CN104730289B - 具有垂直于基底平面沿逆相方向移动的检测质量块的mems加速计 - Google Patents

具有垂直于基底平面沿逆相方向移动的检测质量块的mems加速计 Download PDF

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Abstract

披露了一种传感器。该传感器包括一个基底和至少两个检测质量块。该传感器还包括在该至少两个检测质量块与该基底之间的一个柔性联接器。该至少两个联接的检测质量块响应于该传感器的加速度而垂直于该基底的平面沿逆相方向进行移动。

Description

具有垂直于基底平面沿逆相方向移动的检测质量块的MEMS加 速计
相关申请的交叉引用
本申请根据美国法典第35卷第119条第(e)款要求于2013年12月23日提交的、题目为“具有垂直于基底平面沿逆相方向移动的检测质量块的MEMS加速计(MEMSACCELEROMETER WITH PROOF MASSES MOVING IN ANTI-PHASE DIRECTION NORMAL TO THEPLANE OF THE SUBSTRATE)”的美国临时专利申请号61/920,246的权益，该申请的内容通过引用以其全部内容结合在此。
技术领域
本发明总体上涉及惯性传感器并且更具体地涉及MEMS加速计。
背景技术
惯性传感器例如加速计被广泛用于运动感测应用。常规地，加速计是由一个悬挂的检测质量块以及用于测量该检测质量块相对于参考系的位移的一个器件组成。总是需要在用于商业应用的加速计的性能和可靠性方面提供改进。典型地，性能是由该传感器的机械和电敏感性所决定的并且可靠性是由(除了许多其他参数之外)为了在该结构的移动部件与其他固定或移动部件偶然发生接触的情况下松开这些移动部件所需要的破出力所决定的。
因此需要一种提供此类惯性传感器的系统和方法。该方法和系统应是容易实施的、成本有效且可适应现有环境的。本发明解决了以上提出的问题。
发明内容
披露了一种传感器。在第一方面，该传感器包括一个基底和至少两个检测质量块。该传感器还包括在该至少两个检测质量块与该基底之间的一个柔性联接器。该至少两个联接的检测质量块响应于加速度而垂直于基底平面沿逆相方向进行移动。
在第二方面，组合式加速计与磁力计包括一个基底和至少两个检测质量块。该组合式加速计与磁力计还包括在这两个检测质量块与该基底之间的一个柔性联接器。这些检测质量块响应于加速度垂直于基底平面沿逆相方向进行移动。该组合式加速计与磁力计还包括一种磁性材料，该磁性材料致使该组合式加速计与磁力计响应于一个磁场绕第一轴线进行旋转。可以分开地感测加速度和磁场，因为它们具有两种不同的感测模式，分别是这些检测质量块的逆相移动以及绕这些检测质量块的第一轴线的倾斜。例如，该组合式加速计与磁力计的多个输出可以是通过使得换能器构型变换来感测区分加速度和磁场所赋予的输出来测量的。
附图说明
图1示出了响应于Z方向上的线性加速度的一个加速计。
图2示出了根据一个实施例的一个单一锚杆加速计。
图3示出了根据一个实施例的一个单一杠杆单一锚杆加速计。
图4示出了根据一个实施例的一个替代的单一杠杆加速计。
图5a示出了根据一个实施例的传感器的构型，该构型是一个电容性惠思通电桥。
图5b示出了根据一个实施例的用于在如图所示的惠思通电桥构型中感测加速度的一个构型。
图5c示出了根据一个实施例的用于在如所示的惠思通电桥构型中感测磁场的一个构型。
图6示出了根据一个实施例的一个加速计，其中是在旋转杠杆上而不是检测质量块上进行电容读出。
图7示出了根据一个实施例的包括这些去倾斜板片的加速计。
图8示出了根据一个实施例的组合式加速计与磁力计传感器。
图9至图12示出了传感器的多个实施例，该传感器包括作为其一部分的一个盖子。
具体实施方式
本发明总体上涉及惯性传感器并且更具体地涉及MEMS加速计。下面的说明是为了使本领域普通技术人员能够制造和使用本发明而提出的，并且是在专利申请及专利申请的要求的背景下提供的。对优选的实施例的不同修改和在此描述的类似原理及特征对已经本领域的技术人员将是显而易见。因此，本发明不旨在受限于所示出的实施例而是旨在符合与本文如下的描述的原理和特征相一致的最广泛的范围。
在这些所描述的实施例中，微电子机械系统(MEMS)是指通过使用类似半导体的工艺而制成的并且展现出例如能够移动或变形等机械特性的一类结构或器件。MEMS器件通常但不总是与电信号进行交互。MEMS器件包括但不限于陀螺仪、加速计、磁力计、压力传感器、话筒以及射频部件。包含MEMS结构的硅晶片被称为MEMS晶片。
在所描述的实施例中，MEMS器件可以指代作为微电子机械系统来实施的一个半导体装置。MEMS结构可以指代任何可以是较大的MEMS器件的一部分的特征。具有机械活性的MEMS结构的半导体层被称为器件层。工程化绝缘体上硅(ESOI)晶片可以指代在硅器件层或基底下方具有多个空腔的一种SOI晶片。操作晶片典型地指代用作载体的一个较厚基底，该载体用于绝缘体上硅晶片中的较薄硅器件基底。可以将操作基底和操作晶片进行互换。
在所描述的实施例中，空腔可以指代基底晶片中的一个开口或凹陷并且包壳可以指代一个完全封闭的空间。柱可以是MEMS器件的空腔中用于进行机械支撑的竖直结构。支座是提供电接触的一个竖直结构。
在所描述的实施例中，MEMS器件内在受力时进行移动的一个刚性结构可以称为板。虽然刚性板对于所描述的实施例是优选的，但是半刚性板或可变形薄膜可以代替刚性板。板可以包括硅、含硅材料(例如，多晶硅、氧化硅、氮化硅)、金属以及用于半导体工艺中的材料(例如，氮化铝、锗)。背板可以是包括至少一个电极的实心板或穿孔板。该电极可以包括适于半导体工艺的导电材料(例如，多晶硅、硅、铝、铜、镍、钛、铬、金)。这些电极可以在一个或多个表面上具有绝缘膜。
图1示出了响应于Z方向上的线性加速度的一个加速计100的顶视图和侧视图。加速计100包括两个检测质量块PM1 102B和PM2 102A，这两个检测质量块通过在垂直于基底106平面的逆相方向上进行移动而对Z方向上的线性加速度作出响应。该逆相移动是受到这两个检测质量块PM1 102B和PM2 102A与基底106之间的柔性联接器所约束的。该柔性联接器包括两个分开的锚杆A1 110A和A2 110B、两个中央扭转弹簧B1 114A和B2 114B、两个旋转杠杆L1 116A和L2 116B以及四个外部扭转弹簧B11 118A、B21 118B、B12 118C和B22118D。加速计100的运动是由这些检测质量块上的一个平面外换能器来测量的，例如一组电容式差分电极C1和C2 120A–120D。
弹簧B1 114A和B2 114B将锚杆A1 110A和A2 110B连接至杠杆L1 116A和L2 116B上。这四个外部扭转弹簧B11 118A、B21 118B、B12118C和B22 118D通过两个检测质量块PM1102B和PM2 102A将一个杠杆的末端连接至相反侧上的另一个杠杆的末端上。具体而言，弹簧B11118A将左杠杆L1 116A的顶部连接至内部检测质量块PM1 102B上，该内部检测质量块通过弹簧B22 118D连接右杠杆L2 116B的底部。以相同的方式，通过弹簧B12 118C和B22118D将左杠杆L1 116A的底部联接至右杠杆L2 116B的顶部上。
为简单起见，假定这些检测质量块的重心位于中央弹簧(B1 114A和B2 114B)的轴线上并且这些外部弹簧(B12 118C、B21 118B、B11 118A和B22 118D)是在与这条轴线正交的方向上以与该重心相隔相同的距离地联接至这些检测质量块上的。下文中描述了一种更常见的情况。
Z方向上的线性加速度a将对每个检测质量块产生一个Z方向上的力：
其中m1和m2分别是PM1 102B和PM2 102A的质量。在每个检测质量块上，每个外部弹簧上作用有这个力的一半，对于PM1 102B而言是B11 118A和B22 118D并且对于PM2 102A而言是B12 118C和B21 118B。最后这个力被传递至该杠杆的极端上，使得在该杠杆的中心存在一个扭矩，该扭矩是这个力的差乘以PM1 102B和PM2 102A的力臂。
其中PM1的力臂长度lPM1是从弹簧B11 118A到B1 114A和从B22 118D到B2 114B的距离，并且lPM2是从弹簧B12 118C到B1 114A和从B21 118B到B2 114B的距离。这个扭矩M致使这些中央弹簧和这两个杠杆逆相地旋转并且因此一个检测质量块朝向该基底移动并且另一个检测质量块在相反的方向上移动。
为了产生该逆相移动，必须存在一个失衡扭矩M。这个失衡的扭矩M可以由质量差(m1≠m2)、力臂差(lPM1≠lPM2)或质量力臂乘积的差(m1lPM1≠m2lPM2)来给出。
在更常见的实例中，在该质量块的重心并不位于该弹簧轴线上或这些外部弹簧不是在与这条轴线正交的方向上以相同距离联接至检测质量块上的，加速度除了产生Z方向上的力之外还产生了一个扭矩。在这种情况下，该传感器结构也进行旋转。该传感器还包括一个换能器以用于测量该传感器的运动。例如，电容感测可以是通过该基底上的多个电极测量由于该质量块运动造成的电容变化来进行的。
单一锚杆加速计
图2示出了根据一个实施例的单一锚杆加速计200。加速计200包括检测质量块202A和202B，该单一锚杆包括一个锚杆A 210B、两个中央弹簧B1 214A和B2 214B、多个扭转弹簧218A、218B、218C和218D、多个旋转杠杆216A和216B、下电极C11 220B和C11 220C、以及上电极C21 220A和C21 220D。在这个实施例中，正如所看到的，存在将两个中央弹簧B1214A和B2 214B相连接的仅一个锚杆A 210B。
单一杠杆设计
图3示出了根据一个实施例的一个单一杠杆单一锚杆加速计300。
弹簧B 314B将锚杆A 310B连接至杠杆L 316B上。两个外部扭转弹簧B21 318B和B22 318D将该杠杆的末端连接至两个检测质量块PM1 302B和PM2 302A上。这两个检测质量块通过两个平面外平移弹簧联接至该基底上。
这两个平移弹簧B11 318A和B12 318C必须是难以绕X轴旋转的从而使得这两个检测质量块垂直于基底平面沿逆相方向移动。如果这些弹簧能顺应地绕X轴进行旋转，则传感器300会绕X轴进行旋转。
一个线性加速度在这两个检测质量块PM1 302A和PM2 302B的每一者上都产生一个力，该力被传递至杠杆L 316B上并且在中央弹簧B 314B上提供了一个扭矩。另外，如果在质量与力臂乘积中存在失衡，则中央弹簧B 314B和杠杆L 316B进行旋转并且这些检测质量块中的一者朝向该基底进行移动并且这些检测质量块PM1 302A和PM2 302B的另一者在相反的方向上进行移动。
替代的单一杠杆加速计
图4示出了根据一个实施例的替代的单一杠杆加速计400。该单一杠杆包括检测质量块402A和402B、锚杆A 410B、旋转杠杆416B、平移弹簧B11 418A和B12 418C、中央弹簧B414B、扭转弹簧418B和418D、下电极C1 420A、以及上电极C2 420B。如图3所解释的，平移弹簧B11 418A和B12 318C必须是难以绕X轴旋转的从而使得这两个检测质量块垂直于基底平面沿逆相方向移动。
两个MEMS加速计
图5a示出了根据一个实施例的传感器的构型，该传感器是一个电容性惠思通电桥。该传感器500a包括检测质量块502A和502B、锚杆510A和510B、扭转弹簧514A、514B、518A、518B、518C和518D、旋转杠杆516A和516B、上电极C21 520A、C21 520D、C22 520A和C22520D、以及下电极C11 520B、C11 520C、C12 520B和C12 520C。响应于加速度，检测质量块502A和502B垂直于该基底沿逆相方向上进行移动，从而增大了电容器C11和C12的电容并且减小了电容器C21和C22的电容。为了感测加速度，电容器C11、C21、C12和C22可以按如图5b所示的惠思通电桥构型相连接。
在旋转杠杆上进行电容读出的MEMS加速计
图6示出了根据一个实施例的一个加速计600，其中电容读出是在杠杆上的多个单极上而不是在检测质量块上进行的。该传感器包括检测质量块602A和602B、旋转杠杆616A和616B、锚杆610A和610B、扭转弹簧614A、614B、618A、618B、618C、618D、上电极C21 620A和C21 620D、以及下电极C11 620B和620C。正如所看到的，电极620A-620D被用来检测旋转杠杆616A和616B的移动。
具有去倾斜板片的MEMS加速计
图7示出了根据一个实施例的包括这些去倾斜板片的加速计700。该传感器包括检测质量块702A和702B、扭转弹簧714A、714B、718A、718B、718C和718D、旋转杠杆716A和716B、上电极C21 720A和C21720D、下电极C11 720B和C11 720C、以及去倾斜板片722A、722B、722C和722D。检测质量块702A和702B与去倾斜板片722A和722B一起垂直于基底平面沿逆相方向进行移动。由检测质量块与该基底之间的倾斜所引起的输出是通过测量多个去倾斜电极与上电极和下电极之间的差别电容来去除的。
具有差别电容感测的加速计与磁力计传感器
图8示出了根据一个实施例的组合式加速计与磁力计传感器。该组合式加速计与磁力计传感器800包括检测质量块802A和802B、锚杆810A和810B、扭转弹簧814A、814B、818A、818B、818C和818D、磁性材料816A和816B、上电极C21820A、C22820D、以及下电极C11820C和C12820B。该磁性材料响应于磁场感应出一个扭矩。这个扭矩将致使传感器800绕X轴进行旋转。另外，加速度致使检测质量块802A和802B垂直于基底平面沿逆相方向进行移动。
可以分开地感测该加速度和磁场，因为它们导致了两种不同的感测模式，分别是这些检测质量块的逆相移动以及绕该第一轴线的倾斜。例如，组合式加速计与磁力计传感器800是通过在电路上改变的电容读出构型进行测量的，如图5b和图5c中所示。具体而言，这些信号是由以下给出的：
Aout～C11+C12-C22-c21
Mout～C11-C12+C22-C21
其中Aout是该加速度所给出的输出并且Mout是该磁场所给出的输出。
在使用盖子时感测电极的放置
一个盖子或盖件对结构层提供了机械保护并且任选地形成了用于该传感器的包壳的一部分。在该基底顶部上使用盖子时，可以将这些感测电极定位在该传感器上的不同区域中。为了更详细地描述这个特征，现在结合附图来作出如下讨论。
图9展示了包括基底906的传感器900，该基底具有联接至其上的一个盖子950，其中传感器结构901在该传感器的空腔908内通过锚杆914联接至该基底上。在这个实施例中，上电极904A和下电极904B联接至基底906上。
图10展示了类似于图9传感器的传感器900’，但是上电极904A和下电极904B是联接至该盖子上。图11展示了同样类似于图9传感器的传感器900”，但是上电极904A和下电极904B是位于该基底上并且在盖子950上存在一个下电极904C和一个上电极904D。图12展示了类似于图9传感器的传感器900”’，但是锚杆914将传感器结构901连接至盖子950上而不是连接至基底906上。正如本领域普通技术人员容易了解的，例如其他实施例可以在传感器900”’上包括在盖子950和基底906二者上的或其任何组合上的电极904，或在该盖子上的一个上电极和在该基底上的一个电极或其任何组合。
优点
检测质量块垂直于该平面进行逆相移动所提供的优点是高的机械敏感性和高的电敏感性。提供高的机械敏感性是由于每个检测质量块的任一部分都移动了相同的量并且因此使得将加速度转换成致使这些检测质量块移动的力的惯性最大化。高的电敏感性也是通过该平移移动来提供的，因为这些检测质量块与这些电极之间的空隙将在任何地方都减小或增大相同的量从而使得作为该换能器的输出信号的电容变化最大化。另外，这种移动并且因此电容读出是有差别的，因为这些检测质量块是沿逆相移动的。
高的机械和电敏感性的组合提供了多种不同其他优点，例如高的破出力、高的量程、高的信噪比、或允许保持相似性能而减小该传感器的大小。
虽然已根据所示的实施例描述了本发明，但本领域普通技术人员将容易地认识到，可以存在对这些实施例的改动并且这些改动将位于本发明的精神和范围之内。因此，本领域普通技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出许多修改。

Claims (20)

1.一种传感器，包括：
一个基底；
一个机械结构，该机械结构包括至少两个检测质量块，该至少两个检测质量块包括第一检测质量块和第二检测质量块，其中该至少两个检测质量块通过失衡扭矩响应于该传感器的加速度而垂直于该基底的平面沿逆相方向进行移动；以及
在该至少两个检测质量块与该基底之间的一个柔性联接器，其中该柔性联接器包括：
至少一个锚杆；
一个扭转系统，该扭转系统包括将该至少一个锚杆与一个第一旋转杠杆相连接的一个锚固弹簧；
一个平移系统，该平移系统包括将该至少一个锚杆连接至该第一检测质量块上的一个第一平移弹簧、以及将该至少一个锚杆连接至该第二检测质量块上的一个第二平移弹簧，
其中该第一平移弹簧和该第二平移弹簧允许该第一检测质量块和该第二检测质量块在垂直于该基底的平面的方向上进行运动，
其中一个第一扭转弹簧将该第一检测质量块以第一力臂长度连接至该第一旋转杠杆上，
其中一个第二扭转弹簧将该第二检测质量块以第二力臂长度连接至该第一旋转杠杆上，以及
其中该第一旋转杠杆的该第一力臂长度和该第二力臂长度是不同的，以便提供该失衡扭矩。
2.如权利要求1所述的传感器，其中该第一检测质量块和该第二检测质量块具有不同的重量。
3.如权利要求1所述的传感器，其中该柔性联接器进一步包括将该至少一个锚杆与一个第二旋转杠杆相连接的一个第二锚固弹簧，其中一个第三扭转弹簧将该第一检测质量块以第三力臂长度连接至该第二旋转杠杆上，其中一个第四扭转弹簧将该第二检测质量块以第四力臂长度连接至该第二旋转杠杆上，并且其中该第二旋转杠杆响应于该传感器的加速度与该第一旋转杠杆相反地进行旋转。
4.如权利要求3所述的传感器，其中该第二旋转杠杆的第三力臂长度和第四力臂长度是不同的。
5.如权利要求3所述的传感器，进一步包括磁性材料，其中该磁性材料位于该至少两个检测质量块的任一个上、位于该第一旋转杠杆上、以及位于该第二旋转杠杆上。
6.如权利要求1所述的传感器，其中每个平移弹簧都包括至少两个旋转弹簧，其中来自该至少两个旋转弹簧的一个第一旋转弹簧被联接至该第一检测质量块或该第二检测质量块，并且其中来自该至少两个旋转弹簧的一个第二旋转弹簧被连接至该锚杆。
7.如权利要求1所述的传感器，进一步包括用于测量该机械结构相对于该基底的运动的一个换能器。
8.如权利要求7所述的传感器，其中该至少两个检测质量块相对于该基底的运动是由该换能器通过电容感测来测量的。
9.如权利要求1所述的传感器，其中该至少两个检测质量块相对于彼此的运动是由一个换能器测量的。
10.如权利要求9所述的传感器，其中该换能器是一个电容传感器。
11.如权利要求9所述的传感器，其中该第一平移弹簧和该第二平移弹簧的位移是由该换能器通过电容感测来测量的。
12.如权利要求1所述的传感器，其中该第一旋转杠杆的位移是由换能器通过电容感测来测量的。
13.如权利要求8所述的传感器，其中该基底包括一个或多个电极。
14.如权利要求13所述的传感器，进一步包括一个盖子，其中该机械结构被定位在该盖子与该基底之间，并且其中该一个或多个电极面向该机械结构被定位在该盖子上。
15.如权利要求5所述的传感器，其中该磁性材料致使该机械结构响应于一个磁场而绕一条第一轴线进行旋转。
16.如权利要求15所述的传感器，进一步包括用于测量该机械结构的平面外运动的一个换能器，其中由于加速度产生的运动和由该磁场引起的运动是由该换能器测量的。
17.如权利要求15所述的传感器，进一步包括一个信号处理器，以用于改变一个换能器的构型以便在测量由于加速度产生的运动与由该磁场所引起的运动之间进行切换。
18.一种传感器，包括：
一个基底；
一个机械结构，该机械结构包括至少两个检测质量块，该至少两个检测质量块包括第一检测质量块和第二检测质量块，其中该至少两个检测质量块通过失衡扭矩响应于该传感器的加速度而垂直于该基底的平面沿逆相方向进行移动；以及
在该至少两个检测质量块与该基底之间的一个柔性联接器以及
一种磁性材料，
其中该磁性材料致使该机械结构响应于一个磁场而绕一条第一轴线进行旋转，并且其中该柔性联接器包括：
至少一个锚杆；
一个扭转系统，该扭转系统包括将该至少一个锚杆与一个第一旋转杠杆相连接的一个锚固弹簧；以及
一个平移系统，该平移系统包括将该至少一个锚杆连接至该第一检测质量块上的一个第一平移弹簧、以及将该至少一个锚杆连接至该第二检测质量块上的一个第二平移弹簧，
其中该第一平移弹簧和该第二平移弹簧允许该第一检测质量块和该第二检测质量块在垂直于该基底的平面的方向上进行运动，
其中一个第一扭转弹簧将该第一检测质量块以第一力臂长度连接至该第一旋转杠杆上，
其中一个第二扭转弹簧将该第二检测质量块以第二力臂长度连接至该第一旋转杠杆上，以及
其中该第一旋转杠杆的该第一力臂长度和该第二力臂长度是不同的，以便提供该失衡扭矩。
19.如权利要求18所述的传感器，进一步包括用于测量该机械结构的平面外运动的一个换能器，
其中由于加速度产生的运动和由该磁场引起的运动是由该换能器测量的。
20.如权利要求18所述的传感器，进一步包括一个信号处理器，以用于改变一个换能器的构型以便在测量由于加速度产生的运动与由该磁场所引起的运动之间进行切换。
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