[發明專利]加速度和角速度諧振檢測集成結構及相關MEMS傳感器設備

在審

• 申請號: 201310463706.7
• 申請日: 2013-09-27
• 公開（公告）號: CN103712612A
• 公開（公告）日: 2014-04-09
• 發明（設計）人: C·科米;A·科里利亞諾;L·巴爾達薩雷
• 申請（專利權）人: 意法半導體股份有限公司
• 主分類號: G01C19/5712
• 分類號: G01C19/5712;G01P15/125
• 代理公司: 北京市金杜律師事務所 11256
• 代理人: 王茂華

技術領域

本公開內容涉及一種加速度和角速度諧振檢測集成結構，并且涉及一種所謂MEMS(微機電系統)類型的相關傳感器設備。

背景技術

正如所知，已經提出MEMS加速度計和陀螺儀，并且由于它們的高緊湊性、它們的減少的消耗水平和它們的良好電性能而在廣泛應用環境中(例如在便攜電子裝置領域中)用于慣性導航應用、用于創建用戶接口或者總體用于檢測在三維空間中的移位。

具體而言，已經提出用表面微加工技術制作的諧振微傳感器，這些傳感器使外部量的檢測基于在諧振中設置的一個或者多個元件的頻率變化。諧振檢測與其它測量技術相比具有賦予直接頻率輸出、準數字類型、高靈敏度和寬動態范圍的優點。

在諧振加速度計中，待測量的外部加速度產生集成機械檢測結構的一個或者多個諧振器元件的諧振頻率的可檢測移位。諧振器元件可以由集成檢測結構的整個慣性質量體(測試質量體或者自由質量體，所謂“驗證質量體”)、由其某一部分或者由耦合到慣性質量體的不同元件構成。

根據集成檢測結構的配置，在慣性質量體移位時諧振器元件中的軸向應力或者相同諧振器元件受到的所謂“電剛度(electrical?stiffness)”的變化的存在可以引起諧振頻率的變化。

例如在以下文獻中描述如下諧振加速度計，這些諧振加速度計的操作原理基于對由于諧振器元件中的軸向應力所致的諧振頻率的變化的檢測：

D.W.Bruns，R.D.Horning，W.R.Herb，J.D.Zook，H.Guckel“Resonant?microbeam?accelerometers”，Proc.Transducers95，Stockholm，Sweden，June25-29，659-662(1995)；以及

R.Zhu，G.Zhang，G.Chen“A?novel?resonant?accelerometer?based?on?nanoelectromechanical?oscillator”，Proc.MEMS2010，Hong?Kong，440-443(2010)。

例如在以下文獻中描述如下諧振加速度計，這些諧振加速度計的操作原理代之以基于對由于電剛度的變化所致的諧振頻率的變化的檢測：

B.Lee，C.Oh，S.Lee，Y.Oh，K.Chun，“A?vacuum?packaged?differential?resonant?accelerometer?using?gap?sensitive?electrostatic?stiffness?changing?effect”，Proc.MEMS2000；以及

H.C.Kim，S.Seok，I.Kim，S-D.Choi，K.Chun，“Inertial-grade?out-of-plane?and?in-plane?differential?resonant?silicon?accelerometers(DRXLs)”，Proc.Transducers‘05，Seoul，Korea，June5-9，172-175(2005)。

另外，在第IT1395419號專利中和在以本申請人的名義、于2011年8月31日提交的第TO2011A000782號意大利專利申請(與WO2013030798相關)中，描述關于特性(具體為靈敏度)和減少的機械尺度而改進的諧振加速度計。

在陀螺儀中，一般使慣性質量體以固有諧振頻率振動，并且測量由于在存在外部角速度時在一個或者多個檢測元件上產生的科里奧利力(Coriolis?force)所致的影響。

一般而言，借助電容技術來進行檢測，然而存在有利用諧振檢測的微陀螺儀的少數示例，在這些示例中可以引用以下文獻作為示例：

A.A.Seshia，R.T.Howe，S.Montague，“An?integrated?microelectromechanical?resonant?output?gyroscope”，Proc.MEMS2002，722-726(2002)；

J.Li，J.Fang，H.Dong，Y.Tao，“Structure?design?and?fabrication?of?a?novel?dual-mass?resonant?output?micromechanical?gyroscope”，Microsyst.Technology，16，543-552。

在這些文獻中，科里奧利力在諧振器元件中生成軸向應力，這些軸向應力相應地修改它們的諧振頻率，從而實現檢測角速度。

發明內容