CN111512118B - 检测质块偏移量补偿 - Google Patents

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Abstract

一种微机电(MEMS)传感器包括位于MEMS层内并且相对于一个或多个电极定位的MEMS部件。多个检测质块位于MEMS层内并且在MEMS层内不彼此电耦合。第一检测质块和第二检测质块均相对于所述一个或多个电极中的至少一个公共电极而移动，使得可以感测每个检测质块相对于电极的相对位置。可以基于感测到的相对位置来确定感测到的参数。

Description

检测质块偏移量补偿
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年1月11日提交的美国申请No.15/868,746的权益，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、锻炼辅助设备和游戏控制器等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)可以被独立地分析或一起分析，以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))来确定朝向，并且车辆可以利用测量来确定方向(例如，用于航位推算(dead reckoning))和安全性(例如，从而识别打滑或翻滚状况)。
运动传感器(诸如加速度计和陀螺仪)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的检测质块，该检测质块可以响应于力，诸如线加速度(例如，对于MEMS加速度计)、角速度(例如，对于MEMS陀螺仪)和磁场。可以基于检测质块响应于力的移动来测量这些力在可移动检测质块上的操作。在一些实施方式中，基于形成用于感测移动的电容器的可移动检测质块与电极之间的距离来测量该移动。
发明内容
在本公开的实施例中，一种微机电(MEMS)传感器包括基板、位于基板上的第一电极、耦合到基板的锚固件、耦合到锚固件的第一检测质块以及耦合到锚固件的第二检测质块，其中第一检测质块和第二检测质块电分离。在实施例中，MEMS传感器还包括耦合到第一检测质块和第一电极的第一感测元件，以及耦合到第二检测质块和第一电极的第二感测元件。
在本公开的实施例中，一种用于操作微机电(MEMS)传感器的方法包括：从耦合到第一检测质块和第一电极的第一感测元件接收第一感测信号，其中第一电极位于基板上，锚固件耦合到基板，并且第一检测质块耦合到锚固件。该方法还可以包括：从耦合到第二检测质块和第一电极的第二感测元件接收第二感测信号，其中第二检测质块耦合到锚固件，并且其中第一检测质块和第二检测质块电分离。该方法还可以包括：通过耦合到第一感测元件和第二感测元件的处理电路系统，基于第一感测信号和第二感测信号来确定与第一外力对应的测得的信号。
在本公开的实施例中，一种微机电(MEMS)传感器包括具有第一电极平面的第一电极、在MEMS层内并且具有与第一电极平面的至少一部分重叠的第一检测质块平面的第一检测质块、在MEMS层内并且具有与第一电极平面的至少一部分重叠的第二检测质块平面的第二检测质块，并且其中第一检测质块和第二检测质块在MEMS层内电分离。MEMS传感器还可以包括耦合到第一电极、第一检测质块和第二检测质块的处理电路系统，其中第一检测质块响应于第一外力而相对于第一电极在第一方向上移动，其中第二检测质块响应于第一外力而基本上静止，并且其中与第一外力对应的信号基于第一检测质块相对于第一电极的第一位置和第二检测质块相对于第一电极的第二位置。
附图说明
当结合附图考虑以下详细描述时，本公开的上述和其它特征、其性质及各种优点将变得更加清楚。
图1示出了根据本公开的实施例的说明性运动感测系统；
图2示出了根据本公开的一些实施例的经受平面外的力的说明性MEMS传感器；
图3示出了根据本公开的一些实施例的用于感测平面外运动的具有两个检测质块的示例性传感器；
图4示出了根据本公开的一些实施例的包括检测质块的说明性MEMS传感器，该检测质块包括共享电极；
图5示出了根据本公开的一些实施例的检测质块桥的说明性构造；
图6示出了根据本公开的一些实施例的检测质块桥的另一种说明性构造；
图7描绘了根据本公开的一些实施例的具有叉指图案的检测质块；
图8描绘了根据本公开的一些实施例的具有星形图案的检测质块；
图9描绘了根据本公开的一些实施例的具有叉指分形图案的检测质块；以及
图10描绘了根据本公开的一些实施例的用于偏移量补偿的示例性步骤。
具体实施方式
在本公开的一些实施例中，MEMS设备可以包括使用半导体工艺制造的结构，该结构包括用于测量诸如线加速度、磁场、声压、大气环境压力或科里奥利力(例如，由于MEMS设备所经受的角速度)之类的外力的内部部件。此类内部部件可以包括机械和/或电气部件，被设计为例如通过响应于外力而经受移动来响应被测量的外力。在一些实施例中，MEMS设备的部件可以以促进响应于被测量的一个或多个外力而移动并且限制在其它方向和响应于其它类型的力的移动的方式来配置。
根据本公开的示例性MEMS加速度计可以包括多个检测质块，这些检测质块以允许MEMS传感器测量特定方向上的线加速度的方式耦合到一个或多个锚固件和一个或多个耦合部件(例如，弹簧、杆、杠杆臂)。在一些实施例中，多个检测质块可以以使得检测质块响应于线加速度而在诸如沿着轴线或围绕轴线的方向之类的方向上移动的方式悬置和耦合。质块响应于线加速度而在感测方向上相对于另一个表面(例如，固定电极)的移动可以使用诸如可变电容器、压阻传感器、压电传感器、光学传感器或磁传感器之类的技术进行测量。在一些实施例中，可以感测并缩放这种测得的移动，从而确定诸如线加速度。
示例性MEMS设备可以由若干层构成，诸如基板(例如，CMOS)层、MEMS层和盖层。MEMS层可以包括可移动部件，诸如多个可移动检测质块。在线加速度的电容感测的示例性实施例中，可以利用相对于检测质块定位的固定电极来执行沿着x轴或y轴的面内感测，在一些实施例中，固定电极可以延伸到MEMS层中，使得可以测量在MEMS层内的检测质块的移动。在平面外感测的示例性实施例中，线加速度(诸如z轴加速度)可以例如通过绕轴旋转来使一个或多个检测质块移出MEMS设备平面。
在一些情况下，由于各种原因(诸如制造公差、在传感器与其它部件组装期间施加在传感器上的应力、在操作期间随时间发生的诸如磨损之类的改变，以及由于环境和操作条件(例如，温度、相对于被测系统的位置等)而发生的改变)，MEMS传感器会经受除了被测量的力以外的外部应力。这种不期望的外力的根本原因的示例可以包括热膨胀、制造负荷、震动、冲击、焊接或吸湿膨胀。这些力可以例如通过使MEMS层的各部分相对于其它层(例如，盖层或基板层)移位或相对于MEMS层中的固定部件移位而使MEMS传感器的各部分相对于其它部分移位。这可以改变用于测量期望参数的部件的相对距离，诸如一个或多个检测质块相对于一个或多个电极的相对距离。
在根据本公开的示例性实施例中，多个检测质块中的第一检测质块可以这样一种方式从固定电极上方的一个或多个锚固件(例如，在第一检测质块下方的基板平面上)悬置，使其被设计为响应于被测量的力(例如，检测质块被设计为响应于沿着z轴的线加速度而绕轴线在平面外旋转)并且相对于固定电极而移动，以引起检测质块与固定电极之间的电容改变。第二检测质块(例如，桨质块)可以以刚性方式耦合到一个或多个锚固件，使得其响应于不期望的力(诸如外部应力(例如，MEMS层相对于固定电极所在的基板平面的移动))而移位。第二检测质块也可以位于固定电极的上方(例如，至少部分地被第一电极包围或叉指)。第一检测质块和第二检测质块可以不电耦合在MEMS层内。用于与第一检测质块和固定电极相关联的电容器(例如，感测电容器)以及用于与第二检测质块和固定电极相关联的电容器(例如，偏移电容器)的感测到的信号(例如，电容的改变)虽然受到传感器上的外部应力的影响(例如，造成MEMS层相对于基板层的平面外移位)，但也可以用于准确确定期望的被测值(例如，z轴线加速度)。
虽然在图1中描绘了特定的部件，但是应该理解的是，对于不同的应用和系统，可以根据需要利用传感器、处理部件、存储器和其它电路系统的其它合适的组合。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MEMS陀螺仪、MEMS加速度计、MEMS麦克风、MEMS压力传感器和指南针)可以被包括在运动处理系统10内以提供集成的运动处理单元(“MPU”)(例如，包括MEMS陀螺仪感测的3个轴，MEMS加速度计感测、麦克风、压力传感器和指南针的3个轴)。
处理电路系统14可以包括一个或多个部件，这些部件基于运动处理系统10的要求提供必要的处理。在一些实施例中，处理电路系统14可以包括硬件控制逻辑，其可以被集成在传感器的芯片内(例如，在惯性传感器12或其它传感器18的基板或盖上，或在芯片的与惯性传感器12或其它传感器18相邻的部分上)，以控制惯性传感器12或其它传感器18的操作并执行惯性传感器12或其它传感器18的处理方面。在一些实施例中，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还可以包括执行例如存储在存储器16中的软件指令的处理器，诸如微处理器。微处理器可以通过与硬件控制逻辑的交互来控制惯性传感器12的操作，并且处理从惯性传感器12接收到的信号。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)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，经由串行总线或直接连接到传感器输出和控制输入)，但是在一个实施例中，处理电路系统14可以处理从惯性传感器12和其它传感器18接收到的数据，并且经由通信接口20(例如，SPI或I2C总线，或者在汽车应用中，经由控制器区域网络(CAN)或本地互连网络(LIN)总线)与外部部件进行通信。处理电路系统14可以将从惯性传感器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进行通信的其它计算单元提供的设置)，并且执行更复杂的处理以确定诸如朝向或欧拉角之类的测量，并且在一些实施例中，根据传感器数据确定是否发生了特定活动(例如，步行、跑步、制动、打滑、滚转等)并量化或以其它方式分析该活动。
在一些实施例中，在可以被称为传感器融合的处理中，可以基于来自多个惯性传感器12和传感器18的数据来确定某些类型的信息。通过组合来自各种传感器的信息，可以准确地确定在各种应用中有用的信息，诸如图像稳定、导航系统、汽车控制和安全、航位推算、远程控制和游戏设备、活动传感器、3维相机、工业自动化以及众多其它应用。
示例性MEMS惯性传感器(例如，惯性传感器12)可以包括一个或多个可移动检测质块，该可移动检测质块以允许MEMS惯性传感器(例如，MEMS加速度计或MEMS陀螺仪)测量沿着轴的期望的力(例如，线加速度或角速度)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固件悬置。检测质块中的至少一些可以被布置为使得它们响应于测得的力而移动。检测质块响应于测得的力而相对于固定表面(例如，延伸到MEMS层中或位于平行于基板上的可移动质块的固定感测电极)的移动被测量并按比例缩放以确定期望的惯性参数。
惯性力的测量可以基于关于检测质块相对于固定电极的初始位置(例如，在没有惯性力的情况下)的设计参数以及检测质块响应于惯性力而相对于固定电极的预期相对移动。在一些实施例中，在MEMS层内悬置检测质块的各种部件可以被设计为促进在特定方向上的运动并抵抗在其它方向上的运动(例如，使用在特定方向上为顺从性而在其它方向上为刚性的弹簧，或者在特定方向上支持移动而在其它方向上抵抗移动的杠杆)。以这种方式，尽管在多个方向上(例如，x方向、y方向、z方向)并且由于多种原因(例如，线加速度、角速度等)存在惯性力和其它力，但MEMS传感器的检测质块仍然可以主要只响应于对于测量所期望的方向上的某些力。例如，在对于测量所期望的方向上，可移动检测质块可以被悬置成使得对要测量的方向上的特定力的响应大于对其它方向上的相同大小的力的响应。对于相同大小的力的期望的响应与不期望的响应的比率可能是几倍大，并且在一些设计中远远超过一个数量级。
图2示出了根据本公开的一些实施例的经受平面外的力的说明性MEMS传感器200。在图2的示例性实施例中，一个或多个外力使得MEMS层内的部件例如相对于MEMS设备的其它层在平面外移动。虽然在图2中描绘了具有特定构造的特定部件，但是应理解的是，根据本公开，其它层类型、锚固件构造、MEMS传感器类型和MEMS层部件会经受各种外力，这些外力造成MEMS层的至少一部分相对于其它层的平面外运动。
在图2的示例性实施例中，所施加的外力可以是剪切力，其造成盖层202在正x方向上而基板层204沿着负x方向的相反运动，如由剪切力201和202所指示的。虽然在图2的示例性实施例中在盖层202和基板层204上施加剪切力，但是应理解的是，可以在传感器200的不同层和/或部分上施加各种力。示例性力(例如，压缩力、剪切力、张力、弯曲力和扭转力)及其组合可以由于发生在传感器200的制造和使用期间的各种情况下(制造公差、在传感器与其它部件组装期间施加在传感器上的应力、在操作期间随时间发生的诸如磨损之类的改变，以及由于环境和操作条件(例如，温度、相对于被测系统的位置等)而发生的改变)的多种原因(例如，例如，热膨胀、制造负载、震动、冲击、焊接或吸湿膨胀)而施加在传感器200的部分(例如，盖层202、基板层204和MEMS层205)上。
在本公开的实施例中，MEMS传感器200可以包括盖层202、具有固定电极208和209的基板层204，以及至少部分地结合到盖层202和基板层204的MEMS层205(未示出)，以形成腔体。腔体的MEMS层205内有许多可响应于力而移动的部件，这些部件可通过诸如弹簧、杆和杠杆之类的部件悬置在MEMS层205内，以形成悬置的弹簧-质块系统。在图2的示例性实施例中，MEMS层205至少包括第一检测质块210、弹簧212-213和第二检测质块216。
悬置的弹簧-质块系统耦合到锚定部件206，在图2的示例性实施例中，锚定部件206耦合到盖层202和基板层204中的每一个。悬置的弹簧-质块系统包括通过第一弹簧212从锚定部件206悬置的第一检测质块210和通过第二弹簧213从锚定部件206悬置的第二检测质块216。第一电极208在基板层204上位于第一检测质块210下方，从而形成第一电容器230。第二电极209在基板层204上位于第二检测质块216下方，从而形成第二电容器232。
以使得第一检测质块210响应于待测量的惯性力(例如，加速度)而沿着待测量的感测轴(例如，z轴)移动的方式，第一检测质块210可以通过第一弹簧212悬置，使得第一检测质块210的至少一部分相对于第一电极208移动，从而改变电容器230的值。以使得第二检测质块216响应于待测量的第二力(例如，由于不期望的力(诸如剪切力201/203)引起的MEMS层的移动而引起的偏移量)而沿着待测量的感测轴(例如，z轴)移动的方式，第二检测质块216可以通过第二弹簧213悬置，使得第二检测质块216的至少一部分相对于第二电极209移动，从而改变电容器232的值。在示例性实施例中，第二检测质块216可以响应于待测量的惯性力而基本上固定(例如，桨式检测质块)。
虽然将电极208/209描绘为形成电容器230/232，但是应理解的是，可以利用任何合适的感测机构(诸如电容器、压阻感测、压电感测、光学感测、磁性感测或任何其它合适的感测技术)来确定MEMS层205和基板层205的部分之间的距离。因此，将理解的是，虽然示例性MEMS传感器200在图2中被描述为包括特定的部件，但是本公开可以针对各种合适的传感器设计来实现，包括任何合适数量和构造的检测质块、弹簧-质块系统、锚固件、桨、固定电极和其它使得能够感测期望参数(例如，线加速度)的部件。
在诸如图2所描绘的示例性实施例中，MEMS层205内的每个部件可以是导电的，使得施加到任何部件的电压也将施加到与之存在电路路径的任何其它部件。一个或多个电压也可以例如通过基板204中的电路系统施加到第一电极208和/或第二电极209。在不同的实施例中，每个电容器(例如，第一电容器230和第二电容器232)的一部分(例如，检测质块或电极)可以用电压来驱动，而每个电容器的第二部分(例如，检测质块或电极中的另一个)可以被用于感测每个电容器的电容。
MEMS传感器200可以包括耦合到第一电容器230的一部分(例如，检测质块或电极)和第二电容器232的一部分(例如，检测质块或电极)的处理电路系统(未示出)，用于确定感测到的惯性参数，诸如沿着轴的线加速度(例如，z轴线加速度)。可以从检测质块或电极到感测电路系统(诸如电容-电压(C2V)转换器以及模拟和数字感测和转换电路系统)提供表示每个电容器的电容的信号。感测轴垂直于第一电极208，使得检测质块210响应于惯性力的移动包括在MEMS层214外部的平面外移动。第一检测质块210的平面外移动(例如，在图2中所描绘的进一步的z方向)改变第一电容器230的值，而第二电容器232的值响应于测得的惯性力基本上恒定。
以这种方式，第二检测质块可以基于补偿由不期望的力(例如，图2的剪切力201/203)造成的移动来提供偏移量补偿。不期望的力导致MEMS层205的部件相对于基板层202具有角度220。可以认为这个力是不期望的，因为在正常操作下可以预期MEMS层205与基板层202平行，并且用于确定期望的力(例如，加速度)的多种因素(诸如模拟和数字缩放因子和增益值)可以基于这个预期的相对位置。
在图2的示例性实施例中，第二检测质块216相对于第一检测质块212定位为使得它为响应于不期望的力的移动提供补偿。例如，剪切力201/202使MEMS层相对于基板层208成角度220，这进而使第一电极210相对于第一电极208比设计的位置更近地定位。因此，当第一检测质块210响应于测得的惯性力相对于第一电极208移动时，所得的电容值可能不同于特定惯性力的预期值。第二检测质块216可以被定位成使得其为第一检测质块210提供偏移量补偿，例如，使得当第一检测质块210响应于不期望的力而更靠近基板层202移动时，第二检测质块216远离基板层202移动。电容器232的值可以减小。因为第二检测质块216基本上不响应测得的惯性力，所以电容器232的值可以代表MEMS层205的偏移量(例如，角度220)，并且可以被处理电路系统用来补偿电容器230的输出，以去除MEMS层205偏移量的影响。
在示例性实施例中，检测质块210和216可以显著大于电极208和209，使得(例如，检测质块210和216的)MEMS层205相对于基板(例如，电极208和209)任何未对准(例如，沿着或围绕x轴、y轴或z轴的任何组合)可导致检测质块相对于电极的(例如，在x-y平面内)基本上相似的重叠。在其它实施例中，电极可以以类似的方式显著大于检测质块。
图3示出了根据本公开的一些实施例的用于感测具有多个检测质块的平面外运动的示例性传感器。虽然多个检测质块的平面外传感器可以具有多种构造和多种数量的检测质块，但是在图3的示例性实施例中，MEMS传感器的一部分被描绘为在MEMS层的x-y平面内，包括对于沿着Z轴的线加速度呈反相响应的两个检测质块。
在一个实施例中，图3的传感器可以包括经由第一弹簧308从第一锚固件304悬置的第一检测质块302，以及经由第二弹簧318从第二锚固件314悬置的第二检测质块312。第一电极306a/b可以位于第一检测质块302的相应部分下方并与其平行以形成第一电容器，而第二电极316a/b可以位于第二检测质块312的相应部分下方并与其平行以形成第二电极。第一检测质块302或第一电极306a/b中的一个可以被提供有驱动电压，而另一个可以被用于感测第一电容。第二检测质块312或第二电极316a/b之一可以被提供有驱动电压，而另一个可以被用来感测第二电容。
第一检测质块302和第二检测质块312中的每一个可以以响应于沿着z轴的线加速度绕旋转轴320旋转的方式悬置。检测质块302和312可以具有完全相同的尺寸和形状，并且可以以完全相同的方式与相应的电极306和316重叠。响应于在正z方向上的线加速度，检测质块302可以绕旋转轴320在逆时针方向旋转，而检测质块312可以绕旋转轴320在顺时针方向旋转。响应于在负z方向上的线加速度，检测质块302可以绕旋转轴320在顺时针方向旋转，而检测质块312可以绕旋转轴320在逆时针方向旋转。可以基于第一电容器和第二电容器的电容的改变来感测线加速度。在检测质块302和312的平面内和/或平面外未对准的情况下，多个检测质块可以补偿这种未对准。因为检测质块302和312在相同的MEMS层内，因此它们会经受相似的未对准。因此，可以基于另一个电容器中的抵消改变来补偿由未对准引起的任何电容器误差。
图4示出了根据本公开的一些实施例的包括具有共享电极的检测质块的说明性MEMS传感器。虽然包括具有共享电极的检测质块的MEMS传感器可以具有多种构造、多种数量和多种组合的检测质块以及多种数量和多种构造的电极，但是在图4的示例性实施例中，可以将两个分开的电位提供给MEMS加速度计的两个分开的检测质块系统，每个检测质块系统都具有悬置在每个基板电极之上的一部分。在图4的示例性实施例中，MEMS传感器的一部分被描绘为在MEMS层的x-y平面内。在图4的示例性实施例中，MEMS传感器400可以包括第一检测质块系统401、电极402和403、检测质块404、第二检测质块系统405、锚固件406、梁407、检测质块408、检测质块409、锚固件410a、锚固件410b、弹簧411和公共锚固件412。
第一检测质块系统401可以包括锚固件410a和410b，这些锚固件410a和410b固定地耦合到盖层和基板层之一或两者。锚固件410a和410b经由第一检测质块系统401的至少其它部件电耦合并且具有相同的电位(例如，第一电位)。弹簧411可以分别耦合到锚固件410a和410b中的每一个，并且还耦合到检测质块404。弹簧部分411可以是基本上扭转顺从性的，使得弹簧411允许响应于期望被感测的线加速度而绕由弹簧的长度限定的y轴旋转。检测质块404可以通过弹簧411及锚固件410a和410b悬置在MEMS层内。基于经由弹簧411到锚固件410a和410b的电连接，检测质块404处于第一电位。
检测质块404的第一部分(例如，图4中最左侧的部分)悬置在电极402之上以形成第一电容器。检测质块404的第二部分(例如，图4中的中间部分)悬置在电极403之上以形成第二电容器。响应于在正z方向上的线加速度，检测质块404可以绕弹簧411旋转，使得检测质块404移动得靠近电极403(增加第二电容器的电容)并远离电极402(减小第二电容器的电容)。响应于在正z方向上的线加速度，检测质块404可以绕弹簧411旋转，使得检测质块404移动得靠近电极402(增加第一电容器的电容)并远离电极403(增加第二电容器的电容)。可以基于第一电容器和第二电容器的电容的改变来感测线加速度。
第二检测质块系统405可以包括锚固件406，该锚固件406固定地耦合到盖层和基板层之一或两者。锚固件406电耦合到第二检测质块系统405的其它部件，使得第二检测质块系统405的所有部件具有相同的电位(例如，第二电位)。如图4中所描绘的，第一检测质块系统401和第二检测质块系统可以不电耦合在MEMS层内，使得相应的检测质块系统电分离。在一些实施例中，第一检测质块系统401和第二检测质块系统405也可以在MEMS传感器内电分离(例如，永久地或选择性地)。以这种方式，在一些实施例中，第一检测质块系统401和第二检测质块系统405可以具有不同的电位。
梁部分407a/b可以将锚固件406分别耦合到检测质块408和检测质块409。梁部分407a/b可以是基本上刚性的，使得检测质块408和409不响应于诸如惯性力之类的力而有实质性的移动。在一些实施例中，这种对惯性力(诸如待感测的惯性力)没有实质性响应的检测质块可以被称为桨或桨质块(例如，桨质块408和409)。检测质块408和409通过梁部分407a/b悬置在MEMS层内。基于与锚固件406的电连接，检测质块408和409处于第二电位。在图4的示例性实施例中，检测质块408和409在至少三个侧面上被检测质块404包围，并且在第四侧面上被部分地包围。
检测质块408悬置在电极402之上以形成第三电容器，并且检测质块409悬置在电极403之上以形成第四电容器。因为检测质块408和409不响应于将由MEMS传感器感测的惯性力而移动，因此检测质块408相对于电极402的位置以及检测质块409相对于电极403的位置是基于MEMS层相对于基板的位置。因此，第三电容器和第四电容器的值可以代表如本文所述的MEMS层的平面外未对准，其还包括第一检测质块部分401的任何对准。可以利用第三电容器和第四电容器的值来补偿MEMS层相对于基板的平面外偏移量。
在示例性实施例中，检测质块408和电极402之间的重叠可以显著小于检测质块404和电极402之间的重叠，并且检测质块409和电极403之间的重叠可以显著小于检测质块404和电极403之间的重叠，但是在其它实施例中，可以切换或以其它方式修改相对尺寸。在示例性实施例中，检测质块404与电极402和403的重叠可以至少是检测质块408和409与电极402和403的重叠的两倍，而在其它实施例中，相对重叠可以更大或更小(例如，一个数量级)。
在一个实施例中，公共锚固件412可以耦合到锚固件406、锚固件410a和锚固件410b中的每一个。在示例性实施例中，公共锚固件412可从盖层延伸并与锚固件406、410a和410b中的每一个形成结合。虽然可以在不同的实施例中执行不同类型的结合，但是在示例性实施例中，公共锚固件412和其它锚固件之间的结合可以使得锚固件406保持与锚固件410a和410b电分离(例如，基于有限的导电特性的一个或多个结合)。
图5示出了根据本公开的一些实施例的检测质块桥500的说明性构造。虽然可以用任何合适的MEMS传感器来实现检测质块桥，但是在图5的示例性实施例中，检测质块桥500可以是惠斯通全桥，并且可以通过图4的示例性MEMS线加速度计来实现。在示例性实施例中，检测质块桥500包括第一电容器501(例如，基于检测质块404和电极402之间的电容)、第二电容器502(例如，基于检测质块404和电极403之间的电容)、第三电容器503(例如，基于检测质块408和电极402之间的电容)、第四电容器504(例如，基于检测质块409和电极403之间的电容)、驱动源506、驱动源508和C2V转换器514。
在一个实施例中，驱动源506向检测质块404提供第一驱动信号(例如，具有第一电位)(例如，经由锚固件410a和410b以及弹簧411)，并且驱动源508向检测质块408和409提供第二驱动信号(例如，具有第二电位)(例如，经由锚固件406和梁407)。电极402用作惠斯通全桥的第一输出节点，并且具有基于第一电容器501(例如，归因于MEMS平面的任何平面外未对准以及还归因于检测质块404的由于测得的线加速度引起的移动)和第三电容器503(例如，归因于MEMS平面的任何平面外未对准而不归因于测得的线加速度而引起的实质性移动)的总电容。电极403用作惠斯通全桥的第二输出节点，并且具有基于第二电容器502(例如，归因于MEMS平面的任何平面外未对准以及归因于检测质块404的由于测得的线加速度引起的移动)和第四电容器504(例如，归因于MEMS平面的任何平面外未对准而不归因于测得的线加速度而引起的实质性移动)的总电容。将来自电极402和403的电容提供给C2V转换器514的差分输入，该C2V转换器514输出代表测得的线加速度的信号，以及基于检测质块408和409而提供的对于MEMS层的任何平面外未对准的补偿。
图5描绘了具有MEMS层的平面外未对准的示例性正z轴加速度，这使得MEMS层移动得靠近电极402并远离403(例如，与平行于基板的MEMS层相比)。正z轴加速度使检测质块404旋转，使得检测质块404移动得靠近电极403并远离电极402。平面外未对准使得检测质块408位于比平行于电极402更近的位置，并使检测质块409位于比平行于电极403更远的位置。
图6示出了根据本公开的一些实施例的检测质块桥的另一种说明性构造。虽然可以用任何合适的MEMS传感器来实现检测质块桥，但是在图6的示例性实施例中，检测质块桥600可以是惠斯通全桥，并且可以通过图4的示例性MEMS线加速度计来实现。在示例性实施例中，检测质块桥600包括第一电容器601(例如，基于检测质块404和电极402之间的电容)、第二电容器602(例如，基于检测质块404和电极403之间的电容)、第三电容器603(例如，基于检测质块408和电极402之间的电容)、第四电容器604(例如，基于检测质块409和电极403之间的电容)、驱动源606、驱动源608和C2V转换器614。
在一个实施例中，驱动源608向电极602提供第一驱动信号(例如，具有第一电位)，并且驱动源606向电极403提供第二驱动信号(例如，具有第二电位)。检测质块404用作惠斯通全桥的第一输出节点(例如，经由弹簧411以及锚固件410a和410b)，并且具有基于第一电容器601(例如，归因于MEMS平面的任何平面外未对准以及还归因于检测质块404的由于测得的线加速度引起的移动)和第二电容器602(例如，归因于MEMS平面的任何平面外未对准以及还归因于检测质块404的由于测得的线加速度引起的移动)的总电容。检测质块408和409用作惠斯通全桥的第二输出节点(例如，经由梁407和锚固件406)，并且具有基于第三电容器603(例如，归因于MEMS平面的任何平面外未对准而不归因于由于测得的线加速度而引起的实质性移动)和第四电容器604(例如，归因于MEMS平面的任何平面外未对准而不归因于由于测得的线加速度而引起的实质性移动)的总电容。来自检测质块404和408/409的电容被提供给C2V转换器614的差分输入，该C2V转换器614输出代表测得的线加速度的信号，以及基于检测质块408和409而提供的对于MEMS层的任何平面外未对准的补偿。
图6描绘了具有MEMS层的平面外未对准的示例性正z轴加速度，这使得MEMS层移动得靠近电极402并远离403(例如，与平行于基板的MEMS层相比)。正z轴加速度使检测质块404旋转，使得检测质块404移动得靠近电极403并远离电极402。平面外未对准使得检测质块408位于比平行于电极402更近的位置，并使检测质块409位于比平行于电极403更远的位置。
图7描绘了根据本公开的一些实施例的具有叉指图案的检测质块。在本公开的示例性实施例中，基板电极(例如，电极402和403)可以在至少一个方向(例如，沿着图4中的x轴)上更大，使得在x-y平面内未对准的情况下(例如，在某些公差内)每个检测质块的与每个电极重叠的相对部分可以与没有未对准的情况基本相同。
在某些包装载荷下，剪切可能使得结构相对于基板旋转，如图2中所示。在弯曲负载下，基板和盖会弯曲，从而在电极上产生复杂的曲率。弯曲和剪切负载会同时发生，从而在感测电极和元件之上产生不同的间隙。可以设计电极之上的检测质块的形状，以最小化未知且复杂的曲线会造成的四个感测元件上的相对间隙差异。在一些实施例中，这种相对尺寸确定和考虑曲率的能力可以使得能够为检测质块创建复杂的图案，并为检测质块之间的间隙提供更严格的公差。较复杂的图案(例如，几何形状和/或分形图案的变化性和组合)可以实现可减轻在MEMS制造、组装和使用期间发生的常见问题(诸如基板曲率)的设计。在图7、8和9的示例中描绘了此类图案的非限制性示例。
在图7的示例性实施例中，示例性MEMS传感器700可以类似于MEMS传感器400，并且可以包括第一基板电极702、第二基板电极703、第一检测质块系统704和第二检测质块系统705。在图7的实施例中，蚀刻第一检测质块系统704和第二检测质块系统705，使得第二检测质块系统705的检测质块在第一检测质块系统704内相互交错并基本被其包围。虽然在图7中描绘了特定数量的叉指以及相对的尺寸和形状，但是应理解的是，取决于可用的处理和制造技术以及期望的功能，各种构造是可能的。虽然第二检测质块系统705被描绘为被图案化并且基本上被第一检测质块系统704包围，但是应理解的是，两个检测质块系统或第一检测质块系统704可以被图案化，并且任一检测质块系统的任何合适的部分可以被另一个检测质块系统包围。在图7的示例性实施例中，第一检测质块系统704与电极702和703的重叠可以至少是第二检测质块系统705与电极702和703的重叠的两倍，而在其它实施例中，相对重叠可以更大或更小(例如，一个数量级)。
第一检测质块系统可以被配置为基于第一检测质块系统704的平面外移动(例如，绕第一检测质块系统704的弹簧)来感测线加速度(例如，z轴线加速度)。第二检测质块系统705可以被设计为响应于感测到的线加速度而保持基本静止，并且到基板电极的距离可以指示MEMS层与基板层之间的平面外未对准。在图7的示例性实施例中，第一检测质块系统704的一部分与第一电极702形成第一电容器，第一检测质块系统704的一部分与第二电极703形成第二电容器，第二检测质块系统704的一部分与第一电极702形成第三电容器，并且第二检测质块系统705的一部分与第二电极705形成第四电容器。例如，如图5和6中所描绘的，可以驱动这四个电容器并以桥模式(例如，惠斯通全桥)将其耦合到C2V转换器。
图8描绘了根据本公开的一些实施例的具有星形图案的检测质块。在图8的示例性实施例中，示例性MEMS传感器800可以类似于MEMS传感器400，并且可以包括第一基板电极802、第二基板电极803、第一检测质块系统804和第二检测质块系统805。在图8的实施例中，蚀刻第一检测质块系统804和第二检测质块系统805，使得第二检测质块系统805的检测质块在第一检测质块系统804内以星形图案叉指并且基本被其包围。虽然在图8中描绘了特定的星形图案(例如，具有位于特定角度的四个指状物并且具有大体矩形的形状)，但是将理解的是，取决于可用的处理和制造技术以及期望的功能，各种构造可以是可能的。虽然第二检测质块系统805被描绘为被图案化并且基本上被第一检测质块系统804包围，但是应理解的是，两个检测质块系统或第一检测质块系统804可以被图案化，并且任一检测质块系统的任何合适的部分可以被另一个检测质块系统包围。在图8的示例性实施例中，第一检测质块系统804与电极802和803的重叠可以至少是第二检测质块系统805与电极802和803的重叠的两倍，而在其它实施例中，相对重叠可以更大或更小(例如，一个数量级)。
第一检测质块系统804可以被配置为基于第一检测质块系统804的平面外移动(例如，绕第一检测质块系统804的弹簧)来感测线加速度(例如，z轴线加速度)。第二检测质块系统805可以被设计为响应于感测到的线加速度而保持基本静止，并且到基板电极的距离可以指示MEMS层与基板层之间的平面外未对准。在图8的示例性实施例中，第一检测质块系统804的一部分与第一电极802形成第一电容器，第一检测质块系统804的一部分与第二电极803形成第二电容器，第二检测质块系统805的一部分与第一电极802形成第三电容器，并且第二检测质块系统805的一部分与第二电极803形成第四电容器。例如，如图5和6中所描绘的，可以以桥模式(例如，惠斯通全桥)驱动这四个电容器并且将其耦合到C2V转换器。
图9描绘了根据本公开的一些实施例的具有分形梳状图案的检测质块。在图9的示例性实施例中，示例性MEMS传感器900可以类似于MEMS传感器400，并且可以包括第一基板电极902、第二基板电极903、第一检测质块系统904和第二检测质块系统905。在图9的实施例中，蚀刻第一检测质块系统904和第二检测质块系统905，使得第二检测质块系统905的检测质块在第一检测质块系统904内以梳齿图案叉指并且基本被其包围。虽然在图9中描绘了特定的梳状图案、梳尺寸、朝向和梳齿的数量，但是应理解的是，取决于可用的加工和制造技术以及期望的功能，各种构造可以是可能的。虽然第二检测质块系统905被描绘为被图案化并且基本上被第一检测质块系统904包围，但是应理解的是，两个检测质块系统或第一检测质块系统904可以被图案化，并且任一检测质块系统的任何合适的部分可以被另一个检测质块系统包围。在图9的示例性实施例中，第一检测质块系统904与电极902和903的重叠可以至少是第二检测质块系统905与电极902和903的重叠的两倍，而在其它实施例中，相对重叠可以更大或更小(例如，一个数量级)。
第一检测质块系统904可以被配置为基于第一检测质块系统904的平面外运动(例如，绕第一检测质块系统804的弹簧)来感测线加速度(例如，z轴线加速度)。第二检测质块系统905可以被设计为响应于感测到的线加速度而保持基本静止，并且到基板电极的距离可以指示MEMS层与基板层之间的平面外未对准。在图9的示例性实施例中，第一检测质块系统904的一部分与第一电极902形成第一电容器，第一检测质块系统904的一部分与第二电极903形成第二电容器，第二检测质块系统905的一部分与第一电极902形成第三电容器，并且第二检测质块系统905的一部分与第二电极903形成第四电容器。例如，如图5和6中所描绘的，可以以桥模式(例如，惠斯通全桥)驱动这四个电容器并将其耦合到C2V转换器。
图10描绘了根据本公开的一些实施例的用于偏移量补偿的示例性步骤。虽然在本公开和本文中描述的示例性MEMS加速度计的背景下描述了图10，但是应理解的是，图10中描述的方法和步骤可以应用于多种传感器类型。虽然在图10中描绘了特定次序和流程的步骤，但是应理解的是，在一些实施例中，可以修改、移动、移除或添加步骤中的一个或多个，并且可以修改图10中描绘的流程。
图10描绘了示例性步骤，用于基于检测质块的相对移动(例如，基于一个检测质块系统响应于线加速度而相对于基板电极在平面外移动，而另一个检测质块系统基于平面外MEMS层未对准而具有相对于基板电极的相对位置)利用重叠的检测质块和电极(例如，多个检测质块系统与多个电极重叠，例如，如本文所述)来确定测得的参数(例如，z轴线加速度)。
在步骤1002处，可以将第一驱动信号施加到第一检测质块系统或第一电极。第一驱动信号可以具有第一电位。接收驱动信号的第一检测质块系统或第一电极可以用作感测电路(诸如桥电路(例如，惠斯通全桥))的第一输入节点。一旦将第一驱动信号施加到第一检测质块或第一电极，处理就可以继续到步骤1004。
在步骤1004处，可以将第二驱动信号施加到第二检测质块系统或第二电极。第二驱动信号可以具有第二电位，并且在一些实施例中，第二电位和第一电位可以不同。在示例性实施例中，第一检测质块可以与第二检测质块电分离(例如，永久地或选择性地，在MEMS传感器内作为整体或在MEMS层内)和/或第一电极可以与第二检测质块电分离。在实施例中，如果第一检测质块接收第一驱动信号，那么第二检测质块接收第二驱动信号，并且如果第一电极接收第一驱动信号，那么第二电极接收第二驱动信号。接收第二驱动信号的第二检测质块系统或第二电极可以用作感测电路(诸如桥电路(例如，惠斯通全桥))的第二输入节点。一旦将第二驱动信号施加到第二检测质块或第二电极，处理就可以继续到步骤1004。
在步骤1006处，可以从多个电容器接收感测信号。检测质块可以与电极形成电容器，例如，在第一检测质块和第一电极之间形成的第一电容器、在第一检测质块和第二电极之间形成的第二电容器、在第二检测质块和第一电极之间形成的第三电容器，以及在第二检测质块和第二电极之间形成的第四电容器。电容和/或其改变可以表示不同的现象，例如，第一电容器和第二电容器响应于感测的线加速度而感测第一检测质块系统的平面外移动，而第三电容器和第四电容器基于第二检测质块系统的位置来感测MEMS层相对于基板层的平面外未对准。在实施例中，第一检测质块系统和第二检测质块系统的相对尺寸、定位和形状可以被配置为成比例地补偿MEMS层未对准并且拒绝由于共同制造、组装和磨损条件而产生的影响。在一个实施例中，如果第一检测质块系统和第二检测质块系统接收驱动信号，那么第一电极和第二电极接收感测信号。如果第一电极和第二电极接收驱动信号，那么第一检测质块系统和第二检测质块系统接收感测信号。接收第一感测信号的第一检测质块系统或第一电极可以用作诸如桥电路(例如，惠斯通全桥)之类的感测电路的第一输出节点并且接收第二感测信号的第二检测质块系统或第二电极可以用作感测电路的第二输出节点。处理然后可以继续到步骤1008。
在步骤1008处，可以基于在步骤1006处接收到的感测信号来确定要测量的值(例如，z轴线加速度)。感测信号可以被提供给部件(例如，C2V转换器)，该部件生成基于检测质块相对于电极的相对位置(例如，基于惠斯通全桥内的电容值)的输出信号(例如，电压或电流)。可以以多种方式来处理测得的信号，诸如缩放(例如，基于输出信号与被测量的参数之间的已知关联)、放大、滤波(例如，从而去除已知的或测得的误差或干扰信号和/或其谐波)和补偿(例如，基于来自MEMS系统的其它测得的信号、基于来自电极或检测质块系统的单独测量结果、基于其它测得的参数(诸如环境条件)和其它信号源(诸如来自组装好的系统的其它系统)。一旦确定了测得的值，图10的处理就可以结束。
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说明的目的，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与所附权利要求一致的各种修改、优化和变化。

Claims (22)

1.一种微机电MEMS传感器，包括：
基板；
第一电极，其位于基板上；
锚固件，其耦合到基板；
第一检测质块，其位于MEMS层内并且耦合到锚固件；
第二检测质块，其位于MEMS层内并且耦合到锚固件，其中第一检测质块和第二检测质块在MEMS层内电分离，其中第一检测质块和第二检测质块具有不同的电位，并且其中第一电极定位在第一检测质块与基板的上部平坦表面之间；
第一感测元件，其耦合到第一检测质块和第一电极；
第二感测元件，其耦合到第二检测质块和第一电极；以及
处理电路系统，其耦合到第一感测元件和第二感测元件，以基于第一感测信号和第二感测信号输出与第一外力对应的测得的信号，其中第一检测质块响应于第一外力而相对于第一电极在第一方向上移动，其中第二检测质块响应于第一外力而基本上静止，并且其中与第一外力对应的信号基于第一检测质块相对于第一电极的第一位置和第二检测质块相对于第一电极的第二位置。
2.如权利要求1所述的MEMS传感器，其中第一检测质块响应于第一外力而在第一方向上移动，并且第一感测元件响应于第一检测质块沿着第一方向的运动而输出第一感测信号。
3.如权利要求2所述的MEMS传感器，其中第二检测质块响应于第二外力而在第二方向上移动，并且第二感测元件响应于第二检测质块在第二方向上的运动而输出第二感测信号。
4.如权利要求1所述的MEMS传感器，其中第二检测质块的响应于第二外力在第二方向上的运动生成基本上为零的输出信号。
5.如权利要求3所述的MEMS传感器，其中第一外力包括加速度、磁场、声压、大气环境压力或科里奥利力。
6.如权利要求4所述的MEMS传感器，其中第二外力包括热膨胀、制造负荷、震动、冲击、焊接或吸湿膨胀。
7.如权利要求3所述的MEMS传感器，其中第一方向和第二方向基本上垂直于基板。
8.如权利要求1所述的MEMS传感器，其中第一感测元件和第二感测元件包括可变电容器、压阻传感器、压电传感器、光学传感器或磁传感器。
9.如权利要求1所述的MEMS传感器，其中第二检测质块包括经由桨延伸部耦合到锚固件的桨主体，其中桨主体在至少三个侧面上被第一检测质块包围。
10.如权利要求9所述的MEMS传感器，其中桨主体和第一检测质块包括梳状结构。
11.如权利要求9所述的MEMS传感器，其中桨主体和第一检测质块包括叉指状星形结构。
12.如权利要求9所述的MEMS传感器，其中桨主体和第一检测质块包括叉指状分形结构。
13.如权利要求1所述的MEMS传感器，还包括：
第二电极，其位于基板层上，其中第二电极定位在第二检测质块与基板的上部平坦表面之间；
第三感测元件，其耦合到第一检测质块和第二电极；以及
第四感测元件，其耦合到第二检测质块和第二电极。
14.如权利要求13所述的MEMS传感器，处理电路系统耦合到第一感测元件、第二感测元件、第三感测元件和第四感测元件，以输出与第一外力对应的测得的信号。
15.如权利要求14所述的MEMS传感器，其中第一感测元件、第二感测元件、第三感测元件和第四感测元件中的每一个均包括可变电容器，并且处理电路系统包括电容惠斯通桥和电荷至电压放大器。
16.如权利要求15所述的MEMS传感器，其中第一电极耦合到电荷至电压放大器的第一端子，第二电极耦合到电荷至电压放大器的第二端子，第一检测质块用第一电压驱动，并且第二检测质块用第二电压驱动。
17.如权利要求16所述的MEMS传感器，其中与第一检测质块和第一电极相关联的电容对应于电容惠斯通桥的第一电容器，与第二检测质块和第一电极相关联的电容对应于电容惠斯通桥的第二电容器，与第一检测质块和第二电极相关联的电容对应于电容惠斯通桥的第三电容器，并且与第二检测质块和第二电极相关联的电容对应于电容惠斯通桥的第四电容器。
18.如权利要求13所述的MEMS传感器，其中第一检测质块响应于第一外力而在第一方向上移动并且第一感测元件响应于第一检测质块在第一方向上的运动而输出第一感测信号，其中第二检测质块响应于第二外力而在第二方向上移动并且第二感测元件响应于第二检测质块在第二方向上的运动而输出第二感测信号，其中第三感测元件响应于第一检测质块在第一方向上的运动而输出第三感测信号，并且其中第四感测元件响应于第二检测质块在第二方向上的运动而输出第四感测信号。
19.如权利要求13所述的MEMS传感器，其中第一感测元件和第三感测元件包括第一差分对，并且第二感测元件和第四感测元件包括第二差分对。
20.如权利要求1所述的MEMS传感器，还包括盖，其中所述盖耦合到基板并形成腔体，并且其中锚固件经由所述盖耦合到基板。
21.一种用于操作微机电MEMS传感器的方法，包括：
从耦合到第一检测质块和第一电极的第一感测元件接收第一感测信号，其中第一电极位于基板上，锚固件耦合到基板，并且第一检测质块直接耦合到锚固件，并且其中第一电极定位在第一检测质块与基板的上部平坦表面之间；
从耦合到第二检测质块和第一电极的第二感测元件接收第二感测信号，其中第二检测质块耦合到锚固件，其中第一检测质块和第二检测质块位于MEMS层内，其中第一检测质块和第二检测质块电分离，并且其中第一检测质块和第二检测质块具有不同的电位；以及
通过耦合到第一感测元件和第二感测元件的处理电路系统，基于第一感测信号和第二感测信号来确定与第一外力对应的测得的信号，
其中第一检测质块响应于第一外力而相对于第一电极在第一方向上移动，其中第二检测质块响应于第一外力而基本上静止，并且其中与第一外力对应的信号基于第一检测质块相对于第一电极的第一位置和第二检测质块相对于第一电极的第二位置。
22.一种微机电MEMS传感器，包括：
第一电极，其具有第一电极平面；
锚固件，其耦合到基板；
第一检测质块，其在MEMS层内并且具有与第一电极平面的至少一部分重叠的第一检测质块平面，其中第一检测质块耦合到锚固件，并且其中第一电极定位在第一检测质块与基板的上部平坦表面之间；
第二检测质块，其在MEMS层内并且具有与第一电极平面的至少一部分重叠的第二检测质块平面，并且其中第一检测质块和第二检测质块在MEMS层内不电耦合，其中第一检测质块和第二检测质块具有不同的电位，并且其中第二检测质块耦合到锚固件；以及
处理电路系统，其耦合到第一电极、第一检测质块和第二检测质块，并且用于确定与第一外力对应的测得的信号，其中第一检测质块响应于第一外力而相对于第一电极在第一方向上移动，其中第二检测质块响应于第一外力而基本上静止，并且其中与第一外力对应的信号基于第一检测质块相对于第一电极的第一位置和第二检测质块相对于第一电极的第二位置。
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20210385586A1 (en) * 2020-06-04 2021-12-09 Georgia Tech Research Corporation Systems and methods having multi-axis sensitivity and translational mode shapes
US11714102B2 (en) 2021-06-08 2023-08-01 Analog Devices, Inc. Fully differential accelerometer
DE102022200338A1 (de) 2022-01-13 2023-07-13 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Mikromechanische Sensoreinrichtung
CN117804502B (zh) * 2024-01-05 2024-08-16 中国科学院力学研究所 基于惯性传感器电容传感电路的耦合抑制标定测试方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6257057B1 (en) * 1998-12-16 2001-07-10 L-3 Communications Corporation Epitaxial coriolis rate sensor
CN102768038A (zh) * 2011-04-27 2012-11-07 霍尼韦尔国际公司 调整mems陀螺仪以减小热变偏移
US8973439B1 (en) * 2013-12-23 2015-03-10 Invensense, Inc. MEMS accelerometer with proof masses moving in anti-phase direction normal to the plane of the substrate
CN105358990A (zh) * 2013-03-15 2016-02-24 应美盛股份有限公司 使用磁性材料在加速计上的磁强计
CN105699693A (zh) * 2014-12-11 2016-06-22 意法半导体股份有限公司 具有减少漂移功能的z轴微机电检测结构
CN107270883A (zh) * 2016-03-31 2017-10-20 意法半导体股份有限公司 具有对应的电气参数的降低的漂移的mems多轴陀螺仪的微机械检测结构

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7258011B2 (en) * 2005-11-21 2007-08-21 Invensense Inc. Multiple axis accelerometer
US8047075B2 (en) 2007-06-21 2011-11-01 Invensense, Inc. Vertically integrated 3-axis MEMS accelerometer with electronics
US7934423B2 (en) * 2007-12-10 2011-05-03 Invensense, Inc. Vertically integrated 3-axis MEMS angular accelerometer with integrated electronics
EP2098823B1 (en) * 2008-03-05 2016-10-19 Colibrys S.A. Accelerometer with offset compensation
US8205498B2 (en) * 2008-11-18 2012-06-26 Industrial Technology Research Institute Multi-axis capacitive accelerometer
US8534127B2 (en) * 2009-09-11 2013-09-17 Invensense, Inc. Extension-mode angular velocity sensor
US8453504B1 (en) * 2010-01-23 2013-06-04 Minyao Mao Angular rate sensor with suppressed linear acceleration response
EP2428774B1 (en) 2010-09-14 2013-05-29 Stichting IMEC Nederland Readout system for MEMs-based capacitive accelerometers and strain sensors, and method for reading
US9278845B2 (en) * 2010-09-18 2016-03-08 Fairchild Semiconductor Corporation MEMS multi-axis gyroscope Z-axis electrode structure
US20130001550A1 (en) 2011-06-29 2013-01-03 Invensense, Inc. Hermetically sealed mems device with a portion exposed to the environment with vertically integrated electronics
EP2607849A1 (en) * 2011-12-22 2013-06-26 Tronics Microsystems S.A. Multiaxial micro-electronic inertial sensor
US9062972B2 (en) 2012-01-31 2015-06-23 Fairchild Semiconductor Corporation MEMS multi-axis accelerometer electrode structure
KR102058489B1 (ko) * 2012-04-05 2019-12-23 페어차일드 세미컨덕터 코포레이션 멤스 장치 프론트 엔드 전하 증폭기
US10371715B2 (en) * 2013-12-23 2019-08-06 Invensense, Inc. MEMS accelerometer with proof masses moving in an anti-phase direction
TWI614208B (zh) * 2014-04-09 2018-02-11 立錡科技股份有限公司 微機電元件
JPWO2016027800A1 (ja) 2014-08-22 2017-06-29 オリンパス株式会社 細胞培養バッグ、細胞培養装置および細胞培養容器
US9840409B2 (en) * 2015-01-28 2017-12-12 Invensense, Inc. Translating Z axis accelerometer
FI127000B (en) * 2015-06-26 2017-09-15 Murata Manufacturing Co MEMS sensor
US9797921B2 (en) * 2015-09-03 2017-10-24 Nxp Usa, Inc. Compensation and calibration of multiple mass MEMS sensor
US10725068B2 (en) * 2015-12-15 2020-07-28 Invensense, Inc. Identification and compensation of MEMS accelerometer errors

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6257057B1 (en) * 1998-12-16 2001-07-10 L-3 Communications Corporation Epitaxial coriolis rate sensor
CN102768038A (zh) * 2011-04-27 2012-11-07 霍尼韦尔国际公司 调整mems陀螺仪以减小热变偏移
CN105358990A (zh) * 2013-03-15 2016-02-24 应美盛股份有限公司 使用磁性材料在加速计上的磁强计
US8973439B1 (en) * 2013-12-23 2015-03-10 Invensense, Inc. MEMS accelerometer with proof masses moving in anti-phase direction normal to the plane of the substrate
CN105699693A (zh) * 2014-12-11 2016-06-22 意法半导体股份有限公司 具有减少漂移功能的z轴微机电检测结构
CN107270883A (zh) * 2016-03-31 2017-10-20 意法半导体股份有限公司 具有对应的电气参数的降低的漂移的mems多轴陀螺仪的微机械检测结构

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