[发明专利]加速度和角速度谐振检测集成结构及相关MEMS传感器设备

说明书

技术领域

本公开内容涉及一种加速度和角速度谐振检测集成结构，并且涉及一种所谓MEMS(微机电系统)类型的相关传感器设备。

背景技术

正如所知，已经提出MEMS加速度计和陀螺仪，并且由于它们的高紧凑性、它们的减少的消耗水平和它们的良好电性能而在广泛应用环境中(例如在便携电子装置领域中)用于惯性导航应用、用于创建用户接口或者总体用于检测在三维空间中的移位。

具体而言，已经提出用表面微加工技术制作的谐振微传感器，这些传感器使外部量的检测基于在谐振中设置的一个或者多个元件的频率变化。谐振检测与其它测量技术相比具有赋予直接频率输出、准数字类型、高灵敏度和宽动态范围的优点。

在谐振加速度计中，待测量的外部加速度产生集成机械检测结构的一个或者多个谐振器元件的谐振频率的可检测移位。谐振器元件可以由集成检测结构的整个惯性质量体(测试质量体或者自由质量体，所谓“验证质量体”)、由其某一部分或者由耦合到惯性质量体的不同元件构成。

根据集成检测结构的配置，在惯性质量体移位时谐振器元件中的轴向应力或者相同谐振器元件受到的所谓“电刚度(electrical stiffness)”的变化的存在可以引起谐振频率的变化。

例如在以下文献中描述如下谐振加速度计，这些谐振加速度计的操作原理基于对由于谐振器元件中的轴向应力所致的谐振频率的变化的检测：

D.W.Bruns，R.D.Horning，W.R.Herb，J.D.Zook，H.Guckel“Resonant microbeam accelerometers”，Proc.Transducers95，Stockholm，Sweden，June25-29，659-662(1995)；以及

R.Zhu，G.Zhang，G.Chen“A novel resonant accelerometer based on nanoelectromechanical oscillator”，Proc.MEMS2010，Hong Kong，440-443(2010)。

例如在以下文献中描述如下谐振加速度计，这些谐振加速度计的操作原理代之以基于对由于电刚度的变化所致的谐振频率的变化的检测：

B.Lee，C.Oh，S.Lee，Y.Oh，K.Chun，“A vacuum packaged differential resonant accelerometer using gap sensitive electrostatic stiffness changing effect”，Proc.MEMS2000；以及

H.C.Kim，S.Seok，I.Kim，S-D.Choi，K.Chun，“Inertial-grade out-of-plane and in-plane differential resonant silicon accelerometers(DRXLs)”，Proc.Transducers‘05，Seoul，Korea，June5-9，172-175(2005)。

另外，在第IT1395419号专利中和在以本申请人的名义、于2011年8月31日提交的第TO2011A000782号意大利专利申请(与WO2013030798相关)中，描述关于特性(具体为灵敏度)和减少的机械尺度而改进的谐振加速度计。

在陀螺仪中，一般使惯性质量体以固有谐振频率振动，并且测量由于在存在外部角速度时在一个或者多个检测元件上产生的科里奥利力(Coriolis force)所致的影响。

一般而言，借助电容技术来进行检测，然而存在有利用谐振检测的微陀螺仪的少数示例，在这些示例中可以引用以下文献作为示例：

A.A.Seshia，R.T.Howe，S.Montague，“An integrated microelectromechanical resonant output gyroscope”，Proc.MEMS2002，722-726(2002)；

J.Li，J.Fang，H.Dong，Y.Tao，“Structure design and fabrication of a novel dual-mass resonant output micromechanical gyroscope”，Microsyst.Technology，16，543-552。

在这些文献中，科里奥利力在谐振器元件中生成轴向应力，这些轴向应力相应地修改它们的谐振频率，从而实现检测角速度。

发明内容