使用磁性材料在加速計(jì)上的磁強(qiáng)計(jì)的制作方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】使用磁性材料在加速計(jì)上的磁強(qiáng)計(jì)
[0001]相關(guān)申請(qǐng)案的交叉參考
[0002]本申請(qǐng)案要求西格(Seeger)等人在2013年3月15日提交的發(fā)明名稱(chēng)為“使用磁性材料在加速計(jì)上的磁強(qiáng)計(jì)(Magnetometer Using Magnetic Material onAccelerometer) ”的第61/794，009號(hào)美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)案的優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)案的內(nèi)容以引用的方式并入本文中，如同全文闡述一般。
【背景技術(shù)】
[0003]本發(fā)明的各種實(shí)施例大體上涉及一種具有質(zhì)量塊的MEMS裝置，且尤其涉及一種可操作以通過(guò)質(zhì)量塊上引起的檢測(cè)運(yùn)動(dòng)測(cè)量環(huán)境加速度和環(huán)境磁場(chǎng)。
[0004]MEMS裝置通常包含用于測(cè)量質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)的傳感器，例如，由環(huán)境加速度引起的質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)以及由環(huán)境磁場(chǎng)引起的質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)。目前，用于測(cè)量磁場(chǎng)的磁強(qiáng)計(jì)是與用于測(cè)量環(huán)境加速度的加速計(jì)分離和隔開(kāi)的裝置。然而，歸因于制造缺陷或通過(guò)設(shè)計(jì)，磁場(chǎng)傳感器可以具有對(duì)環(huán)境加速度的響應(yīng)。提出單一 MEMS裝置來(lái)測(cè)量環(huán)境加速度和環(huán)境磁場(chǎng)兩者。通過(guò)減小MEMS覆蓋區(qū)以及因此減小成本，這產(chǎn)生較小MEMS裝置。
[0005]在致力于減小成本和大小時(shí)，顯然需要減小傳感器的大小和/或所需半導(dǎo)體的數(shù)目。
[0006]因此，需要一種具有減小的成本以及增加的性能的小MEMS裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]簡(jiǎn)言之，本發(fā)明的實(shí)施例包含具有至少一個(gè)質(zhì)量塊的MEMS裝置。第一磁化磁性材料部分安置在至少一個(gè)質(zhì)量塊的表面上。第一彈簧錨定在襯底上以支撐至少一個(gè)質(zhì)量塊。第一感測(cè)元件對(duì)環(huán)境磁性和環(huán)境加速度兩者作出響應(yīng)并且第二感測(cè)元件耦合到至少一個(gè)質(zhì)量塊。至少一個(gè)質(zhì)量塊響應(yīng)于環(huán)境加速度和環(huán)境磁場(chǎng)而移動(dòng)。第一和第二感測(cè)元件的配置包括信號(hào)處理器，所述信號(hào)處理器可操作以提供對(duì)環(huán)境磁場(chǎng)作出響應(yīng)的第一輸出。
[0008]可以通過(guò)參考其余部分的說(shuō)明書(shū)和附圖來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)本文中揭示的具體實(shí)施例的性質(zhì)和優(yōu)點(diǎn)的進(jìn)一步理解。
【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的MEMS裝置；
[0010]圖2 (a)和2 (b)示出在測(cè)量加速度和磁場(chǎng)時(shí)傳感元件的電路配置的耦合；
[0011]圖3(a)和3(b)示出引起不同配置的包含開(kāi)關(guān)的電路配置；
[0012]圖4示出根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的MEMS裝置；
[0013]圖5示出根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的MEMS裝置；
[0014]圖6示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的感測(cè)電路；
[0015]圖7至9示出根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施例的MEMS裝置；
[0016]圖10示出根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施例的MEMS裝置。
【具體實(shí)施方式】
[0017]以下描述描述一種MEMS裝置。MEMS裝置具有質(zhì)量塊以及用于測(cè)量環(huán)境加速度和環(huán)境磁場(chǎng)的兩個(gè)感測(cè)元件，如下文所論述。
[0018]本發(fā)明的具體實(shí)施例和方法揭示一種MEMS裝置，所述MEMS裝置包含第一質(zhì)量塊；第一磁化磁性材料，其部分安置在第一質(zhì)量塊的表面上；第一彈簧，其錨定在襯底上以支撐第一質(zhì)量塊；以及第一感測(cè)元件，其耦合到第一質(zhì)量塊并且可操作以感測(cè)由環(huán)境加速度引起的第一質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)。MEMS裝置進(jìn)一步包含第二感測(cè)元件，其耦合到第一質(zhì)量塊并且可操作以感測(cè)由環(huán)境磁場(chǎng)引起的第一質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)。在所描述的實(shí)施例中，環(huán)境磁場(chǎng)是指除由質(zhì)量塊上的沉積磁性材料產(chǎn)生的磁場(chǎng)以外的任何磁場(chǎng)。
[0019]現(xiàn)在參考圖1，示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的MEMS裝置10。在圖1的實(shí)施例中，MEMS裝置10是X軸加速計(jì)以及X軸磁強(qiáng)計(jì)，盡管應(yīng)理解，MEMS裝置10可以是y軸或ζ軸加速計(jì)和磁強(qiáng)計(jì)。MEMS裝置10被示為包含質(zhì)量塊12、質(zhì)量塊14、磁化磁性材料16和18、感測(cè)元件20-26、一對(duì)彈簧28和29，以及錨定器30和32。圖1中示出的結(jié)構(gòu)形成于MEMS裝置的襯底上。兩個(gè)質(zhì)量塊12和14在圖1的實(shí)施例中是彼此的鏡像。
[0020]質(zhì)量塊12具有安置在其表面的至少一部分上的磁化磁性材料16，類(lèi)似地，質(zhì)量塊14具有安置在其表面的至少一部分上的磁化磁性材料18。感測(cè)元件20和22被示為耦合到質(zhì)量塊12并且感測(cè)元件24和26被示為耦合到質(zhì)量塊14。彈簧28和29連接到錨定器30和32并且錨定器固定到位于圖1中示出的結(jié)構(gòu)下方的襯底。對(duì)于質(zhì)量塊12和14中的每一個(gè)，彈簧從錨定器懸垂下來(lái)并且質(zhì)量塊從彈簧懸垂下來(lái)。
[0021]在圖1的實(shí)施例中，磁性材料16沿著正y軸方向磁化，類(lèi)似地，磁性材料18沿著正y軸方向磁化。預(yù)期在其它實(shí)施例中，磁性材料16和18可以在不同方向上磁化。
[0022]在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，磁化磁性材料16和18中的每一個(gè)未必是實(shí)心塊并且相反地由較小塊制成，如圖1所示。在一些實(shí)施例中，磁性材料16和18由單個(gè)連續(xù)塊構(gòu)造。
[0023]在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，磁性材料16和18中的每一個(gè)由鈷(Co)、鐵(Fe)和鎳(Ni)或其任何組合制成。
[0024]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，感測(cè)元件20-26中的每一個(gè)是可變電容器。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，感測(cè)元件20-26中的每一個(gè)是壓電電阻器感測(cè)元件、壓電感測(cè)元件或光學(xué)感測(cè)元件。在以下實(shí)施例和論述中，感測(cè)元件20至26假定為電容器。應(yīng)理解，相同論述和實(shí)施例應(yīng)用于具有不是電容器的感測(cè)元件20-26的實(shí)施例。
[0025]在環(huán)境正X軸加速度下，將逆時(shí)針扭矩τ al施加于質(zhì)量塊12。質(zhì)量塊12逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)并且感測(cè)元件20增加且感測(cè)元件22減少。
[0026]在環(huán)境正X軸加速度下，將順時(shí)針扭矩τ a2施加于質(zhì)量塊14。質(zhì)量塊14順時(shí)針旋轉(zhuǎn)并且感測(cè)元件24增加且感測(cè)元件26減少。或者，質(zhì)量塊12或14中的一個(gè)可以與兩個(gè)感測(cè)元件一起用來(lái)獨(dú)立地測(cè)量一個(gè)質(zhì)量塊上的加速度和磁場(chǎng)。
[0027]在測(cè)量環(huán)境磁場(chǎng)時(shí)，環(huán)境磁場(chǎng)By在負(fù)X軸方向(向左)上應(yīng)用于圖1的MEMS裝置10，從而致使扭矩V MyXBx應(yīng)用于質(zhì)量塊12和14?！?τ 表示扭矩，“V”表示磁性材料16和18的體積，“Μχ”是材料的剩余磁化，“By”是沿著y軸的施加場(chǎng)并且“ X ”表示向量叉積。由于這些力矩而產(chǎn)生的質(zhì)量塊12和14的運(yùn)動(dòng)通過(guò)感測(cè)元件20-26檢測(cè)到，但是其響應(yīng)不同于加速度的響應(yīng)。在環(huán)境磁場(chǎng)下，逆時(shí)針扭矩τη1施加在質(zhì)量塊12上。質(zhì)量塊12逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)并且感測(cè)元件20增加且感測(cè)元件22減少。在環(huán)境磁場(chǎng)下，逆時(shí)針扭矩施加在質(zhì)量塊14上。質(zhì)量塊14逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)并且感測(cè)元件24增加且感測(cè)元件26減少。用于檢測(cè)質(zhì)量塊12和14的磁場(chǎng)的感測(cè)元件20-26的電路配置從圖2(a)中示出的測(cè)量加速度的電路配置變化成圖2(b)中示出的測(cè)量磁場(chǎng)的電路配置。
[0028]現(xiàn)相對(duì)于圖1、圖2 (a)和圖2 (b)論述感測(cè)。
[0029]圖2 (a)和2 (b)示出用于測(cè)量外部加速度和外部磁場(chǎng)的感測(cè)元件20-26的電路配置的耦合，其中感測(cè)元件是如平行板電極或線(xiàn)性梳齒的可變電容器。圖2(a)示出當(dāng)MEMS裝置10測(cè)量質(zhì)量塊12和14的加速計(jì)時(shí)這些感測(cè)元件的電路配置200a，而圖2(b)示出當(dāng)MEMS裝置10測(cè)量質(zhì)量塊12和14的磁場(chǎng)時(shí)這些感測(cè)元件的電路配置200b。感測(cè)元件20-26在圖2(a)和2(b)中的每一個(gè)中以惠斯通電橋的形式配置。
[0030]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，對(duì)于感測(cè)外部X軸加速度，感測(cè)元件20-26如圖2(a)中示出以惠斯通電橋配置連接。如圖2 (a)中示出，跨越兩個(gè)質(zhì)量塊12和14施加電壓差Vin并且輸出電壓是V。。輸出電壓V。歸因于由質(zhì)量塊12和14的運(yùn)動(dòng)引起的感測(cè)元件20-26的電容的變化而變化，所述質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)由外部加速度引起。
[0031]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，對(duì)于感測(cè)外部X軸磁場(chǎng)，感測(cè)元件20-26如圖2(b)中示出以惠斯通電橋配置連接。如圖2(b)中示出，跨越兩個(gè)質(zhì)量塊12和14施加電壓差Vin并且輸出電壓是V。。輸出電壓V。歸因于由質(zhì)量塊12和14的運(yùn)動(dòng)引起的感測(cè)元件20-26的電容的變化而變化，所述質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)由外部磁場(chǎng)引起。
[0032]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，Vin可以是交流電、DC的組合或AC和DC的組合。在替代實(shí)施例中，標(biāo)記為I的端子可以連接到差分跨越電容放大器。在此實(shí)施例中，放大器的輸出與感測(cè)元件20-26的電容變化成比例。在又另一實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)電壓L可以應(yīng)用于感測(cè)元件20-26并且輸出信號(hào)可以從圖2 (a)中標(biāo)記為Vin的質(zhì)量塊節(jié)點(diǎn)