[实用新型]微机械检测结构和MEMS传感器设备

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种用于MEMS(微机电系统)传感器设备的具有改进的驱动特征的微机械检测结构。特别地，以下讨论将参考该微机械检测结构在MEMS陀螺仪中的使用，但这不暗示对一般性的任何丧失。

背景技术

如已知的，微机械加工技术使得能够在多层半导体材料内制造微机械结构，该多层半导体材料是在牺牲层上沉积(例如，多晶硅层)或生长(例如，外延层)的，牺牲层经由化学腐蚀被去除。

利用这种技术制作的惯性传感器(例如，加速度计和陀螺仪)成功地被使用在例如汽车领域、惯性导航、或便携式设备的领域中。

特别地，利用MEMS技术制作的半导体材料的集成陀螺仪是已知的，它们在后文中被称作MEMS陀螺仪。

这些MEMS陀螺仪利用科里奥利(Coriolis)加速度而基于相对加速度的原理进行操作。当角速度被应用到在线性方向上被驱动的移动质量时，移动质量经受到表观力或科里奥利力，该表观力或科里奥利力确定了其在如下方向上的位移，该方向垂直于线性驱动方向以及该角速度围绕其而被应用的轴线。

移动质量经由弹性元件而在衬底上方被支撑，这些弹性元件使得其在驱动方向上的驱动以及在表观力方向上的位移成为可能，该位移与该角速度直接成比例。

移动质量的位移例如可以经由电容性转导系统被检测，该电容性转导系统确定移动电极(它们关于移动质量被固定)与固定电极(它们关于衬底被固定)之间的电容变化。

图1是已知类型的MEMS陀螺仪的微机械检测结构的示意性表示，其由1标示并且在包括衬底2的半导体材料(例如，硅)的裸片中被制作。

检测结构1拥有基本上平面的配置，该配置具有处于互相正交的第一水平轴线x和第二水平轴线y所定义的水平平面xy中的主要延伸，并且基本上平行于衬底2的平面，并且在平行于垂直轴线z的方向上关于前述主要延伸具有小的尺寸，垂直轴线z与第一和第二水平轴线x、y形成三条正交轴线的集合。

检测结构1包括第一驱动质量体4a和第二驱动质量体4b，它们在水平平面xy中具有延伸(纯粹通过示例的方式，基本上为矩形)，并且通过弹性锚固元件6a、6b连接至关于衬底2被固定的相应的锚固部5a、5b。驱动质量体4a、4b被悬置在衬底2上方，在静止条件下平行于相同的衬底2。

相应的驱动电极集合7a、7b被关联至每个驱动质量体4a、4b。每个驱动电极集合7a、7b包括：相应的多个移动电极8a、8b，它们关于相应的驱动质量体4a、4b被固定并且在外部延伸至驱动质量体4a、4b；以及相应的多个固定电极9a、9b，它们关于衬底2被固定并且与移动电极8a、8b成梳齿状。

来自用于驱动MEMS陀螺仪的电子电路(这里未图示)的适合的电偏置信号通过电极的相互且交替的静电吸引来确定驱动质量体4a、4b在线性驱动方向上(在该示例中是沿着第二水平轴线y)的振荡驱动移动。特别地，如后文所描述的图2中的箭头所指示的，第一和第二驱动质量体4a、4b在驱动方向的相反意义上被驱动。

弹性锚固元件6a、6b因此被配置为遵从于这一驱动移动。

检测结构1进一步包括被驱动质量体10，其被布置在第一和第二驱动质量体4a、4b之间(在第一水平轴线x的方向上)，并且通过弹性连接元件11a、11b连接至驱动质量体4a、4b。被驱动质量体10也被悬置在衬底2的上方，在静止条件下与之平行。

被驱动质量体10具有在水平平面xy中的主要延伸，例如具有矩形形状，并且在中心定义空置空间12，其中心O与整个结构的形心和对称中心相一致。

耦合单元14被布置在空置空间12之内，被配置用于将被驱动质量体10弹性地耦合并锚定至衬底2。

特别地，耦合单元14包括刚性元件15，刚性元件15在该示例中沿着第一水平轴线x具有直线延伸，被布置在空置空间12的中心处，通过弹性元件(未示出)弹性地连接至被驱动质量体10，并且通过相应的弹性连接元件16(它们在该示例中沿着第二水平轴线y具有线性延伸)进一步连接至中心锚固元件17。

在使用中，并且如图2中示意性地示出的(其中为了清楚地说明再次示意性地示出了检测结构1)，耦合单元14被配置为响应于驱动质量体4a、4b在相反方向上的驱动移动(如箭头所表示)而使得被驱动质量体10能够在传感器平面xy(关于衬底2)绕垂直轴线z进行旋转。基本上，被驱动质量体10由驱动质量体4a、4b的移动拉动旋转，在该示例中是在逆时针方向上。