高抗静摩擦现象的mems惯性传感器
技术领域
本公开涉及一种对静摩擦现象具有高弹性的MEMS(微电子机械系统)惯性传感器。
背景技术
众所周知，MEMS惯性传感器包括例如MEMS类型的加速度计，进而包括悬置的惯性质量块，位于主延伸平面中。通常，由于外部加速度的作用，惯性质量块被承载为沿着平行于主延伸平面的方向(感应轴)移动。
例如，图1A和图1B示出了两种不同操作条件下的已知的电容型的MEMS加速度计1。此外，图1A和图1B示出了笛卡尔参考系XYZ，其平面XY与上述主延伸平面重合。
MEMS加速度计1包括半导体材料(例如，硅)的惯性质量块3，惯性质量块3具有平面形状并且在图1A和图1B中未示出的基底上延伸。例如，惯性质量块3在顶视图中具有四边形(例如，矩形)框架的形状，并且具有贯通型开口9。换言之，惯性质量块3外部具有平行六面体的形状；此外，开口9也具有平行六面体的形状。
第一电极13和第二电极15，两者都是半导体材料(例如，硅)制成的，在开口9中延伸并且借助相应的锚定部分13A、15A锚定到底层基底。特别地，第一电极13和第二电极15在顶视图中具有伸长的四边形(例如，矩形)的形状，主要沿着轴X延伸。
特别地，惯性质量块3具有第一内表面和第二内表面3A、3B，其横向限定开口9并且分别面对第一电极13和第二电极15。第一内表面3A和第二内表面3B是平面并且在平行于平面XZ的方向上延伸。
MEMS加速度计1具有与轴Y平行的感应轴S。此外，惯性质量块3具有质心O，质心O在静止状态下设置在点d0处。
更详细地说，在MEMS加速度计1的静止状态下，第一内表面3A和第二内表面3B分别布置在距第一电极13和第二电极15的第一距离d1和第二距离d2处。在MEMS加速度计1的静止状态下，第一表面3A和第二表面3B以及第一电极13和第二电极15分别彼此电容耦合并形成具有电容C1、C2的对应的电容器的板。
惯性质量块3被多个孔17穿过其整个厚度(在平行于轴Z的方向上)，这些孔17使得在制造过程期间能够释放惯性质量块3。
惯性质量块3借助弹簧元件7耦合到约束元件5，约束元件5相对于基底固定，弹簧元件7被配置为响应于具有指向平行于轴Y的分量的外部加速度aext，使得惯性质量块3沿着感应轴S进行位移(特别是平移)。在所示的实施例的示例中，约束元件5被布置在惯性质量块3的外部，并且被耦合到惯性质量块3的上述框架形状的第一外壁3C。
MEMS加速度计1进一步包括止动元件19，止动元件19例如由从距惯性质量块3一定距离处的基底开始延伸的固定区域形成。特别地，在所示的实施例的示例中，止动元件19被布置在惯性质量块3的外部，并以一定距离面向惯性质量块3的第二外壁3D，第二外壁3D与第一外壁3C相对。在图1A中所示的MEMS加速度计1的静止状态下，止动元件19被布置在距惯性质量块3的第二外壁3D的止动距离ds处。
在使用中，惯性质量块3以及第一电极13和第二电极15被偏置到相应的偏置电压。例如，在惯性质量块3以及第一电极13和第二电极15中的每一个之间存在约1V的电压。
由于偏置，惯性质量块3受到总静电力Fel，总静电力Fel由第一静电力Fel1和第二静电力Fel2之和给出。特别地，第一静电力Fel1作用于第一电极13与第一内表面3A之间，第二静电力Fel2作用于第二电极15与第二内表面3B之间。
MEMS加速度计1被设计为使得在静止状态下，惯性质量块3与第一电极13和第二电极15之间的第一距离d1和第二距离d2彼此相同，第一电容C1和第二电容C2也相同。因此，第一静电力Fel1和第二静电力Fel2相同，并且总静电力Fel为零。因此，在静止状态下，弹簧元件7未变形。
在使用中，假设作用在MEMS加速度计1上的上述外部加速度aext沿着感应轴S定向(例如，在图纸平面中向下)，惯性质量块3在与外部加速度aext相反的方向上沿着感应轴S发生平移，如图1B中所示。因此，距离d1、d2(因此，电容C1、C2)发生变化。特别地，第一距离d1减小，而第二距离d2增大；此外，第一电容C1增大，而第二电容C2减小。电容的这些变化表示外部加速度aext的值，因此通过检测电容C1和C2的变化来测量外部加速度aext。例如，MEMS加速度计1可以耦合到ASIC(专用集成电路)，ASIC提供对应的读取接口，并且被配置为根据第一电容C1和第二电容C2的值，生成与外部加速度aext成比例的信号。
当惯性质量块3在经过等于止动距离ds的距离之后紧靠止动元件19时，惯性质量块3的平移被中断。在这种情况下，惯性质量块3的质心O处于平移位置dT，该位置相对于点d0在平行于感应轴S的方向上平移等于停止距离ds的量。因此，第一电极13与第一内表面3A之间的距离等于d1-ds，而第二电极15与第二内表面3B之间的距离等于d2+ds。
特别地，当惯性质量块3紧靠止动元件19时，它受到由公式(1)给出的总静电力Fel：
其中ε是介电常数，Ael是第一电极13和第二电极15的面积(因此也是惯性质量块3面对它们的表面3A、3B的部分的面积)，ΔV是电容器C1、C2的极板之间的电压。
此外，当惯性质量块3紧靠止动元件19时，静摩擦力(stiction force)Fa作用于其上，该静摩擦力Fa倾向于使其紧靠止动元件19。
一旦外部加速度aext终止(即，aext＝0)，弹簧元件7施加的弹性回复力Fm倾向于使惯性质量块3回到图1A中所示的静止位置，特别地，弹性回复力Fm在与惯性质量块3的位移方向相反的方向上沿着感应轴S作用。
弹性回复力Fm由公式(2)给出：
Fm＝-k·ds (2)
为了克服静摩擦力Fa并使惯性质量块3回到静止位置，使得能够检测进一步的加速度，弹簧元件7被设计为使得弹性回复力Fm能够补偿静摩擦力Fa和图1B中所示的步骤中设置的总静电力Fel。换言之，我们希望
Fm>α(Fel+Fa(t＝0)) (3)
其中Fa(t＝0)是固有静摩擦力(即，在首次使用MEMS加速度计1之前估计的静摩擦力)，α是安全系数。
然而，静摩擦力Fa的估计和补偿是复杂的。事实上，静摩擦力Fa取决于与几何形状、材料、制造工艺和操作条件关联的多个摩擦学的方面，而且在时间上是可变的。
此外，公式(3)中的安全系数α不能随意设置，而是要考虑到所需的性能与制造成本之间的权衡。事实上，它取决于MEMS加速度计1的结构和机电参数(诸如，弹簧元件7的常数k、惯性质量块3的第二外壁3D与止动元件19之间的止动距离ds以及电极13、15的面积Ael)。然而，当前的结构要求(诸如，带宽、封装、噪声和满量程的要求)不能自由选择上述结构参数，因此不可能总是使安全系数α最大化。特别地，止动距离ds受到约束，该约束源于具有MEMS加速度计1的线性响应的需要以及源于开口9以及第一电极13和第二电极15的形状和布置。
发明内容
在各种实施例中，本公开提供了一种MEMS惯性传感器，其将至少
部分克服现有技术的缺点。
根据本公开的一个或多个实施例，提供了一种MEMS惯性传感器，其包括支撑结构、包括至少一个第一惯性质量块的惯性结构、第一弹性结构以及第一止动器结构。第一弹性结构被机械地耦合到第一惯性质量块和支撑结构以使得：当支撑结构受到平行于所述第一方向的第一加速度时，第一惯性质量块能够相对于支撑结构在平行于第一方向的方向上运动。第一止动结构相对于支撑结构固定，并且包括至少一个第一主第一轴止动元件和第一次第一轴止动元件。第一主第一轴止动元件被配置为使得，如果第一加速度超过第一阈值，则第一惯性质量块紧靠第一主第一轴止动元件，并且随后围绕由第一主第一轴止动元件限定的第一旋转轴转动。第一次第一轴止动元件被配置为，如果第一加速度超过高于第一阈值的第二阈值，则当第一惯性质量块紧靠第一次第一轴止动元件时，第一惯性质量块的旋转终止。
在至少一个实施例中，提供了一种MEMS惯性传感器，该传感器包括支撑结构、包括至少一个第一惯性质量块的惯性结构、第一弹性结构、第二弹性结构以及第一止动器结构。第一弹性结构被机械地耦合到第一惯性质量块和支撑结构以使得：当支撑结构受到平行于所述第一方向的第一加速度时，第一惯性质量块能够相对于支撑结构在平行于第一方向的方向上运动。第二弹性结构被弹性地耦合到第二惯性质量块和支撑结构，并且被配置为使得当支撑结构受到平行于所述第二方向的第二加速度时，第二惯性质量块能够相对于支撑结构在平行于第二方向的方向上运动。主轴电极相对于支撑结构固定并且电容耦合到第一惯性质量块以形成对应的主轴电容器，主轴电容器的电容指示第一加速度。横轴电极相对于支撑结构固定并且电容耦合到第二惯性质量块以形成对应的横轴电容器，横轴电容器的电容指示第二加速度。第一止动结构相对于支撑结构固定，并且包括至少一个第一主第一轴止动元件和第一次第一轴止动元件。
在至少一个实施例中，提供了一种电子设备，该电子设备包括MEMS惯性传感器、耦合到MEMS惯性传感器的ASIC以及耦合到ASIC的处理单元。MEMS惯性传感器包括支撑结构、包括至少一个第一惯性质量块的惯性结构、第一弹性结构以及第一止动器结构。第一弹性结构被机械地耦合到第一惯性质量块和支撑结构以使得：当支撑结构受到平行于所述第一方向的第一加速度时，第一惯性质量块能够相对于支撑结构在平行于第一方向的方向上运动。第一止动结构相对于支撑结构固定，并且包括至少一个第一主第一轴止动元件和第一次第一轴止动元件。第一主第一轴止动元件被配置为使得，如果第一加速度超过第一阈值，则第一惯性质量块紧靠第一主第一轴止动元件，并且随后围绕由第一主第一轴止动元件限定的第一旋转轴转动。第一次第一轴止动元件被配置为，如果第一加速度超过比第一阈值高的第二阈值，则当第一惯性质量块紧靠第一次第一轴止动元件时，第一惯性质量块的旋转终止。
附图说明
为了更好地理解本公开，现在仅通过非限制性示例，参考附图来描述其实施例，其中：
图1A和图1B分别是处于静止位置和存在外部加速度时的已知类型的MEMS惯性传感器的顶视图示意图；
图2是该MEMS惯性传感器在静止状态下的顶视图示意图；
图3至图5是当MEMS惯性传感器受到外部加速度时，图2中所示的MEMS惯性传感器在连续时刻的顶视图示意图；
图6是该MEMS惯性传感器在静止状态下的另一实施例的顶视图示意图；
图7示出了图6的一部分的放大图；
图8和图9是图6至图7中所示的实施例在受到第一加速度时的顶视图示意图；
图10和11是图6至图7中所示的实施例在受到第二加速度时的顶视图示意图；以及
图12示出了包含MEMS惯性传感器的电子设备的框图。
具体实施方式
图2示出了MEMS惯性传感器，特别是电容型MEMS加速度计30，现在参考图1A和图1B中所示的MEMS加速度计1的区别进行描述。MEMS加速度计1中已经存在的元件将由相同的参考符号指定，除非另有规定。
代替止动元件19，MEMS加速度计30包括第一止动结构109，该第一止动结构109包括主止动元件110以及第一次(secondary)止动元件119A和第二次止动元件119B，所述第一次止动元件119A和第二次止动元件119B是半导体材料制成的，并且与底层基底(未示出)形成一个整体。
在顶视图中，第一近似情况下，主止动元件110是楔形的，其顶点朝向惯性质量块3的第二外壁3D。特别地，主止动元件110由顶点边缘110V限定，该顶点边缘110V平行于轴Z并且位于平行于包含感应轴S的平面ZY的平面中，在下文中称为对称平面SP。
在静止条件下，顶点边缘110V平行于惯性质量块3的第二外壁3D，其与惯性质量块3的第二外壁3D之间隔开的距离等于第一停止距离ds1，该距离小于上述第一距离d1和第二距离d2，在静止条件下，分别存在于惯性质量块3与第一电极13和第二电极15之间。
在不意味着任何一般性损失的情况下，第一次止动元件119A和第二次止动元件119B具有彼此相同的形状，并且相对于对称面SP对称。例如，第一次止动元件119A和第二次止动元件119B中的每个次止动元件在顶视图中是L形的，凹面朝向惯性质量块3的第二外壁3D。
更详细地说，第一次止动元件119A和第二次止动元件119B的每个L形包括具有平行六面体形状的相应部分，其在平行于惯性质量块3的第二外壁3D的方向上延伸并且由相应的侧壁(分别在第一次止动元件119A的情况下由PA指定，并且在第二次止动元件119B的情况下由PB指定)，其朝向惯性质量块3的第二外壁3D的对应的部分并且平行于平面ZX。在静止状态下，第一次止动元件119A和第二次止动元件119B的侧壁PA、PB通过大于第一止动距离ds1的第二止动距离ds2与惯性质量块3的第二外壁3D分离。
与已经提到的MEMS加速度计1类似，MEMS加速度计30也被设计为检测平行于感应轴S的外部加速度，因此平行于轴Y。
在使用中，假设发生与图1B所述相同的外部加速度aext，因此为了简单起见，假设外部加速度aext沿着X或沿着Z没有任何分量，则发生下文所述的情况。
惯性质量块3在与外部加速度aext相反的方向上平行于感应轴S平移，因此在第一止动结构109的方向上平移。当惯性质量块3紧靠(即撞击)主止动元件110的顶点边缘110V(如图3中所示的情况)时，即惯性质量块3经历了沿着感应轴S的位移等于第一止动距离ds1之后，该平移停止。在该时刻之前，MEMS加速度计30的操作类似于图1A和图1B中所示的MEMS加速度计1的操作。
当惯性质量块3撞击顶点边缘110V时，弹簧元件7受到第一变形。此外，惯性质量块3仍然远离第一次止动元件119A和第二次止动元件119B，因为如前所述，第二止动距离ds2大于第一止动距离ds1。在这些条件下，关于图1B的考虑也适用，除了参考第一止动距离ds1而不是止动距离ds。
在惯性质量块3撞击顶点边缘110V之后，假设外部加速度aext使得上述撞击不足以停止惯性质量块3的运动，则发生以下情况。
详细地说，如图4中所示，惯性质量块3开始围绕与顶点边缘110V重合的旋转轴旋转，该顶点边缘110V用作瞬时旋转中心。根据改变由弹簧元件7、惯性质量块3和顶点边缘110V形成的系统对称性的不可避免缺陷，旋转以顺时针或逆时针方向发生。备选地(未示出的情况)，弹簧元件7可以被配置为使得其不仅能够沿着惯性质量块3的感应轴S平移，而且同时在惯性质量块3上引起沿平行于轴Y的方向的同时平移，相对于沿感应轴S的平移量可以忽略不计，但足以施加惯性质量块3随后旋转的方向。此外，在外部加速度aext具有平行于轴X的非零分量的情况下，该分量在确定旋转方向时是也一致的。在任何情况下，惯性质量块3的旋转方向与MEMS加速度计30的操作目的无关。仅作为示例，在图4中假设旋转在顺时针方向上发生。
如果外部加速度aext足够高，惯性质量块3的旋转不会停止，直到惯性质量块3紧靠第二次止动元件119B的侧壁PB，如图5中所示。在这些条件下，弹簧元件7经受不同于前述第一变形的第二变形。如果以逆时针方向旋转，则相反，惯性质量块3将紧靠第一次止动元件119A的侧壁PA停止。
更详细地说，并且在不意味着任何一般性损失的情况下，在第二次止动元件119B的侧壁PB和外部质量块3的第二外壁3D的侧边EX(平行于轴Z)之间发生接触。此外，开口9以及第一电极13和第二电极15的形状和相互布置在平移和随后的旋转期间，使得惯性质量块3与第一电极13和第二电极15保持距离；即，惯性质量块3不会撞击第一电极13和第二电极15。
实际上，主止动元件110的布置，更准确地说，第一止动距离ds1，确定满刻度值；即，它确定可由MEMS加速度计30正确检测的平行于轴Y的外部加速度aext的分量的最大值。在这方面，如前所述，外部加速度aext的测量可以与参考图1A和图1B所述的相同的方式进行。
在平行于轴Y的外部加速度aext的分量的值超过满刻度值的情况下，上述惯性质量块3的旋转发生在顶点边缘110V附近。
第一次止动元件119A和第二次止动元件119B的布置，更准确地说，第二止动距离ds2，决定了弹簧元件7可能受到的最大变形，以及因此决定了在第一次止动元件119A和第二次止动元件119B提供的保护介入之前，平行于轴Y的外部加速度aext的分量能够假定的最大值。此外，给定相同的满刻度，上述变形使得在图5中所指的条件下，弹簧元件7存储的弹性势能大于其在不存在主止动元件110的情况下将存储的能量。在后一种情况下，惯性质量块3的运动将停止，惯性质量块3的第二外壁3D紧靠第一次止动元件119A和第二次止动元件119B的侧壁PA、PB。
因此，当外部加速度aext终止时，相对于在没有主止动元件110的情况下将发生的情况，弹性回复力Fm发生增加。因此，在惯性质量块3和第一止动结构109之间发生静摩擦现象的可能性降低，因此惯性质量块3无法返回到静止状态中占据的位置的可能性降低。
此外，参考极限值以指示平行于轴Y的外部加速度aext的分量的最小值，使得惯性质量块3紧靠第一次止动元件119A和第二次止动元件119B中的一个次止动元件，发生以下情况。如果平行于轴Y的外部加速度aext的分量的值高于满刻度值但低于极限值，则发生静摩擦的可能性降低，由于惯性质量块3和主止动元件110之间的接触表面被极大地减小(到第一近似值，仅由顶点边缘110V给出)，并且由于惯性质量块3发生旋转，这导致由弹簧元件7存储的弹性势能增加，因此弹性回复力增加。
图6示出了另一个实施例。特别是，图6示出了具有两个感应轴的MEMS加速度计100。
具体而言，MEMS加速度计100包括第一惯性质量块103和第二惯性质量块104，第一惯性质量块103和第二惯性质量块104具有平面结构，其主要尺寸平行于平面XY并且沿着轴Z的厚度可忽略不计。第一惯性质量块103和第二惯性质量块104在图6中不可见的基底上延伸。基底以及第一惯性质量块103和第二惯性质量块104是半导体材料(例如，硅)制成的。
第一惯性质量块103横向限定主开口139，第二惯性质量块104在主开口139内延伸，因此第二惯性质量块104横向被第一惯性质量块103包围。在不意味着任何一般性损失的情况下，在顶视图中，主开口139具有关于平行于平面XZ的第一对称平面SP1和关于平行于平面ZY的第二对称平面SP2的对称形状。
第二惯性质量块104占据主开口139的外部部分并横向限定第一次开口120和第二次开口121，它们是主开口139的部分并且在顶视图中具有与第二对称面SP2相同且对称的形状。
更具体地说，第二惯性质量块104包括相应的中央主体105，其横向限定第一次开口120和第二次开口121，以及第一垂直臂122和第二垂直臂124，所述臂具有平行六面体的形状，在平行于轴Y的方向上延长。此外，第一垂直臂122和第二垂直臂124彼此相同并且相对于第一对称面SP1对称，并且在中央主体105的相对侧上延伸，它们与中央主体105形成一个整体。特别地，第一垂直臂122和第二垂直臂124从中心主体105开始向第一惯性质量块103延伸。更具体地说，第一垂直臂122和第二垂直臂124中的每个垂直臂具有固定到中心主体105的近端和下文将提及的远端。
MEMS加速度计100还包括第一锚定区域125和第二锚定区域126，第一锚定区域125和第二锚定区域126分别在第一次开口120和第二次开口121中延伸，并固定到底层基底，它们与底层基底形成一个整体。因此，第一锚定区域125和第二锚定区域126由半导体材料形成，并且具有相同且相对于第二对称面SP2对称的形状(例如，在平行于轴X的方向上拉长的平行六面体)。此外，参考中心区域105*以指示中间主体105的部分插入在第一次开口120与第二次开口121之间，第一锚定区域125和第二锚定区域126中的每个锚定区域都具有朝向中心区域105*的第一端和朝向相反方向的第二端，如下文更详细地描述。第一垂直臂122和第二垂直臂124的近端被固定到中央主体105的中央区域105*。
MEMS加速度计100进一步包括第一水平臂132和第二水平臂134，第一水平臂132和第二水平臂134具有平行六面体的形状，在平行于轴X的方向上延长，以一定距离覆盖在基底上，并且彼此相同并且相对于第二对称面SP2对称。此外，第一水平臂132和第二水平臂134分别在第一次开口120和第二次开口121内延伸。
更具体地，第一水平臂132和第二水平臂134由半导体材料形成，并且分别与第一锚定区域125和第二锚定区域126形成整体。更具体地，第一水平臂132和第二水平臂134中的每一个具有相应的第一端和相应的第二端。第一水平臂132和第二水平臂134的第一端分别固定到第一锚定区域125的第二端和第二锚定区域126的第二端。
MEMS加速度计100进一步包括第一弹簧元件142和第二弹簧元件144，第一弹簧元件142和第二弹簧元件144为折叠型，在顶视图中为蛇形，并且在平行于轴X的方向上顺应(compliant)。此外，第一弹簧元件142和第二弹簧元件144在平行于轴Z的方向上具有可忽略的厚度。此外，第一弹簧元件142和第二弹簧元件144彼此相同并且相对于第二对称面SP2对称。
详细地说，第一弹簧元件142和第二弹簧元件144分别在第一次开口120和第二次开口121内延伸，使得第一水平臂132插在第一锚定区域125与第一弹簧元件142之间，而第二水平臂134插在第二固定区域126与第二弹簧元件144之间。
更详细地说，第一弹簧元件142具有第一端和第二端，第一端和第二端分别固定到第一水平臂132的第二端和第二惯性质量块104的第一点。第二弹簧元件144具有相应的第一端和相应的第二端，它们分别固定到第二水平臂134的第二端和第二惯性质量块104的第二点。第二惯性质量块104的第一点和第二点相对于第二对称面SP2对称。此外，第二惯性质量块104的第一点和第二点沿着第一水平臂132和第二水平臂134的延伸方向对准。
MEMS加速度计100进一步包括第三弹簧元件152和第四弹簧元件154，它们是折叠型的，在顶视图中具有蛇形形状，并且在平行于轴Y的方向上顺应。而且，第三弹簧元件152和第四弹簧元件154在平行于轴Z的方向上具有可忽略的厚度。此外，第三弹簧元件152和第四弹簧元件154彼此相同并且相对于第一对称面SP1对称。
详细地说，第三弹簧元件152和第四弹簧元件154布置在第一惯性质量块103和第二惯性质量块104之间的主开口139中。
更详细地说，第三弹簧元件152具有相应的第一端和相应的第二端，它们分别固定到第一垂直臂122的远端和第一惯性质量块103的第一点。第四弹簧元件154具有相应的第一端和相应的第二端，它们分别固定到第二垂直臂124的远端和第一惯性质量块103的第二点。第一惯性质量块103的第一点和第二点相对于第一对称面SP1对称；此外，第一惯性质量块103的第一点和第二点在第一和第二垂直臂122、124的伸长方向上对准。
更详细地说，第一惯性质量块103外部具有平行六面体的形状，除了存在第一中心凹槽RC1和第二中心凹槽RC2以及第一角凹槽RA1、第二角凹槽RA2、第三角凹槽RA3和第四角凹槽RA4之外。
第一中心凹槽RC1和第二中心凹槽RC2具有彼此相同且相对于第一对称平面SP1对称的平行六面体形状，并且还沿着第一垂直臂122和第二垂直臂124的延伸方向对准。另外，第一中心凹槽RC1和第二中心凹槽RC2分别由第一外侧壁P1和第二外侧壁P2横向限定，第一外侧壁P1和第二外侧壁P2在静止状态下平行于平面ZX。
第一角凹槽RA1、第二角凹槽RA2、第三角凹槽RA3和第四角凹槽RA4形成沿着第一惯性质量块103的侧边布置的相应的缩进。
特别地，第一角凹槽RA1、第二角凹槽RA2、第三角凹槽RA3和第四角凹槽RA4中的每个角凹槽由相应的一对壁限定，所述壁包括：对应的水平外围壁，其在静止状态下与平面XZ平行，并且由添加角分符号(prime symbol)的相同参考符号来指定；以及对应的垂直外围壁，在静止状态下与平面YZ平行，并且由添加第二角分符号的相同参考符号来指定。在第一角凹槽RA1、第二角凹槽RA2、第三角凹槽RA3和第四角凹槽RA4中的每个角凹槽中，对应的水平外围壁和对应的垂直外围壁以直角彼此连接。
MEMS加速度计100进一步包括第一外部主止动元件162和第二外部主止动元件164以及第一次止动元件170、第二次止动元件172、第三次止动元件174和第四次止动元件176，它们是半导体材料制成的，在第一惯性质量块103的外部延伸，并且固定到底层基底上，形成一个整体。
第一外部主止动元件162和第二外部主止动元件164以及第一次止动元件170、第二次止动元件172、第三次止动元件174和第四次止动元件176中的每个止动元件都具有相应的主体(由添加角分符号的对应的参考符号指定)，例如，它们具有平行六面体的形状，并且其底部固定到基底上。
第一外部主止动元件162和第二外部主止动元件164彼此相同并且相对于第一对称平面SP1对称。此外，第一外部主止动元件162和第二外部主止动元件164中的每一个外部主止动元件都包括相应的突出区域(由添加字母V的对应的参考符号指定)，该突出区域与对应的主体分隔，朝向第一惯性质量块103。
第一外部主止动元件162和第二外部主止动元件164的主体162’、164’分别至少部分地在第一中心凹槽RC1和第二中心凹槽RC2内延伸。第一外部主止动元件162和第二外部主止动元件164的突出区域162V、164V分别在第一中心凹槽RC1和第二中心凹槽RC2内延伸，使得第一外部主止动元件162的突出区域162V在对应的主体162’与第一惯性质量块103之间延伸，而第二外部主止动元件164的突出区域164V在对应的主体164’与第一惯性质量块103之间延伸。
更详细地说，第一外部主止动元件162的突出区域162V在底部固定到基底上，并且从主体162’开始以一定距离向其面对的第一中心凹槽RC1的第一外侧壁P1延伸。具体地，在静止状态下，第一外部主止动元件162的突出区域162V与第一外侧壁P1分离距离dY1。第二外部主止动元件164的突出区域164V在底部固定到基底，并且从主体164’开始以一定距离向其面对的第二中心凹槽RC2的第二外侧壁P2延伸。对于第一近似，在静止条件下，第二外部主止动元件164的突出区域164V与第二外侧壁P2分离上述距离dY1。
在不意味着任何一般性损失的情况下，第一外部主止动元件162和第二外部主止动元件164的突出区域162V、164V具有斜面形状，其大约类似于具有平行于Z轴的轴并且具有与对应的主体162’、164’接触的直径(顶视图中)的半圆柱体。
第一次止动元件170、第二次止动元件172、第三次止动元件174和第四次止动元件176主体170’、162’、174’、176分别至少部分地在第一角凹槽RA1、第二角凹槽RA2、第三角凹槽RA3和第四角凹槽RA4内延伸。此外，第一次止动元件170、第二次止动元件172、第三次止动元件174和第四次止动元件176中的每个次止动元件包括相应的第一突出区域(由添加字母V的对应的参考符号指定)和相应的第二突出区域(由添加字母H的对应的参考符号指定)。第一次止动元件170、第二次止动元件172、第三次止动元件174和第四次止动元件176的第一突出区域170V至176V和第二突出区域170H至176H分别在第一角凹槽RA1、第二角凹槽RA2、第三角凹槽RA3和第四角凹槽RA4内延伸。
在不意味着任何一般性损失的情况下，第一突出区域170V至176V和第二突出区域170H至176H都具有斜面形状，其近似于具有平行于Z轴的轴且直径(在顶视图中)与对应的主体170’至176’接触的半圆柱体。
更详细地说，第一突出区域170V、172V、174V、176V分别从第一次止动元件170、第二次止动元件172、第三次止动元件174和第四次止动元件176的主体170’、172’、174’、176开始，分别沿着第一角凹槽RA1、第二角凹槽RA2、第三角凹槽RA3和第四角凹槽RA4的水平外围壁RA’、RA2’、RA3’、RA4’的方向延伸，在静止状态下，它们分别分开相同的距离dY2，该距离大于距离dY1。
第二突出区域170H、172H、174H、176H分别从第一次止动元件170、第二次止动元件172、第三次止动元件174和第四次止动元件176的主体170’、172’、174’、176开始，分别沿着第一角凹槽RA1、第二角凹槽RA2、第三角凹槽RA3和第四角凹槽RA4的垂直外围壁RA”、RA2”、RA3”、RA4”的方向延伸，在静止状态下，它们分别分开相同的距离dX2。
在不意味着任何一般性损失的情况下，并且对于第一近似，第一次止动元件170和第二次止动元件172彼此相同并且相对于第一对称平面SP1对称，第三次止动元件174和第四次止动元件176也是如此。此外，第一止动元件170和第四次止动元件176彼此相同并且相对于第二对称面SP2对称，第二次止动元件172和第三次止动元件174也是如此。
如图7中更详细地示出的，MEMS加速度计100进一步包括由半导体材料形成的第一和第二内部主止动元件180、182。
详细地说，如前所述，第二惯性质量块104的中心区域105*在第一次开口120与第二次开口121之间延伸。此外，中心区域105*由第一壁PC1和第二壁PC2(在下文中称为第一内壁PC1和第二内壁PC2)横向限定。在静止状态下，第一内壁PC1和第二内壁PC2平行于平面YZ并且相对于第二对称平面SP2对称。
已经说过，第一内部主止动元件180和第二内部主止动元件182被固定到底层基底上。此外，第一内部主止动元件180从第一锚定区域125的第一端开始，沿着第一内壁PC1的方向横向延伸，在静止状态下，第一内部主止动元件180与第一内壁PC1分开距离dX1，该距离dX1小于距离dX2。第二内部主止动元件182从第二锚定区域126的第一端开始，沿着第二内壁PC2的方向横向延伸，在静止状态下，它与第二内壁PC2分开距离dX1。
在不意味着任何一般性损失的情况下，第一内部主止动元件180和第二内部主止动元件182彼此相同并且相对于第二对称面SP2对称。此外，第一内部主止动元件180和第二内部主止动元件182具有斜面形状，近似类似于具有平行于轴线Z的轴线，并且具有直径(在顶视图中)与对应的主体125、126接触的半圆柱体。
此外，在第二惯性质量块104内存在多个第一附加开口200，其具有彼此相同的形状并且穿过第二惯性质量块104的中心主体105以便朝向底层基底。仅作为示例，在图7所示的实施例中，存在八个第一附加开口200，分为两组，每组四个，并且具有，例如，(在静止状态下)在平行于轴Y的方向上拉长的平行六面体的形状。这两组具有相对于第二对称面SP2对称的布置；此外，在每组中，对应的四个第一附加开口200被布置成两对，每对包括两个在平行于轴X的方向上对齐的第一附加开口200，该组中的两对彼此相同并且相对于第一对称面SP1对称。
此外，在第一惯性质量块103内存在多个第二附加开口202，其具有彼此相同的形状并且穿过第一惯性质量块103以便面向底层基底。仅作为示例，在图7所示的实施例中，存在十二个第二附加开口202，分为两组，每组六个，并且具有，例如，(在静止状态下)在平行于轴X的方向上拉长的平行六面体的形状。这两组具有相对于第一对称面SP1对称的布置；此外，在每组中，对应的六个第二附加开口202三个一对地布置，其中每对都包括三个在平行于轴Y的方向上对齐的第二附加开口200，该组的两个三元组彼此相同，并且相对于第二对称面SP2对称。
在每个第一附加开口200和每个第二附加开口202中存在对应的第一电极(分别在第一附加开口200的情况下由213指定，并且在第二附加开口202的情况下由223指定)和对应的第二电极(分别在第一附加开口200的情况下由215指定，并且在第一附加开口202的情况下由225指定)，它们由半导体材料(例如，硅)形成并且锚定到底层基底。
此外，在每个第一附加开口200中，对应的第一电极213和对应的第二电极215以与参考图1A至图5中描述的方式类似的方式，分别形成具有第一附加开口200的第一内表面200A和第二内表面200B的第一可变电容器CX1和第二可变电容器CX2。在静止状态下，第一内表面200A和第二内表面200B平行于平面ZY。
同样地，在每个第二附加开口202中，对应的第一电极223和对应的第二电极225以与参考图1A至图5中描述的方式类似的方式，分别形成具有第二附加开口202的第一内表面202A和第二内表面202B的对应的第一可变电容器CY1和对应的第二可变电容器CY2。在静止条件下，第一内表面202A和第二内表面202B平行于平面ZX。
在使用中，假设基底受到的外部加速度aext平行于轴X，并且方向与图6所示的轴X方向相反，则会发生以下情况。
第二惯性质量块104与第一惯性质量块103一起向右平移(在图6的平面中)，因为第三弹簧元件152和第四弹簧元件154在平行于轴X的方向上是刚性的，因此第一弹簧元件142和第二弹簧元件144随之变形，第一弹簧元件142被伸长，第二弹簧元件144被压缩。
假设外部加速度aext的模量(modulus)足够高(即超过第一阈值)，则平移继续，直到第二惯性质量块104的第一内壁PC1紧靠第一内部主止动元件180，如图8中所示。
第一内部主止动元件180用作由第一惯性质量块103和第二惯性质量块103以及第三弹簧元件152和第四弹簧元件154形成的整体的旋转中心，它们以彼此固定的方式旋转。关于旋转方向，与图4相关的考虑适用；例如，在下面的内容中，假设旋转在顺时针方向上发生。此外，如果外部加速度aext的模量超过比第一阈值高的第二阈值，则如图9中所示，当第二惯性质量块104紧靠第一次止动元件170、第二次止动元件172、第三次止动元件174和第四次止动元件176中的至少一个次止动元件时，旋转终止。特别地，在图9中，假设MEMS加速度计100的尺寸使得垂直外围壁RA1”紧靠第二突出区域170H。第一惯性质量块103在任何情况下都与第一外部主止动元件162和第二外部主止动元件164保持距离。
如参考图4和图5所讨论的，上述旋转导致存储在第一弹簧元件142和第二弹簧元件144中的弹性势能增加，从而导致弹性回复力Fm增加，从而降低在第一惯性质量块103与第一次止动元件170之间发生静摩擦现象的可能性。
类似的考虑也适用于这样的情况(未示出)，即外部加速度aext除了与轴X平行外，方向与轴X一致。在这种情况下，如果外部加速度aext的模量超过对应的第一阈值，第一惯性质量块103和第二惯性质量块104以固定的方式围绕第二内部主止动元件182旋转。此外，在外部加速度aext的模量超过对应的第二阈值的情况下，并且假设例如在逆时针方向上发生旋转，则第一惯性质量块103紧靠第二突出区域176H。
相反，当外部加速度aext与轴Y平行且方向与图6所示的轴Y方向相反时，会出现以下情况。
第二惯性质量块104相对于基底保持静止，因为第一弹簧元件142和第二弹簧元件144在平行于轴Y的方向上是刚性的。相反，第一惯性质量块103向上平移(在图6的平面中)，因为第三弹簧元件152和第四弹簧元件154在平行于轴Y的方向上顺应。特别地，第一惯性质量块103的平移导致第三弹簧元件152的变形以及第四弹簧元件154的变形，第三弹簧元件152被伸长，第四弹簧元件154被压缩。
在外部加速度aext的模量足够高(即，超过对应的第一阈值)的假设下，继续平移，直到第一外侧壁P1紧靠第一外部主止动元件162的突出区域162V，突出区域162V用作第一惯性质量块103的旋转中心，如图10中所示。关于旋转方向，与图4相关的考虑适用。例如，在下面的内容中，假设旋转在逆时针方向上发生。此外，如果外部加速度aext的模量超过对应的第二阈值(高于对应的第一阈值)，则当第一惯性质量块103紧靠第一次止动元件170、第二次止动元件172、第三次止动元件174和第四次止动元件176中的至少一个次止动元件时，旋转终止。在这方面，在图11中，假设MEMS加速度计100的尺寸使得水平外围壁RA1’紧靠第一突出区域170V。
上述仅第一惯性质量块103的旋转导致存储在第三弹簧元件152和第四弹簧元件154中的弹性势能的增加，从而导致弹性回复力Fm增加，从而降低在第一惯性质量块103与第一、第二、第三和第四次止动元件170中的任何一个次止动元件之间发生静摩擦现象的可能性。
类似的考虑也适用于这样的情况(未示出)，即外部加速度aext除了与轴Y平行外，方向与轴Y一致。在这种情况下，如果外部加速度aext的模量超过对应的第一阈值，第一惯性质量块103围绕第二外部主止动元件162的突出区域164V发生旋转。此外，如果外部加速度aext的模量超过对应的第二阈值，并且假设例如在顺时针方向发生旋转，则当第一惯性质量块103紧靠第一突出区域172V时，旋转停止。
实际上，第一外部主止动元件162和第二外部主止动元件164以及第一次止动元件170、第二次止动元件172、第三次止动元件174和第四次止动元件176相对于轴Y形成第一止动结构。同样，第一内部主止动元件180和第二内部主止动元件182以及第一次止动元件170、第二次止动元件172、第三次止动元件174和第四次止动元件176相对于轴X形成第二止动器结构。此外，在本实施例中，第一止动器结构和第二止动器结构共享第一次止动元件170、第二次止动元件172、第三次止动元件174和第四次止动元件176。在这方面，通常，第一惯性质量块103紧靠与所描述的不同的第二止动元件停止的实施例是可能的。通常，第一惯性质量块103有效邻接的次止动元件不仅取决于加速度方向和随后旋转的方向，而且还取决于第一次止动元件170、第二次止动元件172、第三次止动元件174和第四次止动元件176的形状和布置，以及旋转轴的定位和第一惯性质量块103的形状，他们可以相对于所描述的而改变。
不考虑关于停止转动的实现细节，外部加速度aext的测量可以类似于参考图1A和1B所描述的方式进行，因此基于存在于第一附加开口200中的第一可变电容器CX和第二可变电容器CX2的值，其电容在沿着外部加速度aext的X的非零分量存在时变化；以及基于存在于第二附加开口202中的第一可变电容器CY1和第二可变电容器CY1、CY2，其电容在沿着外部加速度aext的Y的非零分量存在时变化。MEMS加速度计100的感应轴分别平行于轴X和轴Y，并且分别位于第一对称平面SP1和第二对称平面SP2中。
图12示出了包括MEMS加速度计100的电子设备340。
MEMS加速度计100连接到提供对应的读取接口的ASIC 343；ASIC 343可以在制造MEMS加速度计100的同一管芯中提供。在进一步的实施例(未示出)中，ASIC 343在单独的管芯中制造，并且安置在与MEMS加速度计100相同的封装中。
电子装置340例如是便携式移动通信设备，诸如移动电话、PDA(个人数字助理)、便携式计算机、具有语音记录能力的数字音频播放器、摄影摄像机或用于视频游戏的控制器；详细地说，电子装置340通常能够处理、存储和/或发送和接收信号和信息。
电子装置340进一步包括微处理器344，微处理器344根据由MEMS加速度计100以及连接到微处理器344的配备有键盘和屏幕的输入/输出接口345进行的检测，接收由ASIC343生成的加速度信号。此外，电子装置340包括用于在音频输出(未示出)上生成声音的扬声器347以及连接到微处理器344的内部存储器348。
本MEMS惯性传感器具有不同的优点。特别地，本公开的MEMS惯性传感器能够降低发生静摩擦现象的可能性，而不导致设备的总体尺寸的增加或减小设备的全量程。
最后，显而易见的是，可以对本文描述和说明的MEMS惯性传感器进行修改和变更，而不因此脱离本公开的范围。
例如，本MEMS惯性传感器可以用作陀螺仪、测斜仪或测振仪。
限定旋转轴的突出区域的形状可能与所描述的不同。更一般地说，如前所述，外部和内部主止动元件的形状和布置可能与所描述的不同；同样，次止动元件的形状和布置可能与所描述的不同。
可以组合上述各种实施例以提供进一步的实施例。根据上述详细描述，可以对实施例进行这些和其他变更。通常，在以下权利要求中，所使用的术语不应该被解释为将权利要求限制于说明书和权利要求中所公开的具体实施例，而应该被解释为包括所有可能的实施例以及这些权利要求有权获得的等同物的全部范围。因此，权利要求不受本公开的限制。
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