加速度和角速度諧振檢測集成結(jié)構(gòu)及相關(guān)mems傳感器設(shè)備的制作方法
【專利摘要】一種集成檢測結(jié)構(gòu)具有：第一慣性質(zhì)量體和第二慣性質(zhì)量體，每個慣性質(zhì)量體彈性地錨定到基板并且具有沿著第一水平軸的線性運動、繞著與第二水平軸平行的第一旋轉(zhuǎn)軸的第一旋轉(zhuǎn)檢測運動和沿著第二水平軸的第二平移檢測運動；驅(qū)動電極，引起慣性質(zhì)量體在第一水平軸的相反方向上的線性運動；成對撓曲諧振器元件和成對扭轉(zhuǎn)諧振器元件，彈性耦合到慣性質(zhì)量體，撓曲諧振器元件具有繞著相互平行并且與第一旋轉(zhuǎn)軸平行的第二旋轉(zhuǎn)軸和第三旋轉(zhuǎn)軸的諧振旋轉(zhuǎn)運動。
【專利說明】加速度和角速度諧振檢測集成結(jié)構(gòu)及相關(guān)MEMS傳感器設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開內(nèi)容涉及一種加速度和角速度諧振檢測集成結(jié)構(gòu)，并且涉及一種所謂MEMS (微機電系統(tǒng))類型的相關(guān)傳感器設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]正如所知，已經(jīng)提出MEMS加速度計和陀螺儀，并且由于它們的高緊湊性、它們的減少的消耗水平和它們的良好電性能而在廣泛應(yīng)用環(huán)境中(例如在便攜電子裝置領(lǐng)域中)用于慣性導(dǎo)航應(yīng)用、用于創(chuàng)建用戶接口或者總體用于檢測在三維空間中的移位。
[0003]具體而言，已經(jīng)提出用表面微加工技術(shù)制作的諧振微傳感器，這些傳感器使外部量的檢測基于在諧振中設(shè)置的一個或者多個元件的頻率變化。諧振檢測與其它測量技術(shù)相比具有賦予直接頻率輸出、準(zhǔn)數(shù)字類型、高靈敏度和寬動態(tài)范圍的優(yōu)點。
[0004]在諧振加速度計中，待測量的外部加速度產(chǎn)生集成機械檢測結(jié)構(gòu)的一個或者多個諧振器元件的諧振頻率的可檢測移位。諧振器元件可以由集成檢測結(jié)構(gòu)的整個慣性質(zhì)量體(測試質(zhì)量體或者自由質(zhì)量體，所謂“驗證質(zhì)量體”)、由其某一部分或者由耦合到慣性質(zhì)量體的不同元件構(gòu)成。
[0005]根據(jù)集成檢測結(jié)構(gòu)的配置，在慣性質(zhì)量體移位時諧振器元件中的軸向應(yīng)力或者相同諧振器元件受到的所謂“電剛度(electrical stiffness) ”的變化的存在可以引起諧振頻率的變化。
[0006]例如在以下文獻中描述如下諧振加速度計，這些諧振加速度計的操作原理基于對由于諧振器元件中的軸向應(yīng)力所致的諧振頻率的變化的檢測:
[0007]D.ff.Bruns, R.D.Horning, ff.R.Herb, J.D.Zook, H.Guckel “Resonant microbeamaccelerometers，，，Proc.Transducers95, Stockholm, Sweden, June25_29,659-662 (1995)；以及
[0008]R.Zhu, G.Zhang, G.Chen “A novel resonant accelerometer based onnanoelectromechanical oscillator”，Proc.MEMS2010, Hong Kong,440-443(2010)。
[0009]例如在以下文獻中描述如下諧振加速度計，這些諧振加速度計的操作原理代之以基于對由于電剛度的變化所致的諧振頻率的變化的檢測:
[0010]B.Lee,C.0h,S.Lee,Y.0h, K.Chun, uK vacuum packaged differential resonantaccelerometer using gap sensitive electrostatic stiffness changing effect，，，Proc.MEMS2000 ；以及
[0011]H.C.Kim, S.Seok, 1.Kim, S-D.Choi, K.Chun, “ Inertial-grade out-of-planeand in-plane differential resonant silicon accelerometers (DRXLs)，，，Proc.Transducers ‘05, Seoul, Korea, June5_9,172-175 (2005)。
[0012]另外，在第IT1395419號專利中和在以本 申請人:的名義、于2011年8月31日提交的第T02011A000782號意大利專利申請(與W02013030798相關(guān))中，描述關(guān)于特性(具體為靈敏度)和減少的機械尺度而改進的諧振加速度計。
[0013]在陀螺儀中，一般使慣性質(zhì)量體以固有諧振頻率振動，并且測量由于在存在外部角速度時在一個或者多個檢測元件上產(chǎn)生的科里奧利力(Coriolis force)所致的影響。
[0014]一般而言，借助電容技術(shù)來進行檢測，然而存在有利用諧振檢測的微陀螺儀的少數(shù)示例，在這些示例中可以引用以下文獻作為示例:
[0015]A.A.Seshia, R.T.Howe, S.Montague, “An integrated microelectromechanicalresonant output gyroscope”，Proc.MEMS2002,722-726(2002)；
[0016]J.Li,J.Fang,H.Dong, Y.Tao, ^Structure design and fabrication of a noveldual-mass resonant output micromechanical gyroscope，，，Microsyst.Technology, 16,543-552。
[0017]在這些文獻中，科里奧利力在諧振器元件中生成軸向應(yīng)力，這些軸向應(yīng)力相應(yīng)地修改它們的諧振頻率，從而實現(xiàn)檢測角速度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018]就本 申請人:所知，尚未開發(fā)如下微陀螺儀，這些微陀螺儀使它們的檢測原理基于由于電剛度的變化所致的諧振頻率的變化。
[0019]另外已知具體在便攜裝置中以減少尺度和以優(yōu)化空間占用為目標(biāo)的如下趨勢，該趨勢朝著在同一集成設(shè)備(所謂“芯片”)內(nèi)集成多個檢測結(jié)構(gòu)；例如具有多個測量軸的檢測結(jié)構(gòu)或者另外與角速度檢 測結(jié)構(gòu)集成的加速度檢測結(jié)構(gòu)。
[0020]然而迄今為止，這些集成檢測結(jié)構(gòu)通常具有用于檢測各種外部量(例如與相應(yīng)測量軸對應(yīng)的加速度和/或角速度)的某個數(shù)目的不同慣性質(zhì)量體并且還具有不同讀取元件和電路。
[0021]一般而言，希望主要在便攜應(yīng)用的情況下具體關(guān)于電特性和機械尺度來優(yōu)化這些集成檢測結(jié)構(gòu)，在便攜應(yīng)用中希望低消耗水平和減少的尺度。
[0022]根據(jù)本公開內(nèi)容的一個實施例，提供一種加速度和角速度諧振集成檢測結(jié)構(gòu)以及對應(yīng)傳感器設(shè)備。
[0023]在一個實施例中，集成檢測結(jié)構(gòu)包括基板、彈性錨固元件以及第一慣性質(zhì)量體和第二慣性質(zhì)量體。每個慣性質(zhì)量體在平面中懸置于基板之上并且由彈性錨固元件中的相應(yīng)彈性錨固元件錨定到基板。彈性錨固元件被配置用于允許相應(yīng)慣性質(zhì)量體執(zhí)行在所述平面中沿著第一軸的線性驅(qū)動運動和繞著與橫切于所述第一軸的在所述平面中的第二軸平行的相應(yīng)第一旋轉(zhuǎn)軸的相應(yīng)第一旋轉(zhuǎn)檢測運動。該結(jié)構(gòu)還包括:第一組驅(qū)動電極，操作地耦合到所述第一慣性質(zhì)量體和所述第二慣性質(zhì)量體中的每個慣性質(zhì)量體，并且被配置用于沿著所述第一軸在相反方向上用驅(qū)動運動驅(qū)動第一慣性質(zhì)量體和第二慣性質(zhì)量體。該結(jié)構(gòu)還包括:彈性支撐元件；成對第一諧振器元件，經(jīng)由彈性支撐元件中的相應(yīng)彈性支撐元件彈性耦合到所述第一慣性質(zhì)量體和第二慣性質(zhì)量體中的每個慣性質(zhì)量體。相應(yīng)彈性支撐元件被配置用于在相應(yīng)第一旋轉(zhuǎn)檢測運動期間將所述成對第一諧振器元件耦合到所述第一慣性質(zhì)量體和第二慣性質(zhì)量體中的相應(yīng)慣性質(zhì)量體并且實現(xiàn)成對第一諧振器元件的獨立諧振運動。所述第一慣性質(zhì)量體或者第二慣性質(zhì)量體的相應(yīng)第一檢測運動根據(jù)待檢測的第一角速度或者第一線性加速度的存在變化并且引起所述第一諧振器元件的對應(yīng)諧振頻率變化?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0024]為了更好地理解本公開內(nèi)容，現(xiàn)在僅通過非限制示例并且參照附圖描述其優(yōu)選實施例，在附圖中:
[0025]圖1a是根據(jù)本公開內(nèi)容的一個實施例的集成檢測結(jié)構(gòu)的示意平面圖；
[0026]圖1b是圖1a的集成檢測結(jié)構(gòu)的一部分的示意側(cè)向截面圖；
[0027]圖2示出處于橫擺角速度檢測的操作狀況下的集成檢測結(jié)構(gòu)的簡化平面圖；
[0028]圖3a_3b分別在平面圖中和在側(cè)向截面中示出處于滾動角速度檢測的操作狀況下的集成檢測結(jié)構(gòu)；
[0029]圖4示出處于平面內(nèi)加速度檢測的操作狀況下的集成檢測結(jié)構(gòu)的簡化平面圖；
[0030]圖5a_5b分別在平面圖中和在側(cè)向截面中示出處于平面外加速度檢測的操作狀況下的集成檢測結(jié)構(gòu)；
[0031]圖6是集成檢測結(jié)構(gòu)的一個實施例的更具體平面圖；
[0032]圖7是電子裝置中的MEMS傳感器設(shè)備的簡化框圖，該MEMS傳感器設(shè)備并入集成檢測結(jié)構(gòu)；并且
[0033]圖8是根據(jù)又一備選實施例的集成檢測結(jié)構(gòu)的示意平面圖。
【具體實施方式】
[0034]圖1a示出用于集成檢測加速度和角速度的作為整體由I標(biāo)示的微機電類型的檢測結(jié)構(gòu)?？梢跃唧w從半導(dǎo)體材料(比如硅)本體開始用半導(dǎo)體表面微加工技術(shù)制作集成檢測結(jié)構(gòu)I。
[0035]集成檢測結(jié)構(gòu)I包括由第一慣性質(zhì)量體2和第二慣性質(zhì)量體2’構(gòu)成的單對慣性質(zhì)量體，相應(yīng)成對撓曲(flexural)諧振器元件3a_3b、3a’ _3b’以及相應(yīng)成對扭轉(zhuǎn)(torsional)諧振器元件4a_4b、4a’_4b’ I禹合到每個慣性質(zhì)量體(注意在圖1a中，如在以下圖中類似的那樣，引號指示與第二慣性質(zhì)量體2’關(guān)聯(lián)的元件)。
[0036]集成檢測結(jié)構(gòu)I具有在由第一軸X和第二軸I限定的水平平面Xy中的主要延伸以及在沿著豎軸Z與水平平面xy正交的方向上的基本上可忽略不計的尺寸(在與在水平平面xy中的尺寸比較時)，該豎軸與在水平平面中的前述第一和第二軸x、y限定一組三個正交軸。
[0037]集成檢測結(jié)構(gòu)I還優(yōu)選地關(guān)于穿過它的幾何中心并且分別與第一和第二軸x、y平行的第一中軸Mx和第二中軸My理想地對稱。
[0038]假定該結(jié)構(gòu)對稱，以鏡像方式配置慣性質(zhì)量體2、2’和關(guān)聯(lián)的諧振器元件，使得以下描述將僅詳細討論兩個慣性質(zhì)量體中的第一個慣性質(zhì)量體，具體為第一慣性質(zhì)量體2，清楚的是完全相似的考慮也在兩個慣性質(zhì)量體中的第二個慣性質(zhì)量體(在這一情況下為第二慣性質(zhì)量體2’ )的情況下適用。
[0039]具體而言，第一慣性質(zhì)量體2錨定到下面的基板(這里未圖示，例如半導(dǎo)體材料的基板，諸如硅)以便在靜止?fàn)顩r下(即在不存在待檢測的外部量時)懸置于基板上方而水平平面xy基本上平行于其頂表面。
[0040]具體而言，第一慣性質(zhì)量體2彈性耦合到成對的外部錨固件6a、6b，外部錨固件6a,6b相對于第一慣性質(zhì)量體2在水平平面xy中的總尺度外部地、沿著水平平面xy中的第一軸X和第二軸y以某個距離側(cè)向地設(shè)置。外部錨固件6a、6b例如由豎直延伸與基板一樣遠并且機械連接到基板的相應(yīng)柱構(gòu)成，并且相對于第一中軸Mx對稱設(shè)置。
[0041 ] 第一慣性質(zhì)量體2借助例如直線或者折疊類型的相應(yīng)彈性元件(或者彈簧)8a、8b連接到每個外部錨固件6a、6b ;相對于第一中軸Mx對稱布置彈性錨固元件8a、8b。
[0042]具體而言，每個彈性元件8a、8b具有第一端和第二端，該第一端錨定(約束或者集成)到相應(yīng)外部錨固件6a、6b，該第二端錨定(約束或者集成)到第一慣性質(zhì)量體2的在與第一中軸化對應(yīng)的位置設(shè)置的內(nèi)部部分9。每個彈性元件8a、8b具有第一彈簧部分和第二彈簧部分，該第一彈簧部分與第一軸X平行縱向延伸并且與第一慣性質(zhì)量體2并排側(cè)向設(shè)置并且關(guān)聯(lián)到前述第一端，該第二彈簧部分與第二軸y平行縱向延伸并且相對于第一部分成直角設(shè)置以形成“L”并且關(guān)聯(lián)到前述第二端。第二彈簧部分在貫穿第一慣性質(zhì)量體2的厚度穿越第一慣性質(zhì)量體2的相應(yīng)凹陷10中在第一慣性質(zhì)量體2內(nèi)延伸。
[0043]第一慣性質(zhì)量體2具有相對于彈性錨固元件8a、8b的第二彈簧部分沿著第一軸x的不對稱質(zhì)量分布并且以離心方式約束到外部錨固件6a、6b。
[0044]彈性錨固元件8a、8b作為整體被配置(具體在撓曲和扭轉(zhuǎn)剛度方面)以便維持在基板上方懸置的第一慣性質(zhì)量體2并且以如下方式來配置:第一慣性質(zhì)量體2的第一固有模式是沿著第二軸I的平移；第二固有模式是繞著與第二軸I平行的第一旋轉(zhuǎn)軸A在水平平面xy外的旋轉(zhuǎn)，該第一旋轉(zhuǎn)軸穿越前述內(nèi)部部分9并且由第二彈簧部分的縱向延伸軸限定；并且第三固有模式是沿著第一軸X的平移。
[0045]關(guān)聯(lián)到第一慣性質(zhì)量體2的撓曲諧振器元件3a、3b為梁式、很薄(即寬度比它們的長度小得多)、在與第二 軸y平行的方向上縱向延伸并且相對于第一軸X與第一慣性質(zhì)量體2并排設(shè)置。
[0046]具體而言，每個撓曲諧振器元件3a、3b借助兩個元件共用的并且在與第一縱軸Mx對應(yīng)的位置設(shè)置的中心錨固件11在第一縱向端處約束到基板。每個撓曲諧振器元件3a、3b另外在它的第二縱向端處與對應(yīng)的外部錨固件6a、6b嚴(yán)格鄰近地約束到相應(yīng)彈性元件8a、8b，具體約束到相同彈性元件8a、8b的對應(yīng)的第一部分。撓曲諧振器元件3a、3b因此從與相應(yīng)彈性元件8a、8b的約束點向中心錨固件11延伸，并且經(jīng)由相同彈性元件8a、8b I禹合到第一慣性質(zhì)量體2。
[0047]具體而言，在撓曲諧振器元件3a、3b到相應(yīng)彈性元件8a、8b的約束點與相應(yīng)外部錨固件6a、6b之間的由c標(biāo)示的距離比彈性元件8a、8b的第一部分本身的長度L小得多；例如滿足以下關(guān)系:
[0048]0.01.L〈c〈0.1.L(I)
[0049]如在前述第IT1395419號專利中詳細描述的那樣，選擇撓曲諧振器元件3a、3b的約束位置(與外部錨固件6a、6b很近)以便最大化由于慣性質(zhì)量體沿著第二軸y的平移所致的在諧振器元件中的軸向應(yīng)力(如下文更具體描述的那樣)；因此獲得高的力放大因數(shù)而未求助于杠桿系統(tǒng)。
[0050]撓曲諧振器元件3a、3b的諧振驅(qū)動和所得電諧振信號的檢測通過與如下電極的電容耦合而出現(xiàn)，這些電極與撓曲諧振器元件3a、3b平行設(shè)置并且面向撓曲諧振器元件3a、3b0[0051]具體而言，存在撓曲諧振器元件3a、3b 二者共用的驅(qū)動電極12，該驅(qū)動電極具有沿著第二軸I與第一慣性質(zhì)量體2的對應(yīng)延伸基本上一致的延伸，并且沿著第一軸X設(shè)置于撓曲諧振器元件3a、3b與第一慣性質(zhì)量體2之間。針對每個撓曲諧振器元件3a、3b另外存在相應(yīng)檢測電極13a、13b，該檢測電極在第一軸X的相對于相應(yīng)驅(qū)動電極12的相對側(cè)上面向撓曲諧振器元件，沿著第二軸I設(shè)置于相應(yīng)外部錨固件6a、6b與中心錨固件11之間。
[0052]如下文將闡明的那樣，驅(qū)動電極12還功能地耦合到第一慣性質(zhì)量體2，從而用于引起第一慣性質(zhì)量體2沿著第一軸X在線性方向上處于諧振狀況下的驅(qū)動。
[0053]扭轉(zhuǎn)諧振器元件4a_4b由相應(yīng)懸置質(zhì)量體構(gòu)成，這些懸置質(zhì)量體具有在水平平面xy中比第一慣性質(zhì)量體2小得多的尺度以及在平面圖中的方形(或者總體為矩形)，并且關(guān)于第一旋轉(zhuǎn)軸A對稱布置于第一慣性質(zhì)量體2的內(nèi)部部分9的相對于相同第一旋轉(zhuǎn)軸A的相對例上。
[0054]具體而言，該對扭轉(zhuǎn)諧振器元件的第一扭轉(zhuǎn)諧振器元件4a在經(jīng)過第一慣性質(zhì)量體2(在第一慣性質(zhì)量體2被內(nèi)部部分9劃分時)的第一部分提供的第一開口 14內(nèi)設(shè)置于第一慣性質(zhì)量體2以內(nèi)，該第一部分具有沿著第一軸X的更小延伸，而該對扭轉(zhuǎn)諧振器元件的第二扭轉(zhuǎn)諧振器元件4b在經(jīng)過第一慣性質(zhì)量體2的第二部分提供的第二開口 15內(nèi)設(shè)置于相對于第一慣性質(zhì)量體2的側(cè)向位置，該第二部分具有沿著第一軸X的更小延伸并且布置于整個集成檢測結(jié)構(gòu)I的對稱中心處。
[0055]具體而言，第二扭轉(zhuǎn)諧振器元件4b位于距第一旋轉(zhuǎn)軸A可能的最大距離處，使得其外部側(cè)向表面與第一慣性質(zhì)量體2的相應(yīng)側(cè)向表面沿著第二軸y齊平并且對準(zhǔn)。第二開口 15在前述側(cè)向表面處朝著第一慣性質(zhì)量體2以外打開。
[0056]如在前述第T02011A000782(W02013030798)號專利申請中具體描述的那樣，扭轉(zhuǎn)諧振器元件4a、4b的這一位置實現(xiàn)最大化檢測靈敏度，維持極小總尺度。
[0057]扭轉(zhuǎn)諧振器元件4a、4b由扭轉(zhuǎn)類型的相應(yīng)彈性支撐元件16彈性約束到第一慣性質(zhì)量體2，這些彈性支撐元件被配置以便允許扭轉(zhuǎn)諧振器元件4a、4b執(zhí)行繞著與第一旋轉(zhuǎn)軸A和第二軸y平行的相應(yīng)第二旋轉(zhuǎn)軸B和第三旋轉(zhuǎn)軸C在水平面xy外的旋轉(zhuǎn)運動；這一運動構(gòu)成用于扭轉(zhuǎn)諧振器兀件4a、4b的第一固有模式。旋轉(zhuǎn)軸B、C關(guān)于第一旋轉(zhuǎn)軸A對稱布置于第一旋轉(zhuǎn)軸A的相對側(cè)上。
[0058]更具體而言，每個扭轉(zhuǎn)諧振器元件4a、4b由成對彈性支撐元件16約束到第一慣性質(zhì)量體2的相應(yīng)部分，這些彈性支撐元件由直線或者折疊類型的扭轉(zhuǎn)彈簧構(gòu)成，這些扭轉(zhuǎn)彈簧一般沿著第二軸I相對于相應(yīng)扭轉(zhuǎn)諧振器元件4a、4b基本上居中地在相應(yīng)扭轉(zhuǎn)諧振器元件4a、4b的相對側(cè)上延伸。
[0059]再次參照圖lb，對于每個扭轉(zhuǎn)諧振器元件4a、4b，提供相應(yīng)成對電極，并且具體而言，驅(qū)動電極17和檢測電極18在相對于對應(yīng)旋轉(zhuǎn)軸B、C的相對側(cè)上布置于扭轉(zhuǎn)諧振器元件4a、4b下面；電極17和18設(shè)置于集成檢測結(jié)構(gòu)I的在圖1b中由20標(biāo)示的基板上。
[0060]驅(qū)動電極17用于通過施加適當(dāng)電勢差在繞著相應(yīng)旋轉(zhuǎn)軸B、C的旋轉(zhuǎn)中在諧振狀況下驅(qū)動關(guān)聯(lián)扭轉(zhuǎn)諧振器元件4a、4b，并且相對于第一旋轉(zhuǎn)軸A和第一慣性質(zhì)量體2在水平平面xy中的總尺度設(shè)置于更外部的側(cè)向位置處。檢測電極18代之以用于借助與對應(yīng)扭轉(zhuǎn)諧振器元件4a、4b的電容耦合的變化來檢測對應(yīng)諧振頻率的變化(根據(jù)稱為“平行板(parallel plate) ” 的檢測方案)。[0061]以未圖示的方式，提供適當(dāng)電連接路徑用于將前述電極17、18電連接到耦合到集成檢測結(jié)構(gòu)I的電子電路。電子電路被配置用于向集成檢測結(jié)構(gòu)I供應(yīng)電驅(qū)動信號并且接收和處理由相同集成結(jié)構(gòu)I供應(yīng)的電檢測信號。
[0062]現(xiàn)在進行對集成檢測結(jié)構(gòu)I的操作原理的描述，該集成檢測結(jié)構(gòu)實現(xiàn)集成檢測繞著兩個角速度檢測軸的角速度和沿著兩個加速度檢測軸的線性加速度。
[0063]具體而言，借助撓曲諧振器元件3a-3b、3a’_3b’，集成檢測結(jié)構(gòu)I實現(xiàn)差分檢測繞著在水平平面xy外的方向(具體沿著豎軸z)作用的角速度(所謂橫擺角速度Ωζ)和沿著第二軸I的線性加速度ay。此外，借助扭轉(zhuǎn)諧振器元件4a_4b、4a’ _4b’，集成檢測結(jié)構(gòu)I實現(xiàn)差分檢測繞著第二軸y作用的角速度(所謂滾動角速度Ω)和線性平面外加速度az (沿著豎軸z作用)。
[0064]具體而言并且參照圖2(其中為了簡化未表示扭轉(zhuǎn)諧振器元件4a-4b、4a’_4b’)，為了檢測關(guān)于豎軸z作用的橫擺角速度Ωζ，借助由相應(yīng)驅(qū)動電極12、12’實施的靜電驅(qū)動(在用實線代表的箭頭的方向上)根據(jù)第三固有運動模式(即沿著第一軸X的平移)在諧振中保持慣性質(zhì)量體2、2’。
[0065]在應(yīng)用外部橫擺角速度Ω ζ時，在兩個慣性質(zhì)量體2、2’上，相應(yīng)科里奧利力Fc沿著第二軸定向產(chǎn)生，具有相反方向并且具有由下式給定的模量:
【權(quán)利要求】
1.一種集成檢測結(jié)構(gòu)，包括: 基板； 第一彈性錨固元件； 第二彈性錨固元件； 第一慣性質(zhì)量體，在平面中懸置于所述基板之上并且由所述第一彈性錨固元件錨定到所述基板； 第二慣性質(zhì)量體，在所述平面中懸置于所述基板之上并且由所述第二彈性錨固元件錨定到所述基板； 第一組驅(qū)動電極，操作地耦合到所述第一慣性質(zhì)量體和所述第二慣性質(zhì)量體中的每個慣性質(zhì)量體，并且被配置用于沿著所述平面的第一軸在相反方向上用驅(qū)動運動來驅(qū)動所述第一慣性質(zhì)量體和所述第二慣性質(zhì)量體；以及 第一彈性支撐元件、第二彈性支撐元件、第三彈性支撐元件和第四彈性支撐元件； 第一對第一諧振器元件，分別由所述第一彈性支撐元件和所述第二彈性支撐元件彈性地耦合到所述第一慣性質(zhì)量體，所述第一彈性支撐元件和所述第二彈性支撐元件被配置用于實現(xiàn)所述第一對的所述第一諧振器元件關(guān)于彼此的獨立諧振運動； 第二對第一諧振器元件，分別由所述第三彈性支撐元件和所述第四彈性支撐元件彈性地耦合到所述第二慣性質(zhì)量體，所述第三彈性支撐元件和所述第四彈性支撐元件被配置用于實現(xiàn)所述第二對的所述 第一諧振器元件關(guān)于彼此的獨立諧振運動；其中: 所述第一彈性錨固元件被配置用于允許所述第一慣性質(zhì)量體在所述平面中沿著所述第一軸執(zhí)行第一線性驅(qū)動運動，允許根據(jù)待檢測的第一角速度或者第一線性加速度繞著與橫切于所述第一軸的第二軸平行并且在所述平面中的第一旋轉(zhuǎn)軸的第一旋轉(zhuǎn)檢測運動，并且引起所述第一對第一諧振器元件的對應(yīng)諧振頻率變化；并且 所述第二彈性錨固元件被配置用于允許所述第二慣性質(zhì)量體在所述平面中沿著所述第一軸執(zhí)行第二線性驅(qū)動運動，允許根據(jù)待檢測的所述第一角速度或者所述第一線性加速度繞著在所述平面中與所述第二軸平行的第二旋轉(zhuǎn)軸的第二旋轉(zhuǎn)檢測運動，并且引起所述第二對第一諧振器元件的對應(yīng)諧振頻率變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成檢測結(jié)構(gòu)，其中: 所述第一對第一諧振器元件和所述第二對第一諧振器元件的所述第一諧振器元件為扭轉(zhuǎn)類型，并且所述第一對和所述第二對中的每對的所述獨立諧振運動是所述第一諧振器元件繞著相應(yīng)第二旋轉(zhuǎn)軸和第三旋轉(zhuǎn)軸的獨立旋轉(zhuǎn)運動，所述第二旋轉(zhuǎn)軸和所述第三旋轉(zhuǎn)軸相互平行并且與所述第一慣性質(zhì)量體和所述第二慣性質(zhì)量體的相應(yīng)第一旋轉(zhuǎn)軸平行；用于所述第一慣性質(zhì)量體和所述第二慣性質(zhì)量體的相應(yīng)所述第一檢測運動響應(yīng)于繞著所述第二軸的第一角速度由于相應(yīng)科里奧利力而為相同旋轉(zhuǎn)方向，并且響應(yīng)于沿著橫切于所述平面的豎軸定向的第一線性加速度由于相應(yīng)慣性力而為在相反旋轉(zhuǎn)方向上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的集成檢測結(jié)構(gòu)，包括第一組檢測電極，所述第一組檢測電極布置于所述基板上并且操作地耦合到所述第一諧振器元件，以實現(xiàn)根據(jù)由于所述第一慣性質(zhì)量體和所述第二慣性質(zhì)量體的所述第一檢測移動而距所述基板的距離的變化來檢測諧振頻率隨著電剛度變化的對應(yīng)變化。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的集成檢測結(jié)構(gòu)，其中所述第一慣性質(zhì)量體和所述第二慣性質(zhì)量體的相應(yīng)所述第一檢測運動被配置用于響應(yīng)于所述第一角速度或者所述第一線性加速度引起在所述第一對和所述第二對的所述第一諧振器元件中距所述基板的相反距離變化以及在所述第一對和所述第二對中的至少一對的所述第一諧振器元件中的不同諧振頻率變化。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的集成檢測結(jié)構(gòu)，其中: 所述第一對和所述第二對的所述第一諧振器元件分別布置于在相應(yīng)的所述慣性質(zhì)量體中提供的第一開口和第二開口中；并且 關(guān)于所述第一旋轉(zhuǎn)軸對稱地設(shè)置所述第一開口和所述第二開口，所述第二開口關(guān)于所述集成檢測檢測結(jié)構(gòu)居中地朝著相應(yīng)的所述慣性質(zhì)量體的外部打開。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的集成檢測結(jié)構(gòu)，其中在所述平面中在相應(yīng)的所述慣性質(zhì)量體的總尺度中包含并且關(guān)于所述第一旋轉(zhuǎn)軸對稱地設(shè)置所述第一諧振器元件，所述第二旋轉(zhuǎn)軸和所述第三旋轉(zhuǎn)軸被布置為距所述第一旋轉(zhuǎn)軸相同距離。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的集成檢測結(jié)構(gòu)，還包括第二組驅(qū)動電極，所述第二組驅(qū)動電極操作地耦合到所述第一諧振器元件并且被配置用于在諧振狀況下以標(biāo)稱扭轉(zhuǎn)諧振頻率分別在繞著所述第二旋轉(zhuǎn)軸和所述第三旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)中引起對所述第一諧振器元件的驅(qū)動。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成檢測結(jié)構(gòu)，還包括與所述第二軸平行的中軸；其中關(guān)于所述中軸對稱地布置所述第一慣性質(zhì)量體和所述第二慣性質(zhì)量體。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成檢測結(jié)構(gòu)，其中: 相應(yīng)的所述第一彈性錨固元件和所述第二彈性錨固元件將所述第一慣性質(zhì)量體和所述第二慣性質(zhì)量體耦合到相應(yīng)外部錨固件；并且 所述第一慣性質(zhì)量體和所述第二慣性質(zhì)量體具有關(guān)于相應(yīng)所述第一旋轉(zhuǎn)軸不對稱的質(zhì)量分布，并且以離心方式經(jīng)由相應(yīng)所述彈性錨固元件約束到所述基板。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的集成檢測結(jié)構(gòu)，其中所述第一對和所述第二對的所述第一諧振器元件為扭轉(zhuǎn)類型；所述結(jié)構(gòu)還包括撓曲類型的第一對第二諧振器元件和第二對第二諧振器元件，所述第一對第二諧振器元件和所述第二對第二諧振器元件耦合到所述第一慣性質(zhì)量體和所述第二慣性質(zhì)量體中的每個慣性質(zhì)量體，所述第二諧振器元件中的每個第二諧振器元件具有與所述外部錨固件中的相應(yīng)錨固件鄰近地約束到朝著所述基板的錨固件的第一端和約束到所述彈性錨固元件中的相應(yīng)彈性錨固元件的第二端；其中所述彈性錨固元件還被配置用于允許所述相應(yīng)慣性質(zhì)量體沿著所述第二軸執(zhí)行相應(yīng)第二線性檢測運動；相應(yīng)的所述第二檢測運動被設(shè)計用于引起在所述第二諧振器元件中的軸向應(yīng)力并且變化所述諧振頻率。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的集成檢測結(jié)構(gòu)，還包括操作地耦合到所述第二諧振器元件并且實現(xiàn)檢測諧振頻率的對應(yīng)變化的第二組檢測電極。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的集 成檢測結(jié)構(gòu)，其中用于所述第一慣性質(zhì)量體和所述第二慣性質(zhì)量體的相應(yīng)的所述第二檢測運動響應(yīng)于沿著所述第二軸定向的第二線性加速度在所述第二軸的相同方向上，并且在存在繞著所述豎軸的第二角速度時在所述第二軸的相反方向上。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的集成檢測結(jié)構(gòu)，其中所述結(jié)構(gòu)被配置用于實現(xiàn)聯(lián)合檢測分別沿著所述豎軸和所述第二軸定向的所述第一線性加速度和所述第二線性加速度以及分別繞著所述第二軸和所述豎軸的所述第一角速度和所述第二角速度。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的集成檢測結(jié)構(gòu)，其中所述慣性質(zhì)量體的所述相應(yīng)第二檢測運動被配置用于響應(yīng)于所述第二角速度或者所述第二線性加速度的存在來引起在所述第一對和所述第二對的所述第二諧振器元件中的相反軸向應(yīng)力以及至少一對的所述第二諧振器元件的不同諧振頻率變化。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的集成檢測結(jié)構(gòu)，其中所述第一組驅(qū)動電極還被配置用于以所述第二諧振器元件的標(biāo)稱撓曲諧振頻率引起對所述第二諧振器元件的諧振驅(qū)動。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的集成檢測結(jié)構(gòu)，其中: 所述第二諧振器元件為梁式形狀并且具有沿著所述第二軸的縱向延伸；并且所述第一組驅(qū)動電極包括相對于所述第一慣性質(zhì)量體和所述第二慣性質(zhì)量體中的相應(yīng)慣性質(zhì)量體側(cè)向布置并且面向相應(yīng)一對所述第一諧振器元件并且沿著所述第一軸設(shè)置于所述相應(yīng)第一對第二諧振器元件和第二對第二諧振器元件與所述相應(yīng)慣性質(zhì)量體之間的相應(yīng)驅(qū)動電極。
17.一種諧振傳感器設(shè)備，包括: 集成檢測結(jié)構(gòu)，包括: 基板； 第一彈性錨固元件；` 第二彈性錨固元件； 第一慣性質(zhì)量體，在平面中懸置于所述基板之上并且由所述第一彈性錨固元件錨定到所述基板； 第二慣性質(zhì)量體，在所述平面中懸置于所述基板之上并且由所述第二彈性錨固元件錨定到所述基板； 第一組驅(qū)動電極，操作地耦合到所述第一慣性質(zhì)量體和所述第二慣性質(zhì)量體中的每個慣性質(zhì)量體，并且被配置用于沿著所述平面的第一軸在相反方向上用驅(qū)動運動來驅(qū)動所述第一慣性質(zhì)量體和所述第二慣性質(zhì)量體；以及 第一彈性支撐元件、第二彈性支撐元件、第三彈性支撐元件和第四彈性支撐元件； 第一對第一諧振器元件，分別由所述第一彈性支撐元件和所述第二彈性支撐元件彈性地耦合到所述第一慣性質(zhì)量體，所述第一彈性支撐元件和所述第二彈性支撐元件被配置用于實現(xiàn)所述第一對的所述第一諧振器元件關(guān)于彼此的獨立諧振運動； 第二對第一諧振器元件，分別由所述第三彈性支撐元件和所述第四彈性支撐元件彈性地耦合到所述第二慣性質(zhì)量體，所述第三彈性支撐元件和所述第四彈性支撐元件被配置用于實現(xiàn)所述第二對的所述第一諧振器元件關(guān)于彼此的獨立諧振運動；其中: 所述第一彈性錨固元件被配置用于允許所述第一慣性質(zhì)量體在所述平面中沿著所述第一軸執(zhí)行第一線性驅(qū)動運動，允許根據(jù)待檢測的第一角速度或者第一線性加速度繞著與橫切于所述第一軸的第二軸平行并且在所述平面中的第一旋轉(zhuǎn)軸的第一旋轉(zhuǎn)檢測運動并且引起所述第一對第一諧振器元件的對應(yīng)諧振頻率變化；并且 所述第二彈性錨固元件被配置用于允許所述第二慣性質(zhì)量體在所述平面中沿著所述第一軸執(zhí)行第二線性驅(qū)動運動，允許根據(jù)待檢測的所述第一角速度或者所述第一線性加速度繞著在所述平面中與所述第二軸平行的第二旋轉(zhuǎn)軸的第二旋轉(zhuǎn)檢測運動，并且引起所述第二對第一諧振器元件的對應(yīng)諧振頻率變化；以及 讀取和驅(qū)動電路，電耦合到所述集成檢測結(jié)構(gòu)并且被配置用于根據(jù)由于所述慣性質(zhì)量體的所述相應(yīng)第一檢測運動所致的所述第一諧振器元件的諧振頻率變化的相應(yīng)組合來聯(lián)合檢測至少一個第一角速度和至少一個第一線性加速度的值。
18.一種電子裝置，包括: 根據(jù)權(quán)利要求17所述的諧振傳感器設(shè)備；以及 控制單元，電耦合到所述諧振傳感器設(shè)備的所述讀取和驅(qū)動電路并且被配置用于接收所述至少一個第一角速度和所述至少一個第一線性加速度的檢測值。
【文檔編號】G01P15/125GK103712612SQ201310463706
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年9月27日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月28日
【發(fā)明者】C·科米, A·科里利亞諾, L·巴爾達薩雷 申請人:意法半導(dǎo)體股份有限公司