CN104105945B - 微电子机械系统(mems)多轴加速计电极结构 - Google Patents

微电子机械系统(mems)多轴加速计电极结构 Download PDF

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Abstract

除其他情况之外，本文档讨论了惯性传感器，其包括在器件层的x‑y平面中形成的单个质量块，所述单个质量块包括单个中心锚，所述单个中心锚被配置为使所述单个质量块悬吊在通孔晶片上方。所述惯性传感器还包括在所述惯性传感器相应的第一侧和第二侧上的所述器件层的所述x‑y平面中形成的第一电极定子框架和第二电极定子框架，所述第一电极定子框架和所述第二电极定子框架关于所述单个中心锚对称，并且每个电极定子框架独立地包括中心平台和被配置为将所述中心平台固定到所述通孔晶片上的锚，其中所述第一电极定子框架和所述第二电极定子框架的所述锚沿着所述中心平台相对于所述单个中心锚不对称。

Description

微电子机械系统(MEMS)多轴加速计电极结构
相关申请的交叉引用
本申请要求2012年1月31日提交的美国专利申请序列号13/362,955的优先权的权益，该申请全文以引用方式并入本文。
本申请与2011年9月18日提交的授予Acar的名称为“MICROMACHINEDMONOLITHIC3-AXIS GYROSCOPE WITH SINGLE DRIVE”(具有单驱动的微机械单片式三轴陀螺仪)的国际申请No.PCT/US2011/052065相关，该国际申请要求2010年9月18日提交的授予Acar的名称为“MICROMACHINED MONOLITHIC3-AXIS GYROSCOPE WITH SINGLE DRIVE”(具有单驱动的微机械单片式三轴陀螺仪)的美国临时专利申请序列号61/384,245的优先权的权益，并且本申请与2011年9月18日提交的授予Acar的名称为“MICROMACHINED3-AXISACCELEROMETER WITH A SINGLE PROOF-MASS”(具有单质量块的微机械三轴加速计)的国际申请No.PCT/US2011/052064相关，该国际申请要求2010年9月18日提交的授予Acar的名称为“MICROMACHINED3-AXIS ACCELEROMETER WITH A SINGLE PROOF-MASS”(具有单质量块的微机械三轴加速计)的美国临时专利申请序列号61/384,246的优先权的权益，据此所述专利申请各自全文以引用方式并入本文。
此外，本申请还与2010年8月3日提交的授予Acar等人的名称为“MICROMACHINEDINERTIAL SENSOR DEVICES”(微机械惯性传感器器件)的美国专利申请序列号12/849,742相关，并与2010年8月3日提交的授予Marx等人的名称为“MICROMACHINED DEVICES ANDFABRICATING THE SAME”(微机械设备及其制造方法)的美国专利申请序列号12/849,787相关，据此所述专利申请各自全文以引用方式并入本文。
背景技术
若干单轴或多轴微机械陀螺仪结构已经集成到系统中，以形成三轴陀螺仪组。然而，由单独的传感器组成的此类组的尺寸和成本对于某些应用过大。尽管可以将单轴或多轴陀螺仪制造在单个MEMS芯片上，但每个传感器需要单独的驱动和传感电子器件。此外，消费品/移动设备、汽车和航天/国防应用中对于三轴加速度检测的需求正在不断增加。很多单轴或多轴微机械加速计结构对于每个加速度轴都使用单独的质量块。
发明内容
除其他情况之外，本文档讨论了惯性传感器，其包括在器件层的x-y平面中形成的单个质量块，所述单个质量块包括单个中心锚，所述单个中心锚被配置为使单个质量块悬吊在通孔晶片上方。惯性传感器还包括在惯性传感器相应的第一侧和第二侧上的器件层的x-y平面中形成的第一和第二电极定子框架，所述第一和第二电极定子框架关于单个中心锚对称，并且每个电极定子框架独立地包括中心平台和被配置为将中心平台固定到通孔晶片上的锚，其中所述第一和第二电极定子框架的锚沿着中心平台相对于单个中心锚不对称。
本发明内容旨在提供对本专利申请主题的概述。并非要提供本发明的排他或穷举性说明。包括详细描述以提供关于本专利申请的更多信息。
附图说明
在附图中(这些附图不一定是按照比例绘制的)，相同的数字能够描述不同视图中的类似部件。具有不同字母后缀的相同数字能够表示类似部件的不同实例。附图通过实例而非限制的方式概括地示例了本申请中讨论的各个实施例。
图1概括地示出了三自由度(3-DOF)惯性测量单元(IMU)的示意性剖视图。
图2概括地示出了三轴陀螺仪的例子。
图3概括地示出了驱动运动中的三轴陀螺仪的例子。
图4概括地示出了在响应于围绕x轴的旋转而感应运动的过程中的三轴陀螺仪的例子，所述三轴陀螺仪包括单个质量块。
图5概括地示出了在响应于围绕z轴的旋转而感应运动的过程中的三轴陀螺仪的例子，所述三轴陀螺仪包括单个质量块。
图6概括地示出了在响应于围绕z轴的旋转而感应运动的过程中的三轴陀螺仪的例子，所述三轴陀螺仪包括单个质量块的三轴陀螺仪的例子。
图7和8概括地示出了分别在反相运动和同相运动期间的三轴陀螺仪的例子，所述三轴陀螺仪包括z轴陀螺仪耦合挠曲支承部。
图9概括地示出了三轴加速计的例子。
图10概括地示出了响应于x轴加速度而处于感应运动中的三轴加速计的例子。
图11概括地示出了响应于y轴加速度而处于感应运动中的三轴加速计的例子。
图12概括地示出了响应于z轴加速度而处于感应运动中的三轴加速计的例子。
图13概括地示出了包括通孔晶片电极布置的系统的例子。
图14概括地示出了包括单个质量块的三轴加速计的示例性侧视图。
图15概括地示出了3+3自由度(3+3DOF)惯性测量单元(IMU)的例子。
图16概括地示出了锚附近的处于静止状态的中心悬吊件的例子。
图17概括地示出了驱动运动中的中心悬吊件的一部分的例子。
图18-22概括地示出了加速计电极结构的例子。
图23和24概括地示出了电极定子框架的最低面外共振模式的例子。
具体实施方式
除其他情况之外，本发明人已认识到一种微机械单片式三轴陀螺仪，其被配置为采用单个中心锚定质量块来检测围绕所有三个轴的角速率，同时对每个轴的响应模式进行有效地解耦，从而使轴间灵敏度最小化。
在一个例子中，本文所公开的独特的质量块分区和挠曲结构可允许采用单驱动模式振荡进行三轴角速率检测，这对于所有轴可以只需要一个驱动控制回路。因此，与使用三个单独的驱动回路的现有多轴陀螺仪相比，本文所公开的三轴陀螺仪的控制电子器件的复杂性和成本可以显著降低。
此外，除其他情况之外，本发明人已认识到一种微机械三轴陀螺仪，其被配置为采用单个中心锚定质量块来检测围绕所有三个轴的加速度，同时对每个轴的响应模式进行有效地解耦，从而使轴间灵敏度最小化。
在一个例子中，本文所公开的唯一质量块和挠曲结构可允许使用单个中心锚定质量块进行三轴加速度检测。因此，与针对每个加速轴采用单独的质量块的现有多轴加速计相比，本文所公开的三轴加速计的微电子机械系统(MEMS)传感元件的总体管芯尺寸和总成本可以显著降低。
此外，由于管芯变形和封装应力会影响MEMS传感器的温度系数，并且还由于本文所公开的传感器中的一者或多者可能不以管芯为中心，除其他情况之外，本发明人已经认识到，将质量从电极定子框架转移到质量块框架可以正面影响性能(例如更加稳固、改善的耐冲击和耐振性等)。此外，加宽电极定子框架锚平台可允许电极定子框架锚的独立或不对称布置，除其他情况之外，这可以提高惯性传感器的温度性能。
器件结构
图1概括地示出了形成于芯片级封装中的三自由度(3-DOF)惯性测量单元(IMU)100(例如3-DOF陀螺仪或3-DOF微机械加速计)的示意性剖视图，其中芯片级封装包括帽晶片101、含微机械结构(如，微机械3-DOF IMU)的器件层105和通孔晶片103。在一个例子中，器件层105可被夹在帽晶片101与通孔晶片103之间，并且器件层105与帽晶片101之间的腔体可在真空下以晶片级密封。
在一个例子中，帽晶片101可例如使用金属粘合102粘合到器件层105。金属粘合102可包括熔融粘合(例如非高温熔融粘合)以使得吸气剂能够维持长期真空，且使得抗静摩擦涂层的涂覆能够防止可能在低重力加速度传感器中发生的静摩擦。在一个例子中，在器件层105操作期间，金属粘合102可在帽晶片101与器件层105之间产生热应力。在某些例子中，能够为器件层105增加一个或多个特征，以使器件层105中的微机械结构与热应力隔离，例如形成于微机械结构的周长周围的一个或多个减小应力的沟槽。在一个例子中，可将通孔晶片103粘合到器件层105，例如熔融粘合(如，硅-硅熔融粘合等)，以避免在通孔晶片103与器件层105之间的热应力。
在一个例子中，通孔晶片103可包括一个或多个隔离区域，例如第一隔离区域107，该第一隔离区域107例如使用一个或多个穿硅通路(TSV)(例如第一TSV108，其使用介电材料109与通孔晶片103绝缘)与通孔晶片103的一个或多个其他区域隔离开。在某些例子中，所述一个或多个隔离区域可用作电极，以感测或启动六轴惯性传感器的面外操作模式，并且所述一个或多个TSV可被配置为提供从器件层105到系统100外部的电连接。此外，通孔晶片103可包括例如第一触点110的一个或多个触点，所述一个或多个触点使用介电层104与通孔晶片103的一个或多个部分选择性地隔离开，并且所述一个或多个触点被配置为使用突起部(bump)、丝焊或一个或多个其他电连接来提供通孔晶片103的隔离区域或TSV中的一个或多个到一个或多个外部组件(例如，ASIC晶片)之间的电连接。
在某些例子中，器件层105中的所述三自由度(3-DOF)陀螺仪或微机械加速计可通过将器件层105粘合到通孔晶片103的突起部分(例如锚106)来得到支撑或锚定于通孔晶片103。在一个例子中，锚106可大体上定位于通孔晶片103的中心处，并且器件层105可熔融粘合到锚106，例如以消除与金属疲劳相关的问题。
陀螺仪器件结构
图2概括地示出了三轴陀螺仪200的例子，其例如形成在3-DOF IMU100的器件层105的单一平面中。在一个例子中，三轴陀螺仪200的结构可以关于图2中示出的x轴和y轴对称，其中z轴概念性地自图朝外。图2中参考了三轴陀螺仪200的一个部分中的结构和功能。然而，在某些例子中，此类参考和描述可适用于三轴陀螺仪200的未标记的类似部分。
在一个例子中，三轴陀螺仪200可包括单个质量块设计，其提供图案化为3-DOFIMU100的器件层105的三轴陀螺仪操作模式，例如图1的例子所示。
在一个例子中，可使用单个中心锚(如，锚106)和包括对称中心挠曲支承部(“挠曲部”)的中心悬吊件111将单个质量块悬吊在其中心，例如在提交于2011年9月16日的名称为“FLEXURE BEARING TO REDUCE QUADRATURE FOR RESONATING MICROMACHINED DEVICES”(用于减轻共振微机械器件的正交的挠曲支承部)的授予Acar等人的共同待审的PCT专利申请序列号US2011052006中有所公开，该专利申请据此全文以引用方式并入。中心悬吊件111可使得单个质量块能够围绕x、y和z轴进行扭转振荡，从而提供三种陀螺仪操作模式，包括：
(1)围绕z轴面内扭转的驱动运动(例如图3中所示)；
(2)围绕x轴面外扭转的y轴陀螺仪感应运动(例如图4中所示)；和
(3)围绕y轴面外扭转的x轴陀螺仪感应运动(例如图5中所示)；
另外，单个质量块设计可由多个部分组成，例如包括主质量块部分115和关于y轴对称的x轴质量块部分116。在一个例子中，驱动电极123可沿主质量块部分115的y轴设置。与中心悬吊件111结合，驱动电极123可被配置为提供围绕z轴面内扭转的驱动运动，从而允许检测围绕x和y轴的角运动。
在一个例子中，x轴质量块部分116可利用z轴陀螺仪挠曲支承部120耦合到主质量块部分115。在一个例子中，z轴陀螺仪挠曲支承部120可允许x轴质量块部分116在x方向上进行反相线性振荡，以使z轴陀螺仪感应运动。
另外，三轴惯性传感器200可包括z轴陀螺仪感应电极127，其被配置为检测x轴质量块部分116沿x轴的反相面内运动。
在一个例子中，每个驱动电极123和z轴陀螺仪感应电极127可包括耦合到一个或多个质量块部分的运动指状物，所述运动指状物与一组静止指状物相互交叉，所述一组静止指状物使用相应的锚(例如锚124,128)固定在适当位置(如，固定到通孔晶片103)。
陀螺仪操作模式
图3概括地示出了驱动运动中的三轴陀螺仪300的例子。在一个例子中，驱动电极123可包括耦合到主质量块部分115的一组运动指状物，所述一组运动指状物与一组静止指状物相互交叉，所述一组静止指状物使用第一驱动锚124(如，通孔晶片103的凸起和电隔离部分)固定在适当位置。在一个例子中，静止指状物可被配置为通过第一驱动锚124接收能量，并且驱动电极123的相互交叉的运动指状物和静止指状物之间的相互作用可被配置为向围绕z轴的单个质量块提供角向力。
在图3的一个例子中，驱动电极123被驱动以使单个质量块围绕z轴旋转，同时中心悬吊件111提供相对于固定锚106的回复转矩，导致单个质量块以取决于施加到驱动电极123的能量的驱动频率围绕z轴在面内进行扭转振荡。在某些例子中，可使用驱动电极123来检测单个质量块的驱动运动。
X轴速率响应
图4概括地示出了在响应于围绕x轴的旋转而感应运动的过程中的三轴陀螺仪400的例子，所述三轴陀螺仪包括单个质量块，该单个质量块包括主质量块部分115、x轴质量块部分116和中心悬吊件111。
在存在围绕x轴的角速率的情况下，并结合图3例子中所述的三轴陀螺仪400的驱动运动，可在x轴质量块部分116上引发在沿z轴的相反方向上的科里奥利力(Coriolisforce)，因为速度向量在沿y轴的相反方向上。这样，通过挠曲中心悬吊件111，可使单个质量块围绕y轴扭转激发。所述感应响应可使用面外x轴陀螺仪感应电极(如，在通孔晶片103中并使用x轴质量块部分116与通孔晶片103的电容耦合而形成)进行检测。
Y轴速率响应
图5概括地示出了在响应于围绕y轴的旋转而感应运动的过程中的三轴陀螺仪500的例子，所述三轴陀螺仪包括单个质量块，该单个质量块包括主质量块部分115、x轴质量块部分116和中心悬吊件111。
在存在围绕y轴的角速率的情况下，并结合图3例子中所述的三轴陀螺仪400的驱动运动，可在主质量块部分115上引发在沿z轴的相反方向上的科里奥利力，因为速度向量在沿x轴的相反方向上。这样，通过挠曲中心悬吊件111，可使单个质量块围绕x轴扭转激发。所述感应响应可使用面外y轴陀螺仪感应电极(如，在通孔晶片103中并使用主质量块部分115与通孔晶片103的电容耦合而形成)进行检测。
Z轴速率响应
图6概括地示出了在响应于围绕z轴的旋转而感应运动的过程中的三轴陀螺仪600的例子，所述三轴陀螺仪包括单个质量块，该单个质量块包括主质量块部分115、x轴质量块部分116、中心悬吊件、z轴挠曲支承部120以及z轴陀螺仪耦合挠曲支承部121。
在存在围绕z轴的角速率的情况下，并结合图3例子中所述的六轴惯性传感器400的驱动运动，可在x轴质量块部分116上引发在沿x轴的相反方向上的科里奥利力，因为速度向量在沿y轴的相反方向上。这样，通过在x方向上挠曲z轴挠曲支承部120，可使x轴质量块部分116在沿x轴的相反方向上线性地激发。另外，可使用z轴陀螺仪耦合挠曲支承部121提供x轴质量块部分116的线性反相共振模式，该线性反相共振模式直接由反相科里奥利力驱动。所述感应响应可使用面内平行板感应电极(例如形成于器件层105中的z轴陀螺仪感应电极127)进行检测。
图7和8概括地示出了分别在反相运动和同相运动期间的三轴陀螺仪700的例子，所述三轴陀螺仪包括z轴陀螺仪耦合挠曲支承部121。为改善因x轴加速度而带来的三轴陀螺仪700的抑振效果，z轴陀螺仪耦合挠曲支承部121被配置为抑制x轴质量块部分116的同相运动。
在反相运动期间，将两个x轴质量块部分116连接到z轴陀螺仪耦合挠曲支承部121的连接横梁在相同方向上施加力，并且耦合横梁以低刚度自然弯曲。
相比之下，在同相运动期间，z轴陀螺仪耦合挠曲支承部121的耦合横梁在耦合横梁上沿相反方向施加力，迫使所述耦合横梁进行较高刚度的扭转运动。因此，提高了同相运动刚度和共振频率，从而提供了更好的抑振效果。
加速计器件结构
图9概括地示出了三轴加速计900的例子，其例如形成在3-DOF IMU100的器件层105的单一平面中。在一个例子中，三轴加速计900可包括单个质量块设计，如果三轴加速计操作模式被(光刻)图案化到3-DOF IMU100的器件层105中，例如图1的例子所示。
在一个例子中，可以使用旨在对响应模式进行解耦并减少轴间感度的一系列挠曲支承部和框架将单个质量块悬吊在单个中心锚(例如锚106)的中心。在一个例子中，三轴加速计900可包括x轴挠曲支承部133，其被配置为将锚106耦合到x轴框架135，并允许x轴框架135响应于沿x轴的加速度而偏转。此外，器件可包括y轴挠曲支承部134和z轴挠曲支承部137，所述y轴挠曲支承部134被配置为将x轴框架135耦合到y轴框架136，并允许y轴框架136响应于沿y轴的加速度而相对于x轴框架135偏转，所述z轴挠曲支承部137被配置为将y轴框架136耦合到质量块138的其余部分。z轴挠曲支承部137充当扭转铰链，允许质量块围绕穿过横梁中心的轴在面外扭转地偏转。
此外，三轴加速计900可包括x轴加速计感应电极125或y轴加速计感应电极131，所述x轴加速计感应电极125被配置为检测x轴框架135的同相面内x轴运动，所述y轴加速计感应电极131被配置为检测y轴框架136的同相面内y轴运动。在一个例子中，每个x轴加速计感应电极125和y轴加速计感应电极131可包括耦合到一个或多个框架部分的运动指状物，所述运动指状物与一组静止指状物相互交叉，所述一组静止指状物使用相应的锚(例如锚126,132)固定在适当位置(如，固定到通孔晶片103)。
X轴加速计响应
图10概括地示出了响应于x轴加速度而处于感应运动中的三轴加速计1000的例子，所述三轴加速计包括单个质量块、锚106、x轴挠曲支承部133和x轴框架135。
在存在沿x轴的加速度的情况下，质量块、y轴框架136和x轴框架135可相对于锚106一致地移动。所产生的运动可使用位于质量块相对侧上的x轴加速计感应电极125检测，从而允许对偏转的差分测量。在各种例子中，可使用多种检测方法，例如电容式(变间距式电容器或变面积式电容器)检测方法、压电式检测方法、压阻式检测方法、磁性检测方法或热检测方法。
Y轴加速计响应
图11概括地示出了响应于y轴加速度而处于感应运动中的三轴加速计1100的例子，所述三轴加速计包括单个质量块、锚106、y轴挠曲支承部134和y轴框架136。
在存在沿y轴的加速度的情况下，将y轴框架136连接到x轴框架135的y轴挠曲支承部134偏转且允许y轴框架136沿y轴与质量块一致地移动，同时x轴框架保持静止。所产生的运动可使用位于质量块相对侧上的y轴加速计感应电极131检测，从而允许对偏转的差分测量。在各种例子中，可使用多种检测方法，例如电容式(变间距式电容器或变面积式电容器)检测方法、压电式检测方法、压阻式检测方法、磁性检测方法或热检测方法。
Z轴加速计响应
图12概括地示出了响应于z轴加速度而处于感应运动中的三轴加速计1200的例子，所述三轴加速计包括单个质量块138、锚和z轴挠曲支承部137。
在图12的例子中，x轴挠曲支承部137被定位成使得穿过横梁中心的轴与质量块138的中心错开。这样会造成质量失衡，使得距离枢轴线较远的质量部分比距离较近的部分产生更大的惯性力矩，使质量块138对z轴加速度敏感，从而围绕枢轴线在面外扭转地偏转。x轴挠曲支承部133和y轴挠曲支承部134被设计为具有较高的面外刚度。相应地，它们在z轴加速期间保持静止。
图13概括地示出了包括通孔晶片电极布置的系统1300的例子。在一个例子中，z轴加速计电极140可设置在器件层105下面的通孔晶片103上。扭转响应允许仅用面外电极层中的一个来对偏转进行差分测量。在一个例子中，可采用多种检测方法，例如电容式(变间距式电容器或变面积式电容器)检测方法、压电式检测方法、压阻式检测方法、磁性检测方法或热检测方法。
图14概括地示出了三轴加速计1400的示例性侧视图，所述三轴加速计包括单个质量块、示例性“枢轴”以及z轴加速计电极140。
3+3DOF
图15概括地示出了3+3自由度(3+3DOF)惯性测量单元(IMU)200(如，三轴陀螺仪和三轴加速计)的一个例子，其例如形成在IMU的器件层105的单一平面中。在一个例子中，3+3DOF可包括在同一晶片上的三轴陀螺仪1505和三轴加速计1510。
在该例中，三轴陀螺仪1505和三轴加速计1510的每一个具有单独的质量块，但在封装时，产生的器件(如，芯片级封装)可共用封盖，因此三轴陀螺仪1505和三轴加速计1510可存在于同一腔体中。此外，由于所述器件可在相似时间且在相似材料上形成，因此本发明显著降低了工艺偏差的风险，减少了独立地校准传感器的需求，减少对准问题，并且允许比彼此相邻地独立粘合所述器件更为紧密地布置。
此外，存在与对产生的器件进行密封相关的空间节省。例如，如果需要100μm密封宽度，则在器件之间共用帽晶片以及减小器件之间的距离使得产生的器件的总体尺寸缩减。而对于独立地封装，密封宽度所需的空间量可能加倍。
在一个例子中，采用100μm密封宽度，管芯尺寸可以减小到2.48×1.8mm。
驱动和检测频率
在一个例子中，驱动模式和三陀螺仪感应模式可以位于20kHz范围内。对于开放回路操作，可以通过模式分隔将驱动模式与感应模式分隔开，例如100Hz到500Hz，这可以决定陀螺仪的机械灵敏度。为了增加灵敏度，如果应用的振动规格允许，可以降低陀螺仪操作共振频率。如果实施封闭回路感应操作，可以降低模式分隔以进一步提高机械灵敏度。
减小正交误差
图16概括地示出了锚106附近的处于静止状态的中心悬吊件111的例子，所述中心悬吊件111包括被配置为局部消除正交误的对称“C形横梁”。微机械陀螺仪中的正交误差的主要来源是DRIE侧壁角误差，所述DRIE侧壁角误差导致刻蚀轮廓与直侧壁偏离。如果侧壁具有角误差，则当斜轴沿横梁长度时面内驱动运动还会导致面外运动。因此，当偏斜的柔性横梁位于所述驱动运动的相对侧时，产生的面外偏转引起正交误差。
图17概括地示出了驱动运动中的中心悬吊件111的一部分的例子。中心悬吊件111在锚106的每一侧采用对称“C形横梁”。侧面上的每个C形横梁所引起的面外运动被与其对称的相似部分抵消。这样，在每个横梁上引起的正交误差可被局部消除。
加速计电极结构
图18概括地示出了加速计电极结构1800的例子，所述加速计电极结构包括电极定子框架141和质量块框架142，它们被配置为支撑加速计感应电极(例如，x轴加速计感应电极125等)，所述加速计感应电极包括与静止指状物相互交叉的运动指状物，所述静止指状物被配置为检测沿一个或多个轴的运动。
加速计电极结构1800的第一主侧面可基本上被电极定子框架141包围，所述电极定子框架141使用锚126固定在适当位置(如，固定到通孔晶片103)，并且包括中心平台143以及第一外分支144和第二外分支145，所述中心平台143基本上垂直于电极定子框架141定位，所述第一外分支144和第二外分支145基本上平行于中心平台143的至少一部分。
在一个例子中，电极定子框架141和中心平台143的第一部分可以围绕锚126并为锚126提供支撑。锚126远侧的中心平台的第二部分可以变窄，以便为加速计感应电极(例如，x轴加速计感应电极125)提供增加的区域。
加速计电极结构1800的第二主侧面基本上平行于第一主侧面，可以基本上被质量块框架142包围，所述质量块框架142包括第一内分支148和第二内分支149以及第一外分支146和第二外分支147，所述第一内分支148和第二内分支149基本上垂直于质量块框架142，所述第一外分支146和第二外分支147基本上平行于第一内分支148或第二内分支149。
在图18的例子中，质量块框架142的第一外分支146和第二外分支147可以在加速计电极1800的第一和第二次侧面(如，图18中的顶部和底部)上围绕电极定子框架141的第一外分支144和第二外分支145。在一个例子中，为减少质量块的重量，可以不包括质量块框架142的第一外分支146和第二外分支147。
图19概括地示出了加速计电极结构1900的例子，所述加速计电极结构包括电极定子框架151和质量块框架152，它们被配置为支撑加速计感应电极(例如，x轴加速计感应电极125等)，所述加速计感应电极包括与静止指状物相互交叉的运动指状物，所述静止指状物被配置为检测沿一个或多个轴的运动。
除其他情况之外，本发明人已认识到，将质量从电极定子框架151转移到质量块框架152可以提高加速计电极结构1900或相关惯性传感器的耐冲击和耐振性。此外，本发明人认识到，提供更宽的中心平台153可允许在相关的惯性传感器的每一侧或任一侧上进行独立或不对称锚126布置，以便例如补偿管芯变形(例如由封装应力造成)以提高温度性能等。
与图18中示出的例子相似，加速计电极结构1900的第一主侧面可基本上被电极定子框架151包围，所述电极定子框架151使用锚126固定在适当位置(如，固定到通孔晶片103)，并且包括中心平台153以及第一内分支154和第二内分支155，所述中心平台153基本上垂直于电极定子框架151定位，所述第一内分支154和第二内分支155基本上平行于中心平台153的至少一部分。
在一个例子中，电极定子框架151和中心平台153可以围绕锚126并为锚126提供支撑。与图18中示出的例子相比，图19的中心平台152可以比图18的中心平台142更宽，从而提供更宽的平台来定位锚126，在某些例子中允许惯性传感器的每一侧或任一侧上的独立或可调整的锚126位置。在某些例子中，根据例如惯性传感器在管芯上的位置，惯性传感器一侧或两侧的独立或可调整的锚位置可以提高惯性传感器的温度性能。
加速计电极结构1900的第二主侧面基本上平行于第一主侧面，可以基本上被质量块框架152包围，所述质量块框架152包括第一内分支158和第二内分支159以及第一外分支156和第二外分支157，所述第一内分支158和第二内分支159基本上垂直于质量块框架152，所述第一外分支156和第二外分支157基本上平行于第一内分支158或第二内分支159。
在图19的例子中，电极定子框架151的第一内分支154和第二内分支155以及质量块框架152的第一内分支158和第二内分支159可以定位在与图18中示出的例子相比距离中心平台153更近的位置。在一个例子中，将这些分支移动到距离中心平台153更近的位置可以允许将电极质量的一部分转移到加速计电极结构1900的质量块侧面上，使电极定子151的质量最小化以提高耐冲击或耐振性，或提高电容加速计感应电极的较低或最低共振频率，如图24中所示。
图20概括地示出了加速计电极结构2000的例子，例如图18的例子中所示。在该例中，电极定子框架141和质量块框架142是隔开的，独立地示出了与静止指状物161解耦的运动指状物160。
图21概括地示出了加速计电极结构2100的例子，例如图19的例子中所示。在该例中，电极定子框架151和质量块框架152是隔开的，独立地示出了与静止指状物163解耦的运动指状物162。尽管图19和21中示出的中心平台153比图18和20中示出的中心平台143更宽，但降低质量的电极定子框架151可以提供额外的感应电极或额外的感应电极区域。
图22概括地示出了解耦的左侧和右侧加速计电极结构2200的例子，所述解耦的左侧和右侧加速计电极结构2200包括左侧锚126A、左侧中心平台153A、右侧锚126B和右侧中心平台153B。在该例中，左侧锚126A和右侧锚126B以不对称的方式定位，以优化或提高温度性能。在某些例子中，左侧锚126A和右侧锚126B能够以独立或不对称方式定位，以便对未在管芯上居中布置或不对称的管芯变形(例如由封装应力造成)进行补偿。在某些例子中，朝向定子侧面(相对于质量块侧面)布置锚可被具体配置为补偿温度性能、对管芯上的惯性传感器布置的偏移进行调整、对惯性传感器封装或一种或多种其他因素进行调整。
图23概括地示出了电极定子框架141的最低面外共振模式的例子，例如图18和20的例子所示。
图24概括地示出了电极定子框架151的最低面外共振模式的例子，例如图19和21的例子所示。
图23和24的共振模式概括地示出了，图24的例子的电极定子框架151的最低面外共振模式高于图23的例子的电极定子框架141的最低面外共振模式。
附加注释和实例
在实例1中，惯性传感器包括在器件层的x-y面内形成的单个质量块，所述单个质量块包括被配置为将单个质量块悬吊在通孔晶片上方的单个中心锚；在惯性传感器相应的第一侧和第二侧上的器件层的x-y平面中形成的第一和第二电极定子框架，所述第一和第二电极定子框架关于单个中心锚对称，并且每个电极定子框架独立地包括中心平台和被配置为将中心平台固定到通孔晶片上的锚，其中所述第一和第二电极定子框架的锚沿着中心平台相对于单个中心锚不对称。
在实例2中，实例1的第一和第二个电极定子框架可以任选地包括第一和第二内分支以及耦合到第一和第二内分支的多个静止指状物。
在实例3中，实例1-2中的任何一者或多者的第一内分支可以任选地基本上平行于第二内分支。
在实例4中，实例1-3中的任何一者或多者的第一和第二电极定子框架的第一和第二内分支可以任选地基本上平行于第一和第二电极定子框架的中心平台。
在实例5中，实例1-4中的任何一者或多者的第一和第二电极定子框架的中心平台可以任选地关于单个中心锚对称。
在实例6中，实例1-5中的任何一者或多者任选地包括在器件层的x-y平面中形成的第一和第二质量块框架，每个质量块框架都耦合到单个质量块并包括位于中心平台附近并基本上平行于中心平台的第一和第二内分支；第一和第二外分支；以及耦合到第一和第二内分支及第一和第二外分支的多个运动指状物。
在实例7中，实例1-6中的任何一者或多者的第一和第二电极定子框架任选地具有第一个质量，其中实例1-6中的任何一者或多者的第一和第二质量块框架任选地具有第二质量，并且其中第一质量任选地小于第二质量。
在实例8中，实例1-7中的任何一者或多者的多个静止指状物的至少一部分任选地与多个运动指状物的至少一部分相互交叉。
在实例9中，实例1-8中的任何一者或多者的静止指状物任选地基本上垂直于第一和第二电极定子框架的第一和第二内分支，其中运动指状物任选地基本垂直于第一和第二质量块框架的第一和第二内分支及第一和第二外分支。
在实例10中，实例1-9中的任何一者或多者可以任选地包括单个质量块三轴加速计，所述单个质量块三轴加速计包括单个质量块和单独的x、y、z轴挠曲支承部，其中x和y轴挠曲支承部可以任选地关于单个中心锚对称，并且z轴可以任选地关于单个中心锚不对称。
在实例11中，实例1-10中的任何一者或多者的三轴加速计任选地包括关于单个中心锚对称的面内x轴和y轴加速计感应电极以及面外z轴加速计感应电极，其中面内x轴加速计感应电极任选地包括第一和第二电极定子框架。
在实例12中，实例1-11中的任何一者或多者任选地包括在邻近三轴加速计的x-y平面中形成的单个质量块三轴陀螺仪，所述单个质量块三轴陀螺仪包括围绕单个中心锚悬吊的主质量块部分，所述主质量块部分包括朝三轴陀螺仪边缘向外延伸的径向部分；被配置为从单个中心锚悬吊三轴陀螺仪的中心悬吊件系统；以及包括活动部分和静止部分的驱动电极，该活动部分耦合到径向部分，其中驱动电极和中心悬吊件系统被配置为使三轴陀螺仪以驱动频率围绕垂直于x-y平面的z轴振荡。
在实例13中，实例1-12中的任何一者或多者任选地包括粘合到器件层的第一表面的帽晶片，其中通孔晶片任选地粘合到器件层的第二表面，其中帽晶片和通孔晶片任选地被配置为将单个质量块三轴陀螺仪和单个质量块三轴加速计封装在同一腔体中。
在实例14中，实例1-13中的任何一者或多者的单个中心锚任选地不以通孔晶片为中心，其中第一和第二电极定子框架的锚任选地沿中心平台关于单个中心锚不对称，以提高与热变形相关的温度性能。
在实例15中，实例1-14中的任何一者或多者任选地包括在器件层的x-y平面中形成的单个质量块，所述单个质量块包括被配置为将单个质量块悬吊在通孔晶片上方的单个中心锚；关于单个中心锚对称的x轴挠曲支承部；第一质量块框架；单个中心锚的第一侧面上的第一电极定子框架，所述第一电极定子框架包括第一中心平台、第一和第二内分支、耦合到第一和第二内分支的多个静止指状物、以及配置为在沿第一中心平台的第一位置处将第一电极定子框架固定到通孔晶片的第一锚；以及单个中心锚的第二侧面上的第二电极定子框架，所述第二电极定子框架包括第二中心平台、第三和第四内分支、耦合到第三和第四内分支的多个静止指状物、以及被配置为在沿第二中心平台的第二位置处将第二电极定子框架固定到通孔晶片的第二锚，其中沿第一中心平台的第一位置和沿第二中心平台的第二位置关于单个中心锚不对称。
在实例16中，实例1-15中的任何一者或多者的第一和第二电极定子框架可以任选地关于单个中心锚对称。
在实例17中，实例1-16中的任何一者或多者的惯性传感器任选地包括在器件层的x-y平面中形成的第一和第二质量块框架，每个质量块框架都耦合到单个质量块并包括位于第一和第二中心平台附近并基本上平行于第一和第二中心平台的第一和第二内分支；第一和第二外分支；以及耦合到第一和第二内分支及第一和第二外分支的多个运动指状物。实例1-16中的任何一者或多者的多个静止指状物的至少一部分任选地与多个运动指状物的至少一部分相互交叉。
在实例18中，方法可以包括使用单个中心锚以关于单个中心锚不对称的方式将器件层的x-y平面中形成的单个质量块悬吊到通孔晶片上方；沿器件层的x-y平面中形成的第一和第二电极定子框架的中心平台将第一和第二电极定子框架锚定到通孔晶片，其中第一和第二电极定子框架关于单个中心锚对称；以及检测单个质量块与第一和第二电极定子框架之间的加速度。
在实例19中，所述悬吊实例1-18中的任何一者或多者的单个质量块任选地包括将单个质量块三轴加速计悬吊，所述单个质量块三轴加速计具有关于单个中心锚对称的x和y轴挠曲支承部，和关于单个中心锚不对称的z轴挠曲支承部。
在实例20中，所述以关于实例1-19中的任何一者或多者的单个中心锚不对称的方式将第一电极定子框架和第二电极定子框架沿着中心平台锚定，任选地包括补偿封装变形并提高与单个质量块相关的惯性传感器的温度性能。
实例21可以包括或可任选地结合实例1至20中任何一者或多者的任何部分或任何部分的组合，以涵盖可包括用于执行实例1至20的功能中任何一者或多者的装置或含指令的机器可读介质的主题，所述指令当由机器执行时会使机器执行实例1至20的功能中的任何一者或多者。
上述详细说明书参照了附图，附图也是所述详细说明书的一部分。附图以图解的方式显示了可应用本发明的具体实施例。这些实施例在本文也称作“实例”。这些实例可包括除了那些所示出或描述之外的组件。然而，本发明人还设想到其中仅提供所示或所述的那些元件的实例。此外，本发明人还设想到或者相对于特定实例(或其一个或多个方面)或者相对于本文所示或所述其他实例(或者其一个或多个方面)，利用所示或所述的那些元件的任何组合或排列(或其一个或多个方面)的实例。
在本申请文档中提及的所有出版物、专利、和专利文档其全文以引用方式并入本文，仿佛以引入方式单独并入一样。如果本文与参考文件之间存在用途差异，则将参考文件的用途视作本文的用途的补充，若两者之间存在不可调和的差异，则以本文的用途为准。
在本文中，与专利文件通常使用的一样，术语“一”或“某一”表示包括一个或多个，但其他情况或在使用“至少一个”或“一个或多个”时应除外。在本文中，除非另外指明，否则使用术语“或”指无排他性的或者，使得“A或B”包括：“A但不是B”、“B但不是A”以及“A和B”。在所附权利要求中，术语“包含”和“在其中”等同于各个术语“包括”和“其中”的通俗英语。同样，在本文中，术语“包含”和“包括”是开放性的，即，系统、设备、物品或步骤包括除了权利要求中这种术语之后所列出的那些部件以外的部件的，依然视为落在该条权利要求的范围之内。而且，在下面的权利要求中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅仅用作标签，并非对对象有数量要求。
本文所述的方法实例可以是至少部分执行的机器或计算机。有些实例可包括使用指令编码的计算机可读介质或机器可读介质，所述指令可操作将电子器件配置成执行上述实例中描述的方法。这种方法的实现可包括代码，例如微代码、汇编语言代码、高级语言代码等。这种代码可包括用于执行各种方法的计算机可读指令。该代码可形成计算机程序产品的一部分。另外，例如在执行期间或其他时间，该代码可有形地存储在一个或多个易失性或非易失性有形计算机可读介质。这些有形计算机可读介质的实例可包括但不限于硬盘、可拆除磁盘、可拆除光盘(例如，致密盘和数字视频盘)、磁带、存储卡或存储棒、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)等。
上述说明的作用在于解说而非限制。例如，上述实例(或实例的一个或多个方面)可结合使用。可以在理解上述说明书的基础上，利用现有技术的某种常规技术来执行其他实施例。根据专利实施细则37C.F.R.§1.72(b)提供说明书摘要从而允许读者快速确定技术公开的实质。说明书摘要的提交不旨在用于解释或限制权利要求的范围和含义。同样，在上面的具体实施方式中，各种特征可归类成将本公开合理化。这不应理解成未要求的公开特征对任何权利要求必不可少。相反，本发明的主题可在于的特征少于特定公开的实施例的所有特征。这样，所附权利要求由此并入具体实施方式中，每个权利要求作为单独实施例表示其自身，并且设想这些实施例可以各种结合或排列方式彼此结合。应参看所附的权利要求，以及这些权利要求所享有的等同物的所有范围，来确定本申请的范围。

Claims (17)

1.一种惯性传感器，包括：
单个质量块，所述单个质量块在器件层的x-y平面中形成，所述单个质量块包括单个中心锚，所述单个中心锚被配置为使所述单个质量块悬吊在通孔晶片上方；
第一电极定子框架和第二电极定子框架，所述第一电极定子框架和所述第二电极定子框架在所述惯性传感器相应的相对的第一侧和第二侧上的所述器件层的所述x-y平面中形成，所述第一电极定子框架和所述第二电极定子框架关于所述单个中心锚对称，并且每个电极定子框架独立地包括：
中心平台；和
锚，所述锚被配置为将所述中心平台固定到所述通孔晶片上；
其中所述第一电极定子框架和所述第二电极定子框架的所述锚沿所述中心平台相对于所述单个中心锚不对称地放置。
2.根据权利要求1所述的惯性传感器，其中所述第一电极定子框架和所述第二电极定子框架包括：
第一电极定子框架内分支和第二电极定子框架内分支；以及
多个静止指状物，所述多个静止指状物耦合到所述第一电极定子框架内分支和所述第二电极定子框架内分支。
3.根据权利要求2所述的惯性传感器，其中所述第一电极定子框架内分支基本上平行于所述第二电极定子框架内分支。
4.根据权利要求3所述的惯性传感器，其中所述第一电极定子框架和所述第二电极定子框架的所述第一电极定子框架内分支和所述第二电极定子框架内分支基本上平行于所述第一电极定子框架和所述第二电极定子框架的所述中心平台。
5.根据权利要求4所述的惯性传感器，其中所述第一电极定子框架和所述第二电极定子框架的所述中心平台关于所述单个中心锚对称。
6.根据权利要求2所述的惯性传感器，包括：
第一质量块框架和第二质量块框架，所述第一质量块框架和所述第二质量块框架在所述器件层的所述x-y平面中形成，每个都耦合到所述单个质量块并包括：
第一质量块框架内分支和第二质量块框架内分支，所述第一质量块框架内分支和所述第二质量块框架内分支位于所述中心平台附近并基本上平行于所述中心平台；
第一质量块框架外分支和第二质量块框架外分支；以及
多个运动指状物，所述多个运动指状物耦合到所述第一质量块框架内分支和所述第二质量块框架内分支及所述第一质量块框架外分支和所述第二质量块框架外分支。
7.根据权利要求6所述的惯性传感器，其中所述第一电极定子框架和所述第二电极定子框架具有第一质量，其中所述第一质量块框架和所述第二质量块框架具有第二质量，并且其中所述第一质量小于所述第二质量。
8.根据权利要求6所述的惯性传感器，其中所述多个静止指状物的至少一部分与所述多个运动指状物的至少一部分相互交叉。
9.根据权利要求6所述的惯性传感器，其中所述静止指状物基本上垂直于所述第一电极定子框架和所述第二电极定子框架的所述第一电极定子框架内分支和所述第二电极定子框架内分支；并且
其中所述运动指状物基本上垂直于所述第一质量块框架和所述第二质量块框架的所述第一质量块框架内分支和所述第二质量块框架内分支及所述第一质量块框架外分支和所述质量块框架第二外分支。
10.根据权利要求1所述的惯性传感器，包括：
单个质量块三轴加速计，所述单个质量块三轴加速计包括所述单个质量块和单独的x、y、z轴挠曲支承部；并且
其中所述x轴挠曲支承部和所述y轴挠曲支承部关于所述单个中心锚对称，并且所述z轴挠曲部关于所述单个中心锚不对称。
11.根据权利要求10所述的惯性传感器，其中所述三轴加速计包括关于所述单个中心锚对称的面内x轴加速计感应电极和y轴加速计感应电极以及面外z轴加速计感应电极；并且
其中所述面内x轴加速计感应电极包括所述第一电极定子框架和所述第二电极定子框架。
12.根据权利要求11所述的惯性传感器，包括：
单个质量块三轴陀螺仪，所述单个质量块三轴陀螺仪在与所述三轴加速计相邻的所述x-y平面中形成，所述单个质量块三轴陀螺仪包括：
主质量块部分，所述主质量块部分围绕单个中心锚悬吊，所述主质量块部分包括朝着所述三轴陀螺仪的边缘向外延伸的径向部分；
中心悬吊件系统，所述中心悬吊件系统被配置为从所述单个中心锚悬吊所述三轴陀螺仪；和
驱动电极，所述驱动电极包括活动部分和静止部分，所述活动部分耦合到所述径向部分，其中所述驱动电极和所述中心悬吊件系统被配置使所述三轴陀螺仪以驱动频率围绕垂直于所述x-y平面的z轴振荡。
13.根据权利要求12所述的惯性传感器，包括：
帽晶片，所述帽晶片粘合到所述器件层的第一表面；并且
其中所述通孔晶片粘合到所述器件层的第二表面，其中所述帽晶片和所述通孔晶片被配置为将所述单个质量块三轴陀螺仪和所述单个质量块三轴加速计封装在同一腔体中。
14.根据权利要求1所述的惯性传感器，其中所述单个中心锚不以所述通孔晶片为中心；并且
其中所述第一电极定子框架和所述第二电极定子框架的所述锚沿所述中心平台关于所述单个中心锚不对称，以提高与热变形相关的温度性能。
15.一种惯性传感器，包括：
单个质量块，所述单个质量块在器件层的x-y平面中形成，所述单个质量块包括：
单个中心锚，所述单个中心锚被配置为将所述单个质量块悬吊在通孔晶片上方；
x轴挠曲支承部，所述x轴挠曲支承部关于所述单个中心锚对称；
第一质量块框架；
第一电极定子框架，所述第一电极定子框架位于所述单个中心锚的第一侧面上，所述第一电极定子框架包括：
第一中心平台；
第一内分支和第二内分支；
多个静止指状物，所述多个静止指状物耦合到所述第一内分支和所述第二内分支；和
第一锚，所述第一锚被配置为在沿所述第一中心平台的第一位置处将所述第一电极定子框架固定到所述通孔晶片；和
第二电极定子框架，所述第二电极定子框架位于所述单个中心锚的第二侧面上，所述第二电极定子框架包括：
第二中心平台；
第三内分支和第四内分支；
多个静止指状物，所述多个静止指状物耦合到所述第三内分支和所述第四内分支；和
第二锚，所述第二锚被配置为在沿所述第二中心平台的第二位置处将所述第二电极定子框架固定到所述通孔晶片；并且
其中沿所述第一中心平台的所述第一位置和沿所述第二中心平台的所述第二位置关于所述单个中心锚不对称。
16.根据权利要求15所述的惯性传感器，其中所述第一电极定子框架和所述第二电极定子框架关于所述单个中心锚对称。
17.根据权利要求16所述的惯性传感器，包括：
第一质量块框架和第二质量块框架，所述第一质量块框架和所述第二质量块框架在所述器件层的所述x-y平面中形成，每个都耦合到所述单个质量块并包括：
第一质量块框架内分支和第二质量块框架内分支，所述第一质量块框架内分支和所述第二质量块框架内分支位于所述第一中心平台和所述第二中心平台附近并基本上平行于所述第一中心平台和所述第二中心平台；
第一质量块框架外分支和第二质量块框架外分支；和
多个运动指状物，所述多个运动指状物耦合到所述第一质量块框架内分支和所述第二质量块框架内分支及所述第一质量块框架外分支和所述第二质量块框架外分支；并且
其中所述多个静止指状物的至少一部分与所述多个运动指状物的至少一部分相互交叉。
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