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。
质量的减小因此需要机械灵敏度的降低，这可以通过减小弹性常数k来进行补偿。
然而，由于在三轴加速度计结构的可移动部与固定部(这些固定部例如由止挡件元件构成，被设计成用于限制可移动部的移动以防止其故障)之间存在粘附力(所谓的“粘连(stiction)”现象)，因此弹性常数k可能不能被减小到超出最小值。
具体地，为防止粘连现象，(机械)弹力必须大于粘附力，从而使得必须满足下面的关系式：
f机械＞f粘附力
k·x止挡＞f粘附力
其中，f机械为弹力，f粘附力为粘附力，并且x止挡为用于达到相应止挡件元件的感测质量块的位移。从此表达式中，获得了弹性常数k的最小值k最小。
在设想单个弹性元件提供单个惯性质量块在三个感测方向上的感测移动的前述解决方案中，同时在三个感测方向上优化感测性能(例如，就灵敏度而言)通常是不可能的。进一步地，很难保证谐振频率针对在以上三个感测方向上的感测模式而言基本上是相似的，因此具有关于不同的加速度分量加速度计的行为的进一步差异。
技术实现要素：
本发明的目的是至少部分地解决之前强调的问题，以便针对mems三轴加速度计提供最优配置。
根据本发明，由此提供了一种mems三轴加速度计，如所附权利要求所限定的。
附图说明
为了更好地理解本发明，现在仅通过非限制性示例的方式参照附图描述本发明的优选实施例，在附图中：
-图1a示出了根据本解决方案的第一实施例的mems三轴加速度计的感测结构的示意性俯视平面图；
-图1b示出了图1a的感测结构的一部分的放大的示意性俯视平面图；
-图2a至图2c是图1a的感测结构的响应于对应线性加速度分量的感测移动的示意性描绘；
-图3示出了根据本解决方案的进一步实施例的感测结构的示意性俯视平面图；
-图4a至图4c是图3的感测结构的响应于对应线性加速度分量的感测移动的示意性表示；以及
-图5示出了根据本解决方案的进一步方面的结合mems三轴加速度计的电子设备的总体框图。
具体实施方式
如将在下文中详细描述的，本解决方案的一方面设想在具有单个惯性质量块的mems三轴加速度计的感测结构中提供至少一个第一解除联接元件，该至少一个第一解除联接元件被设计成用于将惯性质量块在对应的第一感测方向上的至少一个第一感测移动(即，一种第一共振模式)与同一感测质量块在其他感测方向中的一个或多个上的共振模式解除联接。有利地，以此方式，第一振动模式的特性可以以独立的方式被设计并且相对于其它振动模式被优化。
详细地并且参考图1a和图1b，mems三轴加速度计的感测结构(整体上用1来指定)包括：单个惯性质量块2，在该示例中，该单个惯性质量块在由第一水平轴线x和第二水平轴线y限定并且构成感测结构1的主延伸部的平面的水平平面xy中具有基本上为矩形的形状(该感测结构具有基本上可忽略的延伸部、或者在任何情况下沿着垂直轴线z的小得多的延伸部，该延伸部利用前述的水平轴线x、y限定了笛卡尔三元组)。
应注意，根据本解决方案(如另一方面在下文中详细描述的)，mems三轴加速度计具有单个惯性质量块，即由于惯性效应而被设计成用于在三轴传感器的三个方向上实施感测移动的单个质量块)。
惯性质量块2被安排成悬挂在半导体材料的衬底上方(例如，在图2c中示出的，其中，其由3来指定)。
中心窗口4存在于惯性质量块2内(即，在水平平面xy中由惯性质量块2所限定的占用面积内)；中心窗口4横贯惯性质量块2的整个厚度。在所示出的示例中，中心窗口4具有相对于第一水平轴线x在惯性质量块2的中心位置处沿着第二水平轴线y的主延伸部，并且具有相对于与同一第一水平轴线x平行的对称轴线的对称配置。
根据本解决方案的特定方面，第一解除联接元件6被安排在中心窗口4内(相对于同一窗口在中心位置中)。
第一解除联接元件6具有带有基本上为框架状构造、在内部限定了中心空白空间7的中心部分6a，在该中心部分中安排有锚固元件8，该锚固元件相对于衬底3被固定(例如，锚固元件8由从前述衬底3开始沿着垂直轴线z垂直延伸的列构成)。锚固元件8被安排在中心空白空间7中心以及中心窗口4的中心处。
解除联接元件6通过第一弹性元件10a、10b弹性地连接至锚固元件8，这些第一弹性元件具有平行于第一水平轴线x的线型延伸部分，并且相对于同一锚固元件8在相反侧上延伸，直到它们达到解除联接元件6的中心部分6a的对应内侧。
应注意，第一弹性元件10a、10b的延伸部的轴线将惯性质量块2划分成第一部分2a和第二部分2b，该第一部分2a的延伸部大于沿着第二水平轴线y的大于第二部分2b的相应延伸部；惯性质量块2的质心因此位于前述第一部分2a内。
第一解除联接元件6进一步具有延长件部分6b、6c，从同一解除联接元件6的中心部分6a的对应外侧开始沿着第二水平轴线y在中心窗口4内线型延伸。
此外，第一解除联接元件6通过第二弹性元件12a、12b弹性地连接至惯性质量块2，这些第二弹性元件面向中心窗口4在第一解除联接元件6的对应延长件部分6b、6c的端部与惯性质量块2的对应内侧之间在中心窗口4内延伸。
具体地，在所展示的实施例中，第二弹性元件12a、12b沿着第二水平轴线y对准，并且各自具有所谓的折叠构造，该折叠构造具有彼此平行的多个第一部分，该多个第一部分具有沿着第一水平轴线x的线型延伸部，通过具有沿着第二水平轴线y的延伸部(小得多)的第二部分而被成对连接。
两个横向窗口14a、14b进一步被限定在可移动质量块2内，被安排在第一弹性元件10a、10b的延长件处沿着第一水平轴线x的中心窗口4的相反侧上。横向窗口14a、14b安排在可移动质量块2的外围部分处，接近同一可移动质量块2的外周长。
感测结构1进一步包括：第一可移动电极15，这些第一可移动电极被安排在横向窗口14a、14b内，具有沿着第一水平轴线x的延伸部并且固定联接至可移动质量块2；以及第一固定电极16，这些第一固定电极还被安排在横向窗口14a、14b内、通过对应的锚固元件(在此未展示)固定联接至衬底3，并且被安排成面向对应的第一可移动电极15(具体地，这些电极采用梳齿状配置)。
感测结构1进一步包括：第二可移动电极17，这些第二可移动电极在中心窗口4内被安排在第一解除联接元件6的每个延长件部分6b、6c的相反侧上，还具有沿着第一水平轴线x的延伸部并且固定联接至可移动质量块2；以及第二固定电极18，这些第二固定电极也被安排在窗口4内，通过对应的锚固元件(在此未展示)固定联接至衬底3，并且被安排成面向对应的第二可移动电极17，具体地与之成梳齿状。
感应结构1进一步包括：第三固定电极19，这些第三固定电极相对于衬底3被固定，并且被安排在同一衬底3上方、惯性质量块2之下。第三固定电极19被成对安排在由第一弹性元件10a、10b限定的轴线的相反侧上，每一对的固定电极19通过中心窗口4分开；在该示例中，前述固定电极19在水平平面xy中具有基本上是矩形的形状。
现在描述感测结构1的用于对平行于第一水平轴线x而定向的第一加速度分量ax、平行于第二水平轴线y而定向的第二加速度分量ay、以及平行于垂直轴线z而定向的第三加速度分量az进行惯性感测的操作。
详细地，如图2a中示意性展示的，第一加速度分量ax引起第一惯性感测移动——惯性质量块2在水平平面xy中围绕平行于垂直轴线z并穿过锚固元件8的中心的旋转轴的旋转。此旋转(角度δθ)是由惯性质量块2相对于旋转轴的质量安排所引起的，该质量安排具有在同一惯性质量块2的第一部分2a内偏移的重心。
应注意的是，第一弹性元件10a、10b允许前述第一感测移动，这些第一弹性元件顺应在水平面xy中弯曲。而且，在惯性质量块2的前述第一移动过程中，第一解除联接元件6刚性地联接至惯性质量块2(假定第二弹性元件12a、12b相对于在水平平面xy中的前述旋转是刚性的)。
惯性质量块2的旋转因此引起在第一可移动电极15与第一固定电极16之间的面对距离的变化(在该两个横向窗口14a、4b中具有相反符号的变化)以及相应的差分电容变化，该差分电容变化可通过联接至感测结构1的适当电子电路系统来检测。
如图2b中示意性展示的，第二加速度分量ay引起第二惯性感测移动——惯性质量块2沿着第二水平轴线y的平移(在图2b中由δy指定的平移)。
第二弹性元件12a、12b允许此第二感测移动，这些第二弹性元件沿着第二水平轴线y是顺应的。具体地，在惯性质量块2的此第二移动过程中，第一解除联接元件6完全与惯性质量块2解除联接(给定第二弹性元件12a、12b的形变)，并且因此相对于同一惯性质量块2基本保持不动。
惯性质量块2的前述平移引起在第二可移动电极17与第二固定电极18之间的面对距离的变化(沿着第二水平轴线y安排在锚固元件8的相反侧上的电极的具有相反符号的变化)以及相应的差分电容变化，该差分电容变化可通过联接至感测结构1的电子电路系统来检测。
如图2c中示意性展示的，第三加速度分量az引起第三惯性感测移动——惯性质量块2围绕由第一弹性元件10a、10b限定的轴线在水平平面xy外的旋转(在图2c中由
具体地，第一弹性元件10a、10b再次允许第三感测移动，这些第一弹性元件顺应扭转。在惯性质量块2的此第三移动过程中，第一联接元件联接至惯性质量块2(在第二弹性元件12a、12b相对于扭转反而是刚性的情况下)。
惯性质量块2的前述旋转引起惯性质量块2(在此情况下充当可移动感测电极)与第三固定电极19之间的面对距离的变化以及相应的差分电容变化，该差分电容变化可再次通过联接至感测结构1的电子电路系统来检测。
因此，有利地，第一解除联接元件6和相关联第二弹性元件12a、12b的存在将第二感测移动(沿着第二水平轴线y的平移)中惯性质量块2的振动模式与其余感测移动和相关联振动模式解除联接。因此，由惯性质量块2和第二弹性元件12a、12b的特性来专门限定该振动模式。
此外，使用折叠类型的弹性元件(第二弹性元件12a、12b)是有利的(在其允许获得相对于制造工艺扩展的更大鲁棒性的情况下)。具体地，第二弹性元件12的折叠数量(即平行部分的数量)越多，其在平面中的宽度就越大，因此确保了弹性常量k值的更小扩展。
同样地，与第一感测移动(响应于加速度分量ax)和第三感测移动(响应于加速度分量az)相关联的振动模式与同第二感测移动相关联的前述振动模式无关，这些振动模式由惯性质量块2(和第一解除联接元件6)和第一弹性元件10a、10b的特点来专门限定。
换言之，将对沿着第二水平轴线y的加速度的检测与沿着第一水平轴线x和垂直轴线z的加速度的检测解除联接。
因此，感应结构1具有悬挂结构，该悬挂结构整体由29来指定，被安排在中心窗口4内，并且包括：前述第一解除联接元件6；第一和第二弹性元件10a-10b、12a-12b；以及锚固元件8。
现在讨论本解决方案的第二实施例，借助在悬挂结构29中引入与第一解除联接元件6协同操作的另外的解除联接元件，设想在检测加速度分量ax、ay和az时的进一步解除联接程度。
详细地，如图3所示，感测结构(再次整体由1指定)的第一解除联接元件6在此情况下通过第一弹性元件10a、10b(具有平行于该第一水平轴线x的线型延伸部)连接至第二解除联接元件20。第一解除联接元件6通过第二弹性元件12a、12b进一步连接至惯性质量块2，这些第二弹性元件再次为折叠类型的，但在此情况下沿着第一水平轴线x对准。
详细地，第一解除联接元件6在此情况下还具有具备框架状构造的中心部分6a，第一弹性元件10a、10b从该中心部分的内侧出发，该中心部分具有沿着第一轴线x对准的延伸部，并且在该中心部分中限定有中心空白空间7。
在此实施例中，延长件部分6b、6c在中心窗口4内具有从同一解除联接元件6的中心部分6a对应外侧开始沿着第一水平轴线x的线型延伸部，该线型延伸部作为第一弹性元件10a、10b的延长件。
第二弹性元件12a、12b从解除联接元件6的对应延长件部分6b、6c的端部向上延伸至惯性质量块2的面向中心窗口4的对应内侧。
在此情况下，前述第二弹性元件12a、12b再次具有折叠的构造但具有该多个第一部分，这些第一部分彼此平行并具有沿着第二水平轴线y的线型延伸部，这些第一部分通过具有这次沿着第一水平轴线x的延伸部(小得多)的第二部分而被成对连接。
第一解除联接元件6进一步具有横向部分22a、22b，这些横向部分相对于相应的中心部分6a而固定联接，并且在在中心窗口4内相对于中心空白空间7在相反侧上延伸。每一个横向部分22a、22b具有框架状构造并且在内部限定了流体地连接至中心空白空间7的对应横向空白空间23a、23b。
根据本实施例的一个方面，惯性质量块2的第二部分2b被分成彼此由间隙25分开的第一部2b’和第二部2b”。第一部2b’刚性且固定地连接至惯性质量块2的第一部分2a，而第二部2b”刚性地连接至第一解除联接元件6。
详细地，第二解除联接元件20具有与第一解除联接元件6的基本上相同的构造，该第二解除联接元件容纳在中心空白空间7和横向空白空间23a、23b内。
同样，第二解除联接元件20因此具有具备框架状构造的中心部分20a以及横向部分26a、26b，这些横向部分同样具有安排在第一解除联接元件6的对应部分内的框架状构造。
具体地，第二解除联接元件20在内部限定了锚固元件8容纳在其中的对应空白空间。
如前面所强调的，第二解除联接元件20通过第一弹性元件10a、10b弹性地连接至第一解除联接元件6。
具体地，第二解除联接元件20的中心部分20a通过第一弹性元件10a、10b弹性地连接至第一解除联接元件6的中心部分6a，这些第一弹性元件从第二解除联接元件20的中心部分20a的外侧开始朝面向第一解除联接元件6的对应中心部分6a的内侧延伸。
此外，第二解除联接元件20弹性地连接至锚固元件8，该锚固元件在此情况下也是单个的，用于将感测结构1锚固到衬底3。
具体地，沿着第二水平轴线y对准的第三弹性元件28a、28b从横向部分26a、26b的内侧向上延伸至前述锚固元件8的延长件8a、8b，这些第三弹性元件由沿着前述第二水平轴线y对准延伸的刚性臂构成并且刚性地连接至同一锚固元件8。
而且，前述第三弹性元件28a、28b具有折叠构造，该折叠构造具有彼此平行的多个第一部分，该多个第一部分线型具有沿着第一水平轴线x的延伸部，通过具有沿着第二水平轴线y的延伸部(小得多)的第二部分而被成对连接。
在此实施例中，第二可移动电极17刚性连接至第二解除联接元件20的横向部分26a、26b的内侧，这些第二可移动电极面向对应的第二固定电极18，这些第二固定电极像前述第二可移动电极17一样安排在由同一横向部分26a、26b在内部限定的空白空间内。
现在描述图3的感测结构1的用于对平行于第一水平轴线x而定向的第一加速度分量ax、平行于第二水平轴线y而定向的第二加速度分量ay、以及平行于垂直轴线z而定向的第三加速度分量az进行惯性感测的操作模式。
详细地，如图4a示意性展示的，第一加速度分量ax引起惯性质量块2在水平平面xy中的第一惯性感测移动，在此情况下，该第一惯性感测移动由与相应的第一部分2a以及第二部分2b的第一部2b’的第一水平轴线平行的平移δx构成。第二弹性元件12a、12b允许此平移，这些第二弹性元件顺应在水平平面xy中沿着前述第一水平轴线x的拉伸力。
第一解除联接元件6对惯性质量块2的第一移动进行解除联接，从而使得同一第一解除联接元件6、第二解除联接元件20以及惯性质量块2的第二部分2b的第二部2b”基本上不可移动。具体地，第一弹性元件10a、10b和第三弹性元件28a、28b均相对于沿着第一水平轴线x的平移移动是刚性的。
前述第一感测移动因此引起在第一可移动电极15与第一固定电极16之间的面对距离的变化(在该两个横向窗口14a、14b的具有相反符号的变化)以及相应的差分电容变化，该差分电容变化可通过联接至感测结构1的适当电子电路系统来检测。
如图4b中示意性展示的，第二加速度分量ay引起惯性质量块2沿着第二水平轴线y的平移(再次由δy指定的平移)的第二惯性感测移动。第三弹性元件28a、28b允许此第二感测移动，这些第三弹性元件顺应沿着第二水平轴线y的拉伸力。
相反，第一弹性元件10a、10b和第二弹性元件12a、12b均相对于此平移是刚性地，从而使得惯性质量块2的第一部分2a和第二部分2b(包括第一部2b’和第二部2b”)彼此刚性且固定地连接。换言之，整个惯性质量块2以及第一解除联接元件6和第二解除联接元件20在沿着第二水平轴线y的平移中相对于彼此而固定移动。
此平移引起在第二可移动电极17与第二固定电极18之间的面对距离的变化(沿着第二水平轴线y安排在锚固元件8的相对侧上的电极的具有相反符号的变化)以及相应的差分电容变化，该差分电容变化可通过联接至感测结构1的电子电路系统来检测。
如图4c中示意性展示的，第三加速度分量az引起整个惯性质量块2(包括第一部分2a和第二部分2b)围绕由第一弹性元件10a、10b限定的轴线在水平平面xy外的旋转(在图4c中由
给定第二弹性元件12a-12b以及第三弹性元件28a-28b两者相对于扭转的刚度，在前述第三感测移动过程中，第一解除联接元件6再次联接至惯性质量块2，而第二解除联接元件20与惯性质量块2并与其旋转移动解除联接，其余的基本上不可移动。
惯性质量块2的前述旋转引起惯性质量块2(其在此情况下充当可移动感测电极)与第三固定电极19之间的面对距离的变化以及相应的差分电容变化，该差分电容变化可再次通过联接至感测结构1的电子电路系统来检测。
因此，有利地，第一解除联接元件6和第二解除联接元件20与相关联弹性元件的共同存在相对于惯性质量块2的每种振动模式解除联接另一种振动模式。振动模式因此可以被独立地设计，并且因此被独立优化以便获得期望的感测性能。
具体地，由惯性质量块2的第一部分2a的特性和第二部分2b的第一部2b’的特性以及第二弹性元件12a、12b的特性来专门限定第一感测移动(沿着第一水平轴线x的平移)；由整个惯性质量块2的特性(以及第一解除联接元件6和第二解除联接元件20的特性)以及第三弹性元件28a、28b的特性来限定第二感测移动(沿着第二水平轴线y的平移)；并且由整个惯性质量块2(以及第一解除联接元件6)的特性以及第一弹性元件10a、10b的特性来限定第三感测移动(在水平平面xy外的旋转)。
又换言之，由对应的弹性元件单独确定对沿着对应感测轴线的每个加速度分量的检测；即：由第二弹性元件12a、12b确定对沿着第一水平轴线x的加速度分量ax的检测；由第三弹性元件28a、28b确定对沿着第二水平轴y线的加速度分量ay的检测；并且由第一弹性元件10a、10b确定对沿着垂直轴线z的加速度分量az的检测。
具体地，同样在此情况下，有利的是，使用折叠弹性元件来限定用于沿着第一水平轴线x和第二水平轴线y进行检测的振动模式(对应地，第二弹性元件12a、12b以及第三弹性元件28a、28b)。
从前文的描述清楚地显现了mems三轴加速度计的优点。
在任何情况下，再次强调的是，借助在感测结构中引入至少一个解除联接元件，所描述的解决方案使得将与加速度分量的检测相对应的振动模式彼此解除联接，并且具体地将至少一种振动模式(以及对相关联加速度分量的检测)与其余振动模式(以及对其余加速度分量的检测)解除联接。
在任何情况下都包括用于检测这三个加速度分量的单个惯性质量块2的感测结构1特别地紧凑并引起降低的制作成本。
具体地，借助于以独立方式对沿着这三条感测轴线的检测的机械特性进行优化的可能性(例如，对相应的弹性元件的弹性常量k的值进行优化)，还可以减小前述感测质量块的尺寸，而无需降低另一方面的感测性能(例如，就灵敏度而言)。
基本上，前述特性使mems三轴加速度计具体指示电子设备30中的集成(如图5所示)，其可以用在多种电子系统中，例如，惯性导航系统、汽车系统、或便携式类型的系统(诸如：pda(个人数字助理)；便携式计算机；蜂窝电话；数字音频播放器；或照相机或摄像机)。电子设备30通常能够处理、存储、传输和接收信号和信息。
电子设备30包括：mems三轴加速度计(在此由32指定)；电子电路33，该电子电路操作性地联接至mems三轴加速度计32，以便向感测结构1供应偏置信号(以自身已知的方式，在此未详细展示)并且检测感测质量块的位移并且因此确定作用于同一结构上的加速度；以及电子控制单元34(例如，微处理器单元)，该电子控制单元连接至电子电路33，并且被设计成用于例如基于所检测和确定的加速度来监控电子设备30的一般性操作。
最后，清楚的是，可以对本文中所描述和展示的内容做出修改和变化，而不会由此脱离如在所附权利要求中限定的本发明的范围。
例如，需要强调的是，感测结构1中感测质量块和弹性元件的特定构造和配置可相对于已经展示的构造和配置而发生变化。