具有偏侈补偿的Z-轴加速度计的制作方法

本专利申请的主题与以下一篇或多篇专利申请相关，其中每一篇作为整体通过引用并入此处：

美国专利申请第13/523,101号，于2012年6月14日提交，标题为电路板上具有电极的跷跷板型MEMS加速度计，公布为US 2013/0333471(代理人案卷号2550/D70)；

美国专利申请第13/910,755号，于2013年6月5日提交，标题为具有动力学上可变的标准电容的MEMS传感器(代理人案卷号2550/D95)；

美国专利申请第13/751,387号，于2013年1月23日提交，标题为具有不均衡质量的跷跷板加速度计，公布为US 2014/0208849(代理人案卷号2550/E07)；

美国专利申请第13/785,624号，于2013年3月5日提交，标题为具有改良的偏移和噪声性能的倾斜模式的加速度计(代理人案卷号2550/E23)；和

美国专利申请第14/505,928号，于2014年10月3日提交，标题为具有Z轴锚定追踪的MEMS加速度计(代理人案卷号2550/E94)。

本发明总体上涉及一种Z-轴加速度计类型，其常被称为“跷跷板”型加速度计。

背景技术：

加速度计是一类传感器，其将加速力转化为电信号。加速度计用于多种设备以及应用中。例如，加速度计常常包含于各种机动车系统中，例如气囊展开系统和倾翻检测系统。加速度计还常常包含于很多 计算机设备中，例如用于基于移动的传感(例如降落检测)和控制(例如基于移动用于线上游戏的控制)设备。

一般来讲，除其余部件之外，MEMS(Micro Electro Mechanical System，微电机系统)加速度计通常包括检测质量块以及由外部加速驱动的、用于感应检测质量块的移动或位置变化的一个或多个结构。加速度计可以被配置为感应1、2、3或甚至更多的加速度轴。通常检测质量块被配置于预定的设备平面中，并且传感轴一般是针对所述设备平面而言。例如，沿平行于设备平面的轴传感的加速度通常被称为X或Y轴加速度，而沿垂直于设备平面的轴传感的加速度通常被称为Z轴加速度。单轴加速度计可以被配置为仅检测X或Y轴加速度或者仅检测Z轴加速度。双轴加速度计可以被配置为检测X和Y轴加速度或者可以被配置为检测X和Z轴加速度。三轴加速度计可以被配置为检测X、Y和Z粙加速度。

一类Z轴加速度计使用被配置为“跷跷板(teeter-totter)”、“跷跷板(see-saw)”或“倾斜模式”构造的检测质量块，其中检测质量块受到衬底支持，以使检测质量块在Z轴加速度下相对于衬底旋转。使用放置于检测质量块下方或上下方的传感电极，感应检测质量块的这种旋转运动以及由此感应Z轴加速度，所述传感电极在多种类型的加速度中与检测质量块电容耦合。检测质量块下方和/或上方还可以包括其他电子组件，例如反馈电极。美国专利第7610809号提供了差分式跷跷板型Z-轴加速度计的一个示例，其在检测质量块上方和下方均具有电极。美国专利第6841992号和美国专利第5719336号提供了这种跷跷板型加速度计的其他示例。美国专利第8146425号描述了具有可移动Z轴传感元件的MEMS传感器。这些专利的每一篇作为整体通过引用并入此处。

图1示意性和概念性示出上面讨论的Z轴跷跷板型加速度计类型的剖视图。在本示例中，设备芯片102包括具有跷跷板检测质量块 106和电极的Z轴跷跷板型加速度计，所述电极放置于位于跷跷板检测质量块106上方和下方的衬底上。设备芯片102与电路芯片104机械式电耦联。跷跷板检测质量块106通过一个或多个锚109固定于下层衬底上，其具有枢轴107，使得跷跷板检测质量块106绕由枢轴107限定的轴旋转，以使具有跷跷板检测质量块106可在Z轴方向移动，即跷跷板检测质量块106的末端可以向电极108A/108B(有时共同地或单独地被称为“电极108”)和110A/110B(有时共同地或单独地被称为“电极110”)移动和远离。电极108和110形成可变电容，其中跷跷板检测质量块106用于感应检测质量块106的转动和/或对检测质量块106的传动力(imparting force)，例如用于闭合操作和/或自检的传动力。假设电极108和110均被用作感应跷跷板检测质量块106的运动的传感电极，则加速度计的输出120一般是来自电极108和110的信号的组合，其通常以差分方式处理，例如输出＝(C_108A+C_110B)–(C_108B+C_110A)其中C_108A、C_108B、C_110A和C_110B是来自各个传感电极的电容测量值。因此，当跷跷板检测质量块106位于等距于所有电极的标准位置时，输出为零，随着跷跷板检测质量块106由于外部加速度而绕枢轴107旋转，输出变为非零值，由此表示加速度的存在和/或量。

在一些跷跷板型加速度计中，仅在跷跷板型检测质量块的上方或下方放置传感电极。例如，替代性跷跷板型加速度计可以仅包括电极108或仅包括电极110。再次，加速度计的输出可以是来自传感电极的信号的组合，其以差分方式处理，例如输出＝(C_108A–C_108B)或输出＝(C_110A–C_110B)。

在一些跷跷板型加速度计中，仅使用1个传感电极感应跷跷板检测质量块的移动。例如，单个传感电极向跷跷板检测质量块的一个末端放置。

在一些跷跷板型加速度计中，跷跷板检测质量块是“不平衡的”， 因为其进一步在锚的一侧而非另一侧延伸。在这种加速度计中，传感电极可以向跷跷板检测质量块延伸部分的末端放置。

虽然该示意图中显示在检测质量块106的上方和下方有两个电极，应当注意的是，检测质量块106上方和/或下方的电极层中还可以包括额外的电极(例如反馈电极)。因此，例如每个电极层可以包括两个或多个传感电极以及一个或多个反馈电极。设备芯片102和电路芯片104之间存在多个电学和/或机械连接112，例如用于电路芯片104中的电路105与顶部和底部电极组108、110(电学连接显示为短划线)以及跷跷板检测质量块106(为方便起见，电学连接未显示)电耦联。加速度计可以例如基本上如美国专利第7610809号(McNeil)中所描述进行操作。

US 8,146,425(Zhang)公开了具有可移动Z轴传感元件的MEMS传感器。

US 2013/0333471(Chien)公开了电路板上具有电极的跷跷板型MEMS加速度计(2550/D70)。

US 2014/0208849(Zhang)公开了具有不平衡质量的跷跷板加速度计(2550/E07)。

US 2014/0251011(Zhang)公开了具有改良的偏移和噪声性能的倾斜模式的加速度计(2550/E23)。

某些情形(例如机械压力、温度变化以及改变跷跷板检测质量块相对于一个或多个传感电极的位置(例如通过衬底/包装的变形)的其他机械作用)可以导致通常被称为“偏移漂移(offset drift)”的现象，其中加速度计可以输出表示加速度的偏差量的信号。例如，当不存在加速度时，加速度计可以输出表示加速度存在的信号，当加速度存在时可以输出表示加速度不存在的信号，或者可以输出表示加速度偏差量的信号。

图2是显示能够产生偏移误差的第一类情形的示意图，其中位 于跷跷板检测质量块106下层且与具有枢轴107的锚109连接的衬底111中的压力导致衬底发生变形，使得电极108B向跷跷板检测质量块106向上偏移，以使其表面上距离跷跷板检测质量块106比电极108A近。在这种情况下，当跷跷板检测质量块106处于其标准位置时(例如无加速度时)，加速度计可以产生非零输出信号，存在加速度时可以产生偏斜输出。

图3是显示能够产生偏移误差的第二类情形的示意图，其中衬底111和/或锚109中的压力产生锚109的偏移，其导致跷跷板检测质量块106表面上向电极108B而非108A倾斜。在这种情况下，当跷跷板检测质量块106处于其标准位置时(例如无加速度时)，加速度计可以产生非零输出信号，存在加速度时可以产生偏斜输出。

应当注意的是，为方便起见，图2和3仅显示下层电极108。在包括上层电极110的加速度计中，电极110和跷跷板检测质量块之间表面距离的变化(例如由于支持电极110的上层衬底中的压力)可以导致偏移误差。

避免这些情形下的偏移误差的一些现有尝试包括机械地和/或电学地倾斜锚、枢轴或跷跷板检测质量块本身，以对抗衬底或锚的变形。

技术实现要素：

根据本发明的一个实施方案，跷跷板型加速度计包括衬底、由衬底支撑的至少一个锚、由衬底支撑的至少一个平台、跷跷板检测质量块、至少一个传感电极以及至少一个平台-传感电极，所述跷跷板检测质量块被配置为在与衬底垂直方向的加速度存在下绕至少一个锚枢轴转动，所述至少一个传感电极被安置为使得能够感应跷跷板检测质量块的这种枢轴转动，所述至少一个平台-传感电极被安置为使得能够感应平台相对于衬底的位置。

在多个可替代性实施方案中，至少一个平台可以固定地附着到至 少一个锚上，可以栓接到至少一个锚上，以使至少一个平台能够绕至少一个锚枢轴转动，或者可以固定地附着到衬底上。跷跷板检测质量块可以栓接到至少一个平台或者至少一个锚上。一些实施方案包括单个锚，而其他实施方案包括两个或多个锚。一些实施方案包括单个平台，而其他实施方案包括两个或多个平台。至少一个平台-传感电极可以包括第一平台-传感电极和第二平台-传感电极，所述第一平台-传感电极被安置在至少一个锚的第一侧，所述第二平台-传感电极被安置在与第一侧相对的至少一个锚的第二侧。跷跷板检测质量块可以是不平衡的跷跷板检测质量块。

在特定实施方案中，跷跷板型加速度计还包括加速度计输出电路，其被配置为基于从至少一个传感电极和至少一个平台-传感电极接收的信号产生加速度计输出信号。在一些实施方案中，包括衬底、至少一个锚、至少一个平台、跷跷板检测质量块、至少一个传感电极以及至少一个平台-传感电极的机械组件处于设备芯片中，而加速度计输出电路处于与设备芯片连接的电路芯片中。

根据本发明的另一个实施方案，用于上面描述的跷跷板型加速度计类型的加速度计输出电路被配置为接收来自至少一个传感电极和至少一个平台-传感电极的信号以及基于从至少一个传感电极和至少一个平台-传感电极接收的信号产生加速度计输出信号。

根据本发明的另一个实施方案，用于上面描述的跷跷板型加速度计类型的电路芯片包括加速度计输出电路，其被配置为接收来自至少一个传感电极和至少一个平台-传感电极的信号以及基于从至少一个传感电极和至少一个平台-传感电极接收的信号产生加速度计输出信号。

在以上实施方案的任一个中，至少一个平台-传感电极可以包括第一平台-传感电极和第二平台-传感电极，所述第一平台-传感电极被安置在至少一个锚的第一侧，所述第二平台-传感电极被安置在与第 一侧相对的至少一个锚的第二侧，在这种情况下，加速度计输出电路被配置为接收来自第一和第二平台-传感电极的信号以及基于从第一和第二平台-传感电极接受的信号之间的差异产生加速度计输出信号。

额外的实施方案被公开和主张。

附图说明

通过参考以下详细描述以及参考所附附图，将更容易理解上述实施方案的特征，其中：

图1示意性和概念性示出本领域已知的Z轴跷跷板型加速度计系统的剖视图；

图2是显示能够在图1所示加速度计类型中产生偏移误差的第一类情形的示意图；

图3是显示能够在图1所示加速度计类型中产生偏移误差的第二类情形的示意图；

图4示意性和概念性示出根据本发明一个示例性实施方案的Z轴跷跷板型加速度计的剖视图；

图5示意性和概念性示出图4的加速度计的顶视图；

图6是显示能够在图4所示加速度计类型中产生偏移误差的第一类情形的示意图；

图7是显示能够在图1所示加速度计类型中产生偏移误差的第二类情形的示意图；

图8示意性和概念性示出根据本发明特定示例性实施方案的Z轴跷跷板型加速度计系统的剖视图；

图9-10显示第一种现有加速度计设备配置以及相应的电极配置；

图11-12显示第一种现有加速度计设备配置以及相应的电极配置；

图13-14显示平台和锚定配置和相应电极配置的第一种示例性实施方案；和

图15-16显示平台和锚定配置和相应电极配置的第二种示例性实施方案。

应当注意的是，上述附图和其中描述的元件并非必然以一致比例或任意比例绘制。除非上下文另有说明，相似元件以相似数值表示。

具体实施方式

在本发明的实施方案中，加速度计包括一个或多个平台，其被配置以随衬底和/或锚的变形按比例移动。平台可以处于相对于衬底的固定位置，例如通过固定地附着到锚上或通过固定地附着到衬底上，或者平台相对于衬底可以是可移动的，例如通过栓接到锚上以使得平台相对于锚枢轴转动。电极被放置于平台下层的衬底上，用于感应平台相对于下层衬底的位置，所述位置可以由于如图2中所描述的衬底变形或者由于如图3中所描述的锚倾斜而发生变化。跷跷板检测质量块被配置为使得其能够相对于平台旋转，例如通过栓接到平台上或者通过栓接到与平台分离的一个或多个锚上。平台足够坚固，在加速度输入存在下不会发生位置变化(例如变形)。基于来自这些平台-传感电极的信号对加速度计的输出进行调整，以减少或消除偏移误差。

图4示意性和概念性示出根据本发明一个示例性实施方案的Z轴跷跷板型加速度计的剖视图，图5示意性和概念性示出图4的加速度计的顶视图。具体地，图5(A)显示固定附着到锚109上的平台402，其中跷跷板检测质量块通过系绳403栓接到平台402上(为方便起见，系统403在图5中未标记示出，应当注意的是，本发明的实施方案不限于系绳的任意特定类型或数量)。额外的电极404A和404B(有时共同地或单独地被称为“电极404”)位于平台402下面的衬底111上。 电极404与旋转轴对称地放置于平台402下面。图5(B)显示电极108A/108B和电极404A/404B相对于平台402和跷跷板检测质量块106的相对位置–电极108A/108B和404A/404B以短划线显示，因为其位于平台402和跷跷板检测质量块106的下方。在图5中，锚109的位置以其中含有“x”的圆圈表示。电极404A和404B被用于感应平台402相对于下层衬底111的位置，所述位置可以由于如图6中所描述的衬底变形(以上面关于图2所描述的方式)或者由于如图7中所描述的锚倾斜(以上面关于图3所描述的方式)而发生变化。基于来自这些平台-传感电极404的信号对加速度计的输出进行调整，以减少或消除偏移误差，例如输出＝(C_108A–C_108B)+k*(C_404B–C_404A)，其中C_404A和C_404B是来自各个平台-传感电极404的电容测量值，k是可选的调整因子，以在当平台402与衬底111不是水平的时，补偿与传感电极108相比平台-传感电极404的距离(以及因此电容)的相对变化，例如由于如图6中所描述的衬底变形或者由于如图7中所描述的锚倾斜。因此，例如如果锚向一个方向倾斜从而导致跷跷板型加速度计在该方向表面上倾斜，则有效地从加速度计输出信号中移除倾斜量，以减少或消除偏移误差。

应当注意的是，其他实施方案可以在平台402上方，即在支撑电极110的衬底上，额外地或替代地包括平台-传感电极。

还应当注意的是，跷跷板检测质量块106、平台402和系绳403可以例如利用MEMS制造过程由单层材料形成。单层材料可以是任何适宜的材料，例如多晶硅、钨等。

还应当注意的是，平台402和锚109可以由相同材料或不同材料形成。平台402可以通过与锚109一体成形或者通过以结合到锚109上的分离的结构，固定地附着到锚109上。

图8示意性和概念性示出上面所描述的Z轴跷跷板型加速度计类型的剖视图。在本示例中，设备芯片102包括具有跷跷板检测质量块 106和电极的Z轴跷跷板型加速度计，所述电极放置于位于跷跷板检测质量块106上方(110)和下方(108)的衬底上。设备芯片102与电路芯片104机械式电耦联。跷跷板检测质量块106通过一个或多个锚109固定到下层衬底的上方，其具有平台402和系绳403，使得跷跷板检测质量块106绕由平台402和系绳403限定的轴旋转，以使跷跷板检测质量块106的末端可在Z轴方向移动，即跷跷板检测质量块106的末端可以向电极108A/108B和110A/110B移动和远离。平台-传感电极404A和404B被包括以用于感应平台402相对于下层衬底的位置。设备芯片102和电路芯片104之间存在多个电学和/或机械连接112，例如用于电路芯片104中的电路105与电极108、110和404(电学连接显示为短划线)以及跷跷板检测质量块106(为方便起见，电学连接未显示)电耦联。电路105被配置为基于来自电极108和/或电极110以及电极404的信号产生加速度计输出信号120，例如输出＝(C_108A+C_110B)–(C_108B+C_110A)+k*(C_404B–C_404A)。

图9显示第一种现有加速度计设备配置，图10显示相应的电极配置。如图9所示，跷跷板检测质量块106(为方便起见，仅显示一部分)栓接到单个锚(以标记“X”的方框显示)上。图10所示的电极排列被放置于下层衬底上，以位于图9所示结构的下方，其中电极108A位于设备部分902下方，电极108B位于设备部分904下方，电极912位于设备部分906下方。电极108A和108B(分别被标记为“zneg”和“zpos”)被用于感应跷跷板检测质量块106的相对位置，而电极912(被标记为“pzp”)可以用于自检和/或感应。

图11显示第二种现有加速度计设备配置，图12显示相应的电极配置。如图11所示，跷跷板检测质量块106(为方便起见，仅显示一部分)栓接到两个锚(以标记“X”的方框显示)上。图12所示的电极排列被放置于下层衬底上，以位于图11所示结构的下方，其中电 极108A位于设备部分1002下方，电极108B位于设备部分1004下方，电极1012位于设备部分1006下方。电极108A和108B(分别被标记为“zneg”和“zpos”)被用于感应跷跷板检测质量块106的相对位置，而电极1012(被标记为“pzp”)可以用于自检和/或感应。

图13显示平台和锚定配置的第一种示例性实施方案，图14显示相应的电极配置。如图13所示，设备包括两个平台1120A和1120B，其由单个锚(以标记“X”的方框显示)支撑，其中跷跷板检测质量块106(为方便起见，仅显示一部分)栓接到锚上，以可绕锚枢轴转动。图14所示的电极排列被放置于下层衬底上，以位于图13所示结构的下方，其中电极部分1108位于设备部分1102下方，电极部分1110位于设备部分1104下方，电极部分1112位于设备部分1106下方。电极108A和108B(分别被标记为“zneg”和“zpos”)被用于感应跷跷板检测质量块106的相对位置，电极404A和404B(分别被标记为“zpos_comp”和“zneg_comp”)分别用于感应平台1120A和1120B的任何替换，被标记为“pzp”的电极可以用于自检和/或感应。

图15显示平台和锚定配置的第二种示例性实施方案，图16显示相应的电极配置。如图15所示，设备包括两个平台1320A和1320B，其由两个锚(以标记“X”的方框显示)支撑，其中跷跷板检测质量块106(为方便起见，仅显示一部分)栓接到锚上，以可绕锚枢轴转动。图16所示的电极排列被放置于下层衬底上，以位于图15所示结构的下方，其中电极部分1308位于设备部分1302下方，电极部分1310位于设备部分1304下方，电极部分1312位于设备部分1306下方。电极108A和108B(分别被标记为“zneg”和“zpos”)被用于感应跷跷板检测质量块106的相对位置，电极404A和404B(分别被标记为“zpos_comp”和“zneg_comp”)分别用于感应平台1320A和1320B的任何替换，被标记为“pzp”的电极可以用于自检和/或感应。

对于图13-16所示的加速度计，通过因子((zpos–zneg)+ (zneg_comp–zpos_comp))对加速度计的输出进行调整。

应当注意的是，图13和15中的平台由分界线突出显示，其显示这些结构通常的形状和边界位置，尽管应当注意的是，由于包含这些结构的设备层一般由单层材料形成，多个结构的实际界线可以与所显示的不同。在任何情况下，跷跷板检测质量块106被配置为能够相对于平台移动。

尽管上面描述的示例性实施方案包括位于平台两侧下方即锚两侧的平台-传感电极，应当注意的是，特定的替代性实施方案包括仅位于平台一侧的平台-传感电极，其中这种平台-传感电极仍然能够感应平台的相对位置。

应当注意的是，本发明的实施方案可以包括含有与电路芯片分离的加速度计机械组件的设备芯片，含有与设备芯片分离的加速度计输出电路的电路芯片，或者包括设备芯片和电路芯片的集成设备。还应当注意的是，基于传感电极和平台-传感电极提供加速度计输出的加速度计输出电路可以与加速度计机械组件一起包括于设备芯片中。

本发明可以在不偏离本发明真实范围的情况下表现为其他具体形式，并且基于本文的教导，大量的变化和修改对于本领域技术人员来说将是显然的。任何“本发明”的引用意在是指本发明的示例性实施方案，而不应当被视为是指本发明的所有实施方案，除非上下文另外需要。所描述的实施方案将被认为在所有方面仅是说明性而非限制性的。