KR102464039B1 - 면내 가속도계에 대한 앵커 추적 장치 및 관련 방법 - Google Patents

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Abstract

마이크로전자기계 시스템(MEMS) 가속도계가 기재되어 있다. MEMS 가속도계는 프루프 메스의 평면에 평행한 방향으로 가속도들을 감지하도록 구성된 프루프 메스, 및 복수의 보상 구조체를 포함할 수 있다. 프루프 메스는 스프링을 통해 하나 이상의 앵커에 연결될 수 있다. 보상 구조체는 개별 앵커에 대한 견고한 연결을 통해 MEMS 가속도계의 기판에 커플링될 수 있다. 보상 구조체는 하나 이상의 횡방향 보상 커패시터들을 형성하는 적어도 하나의 보상 전극을 포함할 수 있다. 보상 커패시터(들)는, 보상 구조체가 연결되는 앵커의 변위를 감지하도록 구성될 수 있다.

Description

면내 가속도계에 대한 앵커 추적 장치 및 관련 방법
관련 출원들에 대한 교차 참조
본 출원은 2016년 8월 4일에 출원되고 대리인 도켓 번호 No. G0766.70074US00이고 발명이 명칭이 "ANCHOR TRACKING APPARATUS FOR IN-PLANE ACCELEROMETERS AND RELATED METHODS"이며 전체가 참조로써 본원에 통합되는 미국 특허 출원 일련 번호 No. 15/228,229의 이익을 주장하는 계속 출원이다.
본 개시의 분야
본 출원은 마이크로전자기계 시스템(microelectromechanical systems, MEMS) 관성 센서에 관한 것이다.
일부 마이크로전자기계 시스템(MEMS) 용량성 센서는 면내 가속도를 감지한다. 일부 이러한 센서는 고정 전극 및 가동 전극을 포함한다. 가동 전극은 기판에 앵커링되는 한편 가동 전극은 프루프 메스에 연결된다. 프루프 메스는 프루프 메스의 평면에서의 가속도에 응답하여 이동한다.
본 출원의 일 양태에 따르면, 마이크로-전자-기계 시스템(MEMS) 가속도계가 제공된다. 마이크로-전자-기계 시스템 (MEMS) 가속도계는 기판에 연결된 복수의 앵커, 하나 이상의 각각의 스프링을 통해 복수의 앵커 중 적어도 제 1 및 제 2 앵커에 연결된 프루프 메스, 기판에 연결되고 제 1 고정 전극 및 제 2 고정 전극을 포함하는 복수의 고정 전극, 프루프 메스에 연결되고 복수의 고정 전극 중 적어도 하나와 함께 하나 이상의 감지 커패시터를 형성하는 하나 이상의 감지 전극으로서, 하나 이상의 감지 커패시터는 프루프 메스의 횡방향 가속도를 감지하도록 구성되는, 상기 하나 이상의 감지 전극, 및 제 1 및 제 2 앵커에 각각 견고하게 연결된 제 1 및 제 2 보상 구조체로서, 제 1 보상 구조체는 제 1 고정 전극과 함께 제 1 횡방향 보상 커패시터를 형성하는 제 1 보상 전극을 포함하고 제 2 보상 구조체는 제 2 고정 전극과 함께 제 2 횡방향 보상 커패시터를 형성하는 제 2 보상 전극을 포함하는, 상기 제 1 및 제 2 보상 구조체를 포함할 수 있다.
본 출원의 다른 양태에 따르면, 마이크로-전자-기계 시스템(MEMS) 가속도계가 제공된다. 마이크로-전자-기계 시스템 (MEMS) 가속도계는 기판, 제 1 앵커, 스프링을 통해 제 1 앵커에 연결되고 기판에 연결되는 프루프 메스, 기판에 연결되고 제 1 고정 전극을 포함하는 복수의 고정 전극, 프루프 메스에 연결되고 복수의 고정 전극 중 적어도 하나와 함께 하나 이상의 감지 커패시터를 형성하는 하나 이상의 감지 전극으로서, 하나 이상의 감지 커패시터는 프루프 메스의 횡방향 가속도를 감지하도록 구성되는, 상기 하나 이상의 감지 전극, 기판에 커플링되고 프루프 메스에 커플링되지 않는 제 2 앵커, 및 제 2 앵커에 견고하게 연결되고 제 1 고정 전극과 함께 횡방향 보상 커패시터를 형성하는 보상 전극을 포함하는 보상 구조체를 포함할 수 있다.
본 출원의 다른 양태에 따르면, 방법이 제공된다. 방법은 적어도 하나의 감지 커패시터를 사용하여 프루프 메스의 횡방향 가속도를 감지하는 단계로서, 적어도 하나의 감지 커패시터는 프루프 메스에 연결된 제 1 감지 전극 및 기판에 연결된 제 1 고정 전극을 포함하고, 프루프 메스는 제 1 스프링을 통해 제 1 앵커 및 제 2 스프링을 통해 제 2 앵커에 연결되고, 그리고 제 1 및 제 2 앵커들은 기판에 연결되는, 상기 횡방향 가속도들을 감지하는 단계; 제 1 횡방향 보상 커패시터를 사용하여 제 1 앵커의 제 1 변위를 검출하는 단계로서, 제 1 횡방향 보상 커패시터는 제 1 앵커에 견고하게 연결된 제 1 보상 전극 및 기판에 연결된 제 2 고정 전극을 포함하는, 상기 제 1 앵커의 제 1 변위를 검출하는 단계; 및 제 2 횡방향 보상 커패시터를 사용하여 제 2 앵커의 제 2 변위를 검출하는 단계로서, 제 2 횡방향 보상 커패시터는 제 2 앵커에 견고하게 연결된 제 2 보상 전극 및 기판에 연결된 제 3 고정 전극을 포함하는, 상기 제 2 앵커의 제 2 변위를 검출하는 단계를 포함할 수 있다.
본 출원의 다양한 양태 및 실시형태는 다음 도면을 참조하여 설명될 것이다. 도면은 반드시 일정한 비율로 그려진 것은 아님을 이해해야 한다. 다수의 도면에 보이는 항목은 보이는 모든 도면에서 동일한 참조 번호로 표시된다.
도 1 은 본 출원의 비제한적인 실시형태에 따라, 앵커에 연결된 프루프 메스 및 앵커의 변위를 검출하기 위한 복수의 보상 구조체를 갖는 MEMS 가속도계의 일부를 개략적으로 나타낸다.
도 2a 는 본 출원의 비제한적인 실시형태에 따라, 한쌍의 고정 전극과 함께 한쌍의 감지 커패시터를 형성하는 빔의 일부를 개략적으로 도시한 도 1의 상세를 나타낸다.
도 2b 는 본 출원의 비제한적인 실시형태에 따라, 한쌍의 고정 전극과 함께 한쌍의 보상 커패시터를 형성하는 빔의 일부를 개략적으로 도시한 도 1의 추가 상세를 나타낸다.
도 3 은 본 출원의 비제한적인 실시형태에 따라, 앵커에 연결된 프루프 메스 및 보상 구조체가 커플링되는 앵커의 변위를 검출하기 위한 복수의 보상 구조체를 갖는 도 1의 MEMS 가속도계에 대한 대안의 MEMS 가속도계의 일부를 개략적으로 나타낸다.
도 4 는 본 출원의 비제한적인 실시형태에 따라, 2개의 상이한 방향에 따른 가속도를 감지하도록 구성되고 MEMS 가속도계의 앵커의 변위를 검출하기 위한 보상 구조체를 포함하는 MEMS 가속도계를 개략적으로 나타낸다.
도 5 는 본 출원의 비제한적인 실시형태에 따라, 프루프 메스를 앵커에 연결하는 예시적인 스프링을 개략적으로 나타낸다.
도 6 은 본 출원의 비제한적인 실시형태에 따라, MEMS 가속도계 및 감지 회로를 포함하는 시스템의 블록도이다.
도 7 은 본 출원의 비제한적인 실시형태에 따라, 도 6 의 시스템이 채택될 수 있는 자동차를 나타낸다.
도 8 은 본 출원의 비제한적인 실시형태에 따라, 도 6 의 시스템을 포함하는 착용식 디바이스를 착용한 테니스 선수를 나타낸다.
마이크로전자기계 시스템(MEMS) 디바이스의 기판에 대한 디바이스의 프루프 메스의 앵커(들) 커플링의 변위는, 이러한 변위가 프루프 메스의 가속도 이외에 앵커 변위로 인한 넌-제로 감지된 신호를 생성할 수 있기 때문에 디바이스의 성능에 부정적으로 영향을 줄 수 있다. 출원인은 면내 가속도를 감지하도록 구성된 가속도계와 같은 MEMS 관성 센서의 정확성이 프루프 메스의 움직임을 검출하는 것과는 개별적으로 앵커의 이러한 변위를 검출함으로써 개선될 수 있다는 것을 인식하였다. 또한, 출원인은 프루프 메스가 다중 앵커에 의해 기판에 커플링될 때, 이러한 앵커의 변위를 개별적으로 검출하는 것은 앵커의 조합된 변위를 검출하는 것보다 우수한 성능을 제공한다는 것을 인식하였다. 따라서, MEMS 관성 센서에는, 예컨대 기판에서 발생하는 응력으로부터 비롯될 수 있는, 관성 센서의 다중 앵커의 변위를 별도로 검출하고 보상하도록 구성된 복수의 보상 구조체가 제공될 수 있다. 본원에서의 "면내 가속도"에 대한 언급은 프루프 메스의 평면에 평행한 방향의 가속도를 지칭한다.
일부 종래의 MEMS 가속도계는 프루프 메스가 연결되는 앵커의 변위를 야기시키는 응력에 취약할 수 있다. 응력의 일례는 온도 변화에 의해 야기될 수 있는 패키징 응력을 포함한다. 다른 열팽창 계수를 가짐으로써, 기판과 패키지는 열 변형에 응답하여 상이한 양만큼 확장될 수 있고, 결과적으로 기계적 응력이 발생할 수 있다. 일부 상황에서, 기계적 응력은 기판의 휘어짐을 초래할 수 있고, 이로써 앵커가 의도한 위치로부터 변위되게 한다.
출원인은 응력이 위치 의존적일 수 있고 기판의 상이한 부분에 위치한 앵커가 상이한 양만큼 및/또는 상이한 방향으로 변위될 수 있음을 인식하였다. 본 출원의 일 양태에 따르면, 가속도계와 같은 MEMS 관성 센서는 복수의 보상 구조체를 이용함으로써 응력에 대한 동작의 취약성을 감소시키도록 구성될 수 있으며, 여기서 각각의 보상 구조체는 각각의 앵커에 연결된다. 이러한 방식으로, 각 앵커의 변위가 정확하게 감지될 수 있다. 보상 구조체는 기판에 부착된 고정 전극과 함께 적어도 하나의 보상 커패시터를 형성하는 빔을 포함할 수 있다. 앵커의 변위에 응답하여, 그러한 보상 커패시터와 연관된 커패시턴스가 달라질 수 있으며, 따라서 변위가 감지될 수 있다. 앵커(들)의 감지된 변위는 프루프 메스의 감지된 움직임으로부터 제거되거나, 또는 이와 다르게 프루프 메스에 의해 감지된 가속도를 보상하는데 사용될 수 있다.
본원의 다른 양태에 따르면, 본원에 기재된 유형의 가속도계와 같은 MEMS 관성 센서는 단일 감지 콤을 위한 2 이상의 보상 구조체를 포함할 수 있다. "센스 콤"은 맞물린 빔 또는 핑거에 의해 형성된 일 세트의 감지 커패시터를 지칭하며, 감지 커패시터는 공통 방향으로 가속도를 감지하도록 구성된다. 센스 콤을 형성하는 센스 커패시터는 일부 실시형태에서 병렬로 연결될 수 있다.
일부 실시형태들에서, 보상 구조체 및 프루프 메스는 동일한 앵커에 연결될 수 있지만, 다른 방식으로 연결될 수 있다. 보상 구조체는 앵커에 견고하게 부착될 수 있는 한편 프루프 메스는 스프링으로 부착될 수 있어, 프루프 메스가 앵커에 대해 상대적으로 이동하게 할 수 있다. 다른 실시형태에서, 보상 구조체는 제 1 앵커에 연결될 수 있고, 프루프 메스는 제 1 앵커와는 다른 제 2 앵커에 연결될 수 있다. 제 1 및 제 2 앵커는 서로 근접하여 배치될 수 있다. 이러한 구성에서, 2개의 앵커는 응력에 응답하여 유사한 변위를 경험할 수 있다.
본원의 다른 양태에 따르면, 본원에 기재된 유형의 MEMS 가속도계는 두 방향에서의 가속도를 감지하도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 이러한 MEMS 가속도계는 x-축과 같은 하나의 방향에서의 앵커의 변위를 감지하도록 구성된 하나 이상의 보상 구조체, 및 y-축과 같은 다른 방향에서의 다른 앵커의 변위를 감지하도록 구성된 하나 이상의 보상 구조체를 포함할 수 있다.
이하, 상술한 양태 및 실시형태, 및 추가 양태 및 실시형태가 더욱 후술된다. 이들 양태 및/또는 실시형태는 개별적으로, 모두 함께, 또는 2 이상의 임의의 조합으로 사용될 수 있으며, 이는 본원이 이와 관련하여 제한되지 않기 때문이다.
도 1 은 본 출원의 비제한적인 실시형태에 따라, 앵커에 연결된 프루프 메스 및 앵커의 변위를 검출하기 위한 복수의 보상 구조체를 갖는 MEMS 가속도계의 일부를 개략적으로 나타낸다. MEMS 가속도계(100)는 프루프 메스(102), 보상 구조체(120 및 122), 앵커(104 및 108), 스프링(105, 106, 109 및 110), 및 고정 전극(114A, 114B, 114C, 114D, 114E, 114F, 114G, 및 114H)을 포함할 수 있다. MEMS 가속도계(100)는 임의의 적절한 방식으로 배열된 부가적인 고정 전극, 보상 구조체 , 앵커 및/또는 스프링과 같은 부가적인 피쳐(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 프루프 메스(102)는 폴리실리콘과 같은 전도성 재료로 형성될 수 있다. 말단에 점선으로 나타낸 바와 같이, 프루프 메스(102)의 일부만이 도시되어 있다. 도 1의 속이찬 원형은 앵커를 나타낸다.
프루프 메스(102)는 앵커(104 및 108)를 통해 MEMS 가속도계(100)의 기판에 연결될 수 있다. 프루프 메스(102)는 스프링(105 및 106)과 같은 하나 이상의 스프링을 통해 앵커(104)에 연결될 수 있다. 일부 실시형태에서, 스프링(105)은 y-축을 따라 연장될 수 있는 반면 스프링(106)은 x-축을 따라 연장될 수 있다. 프루프 메스(102)는 스프링(109 및 110)과 같은 하나 이상의 스프링을 통해 앵커(108)에 연결될 수 있다. 일부 실시형태에서, 스프링(109)은 y-축을 따라 연장될 수 있는 반면 스프링(110)은 x-축을 따라 연장될 수 있다. 프루프 메스(102)는 xy-평면에서의 가속도에 응답하여 이동하도록 구성될 수 있다. 탄성 때문에, 스프링(105, 106, 109 및 110)은 프루프 메스(102)를 그 본래의 위치 또는 휴지 위치로 복원하도록 구성될 수 있다.
프루프 메스(102)는 빔(112A, 112B 및 112C)과 같은 하나 이상의 빔을 포함할 수 있다. 빔(112A, 112B 및 112C)은 또한 본원에서 "핑거" 또는 "감지 전극"으로 지칭될 수도 있다. 각각의 빔은 적어도 하나의 고정 전극과 나란히 연장되어, 하나 이상의 감지 커패시터를 형성할 수 있다. 예를 들어, 빔(112A)은 고정 전극(114B 및 114C)과 나란히 연장될 수 있다. 도 2a 는 MEMS 가속도계(100)의 일 부분(124)을 추가로 상세하게 나타낸다. 도시된 바와 같이, 빔(112A)은 고정 전극(114B)과 함께 제 1 감지 커패시터(CS1)를 형성하고 고정 전극(114C)과 함께 제 2 감지 커패시터(CS2)를 형성할 수 있다. 본원에 기재된 감지 커패시터는 또한 "횡방향 감지 커패시터"로 지칭될 수 있고, 일반적으로 xy-평면과 평행한 평면에서 배향된다. 고정 전극은 폴리 실리콘과 같은 전도성 재료로 형성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 고정 전극(114B)은 포스트(115B)를 통하여 기판에 앵커링될 수 있고 고정 전극(114C)은 포스트(115C)를 통하여 기판에 앵커링될 수 있다. x-축에서의 가속도에 응답하여, 빔(112A)은 화살표(AS1 및 AS2)에 따라 횡방향으로 이동할 수 있다. 빔(112A)이 화살표(AS1)에 따라 이동하는 경우, 빔과 고정 전극(114B) 사이의 거리는 감소할 수 있고 빔과 고정 전극(114C) 사이의 거리는 증가할 수 있다. 따라서, 감지 커패시터(CS1)와 연관된 커패시턴스는 증가할 수 있는 반면, 감지 커패시터(CS2)와 연관된 커패시턴스는 감소할 수 있다. 반대로, 빔(112A)이 화살표(AS2)에 따라 이동하는 경우, 빔과 고정 전극(114B) 사이의 거리는 증가할 수 있고 빔과 고정 전극(114C) 사이의 거리는 감소할 수 있다. 이에 따라, 감지 커패시터(CS1)와 연관된 커패시턴스는 증가할 수 있는 반면, 감지 커패시터(CS2)와 연관된 커패시턴스는 감소할 수 있다. 감지 커패시터(CS1 및 CS2)와 연관된 커패시턴스의 변화를 감지함으로써, x-축에 평행한 방향의 가속도가 감지될 수 있다. 일부 실시형태에서, 감지 커패시터(CS1)와 연관된 커패시턴스의 변화는 제 1 감지 신호를 생성할 수 있고 감지 커패시터(CS2)와 연관된 커패시턴스의 변화는 제 2 감지 신호를 생성할 수 있다. 일부 실시형태에서, 제 1 감지 신호 및 제 2 감지 신호는 차동일 수 있다. 차동 신호는 서로에 대해 π 또는 실질적으로 π의 위상 쉬프트를 갖는 신호이다.
도 1을 다시 참조하면, 빔(112B)은 고정 전극(114D)과 함께 제 1 감지 커패시터를 형성할 수 있고 고정 전극(114E)과 함께 제 2 감지 커패시터를 형성할 수 있다. 빔(112C)은 고정 전극(114F)과 함께 제 1 감지 커패시터를 형성하고 고정 전극(114G)과 함께 제 2 감지 커패시터를 형성할 수 있다. 일부 실시형태에서, 고정 전극(114B, 114D 및 114F)은, 예를 들어 기판 표면 상에 배치된 금속 또는 폴리실리콘 상호접속부를 통해, 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 일부 실시형태에서, 고정 전극(114C, 114E 및 114G)은, 예를 들어 기판의 표면 상에 배치된 금속 또는 폴리실리콘 상호접속부를 통해, 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 도 2a를 참조하여 기재된 바와 같이, 빔(112B 및 112C)은 x-축에 평행한 방향의 가속도에 응답하여 이동하도록 구성될 수 있다. 도 1 은 3개의 빔을 갖는 프루프 메스를 나타내는 한편, 임의의 적절한 개수의 빔이 사용될 수 있다.
x-축에 따른 가속도를 감지하는 것에 부가하여, 본원에 기재된 감지 커패시터는, 일부 상황에서, 패키지 응력과 같은 응력에 응답하여 발생할 수 있는, x-축에 따른 앵커(104) 및/또는 앵커(108)의 변위를 더욱 감지할 수 있다. 하나 이상의 앵커의 변위 감지는 감지 신호를 왜곡시킬 수 있으므로 해로울 수 있다. 예를 들어, 감지 전극 중 하나와 연관된 커패시턴스의 변화는 x-축에 따른 가속도가 없는 경우에도 앵커의 변위로 인해 감지될 수 있다. 이러한 상황에서, MEMS 가속도계(100)의 사용자는 관심의 가속도를 앵커 변위와 구별할 수 없을 수도 있다.
본 출원의 일 양태에 따르면, 보상 구조체(120 및 122)와 같은 하나 이상의 보상 구조체는 앵커 변위를 보상하기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시형태에서, 보상 구조체(120)는 앵커(104)에 연결될 수 있고 보상 구조체(122)는 앵커(108)에 연결될 수 있다. 각각의 보상 구조체는 연결되는 앵커의 변위를 추적하도록 구성될 수 있다. 프루프 메스(102)와 대조적으로, 보상 구조체(120 및 122)는 그 각각의 앵커(104 및 108)에 견고하게 연결될 수 있다. 그 각각의 앵커에 견고하게 연결되어, 보상 구조체(120 및 122)는 x-축과 y-축에 따른 가속도에 덜 민감할 수 있다.
보상 구조체(120)는 빔(121A 및 121B)과 같은 하나 이상의 빔을 포함할 수 있다. 보상 구조체(122)는 빔(123A 및 123B)과 같은 하나 이상의 빔을 포함할 수 있다. 빔(121A, 121B, 123A 및 123B)은 또한 본원에서 "핑거" 또는 "보상 전극"으로 지칭될 수도 있다. 각각의 빔은 적어도 하나의 고정 전극과 나란히 연장되어, 하나 이상의 감지 커패시터를 형성할 수 있다. 예를 들어, 빔(121A)은 고정 전극(114A 및 114B)과 나란하게 연장될 수 있다. 도 2b 는 MEMS 가속도계(100)의 일 부분(125)을 추가로 상세하게 나타낸다. 도시된 바와 같이, 빔(121A)은 고정 전극(114A)과 함께 제 1 보상 커패시터(CC1)를 형성하고 고정 전극(114B)과 함께 제 2 보상 커패시터(CC2)를 형성할 수 있다. 본원에 기재된 보상 커패시터는 또한 "횡방향 보상 커패시터"로 지칭될 수 있고, 이는 일반적으로 xy-평면과 평행한 평면에서 배향된다. 고정 전극은 폴리 실리콘과 같은 전도성 재료로 형성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 고정 전극(114A)은 포스트(115A)를 통하여 기판에 앵커링될 수 있고 고정 전극(114B)은 포스트(115B)를 통하여 기판에 앵커링될 수 있다. x-축에서의 앵커(104)의 변위에 응답하여, 빔(121A)은 화살표(AC1 및 AC2)에 따라 횡방향으로 이동할 수 있다. 빔(121A)이 화살표(AC1)에 따라 이동하는 경우, 빔과 고정 전극(114A) 사이의 거리는 감소할 수 있고 빔과 고정 전극(114B) 사이의 거리는 증가할 수 있다. 이에 따라서, 보상 커패시터(CC1)와 연관된 커패시턴스는 증가할 수 있는 반면, 감지 커패시터(CC2)와 연관된 커패시턴스는 감소할 수 있다. 반대로, 빔(121A)이 화살표(AC2)에 따라 이동하는 경우, 빔과 고정 전극(114A) 사이의 거리는 증가할 수 있고 빔과 고정 전극(114B) 사이의 거리는 감소할 수 있다. 이에 따라서, 보상 커패시터(CC2)와 연관된 커패시턴스는 증가할 수 있는 반면, 감지 커패시터(CC1)와 연관된 커패시턴스는 감소할 수 있다. 보상 커패시터(CC1 및 CC2)와 연관된 커패시턴스의 변화를 감지함으로써, x-축에 평행한 방향의 앵커(104)의 변위가 감지될 수 있다. 일부 실시형태에서, 보상 커패시터(CC1)와 연관된 커패시턴스의 변화는 제 1 보상 신호를 생성할 수 있고 보상 커패시터(CC2)와 연관된 커패시턴스의 변화는 제 2 보상 신호를 생성할 수 있다. 일부 실시형태에서, 제 1 보상 신호 및 제 2 보상 신호는 차동일 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, 빔(121B)은 고정 전극(114C)과 함께 제 1 보상 커패시터를 형성할 수 있고 고정 전극(114D)과 함께 제 2 보상 커패시터를 형성할 수 있다. 빔(123A)은 고정 전극(114E)과 함께 제 1 보상 커패시터를 형성하고 고정 전극(114F)과 함께 제 2 감지 커패시터를 형성할 수 있다. 빔(123B)은 고정 전극(114G)과 함께 제 1 보상 커패시터를 형성하고 고정 전극(114H)과 함께 제 2 감지 커패시터를 형성할 수 있다. 일부 실시형태에서, 고정 전극(114A)은 고정 전극(114C)에 전기적으로 연결될 수 있고, 고정 전극(114B)은 고정 전극(114D)에 전기적으로 연결될 수 있고, 고정 전극(114E)은 고정 전극(114G)에 전기적으로 연결될 수 있고, 그리고 고정 전극(114F)은 고정 전극(114H)에 전기적으로 연결될 수 있다. 도 2b를 참조하여 기재된 바와 같이, 빔(121B)은 x-축에 평행한 방향에서의 앵커(104)의 변위에 응답하여 이동하도록 구성될 수 있는 한편, 빔(123A 및 123B)은 x-축에 평행한 방향에서의 앵커(108)의 변위에 응답하여 이동하도록 구성될 수 있다. 도 1은 각각이 2개의 빔을 갖는 보상 구조체를 도시하고 있지만, 어떠한 적합한 수의 빔도 사용될 수 있다. 더욱 후술되는 바와 같이, 감지 커패시터를 통해 획득된 감지 신호는 보상된 감지 신호를 생성하기 위해 보상 커패시터를 통해 획득된 보상 신호와 조합될 수 있다.
일부 실시형태에서, 적어도 2개의 보상 구조체는 단일 감지 콤과 조합하여 사용될 수 있다. 도 1에 나타낸 비제한적인 예에서, 감지 콤은 빔(112A, 112B 및 112C)과 연관된 감지 커패시터로부터 형성될 수 있다. 나타낸 바와 같이, 보상 구조체(120 및 122)는 이러한 감지 콤과 연관될 수 있다.
도 1에 나타낸 비제한적인 예에서, 프루프 메스 및 적어도 하나의 보상 구조체는 동일한 앵커에 연결된다. 예를 들어, 프루프 메스(102) 및 보상 구조체(120)는 앵커(104)에 커플링된다. 하지만, 본원은 이와 관련하여 제한되는 것은 아니며, 프루프 메스가 하나 이상의 앵커에 연결될 수 있고, 그리고 적어도 하나의 보상 구조체가 별도의 앵커에 연결될 수도 있다. 도 3은 일부 비제한적인 실시형태에 따라, 적어도 2개의 보상 구조체를 포함하는 대안의 MEMS 가속도계의 일부를 나타낸다. MEMS 가속도계(300)는 프루프 메스(302), 보상 구조체(320 및 322), 앵커(304, 308, 318 및 319), 및 스프링(305, 306, 309 및 310)을 포함할 수 있다. MEMS 가속도계(300)는 임의의 적절한 방식으로 배열된 부가적인 고정 전극, 보상 구조체, 앵커 및/또는 스프링과 같은 부가적인 피쳐(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 프루프 메스(302)는 폴리실리콘과 같은 전도성 재료로 형성될 수 있다.
프루프 메스(302)는 스프링(305 및 306)을 통해 앵커(304)에 연결될 수 있고, 그리고 스프링(309 및 310)을 통해 앵커(308)에 연결될 수 있다. 프루프 메스(302)는 빔(312A, 312B, 및 312C)과 같은 하나 이상의 빔을 포함할 수 있고, 이들 각각의 빔은 개별 고정 전극과 함께 하나 이상의 감지 커패시터를 형성할 수 있다. 예를 들어, 빔(312A)은 고정 전극(314B 및 314C)과 함께 감지 커패시터를 형성할 수 있고, 빔(312B)은 고정 전극(314D 및 314E)과 함께 감지 커패시터를 형성할 수 있고, 그리고 빔(312C)은 고정 전극(314F 및 314G)과 함께 감지 커패시터를 형성할 수 있다. 도 1을 참조하여 기재된 바와 같이, 감지 커패시터는 x-축에 따른 가속도를 감지하도록 구성될 수 있다. 도 3은 3개의 빔을 갖는 프루프 메스를 나타내고 있지만, 임의의 적절한 개수의 빔이 사용될 수도 있다. 빔(312A, 312B, 및 312C)은 또한 본원에서 "핑거" 또는 "감지 전극"으로 지칭될 수도 있다.
보상 구조체(320 및 322)는 각각 앵커(318 및 319)에 연결될 수 있다. 앵커(318)는 MEMS 가속도계(300)의 기판 상에서 앵커(304)로부터 일정한 거리를 두고 배치되어 2개의 앵커가 방향 및 강도면에서 유사한 변위를 경험하도록 할 수 있다. 예를 들어, 앵커(304)와 앵커(318) 사이의 거리는 일부 실시형태에서 20㎛ 미만일 수 있거나, 일부 실시형태에서 15㎛ 미만일 수 있거나, 일부 실시형태에서 10㎛ 미만일 수 있거나, 일부 실시형태에서 5㎛ 미만일 수 있거나, 일부 실시형태에서 3㎛ 미만일 수 있거나, 일부 실시형태에서 2㎛ 미만일 수 있거나, 일부 실시형태에서 1㎛ 미만일 수 있거나, 또는 이러한 범위 내의 임의의 값일 수 있다. 앵커(319)는 앵커(308)로부터 일정한 간격을 두고 MEMS 가속도계(300)의 기판 상에 배치되어 2개의 앵커가 방향 및 강도면에서 유사한 변위를 경험하도록 할 수 있다. 예를 들어, 앵커(308)와 앵커(319) 사이의 거리는 앵커(304)와 앵커(318) 사이의 거리와 관련하여 상기에 열거한 것들 중 어느 것일 수 있다.
도 1의 보상 구조체(120 및 122)와 유사하게, 보상 구조체(320 및 322)는 각각 앵커(318 및 319)의 x-축에 따른 변위를 추적하도록 구성될 수 있다. 더욱이, 각각의 앵커에 견고하게 연결되어, 보상 구조체(320 및 322)는 x-축 또는 y-축에 따른 가속도에 덜 민감할 수 있다. 보상 구조체(320)는 빔(321A 및 321B)을 포함할 수 있고, 그리고 보상 구조체(322)는 빔(323A 및 323B)을 포함할 수 있다. 빔(321A, 321B, 323A, 및 321B)은 또한 본원에서 핑거 또는 보상 전극으로 지칭될 수도 있다. 각각의 보상 전극은 하나 이상의 각각의 고정 전극과 함께 하나 이상의 보상 커패시터를 형성할 수 있다. 예를 들어, 빔(321A)은 고정 전극(314A 및 314B)과 함께 보상 커패시터를 형성할 수 있고, 빔(321B)은 고정 전극(314C 및 314D)과 함께 보상 커패시터를 형성할 수 있고, 빔(323A)은 고정 전극(314E 및 314F)과 함께 보상 커패시터를 형성할 수 있고, 빔(323B)은 고정 전극(314G 및 314H)과 함께 보상 커패시터를 형성할 수 있다. 도 3은 각각이 2개의 빔을 갖는 보상 구조체를 도시하고 있지만, 어떠한 적합한 수의 빔도 사용될 수 있다. 더욱 후술되는 바와 같이, 감지 커패시터를 통해 획득된 감지 신호는 보상 커패시터를 통해 획득된 보상 신호와 조합되어 변위 없는 감지 신호를 생성할 수 있다.
일부 실시형태에서, 적어도 2개의 보상 구조체는 단일 감지 콤과 조합하여 사용될 수 있다. 도 3에 나타낸 비제한적인 예에서, 감지 콤은 빔(312A, 312B 및 312C)과 연관된 감지 커패시터로부터 형성될 수 있다. 나타낸 바와 같이, 보상 구조체(320 및 322)는 이러한 감지 콤과 연관될 수 있다.
MEMS 가속도계(100 및 300)는 하나의 방향, 예컨대 x-축에 따른, 가속도를 감지하도록 구성될 수 있다. 하지만, 일부 실시형태는 하나 초과의 방향에서의 가속도를 감지하도록 구성된 MEMS 가속도계를 제공한다. 도 4는 본 출원의 비제한적인 실시형태에 따라, 2개의 상이한 방향에 따른 가속도를 감지하도록 구성되고, 그리고 MEMS 가속도계의 앵커의 변위를 검출하기 위한 보상 구조체를 포함하는 MEMS 가속도계를 개략적으로 나타낸다. MEMS 가속도계(400)는 프루프 메스(402), 보상 구조체(420A, 420B, 420C, 및 420D), 앵커(403A, 403B, 403C, 및 403D), 스프링(404A, 404B, 405A, 405B, 406A, 406B, 407A, 및 407B), 및 고정 빔(414A, 414B, 414C, 414D, 415A, 415B, 415C, 415D, 416A, 416B, 416C, 416D, 417A, 417B, 417C, 및 417D)을 포함할 수 있다.
프루프 메스(402)는 스프링(404A 및 404B)을 통해 앵커(403A)에 연결될 수 있고, 스프링(405A 및 405B)을 통해 앵커(403B)에 연결될 수 있고, 스프링(406A 및 406B)을 통해 앵커(403C)에 연결될 수 있고, 그리고 스프링(407A 및 407B)을 통해 앵커(403D)에 연결될 수 있다. 프루프 메스(402)는 xy-평면에서의 가속도에 응답하여 이동하도록 구성될 수 있다. 프루프 메스(402)는 빔(412A, 412B, 412C, 및 412D)을 포함할 수 있다. 본원에서 핑거 또는 감지 전극이라 지칭되는 이러한 빔 중 각각의 빔은, 하나 이상의 개별 고정 전극과 함께 적어도 하나의 감지 커패시터를 형성할 수 있다. 일부 실시형태에서, 빔(412A)은 고정 전극(414B 및 414C)과 함께 감지 커패시터를 형성할 수 있고, 그리고 빔(412C)은 고정 전극(416B 및 416C)과 함께 감지 커패시터를 형성할 수 있다. 빔(412A 및 412C)과 연관된 커패시턴스는 x-축에 평행한 방향의 가속도에 응답하여 변하도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 빔(412B)은 고정 전극(415B 및 415C)과 함께 감지 커패시터를 형성할 수 있고, 그리고 빔(412D)은 고정 전극(417B 및 417C)과 함께 감지 커패시터를 형성할 수 있다. 빔(412B 및 412D)과 연관된 커패시턴스는 y-축에 평행한 방향의 가속도에 응답하여 변하도록 구성될 수 있다. 도 4는 4개의 빔을 갖는 프루프 메스를 나타내고 있지만, x 및/또는 y 방향에서의 가속도에 응답하여 커패시턴스를 형성하도록 구성된 하나 이상의 빔을 포함하여, 임의의 다른 적절한 개수의 빔이 사용될 수도 있다.
보상 구조체(420A)는 앵커(403A)에 견고하게 연결될 수 있고 빔(421A 및 421B)과 같은 하나 이상의 빔을 포함할 수 있다. 빔(421A)은 고정 전극(417A 및 417B)과 함께 보상 커패시터를 형성할 수 있다. 이러한 보상 커패시터는 y-축에 평행한 방향에서의 앵커(403A)의 변위를 감지하도록 구성될 수 있다. 빔(421B)은 고정 전극(414A 및 414B)과 함께 보상 커패시터를 형성할 수 있다. 이러한 보상 커패시터는 x-축에 평행한 방향에서의 앵커(403A)의 변위를 감지하도록 구성될 수 있다. 보상 구조체(420A)는 2개의 빔에 반드시 제한되는 것은 아니다. 일부 실시형태에서, 보상 구조체는 x-축에 따른 앵커 변위를 감지하기 위한 적어도 2개의 보상 전극 및/또는 y-축에 따른 앵커 변위를 감지하기 위한 적어도 2개의 보상 전극을 포함할 수 있다.
보상 구조체(420B)는 앵커(403B)에 견고하게 연결될 수 있고 빔(422A 및 422B)과 같은 하나 이상의 빔을 포함할 수 있다. 빔(422A)은 고정 전극(415A 및 415B)과 함께 보상 커패시터를 형성할 수 있다. 이러한 보상 커패시터는 y-축에 평행한 방향에서의 앵커(403B)의 변위를 감지하도록 구성될 수 있다. 빔(422B)은 고정 전극(414C 및 414D)과 함께 보상 커패시터를 형성할 수 있다. 이러한 보상 커패시터는 x-축에 평행한 방향에서의 앵커(403B)의 변위를 감지하도록 구성될 수 있다. 보상 구조체(420B)는 2개의 빔에 반드시 제한되는 것은 아니다. 일부 실시형태에서, 보상 구조체는 x-축에 따른 앵커 변위를 감지하기 위한 적어도 2개의 보상 전극 및/또는 y-축에 따른 앵커 변위를 감지하기 위한 적어도 2개의 보상 전극을 포함할 수 있다.
보상 구조체(420C)는 앵커(403C)에 견고하게 연결될 수 있고 빔(423A 및 423B)과 같은 하나 이상의 빔을 포함할 수 있다. 빔(423A)은 고정 전극(415C 및 415D)과 함께 보상 커패시터를 형성할 수 있다. 이러한 보상 커패시터는 y-축에 평행한 방향에서의 앵커(403C)의 변위를 감지하도록 구성될 수 있다. 빔(423B)은 고정 전극(416C 및 416D)과 함께 보상 커패시터를 형성할 수 있다. 이러한 보상 커패시터는 x-축에 평행한 방향에서의 앵커(403C)의 변위를 감지하도록 구성될 수 있다. 보상 구조체(420C)는 2개의 빔에 반드시 제한되는 것은 아니다. 일부 실시형태에서, 보상 구조체는 x-축에 따른 앵커 변위를 감지하기 위한 적어도 2개의 보상 전극 및/또는 x-축에 따른 앵커 변위를 감지하기 위한 적어도 2개의 보상 전극을 포함할 수 있다.
보상 구조체(420D)는 앵커(403D)에 견고하게 연결될 수 있고 빔(424A 및 424B)과 같은 하나 이상의 빔을 포함할 수 있다. 빔(424A)은 고정 전극(417C 및 417D)과 함께 보상 커패시터를 형성할 수 있다. 이러한 보상 커패시터는 y-축에 평행한 방향에서의 앵커(403D)의 변위를 감지하도록 구성될 수 있다. 빔(424B)은 고정 전극(416A 및 416B)과 함께 보상 커패시터를 형성할 수 있다. 이러한 보상 커패시터는 x-축에 평행한 방향에서의 앵커(403D)의 변위를 감지하도록 구성될 수 있다. 보상 구조체(420D)는 2개의 빔에 반드시 제한되는 것은 아니다. 일부 실시형태에서, 보상 구조체는 x-축에 따른 앵커 변위를 감지하기 위한 적어도 2개의 보상 전극 및/또는 y-축에 따른 앵커 변위를 감지하기 위한 적어도 2개의 보상 전극을 포함할 수 있다.
더욱 후술되는 바와 같이, 감지 커패시터를 통해 획득된 감지 신호는 보상 커패시터를 통해 획득된 보상 신호와 조합되어 보상된 감지 신호를 생성할 수 있다.
본 출원의 하나의 양태에 따르면, 본원에 기재된 유형의 MEMS 가속도계의 프루프 메스는 하나 이상의 스프링을 통해 앵커에 연결된다. 앵커에 탄성적으로 연결되면 프루프 메스가 xy-평면에서의 가속도에 응답하여 자유롭게 이동하게 할 수 있다. 프루프 메스의 앵커에 대한 연결을 위한 스프링의 비제한적인 예는 도 5에 나타내진다. 나타낸 바와 같이, 앵커(504)는 스프링(507)을 통해 프루프 메스(502)에 연결될 수 있다. 스프링(507)은 y-축에 평행하게 배열되는 하나 이상의 빔(508) 및 x-축에 평행하게 배열되는 하나 이상의 빔(509)을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 빔은 동일한 길이를 가질 수 있다. 하지만, 본원은 이와 관련하여 제한되는 것은 아니며, 길이가 상이한 빔이 사용될 수 있다. 빔은 x-축 및/또는 y-축에서의 가속도에 응답하여 플렉스하도록 구성될 수 있고, 이로써 프루프 메스가 이동할 수 있게 된다. 스프링(507)은 MEMS 가속도계(100, 300 및 400)의 스프링 중 임의의 스프링 역할을 할 수 있다. 제 1 방향으로 배향된 하나 이상의 빔 및 제 2 방향으로 배향된 하나 이상의 빔을 포함하는 스프링은 "멀티-세그먼트화 스프링"으로 지칭될 수 있다.
도 1, 도 2 및 도 4와 관련하여 기재된 바와 같이, 보상 커패시터를 통해 획득된 보상 신호는 하나 이상의 앵커의 변위를 보상하는데 사용될 수 있다. 일부 실시형태에서, 본원에 기재된 유형의 MEMS 관성 센서, 예컨대 가속도계는 보상 신호로 감지 신호를 보상하도록 구성된 회로에 연결될 수 있다. 도 6 은 MEMS 가속도계(602), 전력 유닛(604), 감지 회로(606) 및 입/출력(I/O) 인터페이스(608)를 포함하는 시스템(600)을 나타낸 블록도이다. MEMS 가속도계(602)는 MEMS 가속도계(100, 200 또는 400)의 역할을 할 수 있다. 일부 실시형태에서, 감지 회로(606) 및 MEMS 가속도계(602)는 실리콘 기판과 같은 동일한 기판 상에 배치될 수 있다. 다른 실시형태에서, 감지 회로(606) 및 MEMS 가속도계(602)는, 서로 본딩될 수 있고 및/또는 공통의 하우징 내에서 패키징될 수 있는, 별도의 기판 상에 배치될 수 있다. 일부 실시형태에서, MEMS 가속도계(602)는, 예를 들어 xy-평면에 직교하는 방향에서의, 평면외 가속도를 감지하도록 구성된 가속도를 더 포함할 수 있다. 이러한 평면외 가속도는 하나 이상의 앵커의 변위를 감지하도록 구성된 하나 이상의 보상 구조체를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, MEMS 가속도계(602)는, 1개, 2개 또는 3개의 축 주변의 각 가속도를 감지하도록 구성된 하나 이상의 각 가속도계를 더 포함할 수 있다.
감지 회로(606)는 하나 이상의 감지 커패시터를 통해 획득된 감지 신호 및 하나 이상의 보상 커패시터를 통해 획득된 보상 신호를 수신하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, x-축에 평행한 방향에서의 가속도에 응답하여, 감지 회로(606)는 감지 커패시터(CS1)와 연관된 커패시턴스의 변화(ΔCS1)에 비례하는 신호(SS1)를 생성하고, 그리고 감지 커패시터(CS2)와 연관된 커패시턴스의 변화(ΔCS2)에 비례하는 신호(SS2)를 생성하도록 구성될 수 있다. 더욱이, x-축에 평행한 방향에서의 앵커(104)의 변위에 응답하여, 감지 회로(606)는 보상 커패시터(Cc1)와 연관된 커패시턴스의 변화(ΔCC1)에 비례하는 신호(SC1)를 생성하고, 그리고 보상 커패시터(CC2)와 연관된 커패시턴스의 변화(ΔCC2)에 비례하는 신호(SC2)를 생성하도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 감지 회로(606)는 하기 식에 따른 SS1, SS2, SC1 및 SC2 를 조합함으로써 보상된 감지 신호(Scomp)를 생성하도록 구성될 수 있다:
Scomp = SS1 + SC2 - (SS2 + SC1)
일부 실시형태에서, 보상된 신호는 MEMS 가속도계에 의해 경험된 가속도에 비례하도록, 그리고 앵커의 변위에 덜 민감하도록 구성될 수 있다.
일부 실시형태에서, 감지 커패시터 및 보상 커패시터는 다음에 의해 제공된 변화(총 커패시턴스의 변화)(CT)를 갖는 커패시터를 제공하도록 연결될 수 있다:
CT = CS1 + CC2 - (CS2 + CC1).
CS1, CS2, CC1 및 CC1 은, 가속도의 부재시, CT = 0 가 되도록 구성될 수 있다. 주어진 가속도하에서 변위가 발생할 때, CS1 및 CS2와 연관된 커패시턴스는 동일한 양의 dC 만큼 반대의 극성을 가지고 변할 수 있는 한편, CC1 및 CC2와 연관된 커패시턴스는 보상 구조체의 스티프니스가 감지 구조체의 스티프니스보다 상당히 크다는 사실로 인해 대개는 변하지 않은 채일 수 있다. 그 결과, 보상 구조체에서의 결과적인 변위는 감지 구조체에서의 변위보다 상당히 작을 수 있다. 가속도의 존재시, CT는 다음에 의해 제공될 수 있다:
CT = CS1 + dC + CC2 - (CS2 - dC + CC1) = 2dC
일부 실시형태들에서, CS1 = CS2
Figure 112019010968109-pct00001
CC1 = CC2. 이러한 실시형태에서, 앵커 변위가 발생할 때, CS1, CS2, CC1 및 CC2 와 연관된 커패시턴스는 동일한 양(δC)만큼 변할 수 있다. 이러한 상황에서, CT는 다음에 의해 제공될 수 있다:
CT = CS1 + δC + CC2 - δC - (CS2 - δC + CC1 + δC) = 0
결과적으로, CT 는 일부 실시형태에서 제로와 동일하며, 이로써 앵커 변위를 반영하지 않는 보상된 감지 신호를 제공한다.
비교를 위해, 본원에 기재된 유형의 보상 구조체가 구비되지 않은 MEMS 가속도계가 이하에서 고려된다. 이러한 상황에서, 감지 커패시터는 다음에 의해 제공된 커패시턴스(CTT)의 변화를 갖는 커패시터를 제공하기 위해 연결될 수 있다:
CTT = CS1 - CS2
변위는 주어진 가속도하에서 발생하는 경우, CS1 및 CS2 와 연관된 커패시턴스는 동일한 양(dC) 만큼 반대의 극성을 가지고 변할 수 있고, 이로써 다음이 유도된다:
CTT = CS1 + dC - (CS2 - dC) = 2dC
이 상황에서, 앵커 변위가 주어진 응력 또는 다이 변형하에서 발생할 때, CS1 및 CS2 와 연관된 커패시턴스는 동일한 양(δC)만큼 변할 수 있고, 이로써 다음이 유도된다:
CTT = CS1 + δC - (CS2 - δC) = 2δC
가속도 및 앵커 변위에 덜 민감하므로, 오프셋 에러가 발생할 수 있다.
시스템(600)은, 유선 연결을 통해 또는 무선으로, 보상된 감지 신호를 컴퓨터, 스마트폰, 태블릿, 스마트워치, 스마트글래스, 또는 임의의 다른 적합한 수신 디바이스와 같은 외부 모니터링 시스템에 주기적으로 송신할 수 있다. I/O 인터페이스(608)는 Wi-Fi, 블루투스, BLE(Bluetooth Low Energy), Zigbee, 스레드(Thread), ANT, ANT+, IEEE 802.15.4, IEEE 802.11.ah, 또는 임의의 다른 적합한 무선 통신 프로토콜을 통해 데이터를 송신 및/또는 수신하도록 구성될 수 있다. 대안으로, 또는 부가적으로, I/O 인터페이스(608)는 사유 연결성(proprietary connectivity) 프로토콜을 사용하여 데이터를 송신 및/또는 수신하도록 구성될 수 있다. I/O 인터페이스(608)는 마이크로스트립 안테나와 같은 하나 이상의 안테나를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, I/O 인터페이스(608)는 케이블에 연결될 수 있고 케이블을 통해 신호를 송신 및/또는 수신하도록 구성될 수 있다.
시스템(600)은 전력 유닛(604)을 사용하여 전력 공급될 수 있다. 전력 유닛은 감지 회로(606), I/O 인터페이스(608), MEMS 가속도계(602), 또는 이들의 임의의 적합한 조합물에 전력 공급하도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 전력 유닛(604)은 하나 이상의 배터리를 포함할 수 있다. 시스템(600)은, 적어도 일부 실시형태에서, 오로지 배터리 전력에만 기초하여 연장 기간 동안의 동작을 허용하기 위해 충분히 적은 전력을 소비할 수 있다. 배터리 또는 배터리들은 일부 실시형태에서 충전될 수 있다. 전력 유닛(604)은 하나 이상의 리튬 이온 배터리, 리튬 폴리머(LiPo) 배터리, 수퍼-커패시터-기반의 배터리 알칼리성 배터리, 알루미늄 이온 배터리, 수은 배터리, 드라이-셀 배터리 아연-탄소 배터리, 니켈-카드뮴 배터리, 흑연 배터리 또는 임의의 다른 적합한 유형의 배터리를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 전력 유닛(604)은 AC 전력을 DC 전력으로 변환하기 위한 회로를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전력 유닛(604)은 시스템(600) 외부에 있는 전력원으로부터, I/O 인터페이스(608)를 통해 AC 전력을 수신할 수 있고, 그리고 시스템(600)의 일부 또는 모든 컴포넌트에 DC 전력을 제공할 수 있다. 이러한 상황에서, 전력 유닛(604)은 정류기, 전압 조절기, DC-DC 컨버터, 또는 전력 변환을 위한 임의의 다른 적합한 장치를 포함할 수 있다.
전력 유닛(604)은 일부 실시형태에서 에너지 수확 컴포넌트 및/또는 에너지 저장 컴포넌트를 포함할 수 있다. 에너지는 필요에 따라 시스템(600)에 전력 공급하기 위해 주변 환경으로부터 수확 및 저장될 수 있으며, 이는 주기적, 랜덤, 또는 연속 전력 공급을 포함할 수 있다. 구현되는 에너지 수확 컴포넌트의 유형은 시스템(600)의 예기된 환경에 기초하여, 예를 들어 다른 가능성 있는 고려사항들 중에서 시스템(600)이 경험할 개연성이 있는 움직임의 예기된 크기 및 빈도, 시스템이 경험할 개연성이 있는 응력의 양, 시스템이 경험할 개연성이 있는 광 노출량, 및/또는 시스템이 노출될 개연성이 있는 온도(들)에 기초하여 선택될 수 있다. 적합한 에너지 수확 기술의 예는 열전기(thermoelectric) 에너지 수확, 자기 진동 수확, 전기 과부하 수확, 광전지 수확, 무선 주파수 수확, 및 운동 에너지 수확을 포함한다. 에너지 저장 컴포넌트는 일부 실시형태에서 수퍼커패시터를 포함할 수 있다.
시스템(600)은 그 중에서 스포츠, 의료, 군사, 및 산업용 애플리케이션을 포함하여 가속도를 검출하기 위한 다양한 세팅에 배치될 수 있다. 일부 비제한적인 실시형태가 이제 기술된다. 시스템(600)은 스포츠 관련 신체 활동 및 성능, 환자 건강, 군대 활동, 또는 사용자의 관심의 다른 애플리케이션을 모니터링하는데 배치되는 착용식 센서일 수 있다.
하나의 이러한 세팅은 자동차, 또는 다른 운송 수단, 예컨대 보트 및 항공기에 있다. 도 7은 본원에 기재된 유형의 센서 시스템이 차에 채택되는 일례를 나타내다. 도 7의 예에서, 자동차(700)는 유선 또는 무선 연결에 의해 차의 온보드 컴퓨터(704)에 커플링된 제어 유닛(701)을 포함한다. 제어 유닛(701)은 도 6의 시스템(600)을 포함할 수 있다. 시스템(600)은 자동차(700)의 적합한 부분에 부착된 패키지 또는 하우징을 포함할 수 있고, 그리고 본원에 기재 된 유형의 MEMS 가속도계를 포함할 수 있다. MEMS 가속도계는 일례로서 구동 방향을 따라 및/또는 구동 방향에 직교하여 가속도를 감지할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, MEMS 가속도계는 수직 가속도를 감지하여, 예를 들어 서스펜션의 상태를 모니터링하도록 구성될 수 있다. 제어 유닛(701)은 온보드 컴퓨터(704)로부터 전력 및 제어 신호를 수신할 수 있고, 그리고 본원에 기재된 유형의 보상된 감지 신호와 같은 감지 신호를 온보드 컴퓨터(704)에 공급할 수 있다. 일부 상황에서, 제어 유닛(701) 내의 온도 변화는 그 안에 배치된 MEMS 가속도계에 응력을 유도할 수 있다. 도 6과 관련하여 기재된 방식으로의 시스템(600)의 동작은 이러한 응력의 충격을 완화하거나, 또는 제거할 수 있다.
또 다른 세팅은 테니스와 같은 스포츠 응용을 위한 착용식 디바이스에 있다.　 도 8은 라켓(802)을 잡고, 그리고 손목 밴드(830) 및 다리 밴드(832)를 착용하고 있는 테니스 선수(801)를 나타낸다. 라켓(802)은 그 위에 부착된 하나 이상의 디바이스, 예컨대 디바이스(804 및 806)를 포함할 수 있다. 이러한 디바이스는 각각 시스템(600)을 포함할 수 있고, 그리고 각 가속도 및/또는 선형 가속도를 검출하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 라켓(802)의 그립에 장착된 디바이스(804)는 라켓의 핸들과 연관된 가속도를 감지하도록 구성될 수 있다. 라켓의 헤드에 장착된 디바이스(806)는 라켓의 헤드의 임의의 적합한 부분, 예컨대 라켓의 팁과 연관된 가속도를 감지하도록 구성될 수 있다. 디바이스(804 및 806)는 일부 실시형태에서 라켓 프레임 또는 본체 내에 내장될 수 있다. 일부 실시형태에서, 라켓(802)에 의해 경험되는 가속도와 연관된 데이터는 테니스를 치는 선수의 능력의 표시를 제공할 수 있다. 예를 들어, 포핸드 동작 또는 백핸드 동작에 관한 정보가 얻어질 수 있다. 선수(801)는 하나 이상의 착용식 디바이스, 예컨대 손목 밴드(830) 및/또는 다리 밴드(832)를 착용할 수 있다. 이러한 착용식 디바이스는 각각 시스템(600)을 구비할 수 있으며, 각도 및/또는 선형 가속도를 감지하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 손목 밴드에 위치한 시스템(600)은 선수의 팔의 움직임에 대한 정보를 제공하도록 구성될 수 있는 한편, 다리 밴드에 위치한 시스템(600)은 선수의 다리의 움직임에 대한 정보를 제공하도록 구성될 수 있다.
가속도계와 관련하여 보상 구조체가 설명되었지만, 본 출원은 이에 국한되지는 않는다. 본원에 기재된 유형의 보상 구조체는 자이로스코프, 공진기, 스위치, 또는 임의의 다른 적합한 MEMS 디바이스와 관련하여 하나 이상의 앵커의 변위를 감지하는데 사용될 수 있다.　　　 　
본 출원의 양태는 하나 이상의 이점을 제공할 수 있고, 그 일부는 앞서 기재하였다. 이하, 이러한 이점 중 일부 비제한적인 예가 기재되어 있다. 모든 양태 및 실시형태가 지금 설명된 모든 이점을 반드시 제공하는 것은 아님을 이해해야 한다. 또한, 본 출원의 양태가 지금 설명된 것들에 추가 이점을 제공할 수 있음을 이해해야 한다.
본 출원의 양태는 패키지 응력과 같은 응력에 대한 민감도가 감소된 MEMS 가속도계를 제공한다. 일부 상황에서, 응력은 MEMS 가속도계의 기판에 걸쳐 불균일할 수 있으며, 따라서 다른 앵커가 다른 변위를 경험하게 할 수 있다. 일부 실시형태는 복수의 앵커를 갖는 MEMS 관성 센서, 예컨대 가속도계를 제공하며, 여기서 각각의 앵커가 보상 구조체에 연결될 수 있다. 이러한 방식으로, 각 앵커의 변위를 독립적으로 감지할 수 있다.　　　
용어 "대략" 및 "약"은 일부 실시형태에서 목표 값의 ±20% 이내, 일부 실시형태에서 목표 값의 ±10% 이내, 일부 실시형태에서 목표 값의 ±5% 이내, 그리고 일부 실시형태에서 목표 값의 ±2% 이내를 의미하는 것으로 사용될 수 있다. 용어 "대략" 및 "약"은 목표 값을 포함할 수도 있다.　　　

Claims (20)

  1. 마이크로 전자-기계 시스템(micro electro-mechanical system, MEMS) 가속도계로서,
    기판에 연결된 복수의 앵커들;
    하나 이상의 개별 스프링을 통해 상기 복수의 앵커들 중 적어도 제 1 및 제 2 앵커들에 연결된 프루프 메스;
    상기 기판에 연결되고 제 1 고정 전극 및 제 2 고정 전극을 포함하는 복수의 고정 전극들;
    상기 프루프 메스에 연결되고 상기 복수의 고정 전극들 중 적어도 하나와 함께 하나 이상의 감지 커패시터를 형성하는 하나 이상의 감지 전극으로서, 상기 하나 이상의 감지 커패시터는 상기 프루프 메스의 횡방향 가속도를 감지하도록 구성되는, 상기 하나 이상의 감지 전극; 및
    상기 제 1 및 제 2 앵커들에 각각 견고하게 연결된 제 1 및 제 2 보상 구조체들로서, 상기 제 1 보상 구조체는 상기 제 1 고정 전극과 함께 제 1 횡방향 보상 커패시터를 형성하는 제 1 보상 전극을 포함하고 상기 제 2 보상 구조체는 상기 제 2 고정 전극과 함께 제 2 횡방향 보상 커패시터를 형성하는 제 2 보상 전극을 포함하는, 상기 제 1 및 제 2 보상 구조체들을 포함하는, 마이크로 전자-기계 시스템 가속도계.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 앵커에 견고하게 연결되고 상기 복수의 고정 전극들 중 제 3 고정 전극과 함께 제 3 횡방향 보상 커패시터를 형성하는 제 3 보상 전극을 포함하는 제 3 보상 구조체를 더 포함하고, 상기 제 1 횡방향 보상 커패시터는 상기 제 1 앵커의 제 1 횡방향으로의 변위에 응답하고 상기 제 3 횡방향 보상 커패시터는 상기 제 1 앵커의 상기 제 1 횡방향과 상이한 제 2 횡방향으로의 변위에 응답하는, 마이크로 전자-기계 시스템 가속도계.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제 1 횡방향 및 상기 제 2 횡방향은 직교하는, 마이크로 전자-기계 시스템 가속도계.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 고정 전극들의 각각은 하나 이상의 포스트를 통해 상기 기판에 연결되는, 마이크로 전자-기계 시스템 가속도계.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 하나 이상의 감지 전극은 제 1 감지 전극 및 제 2 감지 전극을 포함하고, 그리고 상기 제 1 감지 전극은 상기 제 1 고정 전극과 함께 제 1 감지 커패시터를 형성하고 상기 제 2 감지 전극은 상기 제 2 고정 전극과 함께 제 2 감지 커패시터를 형성하는, 마이크로 전자-기계 시스템 가속도계.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 하나 이상의 감지 커패시터는 제 1 감지 커패시터이고, 그리고 상기 하나 이상의 감지 전극은 상기 복수의 고정 전극들 중 제 3 고정 전극과 함께 제 2 감지 커패시터를 형성하고, 그리고 상기 제 1 감지 커패시터 및 상기 제 2 감지 커패시터는 한쌍의 차동 신호들을 생성하도록 구성되는, 마이크로 전자-기계 시스템 가속도계.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 보상 전극은 상기 복수의 고정 전극들 중 제 3 고정 전극과 함께 제 3 횡방향 보상 커패시터를 형성하고, 그리고 상기 제 1 및 제 3 횡방향 보상 커패시터들은 한쌍의 차동 신호들을 생성하도록 구성되는, 마이크로 전자-기계 시스템 가속도계.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 횡방향 보상 커패시터는 상기 제 1 앵커의 제 1 횡방향으로의 변위에 응답하고 상기 제 2 횡방향 보상 커패시터는 상기 제 2 앵커의 상기 제 1 횡방향으로의 변위에 응답하는, 마이크로 전자-기계 시스템 가속도계.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판 내에 배치된 감지 회로를 더 포함하며, 상기 감지 회로는 상기 제 1 횡방향 보상 커패시터를 통해 획득된 보상 신호와 감지 신호를 조합함으로써 상기 제 1 앵커의 변위를 위한 상기 하나 이상의 감지 커패시터의 커패시턴스 변화를 나타내는 감지 신호를 보상하도록 구성되는, 마이크로 전자-기계 시스템 가속도계.
  10. 마이크로 전자-기계 시스템 가속도계로서,
    기판;
    제 1 앵커;
    스프링을 통해 상기 제 1 앵커에 연결되고 상기 기판에 연결되는 프루프 메스;
    상기 기판에 연결되고 제 1 고정 전극을 포함하는 복수의 고정 전극들;
    상기 프루프 메스에 연결되고 상기 복수의 고정 전극들 중 적어도 하나와 하나 이상의 감지 커패시터를 형성하는 하나 이상의 감지 전극으로서, 상기 하나 이상의 감지 커패시터는 상기 프루프 메스의 횡방향 가속도를 감지하도록 구성되는, 상기 하나 이상의 감지 전극;
    상기 기판에 커플링되고 상기 프루프 메스에 커플링되지 않는 제 2 앵커; 및
    상기 제 2 앵커에 견고하게 연결되고 상기 제 1 고정 전극과 함께 횡방향 보상 커패시터를 형성하는 보상 전극을 포함하는 보상 구조체를 포함하는, 마이크로 전자-기계 시스템 가속도계.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제 1 앵커는 상기 제 2 앵커에 전기적으로 연결되는, 마이크로 전자-기계 시스템 가속도계.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 제 1 앵커는 상기 제 2 앵커으로부터 20㎛ 미만의 거리에 배치되는, 마이크로 전자-기계 시스템 가속도계.
  13. 청구항 10에 있어서,
    상기 보상 구조체는 제 1 보상 구조체이고, 상기 보상 전극은 제 1 보상 전극이고, 그리고 상기 횡방향 보상 커패시터는 제 1 횡방향 보상 커패시터이고, 상기 마이크로 전자-기계 시스템(MEMS) 가속도계는:
    상기 제 2 앵커에 견고하게 연결되고 상기 복수의 고정 전극들 중 제 2 고정 전극과 함께 제 2 횡방향 보상 커패시터를 형성하는 제 2 보상 전극을 포함하는 제 2 보상 구조체를 더 포함하고, 상기 제 1 횡방향 보상 커패시터는 상기 제 2 앵커의 제 1 횡방향으로의 변위에 응답하고 상기 제 2 횡방향 보상 커패시터는 상기 제 2 앵커의 상기 제 1 횡방향과 상이한 제 2 횡방향으로의 변위에 응답하는, 마이크로 전자-기계 시스템 가속도계.
  14. 청구항 10에 있어서,
    상기 하나 이상의 감지 커패시터는 제 1 감지 커패시터이고, 그리고 상기 하나 이상의 감지 전극은 상기 복수의 고정 전극들 중 제 2 고정 전극과 함께 제 2 감지 커패시터를 형성하고, 그리고 상기 제 1 감지 커패시터 및 상기 제 2 감지 커패시터는 한쌍의 차동 신호들을 생성하도록 구성되는, 마이크로 전자-기계 시스템 가속도계.
  15. 청구항 10에 있어서,
    상기 보상 커패시터는 제 1 횡방향 보상 커패시터이고, 그리고
    상기 보상 전극은 상기 복수의 고정 전극들 중 제 2 고정 전극과 함께 제 2 횡방향 보상 커패시터를 형성하고, 그리고 상기 제 1 및 제 2 횡방향 보상 커패시터들은 한쌍의 차동 신호들을 생성하도록 구성되는, 마이크로 전자-기계 시스템 가속도계.
  16. 청구항 10에 있어서,
    상기 기판 내에 배치된 감지 회로를 더 포함하며, 상기 감지 회로는 상기 횡방향 보상 커패시터를 통해 획득된 보상 신호와 감지 신호를 조합함으로써 상기 제 2 앵커의 변위를 위한 상기 하나 이상의 감지 커패시터의 커패시턴스 변화를 나타내는 감지 신호를 보상하도록 구성되는, 마이크로 전자-기계 시스템 가속도계.
  17. 방법으로서,
    적어도 하나의 감지 커패시터를 사용하여 프루프 메스의 횡방향 가속도들을 감지하는 단계로서, 상기 적어도 하나의 감지 커패시터는 상기 프루프 메스에 연결된 제 1 감지 전극 및 기판에 연결된 제 1 고정 전극을 포함하고, 상기 프루프 메스는 제 1 스프링을 통해 제 1 앵커 및 제 2 스프링을 통해 제 2 앵커에 연결되고, 그리고 상기 제 1 및 제 2 앵커들은 상기 기판에 연결되는, 상기 프루프 메스의 횡방향 가속도들을 감지하는 단계;
    제 1 횡방향 보상 커패시터를 사용하여 상기 제 1 앵커의 제 1 변위를 검출하는 단계로서, 상기 제 1 횡방향 보상 커패시터는 상기 제 1 앵커에 견고하게 연결된 제 1 보상 전극 및 상기 기판에 연결된 제 2 고정 전극을 포함하는, 상기 제 1 앵커의 제 1 변위를 검출하는 단계; 및
    제 2 횡방향 보상 커패시터를 사용하여 상기 제 2 앵커의 제 2 변위를 검출하는 단계로서, 상기 제 2 횡방향 보상 커패시터는 상기 제 2 앵커에 견고하게 연결된 제 2 보상 전극 및 상기 기판에 연결된 제 3 고정 전극을 포함하는, 상기 제 2 앵커의 제 2 변위를 검출하는 단계를 포함하는, 방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 제 1 보상 전극은 상기 제 2 앵커에 연결되지 않고 상기 제 2 보상 전극은 상기 제 1 앵커에 연결되지 않는, 방법.
  19. 청구항 17에 있어서,
    상기 제 1 앵커의 상기 제 1 변위는 제 1 횡방향을 따르고, 상기 방법은:
    제 3 횡방향 보상 커패시터를 사용하여 상기 제 1 앵커의 상기 제 1 횡방향과 상이한 제 2 횡방향을 따른 제 3 변위를 검출하는 단계를 더 포함하고, 상기 제 3 횡방향 보상 커패시터는 상기 제 1 앵커에 견고하게 연결된 제 3 보상 전극 및 상기 기판에 연결된 제 3 고정 전극을 포함하는, 방법.
  20. 청구항 17에 있어서,
    감지 회로를 사용하여 감지 신호를 보상하는 단계를 더 포함하고, 상기 감지 신호는 상기 제 1 횡방향 보상 커패시터를 통해 획득된 보상 신호와 상기 감지 신호를 조합함으로써 상기 제 1 앵커의 변위를 위한 상기 적어도 하나의 감지 커패시터의 커패시턴스 변화를 나타내는, 방법.
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