[发明专利]高抗静摩擦现象的MEMS惯性传感器

说明书

公开了一种高抗静摩擦现象的MEMS惯性传感器。MEMS惯性传感器包括支撑结构和惯性结构。惯性结构包括至少一个惯性质量块、弹性结构和止动结构。弹性结构机械地耦合到惯性质量块和支撑结构以使得当支撑结构受到平行于第一方向的加速度时，惯性质量块能够在平行于第一方向的方向上运动。止动结构相对于支撑结构固定，并且至少包括一个主止动元件和一个次止动元件。如果加速度超过第一阈值，则惯性质量块紧靠主止动元件，并且随后围绕由主止动元件限定的旋转轴旋转。如果加速度超过第二阈值，则当惯性质量块紧靠次止动元件时，惯性质量块的旋转终止。

技术领域

本公开涉及一种对静摩擦现象具有高弹性的MEMS(微电子机械系统)惯性传感器。

背景技术

众所周知，MEMS惯性传感器包括例如MEMS类型的加速度计，进而包括悬置的惯性质量块，位于主延伸平面中。通常，由于外部加速度的作用，惯性质量块被承载为沿着平行于主延伸平面的方向(感应轴)移动。

例如，图1A和图1B示出了两种不同操作条件下的已知的电容型的MEMS加速度计1。此外，图1A和图1B示出了笛卡尔参考系XYZ，其平面XY与上述主延伸平面重合。

MEMS加速度计1包括半导体材料(例如，硅)的惯性质量块3，惯性质量块3具有平面形状并且在图1A和图1B中未示出的基底上延伸。例如，惯性质量块3在顶视图中具有四边形(例如，矩形)框架的形状，并且具有贯通型开口9。换言之，惯性质量块3外部具有平行六面体的形状；此外，开口9也具有平行六面体的形状。

第一电极13和第二电极15，两者都是半导体材料(例如，硅)制成的，在开口9中延伸并且借助相应的锚定部分13A、15A锚定到底层基底。特别地，第一电极13和第二电极15在顶视图中具有伸长的四边形(例如，矩形)的形状，主要沿着轴X延伸。

特别地，惯性质量块3具有第一内表面和第二内表面3A、3B，其横向限定开口9并且分别面对第一电极13和第二电极15。第一内表面3A和第二内表面3B是平面并且在平行于平面XZ的方向上延伸。

MEMS加速度计1具有与轴Y平行的感应轴S。此外，惯性质量块3具有质心O，质心O在静止状态下设置在点d₀处。

更详细地说，在MEMS加速度计1的静止状态下，第一内表面3A和第二内表面3B分别布置在距第一电极13和第二电极15的第一距离d₁和第二距离d₂处。在MEMS加速度计1的静止状态下，第一表面3A和第二表面3B以及第一电极13和第二电极15分别彼此电容耦合并形成具有电容C₁、C₂的对应的电容器的板。

惯性质量块3被多个孔17穿过其整个厚度(在平行于轴Z的方向上)，这些孔17使得在制造过程期间能够释放惯性质量块3。

惯性质量块3借助弹簧元件7耦合到约束元件5，约束元件5相对于基底固定，弹簧元件7被配置为响应于具有指向平行于轴Y的分量的外部加速度a_ext，使得惯性质量块3沿着感应轴S进行位移(特别是平移)。在所示的实施例的示例中，约束元件5被布置在惯性质量块3的外部，并且被耦合到惯性质量块3的上述框架形状的第一外壁3C。

MEMS加速度计1进一步包括止动元件19，止动元件19例如由从距惯性质量块3一定距离处的基底开始延伸的固定区域形成。特别地，在所示的实施例的示例中，止动元件19被布置在惯性质量块3的外部，并以一定距离面向惯性质量块3的第二外壁3D，第二外壁3D与第一外壁3C相对。在图1A中所示的MEMS加速度计1的静止状态下，止动元件19被布置在距惯性质量块3的第二外壁3D的止动距离d_s处。

在使用中，惯性质量块3以及第一电极13和第二电极15被偏置到相应的偏置电压。例如，在惯性质量块3以及第一电极13和第二电极15中的每一个之间存在约1V的电压。