[发明专利]具有可变弹性常数的弹性组件的微机械设备

说明书

本公开的各实施例涉及具有可变弹性常数的弹性组件的微机械设备。一种微机械设备，包括：半导体本体；第一移动结构；弹性组件，被耦合到第一移动结构和半导体本体，并且适于经历一个方向上的形变；以及至少一个抵接元件。弹性组件被配置为根据施加到弹性组件上的力使能第一移动结构的振荡。第一移动结构、抵接元件和弹性组件以如下方式相对于彼此被布置：当力小于力阈值时，弹性组件以第一弹性常数操作；并且当力大于阈值力时，第一移动结构与抵接元件接触，并且生成弹性组件的形变，该弹性组件以与第一弹性常数不同的第二弹性常数操作。

技术领域

本公开涉及具有可变弹性常数的弹性组件的微机械设备。

背景技术

众所周知，期望经由具有易于集成的小尺寸的传感器来有效地检测和测量加速度和冲击。常见的应用包括电子设备(诸如，移动电话和智能手表)中的冲击的监测，例如用于检测车祸或由于人感到不适或昏厥或由于疾病而倒在地上的的情况。

当前，市场上有适合检测低加速度(诸如，满量程范围为16g或32g)的低G传感器(诸如，加速度计和陀螺仪)和适合检测高加速度的高G传感器(例如，满量程范围为128g)。前者被用于检测配备有集成了传感器的电子设备的操作者的平常的运动(诸如，移动电话靠近操作者的耳朵或智能手表所连接到的腕部的运动)，而后者则可以进行高强度加速度(以及异常事件)的检测。

为了使电子设备能够检测低加速度和高加速度两者，已知的解决方案设想将两种类型的加速度计集成在电子设备中。然而，在同一的电子设备中同时存在两个不同的加速度计会带来一些缺点，诸如需要使用更多的焊盘以及控制电路装置(例如，专用ASIC、PCB或CPU等)的复杂性更高，以及更通常的更大的集成面积、电子设备的更低的便携性以及更高的制造成本。

考虑到这些缺点，专利文献US2006/107743A1公开了一种加速度计的结构，该加速度计能够在相应的和不同的操作模式中实现两种不同的灵敏度。特别地，在一个实施例中(在图1A中由附图标记1a表示)，上述加速度计包括固定到具有细长形状的第一弹簧元件3的第一端部3a上的振动质量2。此外，第一弹簧元件3被固定在其与第一端部3a相对的第二端部3b处的支撑件5。此外，具有细长形状并且具有彼此相对的第一端部4a和第二端部4b的第二弹簧元件4被固定到其第二端部4b处的支撑件5。第一弹簧元件3和第二弹簧元件4具有沿着与支撑件5的主延伸正交的第一方向的主延伸(例如，正交于支撑件5的表面)，因此，第一弹簧元件3和第二弹簧元件4被设置成关于第一方向彼此平行。另外，它们在垂直于与第一方向正交的第二方向的方向上彼此对准。在使用中，第一弹簧元件3通过在第二方向上作用的力F(例如，重力)在垂直于其主延伸的方向上偏转。当力F等于阈值力F_th时，第一弹簧元件3呈现偏转，使得其在其底表面3c的一部分处与第二弹簧元件4的第一端部4a接触。对于小于阈值力F_th的力F，加速度计1a具有弹性常数的第一值K₁(其刚好取决于第一弹簧元件3的特性)；对于大于阈值力F_th的力F，加速度计1a具有大于第一值K₁的弹性常数的第二值K₂(取决于第二弹簧元件4的特性)。因此，第二弹簧元件4的存在使得能够根据所施加的力F来改变加速度计1a的刚度。

根据在同一专利文件US2006/107743A1中公开的加速度计的不同实施例(在图1B中由附图标记1b表示)，振动质量2经由第三弹簧元件7被连接到支撑件5，第三弹簧元件7具有从与支撑件5接触的端部到与振动质量2接触的端部逐渐减小的锥形。在使用中，第三弹簧元件7的形状使得可以获取弹性常数的非线性分布，并且因此获取根据施加的力F(特别是对数)变化的加速度计1b的刚度。

然而，加速度计1a表现出低的机械稳定性，因为在发生冲击期间或在任何明显的加速度的情况下，弹簧元件3、4可能会过应力并且由于相互接触而遭受损坏或故障。相反，在加速度计1b的情况下，由于其取决于多个结构因素、使用因素和过程因素，因此很难以精确的方式在理论上准确预测刚度的真实曲线。

发明内容