sind. Die positiven Elektroden können nahe den ersten Abschnitten 422a, 422b, 422c, 422d der z-Achsen-Probemasse positioniert sein, und die negativen Elektroden können nahe den zweiten Abschnitten 424a, 424b, 424c, 424d positioniert sein, oder umgekehrt. Die Elektroden können die Kapazitäten, die durch das Substrat und die z-Achsen-Probemassen gebildet werden, detektieren. In einigen Ausführungsformen kann die positive und die negative Elektrode verwendet werden, um die z-Achsen-Probemassen mit einer vorbestimmten Frequenz anzutreiben und die Änderung der Frequenz in Reaktion auf eine angewandte Beschleunigung zu messen. In einigen Ausführungsformen können die Signale von jeder der z-Achsen-Probemassen als ein differentielles Signal oder eine andere Kombination kombiniert werden, um die Genauigkeit des Beschleunigungsmessers zu verbessern. Beispielsweise würde im Fall der ebeneninternen Drehung sich jede der z-Achsen-Probemassen auf entgegengesetzten Seiten in entgegengesetzte Richtungen bewegen in Reaktion auf die Drehung, die unter Verwendung von differenzieller Signalisierung zwischen den separaten z-Achsen-Probemassen aufgehoben werden könnte. Gemäß diesem Beispiel würden Gleichtaktsignale oder Rauschen durch die Verwendung einer Kombination von differenziellen Signalen aufgehoben werden.
Wie in 4 gezeigt ist, besitzt der Beschleunigungsmesser 400 eine quadratische Form. Das heißt, das Substrat 402 ist quadratisch, und alle Komponenten sind auf dem Substrat angeordnet und passen in die Grenzen des Substrats. Eine solche Anordnung kann die Reduktion von Rauschen und mechanischem Übersprechen zwischen der x-, der y- und der z-Richtung weiter fördern. Gemäß der Ausführungsform von 4 ist jede der Komponenten um jede der x- und y-Achsen symmetrisch orientiert, so dass der Beschleunigungsmesser vollständige Ebenensymmetrie aufweist. Das heißt, die Komponenten sind symmetrisch mit gleicher Massenverteilung auf jeder Seite der Mittellinie F-F' in Längsrichtung und der Mittellinie G-G' in Querrichtung. In diesem Fall besitzt der Beschleunigungsmesser außerdem eine Symmetrie als ein Quadrat, was die Empfindlichkeit gegen mechanisches Übersprechen weiter reduzieren kann. Beispielsweise können, wie vorstehen diskutiert, die z-Achsen-Probemassen Gleichtaktrauschen auslöschen, da jede der Massen auf entgegengesetzten Seiten oder Ecken des Beschleunigungsmessers auf eine Störung wie z. B. ebeneninterne Drehung entgegengesetzt reagieren kann.
Gemäß der in 4 gezeigten Ausführungsform können die z-Achsen-Probemassen 420a, 420b, 420c, 420d so angeordnet sein, dass die Anker 404 nahe der Mitte angeordnet sein können. Anker näher an der Mitte des Substrats können weniger anfällig für einen Versatzfehler sein, der durch thermische oder mechanische Belastung auf dem Substrat verursacht sein kann. Das heißt, falls das Substrat einer Verwölbung ausgesetzt ist, wölbt sich die Mitte mit geringerer Wahrscheinlichkeit als die Ränder des Substrats erheblich. Dementsprechend kann, wenn die Anker innerhalb der z-Achsen-Probemassen in Bezug auf die Mitte angeordnet sind, ein Versatzfehler reduziert oder eliminiert sein.
5 bildet eine zu der von 4 alternative Ausführungsform ab, die einen Dreiachsen-Beschleunigungsmesser 500 repräsentiert, der eine x-y-Achsen-Probemasse 410 und vier z-Achsen-Probemassen 520a, 520b, 520c, 520d enthält, von denen jede sowohl einen ersten Abschnitt 522a, 522b, 522c, 522d als auch einen zweiten Abschnitt 524a, 524b, 524c, 524d enthält. Der Beschleunigungsmesser enthält außerdem ein Substrat 502, Anker, 504, x-y-Haltevorrichtungen 512 und z-Haltevorrichtungen 526. Die x-y-Achsen-Probemasse 510 ist so angeordnet, dass sie sich in seitliche Richtungen (x- und y-Richtung) verlagert. Jede der z-Achsen-Probemassen 520a, 520b, 520c, 520d ist so angeordnet, dass sie sich in Bezug auf die x-y-Achsen-Probemasse aus der Ebene dreht. Jeder der ersten Abschnitte 522a, 522b, 522c, 522d besitzt mehr Masse als jeder der zweiten Abschnitte 524a, 524b, 524c, 524d, und als ein Ergebnis werden sich die z-Achsen-Probemassen drehen, wenn sie einer Beschleunigung in der z-Richtung ausgesetzt sind. Die Anker 504 sind an dem Substrat 502 befestigt und sind so angeordnet, dass sie mit den x-y-Haltevorrichtungen 512 verbunden sind. Die x-y-Haltevorrichtungen sind als Sprungfedern ausgelegt und hängen die x-y-Haltevorrichtungen oberhalb des Substrats auf und ermöglichen, dass sich die x-y-Achsen-Probemasse 510 in der x- und y-Richtung bewegt, während sie eine Rückstellkraft zum Zurückführen der x-y-Achsen-Probemasse in eine Ruheposition bereitstellen. Die z-Haltevorrichtungen 526 sind als Torsionsfedern ausgelegt, die die z-Achsen-Probemasse oberhalb des Substrats aufhängen und die x-y-Achsen-Probemasse mechanisch mit den z-Achsen-Probemassen 520a, 520b, 520c, 520d koppeln und außerdem eine Rückstellkraft bereitstellen, die die z-Achsen-Probemassen in eine Ruheposition zurückführt, wenn sie aus der x-y-Ebene gedreht ist.
Gemäß der in 5 gezeigten Ausführungsform kann der Beschleunigungsmesser 500 Finger enthalten, die nahe den Außenrändern der x-y-Achsen-Probemasse 510 angeordnet sind und mit der x-y-Achsen-Probemasse gekoppelt sind, so dass sie sich mit der x-y-Achsen-Probemasse bewegen. Positive Elektroden und negative Elektroden können verwendet werden, um die Position und/oder die Frequenz der x-y-Achsen-Probemassenfinger und der Elektroden zu messen. Ähnlich kann der Beschleunigungsmesser Elektroden enthalten, die auf dem Substrat unterhalb der z-Achsen-Probemassen 520a, 520b, 520c, 520d angeordnet sind, um die Position und/oder die Frequenz der z-Achsen-Probemassen zu detektieren.
Wie in 5 gezeigt ist, ist der Beschleunigungsmesser 500 quadratisch und weist eine vollständige Ebenensymmetrie auf. Das heißt, die Komponenten sind symmetrisch mit gleicher Massenverteilung auf jeder Seite der Mittellinie H-H' in Längsrichtung und der Mittellinie I-I' in Querrichtung. Dementsprechend kann der Beschleunigungsmesser Gleichtaktrauschen in Reaktion auf spezielle Beschleunigungen (z. B. ebeneninterne Drehung) abweisen und reduziertem mechanischem Übersprechen ausgesetzt sein, was die Genauigkeit des Beschleunigungsmessers verbessern kann, wie vorstehend diskutiert.
Gemäß der Ausführungsform von 5 können die z-Achsen-Probemassen eine größere - und in einigen Fällen eine erheblich größere - Masse näher an der Mitte des Beschleunigungsmessers als zur Peripherie hin aufweisen. Beispielsweise können, wie vorstehend beschrieben, die ersten Abschnitte 522a, 522b, 522c, 522d mehr Masse besitzen als jeder der zweiten Abschnitte 524a, 524b, 524c, 524d. Eine solche Konfiguration kann das Verwenden dickerer Federn mit den z-Achsen-Probemassen 520a, 520b, 520c, 520d unterstützen, deren Verwendung mechanisches Übersprechen weiter reduzieren kann.
Einige Anwendungen einiger Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung enthalten Umgebungen mit geringer oder hoher Beschleunigung, die, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Fahrzeugtechnik, am Körper tragbare Gegenstände und maschinelle Gesundheitsüberwachung enthalten. 6 stellt ein nicht einschränkendes Beispiel dar, in der ein Dreiachsen-Beschleunigungsmesser des hier beschriebenen Typs in einem Kraftfahrzeug eingesetzt ist. In dem Beispiel von 6 enthält ein Kraftfahrzeug 600 eine Steuereinheit 601, die mit einem Bordcomputer 604 des Kraftfahrzeugs durch eine drahtgebundene oder drahtlose Verbindung gekoppelt ist. Die Steuereinheit 601 kann wenigstens einen Dreiachsen-Beschleunigungsmesser der hier beschriebenen Typen enthalten. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann der wenigstens eine Dreiachsen-Beschleunigungsmesser die Beschleunigung in der Fahrtrichtung und/oder senkrecht zu der Fahrtrichtung erfassen. Der wenigstens eine Dreiachsen-Beschleunigungsmesser kann außerdem dazu ausgebildet sein, vertikale Beschleunigungen zu erfassen, was beispielsweise nützlich sein kann, um den Status einer Radaufhängung des Kraftfahrzeugs 600 zu überwachen. Die Steuereinheit 601 kann Leistungs- und Steuersignale von dem Bordcomputer 604 empfangen und kann dem Bordcomputer 604 Ausgangssignale des hier beschriebenen Typs zuführen.
Reduziertes mechanisches Übersprechen in einem Einzelmasse-Beschleunigungsmesser kann in einer Baugruppe erreicht werden, die viel kleiner ist als herkömmliche Angebote, was in einigen Anwendungen wünschenswert sein kann. In einigen Ausführungsformen kann ein Beschleunigungsmesser eine Chipfläche größer als 0,5 mm², 0,75 mm², 1 mm², 1,25 mm², 1,5 mm², 1,75 mm², 2 mm², 2,5 mm², 3 mm² oder irgendeine andere geeignete Fläche aufweisen. Dementsprechend kann ein Beschleunigungsmesser kleiner als 3,5 mm², 2,75 mm², 2,25 mm², 2 mm², 1,75 mm², 1,5 mm², 1,25 mm², 1 mm², 0,75 mm² und/oder irgendeine andere geeignete Fläche sein. Kombinationen aus den vorstehend genannten Bereichen sind angedacht, die, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, sowohl 0,5 und 1,75 mm², 1 und 2,25 mm² als auch 1,5 und 3,5 mm² enthalten. Selbstverständlich kann irgendeine geeignete Fläche eingesetzt sein, da die vorliegende Offenbarung nicht so eingeschränkt ist.
Obwohl die vorliegenden Lehren im Zusammenhang mit verschiedenen Ausführungsformen und Beispielen beschrieben worden sind, ist nicht beabsichtigt, dass die vorliegenden Lehren auf solche Ausführungsformen oder Beispiele eingeschränkt sind. Im Gegenteil schließen die vorliegenden Lehren verschiedene Alternativen, Modifikationen und Äquivalente ein, wie durch Fachleute erkannt wird. Dementsprechend sind die vorstehende Beschreibung und die Zeichnungen nur beispielhaft.
Die Begriffe „ungefähr“ und „etwa“ können so verwendet sein, dass sie innerhalb ±20 % eines Zielwerts in einigen Ausführungsformen, innerhalb ±10 % eines Zielwerts in einigen Ausführungsformen, innerhalb ±5 % eines Zielwerts in einigen Ausführungsformen und sogar innerhalb ±2 % eines Zielwerts in einigen Ausführungsformen bedeuten. Die Begriffe „ungefähr“ und „etwa“ können den Zielwert enthalten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 16/138091 [0001]

Claims

Integrierter Einzelmasse-Dreiachsen-Beschleunigungsmesser, der Folgendes aufweist: einen x-y-Beschleunigungsdetektionsabschnitt der einzelnen Masse; und einen Wippe-z-Achsen-Beschleunigungsdetektionsabschnitt der einzelnen Masse, der in den x-y-Beschleunigungsdetektionsabschnitt eingebettet ist.
Integrierter Einzelmasse-Dreiachsen-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, wobei der x-y-Beschleunigungsdetektionsabschnitt durch einen Anker mit einem Substrat gekoppelt ist und der z-Achsen-Beschleunigungsdetektionsabschnitt durch eine Haltevorrichtung mit dem x-y-Beschleunigungsdetektionsabschnitt gekoppelt ist.
Integrierter Einzelmasse-Dreiachsen-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 2, wobei der z-Achsen-Beschleunigungsdetektionsabschnitt nicht direkt mit dem Substrat oder dem Anker gekoppelt ist.
Integrierter Einzelmasse-Dreiachsen-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 2, wobei die Haltevorrichtung eine Torsions-Haltevorrichtung ist.
Integrierter Einzelmasse-Dreiachsen-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, wobei der integrierte Einzelmasse-Dreiachsen-Beschleunigungsmesser symmetrisch um eine x-Achse und/oder eine y-Achse des integrierten Einzelmasse-Dreiachsen-Beschleunigungsmessers ist.
Integrierter Einzelmasse-Dreiachsen-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, wobei der Wippe-z-Achsen-Beschleunigungsdetektionsabschnitt ein erster Wippe-z-Achsen-Beschleunigungsdetektionsabschnitt ist und wobei der integrierte Einzelmasse-Dreiachsen-Beschleunigungsmesser ferner einen zweiten Wippe-z-Achsen-Beschleunigungsdetektionsabschnitt aufweist, der in den x-y-Beschleunigungsdetektionsabschnitt eingebettet ist.
Integrierter Einzelmasse-Dreiachsen-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 6, wobei der erste Wippe-z-Achsen-Beschleunigungsdetektionsabschnitt und der zweite Wippe-z-Achsen-Beschleunigungsdetektionsabschnitt einander gegenüber um eine x-Achse und/oder eine y-Achse des integrierten Einzelmasse-Dreiachsen-Beschleunigungsmessers angeordnet sind.
Integrierter Dreiachsen-Beschleunigungsmesser, der Folgendes aufweist: einen Anker, der mit einem Substrat gekoppelt ist; eine kombinierte x-y-Beschleunigungsdetektionsprobemasse, wobei die kombinierte x-y-Beschleunigungsdetektionsprobemasse durch eine erste Haltevorrichtung mit dem Anker gekoppelt ist; und erste und zweite Wippe-z-Achsen-Beschleunigungsdetektionsprobemassen, die in die x-y-Beschleunigungsdetektionsprobemasse eingebettet sind, wobei die ersten und die zweiten Wippe-z-Achsen-Beschleunigungsdetektionsprobemassen durch eine zweite Haltevorrichtung bzw. eine dritte Haltevorrichtung mit der x-y-Beschleunigungsdetektionsprobemasse gekoppelt sind.
Integrierter Dreiachsen-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 8, der ferner dritte und vierte Wippe-z-Achsen-Beschleunigungsdetektionsprobemassen aufweist, die in die x-y-Beschleunigungsdetektionsprobemasse eingebettet sind.
Integrierter Dreiachsen-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 8, wobei der integrierte Dreiachsen-Beschleunigungsmesser symmetrisch um eine x-Achse und/oder eine y-Achse des integrierten Dreiachsen-Beschleunigungsmessers ist.
Integrierter Dreiachsen-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 10, wobei der integrierte Dreiachsen-Beschleunigungsmesser symmetrisch um sowohl die x-Achse als auch die y-Achse des integrierten Dreiachsen-Beschleunigungsmessers ist.
Integrierter Dreiachsen-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 8, wobei die erste Haltevorrichtung eine Zweiachsen-Sprung-Haltevorrichtung ist.
Integrierter Dreiachsen-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 12, wobei die zweite Haltevorrichtung eine Torsions-Haltevorrichtung ist.
Integrierter Dreiachsen-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 8, wobei die erste und die zweite Wippe-z-Achsen-Beschleunigungsdetektionsprobemassen mit entweder dem Anker oder mit dem Substrat nicht direkt gekoppelt sind.
Integrierter Einzelmasse-Dreiachsen-Beschleunigungsmesser, der Folgendes aufweist: einen x-y-Beschleunigungsdetektionsabschnitt der einzelnen Masse; und wenigstens einen Wippe-z-Achsen-Beschleunigungsdetektionsabschnitt der einzelnen Masse, der in den x-y-Beschleunigungsdetektionsabschnitt eingebettet ist, wobei der Beschleunigungsmesser um sowohl eine x-Achse als auch eine y-Achse des Beschleunigungsmessers symmetrisch ist.
Integrierter Einzelmasse-Dreiachsen-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 15, wobei der wenigstens eine Wippe-z-Achsen-Beschleunigungsdetektionsabschnitt zwei Wippe-z-Achsen-Beschleunigungsdetektionsabschnitte aufweist.
Integrierter Einzelmasse-Dreiachsen-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 16, wobei die zwei Wippe-z-Achsen-Beschleunigungsdetektionsabschnitte vollständig einander gegenüber um die x-Achse und/oder die y-Achse des integrierten Einzelmasse-Dreiachsen-Beschleunigungsmessers angeordnet sind.
Integrierter Einzelmasse-Dreiachsen-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 15, wobei der wenigstens eine Wippe-z-Achsen-Beschleunigungsdetektionsabschnitt vier Wippe-z-Achsen-Beschleunigungsdetektionsabschnitte aufweist.
Integrierter Einzelmasse-Dreiachsen-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 18, wobei jede der vier Wippe-z-Achsen-Beschleunigungsdetektionsabschnitte vollständig in einem jeweiligen Quadranten des Beschleunigungsmessers, wie durch die x-Achse und die y-Achse des integrierten Einzelmasse-Dreiachsen-Beschleunigungsmessers definiert ist, angeordnet ist.
Integrierter Einzelmasse-Dreiachsen-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 15, wobei der x-y-Detektionsabschnitt durch einen Anker mit einem Substrat gekoppelt ist, wobei der wenigstens eine Wippe-z-Achsen-Beschleunigungsdetektionsabschnitt durch eine Haltevorrichtung mit dem x-y-Detektionsabschnitt gekoppelt ist und wobei der wenigstens eine Wippe-z-Achsen-Beschleunigungsdetektionsabschnitt mit entweder dem Substrat oder dem Anker nicht direkt gekoppelt ist.