多轴共振加速度计的制作方法

多轴共振加速度计
1.本技术是申请日为2016年10月14日，申请号为201680069861.2，发明名称为“多轴共振加速度计”的申请的分案申请。
2.相关申请的交叉引用
3.本专利申请要求于2015年10月20日提交的标题为多轴共振加速度计的美国专利申请第14/887,973号的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
4.本发明一般涉及谐振加速度计，并且更具体地涉及基于检测由于加速度下的静电间隙变化引起的一个或多个静电驱动的谐振器质量块的谐振频率变化的多轴共振加速度计。


背景技术：

5.加速度计是一种将加速力转换为电子信号的传感器。加速度计用于各种设备和各种应用。例如，加速度计通常包括各种汽车系统，例如气囊展开和翻转检测。加速度计通常也被包括在许多计算机设备中，例如用于基于运动的感测(例如跌落检测)和控制(例如用于游戏的基于运动的控制)。
6.一般而言，mems(微机电系统)加速度计通常包括检测质量块和一个或多个用于感测由外部加速度引起的检测质量块的移动或位置变化的传感器。加速度计可配置为感测加速度的一个、两个或三个轴。典型地，检测质量块被配置在预定的器件平面中，并且灵敏度轴一般参考该器件平面。例如，沿平行于器件平面的轴感测到的加速度通常称为x或y轴加速度，而沿垂直于器件平面的轴感测的加速度通常称为z轴加速度。单轴加速度计可能被配置为仅检测x或y轴加速度或者仅检测z轴加速度。双轴加速度计可能配置为检测x轴和y轴加速度，或者可能配置为检测x轴和z轴加速度。三轴加速度计可能配置为检测x、y和z轴加速度。


技术实现要素：

7.在某些实施方案中，提供多轴共振加速度计，包括：谐振器，包括配置在器件平面中的至少一个谐振器质量块；一组x轴驱动电极，被配置用于驱动所述器件平面中的至少一个谐振器质量块的x轴运动；一组y轴驱动电极，被配置用于驱动所述器件平面中的至少一个谐振器质量块的y轴运动；一组x轴感测电极，被配置用于基于在x轴加速度存在的情况下的静电弹簧调谐来感测所述至少一个谐振器质量块的x轴谐振频率的变化；和一组y轴感测电极，被配置为基于在y轴加速度存在的情况下的静电弹簧调谐来感测所述至少一个谐振器质量块的y轴谐振频率的变化。
8.在某些其他实施方案中，提供一种操作具有谐振器的多轴共振加速度计的方法，所述谐振器包括配置在器件平面中的至少一个谐振器质量块。所述方法包括：驱动所述至少一个谐振器质量块与所述器件平面中的x轴运动和y轴运动共振；基于在x轴加速度存在
的情况下的静电弹簧调谐来感测所述至少一个谐振器质量块的x轴谐振频率的变化；和基于在y轴加速度存在的情况下的静电弹簧调谐来感测所述至少一个谐振器质量块的y轴谐振频率的变化。
9.在某些其他实施方案中，提供多轴共振加速度计，包括：谐振器，包括配置在器件平面中的至少一个谐振器质量块；构件，用于驱动所述至少一个谐振器质量块与所述器件平面中的x轴运动和y轴运动共振；构件，用于基于在x轴加速度存在的情况下的静电弹簧调谐来感测所述至少一个谐振器质量块的x轴谐振频率的变化；和构件，用于基于在y轴加速度存在的情况下的静电弹簧调谐来感测所述至少一个谐振器质量块的y轴谐振频率的变化。
10.在各种可选择的实施方案中，至少一个谐振器质量块可包括多个谐振器质量块，耦合以作为单个谐振体工作，并且每组感测电极可被配置用于谐振频率改变的单端感测。可选择地，至少一个谐振器质量块可包括多个谐振器质量块，每组驱动电极可被配置用于驱动谐振器质量块的第一子集与谐振器质量块的第二子集反相地共振，并且每组感测电极可被配置用于共振频率变化的差分感测。x轴运动和y轴运动可以以相同的谐振频率驱动，或者可以以不同的谐振频率驱动。给定轴的谐振频率的变化可基于与给定轴相关联的驱动电极和与给定轴相关联的感测电极之间的电压差。
11.各种可选择的实施方案可另外地包括z-轴感测，使得谐振器还包括至少一个z轴传感器元件，被配置为与所述器件平面的垂直的z轴运动共振，其中每个z-轴传感器元件是独特的谐振器质量块的一部分。例如通过一组z轴驱动电极来驱动至少一个z轴传感器的z轴运动。至少一个z轴传感器元件的z轴谐振频率的变化在存在z轴加速度的情况下基于静电弹簧调谐，例如通过配置的一组z轴感测电极来感测。每个z-轴传感器元件可包括跷跷板传感器元件。
12.其他实施例可以被公开和要求保护。
附图说明
13.通过参考以下参考附图的详细描述，将更容易理解实施例的上述特征，其中：
14.图1是根据本发明的一个示例性实施例的用于使用具有弱谐振器质量块或无谐振器耦合的差分x/y轴感测的x-y轴谐振加速度计的器件层结构的示意性顶视图；
15.图2是示出根据一个示例性实施例的用于在差分感测中引起谐振器质量块在+x方向上的相应位移的-x方向上的加速度(即，-ax)；
16.图3是根据一个示例性实施例的用于差动感测的用于单轴的加速度计控制电路的示意性框图；
17.图4是根据本发明的一个示例性实施例的用于使用谐振器质量块的强耦合的反相驱动和单端x/y轴感测的x-y轴谐振加速度计的器件层结构的示意性顶视图；
18.图5是根据图4的示例性实施例表示对于单端感测而言谐振器质量块在+x方向上产生相应位移的-x方向上的加速度(即-ax)的频率牵引效果的示意图；
19.图6是根据一个示例性实施例的用于单端感测的单轴的加速度计控制电路800的示意性框图；
20.图7是根据本发明的一个示例性实施例的用于使用谐振器质量块的强耦合的同相
驱动和单端x/y轴感测的x-y轴谐振加速度计的器件层结构的示意性俯视图；
21.图8是根据图7的示例性实施例表示对于单端感测而言谐振器质量块在+x方向上产生相应位移的-x方向上的加速度(即-ax)的频率牵引效果的示意图；
22.图9是根据本发明另一示例性实施例的用于三轴谐振加速度计的器件层结构的示意性顶视图；
23.图10示出了根据图9的实施例的跷跷板元件的细节；
24.图11是示出根据一个示例性实施例的跷跷板元件下面的驱动电路和感测电极的相对位置的示意图；
25.应该注意的是，前面的附图和其中描绘的元件不一定被绘制成一致的比例或任何比例。除非上下文另有说明，否则相同的数字表示相同的元件。
具体实施方式
26.多轴共振加速度计(rxl)是基于检测由于加速度下的静电间隙变化而导致的一个或多个静电驱动谐振器质量块的谐振频率变化。具体而言，一个或多个谐振器质量块被配置成在与一个或多个灵敏度轴(例如，x、y和/或z轴)相关联的不同方向上同时共振。通过一个或多个静电耦合感测电极监测每个谐振器质量块的运动。沿着灵敏度的特定轴的加速度引起谐振器质量块在相反方向上的位移，这有效地改变质量块和与该特定灵敏度轴相关联的相应驱动/感测电极之间的静电间隙，进而有效改变谐振器质量块的静电弹簧刚度，进而有效改变谐振器质量块的谐振频率。可以感测到谐振频率的这种变化(在此有时称为“频率牵引”或“静电弹簧调谐”)，并且可以基于谐振频率的变化量生成输出信号。尽管可以使用普通的谐振频率，但谐振频率对于每一个灵敏轴可以基本上不同(例如，以帮助缓解模式注入和锁定问题)。
27.为了以下描述和所附权利要求的目的，“套件”包括一个或多个构件，谐振体的“模式”是谐振时身体的运动形状，关于两个谐振体的谐振模式(即，位移)的术语“反相”意味着谐振体以相同的模式形状但是180度反相谐振，术语谐振模式的“平面内”意味着谐振主要在在谐振器结构的平面中，关于谐振模式的术语“平面外”是指主要与谐振器结构的平面垂直的谐振，并且“电极”是结构通过它们施加和/或感测电或机电效应。在示例性实施例中，各种电极用于在设计频率下将谐振器驱动到其目标模式形状和/或通过电容耦合(例如谐振器质量块与一个或多个相邻结构之间)感测电或机电效应，尽管应该注意到可以使用其他类型的电极和耦合(例如压电)。因此，在示例性实施例中，电极可以包括谐振器质量块和用于驱动和/或感测谐振器质量块的运动的一个或多个结构。
28.下面参考具有四个质量块的x-y轴共振加速度计来描述各种示例性实施例，但是本发明不限于这种配置。描述了两种不同的示例性操作模式。第一种示例性操作模式使用谐振器质量块的弱耦合或无耦合的差动x/y轴感测。第二种示例性的运行模式使用谐振器质量块强耦合的单端x/y轴感测。
29.采用弱或无偶合差动x/y轴感测
30.图1是根据本发明的一个示例性实施例的使用具有弱谐振器质量块或无谐振谐振器质量块的x/y轴感测的x-y轴谐振加速度计的器件层结构的示意性顶视图。在该示例性实施方案中，四个谐振器质量块101、102、103、104被支撑在下面的基板(为了方便起见未示
出)上方并且被驱动为在平行于底层衬底的x轴和y轴方向上通过一组平面内驱动电极(用于驱动x轴运动的驱动电极dx1、dx2、dx3、dx4；用于驱动y轴运动的驱动电极dy1、dy2、dy3、dy4)，其直接或间接地由下层基板固定支撑。谐振器质量块平行于底层衬底的平面内运动通过一组面内感测电极(用于感测x轴运动的感测电极sx1、sx2、sx3、sx4；用于感测y轴运动的感测电极sy1、sy2、sy3、sy4)，其直接或间接地由下面的衬底固定地支撑。图1中为了参考的目的描绘了x轴和y轴，而不是谐振加速度计的一部分。
31.在该示例性实施方案中，每个电极被表示为单个细长的指状结构，该结构与相应谐振器质量块延伸的指状结构静电耦合(即，通过小间隙)，但应该注意的是，在各种替代实施例中可以使用其他电极布置。例如，在某些可选择的实施方案中，每个电极可以包括多个细长的指状结构，其与从相应谐振器质量块延伸的一个或多个指状结构交错。
32.在这个示例性的操作模式中，谐振器质量块具有较弱的机械耦合或没有机械耦合。驱动相对的谐振器质量块对彼此反相共振，并且差动感测被用于基于由存在的频率牵引效应引起的共振频率变化产生用于每个灵敏轴的加速度计输出外部加速度，其中一对谐振器质量块经历共振频率的增加，而相反的一对谐振器质量块在存在这种外部加速度的情况下经历共振频率的降低。谐振频率的变化以及外部加速度的大小可以通过两对谐振器质量块之间的谐振频率的差值来确定。一般来说，这种差分感应增加了灵敏度并消除了共模误差，例如由于温度、湿度、机械应力和驱动/检测电路稳定性误差导致的频率漂移。
33.对于一个示例性实施例中的x轴运动，谐振器质量块101和104交替地由驱动电极dx1和dx4驱动以彼此同相地来回移动，而谐振器质量块102和103交替地由驱动电极dx2和dx3驱动彼此同步地但反向地与谐振器质量块101和104一起前后移动。因此，对于这些x轴运动，谐振器质量块101和104可以被视为单个主体，并且谐振器质量块102和103可以被视为单个主体。在这个例子中，谐振器质量块101/104和谐振器质量块102/103的运动可以通过驱动电极dx1、dx2、dx3和dx4彼此同相地驱动，即，利用相同的驱动信号应用于所有这些驱动电极。在x-轴运动的一个阶段期间，谐振器质量块101和104向右(即在“x”方向)移动，而谐振器质量块102和103向左移动(即在
“‑
x“方向)，并且在x轴运动的反相期间，谐振器质量块101和104向左移动(即在
”‑
x“方向上)，而谐振器质量块102和103向右移动(即，在“x”方向上)。
34.在一个示例性实施例中，对于y轴运动，谐振器质量块101和102由驱动电极dy1和dy2交替地驱动以彼此同相地来回移动，而谐振器质量块103和104为由驱动电极dy3和dy4交替地驱动以彼此同相但与谐振器质量块101和102反相地相互前后移动。因此，对于这些y轴运动，谐振器质量块101和102可以看作是一个整体，谐振器质量块103和104可以看作是一个整体。在这个例子中，谐振器质量块101/102和谐振器质量块103/104的运动可以通过驱动驱动电极dy1、dy2、dy3和dy4同相驱动来完成，即使用相同的驱动信号施加到所有这些驱动电极上。在y轴运动的一个相位期间，谐振器质量块101和102朝着顶部(即，在“y”方向)移动，而谐振器质量块103和104朝向底部移动(即
“‑
y”方向)，在y轴运动反相时，谐振器质量块101和102向底部移动(即
“‑
y”方向)，而谐振器质量块103和104向顶部移动(即在“y”方向上)。
35.如上所述，谐振器质量块可以被配置为谐振，使得x-轴谐振频率和y-轴谐振频率实质上不同，例如以帮助缓解模式注入和锁定问题。因为每个谐振器质量块上的力将包括
不等的x轴和y轴分量(例如，由于两个轴的驱动频率不同)，所以谐振器质量块的驱动运动通常将是非线性的并且因此每个谐振器质量块通常会在来回谐振时经历轻微的旋转量。
36.一个特定方向上的加速度作用于所有四个谐振器质量块，并且有效地改变四个质量块和与该特定灵敏度轴相关联的驱动/感测电极之间的静电间隙，这又有效改变谐振器质量块的静电弹簧刚度，这又有效地改变了谐振器质量块的谐振频率，具体地说，一对谐振器质量块的谐振频率会增加，而质量块对立的谐振频率会降低。为了方便起见，每对谐振器质量块在本文中可以被称为“谐振器”，使得加速度计可以被认为对于每个灵敏轴具有两个谐振器(即，对于x轴，谐振器质量块101和104构成一个谐振器，谐振器质量块102和103构成另一个谐振器；对于y轴，谐振器质量块101和102构成一个谐振器，谐振器量块103和104构成另一个谐振器)。
37.谐振器的谐振频率可由下式表征并受机械弹簧常数k
机电
和静电弹簧常数k
静电
的影响：
[0038][0039]
可以感测每个谐振器的谐振频率，并且可以基于谐振频率的差异产生输出信号。一般来说，输入加速度与谐振频率变化之间的关系用hz/g表示(例如，一个特定的加速度计可能被设计成以比例因子例如50hz/g或100hz/g来操作)。因此，输入加速度(根据g力)可以根据比例系数由谐振频率(以hz为单位)的变化来确定。不同的灵敏度轴可能具有相同的比例因子或可能具有不同的比例因子。
[0040]
为了操作谐振加速度计，在该示例性实施方案中，谐振器质量块、驱动电极和感测电极必须置于不同的电位。例如，可以将谐振器质量块置于固定电位(在此称为vdc_体)，该电位可以是非零电压或接地。与特定灵敏度轴相关联的驱动电极可以用dc偏置电压(在此对于x轴称为vdc_驱动x，对于y轴称为vdc_驱动y)加上小的ac电压(对于x轴称为vac_驱动x，对于y轴称为vac_驱动y)，即用vdc_驱动x+vac_驱动x偏置驱动电极dx1、dx2、dx3和dx4以激励谐振器质量块101-104的x轴运动，并且驱动电极dy1、dy2、dy3和dy4偏置vdc_驱动y+vac_驱动y以激发谐振器质量块101-104的y轴运动。与特定灵敏度轴相关联的感测电极可以用不同的dc偏压(在此对于x轴称为vdc_感测x，对于y轴称为vdc_感测y)加上对应于灵敏度轴的小的ac电压(对于x轴称为vac_感测x，对于y轴称为vac_感测y)，即用vdc_感测x+vac_感测x对感测电极sx1、sx2、sx3和sx4进行偏置，并且用vdc_感测y+vac_感测y对感测电极sy1、sy2、sy3和sy4进行偏置。重要的是，vdc_驱动x和vdc_感测x彼此不等并且也与vdc_体不等，vdc_驱动y和vdc_感测y彼此不等并且也与vdc_体不等。在各种替代实施例中，vdc_驱动x可以等于或不等于vdc_驱动y，vdc_感测x可以等于或不等于vdc_感测y，并且vac_驱动x可以等于或不等于vac_驱动y。在该示例性实施方案中，vac_驱动x和vac_感测x彼此180度异相，并且vac_驱动y和vac_感测y彼此180度异相。为了简单起见，vac_驱动x和vac_感测x可以具有彼此相同的幅度，并且vac_驱动y和vac_感测y可以具有彼此相同的幅度，尽管在替代实施例中幅度可以不同。
[0041]
谐振器质量块101-104的x轴运动通过改变每个谐振器质量块101-104与其相应的感测电极sx1-sx4之间的电容来感测。变化的电容在感测电极上感应相应变化的电流。所感测的电流既可用作反馈信号(例如通过锁相环)用于驱动谐振器质量块的x轴运动并感测谐
振器质量块的谐振频率。由于驱动电极dx1、dx2、dx3和dx4都是同相驱动的，因此在该示例性实施方案中，静电力将在x方向上谐振检测质量块101和104，但会使检测质量块102和103在x方向上与检测质量块101和104异相谐振(180
°
相移)。
[0042]
类似地，谐振器质量块101-104的y轴运动通过改变每个谐振器质量块101-104与其相应的感测电极sy1-sy4之间的电容来感测。变化的电容在感测电极上感应相应变化的电流。感测电流既可用作反馈信号(例如通过锁相环)用于驱动谐振器质量块的y轴运动并感测谐振器质量块的谐振频率。由于驱动电极dy1、dy2、dy3和dy4全部同相驱动，所以在该示例性实施方案中，静电力将在y方向上谐振检测质量块101和102，但检测质量块103和104在y方向上与检测质量块101和102异相谐振(180
°
相移)。
[0043]
在相对于给定灵敏度轴的外部加速度下，所有四个谐振器质量块将相对于该灵敏度轴在相反的方向上移动。由于频率拉动效应，一对谐振器质量块将经历共振频率的增加，而相对的一对谐振器质量块将相对于该灵敏度轴经历共振频率的降低。每对谐振器质量块的谐振频率可以通过相应的感测电极来感测，并且可以基于两对谐振器质量块之间的谐振频率差来产生输出信号。
[0044]
因此，例如，在-x方向上的外部x轴加速度下，所有四个检测质量块都将静止地沿+x方向移动，同时仍然被驱动进入共振。检测质量块101与驱动电极dx1之间的间隙以及检测质量块104与驱动电极dx4之间的间隙将变小。由于检测质量块101和104的k
静电
正比于1/间隙^3，当差距变小时k
静电
会增加。根据等式(1)，检测质量块101和104的谐振频率fx都将减小。这个谐振频率变化分别通过感测电极sx1和sx4来感测。在相同条件下，检测质量块102与驱动电极dx2之间的间隙以及检测质量块103与驱动电极dx3之间的间隙会变大。由于检测质量块102和103的k
静电
正比于1/间隙^3，当差距变大时k
静电
会减少。根据等式(1)，检测质量块102和103的谐振频率fx将增加。这个谐振频率变化分别由sx2和sx3检测。
[0045]
在+x方向的外部x-轴加速度下出现相反的情况，即检测质量块101与驱动电极dx1之间的间隙以及检测质量块104与驱动电极dx4之间的间隙将变大，因此检测质量块101和104的谐振频率fx将分别增加并由sx1和sx4检测，而检测质量块102与驱动电极dx2之间的间隙以及检测质量块103与驱动电极dx3之间的间隙将变小，因此检测质量块102和103的谐振频率fx将分别降低并被sx2和sx3检测。
[0046]
同样，在-y方向的外部y轴加速度下，所有四个检测质量块都会静止地沿+y方向移动，同时仍然被驱动进入共振状态。检测质量块101与驱动电极dy1之间的间隙以及检测质量块102与驱动电极dy2之间的间隙将变小。由于检测质量块101和104的k
静电
正比于1/间隙^3，当差距变小时k
静电
会增加。根据等式(1)，检测质量块101和102的谐振频率fy都会降低。该谐振频率变化分别由sy1和sy2检测。在相同的条件下，检测质量块103与驱动电极dy3之间的间隙以及检测质量块104与驱动电极dy4之间的间隙会变大。由于检测质量块102和103的k
静电
正比于1/间隙^3，当差距变大时k
静电
会减少。根据等式(1)，检测质量块103和104的谐振频率fy将增加。该谐振频率变化分别由sy3和sy4检测。
[0047]
在+y方向的外部y轴加速度下出现相反的情况，即检测质量块101与驱动电极dy1之间的间隙以及检测质量块102与驱动电极dy2之间的间隙将变大，因此共振频率fy的检测质量块101和102将分别增加并被感测电极sy1和sy2检测到，而检测质量块103和驱动电极dy3之间的间隙以及检测质量块104和驱动电极dy4之间的间隙将变小，因此检测质量块103
和104的谐振频率fy将分别下降并被感测电极sy3和sy4检测到。
[0048]
结果，一对质量块的共振频率增加，而另一对质量块的共振频率对于该特定的灵敏度轴减小。谐振频率在特定灵敏度轴上的相对变化将表现为对于该特定灵敏度轴的组合差分输出的变化，其可以被感测以提供代表加速度的加速度计输出信号。
[0049]
图2是示出根据一个示例的用于差分感测的用于在-x方向上引起谐振器质量块在+x方向上的相应位移的-x方向(即-ax)上的加速度的频率牵引效果的示意图实施例。在这个例子中，针对x轴的一半(即，对于相对于电极dx1、sx1、dx2和sx2的谐振器质量块101和102)解释了频率牵引效应，尽管相同的效果适用于x轴的另一半(即对于相对于电极dx3、sx3、dx4和sx4的谐振器质量块103和104)，并且类似的效果适用于y轴。由于谐振器质量块101和102具有弱耦合或无耦合，所以它们可能具有稍微不同的谐振频率。因此，谐振器质量块101具有谐振频率fr101，而谐振器质量块102具有谐振频率fr102。
[0050]
给定谐振器质量块和相应电极之间的初始电容可以表示为：
[0051][0052]
其中do是电极与相应谐振器质量块延伸的相应指状结构之间的标称间隙。
[0053]
当谐振器质量块移动x(例如纳米)距离时电容的变化率可表示为：
[0054][0055]
由dc/dx引起的来自相应驱动电极的给定谐振器质量块上的力可表示为：
[0056]
fd＝(1/2)(dc/dx)(vdc_驱动
–
vdc_体)2[0057]
由dc/dx引起的来自相应感测电极的给定谐振器质量块上的力可表示为：
[0058]
fs＝(1/2)(dc/dx)(vdc_感测
–
vdc_体)2[0059]
由dc/dx引起的静电刚度可表示为：
[0060][0061]
其中vr是放置在给定电极上的电压，v是置于谐振器质量块上的电势。
[0062]
谐振器质量块在x的间隙变化时的总刚度可以表示为(keq-ke)，其中keq是初始机械刚度。
[0063]
由刚度变化引起的频移可以表示为：
[0064][0065]
如图2所示，-x方向上的加速度(即-ax)导致谐振器质量块在+x方向上的相应位移。与电极dx2和sx1相关联的间隙增加(即，达到do+x)并且因此与这些电极相关联的dc/dx减小，而与电极sx2和dx1相关联的间隙减小(即，达到do–
x)，因此与这些电极相关的dc/dx增加。因此，谐振器质量块101的x轴谐振频率fr101减小，而谐振器质量块102的x轴谐振频率fr102增加。
[0066]
相对于sx1和dx1电极的谐振器质量块101的谐振频率可以表示为：
[0067][0068][0069]
其中，gee是输入加速度(单位为米/平方)，f0是谐振器质量块的标称谐振频率，vres是谐振器电压，vs是sx电压，vd是dx电压。
[0070]
相对于sx2和dx2电极的谐振器质量块102的谐振频率可以表示为：
[0071][0072][0073]
其中，gee是输入加速度(单位为米/平方)，f0是谐振器质量块的标称谐振频率，vres是谐振器电压，vs是sx电压，vd是dx电压。
[0074]
相对于sx4和dx4电极的谐振器质量块104的谐振频率应与谐振器质量块101的相同或几乎相同。
[0075]
相对于sx3和dx3电极的谐振器质量块103的谐振频率应与谐振器质量块102的谐振频率相同或几乎相同。
[0076]
谐振器质量块101的频移可以表示为：
[0077]
dfr101(gee):＝(fr101_sx1(0)
–
fr101_sx1(gee))+(fr101_dx1(0)
–
fr101_dx1(gee))
[0078]
谐振器质量块102的频移可以表示为：
[0079]
dfr102(gee):＝(fr102_sx2(0)
–
fr102_sx2(gee))+(fr102_dx2(0)
–
fr102_dx2(gee))
[0080]
谐振器质量块104的频移应与谐振器101的频移相同或几乎相同，可用下式表示：
[0081]
dfr104(gee):＝(fr104_sx4(0)
–
fr104_sx4(gee))+(fr104_dx4(0)
–
fr104_dx4(gee))
[0082]
谐振器质量块103的频移应与谐振器102的频移相同或几乎相同，可以表示为：
[0083]
dfr103(gee):＝(fr103_sx3(0)
–
fr103_sx3(gee))+(fr103_dx3(0)
–
fr103_dx3(gee))
[0084]
值得注意的是，dx电极和sx电极都对谐振频率变化有贡献，并且dx和sx电极之间的电压差越大，谐振频率变化就越大。
[0085]
图3是根据一个示例性实施例的用于差分感测的单轴的加速度计控制电路300的示意性框图。其中，加速度计控制电路300包括第一驱动电路302、第一测量电路306、第一激励反馈电路308、第二驱动电路312、第二测量电路316、第二激励反馈电路318和差分频率电路320。一般而言，第一和第二驱动电路302和312分别驱动第一和第二谐振器304和314的谐
振器质量块。激励反馈电路308和318分别基于经由与第一谐振器304和第二谐振器314相关联的感测电极由第一和第二测量电路306和316感测的信号，向第一驱动电路302和第二驱动电路312提供控制信号，以保持第一和第二谐振器304和314在期望的谐振频率下的谐振。第一和第二测量电路306和316分别测量第一和第二谐振器304和314的谐振频率f1和f2，如上所述，在该示例性实施例中，f1和f2在存在外部加速度的情况下沿相反方向改变。差频电路320基于来自第一测量电路306和第二测量电路316的第一谐振器304和第二谐振器314的所测量的谐振频率之间的差异(即，基于f
1-f2)提供输出信号330。例如，输出信号330可以是谐振频率的差值(即f
1-f2)，或者可以是从不同的谐振频率和特定的灵敏度轴的比例因子计算的加速度(例如，如果特定陀螺仪的比例因子是100hz/g，频率变化是50hz，那么输出信号330可能是0.5g)。
[0086]
例如，对于x轴加速度计，第一谐振器304可以包括谐振器质量块101和104，而第二谐振器314可以包括谐振器质量块102和103。第一驱动电路302向驱动电极dx1和dx4提供驱动信号，而第二驱动电路312向驱动电极dx2和dx3提供驱动信号。第一测量电路306通过感测电极sx1和sx4测量第一谐振器304的谐振器质量块101和104的谐振频率，而第二测量电路316通过感测电极sx2和sx3测量第二谐振器314的谐振器质量块102和103的谐振频率。差频电路320基于来自第一和第二测量电路306和316的第一谐振器304和第二谐振器314的测量谐振频率之间的差异来提供输出信号330。
[0087]
类似地，对于y轴加速度计，第一谐振器304可以包括谐振器质量块101和102，而第二谐振器314可以包括谐振器质量块103和104。第一驱动电路302向驱动电极dy1和dy2提供驱动信号，而第二驱动电路312向驱动电极dy3和dy4提供驱动信号。第一测量电路306通过感测电极sy1和sy2测量第一谐振器304的谐振器质量块101和102的谐振频率，第二测量电路316通过感测电极sy3和sy4测量第二谐振器314的谐振器质量块103和104的谐振频率。差频电路320基于来自第一和第二测量电路306和316的第一谐振器304和第二谐振器314的测量谐振频率之间的差异来提供输出信号330。
[0088]
因此，示例性实施例通常包括用于每个灵敏度轴的单独的加速度计控制电路300。
[0089]
在示例性实施例中，每个谐振器质量块可由多个折叠弹簧型挠曲件支撑，所述多个折叠弹簧型挠曲件构造成允许每个质量块在x轴和y轴两个方向上移动。例如，在一个操作阶段，谐振器质量块101向上向右移动，谐振器质量块102向上向左移动，谐振器质量块103向下向左移动，谐振器质量块104向下向右移动(即，所有质量块在x轴和y轴方向上远离中心)，而在另一操作阶段，谐振器质量块101向下向左移动，谐振器质量块102向下向右移动，谐振器质量块103向上向右移动，谐振器质量块104向上向左移动(即所有质量块在x轴和y轴方向上向中心移动)。挠曲件可以被配置为使得谐振器质量块101和104在x轴方向上彼此同步移动，谐振器质量块102和103在x轴方向上彼此同步移动，谐振器质量块101和102在y轴方向上彼此同步移动，并且谐振器质量块103和104在y轴方向上彼此同步移动。
[0090]
在示例性实施例中，每个驱动/感测电极可以包括一组细长指状物，该指状物与从相应谐振器质量块延伸的对应指状物交错。这种交指型静电换能器在本领域中是公知的。
[0091]
具有强耦合的单端x/y轴感测
[0092]
采用强耦合的单端x/y轴感测
[0093]
图4是根据本发明的一个示例性实施例的用于使用谐振器质量块的强耦合的反相
驱动和单端x/y轴感测的x-y轴谐振加速度计的器件层结构的示意性顶视图。在该示例性操作模式中，谐振器质量块和电极基本上如图1所示配置，但是谐振器质量块具有强的机械耦合(例如，通过在每对相邻之间标记有“*”的一个或多个系绳谐振器质量块)，使得四个谐振器质量块有效地作为具有一个谐振频率的单个主体，例如单个x-轴谐振频率和单个y轴谐振频率。单端感测用于基于在存在外部加速度的情况下由频率拉动效应引起的谐振频率变化来产生用于每个灵敏度轴的加速度计输出，其中在出现这种情况时整个身体经历谐振频率的变化外部加速度。谐振频率的变化以及因此外部加速度的大小可以通过将身体的谐振频率与参考频率进行比较来确定。
[0094]
对于一个示例性实施例中的x轴运动，谐振器质量块101-104由驱动电极dx1/dx4和dx2/dx3交替地驱动以彼此同相地来回移动。在x-轴运动的一个阶段，谐振器质量块101-104向右(即在“x”方向)移动，并且在x-轴运动的反相期间，谐振器质量块101-104向左移动(即，在
“‑
x”方向)。
[0095]
对于一个示例性实施例中的y轴运动，谐振器质量块101-104由驱动电极dy1/dy2和dy3/dy4交替驱动以彼此同相地来回移动。在y轴运动的一个阶段，谐振器质量块101-104向上移动(即在“y”方向)，在y轴运动的反相阶段，谐振器质量块101-104向底部移动(即在
“‑
y”方向)。
[0096]
如上所述，谐振器质量块可以被配置为谐振，使得x-轴谐振频率和y-轴谐振频率实质上不同，例如以帮助缓解模式注入和锁定问题。
[0097]
一个特定方向上的加速度作用于所有四个谐振器质量块，并且有效地改变四个质量块和与该特定灵敏度轴相关联的驱动/感测电极之间的静电间隙，这又有效地改变谐振器质量块的静电弹簧刚度，这又有效地改变了谐振器质量块的谐振频率。为了方便，四个耦合的谐振器质量块在本文中可以被称为“谐振器”，使得加速度计可以被认为对于每个灵敏度轴具有一个谐振器。
[0098]
可以感测单个谐振器的谐振频率，并且可以基于感测的谐振频率与参考频率之间的差异来生成输出信号。一般来说，输入加速度与谐振频率变化之间的关系用hz/g表示(例如，一个特定的加速度计可能被设计成以比例因子例如50hz/g或100hz/g来操作)。因此，输入加速度(根据g力)可以根据比例系数由谐振频率(以hz为单位)的变化来确定。不同的灵敏度轴可能具有相同的比例因子或可能具有不同的比例因子。
[0099]
为了操作谐振加速度计，在该示例性实施方案中，谐振器质量块、驱动电极和感测电极必须置于不同的电位。例如，可以将谐振器质量块置于固定电位(在此称为vdc_体)，该电位可以是非零电压或接地。与特定灵敏度轴相关联的驱动电极可以用高dc偏压(在此对于x轴称为vdc_驱动x，对于y轴称为vdc_驱动y)加上小的ac电压(在此对于x轴称为vac_驱动x，对于y轴称为vac_驱动y)偏置，即用vdc_驱动x+vac_驱动x偏置驱动电极dx1、dx2、dx3和dx4以激励谐振器质量块101-104的x轴运动，并且驱动电极dy1、dy2、dy3和dy4被vdc_驱动y+vac_驱动y偏置来激发谐振器质量块101-104的y轴运动。与特定灵敏度轴相关联的感测电极可以用不同的dc偏压(在此对于x轴称为vdc_感测x，对于y轴称为vdc_感测y)加上对应于灵敏度轴的小的ac电压(在此对于x轴称为vac_感测x，对于y轴称为vac_感测y)，即用vdc_感测x+vac_感测x对感测电极sx1、sx2、sx3和sx4进行偏置，并且用vdc_感测y+vac_感测y对感测电极sy1、sy2、sy3和sy4进行偏置。重要的是，vdc_驱动x和vdc_感测x彼此不等，
也与vdc_体不等，而vdc_驱动y和vdc_感测y彼此不相等，也与vdc_体不等。在各种替代实施例中，vdc_驱动x可以等于或不等于vdc_驱动y，vdc_感测x可以等于或不等于vdc_感测y，并且vac_驱动x可以等于或不等于vac_驱动y。在该示例性实施方案中，vac_驱动x和vac_感测x彼此180度异相，并且vac_驱动y和vac_感测y彼此180度异相。为了简单起见，vac_驱动x和vac_感测x可以具有彼此相同的幅度，并且vac_驱动y和vac_感测y可以具有彼此相同的幅度，尽管在替代实施例中幅度可以不同。
[0100]
谐振器质量块101-104的x轴运动通过改变每个谐振器质量块101-104与其相应的测量电极sx1-sx4之间的电容来感测。变化的电容在感测电极上感应相应变化的电流。所感测的电流既可用作反馈信号(例如通过锁相环)用于驱动谐振器质量块的x轴运动并感测谐振体的谐振频率。
[0101]
类似地，谐振器质量块101-104的y轴运动通过改变每个谐振器质量块101-104与其相应的感测电极sy1-sy4之间的电容来感测。变化的电容在感测电极上感应相应变化的电流。感测电流既可用作反馈信号(例如通过锁相环)用于驱动谐振器质量块的y轴运动并感测谐振体的谐振频率。
[0102]
在相对于给定灵敏度轴的外部加速度下，所有四个谐振器质量块将相对于该灵敏度轴在相反的方向上移动。由于频率拉动效应，谐振体将经历谐振频率的变化。谐振体的谐振频率可以通过感测电极来感测，并且可以基于感测的谐振频率与参考频率之间的差来产生输出信号。
[0103]
因此，例如，在-x方向上的外部x轴加速度下，所有四个检测质量块都将静止地沿+x方向移动，同时仍然被驱动进入共振。检测质量块101与驱动电极dx1之间的间隙以及检测质量块104与驱动电极dx4之间的间隙将变小。在相同条件下，检测质量块102与驱动电极dx2之间的间隙以及检测质量块103与驱动电极dx3之间的间隙会变大。
[0104]
在+x方向的外部x轴加速度下出现相反的情况，即检测质量块101和驱动电极dx1之间的间隙以及检测质量块104和驱动电极dx4之间的间隙会变大，而检测质量块102与驱动电极dx2之间的间隙以及检测质量块103与驱动电极dx3之间的间隙将变小。
[0105]
同样，在-y方向的外部y轴加速度下，所有四个检测质量块都会静止地沿+y方向移动，同时仍然被驱动进入共振状态。检测质量块101与驱动电极dy1之间的间隙以及检测质量块102与驱动电极dy2之间的间隙将变小。在相同的条件下，检测质量块103与驱动电极dy3之间的间隙以及检测质量块104与驱动电极dy4之间的间隙会变大。
[0106]
在+y方向上的外部y轴加速度下出现相反的情况，即检测质量块101与驱动电极dy1之间的间隙以及检测质量块102与驱动电极dy2之间的间隙将变大，而检测质量块103和驱动电极dy3之间的间隙以及检测质量块104和驱动电极dy4之间的间隙将变小。
[0107]
结果，谐振体的谐振频率改变。
[0108]
图5是根据一个示例实施例表示对于单端感测而言谐振器质量块在+x方向上产生相应位移的-x方向上的加速度(即-ax)的频率牵引效果的示意图。在这个例子中，针对x轴的一半(即，对于相对于电极dx1、sx1、dx2和sx2的谐振器质量块101和102)解释了频率牵引效应，尽管相同的效果适用于x轴的另一半(即相对于电极dx3、sx3、dx4和sx4的谐振器质量块103和104)，并且类似的效果适用于y轴。由于谐振器质量块101-104在该示例性实施方案中具有强耦合，因此每个谐振器质量块将具有相同的谐振频率(在图5中表示为“fr”)。
[0109]
给定谐振器质量块和相应电极之间的初始电容可以表示为：
[0110][0111]
其中do是电极与相应谐振器质量块延伸的相应指状结构之间的标称间隙。
[0112]
当谐振器质量块移动x(例如纳米)距离时电容的变化率可表示为：
[0113]
由dc/dx引起的来自相应驱动电极的给定谐振器质量块上的力可表示为：
[0114]
fd＝(1/2)(dc/dx)(vdc_驱动
–
vdc_体)2[0115]
由于dc/dx，来自相应感测电极的给定谐振器质量块上的力可表示为：
[0116]
fs＝(1/2)(dc/dx)(vdc_感测
–
vdc_体)2[0117]
由dc/dx引起的静电刚度可表示为：
[0118][0119]
其中vr是放置在给定电极上的电压，v是置于谐振器质量块上的电势。
[0120]
谐振器质量块在x的间隙变化时的总刚度可以表示为(keq-ke)，其中keq是初始机械刚度。
[0121]
由刚度变化引起的频移可以表示为：
[0122][0123]
如图5所示，-x方向的加速度(即-ax)导致谐振器质量块在+x方向上的相应位移。与电极dx2和sx1相关联的间隙增加(即，达到do+x)并且因此与这些电极相关联的dc/dx减小，而与电极sx2和dx1相关联的间隙减小(即，达到do–
x)，因此dc/与这些电极相关的dx增加。因此，谐振器质量块101的x-轴谐振频率fr降低，谐振器质量块102的x-轴谐振频率fr也降低。
[0124]
相对于sx1和sx2电极的谐振频率fr可以表示为：
[0125][0126][0127]
其中，gee是输入加速度(单位为米/平方)，f0是谐振器质量块的标称谐振频率，vres是谐振器电压，vs是sx电压。
[0128]
相对于dx1和dx2电极的谐振频率fr可以表示为：
[0129]
[0130][0131]
其中，gee是输入加速度(单位为米/平方)，f0是谐振器质量块的标称谐振频率，vres是谐振器电压，vd是dx电压。
[0132]
关于sx4和dx4电极的谐振频率fr应与sx1和dx1电极相同或几乎相同。
[0133]
相对于sx3和dx3电极的谐振频率fr应与sx2和dx2电极的谐振频率相同或几乎相同。
[0134]
sx电极的频移贡献可以表示为：
[0135]
dfrsx(gee):＝(frsx1(0)
–
frsx1(gee))+(frsx2(0)
–
frsx2(gee))+(frsx3(0)
–
frsx3(gee))+(frsx4(0)
–
frsx4(gee))
[0136]
dx电极的频移贡献可以表示为：
[0137]
dfrdx(gee):＝(frdx1(0)
–
frdx1(gee))+(frdx2(0)
–
frdx2(gee))+(frdx3(0)
–
frdx3(gee))+(frdx4(0)
–
frdx4(gee))
[0138]
gee输入加速度下的x轴总频移可以用下式表示：
[0139]
dfrx(gee):＝dfrdx(gee)+dfrsx(gee)
[0140]
值得注意的是，dx电极和sx电极都对谐振频率变化有贡献，并且dx和sx电极之间的电压差越大，谐振频率变化就越大。
[0141]
图6是根据一个示例性实施例的用于单端感测的单轴的加速度计控制电路800的示意性框图。其中，加速度计控制电路800包括驱动电路802、测量电路806、激励反馈电路808、参考频率电路818和差频电路820。一般而言，驱动电路802驱动谐振器804的谐振器质量块。激励反馈电路808基于测量电路806经由感测电极感测到的信号向驱动电路802提供控制信号，以便维持谐振器质量块在期望的谐振频率处的谐振。测量电路806测量谐振器804的谐振频率f1，如上所述，谐振器804在外部加速度的存在下变化。差频电路820基于来自测量电路806的谐振器的测量的谐振频率与由参考频率电路818提供的参考频率(即，基于f
1-f2)之间的差来提供输出信号830。例如，输出信号330可以是谐振频率的差值(即f
1-f2)，或者可以是从不同的谐振频率和特定的灵敏度轴的比例因子计算的加速度(例如，如果特定陀螺仪的比例因子是100hz/g并且频率变化是50hz，那么输出信号330可能是0.5g)。
[0142]
示例性实施例通常包括用于每个灵敏度轴的单独的加速度计控制电路800。
[0143]
图7是根据本发明的一个示例性实施例的用于使用谐振器质量块的强耦合的同相驱动和单端x/y轴感测的x-y轴谐振加速度计的器件层结构的示意性俯视图。像上面参照图4-6所描述的示例性实施例一样，谐振器质量块具有强的机械耦合(例如，通过在每对相邻的谐振器质量块之间标记“*”的一个或多个系绳)，使得四个谐振器质量块有效地作为单体每个灵敏度轴的共振频率，例如单个x-轴谐振频率和单个y-轴谐振频率。单端感测用于基于在存在外部加速度的情况下由频率拉动效应引起的谐振频率变化来产生用于每个灵敏度轴的加速度计输出，其中在出现这种情况时整个身体经历谐振频率的变化外部加速度。谐振频率的变化以及因此外部加速度的大小可以通过将身体的谐振频率与参考频率进行比较来确定。
[0144]
对于一个示例性实施例中的x轴运动，谐振器质量块101-104由驱动电极dx1-dx4
驱动以彼此同相地来回移动。在这个例子中，谐振器质量块101-104的运动可以通过相互同相地驱动驱动电极dx1、dx2、dx3和dx4来实现，也就是说，相同的驱动信号应用于所有这些驱动电极。在x-轴运动的一个阶段，谐振器质量块101-104向右(即在“x”方向)移动，并且在x-轴运动的反相期间，谐振器质量块101-104向左移动(即，在
“‑
x”方向)。
[0145]
对于一个示例性实施例中的y轴运动，谐振器质量块101-104由驱动电极dy1-dy4驱动以彼此同相地来回移动。在这个例子中，谐振器质量块101-104的运动可以通过驱动驱动电极dy1、dy2，dy3和dy4同相驱动来完成，也就是说，相同的驱动信号应用于所有这些驱动电极。在y轴运动的一个阶段，谐振器质量块101-104向上移动(即在“y”方向)，在y轴运动的反相阶段，谐振器质量块101-104向底部移动(即在
“‑
y”方向)。
[0146]
如上所述，谐振器质量块可以被配置为谐振，使得x-轴谐振频率和y-轴谐振频率实质上不同，例如以帮助缓解模式注入和锁定问题。
[0147]
在相对于给定灵敏度轴的外部加速度下，所有四个谐振器质量块将相对于该灵敏度轴在相反的方向上移动。由于频率拉动效应，谐振体将经历谐振频率的变化。谐振体的谐振频率可以通过感测电极来感测，并且可以基于感测的谐振频率与参考频率之间的差来产生输出信号。
[0148]
因此，例如，在-x方向上的外部x-轴加速度下，所有四个检测质量块都将静止地沿+x方向移动，同时仍然被驱动进入共振。每个检测质量块与其对应的x-轴驱动电极之间的间隙会变小，而每个检测质量块与其对应的x-轴感测电极之间的间隙会变大。
[0149]
在+x方向的外部x-轴加速度下出现相反的情况，即每个检测质量块与其对应的x-轴驱动电极之间的间隙会变大，而每个检测质量块与其对应的x-轴感测电极之间的间隙会变小。
[0150]
同样，在-y方向的外部y-轴加速度下，所有四个检测质量块都会静止地沿+y方向移动，同时仍然被驱动进入共振状态。每个检测质量块与其对应的y-轴驱动电极之间的间隙会变小，而每个检测质量块与其对应的y-轴感测电极之间的间隙会变大。
[0151]
在+y方向的外部y-轴加速度下会出现相反的情况，即每个检测质量块与其对应的y-轴驱动电极之间的间隙会变大，而每个检测质量块与其对应的y-轴感测电极之间的间隙将变小。
[0152]
结果，谐振体的谐振频率改变。
[0153]
图8是根据图7的示例性实施例表示对于单端感测而言谐振器质量块在+x方向上产生相应位移的-x方向上的加速度(即，-ax)的频率牵引效果的示意图。在该示例中，针对x轴的一半(即，对于相对于电极dx1、sx1、dx2和sx2的谐振器质量块101和102)解释频率牵引效应，但是对于x轴的另一半(即相对于电极dx3、sx3、dx4和sx4的谐振器质量块103和104)也适用相同的效果，并且类似的效果适用于y轴。因为谐振器质量块101-104在该示例性实施方案中具有强耦合，所以每个谐振器质量块将具有相同的谐振频率(在图8中表示为“fr”)。
[0154]
如图8所示，-x方向的加速度(即-ax)导致谐振器质量块在+x方向上的相应位移。与电极sx1和sx2相关联的间隙增加(即，达到do+x)，并且因此与这些电极相关联的dc/dx减小，而与电极dx1和dx2相关联的间隙减小(即，达到do–
x)，并且因此与这些电极相关的dc/dx增加。因此，谐振器质量块101的x-轴谐振频率fr降低，谐振器质量块102的x-轴谐振频率
fr也降低。
[0155]
在这个使用同相驱动的例子中，所有驱动电极的dx1-dx4的谐振频率应该相同，并且所有的感测电极sx1-sx4的谐振频率应该相同。基本上如以上参照图4-6所讨论的，可以差分地确定谐振频率变化。
[0156]
z-轴感测
[0157]
在各种示例性实施例中，多轴共振加速度计也包括z-轴感测。对于z-轴感测，多轴共振加速度计包括至少一个z轴传感器元件,其中各z-轴传感器元件是独特的谐振器质量块的一部分，并且在x轴方向和y轴方向上与谐振器质量块的其余部分一起移动，而且还被配置成当由z-轴传感器元件下面和/或上面的一组驱动电极驱动时在z轴(即，平面外)方向上上下共振。使用z轴传感器元件下面和/或上面的一组感测电极来感测z轴传感器元件的平面外运动。来自z-轴感测电极的信号被组合以产生加速度计的z轴输出信号。与上面讨论的x轴和y轴传感器一样，z轴传感器可以使用差分传感或单端感测进行操作。
[0158]
在某些示例性实施例中，z-轴传感器元件是被配置为与“跷跷板”运动的“跷跷板”谐振的跷跷板元件，尽管备选实施例可以使用其他z-轴传感器元件配置，包括其中整个谐振器质量块在z轴方向谐振的配置。在某些示例性实施例中，跷跷板元件是大的并且构成用于x轴和y轴运动的谐振器质量块的大部分运动质量块。
[0159]
图9是根据一个示例性实施例的用于三轴谐振加速度计的器件层结构的示意性俯视图。在该示例性实施方案中，四个谐振器质量块501、502、503、504支撑在底层基板(为了方便而未示出)上方，并被驱动为相对于下面的基板在x轴，y轴和z轴方向上同时共振。
[0160]
用于x轴和y轴的该共振加速度计的操作基本上如上面参照图1-3所述，即，谐振器质量块被驱动为在x轴和y轴方向上相对于下面的基板通过一组面内驱动电极，驱动电极直接或间接地由下层基板固定支撑。谐振器质量块相对于下面基板的面内运动通过一组直接或间接由下面基板固定支撑的面内感测电极来感测。x轴和y轴传感器可以使用差分传感或单端感测进行操作。
[0161]
图10示出了根据图9的实施例的跷跷板元件的细节(这具体示出了图9所示的谐振器质量块502的跷跷板元件的细节，虽然其他跷跷板元件是相同的，但由于结构的对称性而定向于不同的方向)。具体而言，每个跷跷板元件包括由中心枢轴弯曲部606支撑的两个凸耳602和604，606通过围绕标记为“a”的轴线的“跷板”或“跷跷板”运动允许凸起602和604彼此反相地在z轴方向上移动(即，当波瓣604向下移动时，波瓣602向上移动，而当波瓣604向上移动时，波瓣602向下移动)。
[0162]
图11是示出根据一个示例性实施例的在跷跷板元件下面的驱动器“d”和感测“s”电极的相对位置的示意图。在这个例子中，每个跷板元件有一个z-轴驱动电极和一个z-轴感测电极。在这个例子中，谐振器质量块501和503的跷跷板元件被相互同相地驱动，而谐振器质量块502和504的跷跷板元件彼此同相驱动，并与谐振器质量块501和503的跷跷板元件反相，使得当谐振器质量块501和503的跷跷板元件的凸起覆盖驱动电极d1和d3时，向下移动到下面的基板，谐振器质量块502和504覆盖感测电极s2和s4上的跷跷板元件的叶片向上移离底层基板，当谐振器质量块501和503的跷跷板元件的凸起覆盖驱动电极d1和d3时，其从底部基板向上移动，谐振器质量块502和504覆盖感测电极s2和s4的跷跷板元件的叶片向下移动到下面的基板。在这个例子中，这是通过驱动驱动电极d1、d2、d3和d4彼此同相来完
成的。
[0163]
根据公式(1)，当谐振器质量块501和503的跷跷板元件的叶片覆盖在驱动电极d1和d3上时，其朝向下面的基板，k
静电
会增加，检测质量块501和503的谐振频率会降低。该谐振频率变化分别使用感测电极s1和s3来感测。同时，驱动电极d2和d4上的谐振器质量块502和504的跷跷板元件的叶片从底部基板向上移动，所以k
静电
将会下降，并且检测质量块502和504的谐振频率将会增加。该谐振频率变化分别使用感测电极s2和s4来感测。类似于x和y轴，可以基于谐振频率的变化产生z轴加速度计输出信号。
[0164]
在一个特定的示例性实施例中，图9所示类型的三轴谐振加速度计以39khz的x-轴谐振频率、42khz的y-轴谐振频率和43khz的z-轴谐振频率运行，尽管这些轴可以以不同的谐振频率运行，这些谐振频率可能彼此相同或不同。
[0165]
与x轴和y轴加速度相似，z轴加速度作用于所有四个跷跷板元件，并有效地改变了叶片和相应的z轴驱动/感测电极之间的间隙，这又有效地改变了支撑凸角的中心枢轴挠曲件606的弹簧常数。结果，一对瓣的谐振频率增加，而另一对瓣的谐振频率降低。使用z-轴感测电极可以差分检测谐振频率的这种相对变化。
[0166]
例如，在一个操作阶段，z轴加速度将向下拉动所有四个质量块将有效地降低向下移动的叶片的共振频率，同时有效地增加向上移动的共振频率。谐振频率的相对变化将表现为来自z-轴感测电极的组合差分输出的变化，其可被感测以便提供表示加速度的加速度计输出信号，同时也基于谐振频率的实质差异滤除与其他轴的任何交叉耦合。
[0167]
因为z-轴传感器元件通常不机械地互连以确保它们以相同的标称z-轴谐振频率谐振，某些实施例可以包括额外的电极和电路以调整一个或多个z-轴传感器元件的谐振频率，以便z-轴传感器元件彼此同步共振。
[0168]
应该注意的是，本文所述类型的加速度计的实施例可以是非常紧凑的，例如具有约1mm
×
1mm的传感器尺寸。由于紧凑的尺寸以及在使用差分感测的实施例中的差分感测，期望这种加速度计具有从封装应力的最小偏移位移。重要的是，这种加速度计可以在真空或非常低的压力(例如，加盖)下工作，因此可以与陀螺仪集成，例如，在一个盖下实现六个自由度的惯性传感器。
[0169]
在不脱离本发明的真实范围的情况下，本发明可以以其他具体形式实施，并且基于本文的教导，许多变化和修改对于本领域技术人员而言将是显而易见的。除非上下文另有要求，否则对“发明”的任何引用都旨在指代本发明的示例性实施例，并且不应被解释为指代本发明的所有实施例。所描述的实施例在所有方面仅被认为是说明性的而非限制性的。

技术特征：
1.一种多轴共振加速度计，包括：谐振器，包括布置在器件平面中的四个检测质量块，所述四个检测质量块中的每个检测质量块形成以下的一部分：x轴驱动电容器，被配置用于驱动所述器件平面中的检测质量块的x轴运动；y轴驱动电容器，被配置用于驱动所述器件平面中的检测质量块的y轴运动；x轴感测电极，被配置用于基于在x轴加速度存在的情况下的静电弹簧调谐来感测所述检测质量块的x轴谐振频率的变化；和y轴感测电极，被配置用于基于在y轴加速度存在的情况下的静电弹簧调谐来感测所述检测质量块的y轴谐振频率的变化。2.如权利要求1所述的多轴共振加速度计，其中所述x轴感测电容器的一部分由所述四个检测质量块中的第一检测质量块形成，所述x轴感测电容器的一部分由所述四个检测质量块中的第二检测质量块形成，所述第一检测质量块和所述第二检测质量块沿着x轴彼此相邻并且彼此偏移，所述第一检测质量块和所述第二检测质量块共同被配置为差分感测谐振频率变化。3.如权利要求1所述的多轴共振加速度计，其中所述x轴运动和所述y轴运动以相同的谐振频率驱动。4.如权利要求1所述的多轴共振加速度计，其中所述x轴运动和所述y轴运动以不同的谐振频率驱动。5.如权利要求1所述的多轴共振加速度计，还包括被配置为通过探测所述x轴驱动电容器和所述x轴感测电容器之间的电压来确定x轴谐振频率的变化的电路。6.如权利要求1所述的多轴共振加速度计，其中所述谐振器还包括z轴传感器元件，所述z轴传感器元件被配置为与所述器件平面的垂直的z轴运动共振，其中所述多轴共振加速度计还包括：z-轴驱动电极，被配置用于驱动z轴传感器元件的z轴运动；和z-轴感测电极，被配置用于基于在z轴加速度存在的情况下的静电弹簧调谐来感测z轴传感器元件的z轴谐振频率的变化。7.如权利要求6所述的多轴共振加速度计，其中z轴传感器元件包括跷跷板传感器元件。8.一种操作包括布置在器件平面中的四个检测质量快的多轴共振加速度计的方法，所述方法包括：驱动所述四个检测质量块中的每个检测质量块与所述器件平面中的x轴运动共振；驱动所述四个检测质量块中的每个检测质量块与所述器件平面中的y轴运动共振；基于在x轴加速度存在的情况下的静电弹簧调谐来感测所述四个检测质量块中的每个检测质量块的x轴谐振频率的变化；和基于在y轴加速度存在的情况下的静电弹簧调谐来感测所述四个检测质量块中的每个检测质量块的y轴谐振频率的变化。9.如权利要求8所述的方法，其中驱动所述四个检测质量块中的每个检测质量块与x轴运动共振包括以第一相位驱动所述四个检测质量块中的第一检测质量块以及以与第一相位相反的第二相位驱动所述四个检测质量块中的第二检测质量块。
10.如权利要求8所述的方法，其中驱动所述四个检测质量块中的每个检测质量块以在器件平面与x轴运动共振包括：驱动所述四个检测质量块中的第一检测质量块并且驱动所述四个检测质量块中的第二检测质量块，所述第一检测质量块和所述第二检测质量块沿着x轴彼此相邻并且彼此偏移，使得执行对谐振频率改变的差分感测。11.如权利要求8所述的方法，其中驱动所述四个检测质量块中的每个检测质量块以与x轴运动共振包括驱动所述四个检测质量块中的每个检测质量块以第一谐振频率与x轴运动谐振，并且其中驱动所述四个检测质量块中的每个检测质量块以与y轴运动共振包括驱动所述四个检测质量块中的每个检测质量块以第一谐振频率与y轴运动谐振。12.如权利要求8所述的方法，其中驱动所述四个检测质量块中的每个检测质量块以与x轴运动共振包括驱动所述四个检测质量块中的每个检测质量块以第一谐振频率与x轴运动谐振，并且其中驱动所述四个检测质量块中的每个检测质量块以与y轴运动共振包括驱动所述四个检测质量块中的每个检测质量块以不同于第一谐振频率的第二谐振频率与y轴运动谐振。13.如权利要求8所述的方法，其中包括基于x轴驱动电容器和x轴感测电容器之间的电压差来推断x轴谐振频率的变化。14.如权利要求8所述的方法，其中所述多轴谐振加速度计还包括z轴传感器元件，所述z轴传感器元件被配置为与所述器件平面的垂直的z轴运动共振，其中该方法还包括：驱动所述z轴传感器元件的z轴运动；和基于在z轴加速度存在的情况下的静电弹簧调谐来感测z轴传感器元件的z轴谐振频率的变化。15.一种多轴共振加速度计，包括：谐振器，包括布置在器件平面中的四个检测质量块，所述四个检测质量块中的每个检测质量块包括；用于驱动相应的检测质量块与所述器件平面中的x轴运动共振的构件；用于驱动相应的检测质量块与所述器件平面中的y轴运动共振的构件；用于基于在x轴加速度存在的情况下的静电弹簧调谐来感测相应检测质量块的x轴谐振频率的变化的构件；和用于基于在y轴加速度存在的情况下的静电弹簧调谐来感测相应检测质量块的y轴谐振频率的变化的构件。16.如权利要求15所述的多轴共振加速度计，其中所述x轴运动和所述y轴运动以相同的谐振频率驱动。17.如权利要求15所述的多轴共振加速度计，其中所述x轴运动和所述y轴运动以不同的谐振频率驱动。18.如权利要求15所述的多轴共振加速度计，还包括被配置为通过探测所述x轴驱动电容器和所述x轴感测电容器之间的电压来确定x轴谐振频率的变化的电路。19.如权利要求15所述的多轴共振加速度计，其中所述谐振器还包括z轴传感器元件，所述z轴传感器元件被配置为与所述器件平面的垂直的z轴运动共振，其中所述多轴共振加速度计还包括：
用于驱动所述z轴传感器元件的z轴运动的构件；和用于基于在z轴加速度存在的情况下的静电弹簧调谐来感测所述z轴传感器元件的z轴谐振频率的变化。20.如权利要求19所述的多轴共振加速度计，其中z轴传感器元件包括跷跷板传感器元件。

技术总结
本发明涉及多轴共振加速度计。多轴共振加速度计基于检测一个或多个静电驱动谐振器质量块在加速度下由于静电间隙变化而引起的共振频率变化。具体而言，一个或多个谐振器质量块被配置成在与不同灵敏度轴(例如，X、Y和/或Z轴)相关联的不同方向上同时共振。通过一个或多个静电耦合感测电极监测每个谐振器质量块的运动。沿着特定的灵敏度轴的加速度引起相应的谐振器质量块和与该灵敏度轴相关的感测电极之间的静电间隙的微小变化，并且这种静电间隙的变化表现为谐振器谐振频率的微小变化，从中可以产生加速度计输出信号。中可以产生加速度计输出信号。中可以产生加速度计输出信号。


技术研发人员：张欣 M
受保护的技术使用者：美国亚德诺半导体公司
技术研发日：2016.10.14
技术公布日：2022/1/28