集成检测结构及相关谐振传感器设备的制作方法
【专利摘要】本实用新型的实施例提供一种集成检测结构，具有：第一惯性质量体和第二惯性质量体，每个惯性质量体弹性地锚定到基板并且具有沿着第一水平轴的线性运动、绕着与第二水平轴平行的第一旋转轴的第一旋转检测运动和沿着第二水平轴的第二平移检测运动；驱动电极，引起惯性质量体在第一水平轴的相反方向上的线性运动；成对挠曲谐振器元件和成对扭转谐振器元件，弹性耦合到惯性质量体，挠曲谐振器元件具有绕着相互平行并且与第一旋转轴平行的第二旋转轴和第三旋转轴的谐振旋转运动。
【专利说明】集成检测结构及相关谐振传感器设备
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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:
[0007]D.ff.Bruns, R.D.Horning, ff.R.Herb, J.D.Zook, H.Guckel “Resonant microbeamaccelerometers，，, Proc.Transducers95, Stockholm, Sweden, June25_29,659—662 (1995)；以及
[0008]R.Zhu, G.Zhang, G.Chen “A novel resonant accelerometer based onnanoelectromechanical oScillator”，Proc.MEMS2010, HongKong,440-443(2010)。
[0009]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:
[0010]B.Lee,C.0h,S.Lee,Y.0h, K.Chun, uK vacuum packaged differential resonantaccelerometer using gap sensitive electrostatic stiffness changing effect，，，Proc.MEMS2000 ；以及
[0011]H.C.Kim, S.Seok, 1.Kim, S—D.Choi, K.Chun, “ Inertial-grade out-of-planeand in-lplane differential resonant silicon accelerometers (DRXLs)，，，Proc.Transducers ‘05, Seoul, Korea, June5—9,172—175 (2005)。
[0012]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T02011A000782号意大利专利申请(与W02013030798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。[0013]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(Coriolisforce)所致的影响。
[0014]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:
[0015]A.A.Seshia, R.T.Howe, S.Montague, “An integrated microelectromechanicalresonant output gyroscope”，Proc.MEMS2002,722—726 (2002)；
[0016]J.Li, J.Fang, H.Dong, Y.Tao, ^Structure design andfabricationof a noveldual-mass resonant output micromechanical gyroscope，，，Microsyst.Technology, 16,543— 552。
[0017]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。
实用新型内容
[0018]就本 申请人:所知，尚未开发如下微陀螺仪，这些微陀螺仪使它们的检测原理基于由于电刚度的变 化所致的谐振频率的变化。
[0019]另外已知具体在便携装置中以减少尺度和以优化空间占用为目标的如下趋势，该趋势朝着在同一集成设备(所谓“芯片”)内集成多个检测结构；例如具有多个测量轴的检测结构或者另外与角速度检测结构集成的加速度检测结构。
[0020]然而迄今为止，这些集成检测结构通常具有用于检测各种外部量(例如与相应测量轴对应的加速度和/或角速度)的某个数目的不同惯性质量体并且还具有不同读取元件和电路。
[0021]一般而言，希望主要在便携应用的情况下具体关于电特性和机械尺度来优化这些集成检测结构，在便携应用中希望低消耗水平和减少的尺度。
[0022]根据本公开内容的一个实施例，提供一种加速度和角速度谐振集成检测结构以及对应传感器设备。
[0023]在一个实施例中，集成检测结构包括:
[0024]基板；
[0025]第一弹性锚固元件；
[0026]第二弹性锚固元件；
[0027]第一惯性质量体，在平面中悬置于所述基板之上并且由所述第一弹性锚固元件锚定到所述基板；
[0028]第二惯性质量体，在所述平面中悬置于所述基板之上并且由所述第二弹性锚固元件锚定到所述基板；
[0029]第一组驱动电极，操作地耦合到所述第一惯性质量体和所述第二惯性质量体中的每个惯性质量体，并且被配置用于沿着所述平面的第一轴在相反方向上用驱动运动来驱动所述第一惯性质量体和所述第二惯性质量体；以及
[0030]第一弹性支撑元件、第二弹性支撑元件、第三弹性支撑元件和第四弹性支撑元件；
[0031]第一对第一谐振器元件，分别由所述第一弹性支撑元件和所述第二弹性支撑元件弹性地耦合到所述第一惯性质量体，所述第一弹性支撑元件和所述第二弹性支撑元件被配置用于实现所述第一对的所述第一谐振器元件关于彼此的独立谐振运动；
[0032]第二对第一谐振器元件，分别由所述第三弹性支撑元件和所述第四弹性支撑元件弹性地耦合到所述第二惯性质量体，所述第三弹性支撑元件和所述第四弹性支撑元件被配置用于实现所述第二对的所述第一谐振器元件关于彼此的独立谐振运动；其中:
[0033]所述第一弹性锚固元件被配置用于允许所述第一惯性质量体在所述平面中沿着所述第一轴执行第一线性驱动运动，允许根据待检测的第一角速度或者第一线性加速度绕着与横切于所述第一轴的第二轴平行并且在所述平面中的第一旋转轴的第一旋转检测运动，并且引起所述第一对第一谐振器元件的对应谐振频率变化；并且
[0034]所述第二弹性锚固元件被配置用于允许所述第二惯性质量体在所述平面中沿着所述第一轴执行第二线性驱动运动，允许根据待检测的所述第一角速度或者所述第一线性加速度绕着在所述平面中与所述第二轴平行的第二旋转轴的第二旋转检测运动，并且引起所述第二对第一谐振器元件的对应谐振频率变化。
[0035]优选地，所述第一对第一谐振器元件和所述第二对第一谐振器元件的所述第一谐振器元件为扭转类型，并且所述第一对和所述第二对中的每对的所述独立谐振运动是所述第一谐振器元件绕着相应第二旋转轴和第三旋转轴的独立旋转运动，所述第二旋转轴和所述第三旋转轴相互平行并且与所述第一惯性质量体和所述第二惯性质量体的相应第一旋转轴平行；
[0036]用于所述第一惯性质量体和所述第二惯性质量体的相应所述第一检测运动响应于绕着所述第二轴的第一角速度由于相应科里奥利力而为相同旋转方向，并且响应于沿着横切于所述平面的竖轴定向的第一线性加速度由于相应惯性力而为在相反旋转方向上。
[0037]优选地，包括第一组检测电极，所述第一组检测电极布置于所述基板上并且操作地耦合到所述第一谐振器元件，以实现根据由于所述第一惯性质量体和所述第二惯性质量体的所述第一检测移动而距所述基板的距离的变化来检测谐振频率随着电刚度变化的对应变化。
[0038]优选地，所述第一惯性质量体和所述第二惯性质量体的相应所述第一检测运动被配置用于响应于所述第一角速度或者所述第一线性加速度引起在所述第一对和所述第二对的所述第一谐振器元件中距所述基板的相反距离变化以及在所述第一对和所述第二对中的至少一对的所述第一谐振器元件中的不同谐振频率变化。
[0039]优选地，所述第一对和所述第二对的所述第一谐振器元件分别布置于在相应的所述惯性质量体中提供的第一开口和第二开口中；并且
[0040]关于所述第一旋转轴对称地设置所述第一开口和所述第二开口，所述第二开口关于所述集成检测检测结构居中地朝着相应的所述惯性质量体的外部打开。
[0041]优选地，在所述平面中在相应的所述惯性质量体的总尺度中包含并且关于所述第一旋转轴对称地设置所述第一谐振器元件，所述第二旋转轴和所述第三旋转轴被布置为距所述第一旋转轴相同距离。
[0042]优选地，还包括第二组驱动电极，所述第二组驱动电极操作地耦合到所述第一谐振器元件并且被配置用于在谐振状况下以标称扭转谐振频率分别在绕着所述第二旋转轴和所述第三旋转轴的旋转中引起对所述第一谐振器元件的驱动。[0043]优选地，还包括与所述第二轴平行的中轴；其中关于所述中轴对称地布置所述第一惯性质量体和所述第二惯性质量体。
[0044]优选地，相应的所述第一弹性锚固元件和所述第二弹性锚固元件将所述第一惯性质量体和所述第二惯性质量体耦合到相应外部锚固件；并且
[0045]所述第一惯性质量体和所述第二惯性质量体具有关于相应所述第一旋转轴不对称的质量分布，并且以离心方式经由相应所述弹性锚固元件约束到所述基板。
[0046]优选地，所述第一对和所述第二对的所述第一谐振器元件为扭转类型；所述结构还包括挠曲类型的第一对第二谐振器元件和第二对第二谐振器元件，所述第一对第二谐振器元件和所述第二对第二谐振器元件耦合到所述第一惯性质量体和所述第二惯性质量体中的每个惯性质量体，所述第二谐振器元件中的每个第二谐振器元件具有与所述外部锚固件中的相应锚固件邻近地约束到朝着所述基板的锚固件的第一端和约束到所述弹性锚固元件中的相应弹性锚固元件的第二端；其中所述弹性锚固元件还被配置用于允许所述相应惯性质量体沿着所述第二轴执行相应第二线性检测运动；相应的所述第二检测运动被设计用于引起在所述第二谐振器元件中的轴向应力并且变化所述谐振频率。
[0047]优选地，还包括操作地耦合到所述第二谐振器元件并且实现检测谐振频率的对应变化的第二组检测电极。
[0048]优选地，用于所述第一惯性质量体和所述第二惯性质量体的相应的所述第二检测运动响应于沿着所述第二轴定向的第二线性加速度在所述第二轴的相同方向上，并且在存在绕着所述竖轴的第二角速度时在所述第二轴的相反方向上。
[0049]优选地，所述结构被配置用于实现联合检测分别沿着所述竖轴和所述第二轴定向的所述第一线性加速度和所述第二线性加速度以及分别绕着所述第二轴和所述竖轴的所述第一角速度和所述第二角速度。
[0050]优选地，所述惯性质量体的所述相应第二检测运动被配置用于响应于所述第二角速度或者所述第二线性加速度的存在来引起在所述第一对和所述第二对的所述第二谐振器元件中的相反轴向应力以及至少一对的所述第二谐振器元件的不同谐振频率变化。
[0051]优选地，所述第一组驱动电极还被配置用于以所述第二谐振器元件的标称挠曲谐振频率引起对所述第二谐振器元件的谐振驱动。
[0052]优选地，
[0053]所述第二谐振器元件为梁式形状并且具有沿着所述第二轴的纵向延伸；并且
[0054]所述第一组驱动电极包括相对于所述第一惯性质量体和所述第二惯性质量体中的相应惯性质量体侧向布置并且面向相应一对所述第一谐振器元件并且沿着所述第一轴设置于所述相应第一对第二谐振器元件和第二对第二谐振器元件与所述相应惯性质量体之间的相应驱动电极。
[0055]在一个实施例中，一种谐振传感器设备包括:
[0056]集成检测结构，包括:
[0057]基板；
[0058]第一弹性锚固元件；
[0059]第二弹性锚固元件；
[0060]第一惯性质量体，在平面中悬置于所述基板之上并且由所述第一弹性锚固元件锚定到所述基板；
[0061]第二惯性质量体，在所述平面中悬置于所述基板之上并且由所述第二弹性锚固元件锚定到所述基板；
[0062]第一组驱动电极，操作地耦合到所述第一惯性质量体和所述第二惯性质量体中的每个惯性质量体，并且被配置用于沿着所述平面的第一轴在相反方向上用驱动运动来驱动所述第一惯性质量体和所述第二惯性质量体；以及
[0063]第一弹性支撑元件、第二弹性支撑元件、第三弹性支撑元件和第四弹性支撑元件；
[0064]第一对第一谐振器元件，分别由所述第一弹性支撑元件和所述第二弹性支撑元件弹性地耦合到所述第一惯性质量体，所述第一弹性支撑元件和所述第二弹性支撑元件被配置用于实现所述第一对的所述第一谐振器元件关于彼此的独立谐振运动；
[0065]第二对第一谐振器元件，分别由所述第三弹性支撑元件和所述第四弹性支撑元件弹性地耦合到所述第二惯性质量体，所述第三弹性支撑元件和所述第四弹性支撑元件被配置用于实现所述第二对的所述第一谐振器元件关于彼此的独立谐振运动；其中:
[0066]所述第一弹性锚固元件被配置用于允许所述第一惯性质量体在所述平面中沿着所述第一轴执行第一线性驱动运动，允许根据待检测的第一角速度或者第一线性加速度绕着与横切于所述第一轴的第二轴平行并且在所述平面中的第一旋转轴的第一旋转检测运动并且引起所述第一对第一谐振器元件的对应谐振频率变化；并且
[0067]所述第二弹性锚固元件被配置用于允许所述第二惯性质量体在所述平面中沿着所述第一轴执行第二线性驱动运动，允许根据待检测的所述第一角速度或者所述第一线性加速度绕着在所述平面中与所述第二轴平行的第二旋转轴的第二旋转检测运动，并且引起所述第二对第一谐振器元件的对应谐振频率变化；以及
[0068]读取和驱动电路，电耦合到所述集成检测结构并且被配置用于根据由于所述惯性质量体的所述相应第一检测运动所致的所述第一谐振器元件的谐振频率变化的相应组合来联合检测至少一个第一角速度和至少一个第一线性加速度的值。
[0069]在一个实施例中，一种电子装置包括:
[0070]上述实施例中的谐振传感器设备；以及
[0071]控制单元，电耦合到所述谐振传感器设备的所述读取和驱动电路并且被配置用于接收所述至少一个第一角速度和所述至少一个第一线性加速度的检测值。
[0072]本公开的集成检测结构对于所有四个外部应力为全差分，假定在任何情况下，每对的无论是挠曲还是扭转的一个第一谐振器元件经受谐振频率增加，而相同对的无论是挠曲还是扭转的另一谐振器元件经受对应谐振频率减少。差分读数有利地实现即使在存在由于例如由可能引起结构非平坦的热变化所生成的约束而产生的状态时仍然检测外部量。另夕卜，差分读数以已知方式增加检测外部量时线性范围和灵敏度。
【专利附图】
【附图说明】
[0073]为了更好地理解本公开内容，现在仅通过非限制示例并且参照附图描述其优选实施例，在附图中:
[0074]图1a是根据本公开内容的一个实施例的集成检测结构的示意平面图；[0075]图1b是图1a的集成检测结构的一部分的示意侧向截面图；
[0076]图2示出处于横摆角速度检测的操作状况下的集成检测结构的简化平面图；
[0077]图3a_3b分别在平面图中和在侧向截面中示出处于滚动角速度检测的操作状况下的集成检测结构；
[0078]图4示出处于平面内加速度检测的操作状况下的集成检测结构的简化平面图；
[0079]图5a_5b分别在平面图中和在侧向截面中示出处于平面外加速度检测的操作状况下的集成检测结构；
[0080]图6是集成检测结构的一个实施例的更具体平面图；
[0081]图7是电子装置中的MEMS传感器设备的简化框图，该MEMS传感器设备并入集成检测结构；并且
[0082]图8是根据又一备选实施例的集成检测结构的示意平面图。
【具体实施方式】
[0083]图1a示出用于集成检测加速度和角速度的作为整体由I标示的微机电类型的检测结构。可以具体从半导体材料(比如硅)本体开始用半导体表面微加工技术制作集成检测结构I。
[0084]集成检测结构I包括由第一惯性质量体2和第二惯性质量体2’构成的单对惯性质量体，相应成对挠曲(flexural)谐振器元件3a_3b、3a’ _3b’以及相应成对扭转(torsional)谐振器元件4a_4b、4a’_4b’ I禹合到每个惯性质量体(注意在图1a中，如在以下图中类似的那样，引号指示与第二惯性质量体2’关联的元件)。
[0085]集成检测结构I具有在由第一轴X和第二轴I限定的水平平面Xy中的主要延伸以及在沿着竖轴Z与水平平面xy正交的方向上的基本上可忽略不计的尺寸(在与在水平平面xy中的尺寸比较时)，该竖轴与在水平平面中的前述第一和第二轴x、y限定一组三个正交轴。
[0086]集成检测结构I还优选地关于穿过它的几何中心并且分别与第一和第二轴x、y平行的第一中轴Mx和第二中轴My理想地对称。
[0087]假定该结构对称，以镜像方式配置惯性质量体2、2’和关联的谐振器元件，使得以下描述将仅详细讨论两个惯性质量体中的第一个惯性质量体，具体为第一惯性质量体2，清楚的是完全相似的考虑也在两个惯性质量体中的第二个惯性质量体(在这一情况下为第二惯性质量体2’ )的情况下适用。
[0088]具体而言，第一惯性质量体2锚定到下面的基板(这里未图示，例如半导体材料的基板，诸如硅)以便在静止状况下(即在不存在待检测的外部量时)悬置于基板上方而水平平面xy基本上平行于其顶表面。
[0089]具体而言，第一惯性质量体2弹性耦合到成对的外部锚固件6a、6b，外部锚固件6a,6b相对于第一惯性质量体2在水平平面xy中的总尺度外部地、沿着水平平面xy中的第一轴X和第二轴y以某个距离侧向地设置。外部锚固件6a、6b例如由竖直延伸与基板一样远并且机械连接到基板的相应柱构成，并且相对于第一中轴Mx对称设置。
[0090]第一惯性质量体2借助例如直线或者折叠类型的相应弹性元件(或者弹簧)8a、8b连接到每个外部锚固件6a、6b ;相对于第一中轴Mx对称布置弹性锚固元件8a、8b。[0091]具体而言，每个弹性元件8a、8b具有第一端和第二端，该第一端锚定(约束或者集成)到相应外部锚固件6a、6b，该第二端锚定(约束或者集成)到第一惯性质量体2的在与第一中轴化对应的位置设置的内部部分9。每个弹性元件8a、8b具有第一弹簧部分和第二弹簧部分，该第一弹簧部分与第一轴X平行纵向延伸并且与第一惯性质量体2并排侧向设置并且关联到前述第一端，该第二弹簧部分与第二轴y平行纵向延伸并且相对于第一部分成直角设置以形成“L”并且关联到前述第二端。第二弹簧部分在贯穿第一惯性质量体2的厚度穿越第一惯性质量体2的相应凹陷10中在第一惯性质量体2内延伸。
[0092]第一惯性质量体2具有相对于弹性锚固元件8a、8b的第二弹簧部分沿着第一轴x的不对称质量分布并且以离心方式约束到外部锚固件6a、6b。
[0093]弹性锚固元件8a、8b作为整体被配置(具体在挠曲和扭转刚度方面)以便维持在基板上方悬置的第一惯性质量体2并且以如下方式来配置:第一惯性质量体2的第一固有模式是沿着第二轴I的平移；第二固有模式是绕着与第二轴I平行的第一旋转轴A在水平平面xy外的旋转，该第一旋转轴穿越前述内部部分9并且由第二弹簧部分的纵向延伸轴限定；并且第三固有模式是沿着第一轴X的平移。
[0094]关联到第一惯性质量体2的挠曲谐振器元件3a、3b为梁式、很薄(即宽度比它们的长度小得多)、在与第二轴y平行的方向上纵向延伸并且相对于第一轴X与第一惯性质量体2并排设置。
[0095]具体而言，每个挠曲谐振器元件3a、3b借助两个元件共用的并且在与第一纵轴Mx对应的位置设置的中心锚固件11在第一纵向端处约束到基板。每个挠曲谐振器元件3a、3b另外在它的第二纵向端处与对应的外部锚固件6a、6b严格邻近地约束到相应弹性元件8a、8b，具体约束到相同弹性元件8a、8b的对应的第一部分。挠曲谐振器元件3a、3b因此从与相应弹性元件8a、8b的约束点向中心锚固件11延伸，并且经由相同弹性元件8a、8b f禹合到第一惯性质量体2。
[0096]具体而言，在挠曲谐振器元件3a、3b到相应弹性元件8a、8b的约束点与相应外部锚固件6a、6b之间的由c标示的距离比弹性元件8a、8b的第一部分本身的长度L小得多；例如满足以下关系:
[0097]0.01.L〈c〈0.1.L (I)
[0098]如在前述第IT1395419号专利中详细描述的那样，选择挠曲谐振器元件3a、3b的约束位置(与外部锚固件6a、6b很近)以便最大化由于惯性质量体沿着第二轴y的平移所致的在谐振器元件中的轴向应力(如下文更具体描述的那样)；因此获得高的力放大因数而未求助于杠杆系统。
[0099]挠曲谐振器元件3a、3b的谐振驱动和所得电谐振信号的检测通过与如下电极的电容耦合而出现，这些电极与挠曲谐振器元件3a、3b平行设置并且面向挠曲谐振器元件3a、3b0
[0100]具体而言，存在挠曲谐振器元件3a、3b 二者共用的驱动电极12，该驱动电极具有沿着第二轴I与第一惯性质量体2的对应延伸基本上一致的延伸，并且沿着第一轴X设置于挠曲谐振器元件3a、3b与第一惯性质量体2之间。针对每个挠曲谐振器元件3a、3b另外存在相应检测电极13a、13b，该检测电极在第一轴X的相对于相应驱动电极12的相对侧上面向挠曲谐振器元件，沿着第二轴I设置于相应外部锚固件6a、6b与中心锚固件11之间。[0101]如下文将阐明的那样，驱动电极12还功能地耦合到第一惯性质量体2，从而用于引起第一惯性质量体2沿着第一轴X在线性方向上处于谐振状况下的驱动。
[0102]扭转谐振器元件4a_4b由相应悬置质量体构成，这些悬置质量体具有在水平平面xy中比第一惯性质量体2小得多的尺度以及在平面图中的方形(或者总体为矩形)，并且关于第一旋转轴A对称布置于第一惯性质量体2的内部部分9的相对于相同第一旋转轴A的相对侧上。
[0103]具体而言，该对扭转谐振器元件的第一扭转谐振器元件4a在经过第一惯性质量体2(在第一惯性质量体2被内部部分9划分时)的第一部分提供的第一开口 14内设置于第一惯性质量体2以内，该第一部分具有沿着第一轴X的更小延伸，而该对扭转谐振器元件的第二扭转谐振器元件4b在经过第一惯性质量体2的第二部分提供的第二开口 15内设置于相对于第一惯性质量体2的侧向位置，该第二部分具有沿着第一轴X的更小延伸并且布置于整个集成检测结构I的对称中心处。
[0104]具体而言，第二扭转谐振器元件4b位于距第一旋转轴A可能的最大距离处，使得其外部侧向表面与第一惯性质量体2的相应侧向表面沿着第二轴y齐平并且对准。第二开口 15在前述侧向表面处朝着第一惯性质量体2以外打开。
[0105]如在前述第T02011A000782(W02013030798)号专利申请中具体描述的那样，扭转谐振器元件4a、4b的这一位置实现最大化检测灵敏度，维持极小总尺度。
[0106]扭转谐振器元件4a、4b由扭转类型的相应弹性支撑元件16弹性约束到第一惯性质量体2，这些弹性支撑元件被配置以便允许扭转谐振器元件4a、4b执行绕着与第一旋转轴A和第二轴y平行的相应第二旋转轴B和第三旋转轴C在水平面xy外的旋转运动；这一运动构成用于扭转谐振器兀件4a、4b的第一固有模式。旋转轴B、C关于第一旋转轴A对称布置于第一旋转轴A的相对侧上。
[0107]更具体而言，每个扭转谐振器元件4a、4b由成对弹性支撑元件16约束到第一惯性质量体2的相应部分，这些弹性支撑元件由直线或者折叠类型的扭转弹簧构成，这些扭转弹簧一般沿着第二轴I相对于相应扭转谐振器元件4a、4b基本上居中地在相应扭转谐振器元件4a、4b的相对侧上延伸。
[0108]再次参照图lb，对于每个扭转谐振器元件4a、4b，提供相应成对电极，并且具体而言，驱动电极17和检测电极18在相对于对应旋转轴B、C的相对例上布置于扭转谐振器元件4a、4b下面；电极17和18设置于集成检测结构I的在图1b中由20标示的基板上。
[0109]驱动电极17用于通过施加适当电势差在绕着相应旋转轴B、C的旋转中在谐振状况下驱动关联扭转谐振器元件4a、4b，并且相对于第一旋转轴A和第一惯性质量体2在水平平面xy中的总尺度设置于更外部的侧向位置处。检测电极18代之以用于借助与对应扭转谐振器元件4a、4b的电容耦合的变化来检测对应谐振频率的变化(根据称为“平行板(parallel plate) ” 的检测方案)。
[0110]以未图示的方式，提供适当电连接路径用于将前述电极17、18电连接到耦合到集成检测结构I的电子电路。电子电路被配置用于向集成检测结构I供应电驱动信号并且接收和处理由相同集成结构I供应的电检测信号。
[0111]现在进行对集成检测结构I的操作原理的描述，该集成检测结构实现集成检测绕着两个角速度检测轴的角速度和沿着两个加速度检测轴的线性加速度。[0112]具体而言，借助挠曲谐振器元件3a-3b、3a’_3b’，集成检测结构I实现差分检测绕着在水平平面xy外的方向(具体沿着竖轴z)作用的角速度(所谓横摆角速度Ωζ)和沿着第二轴I的线性加速度ay。此外，借助扭转谐振器元件4a_4b、4a’ _4b’，集成检测结构I实现差分检测绕着第二轴y作用的角速度(所谓滚动角速度Ω)和线性平面外加速度az (沿着竖轴z作用)。
[0113]具体而言并且参照图2(其中为了简化未表示扭转谐振器元件4a-4b、4a’_4b’)，为了检测关于竖轴z作用的横摆角速度Ωζ，借助由相应驱动电极12、12’实施的静电驱动(在用实线代表的箭头的方向上)根据第三固有运动模式(即沿着第一轴X的平移)在谐振中保持惯性质量体2、2’。
[0114]在应用外部横摆角速度Ωζ时，在两个惯性质量体2、2’上，相应科里奥利力F。沿着第二轴定向产生，具有相反方向并且具有由下式给定的模量:
[0115]
【权利要求】
1.一种集成检测结构，其特征在于，包括: 基板； 第一弹性锚固元件； 第二弹性锚固元件； 第一惯性质量体，在平面中悬置于所述基板之上并且由所述第一弹性锚固元件锚定到所述基板； 第二惯性质量体，在所述平面中悬置于所述基板之上并且由所述第二弹性锚固元件锚定到所述基板； 第一组驱动电极，操作地耦合到所述第一惯性质量体和所述第二惯性质量体中的每个惯性质量体，并且被配置用于沿着所述平面的第一轴在相反方向上用驱动运动来驱动所述第一惯性质量体和所述第二惯性质量体；以及 第一弹性支撑元件、第二弹性支撑元件、第三弹性支撑元件和第四弹性支撑元件； 第一对第一谐 振器元件，分别由所述第一弹性支撑元件和所述第二弹性支撑元件弹性地耦合到所述第一惯性质量体，所述第一弹性支撑元件和所述第二弹性支撑元件被配置用于实现所述第一对的所述第一谐振器元件关于彼此的独立谐振运动； 第二对第一谐振器元件，分别由所述第三弹性支撑元件和所述第四弹性支撑元件弹性地耦合到所述第二惯性质量体，所述第三弹性支撑元件和所述第四弹性支撑元件被配置用于实现所述第二对的所述第一谐振器元件关于彼此的独立谐振运动；其中: 所述第一弹性锚固元件被配置用于允许所述第一惯性质量体在所述平面中沿着所述第一轴执行第一线性驱动运动，允许根据待检测的第一角速度或者第一线性加速度绕着与横切于所述第一轴的第二轴平行并且在所述平面中的第一旋转轴的第一旋转检测运动，并且引起所述第一对第一谐振器元件的对应谐振频率变化；并且 所述第二弹性锚固元件被配置用于允许所述第二惯性质量体在所述平面中沿着所述第一轴执行第二线性驱动运动，允许根据待检测的所述第一角速度或者所述第一线性加速度绕着在所述平面中与所述第二轴平行的第二旋转轴的第二旋转检测运动，并且引起所述第二对第一谐振器元件的对应谐振频率变化。
2.根据权利要求1所述的集成检测结构，其特征在于， 所述第一对第一谐振器元件和所述第二对第一谐振器元件的所述第一谐振器元件为扭转类型，并且所述第一对和所述第二对中的每对的所述独立谐振运动是所述第一谐振器元件绕着相应第二旋转轴和第三旋转轴的独立旋转运动，所述第二旋转轴和所述第三旋转轴相互平行并且与所述第一惯性质量体和所述第二惯性质量体的相应第一旋转轴平行；用于所述第一惯性质量体和所述第二惯性质量体的相应所述第一旋转检测运动响应于绕着所述第二轴的第一角速度由于相应科里奥利力而为相同旋转方向，并且响应于沿着横切于所述平面的竖轴定向的第一线性加速度由于相应惯性力而为在相反旋转方向上。
3.根据权利要求2所述的集成检测结构，其特征在于，包括第一组检测电极，所述第一组检测电极布置于所述基板上并且操作地耦合到所述第一谐振器元件，以实现根据由于所述第一惯性质量体和所述第二惯性质量体的所述第一旋转检测运动而距所述基板的距离的变化来检测谐振频率随着电刚度变化的对应变化。
4.根据权利要求3所述的集成检测结构，其特征在于，所述第一惯性质量体和所述第二惯性质量体的相应所述第一旋转检测运动被配置用于响应于所述第一角速度或者所述第一线性加速度引起在所述第一对和所述第二对的所述第一谐振器元件中距所述基板的相反距离变化以及在所述第一对和所述第二对中的至少一对的所述第一谐振器元件中的不同谐振频率变化。
5.根据权利要求2所述的集成检测结构，其特征在于， 所述第一对和所述第二对的所述第一谐振器元件分别布置于在相应的所述惯性质量体中提供的第一开口和第二开口中；并且 关于所述第一旋转轴对称地设置所述第一开口和所述第二开口，所述第二开口关于所述集成检测检测结构居中地朝着相应的所述惯性质量体的外部打开。
6.根据权利要求5所述的集成检测结构，其特征在于，在所述平面中在相应的所述惯性质量体的总尺度中包含并且关于所述第一旋转轴对称地设置所述第一谐振器元件，所述第二旋转轴和所述第三旋转轴被布置为距所述第一旋转轴相同距离。
7.根据权利要求2所述的集成检测结构，其特征在于，还包括第二组驱动电极，所述第二组驱动电极操作地耦合到所述第一谐振器元件并且被配置用于在谐振状况下以标称扭转谐振频率分别在绕着所述第二旋转轴和所述第三旋转轴的旋转中引起对所述第一谐振器元件的驱 动。
8.根据权利要求1所述的集成检测结构，其特征在于，还包括与所述第二轴平行的中轴；其中关于所述中轴对称地布置所述第一惯性质量体和所述第二惯性质量体。
9.根据权利要求1所述的集成检测结构，其特征在于， 相应的所述第一弹性锚固元件和所述第二弹性锚固元件将所述第一惯性质量体和所述第二惯性质量体耦合到相应外部锚固件；并且 所述第一惯性质量体和所述第二惯性质量体具有关于相应所述第一旋转轴不对称的质量分布，并且以离心方式经由相应所述弹性锚固元件约束到所述基板。
10.根据权利要求9所述的集成检测结构，其特征在于，所述第一对和所述第二对的所述第一谐振器元件为扭转类型；所述结构还包括挠曲类型的第一对第二谐振器元件和第二对第二谐振器元件，所述第一对第二谐振器元件和所述第二对第二谐振器元件耦合到所述第一惯性质量体和所述第二惯性质量体中的每个惯性质量体，所述第二谐振器元件中的每个第二谐振器元件具有与所述外部锚固件中的相应锚固件邻近地约束到朝着所述基板的锚固件的第一端和约束到所述弹性锚固元件中的相应弹性锚固元件的第二端；其中所述弹性锚固元件还被配置用于允许所述相应惯性质量体沿着所述第二轴执行相应第二线性检测运动；相应的所述第二线性检测运动被设计用于引起在所述第二谐振器元件中的轴向应力并且变化所述谐振频率。
11.根据权利要求10所述的集成检测结构，其特征在于，还包括操作地耦合到所述第二谐振器元件并且实现检测谐振频率的对应变化的第二组检测电极。
12.根据权利要求10所述的集成检测结构，其特征在于，用于所述第一惯性质量体和所述第二惯性质量体的相应的所述第二检测运动响应于沿着所述第二轴定向的第二线性加速度在所述第二轴的相同方向上，并且在存在绕着横切于所述平面的竖轴的第二角速度时在所述第二轴的相反方向上。
13.根据权利要求12所述的集成检测结构，其特征在于，所述结构被配置用于实现联合检测分别沿着所述竖轴和所述第二轴定向的所述第一线性加速度和所述第二线性加速度以及分别绕着所述第二轴和所述竖轴的所述第一角速度和所述第二角速度。
14.根据权利要求12所述的集成检测结构，其特征在于，所述惯性质量体相应的所述第二检测运动被配置用于响应于所述第二角速度或者所述第二线性加速度的存在来引起在所述第一对和所述第二对的所述第二谐振器元件中的相反轴向应力以及至少一对的所述第二谐振器元件的不同谐振频率变化。
15.根据权利要求10所述的集成检测结构，其特征在于，所述第一组驱动电极还被配置用于以所述第二谐振器元件的标称挠曲谐振频率引起对所述第二谐振器元件的谐振驱动。
16.根据权利要求15所述的集成检测结构，其特征在于， 所述第二谐振器元件为梁式形状并且具有沿着所述第二轴的纵向延伸；并且所述第一组驱动电极包括相对于所述第一惯性质量体和所述第二惯性质量体中的相应惯性质量体侧向布置并且面向相应一对所述第一谐振器元件并且沿着所述第一轴设置于所述相应第一对第二谐振器元件和第二对第二谐振器元件与所述相应惯性质量体之间的相应驱动电极。
17.一种谐振传感器设备，其特征在于，包括: 集成检测结构，包 括: 基板； 第一弹性锚固元件； 第二弹性锚固元件； 第一惯性质量体，在平面中悬置于所述基板之上并且由所述第一弹性锚固元件锚定到所述基板； 第二惯性质量体，在所述平面中悬置于所述基板之上并且由所述第二弹性锚固元件锚定到所述基板； 第一组驱动电极，操作地耦合到所述第一惯性质量体和所述第二惯性质量体中的每个惯性质量体，并且被配置用于沿着所述平面的第一轴在相反方向上用驱动运动来驱动所述第一惯性质量体和所述第二惯性质量体；以及 第一弹性支撑元件、第二弹性支撑元件、第三弹性支撑元件和第四弹性支撑元件； 第一对第一谐振器元件，分别由所述第一弹性支撑元件和所述第二弹性支撑元件弹性地耦合到所述第一惯性质量体，所述第一弹性支撑元件和所述第二弹性支撑元件被配置用于实现所述第一对的所述第一谐振器元件关于彼此的独立谐振运动； 第二对第一谐振器元件，分别由所述第三弹性支撑元件和所述第四弹性支撑元件弹性地耦合到所述第二惯性质量体，所述第三弹性支撑元件和所述第四弹性支撑元件被配置用于实现所述第二对的所述第一谐振器元件关于彼此的独立谐振运动；其中: 所述第一弹性锚固元件被配置用于允许所述第一惯性质量体在所述平面中沿着所述第一轴执行第一线性驱动运动，允许根据待检测的第一角速度或者第一线性加速度绕着与横切于所述第一轴的第二轴平行并且在所述平面中的第一旋转轴的第一旋转检测运动并且引起所述第一对第一谐振器元件的对应谐振频率变化；并且 所述第二弹性锚固元件被配置用于允许所述第二惯性质量体在所述平面中沿着所述第一轴执行第二线性驱动运动，允许根据待检测的所述第一角速度或者所述第一线性加速度绕着在所述平面中与所述第二轴平行的第二旋转轴的第二旋转检测运动，并且引起所述第二对第一谐振器元件的对应谐振频率变化；以及 读取和驱动电路，电耦合到所述集成检测结构并且被配置用于根据由于所述惯性质量体的相应所述第一旋转检测运动所致的所述第一谐振器元件的谐振频率变化的相应组合来联合检测至少一个第一角速度和至少一个第一线性加速度的值。
18.一种电子装置，其特征在于，包括: 根据权利要求17所述的谐振传感器设备；以及 控制单元，电耦合到所述谐振传感器设备的所述读取和驱动电路并且被配置用于接收所述至少一个第一 角速度和所述至少一个第一线性加速度的检测值。
【文档编号】G01C19/5656GK203772280SQ201320621912
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2013年9月27日 优先权日:2012年9月28日
【发明者】C·科米, A·科里利亚诺, L·巴尔达萨雷 申请人:意法半导体股份有限公司