CN111417837B - 具有偏移锚负载抑制的mems传感器 - Google Patents

Abstract

一种MEMS传感器包括MEMS层、盖层和基板层。MEMS层包括悬置的弹簧‑质块系统，该悬置的弹簧‑质块系统响应于感测到的惯性力而移动。悬置的弹簧‑质块系统从一个或多个锚悬置。锚通过锚定部件耦合到盖层和基板层中的每一个。锚定部件被偏移，使得施加到盖层或基板层的力引起锚的旋转，并且使得悬置的弹簧‑质块系统基本上保持在原始MEMS层内。

Description

具有偏移锚负载抑制的MEMS传感器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年11月30日提交的美国申请No.15/828,323的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

背景技术

诸如智能电话、智能手表、平板电脑、汽车、空中无人机(aerial drone)、电器、飞行器、运动辅助设备和游戏控制器之类的许多物品在其操作期间可以利用运动传感器。在许多应用中，各种类型的运动传感器(诸如加速度计和陀螺仪)可以被独立或一起分析以便确定用于特定应用的各种信息。例如，陀螺仪和加速度计可以用于游戏应用(例如，智能电话或游戏控制器)以捕获用户的复杂运动，无人机和其它飞行器可以基于陀螺仪测量(例如，滚动、俯仰(pitch)和偏航(yaw))确定朝向，并且车辆可以利用测量确定方向(例如，用于航位推算(dead reckoning))和安全性(例如，以识别打滑或翻滚状况)。

诸如加速度计和陀螺仪之类的运动传感器可以被制造为使用半导体制造技术制造的微机电(MEMS)传感器。MEMS传感器可以包括可移动检测质块，可移动检测质块可以对诸如线性加速度(例如，对于MEMS加速度计)、角速度(例如，对于MEMS陀螺仪)和磁场之类的力作出响应。可以基于检测质块的响应于力的移动来测量这些力对可移动检测质块的操作。在一些实现中，基于可移动检测质块和感测电极之间的距离来测量这种移动，可移动检测质块和感测电极形成用于感测移动的电容器。

MEMS传感器可以由接合在一起的多个层构成，诸如盖层、MEMS层和基板层。MEMS传感器的可移动MEMS部件可以位于MEMS层内并且锚定到盖层和基板层中的一者或两者。如果MEMS部件相对于感测电极的位置与预期位置不同，那么用于确定惯性力的电容会不正确。与MEMS部件的预期位置的偏离可以是由多种情形(诸如制造公差、制造误差、与其它部件的封装或传感器操作期间经受的应力)造成的。

发明内容

在本公开的实施例中，示例性微机电(MEMS)设备包括：接合到盖层并接合到基板层的锚系统，经由弹簧耦合到锚系统的检验质块，以及耦合在检验质块与基板层之间的感测元件，其中感测元件响应于检验质块在第一方向上的运动而输出信号。在实施例中，施加到锚系统的力使锚系统和弹簧在第一方向上移动，并且当第一力施加到锚系统时，检验质块基本上保持静止。

在本公开的实施例中，示例性微机电(MEMS)设备包括：盖，其耦合到第一锚定系统；基板，其耦合到第二锚定系统，其中至少一个感测电极位于基板的表面上；以及MEMS层，其接合到盖和基板中的每一个以定义腔体，其中MEMS层包括悬置的弹簧-质块系统。在实施例中，悬置的弹簧-质块系统包括：至少一个可移动质块，其中至少一个可移动质块的至少一部分位于与至少一个感测电极相距第一距离处以形成至少一个感测电容器；以及至少一个锚定质块，其耦合到至少一个可移动质块以将至少一个可移动质块悬置在MEMS层内，其中至少一个锚定质块耦合到第一锚定系统的至少一部分和第二锚定系统的至少一部分，并且其中响应于在垂直于MEMS层的方向上的力，第一锚定系统和第二锚定系统使至少一个锚定质块在该力的方向上移动，并且使得至少一个可移动质块保持与至少一个感测电极相距第一距离以形成至少一个感测电容器。

在本公开的实施例中，示例性微机电(MEMS)设备包括：盖；基板，其中至少一个感测电极位于基板的表面上；以及MEMS层，其接合到盖和基板中的每一个以定义腔体，其中MEMS层包括悬置的弹簧-质块系统。在实施例中，MEMS设备还包括：至少一个支柱，其耦合到盖和悬置的弹簧-质块系统的一个或多个锚定质块；以及至少一个支座，其耦合到盖和悬置的弹簧-质块系统的一个或多个锚定质块，其中至少一个支座相对于至少一个支柱偏移，使得至少一个支座和至少一个支柱在一个或多个锚定质块的相对的面上不重叠，并且其中，响应于垂直于MEMS层的力，一个或多个锚定质块在该力的方向上移动，并且弹簧-质块系统的至少一个检验质块基本静止。

附图说明

结合附图考虑以下详细描述，本公开的上述和其它特征、其性质以及各种优点将变得更加清楚，其中：

图1示出了根据本公开实施例的例示性运动感测系统；

图2示出了根据本公开实施例的例示性MEMS传感器；

图3A示出了根据本公开一些实施例的具有垂直堆叠的锚的例示性MEMS传感器的部件的横截面；

图3B示出了根据本公开一些实施例的经历垂直压缩力的具有垂直堆叠的锚的例示性MEMS传感器的部件的横截面；

图4示出了根据本公开一些实施例的经历垂直压缩力的具有垂直堆叠的锚的MEMS加速度计的例示性MEMS层；

图5A示出了根据本公开一些实施例的具有偏移锚的例示性MEMS传感器的部件的横截面；

图5B示出了根据本公开一些实施例的经历垂直压缩力的具有偏移锚的例示性MEMS传感器的部件的横截面；以及

图6示出了根据本公开一些实施例的经历垂直压缩力的具有偏移锚的MEMS加速度计的例示性MEMS层。

具体实施方式

惯性传感器被设计和制造为微机电(MEMS)加速度计。MEMS层使用半导体处理技术形成以包括传感器的机械部件和与MEMS加速度计的其它部件(诸如位于传感器管芯内或传感器管芯外部的CMOS电路系统，位于传感器管芯内的CMOS电路系统例如是还用作基板或盖层的CMOS层)的电连接。MEMS层被气密密封在其它半导体层(诸如下面的基板层和盖层)内。

MEMS层包括悬置的弹簧-质块系统，其中一个或多个检验质块通过弹簧悬置在MEMS层内。检验质块的移动受到弹簧的限制，以及在一些实施例中受到诸如质块和杠杆之类的附加部件的限制。这些弹簧和附加部件共同促进检验质块沿着一个或多个用于感测线性加速度的轴的运动。感测电极在感测的线性加速度的方向上与每个检验质块(或在一些实施例中，与附加感测质块)相邻定位，从而形成基于检验质块与感测电极之间的距离而改变的电容器。在示例性z轴加速度计中，感测电极位于平行于检验质块的另一层上。

悬置的弹簧-质块系统从锚悬置，该锚进而被固定到盖层和基板层中的一者或两者以使得锚不会响应于感测到的惯性力而移动。在本公开的实施例中，锚包括在MEMS层内的两个锚定质块。每个锚定质块通过相应的锚定部件接合到盖层和基板层两者。锚定质块与锚定部件的接合被偏移(例如，从锚定质块到基板锚定部件的接合相对于锚定质块到盖锚定部件的接合偏移)，使得接合的至少75％是不重叠的。

在各种情形下，诸如由于MEMS惯性传感器的制造、与设备中其它部件的组装以及最终应用，力会被施加到盖层和/或基板层。由于锚定质块与锚定部件的接合的偏移，从盖或基板分配到锚定质块的力(例如，经由锚定部件)造成锚定质块的旋转。这导致锚定质块在力的方向上的旋转位移和悬置的弹簧-质块系统在相反方向上的抵消位移。因此，悬置的弹簧-质块系统在MEMS层内基本上保持对准，其中与原始MEMS层位置的平面的角度小于5％。

图1描绘了根据本公开一些实施例的示例性运动感测系统10。虽然图1中描绘了特定部件，但是应该理解的是，可以根据不同应用和系统的需要来利用传感器、处理部件、存储器和其它电路系统的其它合适组合。在如本文所述的实施例中，运动感测系统可以至少包括MEMS惯性传感器12(例如，单轴或多轴加速度计、单轴或多轴陀螺仪或其组合)和支持电路系统(诸如处理电路系统14和存储器16)。在一些实施例中，一个或多个附加传感器18(例如，附加的MEMS陀螺仪、MEMS加速度计、MEMS麦克风、MEMS压力传感器和罗盘)可以包括在运动处理系统10内以提供集成运动处理单元(“MPU”)(例如，包括3轴MEMS陀螺仪传感、3轴MEMS加速度计传感、麦克风、压力传感器和指南针)。

处理电路系统14可以包括基于运动处理系统10的要求提供必要处理的一个或多个部件。在一些实施例中，处理电路系统14可以包括硬件控制逻辑，该硬件控制逻辑可以集成在传感器的芯片内(例如，在MEMS惯性传感器12或其它传感器18的基板或帽上，或者在芯片的与MEMS惯性传感器12或其它传感器18的相邻部分上)，以控制MEMS惯性传感器12或其它传感器18的操作并执行MEMS惯性传感器12或其它传感器18的处理方面。在一些实施例中，MEMS惯性传感器12和其它传感器18可以包括一个或多个寄存器，其允许修改硬件控制逻辑的操作的各方面(例如，通过修改寄存器的值)。在一些实施例中，处理电路系统14还可以包括诸如微处理器之类的处理器，其执行软件指令，例如存储在存储器16中的软件指令。微处理器可以通过与硬件控制逻辑交互来控制MEMS惯性传感器12的操作，并处理从MEMS惯性传感器12接收的信号。微处理器可以以类似的方式与其它传感器交互。

虽然在一些实施例中(图1中未绘出)，MEMS惯性传感器12或其它传感器18可以直接与外部电路系统通信(例如，经由串行总线或到传感器输出端和控制输入端的直接连接)，但是在一个实施例中，处理电路系统14可以处理从MEMS惯性传感器12和其它传感器18接收的数据，并经由通信接口20(例如，SPI或I2C总线，或者在汽车应用中的控制器局域网(CAN)或本地互连网络(LIN)总线)与外部部件通信。处理电路系统14可以将从MEMS惯性传感器12和其它传感器18接收到的信号转换成适当的测量单位(例如，基于由通过通信总线20通信的其它计算单元提供的设置)，并执行更复杂的处理以确定诸如朝向或Euler角之类的测量，并且在一些实施例中，以从传感器数据确定是否正在发生特定活动(例如，行走、跑步、制动、打滑、滚动等)。

在一些实施例中，可以基于来自多个MEMS惯性传感器12和其它传感器18的数据在可以被称为传感器融合的处理中确定某些类型的信息。通过组合来自各种传感器的信息，可以能够准确地确定在各种应用(诸如图像稳定、导航系统、汽车控制和安全、航位推算、遥控和游戏设备、活动传感器、三维相机、工业自动化和许多其它应用)中有用的信息。

示例性MEMS惯性传感器(例如，MEMS惯性传感器12)可以包括一个或多个可移动检测质块，其以允许MEMS惯性传感器(例如，MEMS加速度计或MEMS陀螺仪)测量沿着轴的期望力(例如，线性加速度、角速度、磁场等)的方式配置。在一些实施例中，一个或多个可移动检测质块可以从锚定点悬挂，锚定点可以指MEMS传感器的固定的任何部分，诸如附接到平行于设备的MEMS层的基板层(例如，CMOS层)的锚、平行于MEMS层的盖层、设备的MEMS层的框架或MEMS设备的相对于可移动检测质块固定的任何其它合适部分。检测质块可以以使得它们响应于测得的力而移动的方式布置。检测质块响应于测得的力的相对于固定表面(例如，延伸到MEMS层中或者平行于基板上的可移动质块定位的固定的感测电极)的运动被测量和缩放，以确定期望的惯性参数。

MEMS惯性传感器在广泛的最终用途环境中用于各种应用，范围从消费者应用中的可穿戴和物联网(IoT)设备到车辆和工业环境。特定的MEMS惯性传感器封装可以用在数百甚至数千个不同的最终用途设备中，每个设备具有它自己与其它设备部件的独特组装和封装以及独特的最终用途应用。这些设备中的许多都被小型化，并且要求将MEMS惯性传感器封装组装成紧邻其它部件或者以使得MEMS惯性传感器经受外部应力的方式进行组装。因而，由于制造、组装和最终用途应用，MEMS惯性传感器封装可能经受多种力。在一些实施例中，这些力可以施加在传感器的盖层或基板层上，并且通过与那些层中的一者或两者的连接而施加到MEMS设备层。如果这些力导致某些MEMS层部件(例如，与感测电极形成电容器的检验质块)的位置的移位，那么会对MEMS惯性传感器的准确性和灵敏度造成负面影响。

图2图示了根据本公开实施例的例示性MEMS惯性传感器200。在实施例中，MEMS惯性传感器200包括盖层201、MEMS层202和基板层203。在MEMS惯性传感器200的制造过程期间，可以使用半导体制造技术来产生这些层中的每个层的功能部件，诸如MEMS层202的悬置的弹簧-质块系统、盖层201的支柱，以及基板层203的支座、电极和处理电路系统。MEMS层202可以接合到盖层201和基板层202中的每一个，从而形成腔体205。

MEMS惯性传感器200的功能部件可以位于腔体205内，并且在示例性实施例中可以包括锚定质块204、弹簧208和212、检验质块206和214、感测电极216和218、支柱220和支座222。可以在MEMS层202内形成锚定质块204、弹簧208和212以及检验质块206和214。在示例性实施例中，锚定质块204可以接合到盖层201的支柱220和基板层203的支座，使得锚定质块204的位置在MEMS惯性传感器的操作期间是固定的。弹簧208和212可以耦合到锚定质块204(在图2的横截面中未示出的耦合)，并且还可以耦合到检验质块206和214(在图2的横截面中未示出的耦合)。弹簧208和212以及检验质块206和214可以统称为悬置的弹簧-质块系统，并且在图2的示例性实施例中，其从锚定质块204悬置。

虽然出于各种目的(感测电极、补偿电极、驱动电极等)感测电极可以位于各种位置(例如，在平面内、平面外等)，但是在图2的示例性实施例中，感测电极216和218位于基板层203的表面上。感测电极216定位成与检验质块206相邻且平行，并与检验质块206形成第一电容器，而感测电极218定位成与检验质块214相邻且平行，并与检验质块214形成第二电容器。第一电容器和第二电容器中的每一个的电容基于相应的感测电极与检验质块之间的距离。如果这个距离改变，那么测得的电容的绝对值可能不与实际的惯性力对应，或者测得的电容的改变会是成比例地更小(例如，如果检验质块与感测电极之间的距离增加，那么由于惯性力引起的距离的改变将导致电容的成比例更小的改变)或成比例地更大(例如，如果检验质块与检测电极之间的距离减小，那么由于惯性力引起的距离的改变将导致电容的成比例更大的改变)。

如本文所述，由于制造、组装和最终用途应用，MEMS惯性传感器封装可能经受各种力。在一些实施例中，这些力可以施加在传感器的盖层或基板层上(例如，作为盖力230和/或基板力240)，并且通过与这些层中的一者或两者的连接而施加到MEMS设备层。如果这些力导致某些MEMS层部件(例如，与感测电极形成电容器的检验质块)的位置移位，那么会对MEMS惯性传感器的准确性和灵敏度造成负面影响。

图3A示出了根据本公开一些实施例的具有垂直堆叠的锚的例示性MEMS传感器的部件的横截面，其中顶视图在图4的截面图中示出。在图3A中描绘的示例性横截面中，为了易于例示，省略了MEMS传感器的某些部分(例如，接合的侧壁、悬置的弹簧-质块系统的部分等)。在图3A中描绘的示例性实施例中，MEMS层包括第一检验质块304a、第一弹簧306a、锚定质块310、第二弹簧306b和第二检验质块304b。第一弹簧306a将第一检验质块304a耦合到锚定质块310，而第二弹簧306b将第二检验质块304b耦合到锚定质块310。虽然在图3A和3B的横截面图中未示出，但是在示例性实施例中，第一检验质块304a耦合到第二检验质块304b。

盖层301位于MEMS层上方，并且基板层302位于MEMS层下方。MEMS层的上部x-y平面表面面对盖层301的下部x-y平面表面，而MEMS层的下部x-y平面表面面对基板层302的上部x-y平面表面。感测电极314和316位于基板302的上部x-y平面表面上。感测电极316与检验质块304a形成电容器，并且感测电极314与检验质块304b形成电容器。

锚定部件312(例如，支柱)在盖301和锚定质块310之间延伸，从而在锚定质块310的上部x-y平面表面的一部分上形成接合表面。另一个锚定部件308(例如，支座)在基板302和锚定质块310之间延伸，从而在锚定质块310的下部x-y平面表面的一部分上形成接合表面。在图3A的实施例中，支柱312和支座308在x-y平面内基本对准，使得支柱312的中心轴穿过支座308，并且支座308的中心轴穿过支座312。在图3A的示例性实施例中，支柱312和支座308可以基本对准，使得锚定质块310到支柱312的接合表面完全重叠锚定质块310到支座308的接合表面。在其它实施例中，接合表面的重叠可以不完全(例如，部分偏移但大部分重叠的支柱和支座，在中心点重叠但主要不同(例如x轴和y轴)延伸的支柱和支座)，但可以足以使得施加到支柱或支座的z轴力被其它部件作为垂直于与锚定质块的接合平面的力经历。

图3B示出了根据本公开一些实施例的经历垂直力的具有垂直堆叠的锚的示例性MEMS传感器的部件的横截面。如本文所述，出于各种原因，诸如在制造期间、与最终设备中的其它部件的组装或使用期间，MEMS传感器可能在传感器的盖或基板上经历力。在一些情况下(例如，由于制造或组装)，这些力在MEMS传感器的使用寿命期间可以是永久的。在图3B的示例性实施例中，图3A的MEMS传感器在盖层301上经历负z轴力330。

在图3B的示例性实施例中，力330从盖层分布到支柱312(以及分布到其它部件，诸如在图3A中未绘出的MEMS传感器的侧壁)。因为锚定质块310和支座直接垂直接合，所以分布到支柱312的相同的力也分布到锚定质块310和支座308，并通过这些部件分布到基板308。在一些实施例中，力330可以足以使得锚定质块310(以及支柱312和盖301)经历相对于基板302的负z方向位移。虽然这个位移可以以各种方式发生，但在图3B的示例性实施例中，施加到支座308的压缩力(例如，由于力330和由基板308施加的抵消力)可以足以引起支座308的物理压缩。在图3B的实施例中，与锚定质块连接的悬置的弹簧-质块系统(例如，检验质块304a和304b以及弹簧306a和306b)也可以经历锚定质块的负z轴位移。

在图3A和3B中，通过初始上部MEMS平面320、初始下部MEMS平面322、位移的上部MEMS平面324和位移的下部MEMS平面326描绘了由于力330而引起的MEMS层部件的z轴位移。如从这些平面的比较可以看出的，整个MEMS平面已经在负z方向上朝着基板302以及感测电极314和316位移。由于这种位移，无论MEMS传感器是否正在感测测量的外力，图3B的电容器都可以具有比图3A的电容器更高的电容。另外，图3B的电容器可以具有比图3A的电容器更高的灵敏度和更低的分辨率。

图4示出了根据本公开一些实施例的经历垂直压缩力的具有垂直堆叠的锚的平面外感测MEMS加速度计的例示性MEMS层。图4描绘了采用特定配置并具有特定属性的特定部件。本领域普通技术人员将理解的是，根据本公开，可以以各种方式修改图4。图4的部件在MEMS设备层内形成，并且包括形成平行的x-y平面的在MEMS设备层的相对侧上的两个平行的MEMS设备平面。虽然在图4中未绘出，但是基板层可以定位成在负z方向上在下部MEMS设备平面下方并且平行于下部MEMS设备平面，而盖层可以定位成在正z方向上在上部MEMS设备平面上方并且平行于上部MEMS设备平面。

在一些实施例中，图4的加速度计可以包括第一传感器部分401和第二传感器部分403，每个传感器部分包括相似或相同的部件。第一传感器部分和第二传感器部分被定向成使得与检验质块402相关联的(即，第一传感器部分401的)和与检验质块418相关联的(即，第二传感器部分402的)质块的中心响应于沿着z轴的线性加速度而引起反相移动。

在实施例中，第一传感器部分401包括锚定质块410，该锚定质块410可以通过支柱442耦合到盖层(未绘出)，并通过支座440耦合到基板层(未绘出)。支柱442可以接合到锚定质块410的上部x-y平面，而支座440可以接合到锚定质块410的下部x-y平面。在图4的示例性实施例中，与支柱442的接合的区域可以和与支座440的接合的区域完全重叠，使得支柱442、锚定质块410和支座440关于沿着z轴的力垂直对准。

悬置的弹簧-质块系统可以从锚定质块410悬置。锚定质块410可以通过扭力弹簧404和416耦合到检验质块402。在图4的示例性实施例中，检验质块402可以是非对称检验质块。扭力弹簧404和416可以沿着x轴基本上是刚性的，可以允许沿着y轴有限的移动，并且可以具有相当大的扭转顺应性以促进检验质块402的旋转。

在实施例中，第二传感器部分403包括锚定质块426，该锚定质块426可以通过支柱452耦合到盖层(未绘出)并且通过支座450耦合到基板层(未绘出)。支柱452可以接合到锚定质块426的上部x-y平面，而支座450可以接合到锚定质块450的下部x-y平面。在图4的示例性实施例中，与支柱452的接合的区域可以和与支座450的接合的区域完全重叠，使得支柱452、锚定质块426和支座450关于沿着z轴的力垂直对准。

悬置的弹簧-质块系统可以从锚定质块426悬置。锚定质块426可以通过扭力弹簧420和432耦合到检验质块418。在图4的示例性实施例中，检验质块418可以是非对称检验质块。扭力弹簧420和432可以沿着x轴基本上是刚性的，可以允许沿着y轴有限的移动，并且可以具有相当大的扭转顺应性以促进检验质块418的旋转。

在正z方向的线性加速度可以使检验质块402绕旋转轴在负z方向上移动，并且可以使检验质块418绕其旋转轴在负z方向上移动(例如，在图4的实施例中，其中扭力弹簧404、416、420和432沿着x轴对准，第一传感器部分401和第二传感器部分403的旋转轴相同)。检验质块402的相对于扭力弹簧404和416位于正y方向的部分可以朝着基板和位于检验质块402的这些部分下方的任何感测电极移动。检验质块402的其它部分可以远离基板和位于检验质块402的这些其它部分下方的任何感测电极移动。检验质块418的相对于扭力弹簧420和432位于负y方向的部分可以朝向基板和位于检验质块418的这些部分下方的任何感测电极移动。检验质块418的其它部分可以远离基板和位于检验质块418的这些其它部分下方的任何感测电极移动。

在负z方向上的线性加速度可以使得检验质块402绕旋转轴在正z方向上移动，并且可以使检验质块418绕其旋转轴在正z方向上移动。检验质块402的相对于扭力弹簧404和416位于正y方向的部分可以远离基板和位于检验质块402的这些部分下方的任何感测电极移动。检验质块402的其它部分可以朝着基板和位于检验质块402的这些其它部分下方的任何感测电极移动。检验质块418的相对于扭力弹簧420和432位于负y方向的部分可以远离基板和位于检验质块418的这些部分下方的任何感测电极移动。检验质块418的其它部分可以朝着基板和位于检验质块418的这些其它部分下方的任何感测电极移动。

在图4的示例性实施例中，向下的力被施加到盖层。这个力经由支柱442和452分布到锚定质块410和426。如图4中由“X”所描绘的，这使得锚定质块410和426的位置在MEMS传感器内移位，以移动得更靠近基板层(例如，基于施加到支座440和450的压缩力)。因而，检验质块402移位得更靠近基板层，从而改变了与形成在那个层上的感测电极形成的任何电容器的电容。检验质块418的悬置的弹簧-质块系统从锚定质块426悬置，并且没有从不经历锚定质块426的z轴偏差的任何部件悬置。因而，检验质块418也移位得更靠近基板层，从而改变了与形成在那个层上的感测电极形成的任何电容器的电容。

图5A示出了根据本公开一些实施例的具有偏移锚的例示性MEMS传感器的部件的横截面，其中顶视图在图6的截面图中示出。在图5A中描绘的示例性横截面中，为了易于例示，省略了MEMS传感器的某些部分(例如，接合的侧壁、悬置的弹簧-质块系统的部分等)。在图5A中描绘的示例性实施例中，MEMS层包括第一检验质块504a、第一弹簧506a、第一锚定质块510a、第二锚定质块510b、第二弹簧506b和第二检验质块504b。第一弹簧506b将第一检验质块504a耦合到第一锚定质块510a，并且第二弹簧508a将第二检验质块506a耦合到第二锚定质块510a。虽然在图5A和5B的横截面图中未示出，但是在示例性实施例中，第一检验质块504a耦合到第二检验质块504b。

盖层501位于MEMS层上方，并且基板层502位于MEMS层下方。MEMS层的上部x-y平面表面面对盖层501的下部x-y平面表面，而MEMS层的下部x-y平面表面面对基板层502的上部x-y平面表面。感测电极514和516位于基板502的上部x-y平面表面上。感测电极516与检验质块504a形成电容器，并且感测电极514与检验质块504b形成电容器。

锚定部件512(例如，支柱)在盖501与第一锚定质块510a和第二锚定质块510b中的每一个之间延伸。支柱512在锚定质块510a的上部x-y平面表面的正x侧部分上形成接合表面，并在锚定质块510b的上部x-y平面表面的负x侧部分上形成接合表面。附加锚定部件508a和508b(例如，支座)在基板502与相应的锚定质块510a和510b之间延伸。第一支座508a在第一锚定质块510a的下部x-y平面表面的负x侧上形成接合表面。第二支座508b在第二锚定质块510b的下部x-y平面的正x侧上形成接合表面。

在图5A的实施例中，支柱512以及支座508a和508b在x-y平面内实质性偏移，使得支柱512的中心轴不穿过第一支座508a或第二支座508b中任一个。第一支座508a的中心轴不穿过支柱512，并且第二支座508a的中心轴也不穿过支柱512。

图5B示出了根据本公开一些实施例的经历垂直力的具有偏移锚定的示例性MEMS传感器的部件的横截面。如本文所述，出于各种原因，诸如在制造期间、与最终设备中的其它部件组装或在使用期间，MEMS传感器可能在传感器的盖或基板上经历力。在一些情况下(例如，由于制造或组装)，这些力在MEMS传感器的使用寿命期间可以是永久的。在图5B的示例性实施例中，图5A的MEMS传感器在盖层501上经历负z轴力530。

在图5B的示例性实施例中，力530从盖层501分布到支柱512(以及分布到其它部件，诸如在图5A中未绘出的MEMS传感器的侧壁)。支柱512接合到第一锚定质块510a和第二锚定质块510b两者，因此，施加到每个锚定质块的总力是施加到支柱512的总力的一半。第一支座508a从支柱512偏移，因此也从施加到第一锚定质块510a的力偏移。第一锚定质块510a绕第一支座508a在顺时针方向上朝着基板502旋转。第二支座508b类似地从支柱512偏移，因此也从施加到第二锚定质块510b的力偏移。第二锚定质块510b绕第二支座508b在逆时针方向上朝着基板旋转。

第一锚定质块510a的顺时针旋转还可以使第一弹簧506a和检验质块504a移动，而第二锚定质块510b的逆时针旋转还可以使第二弹簧506b和检验质块504b移动。在示例性实施例中，支柱512、锚定质块510a和510b以及支座508a和508b的尺寸和相对位置可以使得弹簧506a和506b被部分地拉出平面外，而检验质块504a和504b经历抵消作用的向上推动，以基本上保持在原始MEMS平面中。尺寸和相对位置可以配置为使得造成锚定质块510a和510b的更大位移的更大z轴力导致检验质块504a和504b对应的更大的正位移。因此，如图5B中所描绘的，即使锚定质块510a和510b中的每一个的上表面522相对于MEMS层520的原始上表面会经历负z方向位移，检验质块504a和检验质块504b也可以在MEMS层内保持基本对准(例如，与原始MEMS层平面形成小于5％的角度)。

图6示出了根据本公开一些实施例的经历垂直压缩力的具有偏移锚的MEMS加速度计的例示性MEMS层。图6描绘了采用特定配置并具有特定特性的特定部件。本领域普通技术人员将理解的是，可以根据本公开以多种方式修改图6。图6的部件在MEMS设备层内形成，并且包括形成平行的x-y平面的在MEMS设备层的相对侧上两个平行的MEMS设备平面。虽然在图6中未绘出，但是基板层可以定位成在负z方向上在下部MEMS设备平面下方并且平行于下部MEMS设备平面，而盖层可以定位成在正z方向上在上部MEMS设备平面上方并且平行于上部MEMS设备平面。

在一些实施例中，图6的加速度计可以包括第一传感器部分601和第二传感器部分603，每个传感器部分包括相似或相同的部件。第一传感器部分和第二传感器部分被定向成使得与检验质块602相关联的(即，第一传感器部分601的)和与检验质块618相关联的(即，第二传感器部分603)质块的中心响应于沿着z轴的线性加速度而引起反相移动。

在一个实施例中，第一传感器部分601包括第一锚定质块610a和第二锚定质块610b。支柱640可以耦合到盖层以及锚定质块610a和610b两者。支柱640在锚定质块610a的上部x-y平面表面的正x侧部分上形成接合表面，并在锚定质块610b的上部x-y平面表面的负x侧部分上形成接合表面。第一支座642a可以耦合到基板层和锚定质块610a，并且第二支座642b可以耦合到基板层和锚定质块610b。第一支座642a在第一锚定质块610a的下部x-y平面表面的负x侧上形成接合表面。第二支座642b在第二锚定质块610b的下部x-y平面的正x侧上形成接合表面。

在图6的实施例中，支柱640以及支座642a和642b在x-y平面内实质性偏移，使得支柱640的中心轴不穿过第一支座642a或第二支座642b中任一个。第一支座642a的中心轴不穿过支柱640，并且第二支座642b的中心轴也不穿过支柱640。在MEMS层内第一支座642a仅接合到第一锚定质块610a，并且在MEMS层内第二支座642b仅接合到第二锚定质块610b。锚定质块610a和610b是不连续的，并且仅通过到支柱640的相互接合而直接耦合。

在图6的示例性实施例中，接合表面的重叠可以是部分的(例如，与支柱640相关联的表面和与支架642a和642b中的每一个相关联的表面之间的重叠小于25％)。在附加的实施例中，接合表面之间的分隔可以大于图6中描绘的分隔。

悬置的弹簧-质块系统可以从锚定质块610a和610b悬置。第一锚定质块610a可以通过扭力弹簧604和616耦合到检验质块602。在图6的示例性实施例中，检验质块602可以是非对称检验质块。扭力弹簧604和616在正常操作条件下相对于x-y平面内的运动可以基本上是刚性的，并且可以促进绕检验质块602的绕x轴的旋转。

在实施例中，第二传感器部分603包括第一锚定质块626a和第二锚定质块626b。支柱650可以耦合到盖层以及锚定质块626a和626b两者。支柱650在锚定质块626a的上部x-y平面表面的正x侧部分上形成接合表面，并在锚定质块626b的上部x-y平面表面的负x侧部分上形成接合表面。第一支座652a可以耦合到基板层和锚定质块626a，并且第二支座652b可以耦合到基板层和锚定质块626b。第一支座652a在第一锚定质块626a的下部x-y平面表面的负x侧上形成接合表面。第二支座652b在第二锚定质块626b的下部x-y平面表面的正x侧上形成接合表面。

在图6的实施例中，支柱650以及支座652a和652b在x-y平面内实质性偏移，使得支柱650的中心轴不穿过第一支座652a或第二支座652b中任一个。第一支座652a的中心轴不穿过支柱650，并且第二支座652b的中心轴也不穿过支柱650。在MEMS层内第一支座652a仅接合到第一锚定质块626a，并且在MEMS层内第二支座652b仅接合到第二锚定质块626b。锚定质块626a和626b是不连续的，并且仅通过到支柱650的相互接合直接耦合。

在图6的示例性实施例中，接合表面的重叠可以是部分的(例如，与支柱650相关联的表面和与支座652a和652b中的每一个相关联的表面之间的重叠小于25％)。在附加的实施例中，接合表面之间的分隔可以大于图6中描绘的分隔。

悬置的弹簧-质块系统可以从锚定质块626a和626b悬置。第一锚定质块626a可以通过扭力弹簧620和632耦合到检验质块618。在图6的示例性实施例中，检验质块618可以是非对称检验质块。扭力弹簧620和632在正常操作条件下相对于x-y平面内的运动可以基本上是刚性的，并且可以促进检验质块618绕x轴的旋转。

在正z方向上的线性加速度可以使检验质块602绕旋转轴在负RX方向上旋转，并且可以使检验质块618绕其旋转轴在正RX方向上旋转(例如。在图6的实施例中，其中扭力弹簧604、616、620和632沿着x轴对准，第一传感器部分601和第二传感器部分603两者的旋转轴相同)。检验质块602的相对于扭力弹簧604和616位于正y方向的部分可以朝着基板和位于检验质块602的这些部分下方的任何感测电极移动。检验质块602的其它部分可以远离基板和位于检验质块602的这些其它部分下方的任何感测电极移动。检验质块618的相对于扭力弹簧620和632位于负y方向的部分可以朝着基板和位于检验质块618的这些部分下方的任何感测电极移动。检验质块618的其它部分可以远离基板和位于检验质块618的这些其它部分下方的任何感测电极移动。

在负z方向上的线性加速度可以使得检验质块602绕旋转轴在正RX方向上旋转，并且可以使检验质块618绕其旋转轴在负RX方向上旋转。检验质块602的相对于扭力弹簧604和616位于正y方向的部分可以远离基板和位于检验质块602的这些部分下方的任何感测电极移动。检验质块602的其它部分可以朝着基板和位于检验质块602的这些其它部分下方的任何感测电极移动。检验质块618的相对于扭力弹簧620和632位于负y方向的部分可以远离基板和位于检验质块618的这些部分下方的任何感测电极移动。检验质块618的其它部分可以朝着基板和位于检验质块618的这些其它部分下方的任何感测电极移动。

在示例性实施例中，感测电极可以位于感测质块下方的基板平面上，以基于检验质块602和618绕旋转轴的旋转来执行差分电容感测。

在示例性实施例中，如果锚610a、610b、626a和626b朝着基板移动，那么检验质块602和618也可以朝着基板移动，因为检验质块602和618经由扭力弹簧604、616、620和632耦合到锚。如果锚610a和626a以正RY运动旋转并且锚610b和626b以负RY运动旋转，那么扭力弹簧608和624也可以以正RY旋转，并且扭力弹簧612和628可以以负RY旋转。组合的扭力弹簧的旋转使检验质块602和618相对于基板移开。

在实施例中，支柱和支座锚之间的对准被设计为在顶部负载力期间引起锚旋转。通过设计支柱和支座未对准，可以通过锚角度的向上运动来抵消锚的向下运动，从而在施加的力期间导致检验质块和感测间隙的净零运动。因此，锚系统的向下运动与由锚的旋转引起的正运动平衡。

在图6的示例性实施例中，向下的力被施加到盖层。这个力经由支柱640分布到第一锚定质块610a和第二锚定质块610b，并经由支柱650分布到第一锚定质块626a和第二锚定质块626b。如图6中由“X”所描绘的，这使得锚定质块610a、610b、626a和626b的至少一部分移动得更靠近基板层。由于支柱640和650从支座642a、642b、652a和652b偏移，因此锚定质块610a、610b、626a和626b也旋转。这种旋转被施加在扭力弹簧604、616、620和632的锚端处，这使得即使设备中的所有其它部件都已经至少部分地朝着基板移动，检验质块602和618也基本上保持不动。

第一锚定质块610a和第二锚定质块610b的旋转可以引起扭力弹簧604、616和检验质块602移动。在示例性实施例中，支柱640、锚定质块610a和610b以及支座642a和642b的尺寸和相对位置可以使得弹簧604和616被部分地拉出平面外，而悬置的弹簧-质块系统经历抵消作用的向上推动，以基本上保持在原始MEMS平面中。第一锚定质块626a和第二锚定质块626b的旋转可以引起扭力弹簧620和632以及检验质块移动。在示例性实施例中，支柱650、锚定质块626a和626b以及支座652a和652b的尺寸和相对位置可以使得弹簧620和632被部分地拉出平面外，而悬置的弹簧-质块系统经历抵消作用的向上推动，以基本上保持在原始MEMS平面中。

支柱、锚定质块和支座的尺寸和相对位置可以配置为使得引起锚定质块610a和610b的更大位移的更大z轴力导致悬置的弹簧-质块系统的对应的更大的正位移。以这种方式，虽然施加在盖层和支柱上的z轴力的范围很广，但是悬置的弹簧-质块系统可以基本上保持在MEMS设备平面内基本静止地定位。

前述描述包括根据本公开的示例性实施例。提供这些示例仅出于例示的目的，而非出于限制的目的。将理解的是，可以以与本文中明确描述和描绘的形式不同的形式来实现本公开，并且本领域的普通技术人员可以实现各种修改、优化和变化，与所附权利要求一致。

Claims (16)

1.一种微机电MEMS设备，包括：

锚系统，所述锚系统接合到盖层并接合到基板层；

检验质块，所述检验质块经由弹簧耦合到锚系统；

感测元件，所述感测元件耦合在检验质块与基板层之间，其中感测元件响应于检验质块在第一方向上的运动而输出信号；

其中施加到锚系统的力使锚系统和弹簧在第一方向上移动，以及

其中所述锚系统被配置为使得当第一力施加到锚系统时检验质块基本上保持静止。

2.如权利要求1所述的MEMS设备，其中，所述锚系统被配置为当施加第一力时在与弹簧的连接处旋转。

3.如权利要求2所述的MEMS设备，其中锚系统的移动在相对于基板层的负的第一方向上推动检验质块。

4.如权利要求3所述的MEMS设备，其中锚系统在第一方向上的移动与检验质块在负的第一方向上的运动相平衡，从而导致检验质块基本上保持静止。

5.如权利要求1所述的MEMS设备，其中锚系统包括锚定质块，该锚定质块耦合到支柱、支座和弹簧，以及其中支柱接合到盖层并且支座接合到基板层。

6.如权利要求5所述的MEMS设备，其中支柱和支座未对准。

7.如权利要求6所述的MEMS设备，其中支柱和支座不重叠。

8.如权利要求6所述的MEMS设备，其中支柱和支座至少部分地重叠。

9.如权利要求6所述的MEMS设备，其中，当施加第一力时，支柱和支座的未对准使锚定质块平移和旋转。

10.如权利要求9所述的MEMS设备，其中锚系统的平移和旋转的组合使检验质块基本上保持静止。

11.如权利要求5所述的MEMS设备，其中支柱连接到锚定质块的顶部并且盖层在锚定质块的上方，以及其中支座连接到锚定质块的底部并且基板层在锚定质块的下方。

12.如权利要求5所述的MEMS设备，其中锚系统还包括第二锚定质块，该第二锚定质块经由第二弹簧耦合到检验质块，其中第二锚定质块耦合到支柱和第二支座，以及其中第二支座接合到基板。

13.如权利要求12所述的MEMS设备，其中施加到锚系统的力使所述锚定质块、第二锚定质块、所述弹簧和第二弹簧在第一方向上移动，以及其中当第一力施加到锚系统时，检验质块基本上保持静止。

14.如权利要求13所述的MEMS设备，其中支柱相对于支座和第二支座未对准，以及其中当施加第一力时所述锚定质块和第二锚定质块旋转，以使检验质块在负的第一方向上移动。

15.如权利要求14所述的MEMS设备，其中锚系统在第一方向上的移动与由于锚系统的旋转引起的检验质块在负的第一方向上的运动相平衡，从而导致检验质块基本上保持静止。

16.如权利要求1所述的MEMS设备，其中MEMS设备是加速度计、磁力计、陀螺仪、气压计或麦克风。

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