[发明专利]具有改进配置的MEMS三轴加速度计

说明书

本发明涉及具有改进配置的MEMS三轴加速度计。一种MEMS三轴加速度计设置有感测结构，感应结构具有：单个惯性质量块，惯性质量块具有在由第一和第二水平轴线限定的水平平面中的主延伸部并且在内部限定了第一窗口，第一窗口沿着与水平平面正交的垂直轴线而横贯惯性质量块的整个厚度；以及悬挂结构，悬挂结构被安排在窗口内以用于将惯性质量块弹性地联接至单个锚固元件，锚固元件相对于衬底被固定并且被安排在窗口内，使得惯性质量块悬挂在衬底上方并且能够通过惯性作用执行在检测到对应的加速度分量之后在与第一、第二和第三水平轴线平行的对应感测方向上的第一、第二和第三感测移动。

技术领域

本发明涉及一种具有改进配置的MEMS三轴加速度计。

背景技术

众所周知，当前的微加工技术使得能够从半导体材料层开始制造所谓的MEMS(微机电系统)设备，这些半导体材料层已经被沉积(例如，多晶体层)或生长(例如，外延层)在牺牲层上，这些牺牲层经由化学蚀刻而被移除。例如，利用以上技术获得的惯性传感器、加速度计和陀螺仪在今天被广泛应用于例如汽车领域、惯性导航中、便携式设备领域、以及医学领域。

具体地，已知利用MEMS技术制成的半导体材料的集成加速度计，这些集成加速度计包括感测质量块，联接至这些感测质量块的是可移动(或者转子)电极，这些可移动电极被安排成面向固定(或定子)电极。

响应于在感测方向上的线性加速度，感测质量块的惯性移动引起在可移动电极与固定电极之间形成的电容器的电容变化，从而生成可根据待检测的加速度而发生变化的电量。

通过加速度来确定移动的频率；感测质量块的位移幅值通过以下关系式X＝a/ω²而与谐振频率相关，其中，X为感测质量块的位移，a为施加的外部加速度，并且ω是谐振频率(用rad/s表示)。

MEMS加速度计的感测质量块被安排在衬底上方，通过锚固和悬挂结构而被悬挂，这些锚固和悬挂结构包括相对于衬底被固定的锚固元件以及弹性悬挂元件，这些弹性悬挂元件被配置成用于确保感测质量块在一个或多个感测方向上的惯性移动的一个或多个自由度。

具体地，在若干应用中，需要提供对在多个感测方向上作用的线性加速度的检测，例如沿着与笛卡儿三元组的轴线相对应的三个感测方向。出于此目的，可以使用MEMS三轴加速度计，这些MEMS三轴加速度计能够检测在这三个感测方向上作用的三个加速度分量。

在各个领域中(诸如医学领域或便携式电子设备领域)，还已知需要尽可能地减小尺寸，因此需要减小MEMS三轴加速度计的尺寸。除了影响整个面积的占用之外，传感器尺寸的减小进一步使能降低制作成本。

当前，大多数MEMS三轴加速度计包括多个感测质量块，通常是每个感测方向一个感测质量块。这具有以下优点：使得能够使对每个感测质量块(以及联接的感测电极以及锚固和悬挂结构)的设计集中并且特定于对应感测方向上的检测需求。然而，本解决方案不能使能降低占用面积，并且通常需要较高制造成本和复杂性。

为获得在尺寸和制造成本上的前述降低，进一步已知的解决方案设想利用能够检测三个感测方向上的加速度分量的单个感测质量块。在这种已知解决方案中，感测质量块经由单个弹性悬挂元件被悬挂在衬底上方，该单个弹性悬挂元件被配置成允许在三个感测方向上的惯性移动并确定其共振模式。

虽然使得能够降低面积占用和制造成本，但是这种解决方案仍然具有一些缺点。

具体地，已知MEMS加速度计的平面面积的减小与感测质量块的质量减小直接相关，由下式给出：

m＝ρ·A

其中，m为质量，ρ为材料密度，并且A为平面内面积。

进一步已知的是MEMS加速度计的机械检测灵敏度由下式给出：

其中，k为弹性常数。