加速度傳感器結(jié)構(gòu)及其使用的制作方法
【專利摘要】一種MEMS傳感器結(jié)構(gòu)，其包括第一構(gòu)件和第二構(gòu)件，所述第一構(gòu)件和所述第二構(gòu)件彼此耦合以用于雙差分檢測，且所述第一構(gòu)件和所述第二構(gòu)件被對稱地安置著從而以相移的方式提供用于雙差分檢測的量。如果所述傳感器變形，那么因為所述第一構(gòu)件和所述第二構(gòu)件的特定的對稱安置，所以至少部分地消除了該位移的影響。
【專利說明】加速度傳感器結(jié)構(gòu)及其使用

【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明一般而言涉及MEMS(micro-electro-mechanical system:微機電系統(tǒng))，但是更具體地而言涉及如針對MEMS傳感器結(jié)構(gòu)的獨立權(quán)利要求的前序中所表述的加速度傳感器結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還涉及如各個獨立權(quán)利要求的前序中所表述的傳感器結(jié)構(gòu)矩陣、傳感器裝置和系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]對主體的加速度進行感測從而提供依賴于在作用力的影響下所述主體的動力學狀態(tài)的信號，是被廣泛應用的用于判定主體的位置和/或地點的方法。為了該目的，能夠使用各種各樣的傳感器，但是MEMS結(jié)構(gòu)因為它們的小尺寸所以適合于許多應用。在微電子學中，日益增長的需求已使得可以開發(fā)出越來越好的結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)在許多領域中遇到的用途，所述許多領域例如涉及車輛、家用電器、衣服、鞋，這里僅僅提及了一些應用領域，在這些應用領域中，專利類別可能會包括與MEMS有關的加速度傳感器。
[0003]然而，在本專利申請的 優(yōu)先權(quán)日:，已知的MEMS結(jié)構(gòu)遇到了一些會限制它們在工業(yè)中的使用的問題?；蛘?，能夠把使用加速度傳感器的有關產(chǎn)品做成得充分滿足它們的所期望的目的，但是現(xiàn)有技術(shù)的MEMS結(jié)構(gòu)的使用可能會需要附加的信號處理、誤差校正和/或補償構(gòu)件以及解決方案，以便獲得能實現(xiàn)其目的的部件。MEMS部件的操作能夠通過外部的機電構(gòu)件而得以改善，但是通常來說這樣的構(gòu)件使得整體結(jié)構(gòu)復雜化且增加了制造成本。它們還會隨著外部的相互作用的各方的數(shù)量的增加，使該結(jié)構(gòu)對故障很敏感。
[0004]在下面的圖1至圖5B中，展示了公知技術(shù)的一些缺點。
[0005]圖1圖示了公知技術(shù)的具有X方向和/或Y方向敏感單元的示例性傳感器結(jié)構(gòu)，所述敏感單元基于由梳狀結(jié)構(gòu)的檢測構(gòu)件進行的電容檢測來執(zhí)行加速度感測。該單元包括具有有效塊的可移動框架102。該可移動框架的有效塊被布置用于保持著可移動電極103的組合體。利用標記103只表示了一個這樣的電極，但是本領域的技術(shù)人員知道:在所述可移動電極的組合體中，可以有不止一個的電極。本領域的技術(shù)人員還知道:如果在該組合體中有許多可移動電極，那么就需要恰當?shù)乜紤]它們對有效塊的貢獻。
[0006]利用數(shù)字和字符的組合106、107N、107P來表示如下這樣的元件:通過這些元件，所述單元可以被錨固到物體的表面。附加的字母“N”表示負電荷和/或負電壓，且附加的字母“P”表示正電荷和/或正電壓。單純的數(shù)字106可以表示地電位和/或可以表示具有單純的機械特性。因此，由圖1中的符號標志N和P分別表示的靜電極105N和104P可以與相互連接的錨固件107N、107P —樣具有相應的極性。錨固件結(jié)構(gòu)106、107N、107P可以與地面絕緣，但是該絕緣布置本身在此上下文中不是至關重要的。MEMS結(jié)構(gòu)的領域中的技術(shù)人員知道許多的在必要時使MEMS結(jié)構(gòu)中的組成部件絕緣的方法?？梢苿涌蚣?02通過彈簧101而被連接至錨固件結(jié)構(gòu)106。
[0007]圖1中的現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)是差分結(jié)構(gòu)，即，當利用彈簧101而被懸掛的框架102沿著+X方向移動時，在帶P標記的電容增大的同時帶N標記的電容減小，反之亦然。該圖示出了相對于錨固件106的對稱結(jié)構(gòu)，該對稱結(jié)構(gòu)在可移動框架102的靜置狀態(tài)下是有效的。
[0008]圖2和圖3的傳感器結(jié)構(gòu)圖示了現(xiàn)有技術(shù)的z方向敏感的加速度傳感器結(jié)構(gòu)，其是利用具有正電容電極區(qū)域和負電容電極區(qū)域的元件而被實施的。在這兩幅圖中分別用相應的極性標記+和-來表示這些正電容區(qū)域和負電容區(qū)域。
[0009]圖2圖示了包括檢驗塊(proof mass) 202和樞轉(zhuǎn)軸204的示例性機械元件。如果檢驗塊202被視為沿χ-y方向(所圖示的)延伸且檢驗塊202在z方向上受到加速度的影響，那么它就會經(jīng)受力，該力致使它繞著它的軸204樞轉(zhuǎn)。
[0010]運動的檢驗塊202上的正電容電極區(qū)域206P和負電容電極區(qū)域206N可以被布置成與靜電極相互作用并且生成根據(jù)該檢驗塊的運動而變化的電容。為了清楚起見，圖2和圖3中沒有示出所形成的電容器的靜電極。然而，與檢驗塊一起運動的各電極能夠具有專用靜電極，或者公共靜電極可以被設置給正電極區(qū)域和負電極區(qū)域。例如，電極區(qū)域206P、206N可以具有處于地電位的公共靜電極。
[0011]圖3中的現(xiàn)有技術(shù)的傳感器結(jié)構(gòu)可以憑借可樞轉(zhuǎn)的一對機械元件Zl、Z2而被實施，機械元件Zl、Z2各者包括檢驗塊301、302和樞轉(zhuǎn)軸Axi。此外，當檢驗塊301、302在z方向上受到加速度的影響時，它們就會經(jīng)受加速力，該加速力致使它們繞著它們各自的軸Axi樞轉(zhuǎn)。所述機械元件被布置成以搖擺(see-saw)或踐踐板(“teeter-totter”)類型的方式運動，使得在樞轉(zhuǎn)的同時，該元件的一側(cè)向一個方向運動且同時該元件的另一側(cè)向相反方向運動。電極區(qū)域303P、304P、305N、306N的電容相應地變化，因此，例如當電極303P的電容增大時，電極305N的電容相應地減小。同樣地，當電極304P的電容增大時，電極306N的電容相應地減小。增大的和減小的P元件和N元件可以變化，但是在這兩種情況下都會發(fā)生同時的、相反的搖擺運動。在圖3中，兩個機械元件的檢驗塊關于樞轉(zhuǎn)軸Axi呈不均衡地分布。圖3中的上部機械元件和下部機械元件被圖示為具有單一對稱性。該樞轉(zhuǎn)能夠被布置成利用一對轉(zhuǎn)矩定向(torque-oriented)的彈簧而繞著Axi轉(zhuǎn)動。因此,樞轉(zhuǎn)軸Axi能夠利用具有轉(zhuǎn)矩動作的一對彈簧而被實施。
[0012]圖4A和圖4B圖示了利用圖2中的傳感器結(jié)構(gòu)而檢測出的問題。圖4A示出了使用了圖2中的一個機械搖擺元件的3d加速度傳感器結(jié)構(gòu)的示意性頂視圖。該傳感器結(jié)構(gòu)還包括圖1中的梳狀結(jié)構(gòu)的電容檢測單元以用于X方向和Y方向上的加速度檢測。圖4A圖示了在檢測器中所使用的該傳感器結(jié)構(gòu)的中間處的可樞轉(zhuǎn)機械元件Z。如利用圖2所討論的，該機械元件被軸Axi分割成較短部分和較長部分。圖4B圖示了圖4A中的傳感器結(jié)構(gòu)的機械元件Z的側(cè)視圖。圖4B還示出了結(jié)構(gòu)400其例如是罩或者基板，在該結(jié)構(gòu)400上固定有針對Z的電容的接地電極402、404。當上面支撐有機械元件的該結(jié)構(gòu)變形，或者當上面固定有接地電極的該結(jié)構(gòu)變形時，如該示意圖所顯示的，接地電極到機械元件Z的電極區(qū)域的距離以不同的方式變化。例如，在圖4B所示的情況下，到負電極的距離減小而到正電極的距離增大，這意味著傳統(tǒng)的差分檢測受到了該變形的嚴重干擾。
[0013]圖5A和圖5B圖示了利用圖3中的傳統(tǒng)傳感器結(jié)構(gòu)而檢測出的問題。圖5A示出了使用了圖3中的一對機械搖擺元件的傳感器結(jié)構(gòu)的示意性頂視圖照片。該傳感器結(jié)構(gòu)還包括圖1中的梳狀結(jié)構(gòu)的電容檢測單元XY以用于X方向和Y方向上的加速度檢測。圖5B圖示了圖5A中的傳感器結(jié)構(gòu)的機械元件Zl、Z2的側(cè)視圖。圖5B示出了其上固定有針對Z1、Z2的電容的接地電極502、504的另一個結(jié)構(gòu)500?？梢钥闯龅氖?當其上支撐有機械元件的結(jié)構(gòu)變形，或者當其上固定有接地電極的結(jié)構(gòu)變形時，如該示意圖所顯示的，接地電極與機械元件Zl和Z2的電極區(qū)域之間的距離以不同的方式變化。例如，在圖5B所示的情況下，從Z1、Z2的負電容電極區(qū)域到接地電極的距離增大，并且從Z1、Z2的正電容電極區(qū)域到正電極的距離減小。當差分檢測被應用時，這導致該檢測出現(xiàn)偏移誤差。此外，如利用圖2和圖3所討論的，Z1、Z2的檢驗塊可以是相對于軸Axi不對稱地分布的，且因此Z1、Z2的檢驗塊不同地傾斜或者樞轉(zhuǎn)。利用圖5A所示的構(gòu)造，這不能補償變形的影響。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明的目的是提供解決方案以克服或者減輕至少一個現(xiàn)有技術(shù)劣勢。利用獨立權(quán)利要求1的MEMS傳感器結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)本發(fā)明的目的。利用其他獨立權(quán)利要求的物品、加速度傳感器、加速度傳感器矩陣、裝置和系統(tǒng)來進一步實現(xiàn)本發(fā)明的目的。從屬權(quán)利要求中公開了本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
[0015]術(shù)語“整體的”(尤其是在本發(fā)明各實施例中的關于整體對稱的上下文表達中)是指被描述為具有對稱部分的整個物品的規(guī)?；蛘叱叽纭Ｔ谶@樣的傳感器結(jié)構(gòu)、傳感器和/或組合體的各實施例中物品可以體現(xiàn)為是整體對稱的。因此，組合體可以指例如包括傳感器和/或傳感器中所使用的機械元件的矩陣、堆疊體或者堆疊矩陣。
[0016]因此，“整體”并非必須被期望應用于僅僅如下的規(guī)模:物品的內(nèi)部部件具有關于/依據(jù)對稱要素的至少一個對稱性。然而，當物品的內(nèi)部子結(jié)構(gòu)是在所述部件的該規(guī)模中予以考慮時，它就是應當成為這樣的整體對稱的該物品中的各部件的與它們自身有關的規(guī)模。
[0017]作為實施例的例子，傳感器矩陣被認為不是整體對稱的，且規(guī)定如下:盡管在傳感器結(jié)構(gòu)(傳感器是它的一部分)的規(guī)模中存在局部對稱的傳感器(I個或多個)，但是在如下的矩陣結(jié)構(gòu)中存在非對稱的傳感器結(jié)構(gòu)，該矩陣結(jié)構(gòu)使得該矩陣以其整體規(guī)模顯現(xiàn)出在對稱性的通常意義內(nèi)的非對稱。因此，盡管該矩陣的所述傳感器結(jié)構(gòu)不是整體對稱的，但是該傳感器以其整體規(guī)模能夠是整體對稱的。
[0018]此上下文中的“局部”(尤其是在本發(fā)明各實施例中的局部對稱的上下文中)意味著處于至少在整個物品的一部分中的子結(jié)構(gòu)的規(guī)模或者尺寸中。該物品可以被體現(xiàn)于上述的傳感器結(jié)構(gòu)、傳感器和/或組合體(例如，包括這樣的傳感器和/或該傳感器中所使用的結(jié)構(gòu)的矩陣、堆疊體或者堆疊矩陣)的各實施例中。
[0019]因此，“局部”被用來真正地涉及物品的具體結(jié)構(gòu)或者局部結(jié)構(gòu)，因此不太可能會處于上述的物品的整體規(guī)模中，但是局部對稱性尤其也能出現(xiàn)在嵌套對稱性(nestedsymmetry)的結(jié)構(gòu)中，該嵌套對稱性包括在該結(jié)構(gòu)的這種部件的個別部件規(guī)模內(nèi)的整體對稱性。
[0020]本上下文中的對稱性被用來表示物體的在由對稱要素界定的至少兩側(cè)處的相似性。在表達對稱要素時，它的意思是點、軸、平板、平面和/或傳感器結(jié)構(gòu)子物體。該對稱要素不一定必須是真正的物體，但可以是在界定對稱性時所使用的虛擬物體或者位置。
[0021]尤其是在與本發(fā)明各實施例有關的上下文中，物品的對稱級指的是具有對特別方式的對稱性的陳述的表達。
[0022]所以，第一級對稱的意思是物品僅有一個對稱要素，根據(jù)這點，存在著關于單個對稱要素的通常意義上的對稱性。類似的方式，第二級對稱的意思是物品有至少一個對稱要素，根據(jù)這點，存在著通常意義上的對稱性，但是這不針對于界定對稱性的超過兩個的對稱要素。類似的方式，第三級對稱的意思是物品有至少一個對稱要素，根據(jù)這點，界定了通常意義上的對稱性，但是這不針對于界定該對稱性的超過三個的對稱要素。類似地，第四級對稱的意思是物品有至少一個對稱要素，根據(jù)這點，界定了通常意義上的對稱性，但是只能有通過少于五個的對稱要素界定的對稱性。
[0023]根據(jù)各實施例的組合體，所述對稱要素能夠具有對稱級。這也可以適用于相應實施例的組合體的局部對稱性和/或整體對稱性。
[0024]物體或者物品的對稱位置是如下的對稱中心:對稱要素將要利用該對稱中心而共存于內(nèi)部，使得存在著對稱部件的關于對稱要素的對稱性。對稱特性是能夠從下列的幾何測量、幾何特征、質(zhì)量、體積、面積、密度、數(shù)量、或者與關于對稱要素的對稱性有關的其他量中選出的屬性，使得關于可應用于對稱級的對稱要素，存在至少兩個表達了相似對稱特性屬性的在數(shù)值上均等的量。在對稱特性的范圍內(nèi)，也包括鏡面對稱，而且還包括如下這樣的對稱:其中，該結(jié)構(gòu)包括反鏡面對稱，即該物體被安置成它原本是鏡面對稱但是被樞轉(zhuǎn)了半圈或者在可選實施例中被樞轉(zhuǎn)了另一個樞轉(zhuǎn)角度。鏡面對稱以及反鏡面對稱能夠被認為是具有平移對稱性，即因為關于對稱要素的鏡面對稱而從鏡面對稱地方或者反鏡面對稱地方原處篩掉了通過對稱要素而對稱的一部分。
[0025]平板被認為是平面的或者基本上平面的物體，但是作為物理平面，然而其甚至包括虛擬平板，所以將這樣的平面描繪為在說明物體具有平面或者平板上的共同特征時所要使用的結(jié)構(gòu)術(shù)語。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]在下面的示例性實施例的詳細說明中，參照了如下面指出的附圖(通過標記圖):
[0027]圖1圖示了現(xiàn)有技術(shù)的用于加速度感測的X方向和/或y方向敏感單元；
[0028]圖2圖示了現(xiàn)有技術(shù)的用于加速度感測單元的機械元件；
[0029]圖3圖示了另一個現(xiàn)有技術(shù)的用于加速度感測單元的機械元件；
[0030]圖4A和圖4B圖示了現(xiàn)有技術(shù)的使用了圖2中的一個機械搖擺元件的加速度傳感器結(jié)構(gòu)；
[0031]圖5A和圖5B圖示了現(xiàn)有技術(shù)的使用了圖3中的一對機械搖擺元件的傳感器結(jié)構(gòu)；
[0032]圖6圖示了具有用于X方向上的加速度檢測的電容電極的梳狀結(jié)構(gòu)單元；
[0033]圖7圖示了具有用于Y方向上的加速度檢測的電容電極的梳狀結(jié)構(gòu)單元；
[0034]圖8A和圖SB圖示了單個現(xiàn)有技術(shù)單元和傳感器單元的實施例；
[0035]圖9A和圖9B圖示了對于不同的補償對稱性具有不同的彈簧懸架的兩個實施例；
[0036]圖1OA至圖1OC圖示了用于X方向和/或Y方向上的檢測的單元矩陣構(gòu)造；
[0037]圖11圖示了用于Z方向檢測的實施例；
[0038]圖12圖示了利用單個錨固件而將對稱的Z軸方向傳感器結(jié)構(gòu)懸掛到下層基板(underlying substrate)的實施例；
[0039]圖13圖示了圖12的實施例的另一個優(yōu)勢；
[0040]圖14圖示了另一個可能的具有單個錨固點的傳感器結(jié)構(gòu)構(gòu)造；
[0041]圖15圖示了本發(fā)明實施例的3d傳感器結(jié)構(gòu)的構(gòu)造；
[0042]圖16圖示了利用所提議的雙差分結(jié)構(gòu)而做出的模擬結(jié)果；
[0043]圖17圖示了又一個可能的傳感器結(jié)構(gòu)構(gòu)造；
[0044]圖18圖示了使用了所體現(xiàn)的傳感器結(jié)構(gòu)構(gòu)造的加速度傳感器的實施例。

【具體實施方式】
[0045]下面的各實施例是示例性的。雖然本說明書可能會提及“某一”實施例、“一個”實施例或者“一些”實施例，但是這不一定意味著每次這樣的提及是針對相同的實施例，或者該特征僅適用于單個實施例。不同實施例的單個特征可以結(jié)合起來以提供另一個實施例。
[0046]將利用其中可以實施本發(fā)明的各種實施例的傳感器結(jié)構(gòu)的簡單示例來說明本發(fā)明的特征。僅詳細地說明與解釋實施例相關的元件。所發(fā)明的方法和裝置的各種實施方式包括如下的元件:這些元件對于本領域的技術(shù)人員來說通常是已知的且在本文中可能不會給予具體說明。
[0047]傳感器結(jié)構(gòu)的構(gòu)件可以包括被布置至相應結(jié)構(gòu)中的彈簧、條、電容電極、錨固件、錨固件基板和軸。特別地，當涉及本發(fā)明各實施例的對稱性時，所述構(gòu)件可以被稱作如稍后在附圖和對它們的說明中所示出的第一構(gòu)件、第二構(gòu)件等等。
[0048]實施例的上下文中的術(shù)語“差分”的意思是:例如，差分操作包括在第一位置處的減小的第一量和在第二位置處的增大的第二量，所述第一量與所述第二量耦合以便因為同一操作而發(fā)生所述減小和所述增大。在差分檢測中，所述第一量和所述第二量兩者都被檢測以生成該操作的檢測結(jié)果。
[0049]這樣結(jié)構(gòu)的示例是電容器對，該電容器對具有均處于電位中的兩個電極和處于地電位的公共電極。所述電極可以被布置成當所述兩個電極繞軸樞轉(zhuǎn)時，這些電極到該公共的接地電極的距離改變，一個電容增大而另一個電容減小。當利用由這兩個樞轉(zhuǎn)電極共用的剛性物體而使得機械耦合時，就實現(xiàn)了這樣的構(gòu)造。
[0050]實施例的上下文中的術(shù)語“雙差分”的意思是例如存在著另一個差分耦合對的量，所述量是:在第三位置處的第三量和在第四位置處的增大的第四量，所述第三量和所述第四量的表現(xiàn)方式與針對在第一位置處的第一量和在第二位置處的增大的第二量的差分的上下文中所說明的方式相同，但是具有相對于第一量和第二量這一對而言的相移(Phaseshift)。在雙差分檢測中，第一量、第二量、第三量和第四量被成對地使用，以便從被檢測的操作中或者根據(jù)被檢測的操作生成所述可檢測的量。
[0051]在本發(fā)明的一些實施例中，電容或者它們的推導出的量可以被應用作為第一量和第二量以及第三量和第四量。需要注意的是，電容被用作成對的量的示例，但是本領域的技術(shù)人員知道:還有其他量能夠被布置成以差分的方式取決于彼此且也以雙差分的方式取決于彼此。在示例性實施例中，相移是180度，即所述對處于相反相位，但是本發(fā)明不一定只限定于這樣的相移。
[0052]在本發(fā)明的一些實施例中，可以從第一量、第二量、第三量和第四量的組合體中選擇成對的量，以便產(chǎn)生依賴于所述量的信號，然后以雙差分的方式處理所述信號。根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述量可以是電容，且所述信號可以是與電容對應的或者與電容中的至少一者對應的電信號。該信號可以被用于通過所實現(xiàn)的加速度傳感器結(jié)構(gòu)來判定加速度或者加速度的分量。
[0053]圖6和圖7圖示了具有單個單元的示例性傳感器結(jié)構(gòu)，所述單個單元具有梳狀結(jié)構(gòu)，所述梳狀結(jié)構(gòu)具有分別用于在示例性的X方向和Y方向上的加速度檢測的電容電極。為了清晰起見，沒有示出用于提供電壓的傳統(tǒng)元件以及讀取用的電子產(chǎn)品；本領域的技術(shù)人員知道用于實施該傳感器結(jié)構(gòu)的這些部件的方法。
[0054]圖6和圖7示出了有效塊以作為圍繞檢測梳而延伸的框架602、702。檢測梳包括靜電極604P、605N和動電極603。在使用中，可以利用正電壓或者負電壓向兀件施加相對于地面的偏壓。此處字母P指的是相對于地面的正電荷，且字母N指的是相對于地面的負電荷。在這兩幅圖中，當使用所述單元結(jié)構(gòu)時，電極的陰影類型表示帶陰影的元件的電荷的示例性符號。在一些實施例中，所述偏壓可以是電極組特用的，對于在一個方向上所使用的各加速度分量檢測單元而言并非必須是相同的。
[0055]如在圖1中一樣，用數(shù)字和字符的組合606、607N、607P來表不可以視為要被錨固到物體的表面的結(jié)構(gòu)。該單元可以包括利用彈簧601、701而將移動框架602、702懸掛起來的錨固件606。該單元還可以包括針對負靜電極605N的錨固件607N和/或針對正電極604P的錨固件607P。雖然此處所標明的是表示了確定的極性，但是錨固件能夠在適當?shù)牟糠种信c地面、彈簧和/或電容器板絕緣。
[0056]伸長的錨固件606可以被認為是與對稱軸對齊且充當在它們較長的第一方向上的第一對稱要素。所述梳和/或它們各自的錨固件607N、607P還有彈簧可以被布置成關于對稱軸而呈結(jié)構(gòu)對稱。與所述第一方向垂直的方向上的對稱要素606之間的間距可以被認為是針對所述梳和/或錨固件607N、607P還有彈簧的結(jié)構(gòu)對稱的另一個對稱要素(即第二對稱要素)。需要注意的是，可以通過從簡單的鏡面對稱而得到的反鏡面變形例、鏡面變形例、轉(zhuǎn)動變形例和/或平移變形例中的電荷和/或操作來考慮這些對稱性。
[0057]如可以通過比較圖6與圖1而看到的，圖6的單元結(jié)構(gòu)針對框架602沿X方向的移動施加了雙差分檢測。當該框架移動時，動電極與靜電極之間的距離改變，相應地增大了和減小了可檢測的電容。因此，雙差分檢測的第一量在此處可以指的是與從錨固件結(jié)構(gòu)607N延伸的靜負電荷電極605N相關的電容,并且動電極603的一部分與這些靜電極交錯。第二量可以指的是與從錨固件結(jié)構(gòu)607P延伸的靜正電荷電極相關的電容，并且動電極603的一部分與這些靜電極交錯。
[0058]如先前所描述的，可以通過第一量和第二量的電容的測量來確定差分檢測結(jié)果。為了消除或者減輕傳感器結(jié)構(gòu)中的變形的影響，圖6中的單元結(jié)構(gòu)被布置成利用兩個差分檢測元件之間的補償對稱性而提供雙差分檢測。第一對元件提供用于運動的第一差分檢測的第一量和第二量，且第二對元件提供用于該同一運動的雙差分檢測的第三量和第四量。關于補償對稱性，所述第一對元件被布置成以與所述第二對元件的相位相反的相位進行操作。在圖6中，因此，第三量可以指的是與靜負電荷電極608N相關的電容，并且動電極603的一部分與這些靜電極交錯。第四量可以指的是與靜正電荷電極604P相關的電容，并且動電極603的一部分與這些靜電極交錯。
[0059]相反相位在本上下文中的意思是:所述第一對和所述第二對被安置成使得框架的一個所檢測出的運動同時作用至一對中的減小的量和另一對中的增大的量。這意味著如果在第一位置處的第一量的減小和相耦合的在第二位置處的第二量的增大受到部件的位移的干擾，那么由于所述第二對中的第三量和第四量的對稱安置，所以導致了所述第二對的相反位移，并且至少部分地消除了上述位移的影響。
[0060]圖6圖示了其中傳感器結(jié)構(gòu)被定向于X方向上的檢測的雙差分檢測的示例性實施，且圖7圖示了其中傳感器結(jié)構(gòu)被定向于Y方向上的檢測的雙差分檢測的示例性實施。
[0061]圖6和圖7中的單元適用于在X方向和/或Y方向上的加速度分量的檢測。因此，通過將這些單軸單元中的各者布置在適當位置以檢測各自的加速度分量，這些單軸單元中的各者能夠被用于一個方向的加速度分量，X或Y。在一些實施例中，這些單元還可以被成對地使用以檢測XY平面內(nèi)的加速度分量。X方向單元的結(jié)構(gòu)可以與Y方向單元的結(jié)構(gòu)相同，但是X方向單元可以在平面內(nèi)相對于Y方向單元樞轉(zhuǎn)90度。然而，圖6和圖7中的單元還可以被用來形成單元矩陣。當該矩陣只包括一種類型的單元即X方向單元或者Y方向單元時，該矩陣能夠檢測一種加速度分量。通過在矩陣中包括各自方位上的兩種類型的單元，該矩陣還可以被布置成能夠檢測平面內(nèi)的加速度的X方向分量和Y方向分量。關于單軸檢測，所有的單元可以是相同的X方向類型的單元或者Y方向類型的單元，但是關于雙軸檢測，這些單元中的至少一個單元應當是與其余單元不同的另一種類型。
[0062]使用了笛卡爾XYZ表示法只是用于圖示的目的。隨著傳感器的位置和動力學狀態(tài)(包括旋轉(zhuǎn)狀態(tài)和平移狀態(tài))一起，檢測方向可以不同于所表明的示例。
[0063]圖8A和圖8B圖示了通過比較圖8A的單個現(xiàn)有技術(shù)單元與圖8B的傳感器單元的實施例而得到的本發(fā)明的優(yōu)勢。在水平箭頭A所指示的方向上，8A和SB中這兩個單元以相同的方式提供信號或者信號分量。讓我們假設:例如因為支撐基板的變形，所以檢測用框架如這兩幅圖中所示產(chǎn)生了位移，即對稱軸下方的電極趨于比該軸上方的電極交錯更多。這樣的位移減小了上電極的電容，而下電極的電容增大了。在圖8A和圖8B的示例中，N被用來局部地表不對稱軸S下方的負電容電極，P表不對稱軸S下方的正電容電極，η表不對稱軸S上方的負電容電極，并且P表示對稱軸S上方的正電容電極。
[0064]在圖8Α中，傳感器結(jié)構(gòu)包括電極P和η,并且輸出信號差分地對應于利用電極P和η而引起的電容變化。在圖8Β中，該結(jié)構(gòu)包括電極Ρ、Ν、ρ和η，并且輸出信號雙差分地對應于利用電極P、N、P和η而引起的電容變化。
[0065]很容易看出，圖8Α中所描繪出的該結(jié)構(gòu)的未對準生成了偏移誤差信號:
[0066](I) err (N) - err (p) >0,
[0067]然而，在圖8B的構(gòu)造中，該誤差消失了:
[0068](2) [err (N) +err (η) ] - [err (P) +err (p) ] = 0。
[0069]這是由雙差分檢測與補償結(jié)構(gòu)對稱性的結(jié)合而造成的。第一對電極(N，p)和第二對電極(P，η)被安置成使得:框架的所檢測出的運動對第一對中的N和第二對中的P以及對第一對中的P和第二對中的η具有相似的作用。即使所生成的單個電容可能會因為框架和電極的意外位移而被干擾，但是因為對稱安置，所以致使對于兩對產(chǎn)生了相似但相反的干擾。因為使用了雙差分檢測，所以能有效地補償電位偏移誤差。
[0070]圖9Α和圖9Β圖示了針對不同的補償對稱性具有不同的彈簧懸架的傳感器結(jié)構(gòu)的兩個實施例。圖9Β中的鏡像組裝起來的彈簧對橫軸誤差的敏感比不上圖9Α中的非鏡像定向的實施例對橫軸誤差的敏感。然而，圖9Α的實施例可以被用于其中這樣的敏感性不那么重要的應用中。在本發(fā)明的可選實施例中，通過在X單元和/或Y單元的矩陣中包括兩種類型的彈簧對稱性，可以估計橫軸誤差的重要性。
[0071]在本發(fā)明的實施例中，中間的錨固件可以彼此分離或者中間的錨固件可以彼此機械地連接。
[0072]如上所述，單個單元能夠被結(jié)合起來以便提供單元矩陣。圖1OA圖示了傳感器結(jié)構(gòu)矩陣構(gòu)造，它包括用于X方向上的檢測的單元X1、X2 (稍后的:X單元)以及用于Y方向上的檢測的單元Y1、Y2(稍后的:Υ單元)。圖1OB和圖1OC圖示了用于X方向和Y方向上的檢測(稍后的:XY單元)的傳感器結(jié)構(gòu)矩陣的兩個示例性構(gòu)造。XY單元可以具有雙差分結(jié)構(gòu)和補償雙對稱性。在圖1OB的單元矩陣中，每個單獨的單元被實施為具有補償對稱性。在圖1OC的單元矩陣中，各單獨的單元被實施為不具有補償對稱性，但是這些單元在該單元矩陣中被布置于能實現(xiàn)所期望的補償對稱性的位置處。
[0073]圖11圖示了其中將雙差分檢測和補償對稱性應用于Z方向上的加速度檢測中的傳感器結(jié)構(gòu)的實施例。根據(jù)本發(fā)明的實施例，元件Zl和Ζ2每一者可以被實施為如利用圖2和圖3所描述的差分搖擺結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的實施例，它們(Ζ1、Ζ2)可以雙方被安置成能夠?qū)崿F(xiàn)誤差補償雙差分結(jié)構(gòu)。如先前所述，在Z方向的加速度檢測中，機械搖擺式檢驗塊可以設置有電極區(qū)域。這些電極區(qū)域可以被布置成與靜電極相互作用，以便提供根據(jù)電極區(qū)域與靜電極之間的距離而變化的電容。在示例性的圖11中，雙差分檢測是通過結(jié)合Zl中的帶正電荷的電極114Ρ和帶負電荷的電極114Ν的電容以及Ζ2中的帶正電荷的電極115Ρ和帶負電荷的電極115Ν的電容而被實施的。加速度輸出可以被布置成對應于電容:
[0074]Aout ?[C(114P)+C(115P)] - [C (114N)+C (115N)]
[0075]如圖11所示，Zl和Z2的塊分布有利地被布置成使得Zl和Z2以相反的相位進行操作。因此，該結(jié)構(gòu)在Z方向上的加速度導致Zl在一個方向上傾斜和Z2在另一個方向上傾斜。如果接地電極延伸得遍及于所述電極上，那么支撐著接地電極的基板的變形會使該構(gòu)造產(chǎn)生位移，以致于在電極114P到接地電極的距離減小的同時，電極114N到接地電極的距離增大。因此，該位移就固有地減小了 114N的所測量的電容值且增大了 114P的所測量的電容值。該變形使所述元件以相同方式傾斜，從而上述內(nèi)容對115P和115N的距離和電容同樣有效，即，該位移同時減小了 115P的所測量的電容值且增大了 115N的所測量的電容值?，F(xiàn)在能看出的是，在加速度輸出中，由該構(gòu)造中的位移而引起的這些誤差因為電極的點對稱安置而互相抵消。
[0076]對于在圖11中用+符號和-符號表不的兩個電容電極，可以存在公共的接地電極。在另一個實施例中，地電位的電極能被隔離開，且甚至能被施加偏壓。
[0077]圖12圖示了傳感器結(jié)構(gòu)的另一實施例，其中對稱的Z軸方向傳感器結(jié)構(gòu)利用單個錨固件120而被懸掛至下層基板。該錨固可以利用基本上剛性的支撐結(jié)構(gòu)121而延伸至轉(zhuǎn)動彈簧122。如圖11所公開的，元件Z1、Z2被連接至轉(zhuǎn)動彈簧且可以繞著該彈簧的軸線樞轉(zhuǎn)或者轉(zhuǎn)動。為了實現(xiàn)雙差分檢測和補償對稱性，元件Zl和Z2關于錨固件120的錨固點是點對稱的。該單點錨固使得該錨固對于支撐基板的變形更加不敏感。利用圖13更詳細地圖示了這個進一步的優(yōu)勢。
[0078]圖13圖示了支撐著傳感器結(jié)構(gòu)的基板例如因為熱應力而被扭曲的三種不同情況A、B和C。在情況A和情況B下，如圖12所公開的，先前實施例的雙差分傳感器結(jié)構(gòu)通過一個錨固件而被連接至基板。情況A圖示了其中錨固點被安置于基板的總體對稱點的情形。當基板被扭曲，即基板的端部沿不同方向轉(zhuǎn)動時，該總體對稱點不發(fā)生位移，并且沒有因為該扭曲而生成偏移誤差。情況B圖示了其中錨固點的位置偏離了基板的總體對稱點的情形。當基板被扭曲時，包括元件Zl和Z2的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)傾斜，且產(chǎn)生了偏移誤差。然而，如上述所公開的，該誤差能夠通過雙差分檢測的補償對稱性而被消除。情況C圖示了其中元件Z1、Z2兩者被單獨地錨固到基板的情形。當基板被扭曲時，該結(jié)構(gòu)在Zl的錨固件情況下和在Z2的錨固件情況下不同地移動。
[0079]圖14圖示了具有單個錨固點140的元件Zl和Z2的另一個可能的傳感器結(jié)構(gòu)構(gòu)造。
[0080]圖15圖示了本發(fā)明實施例的3d傳感器結(jié)構(gòu)的構(gòu)造。該傳感器結(jié)構(gòu)可以包括本發(fā)明的某一先前實施例的X單元和Y單元以及被布置于它們兩者之間的位置處的Z單元。如圖14所公開的，Zl和Z2的尺寸可以在傳感器結(jié)構(gòu)的X-Y平面內(nèi)延續(xù)，且在X單元和Y單元的Y尺寸外邊延伸，有利的是一直延伸至X單元和Y單元的在X方向上的外端。相對的元件Zl和Z2的塊的增加導致在Z方向上的更高的靈敏度。該更高的靈敏度可以利用所示出的具有緊湊方式和最小使用空間的構(gòu)造而獲得。
[0081]圖16圖示了利用補償雙差分結(jié)構(gòu)而做出的模擬結(jié)果。圖16的下部分中所示出的模擬輸出表明了:傳感器元件中的轉(zhuǎn)矩和它們的變形影響能夠如X坐標和Y坐標圖所表明的那樣被消除。
[0082]圖17圖示了使用了先前在申請文本中所討論的概念的傳感器結(jié)構(gòu)矩陣的另一個實施例。字母S代表著如下的傳感器結(jié)構(gòu)的使用示例:該傳感器結(jié)構(gòu)包括由字母XY和/或字母Z表示的雙差分單元和/或蹺蹺板，從而例示出用于3d加速度分量檢測的笛卡爾坐標系O
[0083]圖18圖示了使用了所體現(xiàn)的傳感器結(jié)構(gòu)S的加速度傳感器的實施例。字母S表示傳感器或者傳感器結(jié)構(gòu)。字母M表示包括上面所體現(xiàn)的傳感器或者傳感器結(jié)構(gòu)的矩陣。雖然作為示例而在一個位置處圖示了一種類型的四個傳感器并且在另一個位置處圖示了不同類型的兩個傳感器，但是傳感器的數(shù)量或者它們的類型(X、Y、Z或者它們的組合)不是僅限于所圖示的示例。字母D表示包括如上面所體現(xiàn)的傳感器或者傳感器結(jié)構(gòu)矩陣的裝置。雖然作為示例而言一種類型的四個傳感器是三個處于一個位置且不同類型的一個傳感器處于另一個位置，但是傳感器的數(shù)量或者它們的類型不是僅限于所圖示的示例。該裝置中的傳感器矩陣的數(shù)量和/或位置不是僅限于所示出的示例。字母組合Ar展示了本發(fā)明實施例的包括(裝置D和裝置G)至少一個在裝置D和/或裝置G中所體現(xiàn)的傳感器結(jié)構(gòu)的布置或者系統(tǒng)。一些實施例中的字母S和M的位置向本領域的技術(shù)人員圖示了:各種實施例中的傳感器結(jié)構(gòu)能夠在主裝置的位置上被獨立地操作，該主裝置的加速度利用傳感器結(jié)構(gòu)來監(jiān)測。
【權(quán)利要求】
1.一種MEMS傳感器結(jié)構(gòu)，它包括: 第一構(gòu)件，所述第一構(gòu)件用于提供第一差分耦合對的可檢測量，所述第一差分耦合對的可檢測量包括在第一位置處的減小的第一量和在第二位置處的增大的第二量，所述第一量與所述第二量相互耦合以使得因為同一操作而發(fā)生所述減小和所述增大， 第二構(gòu)件，所述第二構(gòu)件用于提供第二差分耦合對的量，所述第二差分耦合對的量包括在第三位置處的減小的第三量和在第四位置處的增大的第四量，所述第三量與所述第四量相互耦合以使得因為同一操作而發(fā)生所述減小和所述增大， 所述第一構(gòu)件和所述第二構(gòu)件被耦合以用于雙差分檢測，且所述第一構(gòu)件和所述第二構(gòu)件被對稱地安置從而以相移的方式生成用于所述雙差分檢測的量。
2.如權(quán)利要求1所述的MEMS傳感器結(jié)構(gòu)，其中所述相移是180°，這一相移致使所述第一差分耦合對和所述第二差分耦合對以相反的相位提供用于所述雙差分檢測的量。
3.如權(quán)利要求1或2所述的MEMS傳感器結(jié)構(gòu)，它包括: 框架，所述框架能夠利用至少一個彈簧而被懸掛至基板； 第一電容性元件，所述第一電容性元件被所述框架支撐； 錨固件元件，所述錨固件元件用于與所述基板連接；以及 第二電容性元件，所述第二電容性元件被所述錨固件元件支撐， 其中，所述可檢測量是所述第一電容性元件與所述第二電容性元件之間的電容，所述電容根據(jù)所述框架相對于所述基板的運動而變化，并且 所述第二電容性元件包括所述第一構(gòu)件和所述第二構(gòu)件。
4.如權(quán)利要求3所述的MEMS傳感器結(jié)構(gòu)，其中所述第一構(gòu)件和所述第二構(gòu)件被布置于XY方向平面結(jié)構(gòu)中，且所述第一構(gòu)件和所述第二構(gòu)件被定向成能夠檢測所述XY方向結(jié)構(gòu)的在X方向上或者在Y方向上的加速度。
5.如權(quán)利要求1或2所述的MEMS傳感器結(jié)構(gòu)，它包括: 第一檢驗塊，所述第一檢驗塊被耦合至第一彈簧以繞著轉(zhuǎn)動軸樞轉(zhuǎn)； 第二檢驗塊，所述第二檢驗塊被耦合至第二彈簧以繞著所述轉(zhuǎn)動軸樞轉(zhuǎn)； 第一對相對的電容性元件，它們被支撐于所述第一檢驗塊上； 第二對相對的電容性元件，它們被支撐于所述第二檢驗塊上；以及 至少一個靜電極， 其中，所述第一差分耦合對的可檢測量是通過所述第一對相對的電容性元件而生成的電容，且所述第二差分耦合對的可檢測量是通過所述第二對相對的電容性元件而生成的電容。
6.如權(quán)利要求5所述的MEMS傳感器結(jié)構(gòu)，其中所述第一檢驗塊和所述第二檢驗塊的塊分布是點對稱的。
7.如權(quán)利要求6所述的MEMS傳感器結(jié)構(gòu)，其中所述第一彈簧和所述第二彈簧被耦合至用于與基板連接的單個錨固件。
8.—種傳感器結(jié)構(gòu)矩陣，它包括至少一個如權(quán)利要求1至7中所述的傳感器結(jié)構(gòu)。
9.如權(quán)利要求8所述的傳感器結(jié)構(gòu)矩陣，它包括至少一個用于X方向上的檢測的傳感器結(jié)構(gòu)和/或至少一個用于Y方向上的檢測的傳感器結(jié)構(gòu)。
10.如權(quán)利要求8所述的傳感器結(jié)構(gòu)矩陣，它包括兩個用于X方向上的檢測的傳感器結(jié)構(gòu)和兩個用于在Y方向上的檢測的傳感器結(jié)構(gòu)。
11.如權(quán)利要求10所述的傳感器結(jié)構(gòu)矩陣，它包括如權(quán)利要求3所述的傳感器結(jié)構(gòu)。
12.一種加速度傳感器，它包括至少一個如權(quán)利要求1至7中所述的傳感器結(jié)構(gòu)。
13.一種裝置(D)，它包括如權(quán)利要求13中所述的加速度傳感器，其中所述裝置包括下列中的至少一者: 車輛、布、鞋、指針、羅盤、天平、地震儀、導航器、移動裝置、機械發(fā)動機、液壓發(fā)動機、電動機、發(fā)生器、軸承模塊、離心機。
14.一種系統(tǒng)，它包括至少一個如權(quán)利要求13中所述的裝置。
【文檔編號】B81B7/02GK104185792SQ201380014139
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2013年1月11日 優(yōu)先權(quán)日:2012年1月12日
【發(fā)明者】維勒-佩卡·呂特克寧, 列夫·羅舍爾, 安斯·布盧姆奎斯特 申請人:村田電子有限公司