CN107771287A - Mems 传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于测量线性加速度的具有可移动部件和固定部件的MEMS传感器。MEMS传感器包括布置在提供用于MEMS传感器的密封的壁的公共框架结构之内的至少两个相互独立的差分传感器元件。相互独立的差分传感器元件成对地配置成执行线性加速度的双差分检测。MEMS传感器包括公共锚定区域，所述至少两个成对布置的差分传感器元件锚定至公共锚定区域。公共锚定区域位于成对地配置的差分传感器元件的形心处。还提供了MEMS传感器的自检能力。

Description

MEMS传感器
背景技术
本发明涉及MEMS传感器，特别涉及如独立权利要求1的前序部分中限定的用于测量线性加速度的MEMS传感器。
微机电系统或MEMS可以被定义为其中至少一些传感器元件具有机械功能的微型化机械和机电系统。MEMS结构可以应用于快速且准确地检测物理特性的非常小的变化。
MEMS器件将测量的机械信号转换成电信号。MEMS传感器测量机械现象，电子器件然后处理从传感器得到的信息并且通过一些决策能力指示致动器通过例如移动、定位或者调节进行响应，以由此出于一些期望的结果或目的来控制环境。MEMS器件可能是电容性的或者利用压电换能。
在使用MEMS型加速度计的惯性传感器中，可以使用如转子质量块、悬臂梁和/或叉指式梳指的结构来感测这些结构的位移。
MEMS加速度计的两个主要部件是转子质量块和感测电极对。转子质量块和感测电极对锚定至基板。由于转子质量块通过弹簧悬挂在基板上的凹槽上，因此转子质量块可以响应于外部加速度自由移动。当外力施加于加速度计时，转子质量块由于惯性力逆着受力方向移动。该移动导致形成成对的平行板电容器的叉指式梳指之间的电容变化。
在电容性MEMS加速度计中，在固定电极与附接至悬挂的惯性转子质量块的可移动电极之间形成可变电容器。
加速度传感器感测加速力并且检测惯性转子质量块在加速度的作用下弹性地移位的运动，因此可移动电极还响应于在加速度计中的加速度而偏转。直接显现为梳指电极之间的距离(或间隙)变化的电容变化与转子质量块的位移有关。
偏转由相关的电子器件感测并且被转换成电信号，电信号然后由电子器件传送至外部计算机。计算机处理感测数据以计算被测量的特性。
加速度计是测量固有加速度又叫做重力的器件。固有加速度是物体所遭受的物理加速度，并且它是相对于惯性观察者(惯性系)测量的，所述惯性观察者相对于被测量的物体是时刻静止的。例如，相对于地球表面静止的加速度计将指示大约1g的向上的加速度。为了获得由于相对于地球的运动而产生的加速度，应该从读数中减去重力偏移，并且需要对地球相对于惯性系的旋转引起的影响进行修正。多轴加速度计检测固有加速度的大小和方向作为矢量，并且其可以用于感测例如方向、坐标加速度、振动、阻性介质中的冲击与回落。
双轴加速度计测量两个方向的加速度，三至五轴加速度计测量三个方向的加速度。还存在测量一个方向的加速度的单轴加速度计。
加速度计的测量范围是由传感器的输出信号规格所支持的加速度水平，特别以±g为单位。这是部件可以测量并准确地表示为输出的加速度的最大量。斜度计是一种用于测量物体相对于重力的倾斜角、仰角或俯角的仪器。当提供合适的计算用于将检测到的加速度值转换成角度值时，加速度计例如MEMS加速度计可以用作针对斜度计的传感器。斜度计的测量轴通常但不一定是正交的。
倾斜传感器或倾斜计是测量通常相对于由两个轴限定的平面的倾斜的仪器。典型的倾斜计被设计用于测量从垂直水平的变化。全运动倾斜传感器可以使用至少三个轴。当提供合适的计算用于将检测到的加速度值转换成合成矢量角度值时，可以使用能够测量加速度的加速度计作为用于倾斜计的传感器。加速度计可以测量相对于一个、两个或三个轴的倾斜。倾斜计的测量轴通常但不一定是正交的。
对于任何能够测量斜度或倾斜的器件将使用通用术语斜度计。
相关技术的描述
取决于使用目的，斜度计偏移稳定性需求可能是严格的，需要机械上非常稳定的MEMS加速度计传感器元件。锚定、换言之加速度计传感器元件在基板中的锚结构上的悬挂是对于MEMS传感器元件的稳定性的关键因素。为了确保通过MEMS传感器元件的封装的任何机械应力引起最小误差，众所周知的方法是将定子和转子锚结构彼此靠近放置。如果出现机械应力，将使定子和转子类似地变形，从而补偿由这样的变形引起的偏移。还可以通过在每个维度中使用多个检测单元来提高偏移稳定性，以便实现双差分自补偿。然而，如果各个传感器元件的锚彼此远离，则自补偿是不完美的。
US7322242提出了一种具有耦接单个框架型转子和四个定子结构的中心转子锚定区域的微机械结构，四个定子结构布置有在转子锚定区域附近的定子锚定区域。与该现有技术相关的问题在于，尽管使用单个转子能够进行差分检测，但是该器件还会受到用这样的单个转子质量块解决方案不可检测的共模误差。需要能够实现双差分检测的改进的MEMS传感器设计，这也能够消除共模误差。
发明内容
本发明的目的是提供一种MEMS传感器以克服现有技术的缺点。使用根据权利要求1的特征部分的MEMS传感器来实现本发明的目的。在从属权利要求中公开了本发明的优选实施方式。
本发明的实施方式基于这样的想法：将MEMS传感器的多于一个的独立差分传感器元件锚定在相对小的公共锚定区域中，使得独立传感器元件经历大致类似的通过MEMS传感器的封装的机械应力。该布置具有由机械应力引起的误差量最小化的优点。此外，独立传感器元件可以布置成传感器元件对，从而允许对移动的双差分检测。这例如通过允许去除共模误差而带来更多的优点，并且使MEMS传感器能够自检以用于即使在安全关键的应用中确保器件的正确操作。
根据第一方面，提供了一种用于测量线性加速度的具有可移动部件和固定部件的MEMS传感器。该传感器可以包括布置在公共框架结构之内的至少两个相互独立的差分传感器元件。框架结构提供用于MEMS传感器的密封的壁。所述至少两个相互独立的差分传感器元件成对地配置成执行线性加速度的双差分检测。MEMS传感器包括公共锚定区域，成对地配置的差分传感器元件的转子质量块和定子结构锚定至公共锚定区域。公共锚定区域位于成对地配置的差分传感器元件的形心处。
根据第二方面，至少两个成对地配置的相互独立的传感器元件中的每个差分传感器元件包括可移动转子质量块，所述可移动转子质量块通过弹簧悬挂至公共锚定区域内的锚结构。弹簧允许转子质量块在器件的平面内移动。两个不可移动定子结构刚性地锚定至公共锚定区域内的一个或更多个锚结构。每个都由转子质量块的限定数目的转子手指和两个定子结构之一的限定数目的定子手指形成的两个感测电极对被配置成提供差分检测信号。
根据第三方面，至少两个成对地配置的相互独立的传感器元件中的每个差分传感器元件的两个不可移动定子结构在器件的平面内对称地布置在悬挂有可移动转子质量块的弹簧的相对侧。
根据第四方面，至少两个成对地配置的相互独立的差分传感器元件的所有差分传感器元件的转子质量块悬挂至位于公共锚定区域内且位于成对地配置的传感器元件的形心处或附近的公共转子锚结构。
根据第五方面，成对地配置的相互独立的差分传感器元件中的差分传感器元件的转子质量块悬挂至位于公共锚定区域内且位于成对地配置的传感器元件的形心处或附近的单独的转子锚结构。
根据第六方面，成对地配置的相互独立的差分传感器元件中的差分传感器元件的定子结构锚定至位于公共锚定区域内且成对地配置的传感器元件的形心处或附近的公共定子锚结构。
根据第七方面，成对地配置的相互独立的差分传感器元件中的差分传感器元件的定子结构锚定至位于公共锚定区域内且位于成对地配置的传感器元件的形心的附近的多个定子锚结构。
根据第八方面，成对地配置的相互独立的差分传感器元件中的每个差分传感器元件的转子质量块通过直线梁弹簧悬挂至公共锚定区域内的锚结构，从而允许转子质量块在器件的平面内移动，但是防止转子质量块移动离开器件的平面。弹簧限定传感器元件的悬挂轴，悬挂轴沿着弹簧的纵向尺度横穿。
根据第九方面，悬挂相应传感器元件的转子质量块的弹簧被配置为用于相应传感器元件的两个感测电极对的转子电极手指。
根据第十方面，传感器包括两对差分传感器元件，每对具有相对于传感器元件的检测轴倾斜的公共悬挂轴。悬挂轴相互正交，并且差分传感器元件的每一个被配置成具有两个相互正交的检测轴。
根据第十一方面，每个差分传感器元件的悬挂轴相对于所述两个检测轴成45度角。
根据第十二方面，传感器包括两对差分传感器元件，每对具有与相应对传感器元件中的两个传感器元件的检测轴正交的公共悬挂轴。悬挂轴相互正交，并且每个差分传感器元件被配置成具有单个检测轴。
根据第十三方面，传感器包括一对差分传感器元件，该对差分传感器元件具有与该对传感器元件的检测轴正交的公共悬挂轴，并且每个差分传感器元件被配置成具有单个检测轴。
根据第十四方面，成对地配置的相互独立的差分传感器元件中的差分传感器元件的感测电极对被布置在相对于与相应传感器元件对的公共悬挂轴正交的对称轴的镜像位置。每个这样的镜像对称传感器元件对产生在相互相同的方向上变化的电容检测值。
根据第十五方面，成对地配置的相互独立的差分传感器元件中的差分传感器元件的感测电极对成对地对称地配置在成对地配置的相互独立的差分传感器元件的几何中心的相对侧。在几何中心的相对侧的每个这样的感测电极对提供在相互相同的方向上变化的电容检测值。
根据第十六方面，成对地配置的相互独立的差分传感器元件中的差分传感器元件的检测值可以被用于执行自检。自检包括在计算单元中对所有差分传感器元件的检测值进行求和，如果自检检测值的总和等于零，则自检指示传感器正在正确地工作。
根据第十七方面，公共锚定区域在器件的平面内的任何横向尺度不超过MEMS传感器在相同方向上的总的横向尺度的20％。
根据第十八方面，公共锚定区域在器件的平面内的任何横向尺度不超过成对地配置的相互独立的差分传感器元件在相同方向上的总的横向尺度的20％。
附图说明
后面将参照附图结合优选实施方式更详细地描述本发明，在附图中：
图1表示具有四个差分传感器元件的MEMS传感器的第一实施方式，其中所述四个差分传感器元件具有相对于预期的检测轴的倾斜悬挂轴。
图2示出了当受到在负x轴方向上的加速度时图1的传感器元件。
图3示出了具有倾斜悬挂轴的MEMS传感器的第一实施方式的电功能对称。
图4表示具有四个差分传感器元件的MEMS传感器的第二实施方式，其中所述四个差分传感器元件具有相对于预期的检测轴的倾斜悬挂轴。
图5示出了具有四个差分传感器的双轴MEMS传感器的第二实施方式的电功能对称。
图6示出了MEMS传感器的第三实施方式。
图7示出了MEMS传感器的第四实施方式。
图8示出了MEMS传感器的第五实施方式。
图9示出了MEMS传感器的第六实施方式。
图10a和图10b示出了在公共锚定区域内的两个示例性锚结构布置。
具体实施方式
术语悬挂轴是指将转子质量块(又称作转子结构)悬挂至锚结构的弹簧的纵向方向。
器件的平面是指当静止时即没有由于外力而从初始平衡位置移位时MEMS器件的功能性可移动结构的平面。在下面的附图和描述中，器件的平面包括xy平面。MEMS器件的功能性结构沿着器件的该平面的尺度可以被称作横向尺度。
锚结构是指将传感器元件和/或MEMS传感器的功能性结构锚定至基板的结构。锚是在器件的平面内水平地延伸以及还竖向地延伸的三维结构。提及锚结构的位置在特定点例如在结构的形心指示特定点与锚结构在器件的平面内的投影一致。当功能性结构锚定至锚时，取决于结构的预期功能性，功能性结构的悬挂可以是柔性的或者刚性的。当功能性结构意在是可移动的时，悬挂优选地在至少一个维度上是柔性的。这样的可移动结构的示例是转子。当功能性结构意在是稳定的并且固定至一个位置时，则悬挂优选地是刚性的，从而不允许功能性结构的移动。在这样的情况下，可以说功能性结构是刚性锚定的。这样的稳定并且固定的功能性结构的示例是定子。
术语检测轴是指下述线性轴：沿着所述线性轴，传感器器件、传感器元件或电容性电极对能够检测可移动(转子)结构相对于固定(定子)结构的位移、将指示位移的方向和量的检测值返回。检测轴的方向与器件、元件或电极对的相应悬挂轴的方向不同。
差分检测是指通过具有相反的电容变化方向的两个电容电极对来电检测单个可移动(转子)元件的位移。
在后面的实施方式中，使用简化的MEMS传感器作为示例。在实际MEMS器件中，传感器可以包括另外的传感器元件。
图1表示具有四个差分传感器元件(A、B、C、D)的双轴MEMS传感器的第一实施方式，每个差分传感器元件具有相对于预期的检测轴的倾斜悬挂轴。如上所定义的，悬挂轴是指将可移动转子质量块(2)悬挂至锚定区域(1)的弹簧(3)的纵向方向。检测轴意在是在x轴和y轴方向上。在该示例中，全部四个差分传感器元件(A、B、C、D)的转子质量块(2)悬挂至近似位于MEMS传感器的几何中心(形心)处的公共锚定区域(1)，这种方式确保在存在来自封装的任何机械应力的情况下，全部四个传感器元件(A、B、C、D)将受到类似的应力，这些类似的应力将因此利用由传感器元件(A、B、C、D)提供的差分检测而被抵消。公共锚定区域(1)是xy平面内MEMS传感器的总区域内的相对小的区域，并且优选地位于xy平面内换言之器件的平面内MEMS传感器的几何中心(形心)处。如上所定义的，在几何中心(形心)处的放置位置指示MEMS传感器的几何中心位于公共锚定区域(1)的区域内。公共锚定区域(1)的横向尺度与MEMS传感器的横向尺度相比较小。公共锚定区域(在xy平面内)的任何最大横向尺度优选地小于MEMS传感器在相应方向上的总的横向尺度的五分之一(20％)。公共锚定区域(1)的实际形状可以是任何合适的形状。如后面将描述的，一个或更多个锚结构可以位于公共锚定区域(1)内。当提及位于公共锚定区域(1)内的位置时，位置区域的横向尺度被界定为如上所述的公共锚定区域(1)的大小。在公共锚定区域(1)内可以存在一个或若干个锚结构。在使用多于一个锚结构的情况下，转子锚结构与定子锚结构之间的距离比MEMS传感器的横向尺度小。术语与锚结构的位置有关的“附近”还指锚结构在界定的公共锚定区域(1)内，但不一定在该区域的正中心(形心)处。转子和定子锚结构还可以通过使用当前制造工艺可获得的近似最小距离而彼此靠近地布置。优选地，在该公共锚定区域内的锚结构不被传感器的任何移动结构分离。换言之，没有传感器的移动部分位于公共锚定区域内，特别是在布置在公共锚定区域内的锚结构之间没有传感器的移动部分。因此，公共锚定区域还可以被称作仅包括锚结构和被配置成将锚彼此电气地和机械地分离的间隙的整体锚定区域。
每个传感器元件(A、B、C、D)包括通过弹簧(3)悬挂至公共锚定区域(1)内的锚结构的转子质量块(2)。优选地，每个传感器元件的转子质量块(2)和弹簧(3)基本类似，尽管被配置为不同取向。弹簧(3)优选地制成柔性的，使得转子质量块(2)可以在xy平面内移动，该xy平面可以被称作MEMS传感器的平面或者器件的平面，但是在z轴方向上换言之在器件的平面外是刚性的。这种类型的弹簧(3)可以形成为在xy平面上具有窄的横截面但是在z轴维度上相对厚的长直梁。增加的厚度增加了在相应维度上的弹簧因数，从而防止转子质量块(2)在该方向(在该情况下是z轴方向)移动。可以理解的是，尽管该悬挂弹簧(3)耦接至在公共锚定区域(1)内的锚定点，但是转子质量块(2)的实际移动路径可以被认为在围绕该耦接点的圆上。当弹簧(3)长时，该圆的半径大，并且在x方向或y方向上小的位移可以被认为本质上为线性位移。除了围绕耦接点转动外，长弹簧(3)还可以弯曲。多个转子梳指(4a、4b)附接至转子质量块(2)。转子梳指(4a、4b)形成用于检测转子质量块(2)的移动的可移动电极。为了实现差分传感器元件(A、B、C、D)，由附接至两个单独的定子结构(6a、6b)的多个不可移动定子手指(5a、5b)形成不可移动电极。这些定子结构(6a、6b)刚性地耦接至在公共锚定区域(1)内的一个或多个锚结构，使得它们可以被认为是固定结构。当转子质量块(2)和两个定子(6a、6b)通过在相同的公共锚定区域(1)内的公共锚结构或者彼此非常近的锚结构悬挂至基板，由封装引起的任何机械应力将以类似的方式影响这些部件，使得可以补偿这样的应力的影响，以便提高检测的准确性。
转子梳指(4a)和第一定子手指(5a)形成第一感测电极对(A1)，转子梳指(4b)和第二定子手指(5b)形成第二感测电极对(A2)。此外，在该实施方式中，弹簧(3)可以用作额外的转子电极手指，增强从第一感测电极对和第二感测电极对两者接收到的信号。这是通过在弹簧(3)旁边布置另外的定子手指(5a’、5b’)来实现的。在每个传感器元件(A、B、C、D)中的转子梳指和定子梳指形成两个类似的差分感测电极对(A1、A2；B1、B2；C1、C2；D1、D2)。
感测电极对(A1、A2；B1、B2；C1、C2；D1、D2)的物理布局和电气功能布置可以表征为传感器元件(A、C；B、D)并且同时感测电极对是彼此的成对镜像图像：传感器元件D及其感测电极对(D1、D2)是传感器元件A及其感测电极对(A1、A2)的镜像图像，其中镜像被认为是沿着与传感器元件B和C的弹簧(3)的纵向方向相对应的倾斜悬挂轴布置的，换言之，对称轴与相应传感器元件的悬挂轴正交。以类似的方式，如果镜像被认为是沿着与传感器元件A和D的弹簧(3)的纵向方向相对应的倾斜悬挂轴布置的，换言之，对称轴与相应传感器元件的悬挂轴正交，则传感器元件C及其感测电极对是传感器元件B及其感测电极对(B1、B2)的镜像图像。该成对的镜像图像对称甚至应用于感测电极对的电气功能性：每个镜像的感测电极对(A1、D1；A2、D2；B1、C1；B2、C2)的电容变化方向总是相同的。传感器元件的这样的成对布置使得在器件中的传感器元件的数目优选地为偶数。
全部四个弹簧(3)优选地布置成相对于MEMS传感器在x轴方向上的对称轴和MEMS传感器的在y轴方向上的对称轴两者均具有45°(45度)角。换言之，传感器元件(A、B、C、D)中的每一个具有可移动(转子)元件的与检测的移动方向相比的倾斜悬挂轴。优选地，该实施方式中的悬挂轴相对于被检测的加速度/倾斜的优选正交方向即检测轴具有45°角。在实际器件中，在不偏离范围的情况下悬挂轴角度可以有一些偏差，从而悬挂轴与检测轴之间的角度可以在40°与50°之间变化。由于传感器芯片通常是矩形的，所以传感器轴还可以说相对于芯片的边缘具有倾斜或者45°角。在另外的替选实施方式中，悬挂轴与检测轴之间的角度小于40°。
如上表明的，MEMS传感器包括四个传感器元件(A、B、C、D)，所述四个传感器元件具有布置在整个MEMS传感器的公共几何中心(形心)处的公共锚定区域(1)，以便能够补偿由封装引起的应力。在另一实施方式中，四个传感器元件(A、B、C、D)布置在框架的壳体内，使得四个传感器元件(A、B、C、D)的形心与整个MEMS传感器元件的形心不重合。在这样的情况下，布置在对称布置的四个传感器元件(A、B、C、D)的公共几何中心(形心)处的四个传感器元件(A、B、C、D)的公共锚定区域(1)为四个在机械上独立但是在功能上成对耦接的传感器元件的性能提供类似的益处。
图10a和图10b示出了在图1中描述的MEMS传感器的公共锚定区域(1)内的两个示例性锚结构布置。在图10a中示出的实施方式中，弹簧(3)全部锚定至布置在公共锚定区域(1)内且位于MEMS传感器的几何中心(形心)处或附近的单个公共转子锚结构(10)，并且每个定子结构(6)自身的定子锚结构(11)布置在公共锚定区域(1)内且位于MEMS传感器的几何中心(形心)附近并因此也位于公共转子锚结构(10)附近。在图10b中示出的实施方式中，每个转子弹簧自身的转子锚结构(10)在公共锚定区域(1)内且位于MEMS传感器在器件的平面内的几何形心附近，并且每个定子结构自身的定子锚结构(11)在公共锚定区域(1)内。在图中未示出的另外的实施方式中，定子结构(6)的一些或全部可以共享公共定子锚结构。在另一实施方式中，转子悬挂弹簧(3)中的至少一些转子悬挂弹簧具有布置在公共锚定区域(1)内且位于MEMS传感器的几何中心附近的它们自身的转子锚结构，而其他转子可以共享在公共锚定区域(1)内的锚结构。在另一实施方式中，单个公共锚结构布置在公共锚定区域，其对于全部定子结构和悬挂多个传感器元件的转子质量块的所有弹簧是公共的，这例如可以在图1中示出，如果公共锚定区域(1)被认为是单个公共锚结构的话。
现在返回图1，可以注意到，除了在公共锚定区域(1)内的可能共享的锚结构以外，四个传感器元件(A、B、C、D)彼此独立，特别是：转子质量块(2)并不彼此耦接，而是独立移动。框架结构(7)围绕布置在由框架结构(7)形成的壳体中的一组四个传感器元件(A、B、C、D)。框架结构(7)的目的是为MEMS传感器的可移动部分(定子、转子质量块)提供密封的壁。MEMS传感器元件悬挂在基板上，可以向结构添加盖以完成该密封。
图2示出了当受到在正x轴方向上的加速度时图1的传感器元件。这由指向左的块箭头(acc)来指示。可以看出，由于转子质量块(2)的惯性，每个转子质量块(2)现在已经朝向负x轴方向移动。首先关注传感器元件A及其两个感测电极对(A1、A2)。当传感器元件A的转子质量块(2)朝向负x轴移动时，其转子手指(4a)远离第一定子(6a)的定子手指(5a)移动，其转子手指(4b)更靠近第二定子(6b)的定子手指(5b)移动。因此，在第一感测电极对(A1)中的检测电容将减小，而在第二感测电极对(A2)中的检测电容将增大。还可以注意到，弹簧(3)已经远离与其相邻的第一定子的定子手指(5a’)移动，并且更靠近弹簧(3)旁边的第二定子的定子手指(5b’)移动。这种方式，弹簧(3)呈现为用于两个定子(6a、6b)的额外的公共转子手指，从而增强从感测电极对(A1、A2)接收的信号强度。
用CA1标记传感器元件A的第一感测电极对(A1)的检测电容，用CA2标记传感器元件A的第二感测电极对(A2)的电容。第一传感器元件的差分输出可以计算为CA1-CA2。以类似方式将MEMS传感器中的全部四个传感器元件的差分输出组合，由具有四个传感器元件的MEMS传感器给出的总的检测电容可以根据四个不同差分输出计算：
沿着x轴和y轴的差分输出可以例如按下式计算：
C(x)＝-(CA1-CA2)+(CB1-CB2)+(CC1-CC2)-(CD1-CD2)
C(y)＝-(CA1-CA2)-(CB1-CB2)-(CC1-CC2)-(CD1-CD2)
其中传感器元件(A、B、C、D)中的每一个提供差分检测结果，C(x)表示获得的与在x轴方向上的加速度分量相对应的总的差分电容值，C(y)表示获得的与在y轴方向上的加速度分量相对应的总的差分电容值。通过合适的处理，可以根据这些值来计算检测到的加速度在xy平面内任何方向上的方向，并且将加速度的量作为数值来接收。在负x轴方向的示例性移动的情况下，传感器元件A和D的电容的总的变化将示出负值，而传感器元件B和C将返回正值。如果加速度发生在负x轴方向，使得转子元件朝向正x轴方向移动，则传感器元件A和D将示出正值，而传感器元件B和C将返回负值。还可以针对每个感测电极对(A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D2)独立地检测电容的变化。如果全部转子质量块(2)朝向负x轴移动，由于电极手指(4b、5b)彼此更靠近移动，感测电极对A2、B1、C1、D2将示出电容增大，而由于电极手指(4a、5a)彼此远离移动，感测电极对A1、B2、C2、D1将示出电容减小。在另一示例中，如果转子质量块(2)例如由于在负y轴方向上的加速度朝向正y轴移动，则感测电极对A1、B1、C1和D1将检测到电容的增大，而感测电极对A2、B2、C2和D2将检测到电容的减小。可以注意的是，来自不同感测电极对的增大和减小的电容值的组合对于移动的方向总是唯一的，因此尽管每当转子质量块(2)在两个检测轴中的任一个的方向上从其平衡位置移动离开时，通过在每个感测电极对(A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D2)中检测到的电容值的变化，可以检测到移动的方向。通过具有多于一对的差分检测电极，实现了双差分检测。
四重对称双差分布置还提供了用于自检的能力。通过按下式对四个差分输出进行求和：
C(自检)＝(CA1-CA2)+(CB1-CB2)+(CC1-CC2)+(CD1-CD2)，
应当在任何加速度下接收到零输出，除非传感器元件未正确地工作。如果例如MEMS传感器中的任何质量块、弹簧或者质量块的电气接合被破坏，则如上所述的对自检检测值求和的结果将不等于零。该特征在安全关键应用中特别有价值，因为易于检测到和确保MEMS传感器元件正在正确地工作。
可以注意的是，在第一实施方式中的感测电极对具有对称图案。在图3中示出双轴MEMS传感器的第一实施方式的电气功能性的对称。示出了MEMS传感器的概要而未示出细节。示出了四个不同的情况，每个情况表示在不同方向上的加速度：正x轴和负x轴以及正y轴和负y轴。电容的检测到的变化的方向被标记为“+”和“-”符号：如果电容增大，则标记加(+)，如果电容减小，则标记减(-)符号。可以注意的是，在该实施方式中，检测到的变化的方向总是相对于两个对角对称线镜像对称。彼此成对交叉的虚线箭头正交地示出了该对称。四个差分传感器元件中的变化方向的每个组合是唯一的，使得能够检测由x轴和y轴限定的平面内的加速度的任何方向。
图4表示具有四个差分传感器元件(A、B、C、D)的双轴MEMS传感器的第二实施方式，每个差分传感器元件具有相对于预期的检测轴的倾斜悬挂轴。此外，MEMS传感器主要设计用于检测在x轴和y轴方向上的加速度(斜度)。MEMS传感器的基本结构与以上所呈现的结构非常相似，但是可以确定有某些差异。感测电极对(A1、A2；B1、B2；C1、C2；D1、D2)被重新布置，使得电容的变化方向与在第一实施方式中呈现的电容的变化方向不同。传感器元件的结构布置现在鉴于对称y轴而对称，但是感测电极对(A1、A2；B1、B2；C1、C2；D1、D2)不像第一实施方式相对于两个对称轴镜像。相反，传感器元件A和B看起来相似，但是后者顺时针旋转90°。类似地，传感器元件C和D看起来相似，但是后者逆时针旋转90°。此外，通过重新布置定子(5a、5b)和转子手指(4a、4b)的相互位置已改变了传感器元件A和D电容的变化方向。感测电极对(A1、A2；B1、B2；C1、C2)的顺序的重新布置和将传感器元件A和B的感测电极对(A1、A2；B1、B2)中的电容的变化方向改变为与在图1和图2中呈现的那些不同改变了从感测电极对(A1、A2；B1、B2；C1、C2；D1、D2)接收的检测信号的相互关系。然而，每个传感器元件(A、B、C、D)仍然是提供来自两个感测电极对(A1、A2；B1、B2；C1、C2；D1、D2)的差分检测结果的差分传感器元件，并且可以在计算单元中使用检测到的电容变化，以用于计算所检测的加速度和/或斜度的方向和大小。根据该第二实施方式的传感器器件还能够用于双差分检测。如图4中的“交叉耦接”布置可以提供另外的益处，例如可以具有提高的能力来补偿在传感器元件中的某些误差源，例如寄生电容。
例如，在正x轴方向的加速度/斜度导致转子元件(A、B、C、D)朝向负x轴移动的情况下，由于相应转子手指(4b)远离相应定子手指(5b)移动，感测电极对A2、B1、C2和D1的电容将减小，而由于相应转子手指(4a)远离对应的定子手指(5a)移动，感测电极对A1、B2、C1和D2的电容将增大。作为第二示例，在正y轴方向的加速度/斜度导致转子元件(A、B、C、D)朝向负y轴移动的情况下，由于每个相应转子结构(2)的相应转子手指(4a)朝向对应的定子手指(5a)移动，感测电极对A1、B1、C2和D2的电容将增大，而同时感测电极对A2、B2、C1和D1的电容将减小。
可以在每个传感器元件(A、B、C、D)的电极手指的布置中特别是在定子电极手指(5a、5b)中检测到另外的差异。在该实施方式中，弹簧(3)不被用作另外的转子电极手指，因此两个定子(6a、6b)具有与转子电极手指(4a、4b)的对应的数目相等的电极手指(5a、5b)的数目。
尽管在图4中的MEMS传感器的布局在全部方向不是完全对称的，应当理解，结构的形心与在图1中呈现的结构的形心类似，位于公共锚定结构(1)的中心处。
可以注意的是，在第二实施方式中的感测电极对具有对称的图案。在图5中示出双轴MEMS传感器的第二实施方式的电气功能对称。示出了MEMS传感器的概要而没有示出细节。示出了四个不同的情况，每个表示在不同方向的加速度：正x轴和负x轴以及正y轴和负y轴。检测到的电容的变化的方向以“+”和“-”符号标记：如果电容增大，则标记正(+)，如果电容减小，则标记负(-)符号。注意的是，在该实施方式中，检测到的变化的方向总是相对于MEMS器件的几何中心镜像对称。穿过几何中心的虚线箭头示出该对称。四个差分传感器元件中的变化的方向的每个组合是唯一的，传感器能够进行双差分检测。
图6呈现了单轴MEMS传感器形式的本发明的第三实施方式。该传感器能够检测沿着x轴的加速度/斜度。如前面的示例，使用将传感器元件悬挂在一个公共锚结构(1)中的相同原理：锚定区域(1)对于全部传感器元件结构是公共的，但是该区域可以包括布置在MEMS传感器的几何中心或附近的一个或更多个锚结构，每个锚结构支撑一个或更多个传感器元件结构。与前两个实施方式相比，该布置更加常规，即现在悬挂弹簧(3)的方向、换言之悬挂轴现在与检测轴(x轴)正交。
该MEMS传感器具有与前述实施方式相同的部分，即支撑两个传感器元件(A、D)的公共锚定区域(1)。每个传感器元件具有通过长弹簧(3)柔性地悬挂至位于公共锚定区域(1)内的一个或更多个锚结构的转子结构(2)以及刚性地锚定至位于公共锚定区域(1)内的一个或更多个锚结构的两个定子结构(6a、6b)。多个转子手指(4a、4b)与耦接至固定定子结构(6a、6b)的相应定子手指(5a、5b)形成电容感测电极对(A1、A2；D1、D2)。框架结构(7)围绕传感器元件。在该实施方式中，为了增加感测电极对(A1、A2；D1、D2)的总面积，另外的定子电极手指(5a’、5b’)布置在弹簧(3)旁边，从而能够提供更强的检测信号。
当在x轴方向发生加速度时，两个传感器元件(A、D)提供差分检测信号。因此，即使该简单的单轴设计也可以使用具有提高的自检能力和提高的误差改正能力的双差分检测。当在正x轴方向发生加速度使得转子质量块(2)由于它们的惯性朝向负x轴方向移动时，由感测电极对A1和D1检测到的电容将增大，因为对应的电极梳状对(5a、4a；5a’、4a)彼此靠近移动，而由感测电极对A2和D2检测到的电容将减小。可以注意的是，该示例相对于横穿过MEMS传感器的几何中心的x轴和y轴是对称的。公共锚定区域(1)可以包括多于一个的布置在MEMS传感器的形心处或附近的多个锚结构。至于MEMS传感器的结构，可以针对x轴方向对称轴和y轴方向对称轴检测镜像图像对称。结构对称和电气功能对称是鉴于与悬挂轴正交并因此与x轴对齐并且横穿过MEMS传感器的几何中心的对称轴镜像对称的。该类型的对称允许通过使用弹簧(3)作为转子电极手指来增加额外的电极梳对，从而增强从电极对接收到的检测信号的水平。
图7示出了单轴MEMS传感器形式的第四示例性实施方式。该布置与图4中呈现的布置类似。转子结构(A、D)的悬挂轴与检测轴正交。然而，感测电极对D1和D2的电极手指(4a、4b、5a、5b)的相互位置已经重新布置，并且已经省略在先前实施方式中用于使用弹簧(3)作为转子电极手指的附加的定子电极手指。该结构仅相对于横穿过MEMS传感器的几何中心的y轴方向对称轴(悬挂轴)几何对称。鉴于电气功能性，传感器元件被布置成使得感测电极对A1和D2的电容将相互以类似的方式改变，感测电极对A2和D1的电容将改变成相同的方向。该布置可以被认为以与第二实施方式类似的方式鉴于MEMS传感器的几何中心对称。如此布置感测电极对交叉镜像对于补偿由封装引起的某些类型的应力会是有益的。例如，与第三实施方式相比，利用该结构可以更有效地补偿由于盖晶片变形引起的寄生电容。
图8和图9示出了以双轴MEMS传感器形式的第五实施方式和第六实施方式。现在检测轴是x轴和y轴，并且布置成差分地检测这些方向中的任一个的传感器元件的每对鉴于相应检测轴正交地悬挂。每个传感器元件(A、B、C、D)的悬挂轴与相同传感器元件(A、B、C、D)的检测轴正交。传感器元件A和D被布置成检测在x轴方向上的加速度/斜度，传感器元件B和D被布置成检测在y轴方向上的加速度/斜度。如在全部较早的实施方式中那样，全部四个传感器元件通过长弹簧(3)悬挂至布置在整个MEMS传感器的几何中心处或附近的公共锚定区域(1)。此外，布置单个公共锚结构或者多于一个锚结构可以被布置在MEMS传感器的几何中心处或附近的公共锚定区域(1)。传感器元件A和D被布置成用于检测在x轴方向上的加速度/斜度，传感器元件B和C被布置成用于检测沿y轴方向的加速度/斜度。器件还可以容易地旋转90°以便切换检测轴。
在图8中呈现的第五实施方式中，结构布置和电气功能布置二者都鉴于与相应传感器元件的悬挂轴正交的对称轴对称，其与MEMS传感器的外边缘对齐。使用相应弹簧(3)作为转子电极布置额外的定子电子指(5a’、6a’)来增强检测信号的水平。
当在x轴方向发生检测时，感测电极对A1和D1的电容在相互相同的方向变化，感测电极对A2和D2的电容也在相互相同的方向变化，但是与前者方向相反。当在y轴方向发生检测时，感测电极对B1和C1的电容在相互相同的方向变化，感测电极对B2和C2的电容也在相互相同的方向变化，但是与前者方向相反。因此，感测电极对(A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D2)的布置鉴于与每对镜像元件的悬挂轴正交的悬挂轴对齐的两个对称轴镜像对称。
在图9中呈现的第六实施方式中，为了改变不同电极梳的相对检测方向，完整的结构对称性被打破。在该情况下，感测电极对(A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D2)的检测方向的电气功能对称相对于MEMS传感器的几何中心成对地对称。在该第六实施方式中，已经省略了使用弹簧作为额外的转子电极梳，使得为此目的没有添加额外的定子电极梳。
对于本领域的技术人员明显的是，随着技术的进步，可以以各种方式实现本发明的基本思想。因此，本发明及其实施方式不限于上述示例，而是可以在权利要求书的范围内变化。

Claims (18)

1.一种用于测量线性加速度的具有可移动部件和固定部件的MEMS传感器，所述MEMS传感器包括布置在公共框架结构之内的至少两个相互独立的差分传感器元件，所述框架结构提供用于所述MEMS传感器的密封的壁，其中，所述至少两个相互独立的差分传感器元件成对地配置成执行所述线性加速度的双差分检测，其特征在于，所述MEMS传感器包括：
公共锚定区域，所述成对地配置的差分传感器元件的转子质量块和定子结构锚定至所述公共锚定区域，所述公共锚定区域位于所述成对地配置的差分传感器元件的形心处。
2.根据权利要求1所述的MEMS传感器，其中，所述至少两个成对地配置的相互独立的差分传感器元件中的每个差分传感器元件包括：
-可移动转子质量块，所述可移动转子质量块通过弹簧悬挂至所述公共锚定区域内的锚结构，所述弹簧允许所述转子质量块在所述器件的平面内移动；以及
-两个不可移动定子结构，所述两个不可移动定子结构刚性地锚定至所述公共锚定区域内的一个或更多个锚结构，
其中，每个都由所述转子质量块的限定数目的转子手指和所述两个定子结构之一的限定数目的定子手指形成的两个感测电极对被配置成提供差分检测信号。
3.根据权利要求2所述的MEMS传感器，其中，所述至少两个成对地配置的相互独立的差分传感器元件中的每个差分传感器元件的所述两个不可移动定子结构在所述器件的平面内对称地布置在悬挂有所述可移动转子质量块的所述弹簧的相对侧。
4.根据权利要求2至3中的任一项所述的MEMS传感器，其中，所述至少两个成对地配置的相互独立的差分传感器元件中的差分传感器元件的所述转子质量块悬挂至位于所述公共锚定区域内且位于所述成对地配置的差分传感器元件的形心处或附近的公共转子锚结构。
5.根据权利要求2至3中的任一项所述的MEMS传感器，其中，所述成对地配置的相互独立的差分传感器元件中的差分传感器元件的所述转子质量块悬挂至位于所述公共锚定区域内且位于所述成对地配置的差分传感器元件的形心处或附近的单独的转子锚结构。
6.根据权利要求2至5中的任一项所述的MEMS传感器，其中，所述成对地配置的相互独立的差分传感器元件中的差分传感器元件的定子结构锚定至位于所述公共锚定区域内且位于所述成对地配置的差分传感器元件的形心处或附近的公共定子锚结构。
7.根据权利要求2至5中的任一项所述的MEMS传感器，其中，所述成对地配置的相互独立的差分传感器元件中的差分传感器元件的定子结构锚定至位于所述公共锚定区域内且位于所述成对地配置的差分传感器元件的形心的附近的多个定子锚结构。
8.根据权利要求2至7中的任一项所述的MEMS传感器，其中，所述成对地配置的相互独立的差分传感器元件中的每个差分传感器元件的所述转子质量块通过直线梁弹簧悬挂至所述公共锚定区域内的锚结构，从而允许所述转子质量块在所述器件的平面内移动，但是防止所述转子质量块移动离开所述器件的平面，所述弹簧限定所述传感器元件的悬挂轴，所述悬挂轴沿着所述弹簧的纵向尺度横穿。
9.根据权利要求2至8中的任一项所述的MEMS传感器，其中，悬挂相应传感器元件的所述转子质量块的所述弹簧被配置为用于相应传感器元件的两个感测电极对的转子电极手指。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的MEMS传感器，包括：
-两对差分传感器元件，每对具有相对于所述传感器元件的检测轴倾斜的公共悬挂轴，其中，所述悬挂轴相互正交；
-其中，每个所述差分传感器元件被配置成具有两个相互正交的检测轴。
11.根据权利要求10所述的MEMS传感器，其中，每个差分传感器元件的所述悬挂轴相对于所述两个检测轴成45度角。
12.根据权利要求1至9中的任一项所述的MEMS传感器，包括：
-两对差分传感器元件，每对具有与相应对传感器元件中的两个传感器元件的检测轴正交的公共悬挂轴，所述悬挂轴相互正交；其中，
-每个所述差分传感器元件被配置成具有单个检测轴。
13.根据权利要求1至9中的任一项所述的MEMS传感器，包括：
-一对差分传感器元件，该对差分传感器元件具有与该对传感器元件的检测轴正交的公共悬挂轴；其中，
-每个所述差分传感器元件被配置成具有单个检测轴。
14.根据权利要求2至13中的任一项所述的MEMS传感器，其中，所述成对地配置的相互独立的差分传感器元件中的差分传感器元件的所述感测电极对被布置在相对于与相应传感器元件对的公共悬挂轴正交的对称轴的镜像位置，并且其中，每个这样的镜像对称传感器元件对产生在相互相同的方向上变化的电容检测值。
15.根据权利要求2至13中的任一项所述的MEMS传感器，其中，所述成对地配置的相互独立的差分传感器元件中的差分传感器元件的所述感测电极对成对地对称地配置在所述成对地配置的相互独立的差分传感器元件的几何中心的相对侧，并且其中，在所述几何中心的相对侧的每个这样的感测电极对提供在相互相同的方向上变化的电容检测值。
16.根据权利要求1至15中的任一项所述的MEMS传感器，其中，所述成对地配置的相互独立的差分传感器元件中的差分传感器元件的检测值能够被用于执行自检，其中，所述自检包括在计算单元中对所有差分传感器元件的所述检测值进行求和，并且其中，如果所述自检检测值的总和等于零，则所述自检指示所述传感器正在正确地工作。
17.根据权利要求1至16中的任一项所述的MEMS传感器，其中，所述公共锚定区域在所述器件的平面内的任何横向尺度不超过所述MEMS传感器在相同方向上的总的横向尺度的20％。
18.根据权利要求1至16中的任一项所述的MEMS传感器，其中，所述公共锚定区域在所述器件的平面内的任何横向尺度不超过所述成对地配置的相互独立的差分传感器元件在相同方向上的总的横向尺度的20％。
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