CN116601500A - 具有质量平移运动的加速度计 - Google Patents
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Abstract
提供了一种微机电系统(MEMS)加速度计，包括：设置在由第一轴和垂直于第一轴的第二轴限定的平面中的基板；第一检验质量块和第二检验质量块，耦合到所述基板并且被配置为沿着垂直于所述第一轴和所述第二轴的第三轴在彼此相反的方向上平移；以及至少一个杆，将所述第一检验质量块耦合到所述第二检验质量块，其中所述MEMS加速度计被配置为经由检测所述第一和第二检验质量块沿着所述第三轴的平移来检测沿着所述第一轴和所述第二轴的加速度；并且所述MEMS加速度计表现出围绕所述第一轴和所述第二轴的对称性。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2020年12月18日提交的美国临时专利申请序列号为63/127822的第35U.S.C.§119(e)项下的权益，该申请的律师案卷号为G0766.70315US00，标题为“具有质量平移运动的加速度计”，通过引用将其全部并入本文。
技术领域
本申请涉及微机电系统(MEMS)加速度计。
背景技术
Z轴MEMS加速度计是感测沿着Z轴的加速度的线性加速度计。一些这样的加速度计具有摇摇欲坠的结构，具有响应于装置在z方向上的加速度而围绕中心锚固件枢转的板或梁。
发明内容
一些实施例提供了一种微机电系统加速度计，包括：设置在由第一轴和垂直于第一轴的第二轴限定的平面中的基板；第一检验质量块和第二检验质量块，耦合到所述基板并且被配置为沿着垂直于所述第一轴和所述第二轴的第三轴在彼此相反的方向上平移；和至少一个杆，将所述第一检验质量块耦合到所述第二检验质量块，其中：所述MEMS加速度计被配置为经由检测所述第一和第二检验质量块沿着所述第三轴的平移来检测沿着所述第一轴和所述第二轴的加速度；和所述MEMS加速度计表现出围绕所述第一轴和所述第二轴的对称性。
一些实施例提供了一种微机电系统加速度计，包括：设置在由第一轴和垂直于第一轴的第二轴限定的平面中的基板；第一检验质量块，经由设置在所述MEMS加速度计的中心中的锚固件耦合到所述基板；和第二检验质量块，经由所述锚固件耦合到所述基板并耦合到第一检验质量块，其中：所述第一检验质量块和所述第二检验质量块被配置为响应于沿所述第三轴的加速度而沿垂直于所述第一轴和所述第二轴的第三轴平移；和所述MEMS加速度计表现出围绕所述第一轴和所述第二轴的对称性。
一些实施例提供了一种微机电系统装置，包括：设置在由第一轴和垂直于第一轴的第二轴限定的平面中的基板；耦合到所述基板的第一检验质量块；第二检验质量块，耦合到所述基板并耦合到所述第一检验质量块；第一杆和第二杆，耦合到所述第一检验质量块和所述第二检验质量块中的每一个并且彼此成直线地布置，其中：所述第一检验质量块和所述第二检验质量块被配置为响应于沿所述第三轴的加速度而沿垂直于所述第一轴和所述第二轴的第三轴平移；和所述MEMS加速度计表现出围绕所述第一轴和所述第二轴的对称性。
附图说明
将参考以下附图来描述本申请的各个方面和实施例。应该理解的是，这些数字不一定是按比例绘制的。出现在多个图中的项目在其出现的所有图中由相同的参考数字表示。
图1A示出了根据一些实施例的示例MEMS装置的示意图。
图IB是根据一些实施例的图1A的MEMS装置的另一示意图，
图1C是根据一些实施例的图1A的MEMS装置的另一示意图，示出了MEMS装置的下层电极。
图2A是示出根据一些实施例的图1A的MEMS装置沿线a-a’的横截面的示例示意图。
图2B是示出根据一些实施例的图1A的MEMS装置在MEMS装置的检验质量的平移运动期间沿着线A-A’的横截面的示例示意图。
图2C是示出根据一些实施例的在倾斜操作模式期间图1A的MEMS装置沿线B-B’的横截面的示例示意图。
图2D是示出根据一些实施例的在倾斜操作模式期间图1A的MEMS装置沿线B-B’的横截面的另一示例示意图。
图3-4示出了根据一些实施例的图1A的MEMS装置的平移运动。
图5A示出了根据一些实施例的第二示例MEMS装置的示意图。
图5B是根据一些实施例的图5A的MEMS装置的另一示意图。
图5C是根据一些实施例的图5A的MEMS装置的另一示意图，示出了MEMS装置的下层电极。
图6A-6B示出了根据一些实施例的图5A的MEMS装置的平移运动。
图7是根据一些实施例的MEMS惯性传感器的示意图。
图8A-8C示出了根据一些实施例的其中可以实现图7的MEMS惯性传感器的示例装置。
具体实施方式
根据本申请的一些方面，提供了一种呈现双重平面内对称性的MEMS装置。特别地，MEMS装置可以是表现出关于x轴和y轴对称的加速度计。本文所述的加速度计可以被配置为通过差分感测至少两个检验质量块的平移运动来感测沿着z轴的加速度。
本文所述的MEMS加速度计可以包括通过一个或多个杆和弹簧耦合在一起的内部质量块和外部质量块，内部质量块和外部质量块被配置为响应于z轴加速度沿z轴在相反方向上平移以产生差分信号。MEMS加速度计可以被配置为检测z轴加速度。例如，一个或多个杆和弹簧可以将加速度计的倾斜模式转换为平移模式，使得可移动质量块响应于沿z轴的加速度而彼此反相并垂直于下面的基板移动。设置在检验质量块和下面的基板上的电极可以测量检验质量块的位移，以便检测z轴加速度。
值得注意的是，在本申请的至少一些方面中，加速度计表现出高度的平面内对称性。例如，加速度计可以关于y轴和x轴对称，从而表现出双重平面内对称性。加速度计的对称性可以例如通过减少由应力、偏移和/或横轴灵敏度引起的误差来增加加速度计的精度。
加速度计的可以有助于平面内对称性并且在本文中进一步描述的方面包括(1)直杆；(2)彼此成直线布置的杆；(3)锚固件的数量减少；(4)在多个杆之间共享的锚固件，例如在连接到每个平移检验质量块的杆之间共享；(5)与一个或多个对称轴成直线的锚固件；(6)耦合到加速度计的锚固件的固定梁；以及(7)在加速度计的所有杆之间共享的单个锚固件。根据本申请的不同实施例的加速度计表现出一个或多个这样的特征。
例如，在一些实施例中，MEMS装置的平面内对称性的各方面通过MEMS装置的至少两个杆彼此成直线地布置来促进。在一些实施例中，通过锚固件的一个或多个特征来促进MEMS装置的平面内对称性的各方面，例如锚固件与MEMS装置的至少一条对称线成直线和/或位于MEMS装置的质量中心处的定位。在一些实施例中，杆和锚固件的两个方面都有助于MEMS装置的双重平面内对称性。有助于增加MEMS装置的平面内对称性的MEMS装置的各方面为MEMS装置提供了减小的误差和增加的感测精度。
图1A示出了根据一些实施例的示例MEMS装置的示意图。如图1A所示，可以是加速度计的MEMS装置100包括第一检验质量块102A和第二检验质量块102B。
如图1A所示，第一和第二检验质量块102A-102B位于由两个垂直轴(在所示实施例中，x轴和y轴)限定的平面中。第一和第二检验质量块102A-102B被配置为沿着垂直于平面的第三轴(例如，在所示实施例中，z轴)平移。第一和第二检验质量块102A-102B可以被配置为沿着z轴在相反的方向上平移，在本文中也称为反相位平移。例如，当第二检验质量块102B沿z轴在负方向上移动(例如，进入由x轴和y轴定义的平面)时，第一检验质量块102A可以沿z轴沿正方向移动(例如离开由x轴定义的面)。
如本文所述，MEMS装置100可以是MEMS加速度计。MEMS加速度计可以被配置为检测沿着z轴的加速度。特别地，第一和第二检验质量块102A-102B可以响应于沿着z轴的加速度而在相反的方向上平移。第一和第二检验质量块102A-102B的位移可以通过耦合到第一和第二检验质量块102A-102B以及下面的基板(未示出)的电极来测量，如本文所述。第一和第二检验质量块102A-102B的测量位移可用于确定沿z轴的加速度的测量值。如本文所述，第一和第二检验质量块102A-102B可以被配置为相对于彼此反相(例如，在相反的方向上)平移。因此，由电极测量的信号可以是差分信号。
第一检验质量块102A可以至少部分地或完全地围绕第二检验质量块102B设置。也就是说，如图1A所示的实施例中所示，第一检验质量块102A可以在x-y平面中围绕第二检验质量块102B。第二检验质量块102B可至少部分或全部设置在第一检验质量块内。因此，第一检验质量块102A在本文中可称为外部检验质量块，并且第二检验质量块102B在本文中称为内部检验质量块。外部检验质量块102B可充当加速度计的框架。发明人已经认识到，本文所述的内部和外部检验质量块的设计提供了比现有装置更简单的制造，同时仍然允许相应的检验质量块反相位平移以获得差分信号。
内部质量块和外部质量块可能不相等。例如，在一些实施例中，内部检验质量块可比外部检验质量块轻。在其他实施例中。内部检验质量块可能比外部检验质量块重。内部和外部质量块之间的质量不平衡可最大化，例如，以实现更高的灵敏度和更低的热机械噪声。
在一些实施例中，第一和第二检验质量块102A-B可以包括一起移动的多个部分。例如，在所示实施例中，第二检验质量块102B包括通过弹簧106耦合在一起的第一部分和第二部分。第二检验质量块102B被第一和第二杆104A-B平分以形成第一部分和第二部分。在一些实施例中，第一和第二检验质量块102A-B中的一个或两个可以包括单个部分。在一些实施例中，第一和第二检验质量块102A-B中的一个或两个可以包括两个以上的部分。第一和第二检验质量块102A-B及其部分可以包括任何合适的形状。
尽管已经参考测量沿z轴的加速度描述了本文所述的示例MEMS加速度计，但是在其他实施例中，MEMS加速度计可以被配置为测量沿一个或多个其他轴的加速度，包括x轴和/或y轴。
如图1A所示，第一检验质量块102A和第二检验质量块102B可以通过第一和第二杆104A-B耦合在一起。特别地，第一杆104A在第一杆104A的相应端部处耦合到第一检验质量块102A和第二检验质量块102B中的每一个。类似地，第二杆104B在第二杆104B的相应端部处耦合到第一检验质量块102A和第二检验质量块102B中的每一个。第一和第二杆104A-B可以包括悬挂在下面的基板上的梁。
各个杆104A-B可以经由弹簧106耦合到第一和第二检验质量块102A-B。在一些实施例中，弹簧106可以包括折叠弹簧，但是在其他实施例中可以实现其他弹簧。如所示实施例中所示，第一和第二杆104A-B中的每一个都通过相应的成对弹簧106耦合到第一和第二检验质量块102A-B。然而，在其他实施例中，可以实施单个弹簧或多于两个弹簧来代替相应弹簧对中的一个或多个。
第一杆104A和第二杆104B被配置为便于将加速度计的倾斜模式转换为平移运动，使得第一和第二检验质量块102A、102B响应于z轴加速度彼此反相并垂直于下面的基板平移。例如，当第一和第二杆104A-B的外端(例如，连接到第一检验质量块102A的第一和第二杆104A-B的端部)沿着z轴向上移动时，第一和第二杆104A-B的内端(例如，耦合到第二检验质量块102B的第一和和第二杆104A-B端部)沿着z轴向下移动。反过来，当第一检验质量块102A沿着z轴向上移动时，第二检验质量块102B沿着z轴向下移动。类似地，当第一和第二杆104A-B的外端(例如，第一和第二杆104A-B的耦合到第一检验质量块102A的端部)沿着z轴向下移动时，第一和二杆104A-B的内端(例如第一和第二杆104A-B的耦合到第二检验质量块102B的端部)沿着z轴线向上移动。反过来，当第一检验质量块102A沿着z轴向下移动时，第二检验质量块102B沿着z轴向上移动。因此，当第一和第二杆104A-B响应于沿z轴的加速度而表现出摇摇欲坠的运动时，检验质量块102A-B被配置为沿z轴平移，而不是以倾斜模式操作。
如本文所述，MEMS加速度计100围绕x轴和y轴在平面内对称。MEMS装置100的平面内对称性可以通过第一和第二杆104A-B的几个特征来促进。例如，在包括所示实施例的一些实施例中，MEMS加速度计的至少两个杆彼此成直线地布置。在一些实施例中，MEMS加速计的至少一个杆与MEMS加速计的对称线成直线布置。在一些实施例中，一对或多对附加的直列杆可以平行于第一对直列杆设置。如图1A所示，杆104A-B彼此成直线设置，并与第二检验质量块相交。在所示实施例中，第一和第二杠杆104A-B与x轴水平成一直线。在一些实施例中，MEMS加速度计的一个或多个(例如全部)杆可以是直的(例如，在杆的端点之间没有弯曲)。在一些实施例中，杆彼此成一直线的定位和配置可以促进加速度计的整体对称性。
如本文所述，第一和第二检验质量块102A-B可以耦合到下面的基板。特别地，MEMS装置100可以包括至少一个锚固件，该锚固件耦合到下面的基板，用于将第一和第二检验质量块102A-B耦合到下面基板。在图1A所示的实施例中，MEMS装置包括彼此成直线布置的两个锚固件108。
第一和第二检验质量块102A-B经由第一和第二杆104A-B耦合到两个锚固件108中的每一个。特别地，第一和第二杆104A-B中的每一个经由系绳112耦合到两个锚固件108中的每一个。在一些实施例中，系绳112包括弹簧(例如，折叠弹簧)。也就是说，第一和第二检验质量块102A-B中的每个检验质量块经由多个连接件(例如，在所示实施例中，每个锚固件两个连接件)耦合到锚固件108中的每一个。各个系绳可以在沿着x轴的各个杆的长度的中点处耦合到MEMS装置的各个杆。
MEMS装置100还可以包括一个或多个锚固件臂110，耦合到MEMS装置100的锚固件108。例如，如图1A所示的实施例中所示，每个锚固件108耦合到一对锚固件臂110，所述一对锚固件臂110设置在锚固件108的相对侧上。锚固件臂110可以包括刚性梁，刚性梁直接耦合到锚固件臂110耦合到的锚固件108并从锚固件108向外延伸。锚固件臂110可以相对于MEMS装置100的其它部件是静止的。锚固件臂110有效地延伸了用于将部件连接到锚固件108的空间的尺寸，而耦合到基板的锚固件108的实际尺寸不变。因此，锚固件臂110可以有助于将多个部件耦合到MEMS装置200的锚固件，而不需要增加MEMS装置100上的锚固件的数量或消耗下层基板上的空间。
在一些实施例中，MEMS加速度计的平面内对称性可以通过MEMS加速度计锚固件的一个或多个附加特征来促进。例如，在一些实施例中，相应的锚固件与MEMS装置的至少一条对称线成直线布置。如所示实施例中所示，锚固件108被设置成彼此成直线并且与y轴成直线。在一些实施例中，MEMS装置的一个或多个锚固件可以与MEMS装置的两条对称线(例如，x轴和y轴)成直线。
在一些实施例中，MEMS装置的一个或多个锚固件可以设置在MEMS装置的质量中心处(例如，如图5A所示，在此描述的，设置在MEMS装置的中间的单个锚固件)。在一些实施例中，MEMS装置的锚固件可以是分布式的，但是可以在与MEMS装置的质量中心相同的位置处具有集体质量中心(例如，在图1A的所示实施例中具有两个锚固件，这两个锚固件在MEMS装置100的中心具有集体质量中心)。发明人已经认识到，当锚固件偏离质量中心时，MEMS装置可遇到信号偏移问题。因此，本文所述的将一个或多个锚固件物理地布置在装置的MEMS的质量中心处或者使得多个锚固件的集体质量中心布置在MEMS装置的质量中心处的MEMS装置避免了信号偏移的潜在问题。
如图1A所示，MEMS装置100包括少量的锚固件。例如，MEMS装置100可以包括不多于两个的锚固件。如图1A所示，锚固件108可以在MEMS装置100的第一和第二杆104A-B之间共享。也就是说，一个锚可以经由锚固件臂110和系绳112连接到第一杆104A和第二杆104B。
图1B-4示出了根据一些实施例的图1A的示例MEMS装置100的附加视图。图IB是示出MEMS装置100的平面内对称性的示意图。如本文所述，MEMS装置100围绕x轴和y轴都是对称的。图IB示出了覆盖在MEMS装置100上的垂直xi和yi轴，以示出MEMS装置100的两倍平面内对称性。
图1C是根据一些实施例的MEMS装置100的另一示意图，示出了MEMS装置100下面的电极。如本文所述，MEMS装置100可以包括沿着z轴与第一和第二检验质量块102A-B间隔开的下层基板。第一和第二检验质量块102A-B的位移可以通过成对的电极来测量，其中成对的第一电极设置在基板上(例如，基板的顶面)，成对的第二电极设置在第一或第二检验质量块102A-B中的一个上(例如各自的检验质量块的底面)。当第一和第二检验质量块102A-B沿着z轴平移时，一对电极的相应电极之间的间隙改变。间隙的变化导致电容的变化，因此可以基于电极对产生的信号来确定各个检验质量块的位移。
图1C示出了耦合到基板的电极115的定位。如图1C所示，可以有至少一个电极115设置在第一和第二检验质量块102A-B中的每一个之下。在一些实施例中，例如在所示的实施例中所示，可以有多个电极115设置在第一和第二检验质量块102A-B中的每一个之下。
如本文所述，电极115中的每一个可以与耦合到第一或第二检验质量块102A-B中的一个的下侧的互补电极相对设置，使得互补电极面向耦合到基板的相应电极115。发明人已经认识到，将感测电极定位在检验质量块的单个表面上简化了制造，同时在给定第一和第二检验质量块的反相平移运动的情况下仍然产生差分信号。第一和第二检验质量块的平移运动，与摇摇欲坠的运动相反，允许更大的测量位移，因为检验质量块可以在相应电极之间的基本上整个间隙距离上移动，从而给予本文所述的MEMS加速度计更高的灵敏度。相反，在传统的摇摇欲坠加速度计中，感测电极可以放置在检验质量块的边缘(在枢转轴线附近)，在那里表现出相对较小的位移。
图2A是示出图1的MEMS装置沿线A-A’的横截面的示例示意图。在图2A所示的实施例中，MEMS装置100的检验质量块处于静止状态(例如，由于沿z轴的加速度而不沿z轴移位)。
图2A示出了下面的基板120和与其耦合的电极116。图2A示出了在此描述的电极对。特别地，每个电极对包括耦合到基板120的电极115和耦合到第一和第二检验质量块102A-B中的相应一个的电极116。
图2B是示出根据一些实施例的图1A的MEMS装置在MEMS装置的检验质量块的平移运动期间沿着线A-A’的横截面的示例示意图。图2A示出了由于沿z轴的加速度而运动的MEMS装置100。特别地，图2A示出了MEMS装置100，其中第一检验质量块102A沿着z轴向下移位，而第二检验质量块102B沿着z轴向上移位。第一和第二检验质量块102A-B的位移由电极对115、116差分地测量。加速度通过杆104A-B被转换为平移运动。
图2C-2D是示出根据一些实施例的在倾斜操作模式期间图1A的MEMS装置沿线B-B’的横截面的示例示意图。如本文所述，MEMS装置100通过将现有加速度计使用的倾斜操作模式转换为平移模式来操作。因此，图2C-2D示出了与MEMS装置100的平移操作模式形成对比的加速度的倾斜模式操作的示例。
传统上，摇摇欲坠的加速度计有一个不对称的梁来控制振荡。为了使一侧的梁更重，则使一侧更长。用于检测枢转的电极不能被放置在梁的端部，因为它们不会被放置在离梁的枢转点相同的距离处，并且所获取的信号不会是真正的差分信号。因此，电极必须放置得更靠近梁的枢轴点，从而使电极与枢轴点的距离相同。然而，这意味着电极被定位在光束经历相对较小位移的位置，从而导致较低的灵敏度。换言之，在电极位于枢轴点附近的情况下，能够被电极感测的位移仅为梁和下面的基板之间的间隙的一小部分。
相比之下，本申请提供了一种MEMS加速度计，其将倾斜模式转换为平移模式，这允许移动质量覆盖更大的距离。例如，各个检验质量块被配置为覆盖电极对之间的几乎整个间隙。在一些实施例中，对于沿着z轴的加速度，各个检验质量块经历至少10nm/g的位移。
图3-4示出了根据一些实施例的图1A的MEMS装置的平移运动。特别地，图3-4分别示出了MEMS装置的平面外运动和平面内运动，其中检验质量块相对于彼此反相平移。
图3示出了图1A的MEMS装置的反相位平面外运动。第二检验质量块102B沿着z轴向下移动，而第一检验质量块102A沿着z轴向上移动。该运动由第一和第二杆104A-B促进，该第一和第二杆104A-B在耦合到第二检验质量块102B的第一和第二杆104A-B的端部处向下移动，并且在耦合到第一检验质量块102A的第一和第一杆104A-B的端部向上移动。
图4示出了图1A的MEMS装置的平面内反相位运动。第二检验质量块102B沿着z轴向上移动，而第一检验质量块102A沿着z轴向下移动。该运动由第一和第二杆104A-B促进，第一和第二杆104A-B在耦合到第二检验质量块102B的第一和第二杆104A-B的端部处向上移动，并且在耦合到第一检验质量块102A的第一和和第二杆104A-B的端部向下移动。
MEMS装置100的部件的位移通过图3-4中所示的点画来说明。例如，图3-4示出了锚固件108和锚固件臂110没有表现出位移。第一和第二杆104A-B的端部表现出高的位移，而第一和第二杆104A-B的中点(系绳112连接的位置)表现出相对较小的位移。第一和第二检验质量块102A-B也表现出高的位移。如本文所述，感测电极耦合到的检验质量块的高位移允许MEMS装置的更高灵敏度。
图5A-6B示出了根据一些实施例的第二示例MEMS装置500。MEMS装置500示出了MEMS加速度计500，其与MEMS装置100一样具有两倍平面内对称性，但是具有部件的替代布置。MEMS加速度计500可以具有由应力、偏移和/或交叉轴灵敏度引起的减小的误差，该误差至少部分地由于装置(如MEMS装置100)的对称性而引起。然而，MEMS加速度计500不包括与装置的对称线成直线的杆，而是包括彼此平行且平行于x轴的两对杆。与MEMS装置100的一对锚固件相反，MEMS装置500包括与两个对称轴成直线并且定位在MEMS装置的质量中心处的单个锚固件。
图5A-6B中所示的MEMS装置可以是MEMS加速度计，其被配置为经由第一和第二检验质量块502A-B的平移运动来检测z轴加速度，在本文中也分别被称为外部和内部检验质量块，其相对于彼此反相并相对于下面的基板垂直地移动，类似于图1A的示例MEMS装置100。MEMS装置500的部件可以被配置为具有与MEMS装置100的部件相同的一些或全部特征。
如图5A所示，第一和第二检验质量块502A-B位于由两个垂直轴(x轴和y轴)限定的平面中。第一和第二检验质量块502A-B被配置为沿着垂直于该平面的第三轴(z轴线)平移。第一和第二检验质量块502A-B可以被配置为沿着z轴在相反的方向上平移。例如，当第二检验质量块502B沿z轴在负方向上移动(例如，进入由x轴和y轴定义的平面中)时，第一检验质量块502A可以沿z轴沿正方向移动(例如离开由x轴定义的面)。
如本文所述，与MEMS装置100一样，MEMS装置500可以包括MEMS加速度计。类似地，MEMS加速度计500可以被配置为检测沿着z轴的加速度。特别地，第一和第二检验质量块502A-B可以响应于沿着z轴的加速度而在相反的方向上平移。第一和第二检验质量块502A-B的位移可以通过耦合到第一和第二检验质量块502A-B以及下面的基板(未示出)的电极来测量。第一和第二检验质量块502A-B的测量位移可用于确定沿z轴的加速度的测量值。如本文所述，第一和第二检验质量块502A-B可以被配置为相对于彼此反相位平移(例如，在相反的方向上)。因此，由耦合到MEMS装置500的电极测量的信号可以是差分信号。
第一检验质量块502A可以至少部分地或完全地围绕第二检验质量块502B设置。也就是说，如图5A所示的实施例中所示，第一检验质量块502A可以在x-y平面中围绕第二检验质量块502B。第二检验质量块502B可以至少部分地或完全地设置在第一检验质量块502A内。因此，第一检验质量块502A在本文中可以被称为外部检验质量块，第二检验质量块502B在本文中被称为内部检验质量块。外部检验质量块502A可以用作加速度计的框架。在一些实施例中，内部和外部检验质量块的相对质量可以改变。例如，在一些实施例中，内部检验质量块可以比外部检验质量块轻。
在一些实施例中，第一和第二检验质量块502A-B可以包括一起移动的多个部分。例如，在所示实施例中，第二检验质量块502B包括通过弹簧506耦合在一起的第一部分和第二部分。第二检验质量块502B被锚固件508和锚固件臂510平分，如本文所述，以形成第一部分和第二部分。在一些实施例中，第一和第二检验质量块502A-B中的一个或两个可以包括单个部分。在一些实施例中，第一和第二检验质量块502A-B中的一个或两个可以包括多于两个的部分。第一第二检验质量块502A-B及其部分可以包括任何合适的形状。
尽管已经参考测量沿z轴的加速度来描述了本文所描述的示例MEMS加速度计500，但是在其他实施例中，MEMS加速度计五百可以被配置为测量沿一个或多个其他轴的加速度，包括x轴和/或y轴。例如，MEMS加速度计500可以包括多个电极，除了本文所述的电极之外或可替换地，这些电极被定位在x-y平面中以感测第一和第二检验质量块502A-B沿着x轴和/或y轴的位移。
如图5A所示，第一和第二检验质量块502A-B可以通过多个杆504A-B耦合在一起。特别地，第一、第二、第三和第四杆504A-D中的每一个在相应杆的相应端部处耦合到第一检验质量块502A和第二检验质量块502B中的每一端。多个杆504A-D可以包括悬挂在下面的基板上的梁。
各个杆504A-D可以经由弹簧506耦合到第一和第二检验质量块502A-B。类似于弹簧106，弹簧506可以包括折叠弹簧，在一些实施例中，尽管在其他实施例中可以实现其他弹簧。如所示实施例中所示，杠杆504A-D中的每一个在杆的相应连接点处利用单个弹簧耦合到第一和第二检验质量块502A-B。然而，在其他实施例中，可以在每个连接点处实现两个或多个弹簧。
类似于MEMS装置100的杆104A-B，多个杆504A-D被配置为便于将加速度计的倾斜模式转换为平移运动，使得第一和第二检验质量块502A-B响应于z轴加速度彼此反相并垂直于下面的基板平移。例如，当杆504A-D的外端(例如，耦合到第一检验质量块502A的杆504A-B的端部)沿着z轴向上移动时，杆504A-C的内端(例如：耦合到第二检验质量块502B的杆504A-D的一端)沿着z轴线向下移动。进而，当第一检验质量块502A沿着z轴向上移动时，第二检验质量块502B沿着z轴向下移动。同样地，当杆504A-D的外端(例如，杆504A-D的耦合到第一检验质量块502A的端部)沿着z轴向下移动时，杆504A-D的内端(例如杆504A-4的耦合到第二检验质量块502B的端部将)沿着z轴线向上移动。进而，当第一检验质量块502A沿着z轴向下移动时，第二检验质量块502B沿着z轴向上移动。因此，当杆504A-D响应于沿着z轴的加速度而呈现出摇摇欲坠的运动时，检验质量块502A-B被配置为沿着z轴平移，而不是以倾斜模式操作。
与MEMS加速度计100一样，MEMS加速度计500表现出两倍的平面内对称性。也就是说，MEMS加速度计500关于两个轴(x轴和y轴)对称。在一些实施例中，杆504A-D的几个特征可以促进MEMS装置500的平面内对称性。例如，在包括所示实施例的一些实施例中，MEMS加速度计500的至少两个杆彼此成一直线地布置。如图5A所示，第一对杆(第一和第二杆504A-B)彼此成直线地设置。此外，第二对杆(第三和第四杆504C-D)被设置为平行于第一对杆并且彼此成直线。MEMS加速度计500的杆可以是直的(例如，在杆的端点之间没有弯曲)。杠杆的定位和配置彼此成一直线有助于加速度计的整体对称性。
MEMS装置500包括单个锚固件508，耦合到下面的基板，用于将第一和第二检验质量块502A-B耦合到下面基板。锚固件508在MEMS装置500的所有组件之间共享。
第一和第二检验质量块502A-B中的每一个都经由杆504A-D耦合到锚固件508。特别地，杆504A-D中的每一个经由系绳512耦合到锚固件508，系绳512可以包括弹簧(例如，折叠弹簧)。也就是说，第一和第二检验质量块502A-B中的每一个经由多个连接(例如，在所示实施例中，每个检验质量到锚508的两个连接)耦合到锚固件508。各个系绳512可以在各个杆上更靠近杆的连接到第二(内部)检验质量块502B的端部的点处连接到MEMS装置500的各个杆。
MEMS装置500包括多个锚固件臂510。每个锚固件臂510都耦合到锚固件器508。类似于锚固件臂110，锚固件臂510可以包括直接连接到锚固件508并从锚固件向外延伸的刚性梁。锚固件臂510可以相对于MEMS装置500的其它部件是静止的。锚固件臂510有效地扩展了用于将部件耦合到锚固件508的空间的尺寸，而不增加耦合到基板的锚固件508的实际尺寸，并且因此可以有助于将多个部件耦合到MEMS装置500的单个锚固件，而不需要增加MEMS装置上的锚固件的数量或消耗下层上的空间基板。
如本文所述，锚固件508在MEMS装置500的所有组件之间共享。锚固件508设置在MEMS装置500的中心，包括MEMS装置的质量中心，这减少了与信号偏移有关的问题，如本文所述。此外，锚固件508沿着MEMS装置500的两条对称线设置。
图5A-6B示出了根据一些实施例的图5A的示例MEMS装置500的附加视图。图5B是示出MEMS装置500的平面内对称性的示意图。如本文所述，MEMS装置500关于x轴和y轴都是对称的。图5B示出了覆盖在MEMS装置500上的垂直X2和y2轴，以示出MEMS装置500的两倍平面内对称性。在一些实施例中，MEMS装置500的对称性可以通过在MEMS装置500组件之间共享并且与两条对称线成直线的单个锚固件508来促进。在一些实施例中，将至少两个杆彼此成直线并且与其他一对成直线的杆平行地定位可以促进MEMS装置500的对称性。MEMS装置的对称性有助于减少与MEMS装置相关联的误差，包括偏移、跨轴灵敏度和由于应力引起的误差。
图5C是MEMS装置500的另一示意图。图5C示出了MEMS装置500，其示出了有助于感测MEMS装置500的加速度的下层电极。
如本文所述，MEMS装置500包括沿着z轴与第一和第二检验质量块502A-B间隔开的下层基板。第一和第二检验质量块502A-B的位移可以通过成对的电极来测量，其中成对的第一电极设置在基板上，成对的第二电极设置在第一或第二检验质量块502A-B中的一个上。随着第一和第二检验质量块502A-B沿着z轴平移，一对电极的相应电极之间的间隙改变。间隙的变化导致电容的变化，因此可以基于电极对产生的信号来确定各个检验质量块的位移。
图5C示出了耦合到基板的电极515的定位。如图5C所示，可以有至少一个电极515设置在第一和第二检验质量块502A-B中的每一个的下方。在一些实施例中，例如在所示的实施例中所示，可以有多个电极515设置在第一和第二检验质量块502A-B中的每一个之下。如本文所述，电极515中的每一个可以与耦合到第一或第二检验质量块502A-B中的一个的下侧的互补电极相对设置，使得互补电极面向耦合到基板的相应电极515。
图6A-6B示出了根据一些实施例的图5A的MEMS装置的平移运动。特别地，图6A-6B示出了MEMS装置的运动，其中检验质量块相对于彼此反相平移。
在图6A所示的实施例中，第二检验质量块502B沿着z轴向下移动，而第一检验质量块502A沿着z轴向上移动。该运动由杆504A-D促进，该杆在耦合到第二检验质量块502B的杆504A-D的端部处向下移动并且在耦合到第一检验质量块502A的杆504A-D的端部将向上移动。
在图6B所示的实施例中，第二检验质量块502B沿着z轴向上移动，而第一检验质量块502沿着z轴向下移动。该运动由杆504A-D促进，该杆504A-D在耦合到第二检验质量块502B的杆504A-D-D的端部处向上移动并且在耦合到第一检验质量块502A的杆504A-D的端部将向下移动。
MEMS装置500的部件的位移经由图6A-6B中所示的点画来说明。例如，图6A-6B示出了锚固件508和锚固件臂510没有表现出位移。杠杆504A-D的端部表现出高的位移，而杆504A-B的中点(系绳512连接在那里)表现出相对较小的位移。第一和第二检验质量块502A-B也表现出高的位移。如本文所述，感测电极耦合到的检验质量块的高位移允许MEMS装置的更高灵敏度。
本文所述类型的MEMS加速度计可以形成各种系统的一部分，这些系统在各种领域中具有应用，例如在体育、军事、虚拟现实、游戏、医疗保健和工业环境中等等。各种系统可以形成物联网网络的一部分，或者可以在物联网网络中使用。现在描述这样的系统和应用的示例。
图7是示出系统800的框图，系统800可以包括MEMS加速度计802、电源单元804、感测电路806和输入/输出(I/O)接口808。MEMS加速度计802可以被实现为上述MEMS加速度计中的任何一个。可选地，MEMS加速度计802可以进一步包括角度加速度计和/或陀螺仪。在一些实施例中，感测电路806和MEMS加速度计802可以设置在同一基板上，例如硅基板。在其他实施例中，感测电路806和MEMS加速度计802可以设置在单独的基板上，这些基板可以彼此结合和/或封装在公共外壳内。
感测电路806可以被配置为感测加速度，例如通过将电容变化映射到加速度的大小。感测电路806可以包括放大器、模数转换器、存储器、处理器、专用集成电路(ASIC)或其他模拟和/或数字电路。
系统800可以经由有线连接或无线地将指示感测到的角加速度和/或线性加速度的信号周期性地发送到外部监测系统，例如计算机、智能手机、平板电脑、智能手表、智能眼镜或任何其他合适的接收设备。I/O接口808可以被配置为经由Wi-Fi、蓝牙、蓝牙低能量(BLE)、Zigbee、Thread、ANT、ANT+、IEEE 802.15.4、IEEE 802.11来发送和/或接收数据。ah或任何其它合适的无线通信协议。可替换地或附加地，I/O接口808可以被配置为使用专有连接协议来发送和/或接收数据。I/O接口808可以包括一个或多个天线，例如微带天线。在一些实施例中，I/O接口808可以连接到电缆，并且可以被配置为通过电缆发送和/或接收信号。
系统800可以使用电源单元804来供电。电源单元804可以被配置为对感测电路806、I/O接口808和/或MEMS加速度计802供电。在一些实施例中，功率单元804可以包括一个或多个电池。在至少一些实施例中，系统800可以消耗足够少的功率，以允许其仅基于电池功率而长时间运行。在一些实施例中，一个或多个电池可以是可再充电的。功率单元804可以包括一个或多个锂离子电池、锂聚合物(LiPo)电池、基于超级电容器的电池、碱性电池、铝离子电池、汞电池、干电池、锌碳电池、镍镉电池、石墨烯电池或任何其他合适类型的电池。在一些实施例中，功率单元804可以包括将AC功率转换为DC功率的电路。例如，功率单元804可以例如经由I/O接口808从系统800外部的电源接收AC功率，并且可以向系统800的一些或所有组件提供DC功率。在这种情况下，功率单元804可以包括整流器、电压调节器、DC-DC转换器或用于功率转换的任何其他合适的装置。
在一些实施例中，动力单元804可以包括能量收集部件和/或能量存储部件。可以从周围环境获取能量并存储能量以在需要时为系统800供电，这可以包括周期性的、随机的或连续的供电。可以基于系统800的预期环境来选择所实现的能量收集组件的类型，例如基于系统800可能经历的运动的预期幅度和频率、系统可能经历的应力的量、系统可能经受的光暴露的量，和/或系统可能暴露的温度。合适的能量收集技术的例子包括热电能量收集、磁振动收集、电过应力收集、光伏收集、射频收集和动能收集。在一些实施例中，能量存储部件可以包括超级电容器。
如图8A-8C所示，系统800可以部署在各种设置中以检测加速度，包括体育、医疗保健、军事、虚拟现实、游戏和工业应用等。在一些实施例中，系统800可以是可穿戴设备的一部分。例如，系统800可以安装为耳塞900的一部分(如图8A所示)、智能手表902的一部分或智能手机904的一部分(如图8C所示)。可以在其中部署系统800的其他环境包括平板电脑、笔记本电脑、智能眼镜、医疗设备、运动设备、车辆等等。
当安装在耳塞900上时，系统800可用于监测用户头部的运动，例如用于虚拟现实或游戏应用。此外，或可替代地，系统800可以用于启用语音识别。例如，系统800可以检测由用户的语音产生的振动，并且可以使用机器学习技术来识别语音。附加地或替代地，系统800可以用于噪声消除。当安装在智能手表902上时，系统800可以检测用户手臂的运动，例如用于睡眠跟踪、心脏监测、步数等。类似地，当安装在智能手机904上时，系统800可以检测用户身体的特定部分的运动。
本文所描述的技术的各方面可以提供一个或多个益处，其中一些益处已经在前面描述过。下面介绍一些这样的好处。应当理解，并非所有方面和实施例都必须提供现在描述的所有益处。此外，应当理解，本文所描述的技术的各方面可以为现在所描述的那些方面提供额外的益处。
本文所述的示例加速度计包括多个特征，这些特征增加了加速度计的整体对称性(例如，导致设备的整体平面内对称性)，从而减少了误差并提高了传感器精度。本文所述的示例加速度计的进一步方面在本文所附的附图中示出。
尽管这里已经描述了MEMS装置被配置为测量沿着z轴的加速度，但是这里描述的MEMS装置可以被实现为感测关于一个或多个附加或替代轴(例如，x轴和/或y轴)的加速度。例如，在一些实施例中，除了z轴加速度的检测之外，MEMS装置可以被配置为检测平面内加速度(例如，沿着x轴和/或y轴)或可替代地检测z轴加速度。平面内加速度可以通过检测第一和/或第二检验质量块沿着x轴和/或y轴的平面内平移来检测。第一检验质量块和第二检验质量块可以相对于彼此反相位平移，并且可以获得差分信号。在一些实施例中，附加的感测电极可以耦合到MEMS装置的第一和第二检验质量块以及下面的基板，以允许感测关于一个或多个附加或替代轴的加速度。例如，一个或多个电极可以耦合到第一和/或第二检验质量块(例如，集成在第一和/或者第二检验质量块内部)，用于感测第一和/或第二检验质量块的平面内平移。
术语“近似”、“实质上”和“大约”可用于在一些实施例中表示在目标值的±20％以内，在一些实施方案中表示在靶值的±10％以内，在某些实施方案中指在靶值±5％以内，在有些实施例中指在目标值±2％以内。术语“近似”、“实质上”和“大约”可能包括目标值。
Claims (20)
1.一种微机电系统(MEMS)加速度计，包括：
设置在由第一轴和垂直于所述第一轴的第二轴限定的平面中的基板；
第一检验质量块和第二检验质量块，耦合到所述基板并且被配置为沿着垂直于所述第一轴和所述第二轴的第三轴在彼此相反的方向上平移；和
至少一个杆，将所述第一检验质量块耦合到所述第二检验质量块，其中：
所述MEMS加速度计被配置为经由检测所述第一和第二检验质量块沿着所述第三轴的平移来检测沿着所述第三轴的加速度；和
所述MEMS加速度计表现出围绕所述第一轴和所述第二轴的对称性。
2.根据权利要求1所述的MEMS加速度计，其中所述至少一个杆包括耦合到所述第一检验质量块和所述第二检验质量块的第一杆以及耦合到所述第一检验质量块和所述第二检验质量块的第二杆，并且其中所述第一和第二杆彼此成直线布置。
3.根据权利要求2所述的MEMS加速度计，其中所述第一杆和所述第二杆与所述第一轴成直线布置。
4.根据权利要求2所述的MEMS加速度计，其中所述第一杆和所述第二杆中的每一个都是直的。
5.根据权利要求2所述的MEMS加速度计，其中当所述第一杆和所述第二杆中的每一个的外端沿着所述第三轴在与第一方向相反的第二方向上移动时，所述第一和第二杆中的每一个的内端沿着所述第三轴在所述第一方向上移动。
6.根据权利要求1所述的MEMS加速度计，其中所述第二检验质量块设置在所述第一检验质量块内。
7.根据权利要求1所述的MEMS加速度计，其中所述第一和第二检验质量块经由与所述第一轴或所述第二轴中的至少一个成直线布置的至少一个锚固件耦合到所述基板。
8.根据权利要求7所述的MEMS加速度计，其中所述至少一个锚固件包括第一锚固件和第二锚固件，并且其中所述第一检验质量块和所述第二检验质量块中的每一个耦合到所述第一和第二锚固件中的每一个。
9.根据权利要求8所述的MEMS加速度计，进一步包括耦合到所述第一锚固件的第一锚固件臂和第二锚固件臂，其中所述第一锚固件臂和所述第二锚固件臂包括在所述第一锚固件的相对侧上从所述第一锚固件向外延伸的刚性梁。
10.根据权利要求9所述的MEMS加速度计，其中所述至少一个杆在所述至少一个杆的中点处耦合到所述第一锚固件臂和所述第二锚固件臂中的每一个。
11.根据权利要求1所述的MEMS加速度计，其中所述MEMS加速度计还被配置为通过检测所述第一和第二检验质量块沿着所述第一轴和/或第二轴的平移来检测沿着所述第一和/或所述第二轴的加速度。
12.一种微机电系统(MEMS)加速度计，包括：
设置在由第一轴和垂直于第一轴的第二轴限定的平面中的基板；
第一检验质量块，经由设置在所述MEMS加速度计的中心处的锚固件耦合到所述基板；和
第二检验质量块，经由所述锚固件耦合到所述基板并耦合到第一检验质量块，其中：
所述第一检验质量块和所述第二检验质量块被配置为响应于沿垂直于所述第一轴和所述第二轴的第三轴的加速度而沿所述第三轴平移；和
所述MEMS加速度计表现出围绕所述第一轴和所述第二轴的对称性。
13.根据权利要求12所述的MEMS加速度计，进一步包括：
第一杆，耦合到所述第一检验质量块和所述第二检验质量块；以及
第二杆，耦合到所述第一检验质量块和所述第二检验质量块。
14.根据权利要求13所述的MEMS加速度计，进一步包括：
第三杆，耦合到所述第一检验质量块和所述第二检验质量块；以及
第四杆，耦合到所述第一检验质量块和所述第二检验质量块。
15.根据权利要求14所述的MEMS加速度计，其中所述第一、第二、第三和第四杆中的每一个都耦合到所述锚固件。
16.根据权利要求15所述的MEMS加速度计，还包括耦合到所述锚固件的多个锚固件臂，其中所述多个锚固件臂中的每一个包括从所述锚固件向外延伸并耦合到第一、第二、第三或第四杆中的相应一个的刚性梁。
17.根据权利要求12所述的MEMS加速度计，其中所述第二检验质量块设置在所述第一检验质量块内，并且所述第二检验质量块的质量小于所述第一检验质量块的质量。
18.根据权利要求17所述的MEMS加速度计，其中当所述第二检验质量块沿着所述第三轴在与第一方向相反的第二方向上平移时，所述第一检验质量块沿着所述第三轴在所述第一方向上平移。
19.一种微机电系统(MEMS)装置，包括：
设置在由第一轴和垂直于第一轴的第二轴限定的平面中的基板；
耦合到所述基板的第一检验质量块；
第二检验质量块，耦合到所述基板并耦合到所述第一检验质量块；
第一杆和第二杆，耦合到所述第一检验质量块和所述第二检验质量块中的每一个并且彼此成直线地布置，其中：
所述第一检验质量块和所述第二检验质量块被配置为响应于沿垂直于所述第一轴和所述第二轴的第三轴的加速度而沿所述第三轴平移；和
所述MEMS加速度计表现出围绕所述第一轴和所述第二轴的对称性。
20.根据权利要求19所述的MEMS加速度计，其中所述第一杆和所述第二杆中的每一个都耦合到耦合到所述基板的第一锚固件和耦合到所述基板的第二锚固件。
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