加速度传感器结构及其使用的制作方法

加速度传感器结构及其使用的制作方法
【专利摘要】一种MEMS传感器结构，其包括第一构件和第二构件，所述第一构件和所述第二构件彼此耦合以用于双差分检测，且所述第一构件和所述第二构件被对称地安置着从而以相移的方式提供用于双差分检测的量。如果所述传感器变形，那么因为所述第一构件和所述第二构件的特定的对称安置，所以至少部分地消除了该位移的影响。
【专利说明】加速度传感器结构及其使用

【技术领域】
[0001]本发明一般而言涉及MEMS(micro-electro-mechanical system:微机电系统)，但是更具体地而言涉及如针对MEMS传感器结构的独立权利要求的前序中所表述的加速度传感器结构。本发明还涉及如各个独立权利要求的前序中所表述的传感器结构矩阵、传感器装置和系统。

【背景技术】
[0002]对主体的加速度进行感测从而提供依赖于在作用力的影响下所述主体的动力学状态的信号，是被广泛应用的用于判定主体的位置和/或地点的方法。为了该目的，能够使用各种各样的传感器，但是MEMS结构因为它们的小尺寸所以适合于许多应用。在微电子学中，日益增长的需求已使得可以开发出越来越好的结构以实现在许多领域中遇到的用途，所述许多领域例如涉及车辆、家用电器、衣服、鞋，这里仅仅提及了一些应用领域，在这些应用领域中，专利类别可能会包括与MEMS有关的加速度传感器。
[0003]然而，在本专利申请的 优先权日:，已知的MEMS结构遇到了一些会限制它们在工业中的使用的问题。或者，能够把使用加速度传感器的有关产品做成得充分满足它们的所期望的目的，但是现有技术的MEMS结构的使用可能会需要附加的信号处理、误差校正和/或补偿构件以及解决方案，以便获得能实现其目的的部件。MEMS部件的操作能够通过外部的机电构件而得以改善，但是通常来说这样的构件使得整体结构复杂化且增加了制造成本。它们还会随着外部的相互作用的各方的数量的增加，使该结构对故障很敏感。
[0004]在下面的图1至图5B中，展示了公知技术的一些缺点。
[0005]图1图示了公知技术的具有X方向和/或Y方向敏感单元的示例性传感器结构，所述敏感单元基于由梳状结构的检测构件进行的电容检测来执行加速度感测。该单元包括具有有效块的可移动框架102。该可移动框架的有效块被布置用于保持着可移动电极103的组合体。利用标记103只表示了一个这样的电极，但是本领域的技术人员知道:在所述可移动电极的组合体中，可以有不止一个的电极。本领域的技术人员还知道:如果在该组合体中有许多可移动电极，那么就需要恰当地考虑它们对有效块的贡献。
[0006]利用数字和字符的组合106、107N、107P来表示如下这样的元件:通过这些元件，所述单元可以被锚固到物体的表面。附加的字母“N”表示负电荷和/或负电压，且附加的字母“P”表示正电荷和/或正电压。单纯的数字106可以表示地电位和/或可以表示具有单纯的机械特性。因此，由图1中的符号标志N和P分别表示的静电极105N和104P可以与相互连接的锚固件107N、107P —样具有相应的极性。锚固件结构106、107N、107P可以与地面绝缘，但是该绝缘布置本身在此上下文中不是至关重要的。MEMS结构的领域中的技术人员知道许多的在必要时使MEMS结构中的组成部件绝缘的方法。可移动框架102通过弹簧101而被连接至锚固件结构106。
[0007]图1中的现有技术结构是差分结构，即，当利用弹簧101而被悬挂的框架102沿着+X方向移动时，在带P标记的电容增大的同时带N标记的电容减小，反之亦然。该图示出了相对于锚固件106的对称结构，该对称结构在可移动框架102的静置状态下是有效的。
[0008]图2和图3的传感器结构图示了现有技术的z方向敏感的加速度传感器结构，其是利用具有正电容电极区域和负电容电极区域的元件而被实施的。在这两幅图中分别用相应的极性标记+和-来表示这些正电容区域和负电容区域。
[0009]图2图示了包括检验块(proof mass) 202和枢转轴204的示例性机械元件。如果检验块202被视为沿χ-y方向(所图示的)延伸且检验块202在z方向上受到加速度的影响，那么它就会经受力，该力致使它绕着它的轴204枢转。
[0010]运动的检验块202上的正电容电极区域206P和负电容电极区域206N可以被布置成与静电极相互作用并且生成根据该检验块的运动而变化的电容。为了清楚起见，图2和图3中没有示出所形成的电容器的静电极。然而，与检验块一起运动的各电极能够具有专用静电极，或者公共静电极可以被设置给正电极区域和负电极区域。例如，电极区域206P、206N可以具有处于地电位的公共静电极。
[0011]图3中的现有技术的传感器结构可以凭借可枢转的一对机械元件Zl、Z2而被实施，机械元件Zl、Z2各者包括检验块301、302和枢转轴Axi。此外，当检验块301、302在z方向上受到加速度的影响时，它们就会经受加速力，该加速力致使它们绕着它们各自的轴Axi枢转。所述机械元件被布置成以摇摆(see-saw)或踐踐板(“teeter-totter”)类型的方式运动，使得在枢转的同时，该元件的一侧向一个方向运动且同时该元件的另一侧向相反方向运动。电极区域303P、304P、305N、306N的电容相应地变化，因此，例如当电极303P的电容增大时，电极305N的电容相应地减小。同样地，当电极304P的电容增大时，电极306N的电容相应地减小。增大的和减小的P元件和N元件可以变化，但是在这两种情况下都会发生同时的、相反的摇摆运动。在图3中，两个机械元件的检验块关于枢转轴Axi呈不均衡地分布。图3中的上部机械元件和下部机械元件被图示为具有单一对称性。该枢转能够被布置成利用一对转矩定向(torque-oriented)的弹簧而绕着Axi转动。因此,枢转轴Axi能够利用具有转矩动作的一对弹簧而被实施。
[0012]图4A和图4B图示了利用图2中的传感器结构而检测出的问题。图4A示出了使用了图2中的一个机械摇摆元件的3d加速度传感器结构的示意性顶视图。该传感器结构还包括图1中的梳状结构的电容检测单元以用于X方向和Y方向上的加速度检测。图4A图示了在检测器中所使用的该传感器结构的中间处的可枢转机械元件Z。如利用图2所讨论的，该机械元件被轴Axi分割成较短部分和较长部分。图4B图示了图4A中的传感器结构的机械元件Z的侧视图。图4B还示出了结构400其例如是罩或者基板，在该结构400上固定有针对Z的电容的接地电极402、404。当上面支撑有机械元件的该结构变形，或者当上面固定有接地电极的该结构变形时，如该示意图所显示的，接地电极到机械元件Z的电极区域的距离以不同的方式变化。例如，在图4B所示的情况下，到负电极的距离减小而到正电极的距离增大，这意味着传统的差分检测受到了该变形的严重干扰。
[0013]图5A和图5B图示了利用图3中的传统传感器结构而检测出的问题。图5A示出了使用了图3中的一对机械摇摆元件的传感器结构的示意性顶视图照片。该传感器结构还包括图1中的梳状结构的电容检测单元XY以用于X方向和Y方向上的加速度检测。图5B图示了图5A中的传感器结构的机械元件Zl、Z2的侧视图。图5B示出了其上固定有针对Z1、Z2的电容的接地电极502、504的另一个结构500。可以看出的是:当其上支撑有机械元件的结构变形，或者当其上固定有接地电极的结构变形时，如该示意图所显示的，接地电极与机械元件Zl和Z2的电极区域之间的距离以不同的方式变化。例如，在图5B所示的情况下，从Z1、Z2的负电容电极区域到接地电极的距离增大，并且从Z1、Z2的正电容电极区域到正电极的距离减小。当差分检测被应用时，这导致该检测出现偏移误差。此外，如利用图2和图3所讨论的，Z1、Z2的检验块可以是相对于轴Axi不对称地分布的，且因此Z1、Z2的检验块不同地倾斜或者枢转。利用图5A所示的构造，这不能补偿变形的影响。


【发明内容】

[0014]本发明的目的是提供解决方案以克服或者减轻至少一个现有技术劣势。利用独立权利要求1的MEMS传感器结构来实现本发明的目的。利用其他独立权利要求的物品、加速度传感器、加速度传感器矩阵、装置和系统来进一步实现本发明的目的。从属权利要求中公开了本发明的优选实施例。
[0015]术语“整体的”(尤其是在本发明各实施例中的关于整体对称的上下文表达中)是指被描述为具有对称部分的整个物品的规模或者尺寸。在这样的传感器结构、传感器和/或组合体的各实施例中物品可以体现为是整体对称的。因此，组合体可以指例如包括传感器和/或传感器中所使用的机械元件的矩阵、堆叠体或者堆叠矩阵。
[0016]因此，“整体”并非必须被期望应用于仅仅如下的规模:物品的内部部件具有关于/依据对称要素的至少一个对称性。然而，当物品的内部子结构是在所述部件的该规模中予以考虑时，它就是应当成为这样的整体对称的该物品中的各部件的与它们自身有关的规模。
[0017]作为实施例的例子，传感器矩阵被认为不是整体对称的，且规定如下:尽管在传感器结构(传感器是它的一部分)的规模中存在局部对称的传感器(I个或多个)，但是在如下的矩阵结构中存在非对称的传感器结构，该矩阵结构使得该矩阵以其整体规模显现出在对称性的通常意义内的非对称。因此，尽管该矩阵的所述传感器结构不是整体对称的，但是该传感器以其整体规模能够是整体对称的。
[0018]此上下文中的“局部”(尤其是在本发明各实施例中的局部对称的上下文中)意味着处于至少在整个物品的一部分中的子结构的规模或者尺寸中。该物品可以被体现于上述的传感器结构、传感器和/或组合体(例如，包括这样的传感器和/或该传感器中所使用的结构的矩阵、堆叠体或者堆叠矩阵)的各实施例中。
[0019]因此，“局部”被用来真正地涉及物品的具体结构或者局部结构，因此不太可能会处于上述的物品的整体规模中，但是局部对称性尤其也能出现在嵌套对称性(nestedsymmetry)的结构中，该嵌套对称性包括在该结构的这种部件的个别部件规模内的整体对称性。
[0020]本上下文中的对称性被用来表示物体的在由对称要素界定的至少两侧处的相似性。在表达对称要素时，它的意思是点、轴、平板、平面和/或传感器结构子物体。该对称要素不一定必须是真正的物体，但可以是在界定对称性时所使用的虚拟物体或者位置。
[0021]尤其是在与本发明各实施例有关的上下文中，物品的对称级指的是具有对特别方式的对称性的陈述的表达。
[0022]所以，第一级对称的意思是物品仅有一个对称要素，根据这点，存在着关于单个对称要素的通常意义上的对称性。类似的方式，第二级对称的意思是物品有至少一个对称要素，根据这点，存在着通常意义上的对称性，但是这不针对于界定对称性的超过两个的对称要素。类似的方式，第三级对称的意思是物品有至少一个对称要素，根据这点，界定了通常意义上的对称性，但是这不针对于界定该对称性的超过三个的对称要素。类似地，第四级对称的意思是物品有至少一个对称要素，根据这点，界定了通常意义上的对称性，但是只能有通过少于五个的对称要素界定的对称性。
[0023]根据各实施例的组合体，所述对称要素能够具有对称级。这也可以适用于相应实施例的组合体的局部对称性和/或整体对称性。
[0024]物体或者物品的对称位置是如下的对称中心:对称要素将要利用该对称中心而共存于内部，使得存在着对称部件的关于对称要素的对称性。对称特性是能够从下列的几何测量、几何特征、质量、体积、面积、密度、数量、或者与关于对称要素的对称性有关的其他量中选出的属性，使得关于可应用于对称级的对称要素，存在至少两个表达了相似对称特性属性的在数值上均等的量。在对称特性的范围内，也包括镜面对称，而且还包括如下这样的对称:其中，该结构包括反镜面对称，即该物体被安置成它原本是镜面对称但是被枢转了半圈或者在可选实施例中被枢转了另一个枢转角度。镜面对称以及反镜面对称能够被认为是具有平移对称性，即因为关于对称要素的镜面对称而从镜面对称地方或者反镜面对称地方原处筛掉了通过对称要素而对称的一部分。
[0025]平板被认为是平面的或者基本上平面的物体，但是作为物理平面，然而其甚至包括虚拟平板，所以将这样的平面描绘为在说明物体具有平面或者平板上的共同特征时所要使用的结构术语。

【专利附图】

【附图说明】
[0026]在下面的示例性实施例的详细说明中，参照了如下面指出的附图(通过标记图):
[0027]图1图示了现有技术的用于加速度感测的X方向和/或y方向敏感单元；
[0028]图2图示了现有技术的用于加速度感测单元的机械元件；
[0029]图3图示了另一个现有技术的用于加速度感测单元的机械元件；
[0030]图4A和图4B图示了现有技术的使用了图2中的一个机械摇摆元件的加速度传感器结构；
[0031]图5A和图5B图示了现有技术的使用了图3中的一对机械摇摆元件的传感器结构；
[0032]图6图示了具有用于X方向上的加速度检测的电容电极的梳状结构单元；
[0033]图7图示了具有用于Y方向上的加速度检测的电容电极的梳状结构单元；
[0034]图8A和图SB图示了单个现有技术单元和传感器单元的实施例；
[0035]图9A和图9B图示了对于不同的补偿对称性具有不同的弹簧悬架的两个实施例；
[0036]图1OA至图1OC图示了用于X方向和/或Y方向上的检测的单元矩阵构造；
[0037]图11图示了用于Z方向检测的实施例；
[0038]图12图示了利用单个锚固件而将对称的Z轴方向传感器结构悬挂到下层基板(underlying substrate)的实施例；
[0039]图13图示了图12的实施例的另一个优势；
[0040]图14图示了另一个可能的具有单个锚固点的传感器结构构造；
[0041]图15图示了本发明实施例的3d传感器结构的构造；
[0042]图16图示了利用所提议的双差分结构而做出的模拟结果；
[0043]图17图示了又一个可能的传感器结构构造；
[0044]图18图示了使用了所体现的传感器结构构造的加速度传感器的实施例。

【具体实施方式】
[0045]下面的各实施例是示例性的。虽然本说明书可能会提及“某一”实施例、“一个”实施例或者“一些”实施例，但是这不一定意味着每次这样的提及是针对相同的实施例，或者该特征仅适用于单个实施例。不同实施例的单个特征可以结合起来以提供另一个实施例。
[0046]将利用其中可以实施本发明的各种实施例的传感器结构的简单示例来说明本发明的特征。仅详细地说明与解释实施例相关的元件。所发明的方法和装置的各种实施方式包括如下的元件:这些元件对于本领域的技术人员来说通常是已知的且在本文中可能不会给予具体说明。
[0047]传感器结构的构件可以包括被布置至相应结构中的弹簧、条、电容电极、锚固件、锚固件基板和轴。特别地，当涉及本发明各实施例的对称性时，所述构件可以被称作如稍后在附图和对它们的说明中所示出的第一构件、第二构件等等。
[0048]实施例的上下文中的术语“差分”的意思是:例如，差分操作包括在第一位置处的减小的第一量和在第二位置处的增大的第二量，所述第一量与所述第二量耦合以便因为同一操作而发生所述减小和所述增大。在差分检测中，所述第一量和所述第二量两者都被检测以生成该操作的检测结果。
[0049]这样结构的示例是电容器对，该电容器对具有均处于电位中的两个电极和处于地电位的公共电极。所述电极可以被布置成当所述两个电极绕轴枢转时，这些电极到该公共的接地电极的距离改变，一个电容增大而另一个电容减小。当利用由这两个枢转电极共用的刚性物体而使得机械耦合时，就实现了这样的构造。
[0050]实施例的上下文中的术语“双差分”的意思是例如存在着另一个差分耦合对的量，所述量是:在第三位置处的第三量和在第四位置处的增大的第四量，所述第三量和所述第四量的表现方式与针对在第一位置处的第一量和在第二位置处的增大的第二量的差分的上下文中所说明的方式相同，但是具有相对于第一量和第二量这一对而言的相移(Phaseshift)。在双差分检测中，第一量、第二量、第三量和第四量被成对地使用，以便从被检测的操作中或者根据被检测的操作生成所述可检测的量。
[0051]在本发明的一些实施例中，电容或者它们的推导出的量可以被应用作为第一量和第二量以及第三量和第四量。需要注意的是，电容被用作成对的量的示例，但是本领域的技术人员知道:还有其他量能够被布置成以差分的方式取决于彼此且也以双差分的方式取决于彼此。在示例性实施例中，相移是180度，即所述对处于相反相位，但是本发明不一定只限定于这样的相移。
[0052]在本发明的一些实施例中，可以从第一量、第二量、第三量和第四量的组合体中选择成对的量，以便产生依赖于所述量的信号，然后以双差分的方式处理所述信号。根据本发明的实施例，所述量可以是电容，且所述信号可以是与电容对应的或者与电容中的至少一者对应的电信号。该信号可以被用于通过所实现的加速度传感器结构来判定加速度或者加速度的分量。
[0053]图6和图7图示了具有单个单元的示例性传感器结构，所述单个单元具有梳状结构，所述梳状结构具有分别用于在示例性的X方向和Y方向上的加速度检测的电容电极。为了清晰起见，没有示出用于提供电压的传统元件以及读取用的电子产品；本领域的技术人员知道用于实施该传感器结构的这些部件的方法。
[0054]图6和图7示出了有效块以作为围绕检测梳而延伸的框架602、702。检测梳包括静电极604P、605N和动电极603。在使用中，可以利用正电压或者负电压向兀件施加相对于地面的偏压。此处字母P指的是相对于地面的正电荷，且字母N指的是相对于地面的负电荷。在这两幅图中，当使用所述单元结构时，电极的阴影类型表示带阴影的元件的电荷的示例性符号。在一些实施例中，所述偏压可以是电极组特用的，对于在一个方向上所使用的各加速度分量检测单元而言并非必须是相同的。
[0055]如在图1中一样，用数字和字符的组合606、607N、607P来表不可以视为要被锚固到物体的表面的结构。该单元可以包括利用弹簧601、701而将移动框架602、702悬挂起来的锚固件606。该单元还可以包括针对负静电极605N的锚固件607N和/或针对正电极604P的锚固件607P。虽然此处所标明的是表示了确定的极性，但是锚固件能够在适当的部分中与地面、弹簧和/或电容器板绝缘。
[0056]伸长的锚固件606可以被认为是与对称轴对齐且充当在它们较长的第一方向上的第一对称要素。所述梳和/或它们各自的锚固件607N、607P还有弹簧可以被布置成关于对称轴而呈结构对称。与所述第一方向垂直的方向上的对称要素606之间的间距可以被认为是针对所述梳和/或锚固件607N、607P还有弹簧的结构对称的另一个对称要素(即第二对称要素)。需要注意的是，可以通过从简单的镜面对称而得到的反镜面变形例、镜面变形例、转动变形例和/或平移变形例中的电荷和/或操作来考虑这些对称性。
[0057]如可以通过比较图6与图1而看到的，图6的单元结构针对框架602沿X方向的移动施加了双差分检测。当该框架移动时，动电极与静电极之间的距离改变，相应地增大了和减小了可检测的电容。因此，双差分检测的第一量在此处可以指的是与从锚固件结构607N延伸的静负电荷电极605N相关的电容,并且动电极603的一部分与这些静电极交错。第二量可以指的是与从锚固件结构607P延伸的静正电荷电极相关的电容，并且动电极603的一部分与这些静电极交错。
[0058]如先前所描述的，可以通过第一量和第二量的电容的测量来确定差分检测结果。为了消除或者减轻传感器结构中的变形的影响，图6中的单元结构被布置成利用两个差分检测元件之间的补偿对称性而提供双差分检测。第一对元件提供用于运动的第一差分检测的第一量和第二量，且第二对元件提供用于该同一运动的双差分检测的第三量和第四量。关于补偿对称性，所述第一对元件被布置成以与所述第二对元件的相位相反的相位进行操作。在图6中，因此，第三量可以指的是与静负电荷电极608N相关的电容，并且动电极603的一部分与这些静电极交错。第四量可以指的是与静正电荷电极604P相关的电容，并且动电极603的一部分与这些静电极交错。
[0059]相反相位在本上下文中的意思是:所述第一对和所述第二对被安置成使得框架的一个所检测出的运动同时作用至一对中的减小的量和另一对中的增大的量。这意味着如果在第一位置处的第一量的减小和相耦合的在第二位置处的第二量的增大受到部件的位移的干扰，那么由于所述第二对中的第三量和第四量的对称安置，所以导致了所述第二对的相反位移，并且至少部分地消除了上述位移的影响。
[0060]图6图示了其中传感器结构被定向于X方向上的检测的双差分检测的示例性实施，且图7图示了其中传感器结构被定向于Y方向上的检测的双差分检测的示例性实施。
[0061]图6和图7中的单元适用于在X方向和/或Y方向上的加速度分量的检测。因此，通过将这些单轴单元中的各者布置在适当位置以检测各自的加速度分量，这些单轴单元中的各者能够被用于一个方向的加速度分量，X或Y。在一些实施例中，这些单元还可以被成对地使用以检测XY平面内的加速度分量。X方向单元的结构可以与Y方向单元的结构相同，但是X方向单元可以在平面内相对于Y方向单元枢转90度。然而，图6和图7中的单元还可以被用来形成单元矩阵。当该矩阵只包括一种类型的单元即X方向单元或者Y方向单元时，该矩阵能够检测一种加速度分量。通过在矩阵中包括各自方位上的两种类型的单元，该矩阵还可以被布置成能够检测平面内的加速度的X方向分量和Y方向分量。关于单轴检测，所有的单元可以是相同的X方向类型的单元或者Y方向类型的单元，但是关于双轴检测，这些单元中的至少一个单元应当是与其余单元不同的另一种类型。
[0062]使用了笛卡尔XYZ表示法只是用于图示的目的。随着传感器的位置和动力学状态(包括旋转状态和平移状态)一起，检测方向可以不同于所表明的示例。
[0063]图8A和图8B图示了通过比较图8A的单个现有技术单元与图8B的传感器单元的实施例而得到的本发明的优势。在水平箭头A所指示的方向上，8A和SB中这两个单元以相同的方式提供信号或者信号分量。让我们假设:例如因为支撑基板的变形，所以检测用框架如这两幅图中所示产生了位移，即对称轴下方的电极趋于比该轴上方的电极交错更多。这样的位移减小了上电极的电容，而下电极的电容增大了。在图8A和图8B的示例中，N被用来局部地表不对称轴S下方的负电容电极，P表不对称轴S下方的正电容电极，η表不对称轴S上方的负电容电极，并且P表示对称轴S上方的正电容电极。
[0064]在图8Α中，传感器结构包括电极P和η,并且输出信号差分地对应于利用电极P和η而引起的电容变化。在图8Β中，该结构包括电极Ρ、Ν、ρ和η，并且输出信号双差分地对应于利用电极P、N、P和η而引起的电容变化。
[0065]很容易看出，图8Α中所描绘出的该结构的未对准生成了偏移误差信号:
[0066](I) err (N) - err (p) >0,
[0067]然而，在图8B的构造中，该误差消失了:
[0068](2) [err (N) +err (η) ] - [err (P) +err (p) ] = 0。
[0069]这是由双差分检测与补偿结构对称性的结合而造成的。第一对电极(N，p)和第二对电极(P，η)被安置成使得:框架的所检测出的运动对第一对中的N和第二对中的P以及对第一对中的P和第二对中的η具有相似的作用。即使所生成的单个电容可能会因为框架和电极的意外位移而被干扰，但是因为对称安置，所以致使对于两对产生了相似但相反的干扰。因为使用了双差分检测，所以能有效地补偿电位偏移误差。
[0070]图9Α和图9Β图示了针对不同的补偿对称性具有不同的弹簧悬架的传感器结构的两个实施例。图9Β中的镜像组装起来的弹簧对横轴误差的敏感比不上图9Α中的非镜像定向的实施例对横轴误差的敏感。然而，图9Α的实施例可以被用于其中这样的敏感性不那么重要的应用中。在本发明的可选实施例中，通过在X单元和/或Y单元的矩阵中包括两种类型的弹簧对称性，可以估计横轴误差的重要性。
[0071]在本发明的实施例中，中间的锚固件可以彼此分离或者中间的锚固件可以彼此机械地连接。
[0072]如上所述，单个单元能够被结合起来以便提供单元矩阵。图1OA图示了传感器结构矩阵构造，它包括用于X方向上的检测的单元X1、X2 (稍后的:X单元)以及用于Y方向上的检测的单元Y1、Y2(稍后的:Υ单元)。图1OB和图1OC图示了用于X方向和Y方向上的检测(稍后的:XY单元)的传感器结构矩阵的两个示例性构造。XY单元可以具有双差分结构和补偿双对称性。在图1OB的单元矩阵中，每个单独的单元被实施为具有补偿对称性。在图1OC的单元矩阵中，各单独的单元被实施为不具有补偿对称性，但是这些单元在该单元矩阵中被布置于能实现所期望的补偿对称性的位置处。
[0073]图11图示了其中将双差分检测和补偿对称性应用于Z方向上的加速度检测中的传感器结构的实施例。根据本发明的实施例，元件Zl和Ζ2每一者可以被实施为如利用图2和图3所描述的差分摇摆结构。根据本发明的实施例，它们(Ζ1、Ζ2)可以双方被安置成能够实现误差补偿双差分结构。如先前所述，在Z方向的加速度检测中，机械摇摆式检验块可以设置有电极区域。这些电极区域可以被布置成与静电极相互作用，以便提供根据电极区域与静电极之间的距离而变化的电容。在示例性的图11中，双差分检测是通过结合Zl中的带正电荷的电极114Ρ和带负电荷的电极114Ν的电容以及Ζ2中的带正电荷的电极115Ρ和带负电荷的电极115Ν的电容而被实施的。加速度输出可以被布置成对应于电容:
[0074]Aout ?[C(114P)+C(115P)] - [C (114N)+C (115N)]
[0075]如图11所示，Zl和Z2的块分布有利地被布置成使得Zl和Z2以相反的相位进行操作。因此，该结构在Z方向上的加速度导致Zl在一个方向上倾斜和Z2在另一个方向上倾斜。如果接地电极延伸得遍及于所述电极上，那么支撑着接地电极的基板的变形会使该构造产生位移，以致于在电极114P到接地电极的距离减小的同时，电极114N到接地电极的距离增大。因此，该位移就固有地减小了 114N的所测量的电容值且增大了 114P的所测量的电容值。该变形使所述元件以相同方式倾斜，从而上述内容对115P和115N的距离和电容同样有效，即，该位移同时减小了 115P的所测量的电容值且增大了 115N的所测量的电容值。现在能看出的是，在加速度输出中，由该构造中的位移而引起的这些误差因为电极的点对称安置而互相抵消。
[0076]对于在图11中用+符号和-符号表不的两个电容电极，可以存在公共的接地电极。在另一个实施例中，地电位的电极能被隔离开，且甚至能被施加偏压。
[0077]图12图示了传感器结构的另一实施例，其中对称的Z轴方向传感器结构利用单个锚固件120而被悬挂至下层基板。该锚固可以利用基本上刚性的支撑结构121而延伸至转动弹簧122。如图11所公开的，元件Z1、Z2被连接至转动弹簧且可以绕着该弹簧的轴线枢转或者转动。为了实现双差分检测和补偿对称性，元件Zl和Z2关于锚固件120的锚固点是点对称的。该单点锚固使得该锚固对于支撑基板的变形更加不敏感。利用图13更详细地图示了这个进一步的优势。
[0078]图13图示了支撑着传感器结构的基板例如因为热应力而被扭曲的三种不同情况A、B和C。在情况A和情况B下，如图12所公开的，先前实施例的双差分传感器结构通过一个锚固件而被连接至基板。情况A图示了其中锚固点被安置于基板的总体对称点的情形。当基板被扭曲，即基板的端部沿不同方向转动时，该总体对称点不发生位移，并且没有因为该扭曲而生成偏移误差。情况B图示了其中锚固点的位置偏离了基板的总体对称点的情形。当基板被扭曲时，包括元件Zl和Z2的结构出现倾斜，且产生了偏移误差。然而，如上述所公开的，该误差能够通过双差分检测的补偿对称性而被消除。情况C图示了其中元件Z1、Z2两者被单独地锚固到基板的情形。当基板被扭曲时，该结构在Zl的锚固件情况下和在Z2的锚固件情况下不同地移动。
[0079]图14图示了具有单个锚固点140的元件Zl和Z2的另一个可能的传感器结构构造。
[0080]图15图示了本发明实施例的3d传感器结构的构造。该传感器结构可以包括本发明的某一先前实施例的X单元和Y单元以及被布置于它们两者之间的位置处的Z单元。如图14所公开的，Zl和Z2的尺寸可以在传感器结构的X-Y平面内延续，且在X单元和Y单元的Y尺寸外边延伸，有利的是一直延伸至X单元和Y单元的在X方向上的外端。相对的元件Zl和Z2的块的增加导致在Z方向上的更高的灵敏度。该更高的灵敏度可以利用所示出的具有紧凑方式和最小使用空间的构造而获得。
[0081]图16图示了利用补偿双差分结构而做出的模拟结果。图16的下部分中所示出的模拟输出表明了:传感器元件中的转矩和它们的变形影响能够如X坐标和Y坐标图所表明的那样被消除。
[0082]图17图示了使用了先前在申请文本中所讨论的概念的传感器结构矩阵的另一个实施例。字母S代表着如下的传感器结构的使用示例:该传感器结构包括由字母XY和/或字母Z表示的双差分单元和/或跷跷板，从而例示出用于3d加速度分量检测的笛卡尔坐标系O
[0083]图18图示了使用了所体现的传感器结构S的加速度传感器的实施例。字母S表示传感器或者传感器结构。字母M表示包括上面所体现的传感器或者传感器结构的矩阵。虽然作为示例而在一个位置处图示了一种类型的四个传感器并且在另一个位置处图示了不同类型的两个传感器，但是传感器的数量或者它们的类型(X、Y、Z或者它们的组合)不是仅限于所图示的示例。字母D表示包括如上面所体现的传感器或者传感器结构矩阵的装置。虽然作为示例而言一种类型的四个传感器是三个处于一个位置且不同类型的一个传感器处于另一个位置，但是传感器的数量或者它们的类型不是仅限于所图示的示例。该装置中的传感器矩阵的数量和/或位置不是仅限于所示出的示例。字母组合Ar展示了本发明实施例的包括(装置D和装置G)至少一个在装置D和/或装置G中所体现的传感器结构的布置或者系统。一些实施例中的字母S和M的位置向本领域的技术人员图示了:各种实施例中的传感器结构能够在主装置的位置上被独立地操作，该主装置的加速度利用传感器结构来监测。
【权利要求】
1.一种MEMS传感器结构，它包括: 第一构件，所述第一构件用于提供第一差分耦合对的可检测量，所述第一差分耦合对的可检测量包括在第一位置处的减小的第一量和在第二位置处的增大的第二量，所述第一量与所述第二量相互耦合以使得因为同一操作而发生所述减小和所述增大， 第二构件，所述第二构件用于提供第二差分耦合对的量，所述第二差分耦合对的量包括在第三位置处的减小的第三量和在第四位置处的增大的第四量，所述第三量与所述第四量相互耦合以使得因为同一操作而发生所述减小和所述增大， 所述第一构件和所述第二构件被耦合以用于双差分检测，且所述第一构件和所述第二构件被对称地安置从而以相移的方式生成用于所述双差分检测的量。
2.如权利要求1所述的MEMS传感器结构，其中所述相移是180°，这一相移致使所述第一差分耦合对和所述第二差分耦合对以相反的相位提供用于所述双差分检测的量。
3.如权利要求1或2所述的MEMS传感器结构，它包括: 框架，所述框架能够利用至少一个弹簧而被悬挂至基板； 第一电容性元件，所述第一电容性元件被所述框架支撑； 锚固件元件，所述锚固件元件用于与所述基板连接；以及 第二电容性元件，所述第二电容性元件被所述锚固件元件支撑， 其中，所述可检测量是所述第一电容性元件与所述第二电容性元件之间的电容，所述电容根据所述框架相对于所述基板的运动而变化，并且 所述第二电容性元件包括所述第一构件和所述第二构件。
4.如权利要求3所述的MEMS传感器结构，其中所述第一构件和所述第二构件被布置于XY方向平面结构中，且所述第一构件和所述第二构件被定向成能够检测所述XY方向结构的在X方向上或者在Y方向上的加速度。
5.如权利要求1或2所述的MEMS传感器结构，它包括: 第一检验块，所述第一检验块被耦合至第一弹簧以绕着转动轴枢转； 第二检验块，所述第二检验块被耦合至第二弹簧以绕着所述转动轴枢转； 第一对相对的电容性元件，它们被支撑于所述第一检验块上； 第二对相对的电容性元件，它们被支撑于所述第二检验块上；以及 至少一个静电极， 其中，所述第一差分耦合对的可检测量是通过所述第一对相对的电容性元件而生成的电容，且所述第二差分耦合对的可检测量是通过所述第二对相对的电容性元件而生成的电容。
6.如权利要求5所述的MEMS传感器结构，其中所述第一检验块和所述第二检验块的块分布是点对称的。
7.如权利要求6所述的MEMS传感器结构，其中所述第一弹簧和所述第二弹簧被耦合至用于与基板连接的单个锚固件。
8.—种传感器结构矩阵，它包括至少一个如权利要求1至7中所述的传感器结构。
9.如权利要求8所述的传感器结构矩阵，它包括至少一个用于X方向上的检测的传感器结构和/或至少一个用于Y方向上的检测的传感器结构。
10.如权利要求8所述的传感器结构矩阵，它包括两个用于X方向上的检测的传感器结构和两个用于在Y方向上的检测的传感器结构。
11.如权利要求10所述的传感器结构矩阵，它包括如权利要求3所述的传感器结构。
12.一种加速度传感器，它包括至少一个如权利要求1至7中所述的传感器结构。
13.一种装置(D)，它包括如权利要求13中所述的加速度传感器，其中所述装置包括下列中的至少一者: 车辆、布、鞋、指针、罗盘、天平、地震仪、导航器、移动装置、机械发动机、液压发动机、电动机、发生器、轴承模块、离心机。
14.一种系统，它包括至少一个如权利要求13中所述的装置。
【文档编号】B81B7/02GK104185792SQ201380014139
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2013年1月11日 优先权日:2012年1月12日
【发明者】维勒-佩卡·吕特克宁, 列夫·罗舍尔, 安斯·布卢姆奎斯特 申请人:村田电子有限公司