高准确度且对温度和老化具有低灵敏度的MEMS加速度传感器制造技术

公开了高准确度且对温度和老化具有低灵敏度的MEMS加速度传感器。一种加速度传感器，具有：悬置区域(21)，该悬置区域相对于支撑结构(24)可移动；以及感测组件(37)，该感测组件耦合至该悬置区域并且被配置成用于检测该悬置区域相对于该支撑结构的移动。该悬置区域(21)具有在与各自的质心相关联的彼此不同的至少两个构型之间可变的几何形状。该悬置区域(21)由可旋转地锚定至该支撑结构(24)的第一区域(22)以及通过弹性连接元件(25)耦合至该第一区域(22)的第二区域(23)形成，该弹性连接元件被配置成用于允许该第二区域(23)相对于该第一区域(22)相对移动。驱动组件(40)耦合至该第二区域(23)，以便控制该第二区域相对于该第一区域的相对移动。

【技术实现步骤摘要】
高准确度且对温度和老化具有低灵敏度的MEMS加速度传感器本申请是申请日为2017年03月27日、申请号为201710190187.X、专利技术名称为“高准确度且对温度和老化具有低灵敏度的MEMS加速度传感器”的中国专利技术专利申请的分案申请。
本专利技术涉及一种MEMS技术中具有高准确度并且对温度和老化具有低灵敏度的加速度传感器。
技术介绍
如已知的，加速度传感器或加速度计是将加速度转换成电信号的惯性传感器。MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem，微机电系统)技术中的加速度传感器基本上由移动结构和检测系统形成，耦合至移动结构并生成供应至处理接口的相应电信号(例如，电容变化)。图1是例如用于检测平面内加速度的已知MEMS加速度传感器的结构的示意图。在此，整体上由1来标示的传感器是单轴传感器并且具有检测由箭头a外部指示的加速度的功能，该箭头平行于笛卡尔轴(在此，笛卡尔坐标系XYZ的轴X)。传感器1包括悬置区域2，该悬置区域通常由单晶硅或多晶硅组成，经由锚定件13和弹性悬置元件(也被称为“弹簧14”)偏心地锚定至固定区域3(仅包围图1中可见的悬置质量块2的部分)。在所展示的示例中，悬置区域2在顶视平面图(在平面XY中)中具有矩形形状，其侧面平行于轴X和Y，并且厚度在方向Z上，垂直于绘图平面，小于其在方向X和Y上的尺寸。锚定件13基本上由柱形成，在绘图平面的垂直方向(平行于轴Z)上从衬底(不可见)开始延伸，该衬底形成固定区域3的一部分并且在悬置区域下方延伸。锚定件13限定了悬置区域2的旋转轴O。在此，旋转轴O相对于悬置质量块2的质量中心(质心)B是偏心的。确切地，旋转轴O相对于质心B沿轴Y偏移臂b。锚定件13在悬置区域2中的开口6中延伸。与悬置区域2共平面的弹簧14在锚定件13与开口6的两个相对点(沿轴Y)之间延伸穿过开口6(在此，平行于轴Y)。以本身已知的方式，弹簧14被成形成以便允许悬置区域2仅绕旋转轴O旋转。移动电极7由悬置区域2形成或者相对应该悬置区域被固定并且面向固定电极8，进而固定至固定区域3或者由该固定区域形成。移动电极7和固定电极8的数量、位置和形状可能变化。在所展示的示例中，四个固定电极8被安排在悬置区域2的侧面上(平行于轴X)，并且面向对应四个移动电极7，以便形成四个电极对10a、10b、10c和10d。此外，在此，两两地将电极对10a-10d安排在由穿过旋转轴O的迹线R的由平行于平面XZ的平面限定的两个半平面中。所有固定电极8到旋转轴O的距离相等。如下文中详细讨论的，每个电极对10a-10d限定了电容元件，其电容C取决于面向彼此的对应固定电极8与移动电极7之间的距离，并且因此取决于悬置区域2的位置。由于旋转轴O相对于质心B的偏心率，在存在沿轴X指向或具有沿该轴指向的分量的外部加速度a外部的情况下，如在图中通过箭头D所指示的，移动质量块2绕旋转轴O转动，引起移动电极7相对移动远离沿直径相对安排的两个电极对(在图中，对10b、10d)的相应固定电极8，以及移动电极7相应地靠近另外两个对(在此，对10a、10c)的相应固定电极8。随后，电极对10b、10d经历电容减小，并且电极对10a、10c经历相应的电容增加。可以在针对旋转主体的谐运动方程的基础上计算将悬置区域2的旋转角θ与在方向X上的外部加速度a外部(或者与在通用外部加速度的方向X上的分量)相联系的定律，忽略阻尼分量。具体地，kθ＝M外部＝F外部·b＝m·a外部·b其中，M外部和F外部分别是外部加速度a外部施加到悬置区域2上的力矩和力，m是悬置区域2的质量，b是旋转轴O与质心B之间的臂或距离，并且k是弹簧14的弹性。旋转角θ因此由下式给出：此外，由ε0指示真空电容率、A指示每个电极对10a-10c的固定电极8与移动电极7之间的面对面积、g0指示每个移动电极7与对应固定电极8之间的静止距离，r指示每个固定电极8的中心与旋转轴O之间的距离，C1指示与移动远离彼此的电极7、8(在此，对10a、10c)相关联的电容，以及C2指示与彼此靠近的电极7、8(在此，对10b、10d)相关联的电容，并且通过将rsinθ近似为rθ，得出：将电容C1与C2相减，获得由外部加速度a外部引起的电容变化ΔC：ΔC＝C2-C1(4)通过组合等式(1)至(4)，有可能在小角度rθ＜g0的情况下将外部加速度a外部导出为函数ΔC：因此，通过适当地偏置移动电极7和固定电极8以及将它们电连接至下游处理电路(例如，ASIC-专用集成电路)，有可能在可能的放大和滤波之后获得与所寻求的加速度值a外部成正比的输出电压信号ΔV。然而，使用这种技术，不可能将由外部加速度引起的影响与例如由如温度和湿度等环境条件的变化、或者由外部结构(例如，由封闭传感器的封装体)或材料的老化现象引起的结构修改(比如，弯曲)引起的应力而造成的寄生影响电子地区分开。以上现象可能引起低频或直流电容变化，无法将这些变化与有用信号电子地区分开。实际上，在存在应力的情况下，等式(2)和等式(3)变成其中，Δy1和Δy2是每个移动电极7与相应固定电极8之间由于寄生应力引起的位移而造成的沿轴y的距离变化。随后，所测量的电容变化变成ΔC′＝ΔC+ΔC应力(4′)其中，ΔC应力是由寄生应力引起的电容变化。为了防止由应力引起的误差，已经基于旨在减少寄生信号的引发或者旨在减小结构对应力的灵敏度(然而，并不想完全消除这些应力或消除它们的影响)的传感器的不同空间构型提出了解决方案。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种克服现有技术缺点的加速度设备。根据本专利技术，如在所附权利要求书中所限定的，提供了一种加速度传感器和一种用于检测加速度信号的相应方法。在实践中，提出了能够对由于外部加速度而引起的有用信号进行频率调制从而使得其具有除了零以外的频率并且由此可以将其与由于机械变形或更一般地由于寄生应力而引起的直流信号进行区分的解决方案。为此，本加速度传感器具有悬置区域的可几何变化的构型以便允许对感测臂(旋转轴与悬置质量块的质心之间的距离)进行调节。通过将悬置区域划分成以下两个部分来获得加速度传感器的可变构型或调节构型：第一区域，该第一区域被支撑以便移动(例如，绕锚定件轴转动)；以及至少一个第二区域，该至少一个第二区域是可移动的(例如，可相对于第一区域平移)，以便调节悬置区域的质心。悬置质量块的可变几何结构允许以可以设置的频率获得离散时间或连续时间信号，以便允许消除由于应力而引起的信号。附图说明为了更好地理解本专利技术，现在仅通过非限制性示例的方式、参照附图描述本专利技术的优选实施例，在附图中：-图1是用于检测平面内加速度的已知加速度计的示意图；-图2是用于检测平面内加速度的本加速度计在第一操作位置的实施例的示意性顶视平面图；-图3是图2的加速度计在第本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种集成MEMS加速度传感器，包括：/n支撑区域，所述支撑区域包括衬底/n悬置区域，所述悬置区域相对于所述支撑区域可移动，所述悬置区域包括：第一区域，可旋转地锚定至所述衬底；第二区域，耦合至所述第一区域、并且定位在所述第一区域和所述支撑区域之间；以及弹性连接元件，所述弹性连接元件将所述第二区域耦合至所述第一区域、并且被配置成允许所述第二区域相对于所述第一区域的相对移动；/n感测组件，所述感测组件耦合至所述第一区域、并且被配置成检测所述第一区域相对于所述衬底的移动；以及/n驱动组件，所述驱动组件耦合至所述第二区域、并且被配置为控制所述相对移动，所述驱动组件被配置为接收可变驱动电压以控制所述相对移动，/n其中，所述第二区域的所述相对移动包括所述第二区域相对于所述支撑区域的平移移动，其中所述悬置区域由于所述第二区域的所述平移移动而具有在至少第一构造和第二构造之间可变的可变几何结构，所述悬置区域具有在所述第一构造中位于所述第一区域内的第一位置中的质心，所述质心在所述第二构造中位于第二位置中，所述第一位置和所述第二位置彼此不同。/n

【技术特征摘要】
20160331 IT 1020160000332961.一种集成MEMS加速度传感器，包括：
支撑区域，所述支撑区域包括衬底
悬置区域，所述悬置区域相对于所述支撑区域可移动，所述悬置区域包括：第一区域，可旋转地锚定至所述衬底；第二区域，耦合至所述第一区域、并且定位在所述第一区域和所述支撑区域之间；以及弹性连接元件，所述弹性连接元件将所述第二区域耦合至所述第一区域、并且被配置成允许所述第二区域相对于所述第一区域的相对移动；
感测组件，所述感测组件耦合至所述第一区域、并且被配置成检测所述第一区域相对于所述衬底的移动；以及
驱动组件，所述驱动组件耦合至所述第二区域、并且被配置为控制所述相对移动，所述驱动组件被配置为接收可变驱动电压以控制所述相对移动，
其中，所述第二区域的所述相对移动包括所述第二区域相对于所述支撑区域的平移移动，其中所述悬置区域由于所述第二区域的所述平移移动而具有在至少第一构造和第二构造之间可变的可变几何结构，所述悬置区域具有在所述第一构造中位于所述第一区域内的第一位置中的质心，所述质心在所述第二构造中位于第二位置中，所述第一位置和所述第二位置彼此不同。


2.根据权利要求1所述的加速度传感器，其中，所述驱动组件是电容型驱动组件，并且包括彼此面对、且引起所述第二区域相对于所述第一区域旋转平移移动的驱动电极对。


3.根据权利要求1所述的加速度传感器，进一步包括：
驱动电源，所述驱动电源被配置成用于在第一感测步骤中向所述驱动组件供应第一驱动电压、并且在第二感测步骤中向所述驱动组件供应第二驱动电压；以及
处理电路，所述处理电路包括：
电容/电压转换器，所述电容/电压转换器耦合至所述感测组件，并且被配置成用于在所述第一感测步骤中生成第一位置测量信号、并且在所述第二感测步骤中生成第二位置测量信号；以及
减法器，所述减法器接收所述第一位置测量信号和所述第二位置测量信号，并且生成作为所述第一位置测量信号与所述第二位置测量信号之间的差的加速度信号。


4.根据权利要求1所述的加速度传感器，进一步包括：
驱动电源，所述驱动电源被配置成用于向所述驱动组件供应交流驱动电压；以及
处理电路，所述处理电路包括：
电容/电压转换器，所述电容/电压转换器耦合至所述感测组件，并且被配置成用于生成交流位置测量信号；
高通滤波器，所述高通滤波器耦合至所述电容/电压转换器的输出端；以及
解调器，所述解调器耦合至所述高通滤波器的输出端。


5.根据权利要求4所述的加速度传感器，其中，所述悬置区域和所述支撑区域形成在第一半导体材料裸片中，并且所述处理电路形成在第二半导体材料裸片中。


6.根据权利要求1所述的加速度传感器，其中，所述第一区域和所述第二区域是相同单片半导体层。


7.根据权利要求1所述的加速度传感器，其中，所述支撑区域外侧地包围所述第一区域。


8.根据权利要求1所述的加速度传感器，其中，所述感测组件是电容型感测组件，并且包括彼此面对的至少两个感测电极。


9.根据权利要求1所述的加速度传感器，其中，所述加速度传感器是包括弹性悬置元件的平面内加速度传感器，所述弹性悬置元件将所述悬置区域锚定至所述支撑区域、并且被配置成允许所述悬置区域绕垂直于所述悬置区域的旋转轴旋转。


10.根据权利要求1所述的加速度传感器，其中，所述加速度传感器是包括弹性悬置元件的平面外加速度传感器，所述弹性悬置元件将所述悬置区域锚定至所述支撑区域、并且被配置成允许所述悬置区域绕平行于所述悬置区域的旋转轴旋转。


11.一种集成MEMS加速度传感器，包括：
支撑区域，所述支撑区域包括衬底；
悬置区域，所述悬置区域相对于所述支撑区域可移动，其中所述悬置区域具有在第一构造和第二构造之间移动的可变几何结构，并且所述悬置区域包括耦合到所述衬底的第一区域、耦合到所述第一区域的第二区域以及弹性连接元件，所述弹性连接元件将所述第二区域耦合到所述第一区域、并且被配置为允许所述第二区域相对于所述第一区域的相对移动；
感测组件，所述感测组件耦合到所述第一区域、并且被配置为检测所述第一区域相对于所述衬底的移动；以及
驱动组件，所述驱动组件耦合到所述第二区域、并且被配置为控制所述第二区域相对于所述第一区域的所述相对移动，其中所述第二区域的相对移动允许所述悬置区域在所述第一构造和所述第二构造之间的移动，其中在所述第一构造中，所述悬置区域的质心在第一位置中，并且在所述第二构造中，所述质心在第二位置中，所述相对移动是包括所述第二区域相对于所述第一区域的平面内平移移动的旋转平移移动。


12.根据权利要求11所述的加速度传感器，其中，所述驱动组件是电容式驱动组件，并且包括彼此面对、且引起所述第二区域相对于所述第一区域的所述旋转平移移动的驱动电极对。


13.根据权利要求11所述的加速度传感器，进一步包括：
驱动源，被配置为在第一感测步骤中向所述驱动组件供应第一驱动电压、并且在第二感测步骤中向所述驱动组件供应第二驱动电压；以及
处理电路，包括：
电容/电压转换器，所述电容/电压转换器耦合到所述感测组件，并且被配置为在所述第一感测步骤中生成第一位置测量信号、并且在所述第二感测步骤中生成第二位置测量信号；以及
...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·托齐奥，F·里奇尼，C·瓦尔扎希纳，G·兰格弗尔德，
申请(专利权)人：意法半导体股份有限公司，
类型：发明
国别省市：意大利;IT