CN115453145A - 全差分加速度计 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及全差分加速度计。本文公开具有全差分感测设计的多质量块、多轴微机电系统(MEMS)加速度计传感器设备的方面，该设计将差分驱动信号应用于可移动的检测质量块并在耦合到基板的感测指处感测差分运动信号。在一些实施方案中，来自不同感测指的电容信号在设置在支撑检测质量块的基板上的感测信号节点处组合在一起。在一些实施方案中，可以提供分体式屏蔽件，其中在检测质量块下方的第一屏蔽件耦合施加到检测质量块的相同驱动信号，并且第二屏蔽件和在感测指下方提供的第一屏蔽件电隔离，并使用恒压偏置以提供和感测指的屏蔽。

Description

全差分加速度计
技术领域
本申请总体上涉及加速度计，并且具体地涉及微机电系统(MEMS)加速度计。
背景技术
微机电系统(MEMS)加速度计可包括可移动质量块，有时也称为检测质量块。检测质量块响应于加速度计的加速度是可移动的，并且检测质量块的移动可以被加速度计中的电路感测和处理以产生代表加速度的输出信号。在线性MEMS加速度计中，检测质量块可沿一个或多个线性轴移动，并且可以感测检测质量块的线性移动以指示沿一个或多个线性轴的线性加速度。
一些MEMS加速度计使用电容感应来感测检测质量块的运动，该检测质量块以电容方式耦合到半导体基板上的电极。当检测质量块响应感测到的加速度移动时，检测质量块和电极之间的电容耦合的大小被电测量和处理以指示感测到的线性加速度的大小和方向。
发明内容
本文公开具有全差分感测设计的多质量块、多轴微机电系统(MEMS)加速度计传感器设备的方面，该设计将差分驱动信号应用于可移动的检测质量块并在耦合到基板的感测指处感测差分运动信号。在一些实施方案中，来自不同感测指的电容信号在设置在支撑检测质量块的基板上的感测信号节点处组合在一起。在一些实施方案中，可以提供分体式屏蔽件，其中在检测质量块下方的第一屏蔽件耦合施加到检测质量块的相同驱动信号，并且第二屏蔽件和在感测指下方提供的第一屏蔽件电隔离，并使用恒压偏置以提供和感测指的屏蔽。
根据一些实施方案，提供一种差分、多质量块、多轴加速度计。加速度计包括：第一和第二质量块，彼此并排且在平面内布置在基板中，沿平面内X和Y方向可移动；和被配置为已向其施加差分驱动信号，该差分驱动信号包括施加到所述第一质量块的第一极性信号和施加到所述第二质量块的第二极性信号。加速度计还包括：第一多个感测指，耦合到所述基板，与所述第一和第二质量块电容耦合，并且被配置为感测所述第一和第二质量块的X方向移动；和第二多个感测指，耦合到所述基板，与所述第一和第二质量块电容耦合，并且被配置为感测所述第一和第二质量块的Y方向移动。所述第一多个感测指被组合地配置为输出差分X方向运动信号。所述第二多个感测指被组合地配置为输出差分Y方向运动信号。
根据一些实施方案，提供一种多轴差分加速度计。多轴差分加速度计包括：第一可移动质量块和第二可移动质量块，并排设置在基板中并且每个沿X方向和Y方向可移动；与所述第一可移动质量块电容耦合的第一组电极。多轴差分加速度计还包括：与所述第二可移动质量块电容耦合的第二组电极；X-感测信号节点，设置在所述基板上并且耦合到所述第一组电极的第一子集和所述第二组电极的第一子集。所述X-感测信号节点被配置为当所述第一可移动质量块和所述第二可移动质量块被差分偏置时提供指示所述加速度计沿X方向运动的X感测信号。多轴差分加速度计还包括：Y感测信号节点，设置在所述基板上并且耦合到所述第一组电极的第二子集和所述第二组电极的第二子集。所述Y-感测信号节点被配置为当所述第一可移动质量块和所述第二可移动质量块被差分偏置时提供指示所述加速度计沿Y方向运动的X感测信号。
根据一些实施方案，提供一种使用多质量块差分加速度计来测量多轴加速度的方法。该加速度计包括并排设置在基板中的第一和第二检测质量块。该方法包括：使用差分驱动信号偏置所述第一和第二检测质量块；在设置在所述基板上的X感测信号节点处，将来自和所述第一检测质量块电容耦合的第一多个感测指的第一电容信号与来自和所述第二检测质量块电容耦合的第二多个感测指的第二电容信号组合；在设置在所述基板上的Y感测信号节点处，将来自和所述第一检测质量块电容耦合的第三多个感测指的第三电容信号与来自和所述第二检测质量块电容耦合的第二多个感测指的第四电容信号组合；基于所述X感测信号节点处的信号输出差分X方向运动信号；和基于所述Y感测信号节点处的信号输出差分Y方向运动信号。
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它们出现的所有图中由相同的附图标记表示。在附图中：
图1A是具有单个检测质量块的加速度计的示意俯视图；
图1B示出了说明图1A中所示的加速度计的正向电荷感测的示例的两个时序图；
图1C示出了说明图1A中所示的加速度计的反向电荷感测的示例的时序图；
图2A是可以与图1A和1B所示的正向感测方案一起使用的感测电路的示意性电路图；
图2B是可以与图1A和1C所示的反向传感方案一起使用的传感电路的示意电路图；
图3是根据一些实施例的差分、多质量块加速度计的示意性俯视图；
图4是可用于操作图3所示的差分多质量块加速度计的传感电路的示意电路图；
图5是根据一些实施例的具有X轴和Y轴差分感测的多质量块加速度计的示意性俯视图；
图6A是根据一些实施例的可以提供Z方向加速度感测的多轴差分加速度计的示意性侧视图；
图6B是根据一些实施例的具有倾斜模式Z方向加速度感测的多轴差分加速度计的示意性侧视图；
图7是根据一些实施例的加速度计的示意性侧视图；
图8A和8B是根据一些实施例的具有全差分反向感测的多轴MEMS加速度计的示意性俯视图；
图9A和9B是根据一些实施例的具有全差分反向感测的多轴MEMS加速度计的示意性俯视图；
图10A和10B是根据一些实施例的多轴MEMS加速度计1000的示意性俯视图，与在X轴和Y轴上的感测相比，使用单独的检测质量块在Z轴上进行全差分反向感测；
图11是容纳一个或多个MEMS加速度计的电子设备的示意图。
具体实施方式
本申请的方面提供一种差分、多质量块、多轴微机电系统(MEMS)加速度计，其具有全差分传感设计，将差分驱动信号应用于可移动的检测质量块并在耦合基板的感测指处感测差分运动信号。
一些方面针对使用多个检测质量块的线性加速度的全差分感测。在一些实施例中，提供两个检测质量块以差分感测X方向上的加速度。每个检测质量块都被一个差分驱动信号偏置。来自与第一检测质量块电容耦合的感测指的第一电容信号和来自与第二检测质量块电容耦合的感测指的第二电容信号被组合，以便在X方向上输出差分运动信号。发明人已经认识到并认识到，通过组合来自相邻两个差分偏置可移动检测质量块的感测指的信号以生成表示X方向加速度的差分运动信号，在输出运动信号被加速度计内的传感电路处理之前，可以衰减或完全消除不希望的共模信号。这种差分感应设计可以提供多种好处，例如减少加速度计内的感应串扰，使用专用集成电路(ASIC)简化感应电路设计，减少感应电路的充电过载，并降低感应电路中超量程检测的复杂性。
在一些实施方案中，来自不同感测指的第一和第二电容信号在感测信号节点处组合在一起，该感测信号节点设置在支撑检测质量块的基板上。感测信号节点可以进一步连接到诸如差分放大器的感测电路以进一步处理组合的电容信号。通过结合基板上的电容信号，可以降低感测电路设计的复杂性，提高系统噪声性能。
在一个方面，发明人已经认识到并认识到，由于检测质量块面向下方基板的相对大的表面积，将随时间变化的驱动信号施加到检测质量块将导致检测质量块和基板之间相当大的电容耦合，这可能不希望地干扰检测质量块响应输入加速度的平面内运动，并在感测到的电子信号中产生串扰。此外，由于检验质量块上的驱动信号的时变特性，不能通过基板上的恒压屏蔽件来减轻检验质量块与基板的相互作用。作为一种解决方案，可以在检测质量块和感测指下方的基板上提供分体式屏蔽件，从而可以分别将单独的屏蔽电压施加到检测质量块和感测指。在一些实施例中，检测质量块下方的第一屏蔽件耦合到施加到检测质量块的相同驱动信号以减少基板和检测质量块之间的静电相互作用。与第一屏蔽件电隔离的第二屏蔽件设置在感测指的下方，并以恒定电压偏置以提供对感测指的屏蔽。
另一方面涉及沿多个方向的多轴加速度的差分感测。在一些实施例中，用于差分感测的两个检测质量块中的每一个都可沿多于一个方向移动，例如X-和Y-方向，或包括X-、Y-和Z-方向的三个轴。因为驱动信号被施加到检测质量块，所以可以使用单组驱动信号来感测沿多个方向的加速度，这可以简化时钟信号的产生并减少多个不同时钟信号之间的串扰。
图1A是具有单个检测质量块的加速度计的示意性俯视图。图1B和1C是示意性时序图，示出了可用于感测图1A中的检测质量块的运动的正向感测和反向感测方案。
图1A示出了加速度计100，其具有设置在基板180上的检测质量块112和感测指121、122。检测质量块112可以相对于基板180沿一个或多个方向移动。如图1A所示，检测质量块112可以悬挂在基板180上方并且可以沿着平行于基板180的顶面的X-Y平面移动。
尽管未示出，加速度计100包括一个或多个系绳，其将检测质量块112机械连接到基板180并允许检测质量块112移动，同时当检测质量块偏离其平衡时提供恢复力。系绳的一端连接到可移动的检测质量块，而系绳的另一端连接到基板。此外，感测指121和可移动检测质量块112之间的空间可以包括空气或惰性气体以允许感测指和检测质量块之间的自由相对运动。在一些实施例中，加速度计可以包括形成在基板180上的空腔(未示出)，并且检测质量块112设置在空腔内。可以在空腔中提供任何合适的压力或气体成分，例如但不限于惰性气体环境。空腔可以与周围环境密封隔离，从而使诸如湿气、氧化、压力变化等环境影响不受空腔内的部件的影响。
检测质量块112可以成形为板、一个或多个梁，或具有任何合适的尺寸、形状。检测质量块112可以包括导电材料，例如半导体、金属、金属合金、碳同素异形体、导电陶瓷或任何合适的材料或它们的组合。在一些实施例中，检测质量块112包括一个或多个连接点，例如耦合到电压信号以将检测质量块112内的导电材料偏置在任何合适的电势的导电迹线或焊盘。
如图1A所示，在一些实施例中，检测质量块112可以是矩形的，并且可以具有诸如指状物114之类的突起，这些突起被成形和定位以提供与相邻的感测指121、122的电容耦合。在一些实施例中，检测质量块112是谐振器。
可以基于检测质量块112和感测指121、122之间的电容耦合的变化来电容感测检测质量块112的X方向运动。如图1A所示，感测指121与检测质量块112的指114形成可变电容C1，而感测指122与检测质量块112的指114形成可变电容C2。当检测质量块112沿正X方向移动时，或在图1A中向左移动时，C1由于感测指121和检测质量块112之间的水平距离减小而增加。感测指121可以被称为p指，以讨论用于感测X方向运动的感测指。同时，由于感测指122和检测质量块112之间的水平距离增加，当检测质量块向左移动时，C2减小。感测指122可以被称为n指。
感测指121、122设置在基板180上，并且可以是由任何合适的导电材料形成的电极，例如半导体、金属、金属合金、碳同素异形体、导电陶瓷或任何合适的材料或它们的组合。应当理解，图1A为简单起见仅示出了一对感测指，本申请的实施例可以具有多个感测指，用于感测检测质量块的X方向运动，其中包括感测指121的感测指的第一子集是p指，并且包括感测指122的感测指的第二子集是n指。检测质量块112还可以具有多个指状物114，多个指状物114沿X方向以交叉指状或梳状结构排列在p指和n指对之间。感测指可以具有任何合适的尺寸或形状，并且不限于如图1A的示例中所示的细长矩形。在一些实施例中，感测指固定地附接到基板180，尽管感测指不是固定的要求。
可以基于响应于运动而存储在C1和C2的电容器板上的电荷量Q的变化来电容感测检测质量块112的X方向运动。图1B示出了说明图1A中所示的加速度计的正向电荷感测的示例的两个时序图。在正向感测中，检测质量块处于恒定电压电位并用于感测输出信号，而感测指由时变驱动信号驱动。如图1B所示，p指和n指分别由极性相反的时钟信号或差分驱动信号V_p 131、V_n 132驱动，同时在可以固定在恒定电压电位的检测质量块112处产生输出信号。由于存储在电容器板上的电荷量为Q＝V·C，其中V是电容器中两个板之间的电压，C是电容耦合的电容值，因此C1上存储的电荷量的变化可以表示为Q＝ΔV·ΔC，其中ΔV是施加的时钟信号131、132的高电位和低电位之间的电压差，ΔC是运动期间电容耦合的变化。在图1A中，检测质量块112处的输出信号是C1和C2中电荷量变化的总和，这是由于p指和n指上的偏压极性相反。电容器板处的电荷量Q的变化可以是电容信号，其代表电容耦合中运动引起的变化。
图1C示出了说明图1A中所示的加速度计的反向电荷感测的示例的时序图。在反向感测中，驱动信号V_proof_mass 133被施加到检测质量块112，并且一对差分输出信号在感测指121、122处被感测，并且差分地组合以指示电容器C1和C2上的电荷Q的变化。
发明人已经认识到并意识到，对于单个检测质量块，图1B和1C中的正向感测和反向感测都不能消除与检测质量块的运动无关的不期望的共模信号。诸如使用补偿电路的技术可以用于补偿共模信号，这样的技术增加了感测电路的复杂性。图2A和2B分别示出了结合图1B和1C的正向和反向感测方案使用补偿电路的两个示例。
图2A是可以与图1A和1B所示的正向感测方案一起使用的感测电路的示意性电路图。在图2A中，来自C1和C2的电荷Q的运动引起的变化从检测质量块112感测到，检测质量块112连接到差分放大器202的第一输入端子204。差分驱动信号131、132分别被施加到p-n指121、122。图2A示出了提供给差分放大器202的第二输入端子206的补偿电路220。补偿电路220可以包括由设置在加速度计中的基板180上的由驱动信号232驱动的结构形成的电容器。补偿电路220可替代地或附加地包括形成在ASIC中的组件。
因为补偿电路220对检测质量块的运动不敏感，所以差分放大器可以使用第二放大器输入206处的信号来补偿共模信号，例如通过将差分放大器输出208和210处的输出信号相互比较。补偿电路220、放大器202和反馈电容器Cfb可以以任何合适的方式实现，例如作为加速度计内的ASIC的一部分。ASIC可以设置在与MEMS基板(例如具有检测质量块和感测指的基板180)分开的基板上，并且在一些实施例中，ASIC和MEMS基板可以结合在一个封装中以减少设备占用空间并提高电气性能，例如减少噪音。
图2B是可以与图1A和1C所示的反向感测方案一起使用的感测电路的示意性电路图。在图2B中，检测质量块112由驱动信号133驱动，而来自C1和C2的电荷Q的运动引起的变化由两个感测指121和122感测。p指121连接到差分放大器202的第一输入端子204，而n指122连接到差分放大器202的第二输入端子206。为了补偿共模信号，提供补偿电路221，其可以以任何数量的合适方式实现，例如在ASIC中。在一些实施例中，在补偿电路221中提供虚拟电容器。虚拟电容器可以是ASIC中的虚拟梁节点。
本申请的一些实施例在全差分反向感测配置中提供两个检测质量块，即，驱动信号被施加到两个检测质量块，从而可以消除如图2A和2B中所示的补偿电路。
图3是根据一些实施例的差分多质量块加速度计的示意性俯视图。图3示出了加速度计300，其包括基板380、在基板380上方并排且彼此平面内的第一检测质量块311和第二检测质量块312，以及耦合到基板380的感测指321、322、323和324。图3中的检测质量块和感测指的实施方式在许多方面类似于如上所述的图1A中所示的检测质量块和感测指。可选地并且另外地，加速度计300可以包括在基板380上的密封腔(未示出)，并且感测指和检测质量块设置在密封腔内。
在图3中，感测指321与第一检测质量块311形成电容耦合C3，该电容耦合C3随着第一检测质量块311沿正X方向移动而增加。感测指322与第一检测质量块311形成电容耦合C4，该电容耦合C4随着检测质量块311沿正X方向移动而减小。感测指323与第二检测质量块312形成电容耦合C5，该电容耦合C5随着第二检测质量块312沿正X方向移动而减小。感测指324与第二检测质量块312形成电容耦合C6，该电容耦合C6随着第二检测质量块312沿正X方向移动而增加。应当理解，图3只是一个简化示例，并且可以有多个感测指与第一和第二检测质量块电容耦合。类似地，电容C3、C4、C5、C6中的每一个可以表示电容耦合到相应检测质量块的这种多个感测指的子集的有效或总电容。
在加速度计300中，每个检测质量块311、312由一对差分驱动信号331、332驱动。在感测指处执行传感。特别地，来自感测指321和323的信号被组合在一起以在信号节点325处提供第一X感测信号。同时，来自感测指322和324的信号被组合在一起以在信号节点326处提供第二X感测信号。在一些实施例中，检测质量块311、312可以通过合适的联动装置机械地耦合，但是彼此电隔离以允许将不同的驱动信号施加到每个检测质量块。
图4是可用于操作图3中所示的差分、多质量块加速度计的传感电路的示意电路图。图4示出了相反极性的时钟信号331、332分别被施加到第一和第二检测质量块311、312。时钟信号331、332具有相同的时序并且是相同驱动信号的不同表示。为了感测两个检测质量块的X方向运动，与第一检测质量块形成C3的感测指321的第一子集和与第二检测质量块形成C5的感测指323的第二子集连接到耦合到差分放大器202的第一输入204的第一信号节点325。因此，来自感测指321的第一电容信号与来自感测指323的第二电容信号在信号节点325处组合。差分放大器202通过在信号节点325放大组合信号在第一输出端子208输出第一差分X方向运动信号，尽管应该理解，可以执行其他合适的电路和信号处理来生成输出运动信号来代替放大器202的使用或除了使用放大器202之外。
如下所述，图3中所示的全差分反向感测配置能够增加与运动相关的电荷信号的幅度，同时消除非运动相关的噪声或背景信号。作为说明性示例，当检测质量块311、312沿相同的X方向移动时，电容耦合C3增加，而电容耦合C5减小，因此感测指321、323的各个电容ΔC的运动相关变化总是具有相反的极性。同时，检测质量块311、312是差分时钟的，使得感测指321的电压ΔV1和感测指323电压ΔV2始终具有相反的极性。由于ΔC和ΔV的极性中的这种双负，感测指321、323上的运动相关电荷信号Q＝ΔV·ΔC具有相同的极性，并且都对信号节点325处的第一X感测信号的幅度产生累积影响。同时，非运动相关信号，例如噪声或其他背景信号，由于检测质量块的差分偏置，在感测指321和323处具有相反的极性，并且当信号在单个信号节点325处组合时被抵消。结果，可以在不使用虚拟电容器或其他补偿电路的情况下实现差分感测，如图2B中的反向感测方案所示。
返回参考图3，其示出了设置在基板380上的信号节点325。在所示实施例中，信号节点325可以以任何合适的方式连接到感测指321、323，例如使用设置在基板380上的导电结构。来自感测指321和323的信号在连接到差分放大器202之前在信号节点325处组合。通过将来自不同感测指的电容信号组合到设置在基板上的信号节点，可以降低感测电路设计的复杂性，并且系统噪声性能可能会得到改善。
回到图4，该图还图示了在感测指322、324处的电容信号的进一步差分感测，它们在耦合到差分放大器202的第二输入端子206的信号节点326处组合。差分放大器202可以在第二输出端子210处输出第二差分X方向运动信号，其基于感测指322和326处的电容信号的组合。可选地，输出208处的第一差分X方向运动信号和输出210处的第二差分X方向运动信号可以进一步组合以抵消感测电路中的共模信号。
一些方面针对使用两个检测质量块的多轴差分感测。图5是根据一些实施例的具有X轴和Y轴差分感测的多质量块加速度计的示意性俯视图。图5示出了包括检测质量块511和512的加速度计500，检测质量块511和512中的每一个都可以在XY平面中沿X方向和Y方向移动。加速度计500在某些方面类似于图3中所示的加速度计300，其中相似的部件标有相同的附图标记。加速度计500具有与第一和第二检测质量块511、512电容耦合以感测X方向运动的第一组感测指321、322、324、323，以及与第一和第二检测质量块电容耦合以感测Y方向的运动的第二组感测指521、522、523、524。
为了感测X方向的运动，一对差分驱动信号331、332被施加到第一和第二检测质量块511、512，如图4所示。在图5中，感测指321是第一组感测指中的第一子集的一部分，当第一检测质量块在正X方向上移动时，其与第一检测质量块511形成增加的电容，而感测指323是第一组感测指中的第二子集的一部分，当第二检测质量块在正X方向上移动时，其与第二检测质量块512形成减小的电容。感测指321和感测指323处的电容信号在信号节点325处组合，并且组合的信号可用于生成差分X方向运动信号，例如通过使用类似于以上关于图4描述的差分放大器。
仍然参考图5，施加到检测质量块的相同差分驱动信号也能够在它们的Y方向运动上进行传感。如图所示，感测指522是第二组感测指中的第一子集的一部分，当第一检测质量块在正Y方向上移动时，它与第一检测质量块511形成增加的电容，而感测指524是第二组感测指中的第二子集的一部分，当第二检测质量块沿正Y方向移动时，其与第二检测质量块512形成减小的电容。感测指522和感测指524处的电容信号在信号节点526处组合，并且组合信号可用于生成第一差分Y方向运动信号，例如通过使用与图4相关的上述差分放大器。此外，感测指521和感测指523处的电容信号也可以在信号节点525处组合并进一步处理以生成第二差分Y方向运动信号。可以进一步组合第一和第二差分Y方向运动信号以抵消共模信号。
如本文所述的差分、多轴、多质量块加速度计具有优于替代感测方案的若干优点。例如，本申请的实施例提供更好的噪声性能。发明人已经意识到并认识到，所感测的电容信号中的噪声可能来自元件和基板之间的寄生耦合，寄生耦合与元件与基板的投影面积成比例地变化。在一些实施例中，与感测指的投影面积相比，检测质量块在基板上具有更大的投影面积。因此，通过驱动检测质量块并在感测指处进行检测，由于寄生耦合而拾取的噪声更少。作为一个额外的好处，可以使用具有大表面积和大质量的检测质量块，而对感测信号中的寄生噪声影响很小或没有影响，这为加速度计提供了额外的设计灵活性。
作为另一个优点，使用全差分信号路径来抑制共模效应的实施例可以提供更好的偏移性能，因为诸如漂移的偏移效应可以通过全差分感测来补偿。此外，因为在ASIC上不需要补偿电路来实现全差分感测，所以可以简化ASIC电路设计。
此外，由于驱动信号应用于在X和Y两个方向上移动的检测质量块，因此可以使用单个驱动信号，例如时钟信号，这简化了对时钟信号生成的要求并降低了多个时钟信号之间的串扰风险。
尽管前面的示例针对具有可沿X和Y方向移动的检测质量块的实施例，但应当理解，本申请的方面是不一定正交的适用方向，以及与基板不在平面内的方向。在一些实施例中，检测质量块可额外地沿在XY平面之外的Z方向移动并且被配置为提供在Z方向上的加速度的差分反向感测。
图6A是根据一些实施例的可以提供Z方向加速度感测的多轴差分加速度计的示意性侧视图。图6A示出了加速度计600，其包括基板680、在基板680上方彼此并排且在平面内的第一检测质量块611和第二检测质量块612，以及感测电极621、622、623、624。
检测质量块611和612每个都可以沿X、Y和Z方向移动，并且在一些实施例中每个都电容耦合到感应指(未示出)，感应指可以以与图3和5中所示类似的方式以及以上相关讨论中所示的方式感测响应于它们在XY平面中的运动的X和Y方向电容信号。检测质量块611、612被一对差分驱动信号差分偏置，用于在感测指处的X和Y方向感测，同时相同的驱动信号也在Z方向驱动电容感测。
为了感测Z方向上的运动，感测电极621与第一检测质量块611形成电容，该电容随着第一检测质量块611沿正Z方向移动而增加。感测电极622与第一检测质量块611形成电容，该电容随着检测质量块611沿正Z方向移动而减小。感测电极623与第二检测质量块612形成电容，该电容随着第二检测质量块612沿正Z方向移动而减小。感测电极624与第二检测质量块612形成电容，该电容随着第二检测质量块612沿正Z方向移动而增加。
在图6A中，感测电极621和感测电极623都耦合到Z感测信号节点625，并且感测电极621、623处的电容信号可以在信号节点625处组合以生成指示加速度计600在Z方向上的运动的Z感测信号。感测电极622和感测电极624都耦合到Z感测信号节点626。Z感测信号节点625、626中的一个或两个可以设置在基板680上。
应当理解，四个感测电极和两个检测质量块之间的平移Z感测配置在图6A中示出，这种配置仅用于说明性示例的目的，并且本申请的方面不受此限制。在一些实施例中，每个感测电极是电容耦合到检测质量块以感测Z方向上的运动的多个感测电极的子集之一。感测电极可以由任何合适尺寸或形状的导电材料形成。
还应该理解，图6A只是说明感测电极和检测质量块之间的电容耦合关系的高级图，并且说明的组件之间的空间关系不是按比例的并且不是限制性的。在本申请的实施例中，用于Z方向感测的感测电极621、622、623、624可以相对于相应的检测质量块以任何空间关系布置，并且不需要将检测质量块611布置在感测电极621、622之间，如图6A中所示。感测电极的任何合适的布置可以用于提供与检测质量块的电容耦合，检测质量块随检测质量块的Z方向运动正向或负向变化。例如，感测电极621、622都可以设置在基板680的表面上，每个都面向检测质量块611。在一些实施例中，Z感测可以由使用倾斜模式配置的检测质量块提供，如下关于图6B所述。
图6B是根据一些实施例的具有倾斜模式Z方向加速度感测的多轴差分加速度计的示意性侧视图。图6B示出了加速度计1600，其包括基板680、在基板680上方彼此并排且在平面内的第一检测质量块611和第二检测质量块612，以及感测电极1621、1622、1623、1624。
在图6B中，第一检测质量块611和第二检测质量块612也可以称为可枢转梁、跷跷板或其他类似术语。第一检测质量块611和第二检测质量块612中的每一个被配置为围绕各自的旋转轴或枢轴点1661、1662枢转。感测电极1621、1622、1623、1624设置在检测质量块611、622下方的基板680上。以这种方式，每个检测质量块可以与下面的感测电极形成电容。在至少一些实施例中，每个检测质量块沿X方向关于各自的枢轴点1661、1662是不对称的，以促进响应于Z方向上的加速度的旋转。可选地，锚(未示出)可以在枢轴点1661处耦合到检测质量块611，尽管将检测质量块611连接到基板680的替代方式是可能的。2020年10月27日公开的名称为“ZAXIS ACCELEROMETER USING VARIABLE VERTICAL GAPS”的美国专利No.10,816,569、代理人案号G0766.70238US00中描述了具有倾斜模式Z轴感测配置的质量块的示例。其公开的全部内容通过引用并入本文。
加速度计1600可以在与加速度计600类似的配置中提供在Z方向上的运动的差分感测。简而言之，在图6B中，检测质量块611、612被一对差分驱动信号差分偏置。感测电极1621与第一检测质量块611形成电容C13，该电容C13随着第一检测质量块611响应于加速度计1600的Z运动而绕枢轴点1661顺时针枢转而增加，而感测电极1622与减小的第一检测质量块611形成电容C14。同时，感测电极1623与第二检测质量块612形成电容C15，该电容C15随着第二检测质量块612响应于相同的Z运动而围绕枢轴点1662逆时针枢转而减小，而感测电极1624与增加的第二检测质量块612形成电容C16。在一些实施例中，感测电极1621和感测电极1623都耦合到Z感测信号节点625，如图6A所示，并且感测电极1621、1623处的电容信号可以在信号节点625处被组合以生成指示加速度计1600在Z方向上的运动的Z感测信号。在相同的实施例中，感测电极1622和感测电极1624都耦合到Z感测信号节点626，如图6A所示。
根据一些实施例，可选地且另外地，屏蔽件651、652设置在基板680上相应的检测质量块611和612下方。屏蔽件651、652中的每一个都可以用施加到相应检测质量块611和612的相同偏置电压来偏置，以将检测质量块与基板680静电屏蔽。下面更详细地讨论屏蔽的方面。
另一方面涉及设置在基板上的分体式屏蔽件。图7是根据一些实施例的加速度计的示意性侧视图。图7示出了两个检测质量块711、712、第一感测指721、第二感测指722和指714，它们并排设置在基板780的表面782上方的XY平面中。屏蔽件751、752和753设置在基板780的表面782上。指714附接至检测质量块711并随检测质量块711移动。检测质量块711、712由一对相反极性的时钟信号差分驱动。检测质量块的X方向运动是基于感测指721、722处的电容信号(这些信号与指714形成响应于检测质量块711的X方向运动而变化的电容)以及感测指723、724处的电容信号(这些信号与指715形成响应于检测质量块712的X方向运动而变化的电容)来检测的。来自感测指723、724的电容信号可以与感测指721、722结合使用，以使用上述任何方法提供X方向运动的差分感测。
可以在基板780与检测质量块和感测指之间提供屏蔽。虽然可以将恒定电压施加到在检测质量块和感测指下延伸的屏蔽件，但发明人已经认识到并理解，这种屏蔽件与检测质量块被偏置并且使用感测指的差分反向检测不兼容用于发送电容信号。特别地，由于检测质量块面向基板780的大表面积，每个检测质量块与基板形成大的电容耦合。由于检测质量块施加了时变驱动信号，即使提供了恒定电压屏蔽，检测质量块和屏蔽件之间的时变电位差也可能在感测到的电子信号中产生串扰以及不需要的检测质量块的机械运动。一些实施例设置有分体式屏蔽件以解决偏置检测质量块和感测指的不同屏蔽要求。
在图7的实施例中，屏蔽件751、752、753彼此电绝缘。屏蔽件可以由任何合适尺寸、形状和材料的导电板形成，而表面782可以是基板780的绝缘表面。如图所示，第一屏蔽件751设置在检测质量块711下方，第二屏蔽件752设置在感测电极721、722下方，并且第三屏蔽件753设置在检测质量块712下方。第一屏蔽件751覆盖XY平面中的区域，该区域基本上包括悬置检测质量块在XY平面上的投影区域。第二屏蔽件752覆盖XY平面中的区域，该区域基本上包含悬置的感测指的投影区域。
为了向偏置检测质量块711提供屏蔽，第一屏蔽件751可以耦合到施加到检测质量块711的相同驱动信号。类似地，第三屏蔽件753可以耦合到施加到检测质量块712的相同驱动信号以为检测质量块712提供屏蔽。第二屏蔽件752可以施加恒定电压。在一个非限制性示例中，驱动信号是在高电压电势和低电压电势之间交替的时钟信号，并且第二屏蔽件752保持在时钟信号中高电压电势和低电压电势的平均值的电压。
应当理解，检测质量块711的所有部分在下方都具有第一屏蔽件751不是必需的。例如，如图7所示，检测质量块711的指714可以在第一屏蔽件751的外面，而第二屏蔽件752在指714的下面。因为与检测质量块711的其余部分相比，指714的投影面积相对较小，指714和第二屏蔽件752之间的电容耦合足够小，不会引起明显的干扰和静电力问题，而第二屏蔽件752可以为感测指721、722等提供恒定电压屏蔽。
图8A和8B是根据一些实施例的具有全差分反向感测的多轴MEMS加速度计800的示意性俯视图。MEMS加速度计800可以是被配置为检测XY方向上的加速度的加速度计。在图8A中，第一检测质量块811和第二检测质量块812是时钟节点，每个都施加有相反极性的差分时钟信号。图8B示出了相同的加速度计800，并且示出了电容耦合到第一检测质量块811以感测加速度计的XY运动的第一组感测指851，以及电容耦合到第二检测质量块812的第二组感测指852。在第一组内，X方向感测指821的子集在X感测信号节点825处耦合到第二组的X方向感测指823的子集以提供X感测信号。在第一组内，Y方向感测指822的子集在Y感测信号节点826处耦合到第二组的Y方向感测指824的子集以提供Y感测信号。
图9A和9B是根据一些实施例的具有全差分反向感测的多轴MEMS加速度计900的示意性俯视图。MEMS加速度计900可以是被配置为检测X-Y-和Z-方向上的加速度的加速度计，即三轴加速度计。在图9A中，第一检测质量块931和第二检测质量块932是时钟节点，每个都施加有相反极性的差分时钟信号。图9B示出了加速度计900的Z方向感测节点，其中暗区图示了电容耦合到第一检测质量块931以感测加速度计的Z方向运动的第一组感测指951，以及电容耦合到第二检测质量块932的第二组感测指952。
在图9A和9B中的多轴MEMS加速度计900中，第一检测质量块931和第二检测质量块932可以沿着三个(X-Y-和Z-)方向中的每一个方向移动，从而可以使用两个检测质量块来集成三个轴中每一个的加速度的差分传感。应当理解，这种集成的多轴感测不是必需的，并且在一些实施例中，可以为Z方向感测提供与用于XY感测的第一和第二检测质量块分开的附加检测质量块。
图10A和10B是根据一些实施例的多轴MEMS加速度计1000的示意性俯视图，该加速度计1000使用单独的检测质量块用于在Z轴上与在X轴和Y轴上的感测相比的全差分反向感测。MEMS加速度计1000可以是被配置为检测X-Y-和Z-方向上的加速度的加速度计，即三轴加速度计。如图10A所示，加速度计1000包括用于XY感测的第一检测质量块811和第二检测质量块812，如上面关于图8A所讨论的。加速度计1000还包括用于Z方向感测的第三检测质量块1031和第四检测质量块1032。为了提供全差分感测，图10A中的第三和第四检测质量块1031、1032是时钟节点，每个都施加有相反极性的差分时钟信号。
图10B示出了加速度计1000的感测节点。对于XY感测，加速度计1000包括第一组感测指851和第二组感测指852，如上面关于图8B所讨论的。对于Z感测，加速度计1000包括电容耦合到第三检测质量块1061的电极1051、1052，以及电容耦合到第四检测质量块1062的电极1053、1054。
图11是容纳一个或多个MEMS加速度计1110的电子设备1100的示意图。根据本申请的一个方面，MEMS加速度计1110可以设置在如图11所示的可穿戴电子设备1100等消费电子设备中以测量传感器设备的加速度。在一个示例中，可穿戴电子设备1100是测量用户手臂/手部运动的智能手表。在另一示例中，电子设备1100可以是用于车辆中的线性或旋转加速度计或陀螺惯性传感器，以基于MEMS加速度计1110跟踪车辆的运动。其他用途是可能的。
本技术的各个方面可以单独使用、组合使用或以在前述实施例中未具体讨论的各种布置中使用，因此其应用不限于在前述描述中阐述或在附图中示出的部件的细节和布置。例如，虽然在一些示例中示出了两个检测质量块，但是应当理解，加速度计可以包括多于两个的检测质量块。一个实施例中描述的方面可以以任何方式与其他实施例中描述的方面组合。
在一些实施例中，术语“大约”和“大概”可用于表示目标值的±20％以内，在一些实施例中可用于表示目标值的±10％以内，在一些实施例中可用于表示目标值的±5％以内，在一些实施例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 (25)

1.一种差分、多质量块、多轴加速度计，包括：
第一和第二质量块，彼此并排且在平面内布置在基板中，沿平面内X和Y方向可移动，并且被配置为已向其施加差分驱动信号，该差分驱动信号包括施加到所述第一质量块的第一极性信号和施加到所述第二质量块的第二极性信号；
第一多个感测指，耦合到所述基板，与所述第一和第二质量块电容耦合，并且被配置为感测所述第一和第二质量块的X方向移动；和
第二多个感测指，耦合到所述基板，与所述第一和第二质量块电容耦合，并且被配置为感测所述第一和第二质量块的Y方向移动，
其中所述第一多个感测指被组合地配置为输出差分X方向运动信号，和
其中所述第二多个感测指被组合地配置为输出差分Y方向运动信号。
2.权利要求1所述的差分、多质量块、多轴加速度计，还包括：
第一屏蔽件，设置在所述第一质量块下方的基板上；和
第二屏蔽件，与所述第一屏蔽件电隔离并且设置在至少一些第一多个感测指的下方的基板上。
3.权利要求2所述的差分、多质量块、多轴加速度计，其中所述第一质量块和第一屏蔽件电耦合到相同的偏置电压节点。
4.权利要求3所述的差分、多质量块、多轴加速度计，其中所述第二屏蔽件电耦合到恒压节点。
5.权利要求1所述的差分、多质量块、多轴加速度计，其中所述第一和第二质量块中的每一个都沿Z方向可移动，并且所述加速度计还包括：
第三多个感测电极，耦合到所述基板，与所述第一和第二质量块电容耦合，并且被配置为感测所述第一和第二质量块的Z方向移动，
其中所述第三多个感测电极被组合配置为输出差分Z方向运动信号。
6.权利要求1所述的差分、多质量块、多轴加速度计，其中所述第一多个感测指的第一子集与第一检测质量块形成可变电容，该可变电容随着所述第一检测质量块在正X方向上移动而增加，所述第一多个感测指的第二子集与所述第二检测质量块形成可变电容，该可变电容随着所述第二检测质量块在正X方向上移动而减小，并且其中所述差分多质量块多轴加速度计还包括X感测信号节点，所述X感测信号节点设置在所述基板上并被配置为将来自所述第一多个感测指的第一子集的第一X感测信号与来自所述第一多个感测指的第二子集的第二X感测信号组合。
7.权利要求6所述的差分、多质量块、多轴加速度计，还包括：
一个或多个差分放大器耦合到所述X-感测信号节点并被配置为放大所述差分X-方向运动信号。
8.权利要求1所述的差分、多质量块、多轴加速度计，其中:
所述第一多个感测指和所述第二多个感测指固定地耦合到所述基板。
9.权利要求1所述的差分、多质量块、多轴加速度计，还包括：
第三可移动质量块和第四可移动质量块，并排设置在所述基板中并且每个沿Z方向可移动；和
第三多个感测电极，耦合到所述基板，与所述第三和第四检测质量块电容耦合，并且被配置为感测所述第三和第四检测质量块的Z方向移动，其中所述第三多个感测电极被组合配置为输出差分Z方向运动信号。
10.一种多轴差分加速度计，包括：
第一可移动质量块和第二可移动质量块，并排设置在基板中并且每个沿X方向和Y方向可移动；
与所述第一可移动质量块电容耦合的第一组电极；
与所述第二可移动质量块电容耦合的第二组电极；
X-感测信号节点，设置在所述基板上并且耦合到所述第一组电极的第一子集和所述第二组电极的第一子集，所述X-感测信号节点被配置为当所述第一可移动质量块和所述第二可移动质量块被差分偏置时提供指示所述加速度计沿X方向运动的X感测信号；和
Y-感测信号节点，设置在所述基板上并且耦合到所述第一组电极的第二子集和所述第二组电极的第二子集，所述Y-感测信号节点被配置为当所述第一可移动质量块和所述第二可移动质量块被差分偏置时提供指示所述加速度计沿Y方向运动的X感测信号。
11.权利要求10所述的多轴差分加速度计，其中所述第一可移动质量块在XY平面的投影面积大于所述第一组电极在所述XY平面的投影面积。
12.权利要求10所述的多轴差分加速度计，还包括：
一个或多个差分放大器，耦合到所述X感测信号节点和Y感测信号节点，并且被配置为放大所述X感测信号和所述Y感测信号。
13.权利要求10所述的多轴差分加速度计，还包括：
第一屏蔽件，设置在所述第一可移动质量块下方的基板上；
第二屏蔽件，与所述第一屏蔽件电隔离并且设置在至少一些第一组电极的下方的基板上。
14.权利要求13所述的多轴差分加速度计，其中所述第一可移动质量块和所述第一屏蔽件电耦合到相同的偏置电压节点。
15.权利要求14所述的多轴差分加速度计，其中所述第二屏蔽件电耦合到恒压节点。
16.权利要求10所述的多轴差分加速度计，其中所述第一和第二可移动质量块中的每一个都沿Z方向可移动，并且所述加速度计还包括：
Z感测信号节点，设置在所述基板上并且耦合到所述第一组电极的第三子集和所述第二组电极的第三子集，所述Z感测信号节点被配置为当所述第一可移动质量块和所述第二可移动质量块被差分偏置时产生指示所述加速度计沿Z方向运动的Z感测信号。
17.权利要求10所述的多轴差分加速度计，其中
所述第一组电极的第一子集与第一可移动质量块形成电容，该电容随着所述第一可移动质量块在正X方向上移动而增加；和
所述第二组电极的第一子集与第二可移动质量块形成电容，该电容随着所述第二可移动质量块在正X方向上移动而减少。
18.权利要求17所述的多轴差分加速度计，其中所述X感测信号节点为第一X感测信号节点，所述X感测信号为第一X感测信号，并且所述加速度计还包括：
第二X感测信号节点，设置在所述基板上并且耦合到所述第一组电极的第四子集和所述第二组电极的第四子集，所述第二X感测信号节点被配置为当所述第一可移动质量块和所述第二可移动质量块被差分偏置时提供第二X感测信号，
其中所述第一组电极的第四子集与第一可移动质量块形成电容，该电容随着所述第一可移动质量块在正X方向上移动而减少，所述第二组电极的第四子集与第二可移动质量块形成电容，该电容随着所述第二可移动质量块在正X方向上移动而增加；和
差分放大器，输入端分别耦合到第一和第二X感测信号节点，并且被配置为基于所述第一和第二X感测信号生成指示所述加速度计沿X方向的加速度的输出信号。
19.权利要求10所述的多轴差分加速度计，其中:
所述第一组电极和所述第二组电极固定到所述基板。
20.权利要求10所述的多轴差分加速度计，其中所述第一可移动质量块和所述第二可移动质量块通过连杆机构机械耦合，并通过所述连杆机构相互电隔离。
21.一种使用多质量块差分加速度计来测量多轴加速度的方法，该加速度计包括并排设置在基板中的第一和第二检测质量块，该方法包括：
使用差分驱动信号偏置所述第一和第二检测质量块；
在设置在所述基板上的X感测信号节点处，将来自和所述第一检测质量块电容耦合的第一多个感测指的第一电容信号与来自和所述第二检测质量块电容耦合的第二多个感测指的第二电容信号组合；
在设置在所述基板上的Y感测信号节点处，将来自和所述第一检测质量块电容耦合的第三多个感测指的第三电容信号与来自和所述第二检测质量块电容耦合的第二多个感测指的第四电容信号组合；
基于所述X感测信号节点处的信号输出差分X方向运动信号；和
基于所述Y感测信号节点处的信号输出差分Y方向运动信号。
22.权利要求21所述的方法，还包括：
使用相同驱动信号偏置第一屏蔽件和所述第一检测质量块，其中所述第一屏蔽件设置在所述第一检测质量块下方的基板上。
23.权利要求22所述的方法，还包括：
使用恒压偏置第二屏蔽件，其中所述第二屏蔽件与所述第一屏蔽件电隔离并且设置在至少一些第一多个感测指和所述第三多个感测指的下方的基板上。
24.权利要求21所述的方法，还包括：
在设置在所述基板上的Z感测信号节点处，将来自和所述第一检测质量块电容耦合的第五多个感测电极的第五电容信号与来自和所述第二检测质量块电容耦合的第六多个感测电极的第六电容信号组合；和
基于所述Z感测信号节点处的信号输出差分Z方向运动信号。
25.权利要求21所述的方法，其中所述第一电容信号随着所述第一检测质量块在正X方向上移动而增加，并且所述第二电容信号随着所述第二检测质量块在正X方向上移动而减少。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114487482A (zh) * 2022-01-14 2022-05-13 瑞声开泰科技(武汉)有限公司 加速度传感器

Family Cites Families (42)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1996028735A1 (en) 1995-03-13 1996-09-19 Honeywell Inc. Mechanical resonance, silicon accelerometer
US6301965B1 (en) 1999-12-14 2001-10-16 Sandia Corporation Microelectromechanical accelerometer with resonance-cancelling control circuit including an idle state
US6722197B2 (en) 2001-06-19 2004-04-20 Honeywell International Inc. Coupled micromachined structure
US6892575B2 (en) 2003-10-20 2005-05-17 Invensense Inc. X-Y axis dual-mass tuning fork gyroscope with vertically integrated electronics and wafer-scale hermetic packaging
US7043985B2 (en) 2004-01-13 2006-05-16 Georgia Tech Research Corporation High-resolution in-plane tuning fork gyroscope and methods of fabrication
US7426861B2 (en) * 2005-06-15 2008-09-23 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Tuning fork gyroscopes, accelerometers, and other sensors with improved scale factor
US7934423B2 (en) 2007-12-10 2011-05-03 Invensense, Inc. Vertically integrated 3-axis MEMS angular accelerometer with integrated electronics
WO2009048621A1 (en) 2007-10-11 2009-04-16 Georgia Tech Research Corporation Bulk acoustic wave accelerometers
US7971483B2 (en) 2008-03-28 2011-07-05 Honeywell International Inc. Systems and methods for acceleration and rotational determination from an out-of-plane MEMS device
JP2010078500A (ja) * 2008-09-26 2010-04-08 Toshiba Corp 慣性センサ
US8664951B2 (en) 2009-03-30 2014-03-04 Honeywell International Inc. MEMS gyroscope magnetic sensitivity reduction
US8646308B2 (en) 2009-04-03 2014-02-11 Analog Devices, Inc. Robust self testing of a motion sensor system
KR102074659B1 (ko) 2012-01-12 2020-02-07 무라타 일렉트로닉스 오와이 가속기 센서 구조체 및 그 사용
EP2972417B1 (en) 2013-03-15 2018-05-02 InvenSense, Inc. Magnetometer using magnetic materials on accelerometer
US9242851B2 (en) 2013-08-06 2016-01-26 Freescale Semiconductor, Inc MEMS device with differential vertical sense electrodes
US9927459B2 (en) 2013-11-06 2018-03-27 Analog Devices, Inc. Accelerometer with offset compensation
US9599471B2 (en) 2013-11-14 2017-03-21 Analog Devices, Inc. Dual use of a ring structure as gyroscope and accelerometer
US10167189B2 (en) 2014-09-30 2019-01-01 Analog Devices, Inc. Stress isolation platform for MEMS devices
US10203351B2 (en) 2014-10-03 2019-02-12 Analog Devices, Inc. MEMS accelerometer with Z axis anchor tracking
US10073113B2 (en) 2014-12-22 2018-09-11 Analog Devices, Inc. Silicon-based MEMS devices including wells embedded with high density metal
US20160370180A1 (en) 2015-06-17 2016-12-22 Freescale Semiconductor, Inc. Inertial sensor with couple spring for common mode rejection
US10078098B2 (en) 2015-06-23 2018-09-18 Analog Devices, Inc. Z axis accelerometer design with offset compensation
US9797921B2 (en) 2015-09-03 2017-10-24 Nxp Usa, Inc. Compensation and calibration of multiple mass MEMS sensor
US10234288B2 (en) 2015-09-14 2019-03-19 Analog Devices Global Unlimited Company Dual mode gyroscope
US10545167B2 (en) * 2015-10-20 2020-01-28 Analog Devices, Inc. Multiple-axis resonant accelerometers
US10725068B2 (en) 2015-12-15 2020-07-28 Invensense, Inc. Identification and compensation of MEMS accelerometer errors
EP3546954B1 (en) 2016-01-07 2022-12-14 Analog Devices, Inc. 3-axis angular accelerometer
US10640363B2 (en) 2016-02-04 2020-05-05 Analog Devices Global Active opening MEMS switch device
US10203352B2 (en) 2016-08-04 2019-02-12 Analog Devices, Inc. Anchor tracking apparatus for in-plane accelerometers and related methods
US10514259B2 (en) 2016-08-31 2019-12-24 Analog Devices, Inc. Quad proof mass MEMS gyroscope with outer couplers and related methods
US10520526B2 (en) 2016-10-11 2019-12-31 Analog Devices, Inc. Folded tether structure for MEMS sensor devices
CN207066449U (zh) 2017-07-21 2018-03-02 安徽北方芯动联科微系统技术有限公司 具有驱动频率调节结构的mems陀螺仪
US10732198B2 (en) 2017-08-09 2020-08-04 Analog Devices, Inc. Integrated linear and angular MEMS accelerometers
US10759656B2 (en) 2017-09-29 2020-09-01 Apple Inc. MEMS sensor with dual pendulous proof masses
US10761108B2 (en) 2017-11-20 2020-09-01 Analog Devices, Inc. Microelectromechanical systems (MEMS) inertial sensors with energy harvesters and related methods
US11009350B2 (en) 2018-01-11 2021-05-18 Invensense, Inc. Proof mass offset compensation
US11173258B2 (en) 2018-08-30 2021-11-16 Analog Devices, Inc. Using piezoelectric electrodes as active surfaces for electroplating process
US10816569B2 (en) 2018-09-07 2020-10-27 Analog Devices, Inc. Z axis accelerometer using variable vertical gaps
US11255873B2 (en) 2018-09-12 2022-02-22 Analog Devices, Inc. Increased sensitivity z-axis accelerometer
US11733263B2 (en) 2018-09-21 2023-08-22 Analog Devices, Inc. 3-axis accelerometer
US11099207B2 (en) 2018-10-25 2021-08-24 Analog Devices, Inc. Low-noise multi-axis accelerometers and related methods
US11415595B2 (en) 2019-06-28 2022-08-16 Analog Devices, Inc. Multiple anchor high frequency accelerometer

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