CN112739642A - 3-轴加速度计 - Google Patents

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Abstract

三轴加速度计包括单集成质量块，包括至少一个横向(x‑y)质量块和至少一个垂直(z)质量块。垂直质量块被布置为跷跷板质量块，其位于横向质量块内。垂直质量块使用一个或多个扭转弹簧机械地耦合到横向质量块，并且横向质量块使用一个或多个横向弹簧机械地耦合到一个或多个锚。所述至少一个垂直质量块可以围绕三轴加速度计的一个或多个轴对称地定位，使得3‑轴加速度计具有面内对称性。三轴加速度计可能不太容易受到机械串扰或噪声的影响，并且可以提供较小的封装解决方案来感测三个方向的加速度。

Description

3-轴加速度计
相关申请的交叉引用
本申请是根据35U.S.C.§120于2018年9月21日提交的美国专利申请序列No.16/138,091(代理人案卷号为G0766.70249US00和名称为“3-轴加速度计”)的权益的连续申请，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本申请涉及微机电系统(MEMS)惯性传感器。
背景技术
一些微机电系统(MEMS)惯性传感器用于测量一个或多个方向上的加速度，并称为加速计。这些加速度计通常利用弹簧耦合到基板的质量块，该基板响应于加速度而位移。由于弹簧耦合，质量块经常响应于加速度而振动。质量块的位移和/或振荡频率是使用电容传感技术测量的，这会产生代表位移或振荡的模拟输出信号。一些加速度计，称为谐振加速度计，使用驱动器以预定频率振荡质量块。响应于加速度，质量块的振荡频率改变。可以测量与预定驱动频率的频率偏差以确定所施加的加速度。
一些常规的三轴加速度计针对每个感测方向利用单独的质量块。也就是说，对于三轴加速度计，使用了三个独立且机械独立的质量块，每个方向分配质量块。通常，横向质量块(例如，x和/或y轴质量块)在单个平面中位移和/或振动。垂直质量块(例如，z轴质量块)通常被移位和/或振荡进入或离开单个平面。
发明内容
三轴加速度计包括单集成质量块，包括与至少一个垂直移动(z)质量块集成的至少一个横向移动(x-y)质量块。垂直移动的质量块被布置为位于水平移动的质量块内的跷跷板质量块。垂直运动的质量块通过一个或多个扭转弹簧机械地耦合到横向运动的质量块，并且横向运动的质量块通过一个或多个横向运动的弹簧机械地耦合到一个或多个锚或支撑件。至少一个垂直运动的质量块可以围绕三轴加速度计的一个或多个轴对称地定位，使得三轴加速度计具有面内对称性。三轴加速度计可以提供各种好处，例如，与替代的三轴加速度计结构相比，与其他三轴加速度计结构相比，其对机械串扰或噪声的敏感度较低，并且具有较小的占地面积(占用的芯片面积较小)。
在一些实施方案中，单质量集成三轴加速度计包括：单质量的x-y加速度检测部分；和嵌入在所述x-y加速度检测部分内的单质量的跷跷板z轴加速度检测部分。
在一些实施方案中，集成三轴加速度计包括：耦合到基板的锚；组合的x-y加速度检测质量块；和嵌入在所述x-y加速度检测质量块中的第一和第二跷跷板z轴加速度检测质量块。所述组合的x-y加速度检测质量块通过第一系绳耦合到所述锚，并且所述第一和第二跷跷板z轴加速度检测质量块分别通过第二系绳和第三系绳耦合到所述x-y加速度检测质量块。
在一些实施方案中，单质量集成三轴加速度计包括：单质量的x-y加速度检测部分；和嵌入在所述x-y加速度检测部分内的至少一个单质量的跷跷板z轴加速度检测部分。所述加速度计围绕所述加速度计的x轴和y轴对称。
附图说明
将参考以下附图描述本申请的各个方面和实施例。应当理解，附图不一定按比例绘制。出现在多个图中的项目在所有出现的图中均用相同的参考数字表示。
图1是三轴加速度计的一个实施例的顶视图，该三轴加速度计具有嵌入在x-y轴质量块内的z轴质量块。
图2是三轴加速度计的一个实施例的俯视图，该加速度计具有嵌入在x-y轴质量块内的两个z轴质量块。
图3是图2的替代实施例的顶视图，表示具有嵌入在x-y轴质量块内的两个z轴质量块的三轴加速度计。
图4是三轴加速度计的一个实施例的俯视图，该加速度计具有嵌入在x-y轴质量块内的四个z轴质量块。
图5是图4的替代实施例的顶视图，表示具有嵌入在x-y轴质量块内的四个z轴质量块的三轴加速度计。
图6示出了根据本申请的非限制性实施例的可以包括至少一个三轴加速度计的汽车。
具体实施方式
发明人已经认识到，对于每个应用，具有用于每个感测轴的多个独立质量块的常规三轴加速度计太大和/或昂贵。这种三轴加速度计占用大量空间(芯片面积)，因为每个检测质量都需要不同的传感电路以及锚固件和弹簧。一些三轴加速度计通过仅利用单个实心质量块来感测所有三个方向上的加速度来解决此问题。然而，发明人已经意识到，这种构造极易受到机械应力和/或机械串扰的影响，因为有时在三个感测方向中的任何一个上都激励单个实心质量块，而与所施加的加速度的方向无关。这种机械应力和/或机械串扰是不希望的，因为这会导致加速度计的性能变差。
为了解决这个问题，一些三轴加速度计利用积分的质量块，其中的x-y轴质量块由单独的z轴质量块限定。然而，发明人已经意识到，这些加速度计具有包括低精度和高z轴偏移误差的缺点。单个外部质量块z轴质量块相对于其枢轴是不对称的，这会在三轴加速度计中引起模态串扰。此外，发明人已经意识到，这种配置导致z轴质量块的信号偏移误差更大，这是因为与x-y轴质量块未布置在其内部相比，其必须被定位成离其枢转轴线更远。
鉴于以上内容，本申请的各方面提供了一种集成的三轴加速度计，其包括具有用于检测z轴加速度的嵌入式检测质量的x-y轴检测质量。与减少的机械串扰和z轴偏移误差相比，这种布置可以以比替代设计更小的占地面积来实现，并且相对于传统的单质量块加速度计可以具有提高的精度。
根据本申请的方面，提供单质量集成三轴加速度计。加速度计包括被配置为在横向方向(例如，x和y方向)上平面内移动的x-y轴检测质量。x-y轴质量块包括被配置为在垂直方向(例如，z方向)上平面外枢转的嵌入质量块。在一些实施例中，嵌入质量块是被构造成在x-y平面内外旋转的跷跷板质量块。由于将嵌入的z轴检测质量合并到x-y轴检测质量中，因此它也有助于x-y运动。因此，该加速度计可以说是单质量的三轴加速度计。
根据本申请的另一方面，单质量集成三轴加速度计包括被配置为在x和y方向上平面内移动的质量块，其中两个或多个嵌入式质量块被配置为在z-方向上平面外移动。加速度计可以关于一个或多个轴对称，例如关于x和y轴对称(在本文中称为“平面内对称”)。对称构造可以减少x、y和z轴操作模式之间机械串扰的发生，并提供更好的补偿性能。
根据本申请的又一方面，一种单质量集成三轴加速度计包括具有x-y加速度检测部分和嵌入在x-y加速度检测部分内的z加速度检测部分的单质量块。加速度计可以关于加速度计的x轴和y轴两者对称，从而表现出平面内对称性。
如本文中所使用的，“x-y轴质量块”是被配置为在x-y平面中移动的质量。“z轴质量块”是被配置为例如通过绕x-y平面旋转而在z方向上移动的质量。
图1描绘了根据本申请的非限制性实施例的三轴加速度计的一个实施例。在该非限制性实施例中，三轴加速度计100包括具有嵌入式z轴质量块的x-y轴质量块。x-y轴质量块耦合到固定支撑物，例如基板，并且嵌入式z轴质量块耦合到x-y轴质量块。参照该图，三轴加速度计100包括xy轴质量块110和嵌入式z轴质量块120，其包括第一部分122和第二部分124(有时分别称为正部分和负部分)。三轴加速度计100还包括基板102、锚104、x-y系绳112和z-系绳126。
基板102用作加速度计的基底。即，基板102可以支撑质量块，并且质量块可以相对于基板102移动。基板102可以由诸如半导体材料(例如，硅)的任何合适的材料形成。基板可以包括驱动和/或感测电路，例如电极，驱动器电路，滤波器电路或用于三轴加速度计的任何其他电路。在一些实施例中，锚104代表基板102的延伸，诸如是基板的垂直支柱。但是，也可以选择。例如，在一些实施例中，锚104可以由单独的材料形成。锚自身可以连接到x-y系绳112，以将x-y轴检测质量(和间接地z轴检测质量)悬挂在基板102上方。
x-y轴质量块110构造成检测在x和y方向上的加速度。具体地，x-y轴质量块110被布置为响应于在那些方向上的加速度而在横向方向(x和y方向)上移动。可以测量x-y轴质量块110的所得运动并将其用于计算在x和y方向中的至少一个方向上的加速度。x-y系绳112被布置成将x-y轴质量块110耦合到锚104，并允许x-y轴质量块110在x和y方向上运动。另外，x-y系绳112在z方向上是刚性的，以减少或消除x-y轴质量块110的机械串扰。x-y系绳112向x-y轴质量块110提供恢复力。在此非限制性示例中，x-y系绳112布置成盒形弹簧，该盒形弹簧在第一方向(例如，x方向)上压缩并且在第二平面内方向(例如，y方向)上旋转。然而，系绳112的其他构造是可能的。
x-y轴质量块110可以具有各种合适的形状和尺寸，并且可以由任何合适的材料形成。在所示的非限制性示例中，x-y轴质量块110是大致矩形的，具有大致矩形的外周。x-y轴质量块的尺寸可以是任何合适的尺寸。例如，x-y轴检测质量的外周的边可以分别在50-500微米之间(包括该范围内的任何值)，或任何其他合适的值。x-y轴质量块可以由任何合适的材料形成，例如硅。在一些实施例中，x-y轴质量块110通过从基板102蚀刻而形成，尽管替代的制造工艺是可能的。在一些实施例中，x-y系绳112由相同材料形成。例如，可以从基板102的公共硅层蚀刻x-y轴检测质量110和x-y系绳112。
在一些实施例中，x-y轴质量块110可包括驱动/感测电极。例如，可以使用梳齿指来检测x-y轴质量块110的运动，该梳齿可以定位在x-y轴质量块的任何合适的位置。例如，手指可以位于由框114界定的区域中，并且可以具有任何合适的构造。基板102可以包括对应的驱动/感测电极。电极可以允许对x-y轴检测质量110的运动进行电容感测。当采用多个梳状驱动器时，可以使用差分感测，这可以提供加速度计的改进的精度和精确度。x和y轴均可以使用单独的梳状驱动器。在一些实施例中，驱动电极可以用于使x-y轴质量块和z轴质量块围绕静止位置以预定频率振荡。
Z轴检测质量120被布置成具有第一部分122和第二部分124的跷跷板质量块，该第一部分122和第二部分124代表Z轴检测质量120在Z系绳126的枢转轴线的分离侧上的部分。因此，z轴质量块被布置成旋转进入或离开x-y平面。第一部分122具有比第二部分124更大的质量块。这种质量块失衡使得z轴检测质量120响应于所施加的z方向加速度而旋转。Z系绳126布置为扭转弹簧，其抵抗x-y轴质量块的旋转并且将z轴质量块恢复到静止位置。Z系绳126将z轴质量块耦合到x-y轴质量块。因为z轴检质量块120仅耦合到x-y轴质量块110，而不是直接耦合到基板102，所以z轴质量块120与x-y轴质量块110一起在x-y平面中移动，因此可以被认为是x-y轴质量块110的一部分。z轴质量块120随x-y轴质量块110移动而嵌入x-y轴质量块110中。由于z轴质量块嵌入x-y轴质量块内，因此z轴质量块有助于x-y感测方向。然而，z轴质量块通过z-系绳在z方向上与x-y轴质量块解耦，使得x-y轴质量块对z方向感测没有贡献。由于z轴质量块嵌入x-y轴质量块中，因此可以认为它们形成了一个单一质量块，其中x-y轴质量块代表了单个质量块的一部分，而z轴质量块代表了质量块的第二部分。因此，应当理解，可以认为本申请的至少一些方面提供了一种用于在三个方向上感测加速度的单集成质量块，并且该单集成质量块可以包括x-y加速度检测部分和z加速度检测部分。
z轴质量块120可以包括允许感测/驱动其运动的电极。例如，第一和第二部分122和124可以被掺杂为导电的，或者可以包括导电层(例如，金属层)，并且可以在基板102上位于z轴检测质量下方的结构(例如电极)上形成电容。电容可以允许电容感测和/或驱动z轴质量块。
如图1所示，三轴加速度计100关于x轴对称。即，在平行于x轴的纵向中心线A-A'的任一侧上，加速度计具有均等的质量块分布，包括x-y轴质量块110和z轴质量块120。根据图1的实施例，加速度计100关于y轴不对称。由于z轴质量块是跷跷板质量块，因此z轴质量块围绕y轴的重量分布不相等。因此，加速度计具有部分平面内对称性(关于x轴和y轴之一的对称性)，而不是全部平面内对称性(关于x轴和y轴的对称性)。在一些实施例中，基板、锚以及驱动和/或感测电极可以具有部分或全部平面内对称性或任何其他合适的布置，因为本公开不限于此。
系绳112上的变化是可能的，包括数量、位置、取向、形状和材料。
在一些实施例中，x-y系绳112可以被布置为分开的x-系绳和y-系绳。即，加速度计100可以包括被布置为允许x-y轴质量块110在x方向上位移的x系绳以及被布置为允许x-y轴质量块在y方向上位移的y系绳。分开的x和y系绳可以是布置成在x-y轴质量块上提供恢复力的任何合适的弹簧。例如，可能的x和y系绳包括但不限于压缩弹簧、拉伸弹簧和箱形弹簧。可以将x-y系绳112定位在任何合适的位置和任何合适的取向上，以促进x-y轴检测质量在预定方向上的位移并在所述预定方向上提供恢复力。可以提供任何适当数量的x-y系绳、或x-系绳和y-系绳，以允许x-y轴质量块的所需运动。因此，图1中的四个x-y系绳的图示是非限制性的。
Z系绳126上的变化也是可能的。根据图1所示的实施例，z系绳可以被布置为扭转弹簧，该扭转弹簧提供复位力，当z轴质量块旋转出xy平面时，该复位力使z轴质量块120返回到静止位置。Z系绳可以是任何合适的扭转弹簧，因为本公开不限于此。尽管在图1中示出了两个z系绳126，但是可以提供替代编号。在一些实施例中，x-y系绳和z系绳可以不布置成弹簧，而是可以是任何合适的支撑件，其将x-y轴质量块和z轴质量块悬挂在基板上方，并允许每个质量块移动。
在一些实施方案中，系绳的厚度可能会影响所述系绳对一个或多个感应方向之间不希望的机械串扰的敏感度。更具体地，足够刚性的系绳可以防止不期望的模式。即，当系绳足够刚性时，机械串扰模式的频率足够高，以至于它们不会被典型的工作条件所激发。在一些实施例中，系绳(例如，x-y系绳和z-系绳)可具有合适的材料厚度以减少机械串扰。例如，系绳的厚度(在图1的z方向上测量)可以大于2μm、5μm、8μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、在2和35微米之间，或任何其他合适的厚度。相应地，系绳的厚度可以小于35μm、28μm、23μm、18μm、13μm、9μm、7μm、4μm和/或任何其他合适的厚度。预期上述范围的组合包括但不限于25至35μm、10至23μm以及5至13μm的厚度。当然，可以采用任何合适的系绳厚度，因为本公开不限于此。
在一些情况下，系绳的厚度可以对应于系绳的特定宽度(在图1的x-y平面中测量)，使得系绳可以具有期望的刚度以减少机械串扰。例如，系绳的厚度和宽度之间的比率可以大于0.5、2、4、6、8、10、15、20和/或任何其他合适的比率。相应地，系绳的厚度和宽度之间的比率可以小于25、20、15、10、8、6、4、1和/或任何其他合适的比率。预期上述范围的组合，包括但不限于比率0.5和4、10和25以及6和15。当然，可以在系绳的厚度和宽度之间采用任何合适的比率，因为本公开不限于此。
图2描绘了能够差分z方向加速度感测的三轴加速度计200的另一实施例，其包括x-y轴质量块210和两个z轴质量块220a、220b，每个z轴质量块220a、220b包括第一部分222a、222b和第二部分224a、224b。加速度计还包括基板202、锚204、x-y系绳212和z系绳226。与图1的非限制性实施例中的基板102一样，基板202用作加速度计的基座，并且直接连接至锚204。基板还用作固定平台，其可以包括驱动器或感测元件，其可以移动和/或测量x-y质量块和z轴质量块的移动。锚204被布置成连接到x-y系绳212，并且将x-y轴质量块(和间接地z轴质量块)悬挂在基板202上方。X-y轴质量块被布置成横向移动(x和y方向)，该运动被测量并用于计算至少在x和y方向上的加速度。x-y系绳212被布置为将x-y轴质量块耦合到锚204并且向x-y轴质量块提供恢复力。特别地，x-y系绳布置成盒形弹簧，该盒形弹簧在第一方向(例如，y方向)上压缩并且在第二平面内方向(例如，x方向)上旋转。如图2所示，图2的实施例与图1的实施例的不同之处在于，x-y系绳的取向不同。z轴质量块块220a、220b布置成具有第一部分222a、222b和第二部分224a、224b的跷跷板质量块。因此，z轴质量块被布置成旋转进出x-y平面或从x-y平面出来，并因此在z方向上移动。第一部分222a、222b具有比第二部分224a、224b更大的质量块。那些质量块不平衡导致z轴质量块响应于所施加的z方向加速度而旋转。Z系绳226布置为扭转弹簧，其抵抗x-y轴质量块的旋转并且将z轴质量块恢复到静止位置。Z系绳将z轴质量块与x-y轴质量块耦合。
如图2所示，两个z轴质量块220a、220b嵌入在x-y轴质量块210内。两个z轴质量块相对于加速度计200的y轴相反地定向。即，第一部分222a、222b与y轴等距，第二部分224a、224b类似地与y轴等距。根据图2的实施例，两个z轴质量块也绕加速度计的x轴对称地布置。因此，两个z轴质量块在x轴和y轴上均具有相等的质量块分布，显示出完全的平面内对称性。也就是说，两个z轴质量块在纵向中心线B-B'和横向中心线C-C'的两侧对称且质量块分布相等。这样的布置可以减少机械串扰并提高加速度计的精度。根据图2的实施例，两个z轴质量块220a、220b的输出可以被组合以创建指示z方向上的加速度的单个输出信号。例如，可以取两个z轴质量块输出的差(即，差分检测)以减少与单个z轴质量块信号相关的噪声和偏移误差。相对于具有单个z轴质量块的加速度计，这种布置可以提高精度。当然，可以采用两个z轴质量块信号的任何合适的组合或处理，因为本公开不限于此。
根据图2的实施例，x-y轴质量块210围绕两个z轴质量块220a、220b并且具有总的平面内对称性。也就是说，x-y轴质量块相对于纵向中心线B-B'和横向中心线C-C'具有相等的质量块分布。因此，加速度计200可能不易受到机械串扰的影响。如图2所示，x-y轴质量块块通过布置为箱形弹簧的x-y系绳212连接到基板202，所述x-y系绳212耦合到固定到基板的锚204。x-y系绳和锚围绕x和y轴对称放置，因此加速度计具有完全的平面内对称性。
图3描绘了图2的替代实施例，其表示包括x-y轴质量块310和两个z轴质量块320a、320b的三轴加速度计300，每个质量块包括第一部分322a、322b和第二部分324a、324b。加速度计300还包括基板302，锚304、x-y系绳312和z系绳326。与图1的非限制性实施例中的基板102一样，基板302用作加速度计的基础，并且直接连接至锚304。基板还用作固定平台，其可以包括驱动器或感测元件，其可以移动和/或测量x-y轴质量块和z轴质量块的运动。锚304被布置为连接到x-y系绳312，并且将x-y轴质量块(以及间接地z轴质量块)悬挂在基板302上方。x-y轴质量块被布置成在横向方向(x和y方向)上移动，该运动被测量并用于计算在x和y方向中的至少一个方向上的加速度。x-y系绳312被布置为将x-y轴质量块耦合到锚304并且向x-y轴质量块提供恢复力。特别地，x-y系绳布置成盒形弹簧，该盒形弹簧在第一方向(例如，x方向)上压缩并且在第二平面内方向(例如，y方向)上旋转。图3的实施例与图2的实施例的不同之处在于，如图所示，在两个实施例中，x-y系绳的取向不同。z轴质量块块320a、320b被布置为具有第一部分322a、322b和第二部分324a、324b的跷跷板质量块。因此，z轴质量块被布置成旋转进出x-y平面或从x-y平面出来，并因此在z方向上移动。第一部分322a、322b具有比第二部分324a、324b更大的质量块。那些质量块不平衡导致z轴质量块响应于所施加的z方向加速度而旋转。Z系绳326布置为扭转弹簧，其抵抗x-y轴质量块的旋转并且将z轴质量块恢复到静止位置。Z系绳将z轴质量块与x-y轴质量块耦合。
如图3所示，两个z轴质量块320a、320b以与图2类似的方式嵌入在x-y轴质量块310内。两个z轴质量块相对于加速度计300的y轴相反地定向。即，第一部分322a、322b与y轴等距，并且第二部分324a、324b与y轴等距。根据图2的实施例，两个z轴质量块也绕加速度计的x轴对称地布置。因此，两个z轴质量块在纵向中心线D-D’和横向中心线E-E’的任一侧上呈现出具有相等质量块分布的总平面内对称性。根据图3的实施例并且类似于图2的实施例，两个z轴质量块320a、320b的输出可以被组合以创建指示z方向上的加速度的单个输出信号。
根据图3的实施例，x-y轴质量块310围绕两个z轴质量块320a、320b，并且具有与图2的实施例类似的总的平面内对称性。也就是说，x-y轴质量块相对于纵向中心线D-D'和横向中心线E-E'具有相等的质量块分布。因此，加速度计300可能不易受到机械串扰的影响。如图3所示，x-y轴质量块块通过布置为箱形弹簧的x-y系绳312耦合到基板302，所述x-y系绳312耦合到固定到基板的锚304。x-y系绳和锚围绕x和y轴对称放置，因此加速度计具有完全的平面内对称性。与图2的实施例相反，x-y系绳312和锚304相对于图2的x-y系绳212垂直取向。因此，锚距加速度计的中心更远，并且两个z轴质量块可以占据x-y轴质量块的较大相对面积，并且因此具有更大的质量块。具有较大质量块的z轴质量块可能能够利用较厚的系绳，这可以通过减轻如前所述的不良模式的影响来减少机械串扰。
图4描绘了三轴加速度计400的另一实施例，该三轴加速度计400具有总的平面内对称性，包括x-y轴质量块410和四个z轴质量块420a、420b、420c、420d，每一个均包括第一部分422a、422b、422c、422d，以及第二部分424a、424b、424c、424d。加速度计还包括基板402、锚404、x-y系绳412、z-系绳426、指状件414、正电极416a和负电极416b。x-y轴质量块410被布置为在横向方向(x和y方向)上平移。每个z轴质量块420a、420b、420c、420d被布置为相对于x-y轴质量块在平面外旋转。每个第一部分422a、422b、422c、422d的质量块都大于每个第二部分424a、424b、424c、424d的质量块，因此，z轴质量块在受到z方向的加速度时将旋转。
如图4所示，锚404固定至基板402，并布置成连接至x-y系绳412。X-y系绳布置为盒簧，并且将x-y轴质量块悬挂在基板上方并允许x-y轴质量块410在x和y方向上移动，同时提供恢复力以使x-y轴质量块返回到静止位置。Z系绳426布置成扭力弹簧，其将z轴质量块悬挂在基板上方并且将x-y轴质量块机械耦合至z轴质量块420a、420b、420c、420d。Z系绳还提供恢复力，当z轴质量块旋转出x-y平面时，该恢复力使每个z轴质量块返回到静止位置。指状件414联接到x-y轴质量块或在x-y轴质量块的一部分时移动，当x-y轴质量块移动时，指状物414随x-y轴质量块移动。指状物设置在正极416a和负极416b之间，正极416a和负极416b固定到基板402，并且可以用于测量指状物414和电极之间的距离。例如，电极可以用于测量手指和电极之间的电容，该电容可以对应于x-y轴质量块的特定位置。电极416a、416b还可用于以特定频率驱动x-y轴质量块并测量所述频率的变化以检测加速度。当然，电极和手指可以用于测量加速度的任何适当功能，因为本公开不限于此。
根据图4的实施例，四个z轴质量块420a、420b、420c、420d中的每一个可具有设置在基板上的对应电极(例如，第一和第二电极，有时也称为正电极和负电极)。正电极可以位于z轴质量块的第一部分422a、422b、422c、422d附近，负电极可以位于第二部分424a、424b、424c、424d附近，反之亦然。电极可以检测由基板和z轴质量块形成的电容。在一些实施例中，正电极和负电极可用于以预定频率驱动z轴质量块并响应于所施加的加速度来测量频率的变化。在一些实施例中，来自每个z轴质量块的信号可以被组合为差分信号或某种其他组合以提高加速度计的精度。例如，在平面内旋转的情况下，相对侧上的每个z轴质量块块将响应于旋转而沿相反的方向移动，这可以通过使用单独的z轴质量块块之间的差分信号来抵消。根据该示例，将通过使用差分信号组合来消除共模信号或噪声。
如图4所示，加速度计400为正方形。即，基板402是正方形的，并且所有组件都被布置在基板上并且装配在基板的边界内。这样的布置可以进一步促进噪声的减少以及在x、y和z方向之间的机械串扰。根据图4的实施例，每个部件关于x和y轴中的每个对称地定向，使得加速度计具有总的平面内对称性。也就是说，这些组件在纵向中心线F-F’和横向中心线G-G’的两侧对称且具有相等的质量块分布。在这种情况下，加速度计也具有作为正方形的对称性，这可以进一步降低对机械串扰的敏感性。例如，如前所述，z轴质量块可以消除共模噪声，因为每个质量块可能在加速度计的相对侧或角上对诸如平面内旋转的干扰做出相反的响应。
根据图4所示的实施例，z轴质量块420a、420b、420c、420d可以被布置成使得锚、404可以被布置成靠近中心。较靠近基板中心的锚可能不太容易产生偏移误差，该偏移误差可能是由基板上的热应力或机械应力引起的。即，如果基板发生任何翘曲，则与基板的边缘相比，中心不太可能明显翘曲。因此，通过将锚相对于中心设置在z轴质量块的内侧，可以减小或消除偏移误差。
图5描绘了图4的替代实施例，其表示包括x-y轴质量块410和四个z轴质量块520a、520b、520c、520d的三轴加速度计500，每个质量块包括第一部分522a、522b、522c、522d，以及第二部分524a、524b、524c、524d。加速度计还包括基板502、锚504，x-y系绳512和z-系绳526。x-y轴质量块510布置成在横向方向(x和y方向)上平移。每个z轴质量块520a、520b、520c、520d布置成相对于x-y轴质量块在平面外旋转。每个第一部分522a、522b、522c、522d的质量块都比第二部分524a、524b、524c、524d的质量块大，因此，z轴质量块会在z方向上受到加速度时旋转。锚504被固定到基板502，并且被布置为连接到x-y系绳512。X-y系绳被布置为盒簧并且将x-y轴质量块悬挂在基板上方并且允许x-y轴质量块510能够被固定。在提供回复力的同时沿x和y方向移动，以使xy轴检测质量返回到静止位置。Z系绳526布置为扭力弹簧，其将z轴质量块悬挂在基板上方并且将x-y轴质量块机械耦合到z轴质量块520a、520b、520c、520d，并且还提供恢复力，当将其从x-y平面旋转出时，该恢复力会将z轴质量块返回到静止位置。
根据图5所示的实施例，加速度计500可包括指状物，所述指状物布置在x-y轴质量块510的外边缘附近，并与x-y轴质量块耦合，以随x-y轴质量块移动。可以使用正电极和负电极来测量x-y轴质量块指和电极的位置和/或频率。类似地，加速度计可以包括设置在基板上的电极，该电极位于z轴质量块520a、520b、520c、520d下方，以检测z轴质量块块的位置和/或频率。
如图5所示，加速度计500是正方形的并且具有总的平面内对称性。也就是说，这些部件在纵向中心线H-H’和横向中心线I-I’的两侧对称且具有相等的质量块分布。因此，加速度计可以响应于某些加速度(例如，平面内旋转)而拒绝共模噪声，并且经受减小的机械串扰，这可以提高加速度计的精度，如先前所讨论的。
根据图5的实施例，z轴质量块在加速度计的中心附近的质量块可能大于其向周边的质量块，并且在某些情况下明显更大。例如，如前所述，第一部分522a、522b、522c、522d可具有比第二部分524a、524b、524c、524d中的每一个更大的质量块。这样的配置可以有助于将更厚的弹簧与z轴质量块520a、520b、520c、520d一起使用，其使用可以进一步减少机械串扰。
本申请的一些实施例的一些应用包括低或高加速度环境，包括但不限于汽车，可穿戴设备和机器健康监测。图6示出了非限制性示例，其中在汽车中采用了本文所述类型的三轴加速度计。在图6的示例中，汽车600包括通过有线或无线连接耦合到汽车的车载计算机604的控制单元601。控制单元601可包括本文所述类型的至少一个三轴加速度计。作为非限制性示例，至少一个三轴加速度计可以感测沿行驶方向和/或垂直于行驶方向的加速度。至少一个三轴加速度计还可被配置为感测垂直加速度，例如，这可用于监视汽车600的悬架的状态。控制单元601可以从车载计算机604接收电力和控制信号，并且可以将本文描述的类型的输出信号提供给车载计算机604。
可以在比传统产品小得多的封装中实现在单质量加速度计中减少的机械串扰，这在某些应用中可能是理想的。在一些实施例中，加速度计可以具有大于0.5mm2、0.75mm2、1mm2、1.25mm2、1.5mm2、1.75mm2、2mm2、2.5mm2、3mm2的管芯面积，和/或任何其他合适的面积。相应地，加速度计可以小于3.5mm2、2.75mm2、2.25mm2、2mm2、1.75mm2、1.5mm2、1.25mm2、1mm2、0.75mm2和/或任何其他合适的面积。预期上述范围的组合，包括但不限于0.5和1.75mm2、1和2.25mm2以及1.5和3.5mm2。当然，可以采用任何合适的管芯面积，因为本公开不限于此。
尽管已经结合各种实施例和示例描述了本教导，但是并不意图将本教导限于这样的实施例或示例。相反，本领域技术人员将理解，本教导涵盖各种替代、修改和等同形式。因此，前面的描述和附图仅作为示例。
术语“大约”和“大概”在一些实施方案中可用于表示目标值的±20％以内，在一些实施方案中可用于表示目标值的±10％以内，在一些实施方案中可用于表示目标值的±5％以内，在一些实施方案中可用于表示目标值的±2％以内。术语“大约”和“大概”可以包括目标值。

Claims (20)

1.单质量集成三轴加速度计，包括：
单质量的x-y加速度检测部分；和
嵌入在所述x-y加速度检测部分内的单质量的跷跷板z轴加速度检测部分。
2.权利要求1所述的单质量集成三轴加速度计，其中所述x-y加速度检测部分通过锚耦合到基板，而z轴加速度检测部分通过系绳耦合到所述x-y加速度检测部件。
3.权利要求2所述的单质量集成三轴加速度计，其中所述z轴加速度检测部分不直接耦合到所述基板或所述锚。
4.权利要求2所述的单质量集成三轴加速度计，其中所述系绳是扭转系绳。
5.权利要求1所述的单质量集成三轴加速度计，其中所述单质量集成三轴加速度计围绕所述单质量集成三轴加速度计的x轴和y轴中的至少一个对称。
6.权利要求1所述的单质量集成三轴加速度计，其中所述跷跷板z轴加速度检测部分是第一跷跷板z轴加速度检测部分，并且其中所述单质量集成三轴加速度计还包括嵌入在所述x-y加速度检测部分内的第二跷跷板z轴加速度检测部分。
7.权利要求6所述的单质量集成三轴加速度计，其中所述第一跷跷板z轴加速度部分和所述第二跷跷板z轴加速度检测部分围绕所述单质量集成三轴加速度计的x轴和y轴中的至少一个彼此相对设置。
8.集成三轴加速度计，包括：
耦合到基板的锚；
组合的x-y加速度检测质量块，其中所述组合的x-y加速度检测质量块通过第一系绳耦合到所述锚；和
嵌入在所述x-y加速度检测质量块中的第一和第二跷跷板z轴加速度检测质量块，其中所述第一和第二跷跷板z轴加速度检测质量块分别通过第二系绳和第三系绳耦合到所述x-y加速度检测质量块。
9.权利要求8所述的集成三轴加速度计，还包括嵌入在所述x-y加速度检测质量块的第三和第四跷跷板z轴加速度检测质量块。
10.权利要求8所述的集成三轴加速度计，其中所述集成三轴加速度计围绕所述集成三轴加速度计的x轴和y轴中的至少一个对称。
11.权利要求10所述的集成三轴加速度计，其中所述集成三轴加速度计围绕所述集成三轴加速度计的x轴和y轴两个对称。
12.权利要求8所述的集成三轴加速度计，其中所述第一系绳是两轴箱形系绳。
13.权利要求12所述的集成三轴加速度计，其中所述第二系绳是扭转系绳。
14.权利要求8所述的集成三轴加速度计，其中所述第一和第二跷跷板z轴加速度检测质量块不直接耦合到所述锚或所述基板。
15.单质量集成三轴加速度计，包括：
单质量的x-y加速度检测部分；和
嵌入在所述x-y加速度检测部分内的至少一个单质量的跷跷板z轴加速度检测部分，其中所述加速度计围绕所述加速度计的x轴和y轴对称。
16.权利要求15所述的单质量集成三轴加速度计，其中至少一个跷跷板z轴加速度检测部分包括两个z-轴加速度检测部分。
17.权利要求16所述的单质量集成三轴加速度计，其中所述两个跷跷板z-轴加速度检测部分完全围绕所述单质量集成三轴加速度计的x轴和y轴中的一个彼此相对设置。
18.权利要求15所述的单质量集成三轴加速度计，其中所述至少一个跷跷板z-轴加速度检测部分包括四个跷跷板z-轴加速度检测部分。
19.权利要求18所述的单质量集成三轴加速度计，其中四个跷跷板z-轴加速度检测部分中的每一个都完全放置在加速度计的相应象限中，该象限由所述单质量集成三轴加速度计的x轴和y轴限定。
20.权利要求15所述的单质量集成三轴加速度计，其中所述x-y检测部分通过锚耦合到基板，其中所述至少一个跷跷板z-轴加速度检测部分通过系绳耦合到所述x-y检测部分，并且其中所述至少一个跷跷板z-轴加速度检测部分不直接耦合到所述基板或所述锚。
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