[发明专利]具有低的热漂移的微机电z轴探测结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种微机电(MEMS)z轴探测结构，具有低的热漂移；特别地，将在下文清楚地涉及一种微机电z轴加速度计，但是这并不意味着丢失任何一般性。

背景技术

MEMS类型的z轴惯性加速度计是人们所熟知的，其包括微机电结构，该微机电结构对作用在与其主延伸平面正交的方向上并且朝向相应的衬底的顶表面的加速度敏感(其也能够探测作用在相同平面内的更多的加速度)。

图1a和图1b示出了已知类型的z轴惯性加速度计的MEMS结构，整体使用参考标记1标示，其还进一步包括与MEMS结构电耦合的电子读取接口(未示出)。

MEMS结构1包括具有顶表面2a的衬底2(例如，由半导体材料制成的，特别是硅)，以及由导电材料例如多晶硅制成的传感块3，该传感块3设置在衬底2上，悬浮于距离衬底2的顶表面2a一定距离处。传感块3在由互相正交的第一轴x和第二轴y所限定的传感器平面xy内具有主延伸，该传感器平面xy基本平行于衬底2的顶表面2a(在非工作的状态下，也就是说，在非加速状态或者没有任何外部力量作用在MEMS结构1的状态下)，并且该主延伸沿着正交的z轴是基本上没有维度的，该z轴与前述的传感器平面xy垂直(也与衬底2的顶表面2a垂直)，并且与第一轴和第二轴x，y一起构成一组笛卡尔轴系xyz。

传感块3具有一个贯穿开口4，其穿过传感块的厚度，在平面图上显示其具有长度方向沿着第一轴x延伸的基本为矩形的形状，并且设置在距离传感块3的质心(或者重心)一定距离处；因此贯穿开口4将传感块3分成第一部分3a和第二部分3b，二者沿着第二轴y位于同一个贯穿开口的相对侧，与第二部分3b相比，第一部分3a沿着第二轴y具有更大的尺寸。

MEMS结构1进一步包括第一固定电极5a和第二固定电极5b，二者是由导电材料制成，并且设置在衬底2的顶表面2a上，沿着第二轴y位于贯穿开口4的两侧，这样就分别位于传感块3的第一和第二部分3a，3b的下面。第一和第二固定电极5a，5b在与传感器平面xy平行的平面内具有基本上成矩形的形状，沿着第一方向x伸长。第一和第二固定电极5a，5b因此与传感块3一起限定了具有平面和平行面板的第一探测电容器和第二探测电容器，标示为C₁，C₂，二者具有给定的静止(rest)电容。传感块3通过中心锚固元件6被锚固在衬底2上，该锚固元件6由在贯穿开口4内从衬底2的顶表面2a开始延伸的柱状元件构成，与同一贯穿开口4同心。中心锚固元件6因此沿着第二轴y的方向相对于固定电极5a，5b等距设置，位于与标示为O的由固定电极5a，5b组成的组件的重心(或者质心)对应的位置。重心O还用于笛卡尔参照系统xyz的原点，对应着传感块3相对于衬底2的单个约束点。

特别地，传感块3与中心锚固元件6通过第一连接弹性元件8a和第二连接弹性元件8b机械连接，这两个弹性元件在贯穿开口4内，沿着与第一轴x平行的旋转轴A对准，基本上成直线地延伸，位于中心锚固元件6和重心O的两侧。连接弹性元件8a，8b构造成在其延伸方向周围承受扭矩，这样能使传感块3在传感器平面xy之外沿着由相同的连接弹性元件8a，8b所限定的旋转轴A旋转。需要注意，旋转轴A穿过重心O，而且构成中心锚固元件6和固定电极5a，5b构成的组件的对称轴。

在使用时，在正交方向z存在加速度作用时，传感块3在惯性的作用下绕着旋转轴A转动，这样就接近两个固定电极5a，5b中的一个(例如，第一固定电极5a)，并且相应地远离两个固定电极5a，5b中的另一个(例如，远离第二固定电极5b)，产生探测电容器C₁，C₂的相反的电容变化。合适的加速度计的接口电子仪器(图1a，1b中未示出)与MEMS结构1电耦合，在输入端接收探测电容器C₁，C₂的电容变化，并且通过微分的方法处理它们，从而确定沿着正交轴z作用的加速度的值。