[发明专利]具有改进的性能的检测结构的Z轴线谐振加速度计

说明书

本公开的实施例涉及具有改进的性能的检测结构的Z轴线谐振加速度计。检测结构包括惯性质量块，惯性质量块悬置在衬底上方，并且具有提供在惯性质量块并且在惯性质量块的整个厚度上穿过它的窗口。惯性质量块通过扭转类型的第一锚定弹性元件和第二锚定弹性元件耦合到主锚定件，主锚定件布置在窗口中，并且与衬底一体。检测结构还包括具有纵向延伸的至少第一谐振元件，第一谐振元件耦合在第一弹性元件和布置在窗口中的第一约束元件之间。第一约束元件悬置在衬底上方，通过第一辅助锚定元件固定地耦合到衬底，第一辅助锚定元件在具有纵向延伸的第一谐振元件下方延伸，并且一体地耦合在第一约束元件和主锚定件之间。

技术领域

本公开涉及具有改进的性能的检测结构的垂直轴线(所谓的“z轴线”)谐振加速度计。

背景技术

MEMS(微机电系统)加速度计(在该定义中还包括具有亚微米尺寸的设备)是已知的，MEMS加速度计以频率调制(FM)检测原理操作，并且能够检测垂直加速度分量，该垂直加速度分量在垂直于或超出对应检测结构的主延伸平面的方向上起作用。

在这些谐振加速度计中，待测量的外部加速度产生检测结构的一个或多个谐振元件的谐振频率的可检测变化，谐振元件由驱动电路维持振荡；谐振元件可以由检测结构的整个惯性质量块(检验质量块或自由质量块)形成，或者由耦合到同一惯性质量块的不同元件形成。

相对于其他测量原理，谐振检测具有提供准数字类型、高灵敏度、高干扰抑制和宽动态范围的直接频率输出的优点。此外，由于谐振加速度计被真空封装，并且在低压下工作，因此它们具有良好的可集成性质。

根据检测结构的配置，谐振频率的变化可能由谐振元件中存在的轴向应力和机械刚度的对应变化引起，或者由所谓的静电刚度(同一谐振元件所经受的静电刚度)的变化引起。

如图1A中示意性所示的，在其操作是基于检测由于电气刚度变化引起的谐振频率变化的加速度计的情况下，在垂直方向上(沿z轴线)作用的外部加速度a_ext在检测结构的惯性质量块m(弹性耦合到支撑件)上生成惯性力，该惯性力引起惯性质量块的位移，并且使同一惯性质量块和与之耦合的谐振元件r之间的距离或“间隙”变化。间隙变化产生“电气刚度”的变化，这引起谐振元件的谐振频率的对应变化，谐振元件通过致动结构a维持振荡(通常，间隙变化、随之而来的“电气刚度”变化也可能在谐振元件和与之耦合的电极之间出现)。

如图1B中示意性所示的，在其操作是基于检测由于机械刚度变化引起的谐振频率变化的加速度计的情况下，上述外部加速度a_ext在检测结构的惯性质量块m上生成惯性力，该惯性力引起同一惯性质量块的位移，该位移确定与其机械耦合的谐振元件r上的轴向应力(牵引轴向应力或压缩轴向应力)，该轴向应力与上述外部加速度成比例。

在基于静电刚度变化的谐振加速度计的已知解决方案之中，可以提及例如：

B.Yang，X.Wang，B.Dai，X.Liu，“A new z axis resonant micro accelerometerbased on electrostatic stiffness，”Sensors，vol.15，pp.687 702，2015；

C.Comi et al，“Sensitivity and temperature behavior of a novel zaxisdifferential accelerometer，”J.Micromech Microeng，vol.26，2016；

I.Kim et al，“Wafer Level vacuum packaged out of plane and in planedifferential resonant silicon accelerometers for navigational applications”J.Semiconductor Tech.Sc.，Vol.5，no.1，pp 58-66，2005；以及