具有可变弹性常数的弹性组件的微机械设备

技术领域

本公开涉及具有可变弹性常数的弹性组件的微机械设备。

背景技术

众所周知，期望经由具有易于集成的小尺寸的传感器来有效地检测和测量加速度和冲击。常见的应用包括电子设备(诸如，移动电话和智能手表)中的冲击的监测，例如用于检测车祸或由于人感到不适或昏厥或由于疾病而倒在地上的的情况。

当前，市场上有适合检测低加速度(诸如，满量程范围为16g或32g)的低G传感器(诸如，加速度计和陀螺仪)和适合检测高加速度的高G传感器(例如，满量程范围为128g)。前者被用于检测配备有集成了传感器的电子设备的操作者的平常的运动(诸如，移动电话靠近操作者的耳朵或智能手表所连接到的腕部的运动)，而后者则可以进行高强度加速度(以及异常事件)的检测。

为了使电子设备能够检测低加速度和高加速度两者，已知的解决方案设想将两种类型的加速度计集成在电子设备中。然而，在同一的电子设备中同时存在两个不同的加速度计会带来一些缺点，诸如需要使用更多的焊盘以及控制电路装置(例如，专用ASIC、PCB或CPU等)的复杂性更高，以及更通常的更大的集成面积、电子设备的更低的便携性以及更高的制造成本。

考虑到这些缺点，专利文献US2006/107743A1公开了一种加速度计的结构，该加速度计能够在相应的和不同的操作模式中实现两种不同的灵敏度。特别地，在一个实施例中(在图1A中由附图标记1a表示)，上述加速度计包括固定到具有细长形状的第一弹簧元件3的第一端部3a上的振动质量2。此外，第一弹簧元件3被固定在其与第一端部3a相对的第二端部3b处的支撑件5。此外，具有细长形状并且具有彼此相对的第一端部4a和第二端部4b的第二弹簧元件4被固定到其第二端部4b处的支撑件5。第一弹簧元件3和第二弹簧元件4具有沿着与支撑件5的主延伸正交的第一方向的主延伸(例如，正交于支撑件5的表面)，因此，第一弹簧元件3和第二弹簧元件4被设置成关于第一方向彼此平行。另外，它们在垂直于与第一方向正交的第二方向的方向上彼此对准。在使用中，第一弹簧元件3通过在第二方向上作用的力F(例如，重力)在垂直于其主延伸的方向上偏转。当力F等于阈值力F

根据在同一专利文件US2006/107743A1中公开的加速度计的不同实施例(在图1B中由附图标记1b表示)，振动质量2经由第三弹簧元件7被连接到支撑件5，第三弹簧元件7具有从与支撑件5接触的端部到与振动质量2接触的端部逐渐减小的锥形。在使用中，第三弹簧元件7的形状使得可以获取弹性常数的非线性分布，并且因此获取根据施加的力F(特别是对数)变化的加速度计1b的刚度。

然而，加速度计1a表现出低的机械稳定性，因为在发生冲击期间或在任何明显的加速度的情况下，弹簧元件3、4可能会过应力并且由于相互接触而遭受损坏或故障。相反，在加速度计1b的情况下，由于其取决于多个结构因素、使用因素和过程因素，因此很难以精确的方式在理论上准确预测刚度的真实曲线。

发明内容

在各种实施例中，本公开提供了将克服现有技术的问题的微机械设备。

在本公开的一个或多个实施例中，提供了一种微机械设备，该微机械设备包括：半导体本体；具有第一质量的第一移动结构，被配置为在属于平面的方向上相对于半导体本体振荡；具有弹性常数的弹性组件，被机械地耦合到第一移动结构和半导体本体，并且被配置为在该方向上延伸和收缩；以及至少一个抵接元件。弹性组件被配置为根据在该方向上被施加到第一移动结构的力使能第一移动结构的振荡。第一移动结构、抵接元件和弹性组件以如下方式相对于彼此布置：当被施加到第一移动结构的力小于抵接力阈值时，则第一移动结构不与抵接元件接触，并且弹性组件以第一弹性常数操作；并且当被施加到第一移动结构的力大于抵接力阈值时，则第一移动结构与抵接元件接触，并且在施加的力的作用下，弹性组件的形变被生成，使得弹性组件以不同于第一弹性常数的第二弹性常数操作。

附图说明

为了更好地理解本公开，现在参照附图，仅通过非限制性示例的方式描述其优选的实施例，其中：

图1A和图1B是已知类型的相应的加速度计的剖视图；

图2是根据本公开的一个实施例的微机械设备的俯视图；

图2A和图2B示出了处于相应的操作模式的图2的微机械设备；

图3是根据本发明的微机械设备的进一步的实施例的俯视图；

图3A和图3B是处于相应的操作模式的图3的微机械设备的俯视图；

图3C是根据本公开的微机械设备的进一步的实施例的俯视图；

图4是根据本发明的微机械设备的进一步的实施例的俯视图；

图4A和图4B是处于相应的操作模式的图4的微机械设备的俯视图；

图5是根据本公开的微机械设备的进一步的实施例的俯视图；

图5A和图5B是处于相应的操作模式的图5的微机械设备的俯视图；

图6A是表示在使用微机械设备时，由图3的微机械设备在输出处生成的电信号随加速度变化的曲线图；并且

图6B是表示图4的微机械设备的刚度随属于该微机械设备相对于静止位置的感测质量的位移而变化的图的曲线图。

具体实施方式

具体地，参考由彼此正交的第一轴线X、第二轴线Y和第三轴线Z限定的三轴笛卡尔系统示出了附图。

在随后的描述中，不同实施例共有的元件由相同的附图标记表示。

此外，在随后的描述中，术语“基本上”被用于指代被认为是经过一阶验证的属性。例如，如果说相对于参考点移动的两个元件相对于彼此“基本上”固定，则意味着即使它们之间可能存在相对移动，但相对于参考点的移动相比，该相对移动还是可以忽略的(例如，相对移动小于每个元件相对于参考点移动的5％)。同样，如果说一个元件沿一个轴线呈现“基本上”零形变，则意味着与元件本身沿上述轴线的延伸相比，该元件的可能形变可以忽略不计(例如，形变小于元件沿所述轴线的延伸的5％)。

图2示出了根据一个实施例的被配置为检测加速度的微机械设备50(在下文中也称为传感器50)。图2是传感器50(即，在平面XY中)的俯视图。图2中示出的只是对理解本实施例有用的元件，并且没有示出尽管存在于完成的传感器中但对于本公开而言不重要的元件或部件。

传感器50包括半导体材料(诸如，硅(Si))的半导体主体51，其具有平行于由第一轴线X和第二轴线Y界定的第一平面XY延伸的表面51a(即第三轴线Z正交于表面51a)。传感器50还包括具有第一质量M

例如，第一振动质量53和第二振动质量55两者都是半导体材料(诸如，硅或多晶硅)，并且沿着轴线Z相对于表面51a的高度以不同的高度平行于半导体本体51的表面51a延伸。

第一振动质量53经由第一弹簧组件57(具体地，第一弹簧组件57的第一弹簧或第一弹性元件57a，以及第一弹簧组件57的第二弹簧或第二弹性元件57b)被物理地耦合到半导体本体51，而第二振动质量55经由第二弹簧组件59(具体地，第二弹簧组件59的第一弹簧或第一弹性元件59a，以及第二弹簧组件59的第二弹簧或第二弹性元件59b)被物理地耦合到半导体本体51。例如，第一弹性组件57和第二弹性组件59两者都由半导体材料(诸如，硅或多晶硅)制成，并且经历沿第一轴线X的形变(即，它们伸长/缩短)。换句话说，第一弹簧组件57和第二弹簧组件59都具有相应的轴线，沿着该轴线平行于第一轴线X发生形变。此外，第一弹簧组件57和第二弹簧组件59沿着形变60的相同方向发生形变。

在示例性描述的实施例中，弹性元件57、59的第一部分57a、59a和第二部分57b、59b都是蛇形弹簧(serpentine spring)。特别地，这种蛇形弹簧是平面型的，并且是通过MEMS技术(即，通过半导体的加工方法)获取的。更详细地，所述蛇形弹簧可以包括彼此平行并且平行于第二轴线Y延伸的第一部分，以及彼此平行且平行于第一轴线X延伸的第二部分。第一部分和第二部分被连接到彼此并且被相互布置以形成蛇形路径：每个第一部分在其沿着第二轴线Y彼此相对的端部处被连接到相应的第二部分；并且每个第二部分在其沿着第一轴线X彼此相对的端部处被连接到除了两个第二部分(每个第二部分被设置在沿着第一轴线X的所述路径的相应的端部处，并且仅连接到一个相应的第一部分)的相应的第一部分。

第一弹簧组件57的每个弹簧57a、57b具有相应的第一端部57a’、57b’和相应的第二端部57a”、57b”，它们沿第一轴线X彼此相对。第二弹簧组件59的每个弹簧59a、59b具有相应的端部59a’、59b’和相应的端部59a”、59b”，它们沿第一轴线X彼此相对。

特别地，沿着轴线X测量的第一弹簧组件57的第一弹簧57a的端部57a’与端部57a”之间的距离由附图标记L

第一弹簧组件57的弹簧57a、57b具有相应的第一弹性常数K

在图2的实施例中，存在两个弹簧57a、57b，从而第一弹簧组件57的等效弹性常数由2K

第一弹簧组件57的每个弹簧57a、57b经由相应的端部57a’、57b’而被耦合到相应的第一固定元件64’，第一固定元件64’被耦合到半导体本体51的表面51a(特别地，每个第一固定元件64相对于半导体本体51的表面被固定)。此外，第一弹簧组件57的每个弹簧57a、57b在相应的端部57a”、57b”被耦合到第一振动质量53。详细地，在以示例方式讨论的实施例中，第一振动质量53具有第一侧面53a和沿着第一轴线X彼此相对的第二侧面53b，并且每个端部57a”、57b”相对于第一侧面53a与第二侧面53b之间的相应的一个端部被固定。因此，第一振动质量53沿着第一轴线X被设置在第一弹簧部件57的第一弹簧57a与第二弹簧57b之间。

此外，在图2中，第二振动质量55具有腔62，该腔中装有第一振动质量53、第一弹簧组件57和第一固定元件64’。

第二弹簧组件59的每个弹簧59a、59b经由相应的端部59a’、59b’被耦合到相应的第二固定元件64”，第二固定元件64”又被耦合到半导体本体51(特别地，第二固定元件64”相对于半导体本体51的表面51a被固定)。此外，第二弹簧组件59的每个弹簧59a、59b在相应的端部59a”、59b”处被耦合到第二振动质量55。详细地，在所讨论的实施例中，第二振动质量55具有沿着第一轴线X彼此相对的第一侧面55a和第二侧面55b，并且每个端部59a”、59b”相对于第一侧面55a与第二侧面55b之间的相应的端部被固定。因此，第二振动质量55沿着第一轴线X被设置在第二弹簧组件59的第一弹簧59a与第二弹簧59b之间。

第一振动质量53还包括多个止动元件66a(例如，在图2中，四个止动元件66a)、并且第二振动质量55包括相应的多个壳体元件66b(例如，在图2中，四个壳体元件66b)。止动元件66a和壳体元件66b形成抵接组件66。

止动元件66a是第一振动质量53的突起，而壳体元件66b是第二振动质量55的相应的部分，其具有相应的腔和/或凹部。在图2中以示例的方式示出的实施例中，止动元件(突起)66a和壳体元件66b(腔)都具有基本矩形的形状，其主要平行于第二轴线Y延伸。特别地，第一振动质量53和第二振动质量55被布置成使得每个止动元件66a在每个相应的壳体元件66b的腔内延伸，或者换句话说，每个止动元件66a被相应的壳体元件66b部分地包围，以形成相应的抵接组件66。在没有沿轴线X作用的外力的情况下，每个止动元件66a不与相应的壳体元件66b接触。每个止动元件66a具有沿第一轴线X彼此相对的第一侧壁67a和第二侧壁67b，而每个壳体元件66b具有第一侧壁67c和第二侧壁67d，它们沿第一轴线X彼此相对并且分别地面对相应的止动元件66a的第一侧壁67a和第二侧壁67b。对于每个接触结构66，侧壁67a、67c彼此之间的距离等于第一长度L

此外，第一振动质量53包括一个或多个第一电极68a(移动电极)，诸如突起(例如，在平面XY中具有基本矩形的形状)，这些突起在使用中以相对于第一振动质量53固定的方式位移。一个或多个第二电极68b(固定电极)相对于半导体本体51(特别是表面51a)被固定。

第二电极中的每个第二电极还被划分为彼此分开的第一部分68b’和第二部分68b”。第一电极68a在第一部分68b’与第二部分68b”之间延伸。更详细地，第一电极68a中的每个第一电极68a面对并且被设置在相应的第二电极68b的第一部分68b’与所述相应的第二电极68b的第二部分68b”之间。

第一电极68a和第二电极68b形成传感器50的测量结构68，测量结构68在使用中适于以电容方式检测沿第一振动质量53和第二振动质量55的第一轴线X的位移；这些位移指示作用在传感器50上的外力(例如，加速度)。

特别地，第一电极68a和第二电极68b的第一部分68b’的、彼此直接地面对的表面形成第一电容器68’。同样地，第一电极68a和第二电极68b的第二部分68b”的、彼此直接地面对的表面形成第二电容器68”。第一电极68a与第一部分68b’之间(沿轴线X)的距离由参考d

此外，第一阻挡元件70’和第二阻挡元件70”相对于半导体本体51(特别是相对于半导体本体51的表面51a)被固定。图2以示例的方式示出了两个阻挡元件70’，两个阻挡元件70’沿第一轴线X与第二振动质量55的第一侧面55a的距离为L

详细地，为了防止第一电极68a与部分68b’、68b”之间的直接接触，距离d

在传感器50的使用期间，第一电极68a被偏置在第一电压V

由于在使用中，第一距离d

在静止条件下的传感器50，没有外力被施加到传感器50，因此第一振动质量53和第二振动质量55都处于静止位置。

第一振动质量53具有第一质心B

第一质心B

第一路径L

第一距离d

第一长度L

第一长度L

第一距离L

图2A示出了在第一操作条件下的传感器50，其中外力(具有低于阈值F

在平面XY中，第一质心B

第一长度L

第一距离d

第一长度L

第一长度L

第一距离L

因此，以示例方式考虑，N1＝1，N2＝1，在图2A的第一操作条件下，传感器50具有根据以下数学表达式的谐振脉动ω

图2B示出了在第二操作条件下的传感器50，其中施加到传感器50的外力具有大于或等于阈值F

第一长度L

第一距离d

第一长度L

第一长度L

第一距离L

因此，以示例方式考虑N1＝1、N2＝1，在图2B的第二操作条件下，根据以下数学表达式获取传感器50的谐振脉动ω

特别地，如果施加到传感器50的外力具有大于或等于最大力值F

图3示出了传感器的不同实施例(在此由附图标记150表示)。传感器150包括半导体本体51和具有自身质量M

振动质量153由(先前参考图2描述的)第一弹簧组件57支撑，第一弹簧组件57具有在平行于第一轴线X的第一形变方向160’上延伸的相应的形变轴线。特别地，形成弹簧组件57的弹簧的端部57a”、57b”分别与第一侧表面153a和第二侧表面153b接触并且相对于第一侧表面153a和第二侧表面153b固定。因此，振动质量153沿第一轴线X被设置在弹簧组件57的第一弹簧57a与第二弹簧57b之间。

另外，存在至少一个第二弹簧组件159。在传感器150在静止条件下，即当振动质量153未受到引起其位移的外力时，第二弹簧组件159在物理上与振动质量153分离；在传感器150的不同操作条件下，当外力作用在振动质量153上并且导致其在轴线X的方向上位移时，振动质量153抵靠第二弹簧组件159的抵接区域。

例如，第二弹簧组件159由半导体材料(诸如，硅或多晶硅)制成，并且其弹性常数K

在以示例方式描述的实施例中，第一弹性元件159a和第二弹性元件159b都是蛇形弹簧，即被布置成形成以蛇形方式延伸的相应的路径的条(如前所述)。每个弹性元件159a、159b具有耦合到半导体本体51的相应的端部159a’、159b’以及耦合到振动质量153的相应的端部159a”、159b”。特别地，第二弹簧组件159的每个弹性元件159a、159b经由相应的端部159a’、159b’被耦合到相应的固定元件164，固定元件164耦合到半导体本体51的表面51a(特别地，每个固定元件164相对于半导体本体51的表面被固定)。

在图3的实施例中，存在四个弹性元件159a、159b，使得第二弹簧组件159的等效弹性常数由4K

每个第一弹性元件159a具有在相应的端部159a’与159a”之间沿第一轴线X测量的延伸，等于第一长度L

第二弹簧组件159的每个弹性元件159a、159b在对应于相应的端部159a”、159b”的位置中包括相应的止动元件166a，该相应的止动元件166a通过具有平行于第二轴线Y的主延伸(即，垂直于振动质量153的振荡方向)的端子突起获取。

振动质量153具有凹口，止动元件166a在凹口内延伸。包括所述凹口的振动质量153的部分形成用于止动元件166a的相应的壳体元件166b。每个止动元件166a和相应的壳体元件166b形成相应的抵接组件166。

每个止动元件166a具有沿第一轴线X彼此相对的第一侧壁167a和第二侧壁167b，而每个壳体元件166b具有沿第一轴线X彼此相对的第一侧壁167c和第二侧壁167d，并且第一侧壁167c和第二侧壁167d分别面对相应的止动元件166a的第一侧壁167a和第二侧壁167b。对于每个抵接组件166，侧壁167a、167c彼此之间的距离等于第一长度L

每个止动元件166a以与图2的止动元件66a相似的方式操作，而壳体元件166b具有类似于参考图2的壳体元件66b已经描述的功能。

如在下文中更好地描述的，在操作条件下，振动质量153和每个弹性元件159a、159b经由每个止动元件166a和相应的壳体元件166b而彼此邻接。

此外，如已经参考图2描述的，第一振动质量153包括第一电极68a和第二电极68b，从而形成已经参考图2描述的测量结构68。

另外，存在阻挡元件70，在此面对振动质量153的第一侧面153a和第二侧面153b。特别地，至少一个(在图3中为两个)第一阻挡元件70’沿第一轴线X与第一侧表面153a相距距离L

在使用中，如先前所讨论的，传感器150被偏置以用于执行所施加的外力的测量。

如图3所示的在静止条件下的传感器150，没有外力被施加到传感器150，因此振动质量153处于静止位置。特别地，在平面XY中，振动质量153具有质心B(在静止条件下等于质心位置B

长度L

第一距离d

第一长度L

第一长度L

第一距离L

图3A示出了在第一操作条件下的传感器150，其中外力(具有小于阈值力值F

第一长度L

第一距离d

第一长度L

第一长度L3a和第二长度L3b彼此相同并且等于静止长度L

第一距离L

因此，以示例N1＝1、N3＝1的方式考虑，在图3A的第一操作条件下，根据以下数学表达式获取传感器150的谐振脉动ω

图3B示出了在第二操作条件下的传感器150，其中施加到传感器150的外力具有大于或等于阈值F

第一长度L

第一距离d

第一长度L

第一长度L

第一距离L

因此，以示例N1＝1、N3＝1的方式考虑，在图3B的第二操作条件下，根据以下数学表达式获取传感器150的谐振脉动ω

特别地，如果施加到传感器150的外力具有大于或等于最大力值F

此外，图3C示出了传感器150的进一步的实施例(在此由附图标记150’表示)，类似于图3中所示的一个实施例。

特别地，在图3C中，振动质量153围绕并界定至少一个通孔或腔180，第二组弹簧189在该通孔或腔180中延伸(代替图3的第二弹簧组件159)。特别地，振动质量153具有侧壁180a、180b，侧壁180a、180b沿第一轴线X彼此相对并且直接面对腔180。

第二组弹簧189包括第一弹簧(弹性元件)189a和第二弹簧(弹性元件)189b，每个弹簧具有其弹性常数K

每个弹簧189a、189b是通过MEMS技术获取的平面弹簧，特别是包括在平面XY中延伸并且具有平行于第二轴线Y的主延伸和沿第一轴线X测量的宽度W

对于在外力作用在振动质量153上导致其轴线X方向上的位移的操作条件下的传感器150’，侧壁180a、180b中的一个侧壁支撑在第二弹簧组件159的抵接区域186a上，导致相应的弹簧189a、189b沿第一轴线X偏转(形变)。沿轴线X测量的在抵接区域186a与侧壁180a、180b之间的长度在此由L

因此，每个抵接区域186a和振动质量153的面对抵接区域186a的侧壁180a、180b形成相应的抵接组件186，这使得能够改变传感器150’的弹性常数，如已经参考图3-3B所描述的。

此外，在图3C中示出的实施例中，抵接区域186a在平面XY中具有圆形(即，圆形轮廓)，以便更好地分布由于抵接区域186a与振动质量153的侧壁180a、180b之间的接触而引起的机械应力。

如在图3中，还存在阻挡元件70。阻挡元件70在腔180中延伸(参见图3C)。它们相对于半导体本体51的表面51a被固定(特别地，每个阻挡元件70相对于相应的固定元件184被固定)并且面对振动质量153的侧壁180a、180b中的一个侧壁，它们之间的距离为L

在图3C的实施例中，存在四个弹簧189a、189b，使得第二组弹簧189的等效弹性常数由4K

图4示出了传感器的不同实施例(在此由附图标记250表示)。传感器250包括半导体本体51和具有质量M

振动质量253经由在腔262中延伸的至少一个弹簧组件259被物理地耦合到半导体本体51。例如，弹簧组件259由半导体材料(诸如，硅或多晶硅)制成并且具有平行于第一轴线X的形变方向260上的相应的轴线形变。弹簧组件259包括第一弹簧(弹性元件)259a和第二弹簧(弹性元件)259b。在一个实施例(未示出)中，弹簧259a、259b是利用MEMS技术获取的平面弹簧，更具体地，弹簧包括限定蛇形路径的多个匝(如前所述；特别地，弹簧259a、259b包括与前面定义的弹簧类似的第一部分和第二部分)。以本身已知的方式，将每个匝定义为每个弹簧259a、259b的第一部分和第二部分的最小整体(具有沿第一轴线X测量的、未示出的匝长度)，当通过在形变方向260上平移匝长度而将其复制多次时，形成所述弹簧259a、259b。在图4的实施例中，弹簧259a、259b是利用MEMS技术获取的平面弹簧，更具体地，弹簧包括多个匝。每个匝在平面XY上延伸并且包括例如由半导体材料制成的被布置为形成多边形闭合路径(例如，矩形路径，包括平行于第一轴线X的短边和平行于第二轴线Y的长边)的带。

匝数等于总匝数n

弹簧组件259的第一弹簧259a和第二弹簧259b都具有沿第一轴线X彼此相对的相应的端部259a’和相应的端部259b”。每个弹簧259a、259b经由相应的端部259a’、259b’被耦合到相对于半导体本体51固定的相应的固定元件264(特别地，相对于半导体本体51的表面51a)。此外，第二弹簧组件59的每个弹簧259a、259b经由相应的端部259a”、259b”耦合到振动质量253。详细地，耦合到振动质量的端部259a”、259b”分别地与振动质量253的第三侧表面253c和第四侧表面253d接触。

第一弹簧259a具有延伸，该延伸在端部259a’与端部259a”之间沿第一轴线X被测量，等于第一长度L

每个止动元件266a具有沿第一轴线X彼此相对的第一侧壁267a和第二侧壁267b，而每个壳体元件266b具有第一侧壁267c和第二侧壁267d，第一侧壁267c和第二侧壁267d沿第一轴线X彼此相对并且分别面对相应的止动元件266a的第一侧壁267a和第二侧壁267b。对于每个抵接组件266，侧壁267a、267c彼此之间的距离等于第一长度L

对于弹簧组件259的弹簧259a，标识出第一区域261a’和第二区域261a”，第一区域261a’包括包含在端部259a”与止动元件266a之间的匝，第二区域261a”包括包含在端部259a’与止动元件266a之间的匝。对于弹簧组件259的弹簧259b，标识出第一区域261b’和第二区域261b”，第一区域261b’包括包含在端部259b”与止动元件266a之间的匝，第二区域261b”包括包含在端部259b’与止动元件266a之间的匝。

沿轴线X在端部259a”与止动元件266a之间测量的长度在此由L

因此，对于弹簧259a，长度L

此外，如参考图2已经描述的，振动质量253包括形成测量结构68的第一电极68a和第二电极68b。

此外，存在面对振动质量253的第一侧表面253a和第二侧表面253b的阻挡元件70。特别地，至少一个(在图4中，两个)第一阻挡元件70’在沿第一轴线X与振动质量253的第一侧表面253a相距L

在使用中，如先前所讨论的，传感器250被偏置以用于执行外部施加的力的测量。

如在图4中所示的在静止条件下的传感器250，没有外力被施加到传感器250，因此振动质量253处于静止位置。特别地，在平面XY中，振动质量253具有在静止条件下与位置B

第一长度L

第一距离d

第一长度L

第一距离L

图4A示出了在第一操作条件下的传感器250，其中外力(具有低于阈值力值F

第一长度L

第一距离d

第一长度L

第一距离L

详细地，由于止动元件266a尚未与相应的壳体元件266b直接物理接触(即，它们不抵靠)，所以应力被分布在整个弹簧组件259之上，并且所有匝都经历形变。在该操作条件下，对于每个部分259a、259b，经历形变的匝数等于n

众所周知，具有形变轴线的弹簧的弹性常数取决于弹簧的匝数和沿形变轴线测量的弹簧的长度(特别地，其与匝数和所述长度成反比)。因此，在第一操作条件下，弹簧组件259的每个弹簧259a、259b具有取决于有效地参与形变的匝数n

因此，以示例N4＝1的方式考虑，在图4A的第一操作条件下，通过应用以下数学表达式获取传感器250的谐振脉动ω

图4B示出了处于第二操作条件下的传感器250，其中施加到传感器250的外力具有大于或等于阈值力值F

第一长度L

第一长度L

第一距离L

详细地，由于止动元件266a与相应的壳体元件266b直接物理接触(即，抵靠)，因此进一步的应力(即，所施加的应力与使止动元件266a抵靠相应的壳体元件266b所需的最小应力之间的差)仅被分布在经历进一步的形变的弹簧259a和259b的第二区域261a”、261b”的匝之上：换句话说，这些匝包括在止动元件266a与端部259a’(分别地，259b’)之间。在下文中，由附图标记n

在以图4所示的示例的方式提供的实施例中，我们具有n

因此，以示例N4＝1的方式考虑，在图4B的第二操作条件下，根据以下数学表达式获取传感器250的谐振脉动ω

特别地，如果施加到传感器250的外力具有大于或等于最大力值F

图5示出了根据本公开的一个方面的微机械设备350(在下文中称为“传感器350”)的进一步的实施例。传感器350包括：半导体本体51、具有第一质量M

第一振动质量353被完全地包含在腔362内。第一振动质量353转而具有第二通孔或腔363。第一振动质量353包围并且界定腔363。此外，第一振动质量353包括：直接地面对腔363并且沿第一轴线X彼此相对的第一侧壁353a和第二侧壁353b；以及面对第一腔362并且沿第一轴线X彼此相对的第三侧壁353c和第四侧壁353d。第一振动质量353经由完全地包含在第二腔363中的第一组弹簧(类似于已经参照图2的第一弹簧组件57所描述的，因此在下文中称为第一弹簧组件57)而物理地耦合到半导体本体51。特别地，两个弹簧57a、57b的固定端57a’、57b’相对于相同的固定元件64被固定(固定元件64转而以相对于半导体本体51固定，特别是相对于半导体本体51的表面51a固定的方式在第二腔363中延伸)。相反，第一弹簧组件57的弹簧57a、57b的端部57a”、57b”分别地相对于第一振动质量353的第一侧壁353a和第二侧壁353b被固定。

第一振动质量353和第二振动质量355经由在第一腔362中延伸的第二弹簧组件359(例如，图2的弹簧组件59)彼此物理地耦合。特别地，第二弹簧组件359包括第一弹簧(弹性元件)359a和第二弹簧(弹性元件)359b。每个弹簧359a、359b是利用MEMS技术获取的平面弹簧，更具体地，具有多个限定蛇形路径的匝的弹簧。

第一弹簧359a在其端部359a’与其端部359a”之间展开，而第二弹簧359b在其端部359b’与其端部359b”之间展开。端部359a’、359b’分别地相对于第二振动质量355的第一侧壁355a和第二侧壁355b被固定。

弹簧359a具有沿轴线X测量的、在端部359a’与359a”之间的长度，由附图标记L

相反，端部359a”、359b”分别地相对于第一振动质量353的第三侧壁353c和第四侧壁353d被固定。

每个弹簧359a和359b具有高于每个部分57a、57b的弹性常数K

此外，第一振动质量353包括至少一个第三通孔或腔365。第一振动质量353围绕并界定腔365。测量结构在腔365中延伸。所述测量结构类似于参考图2描述的测量结构68，因此在下文中由相同的附图标记表示。特别地，第一振动质量353包括至少一个第一电极68a，至少一个第一电极68a在第三腔365中延伸并且面对第三腔365，并且被设置(沿第一轴线X)在测量结构68的第一部分68b’与第二部分68b”之间。

此外，至少一个第一接触元件380a和至少一个第二接触元件380b相对于半导体本体51的表面51a被固定并且分别地面对第二振动质量355的第三侧壁355c和第四侧壁355d。第一接触元件380a与第二振动质量355的第三侧壁355c相距的距离等于第一接触长度L

而且，存在阻挡元件70，在此面对第一振动质量353的第三侧壁353c和第四侧壁353d。特别地，至少一个(在图5中，两个)第一阻挡元件70’与第一振动质量353的第三侧壁353c沿第一轴线X相距第一距离L

在使用中，如先前所讨论的，传感器350被偏置以用于执行所施加的外力的测量。

如在图5中所示的静止条件下的传感器350，没有外力被施加到传感器350，因此第一振动质量353、第二振动质量355都静止并且处于静止位置。特别地，第一振动质量353具有第一质心B

第一接触长度L

第一距离d

第一长度L

第一长度L

第一距离L

图5A示出了在第一操作条件下的传感器350，其中外力(具有低于阈值力值F

第一接触长度L

第一距离d

第一长度L

长度L

第一距离L

因此，以示例N1＝1和N5＝1的方式考虑，在图5A的第一操作条件下，传感器350具有根据以下数学表达式的谐振脉动ω

图5B示出了在第二操作条件下的传感器350，其中施加到传感器350的外力具有大于或等于阈值力值F

第一接触长度L

第一距离d

第一长度L

第二弹簧组件359的第一长度L

第一距离L

因此，以示例N1＝1和N5＝1的方式考虑，在图5B的第二操作条件下，根据以下数学表达式获取传感器350的谐振脉动ω

因此，接触元件380使得能够限制第二振动质量355的任何可能的振荡，并且由于第一振动质量353的惯性而导致第二弹簧组件359的形变(在第二操作模式下，第一振动质量353不再相对于第二振动质量355固定)，因此提供了用于修改传感器350的弹性响应的阈值机制。

此外，如果施加到传感器350的外力具有大于或等于最大力值F

通过对根据本公开提供的公开的特征的研究，其提供的优点是显而易见的。

特别地，本公开使得可以提供加速度传感器，其呈现出对加速度/减速度的可变和/或非线性响应。这样一来，一个传感器就可以测量不同范围的加速度/减速度，并且因此可以检测和区分彼此非常不同的事件。详细地，具有测量低值(例如，等于16g或32g)的加速度和高值(例如，等于128g)的加速度两者的相同传感器可以确保节省其操作所消耗的功率、专用于此的集成区域以及容纳传感器的设备的整体成本。

更详细地，传感器50具有两个振动质量53、55和两个弹簧组件57、59。可以经由使第一弹簧组件57形变的第一振动质量53来测量低加速度(而第二振动质量55相对于半导体本体51被固定，并且第二弹簧组件59基本上不经历形变)。然后，当振动质量53、55彼此抵靠并且相对固定时，可以测量高加速度，并且有助于导致第一弹簧组件57和第二弹簧组件59的形变。此外，弹簧组件57、59彼此不直接物理接触，并且这通过减小在冲击情况下弹簧组件57、59所承受的应力来提高传感器50的机械稳定性。在传感器50中，使能传感器50的弹性响应的修改的阈值机制由元件66a和66b给出。在使用中，在元件66a和66b之间可能发生的物理接触涉及能够承受高应力的直插式元件。因此，没有达到临界应力，从而保证了传感器50的更好的机械稳定性。

相反，传感器150具有一个振动质量153和两组弹簧57、159。可以经由振动质量153引起的第一弹簧组件57的形变来测量低加速度(而第二弹簧组件159没有受到应力)，并且可以经由两组弹簧57、159的振动质量153引起的形变来测量高加速度。此外，传感器150的弹性响应可以以本身已知的方式经由FEM(有限元建模)仿真容易地计算。特别地，如图6A所示，当加速度增加(正值)时，由传感器150产生的信号呈现出具有第一斜率的第一直线拉伸，接着是具有第二斜率的第二直线拉伸，第二斜率小于第一斜率。第一拉伸和第二拉伸以连续的方式连接在一起(即，不存在零度不连续性，而仅存在第一度不连续性)。由传感器150在负加速度(即，减速度)处产生的信号的曲线对于正加速度的曲线为镜面反射(具体地，相对于原点对称)。

传感器250具有振动质量253和弹簧组件259。传感器250的非线性弹性响应通过止动元件266a和壳体元件266b的所述操作获取，它们在使用中会改变弹簧组件259的特性：通过减少可承受由于施加的外力引起的应力的弹簧组件259的匝数(即，通过减少有效匝数)，弹簧组件259的弹性改变，因此传感器250的响应改变。在这种情况下，如图6B所示，随着振动质量253的位移增加，弹簧组件259的刚度(因此，传感器250的整体刚度)呈现出第一直线拉伸(指示第一刚度)，接着是第二直线拉伸(指示第二刚度)。这两个拉伸通过刚度的零度不连续性而彼此分开，刚度的零度不连续性对应于止动元件266a与壳体元件266之间发生物理接触的瞬间。

传感器350具有两个振动质量353、355和两组弹簧57、359。通过第二振动质量355与相对于半导体本体51固定的接触元件380的物理接触，给出了使得能够测量加速度的不同范围的阈值机制，这使振动质量353、355解耦并且引起第二弹簧组件359的激活。来自传感器350的输出处的根据加速度的响应类似于参考图6A针对传感器150描述的响应。

此外，先前讨论的传感器的弹性元件具有平行于半导体本体51的表面51a的主要延伸和形变方向。特别地，外力在弹性元件的形变方向上起作用。这使得能够以有效的方式将应力分布在弹性元件上，从而减小了其损坏或故障的可能性。

最后，很明显，在不脱离如所附权利要求限定的本公开的范围的情况下，可以对本文的公开描述和说明进行修改和变化。

特别地，测量结构68可以是交叉指型的(即，它可以包括彼此面对以形成阵列的多个第一电极68a和第二电极68b)，以提高测量灵敏度。此外，测量结构68可以基于与先前讨论的电容性效应不同的效应。例如，测量结构68可以是本身已知的类型的结构，其实现电阻类型、压电类型或光学类型的检测。

另外，每个止动元件66a(等效地，166a和266a，以及每个接触元件380a、380b)可以包括加冠部分，在相互接触期间，加冠部分适于改善与相应的壳体元件66b(相应地，166b和266b，以及第二质量355)的接触并且降低其粘附到相应的壳体元件66b的风险。特别地，每个止动元件的侧壁可以具有凸形。

抵接组件66、166、266可以是多个，并且其位置与本文所述的位置不同，阻挡元件70也同样。

可以将上述各种实施例组合以提供进一步的实施例。可以根据以上详细描述对实施例进行这些和其它改变。通常，在以下权利要求中，所使用的术语不应被解释为将权利要求限制为说明书和权利要求中公开的特定实施例，而应被解释为包括所有可能的实施例以及这些权利要求所享有的等同物的全部范围。因此，权利要求不受公开内容的限制。