用于离轴移动的MEMS传感器补偿的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年11月13日提交的美国申请no.15/811,471的权益，该申请通过引用在此整体并入本文。

背景技术：

诸如智能手机、智能手表、平板电脑、汽车、空中无人机(aerialdrone)、电器、飞行器、运动辅助设备和游戏控制器的许多物品在其操作期间都可以利用运动传感器。在许多应用中，各种类型的运动传感器(诸如加速度计和陀螺仪)可以被独立或一起分析以便为特定的应用确定各种信息。例如，陀螺仪和加速度计可以用于游戏应用(例如，智能电话或游戏控制器)中，以捕获用户的复杂移动，无人机和其它飞行器可以基于陀螺仪的测量结果(例如，滚转、俯仰(pitch)和偏航(yaw))来确定方向，并且车辆可以利用测量结果来确定方向(例如，用于航位推算(deadreckoning))和安全性(例如，用于识别打滑或翻滚情况)。

诸如加速度计和陀螺仪之类的运动传感器可以被制造为使用半导体制造技术制造的微机电系统(mems)传感器。mems传感器可以包括可移动检测质块，可移动检测质块可对诸如线性加速度(例如，对于mems加速度计)、角速度(例如，对于mems陀螺仪)、压力和磁场之类的力作出响应。可以基于检测质块响应于这些力的移动测量这些力对可移动检测质块的操作。在一些实施方式中，基于可移动检测质块与固定电极之间的距离来测量该移动，可移动检测质块与固定电极形成用于感测移动的电容器。

mems传感器可以包括被制造为共同形成传感器腔体和部件的多个层，诸如mems层、盖层和基板层。这些层通常具有相对于彼此平行的表面。可移动检测质块可以位于mems层中。当固定电极也位于mems层内时，可移动检测质块相对于固定电极的在mems层内的移动(平面内移动)可以用于测量沿着mems层的平面的力。当固定电极位于另一层上时，可移动检测质块相对于固定电极的在mems层平面的外部的移动(平面外移动)可以用于测量mems层的平面外(例如，垂直于mems层)的力。可以基于可移动检测质块和固定电极的在没有外力的情况下的预期相对位置和响应于外力的预期相对位置来设计mems传感器。如果特定的mems传感器由于诸如制造公差或磨损之类的因素而偏离那些预期的相对位置，那么传感器对所需力的测量可能不准确。

技术实现要素：

在本公开的实施例中，一种微机电(mems)设备包括：具有基板平面的基板层；包括悬置弹簧质块系统并且具有上平面和下平面的mems层，下平面位于基板平面的上方；以及多个固定电极，其中多个固定电极中的每个固定电极至少部分地位于mems层内并且具有上平面和下平面，其中悬置弹簧质块系统响应于第一方向上的第一力而相对于多个固定电极移动，其中悬置弹簧质块系统响应于第二方向上的第二力而相对于基板移动，并且其中悬置弹簧质块系统或多个固定电极响应于第一力和第二力而输出感测信号。在实施例中，mems设备还包括位于面对悬置弹簧质块系统的下平面或固定电极的下平面的基板层上的多个辅助电极，其中来自辅助电极的多个辅助信号为响应于第二力的移动提供补偿，并且其中表示第一力的输出信号基于感测信号和补偿。

在本公开的实施例中，一种微机电(mems)设备包括mems层的多个可移动电极和多个固定电极，其中多个可移动电极中的每个可移动电极位于与mems层的至少一部分中的多个固定电极中的至少一个固定电极相邻处，其中可移动电极响应于第一方向上的第一力而在mems层内相对于多个固定电极移动，其中可移动电极响应于第二方向上的第二力在mems层的外部移动，其中多个固定电极或多个可移动电极至少响应于第一移动而输出感测信号，并且其中当第一力的第一值与第二力的第二值相等时，响应于第一力的第一值的第一成比例移动比响应于第二力的第二值的第二成比例移动大。在实施例中，mems设备还包括位于面对可移动电极的下平面或固定电极的下平面的基板层上的多个辅助电极，其中可移动电极的下平面已相对于辅助电极的面对表面移动，其中来自辅助电极的辅助信号为移动提供补偿，并且其中表示第一力的输出信号基于感测信号和补偿。

在本公开的实施例中，一种用于操作微机电(mems)设备的方法包括向mems层的多个可移动电极施加一个或多个第一电位、向多个固定电极施加一个或多个第二电位，其中多个固定电极中的每个固定电极位于与在mems层的至少一部分中的多个可移动电极中的至少一个可移动电极相邻处，其中可移动电极响应于第一方向上的第一力而在mems层内相对于多个固定电极移动，并且其中可移动电极响应于第二方向上的第二力而在mems层的外部相对于面对mems层的下平面的基板平面移动。在实施例中，该方法还包括向位于基板层上的多个辅助电极施加一个或多个第三电位、基于来自辅助电极的辅助信号补偿由于第二力引起的第二移动以及基于第一方向上的移动和补偿生成表示第一力的输出信号。

附图说明

当结合附图考虑以下详细描述时，本公开的上述和其它特征、其性质及各种优点将变得更加清楚，其中：

图1示出了根据本公开的实施例的说明性运动感测系统；

图2a示出了根据本公开的一些实施例的电极之间的静电条纹(fringing)的示例性描绘；

图2b示出了根据本公开的一些实施例的在存在基板平面的情况下电极之间的静电条纹的示例性描绘；

图2c示出了根据本公开的一些实施例的在存在静电基板平面和移动的情况下电极之间的静电条纹的示例性描绘。

图3a示出了根据本公开的一些实施例的在不存在沿着x轴的线性加速度的情况下的x轴加速度计的示例性描绘；

图3b示出了根据本公开的一些实施例的在存在沿着负x轴的线性加速度的情况下的x轴加速度计的示例性描绘；

图3c示出了根据本公开的一些实施例的在存在沿着正x轴的线性加速度的情况下的x轴加速度计的示例性描绘；

图4a示出了根据本公开的一些实施例的图3a的x轴加速度计的示例性截面图；

图4b示出了根据本公开的一些实施例的经历mems层的移动的图3a的x轴加速度计的示例性截面图；

图4c示出了根据本公开的一些实施例的经历mems层的悬置部分的移动的图3a的x轴加速度计的示例性截面图；

图5示出了根据本公开的一些实施例的图4a的x轴加速度计的示例性截面图，该x轴加速度计包括两个用于移动补偿的辅助电极；

图6示出了根据本公开的一些实施例的图4a的x轴加速度计的示例性截面图，该x轴加速度计包括四个辅助电极；

图7描绘了根据本公开的一些实施例的示例性有效电容；

图8描绘了根据本公开的一些实施例的用于测量加速度的示例性处理电路系统；

图9描绘了根据本公开的一些实施例的用于执行移动补偿的示例性处理电路系统；

图10描绘了根据本公开的一些实施例的用于执行移动补偿的示例性处理电路系统；

图11描绘了根据本公开的一些实施例的用于执行移动补偿的示例性处理电路系统；

图12描绘了根据本公开的一些实施例的用于执行移动补偿的示例性处理电路系统；以及

图13描绘了根据本公开的一些实施例的用于执行移动补偿的方法的示例性步骤。

具体实施方式

电容性mems设备由若干层构成，诸如基板(例如，cmos)层、mems层和盖层。mems层包括可移动检测质块和至少一个用于感测检测质块的位置或朝向的固定电极。检测质块的至少一部分是导电的，使得检测质块和与检测质块的平面表面相对的固定电极形成电容器。

示例性mems设备是被配置为感测在特定的平面内方向上的线性加速度的加速度计。可移动的检测质块可以是悬置弹簧质块系统的一部分。悬置弹簧质块系统悬置在mems层内，并且包括弹簧、质块和其它类似的部件，以促进(例如，针对线性加速度的在期望的平面内感测方向上的)某些类型的运动并防止其它方向上的其它类型的运动。

mems加速度计可以具有也在mems层内形成的固定电极。基于mems层的检测质块电极相对于固定电极的平面内移动来感测加速度。mems加速度计还可以具有位于基板层上的多个辅助电极。辅助电极可以被设计并定位为使得辅助电极输出响应于mems层的全部或一部分相对于基板层的移动的信号，或者使得辅助电极引起检测质块或固定电极输出这样的信号。当辅助电极感测到mems层被移动时，可以补偿感测到的信号。

图1描绘了根据本公开的一些实施例的示例性运动感测系统10。虽然在图1中描绘了特定的部件，但是应该理解的是，对于不同的应用和系统，可以根据需要利用传感器、处理部件、存储器和其它电路系统的其它合适的组合。在如本文所述的实施例中，运动感测系统可以至少包括mems惯性传感器12(例如，单轴或多轴加速度计、单轴或多轴陀螺仪或其组合)和支持电路系统，诸如处理电路系统14和存储器16。

处理电路系统14可以包括一个或多个部件，这些部件基于运动感测系统10的要求提供必要的处理。在一些实施例中，处理电路系统14可以包括硬件控制逻辑，诸如专用集成电路，其可以被集成在传感器的芯片内(例如，在mems惯性传感器12或其它传感器18的基板或盖上，或在芯片的与mems惯性传感器12或其它传感器18相邻的部分上)，以控制mems惯性传感器12或其它传感器18的操作并根据存储在存储器16中的值来执行mems惯性传感器12或其它传感器18的处理方面。在一些实施例中，处理电路系统14还可以包括执行例如存储在存储器16中的软件指令的处理器(诸如微处理器)。微处理器可以通过与硬件控制逻辑的交互来控制mems惯性传感器12的操作，并且处理从mems惯性传感器12接收到的信号。微处理器可以以类似的方式与其它传感器交互。

虽然处理电路系统14已经被描绘和描述为位于运动感测系统10处，并且在一些实施例中位于mems惯性传感器或其它传感器18内，但是在一些实施例中(图1中未绘出)，mems惯性传感器12或其它传感器18可以直接与外部处理电路系统14(诸如处理器或微处理器)通信(例如，经由串行总线或与传感器和控制i/o的直接连接)。在实施例中，运动感测系统10的处理电路系统14可以处理从mems惯性传感器12和其它传感器18接收到的数据，并且经由通信接口20(例如，spi或i2c总线，或者在汽车应用中的控制器区域网络(can)或本地互连网络(lin)总线)与外部部件和处理(例如，外部处理电路系统14的微处理器)进行通信。处理电路系统14可以(例如，基于由通过通信总线20进行通信的其它计算单元提供的设置)将从mems惯性传感器12和其它传感器18接收到的信号转换成适当的测量单位，并且执行更复杂的处理以确定诸如朝向或欧拉角之类的测量，并且在一些实施例中，从传感器数据确定是否发生了特定活动(例如，步行、跑步、制动、打滑、滚转等)。

示例性mems惯性传感器(例如，mems惯性传感器12)可以包括一个或多个可移动检测质块，所述一个或多个可移动检测质块以允许mems惯性传感器(例如，mems加速度计或mems陀螺仪)测量沿着轴的期望的力(例如，线性加速度、角速度等)的方式被配置。在一些实施例中，一个或多个可移动检测质块可以从mems层内的锚定点悬置。例如，锚定点可以指相对于其它层固定的mems层的任何部分，诸如从平行于设备的mems层的层(例如，基板或盖层)、从设备的固定地接合到基板或盖层的mems层的框架，或者从mems设备的相对于可移动检测质块固定的任何其它合适的部分延伸的锚定件(anchor)。检测质块可以以使得它们响应于被测量的力而移动的方式被布置。测量并缩放检测质块响应于被测量的力而相对于固定表面(例如，延伸到mems层中或定位为平行于基板上的可移动质块的固定电极)的移动以确定期望的惯性参数。

惯性力的测量可以基于关于检测质块相对于固定电极的初始位置的设计参数(例如，在没有惯性力的情况下)以及检测质块响应于惯性力而相对于固定电极的预期相对移动。在一些实施例中，在mems层内悬置检测质块的各种部件可以被设计为促进在特定方向上的运动并抵抗在其它方向上的运动(例如，使用在特定方向上顺应并且在其它方向上刚硬的弹簧，或支持在特定方向上的移动并且抵抗在其它方向上的移动的杠杆)。以这种方式，尽管在多个方向(例如，x方向、y方向、z方向)上并且由于多种原因(例如，线性加速度、角速度等)存在惯性力和其它力，但mems传感器的检测质块仍然可以主要只响应于对于测量所期望的方向上的某些力。例如，在对于测量所期望的方向上，可移动检测质块可以被悬置成使得对要测量的方向上的特定力的响应大于对其它方向上的相同大小的力的响应。对于相同大小的力的期望的响应与不期望的响应的比率可能大很多倍，并且在一些设计中，远远超过一个数量级。

图2a示出了根据本公开的一些实施例的电极之间的静电条纹的示例性描绘。图2a的示例性实施例描绘了具有第一电位的两个电极202和204以及具有第二电位的第三电极206。虽然各个电极电位可以具有各种值，但是在本实施例中，各个电位差由各个电极上的正(+)和负(-)指示符来表示。

电极206可以基于电极之间的距离以及电极的各个形状与电极202和204中的每一个形成电容器。在示例性实施例中，为了便于说明，电极202/204/206中的每一个可以在y-z平面中具有矩形面，使得电极202的右侧y-z矩形面面对电极206的左侧y-z矩形面，并且电极206的右侧y-z矩形面面对电极204的左侧y-z矩形面。在图2a的示例性实施例中，假设相同的电极形状，基于电极之间的相对距离，由电极202和206形成的电容器的电容可以大于由电极204和206形成的电容器。

图2a还描绘了示例性静电场线，其描绘了各个电极之间的静电场(例如，静电场线222、224和226描绘了电极202和206之间的静电场，并且静电场线232、234和236描绘了电极204和206之间的静电场)。如图2a所示，在各个电极的面对表面彼此平行对准的位置处，静电场线是直的(例如，电极202和206的面对表面之间的直的静电场线226，以及电极204和206的面对表面之间的直的静电场线236)。静电场也在其它表面之间延伸，并基于电极表面的相对位置弯曲通过自由空间。例如，静电场线222描绘了电极202和206的顶角与顶表面之间的弯曲静电场，静电场线232描绘了电极204和206的顶角与顶表面之间的弯曲静电场，静电场线224描绘了电极202和206的底角和底表面之间的弯曲静电场，并且静电场线234描绘了电极202和206的底角和底表面之间的静电场。在图2a所示的示例性实施例中，没有其它部件位于电极202/204/206的附近干扰它们之间的静电场或引入附加的静电场。

图2b示出了根据本公开的一些实施例的在存在基板平面210的情况下电极之间的静电条纹的示例性描绘。图2b的电极202/204/206与图2a的电极202/204/206相同。在图2b中，在电极202/204/206的下方引入了附加的基板平面210(例如，位于基板层的表面上的静电屏蔽)。虽然电极202/204/206和基板平面210可以具有任何合适的形状和相对于彼此的相对位置，但是在示例性实施例中，电极202/204/206的底表面中的每个底表面可以形成面朝基板平面210的顶表面的x-y矩形面，而基板平面210可以具有面朝电极202/204/206的底表面的顶部x-y矩形面，使得基板平面的顶面平行于电极202/204/206的底表面。

在示例性实施例中，基板平面210可以具有与第一电位和第二电位不同的第三电位，例如接地。基板平面210位于相对靠近电极202/204/206的底角和底表面处。如此靠近静电场的基板平面210的存在可导致电极202/204/206之间的电容减小，这在图2b中被描绘为从静电场线224和234中的每一个去除静电场线中的一个。

图2c示出了根据本公开的一些实施例的在存在基板平面和移动的情况下电极之间的静电条纹的示例性描绘。图2b的电极202/204/206与图2a和2b的电极202/204/206相同，并且基板平面210与图2b的基板平面210相同，除了在于图2c中电极202/204/206相对于基板平面210以角度250移动。

由于电极的移动，电极204的底面比电极202的底表面明显更接近基板平面210。因此，由电极204和206形成的电容器230比由电极202和206形成的电容器220明显更接近基板平面210。与其中与各个电容器相关联的静电场受到的由于基板平面210的存在引起的影响类似的图2b不同，在图2c中存在移动的情况下，电容器中的每一个受到不同的影响。电容器220的电容增加(例如，与图2b相比，基于附加的静电场线224)，而电容器230的电容减小(例如，与图2b相比，基于较少的静电场线234)。

图3a示出了根据本公开的一些实施例的在不存在沿着x轴的线性加速度的情况下的x轴加速度计的示例性描绘。加速度计300可以采用检测质块302和支撑结构304。加速度计300还可以包括附接到第一锚定件312的第一固定电极318和附接到第二锚定件314的第二固定电极322。支撑结构304附接到第三锚定件306。检测质块302可以通过弹簧308和310柔性地附接到支撑结构304。

根据实施例，加速度计可以包括多个电容器：第一电容器c1在固定电极318的上部与检测质块电极316之间形成，并且第二电容器c2在检测质块电极316与固定电极322之间形成。图3a图示了没有加速度并且没有锚定件运动的情况。在这种情况下，信号s1和s2与电容器c1和c2相关联，并且可以被平衡，例如：

s1＝s2＝sa

根据实施例，与电容相关联的输出信号是电容c1和c2的线性组合。例如，输出电容信号soutput可以具有以下形式：

soutput＝s1-s2

因此，在没有加速度且没有锚定件运动并且电容(a)和信号(a)相同的示例情况下：

soutput＝s1-s2＝sa-sa＝0。

图3b示出了根据本公开的一些实施例的在存在沿着负x轴的线性加速度的情况下的x轴加速度计的示例性描绘。加速度计300对在x方向上的加速度敏感。如图3b所示，在沿着负x方向作用的x轴加速度的情况下，检测质块302经历在正x方向上的惯性力，并且由于被柔性地附接到支撑结构304，因此在正x方向上移动。相比之下，固定电极318和322被刚性地附接到相应的锚定件312和314，并且因此在加速度下基本上不移动。因此，电容c1增加而电容c2减小。这导致信号s1相应增加并且信号s2相应减小。结果产生的输出信号与沿着负x轴的线性加速度成比例，其中电容的变化(δa)对应于信号的变化(δ)

soutput＝s1-s2＝(sa+δ)-(sa-δ)＝2δ

图3c示出了根据本公开的一些实施例的在存在沿着正x轴的线性加速度的情况下的x轴加速度计的示例性描绘。如图3c所示，在沿着正x方向作用的x轴加速度的情况下，检测质块302经历在负x方向上的惯性力，并且由于被柔性地附接到支撑结构304，因此在负x方向上移动。相比之下，固定电极318和322被刚性地附接到相应的锚定件312和314，并且因此在加速度下基本上不移动。因此，电容c2增加而电容c1减小。这导致信号s2相应增加并且信号s1相应减小。结果产生的输出信号与沿着负x轴的线性加速度成比例，其中电容的变化(δ)对应于信号的变化(δ)：

soutput＝s1-s2＝(sa-δ)-(sa+δ)＝-2δ。

图4a示出了根据本公开的一些实施例的类似于图3的加速度计400的加速度计的示例性截面图(例如，为了便于说明，在图4a中省略了检测质块302的上臂和下臂以及支撑结构304，并且未绘出盖、基板和锚定件)。虽然在图4a中以特定的方式描绘和配置了特定的部件，但是将理解的是，加速度计400可以包括其它合适的部件和配置。图4a的截面图描绘了加速度计400的部件的有限子集，其通常包括mems层内的弹簧质块系统，包括各种部件，诸如弹簧、检测质块、耦合质块、杠杆臂、耦合器和使用半导体制造技术制造的其它合适的机电部件。

图4a中描绘的部件的集合提供了用于沿着轴的平面内电容感测的配置。虽然在图4a-6中没有详细描绘，但是弹簧、锚定件、柔性件、质块和其它部件可以被配置为促进沿着被感测的平面内的轴的运动(例如，通过沿着该轴为柔性)，同时限制沿着其它轴的运动(例如，通过沿着所述轴为刚性)。

在图4a的实施例中，加速度计400由多个结合层构成。虽然可以以各种方式构造mems设备，但在实施例中，mems设备可以包括mems层406和基板层410(例如，包括位于基板的上表面上的屏蔽层)，基板层410可以被结合(例如，到盖层，在图4a-6中未绘出结合)以形成气密密封包装。基板层410可以包括cmos电路系统并形成mems设备的cmos层，但是cmos电路系统可以驻留在设备的其它部分中，诸如盖层，或者在一些实施例中，位于mems管芯的外部。可以使用半导体制造技术来生产示例性mems层，以构造用于在诸如mems传感器(例如，加速度计、陀螺仪、压力传感器、麦克风等)应用中使用的微机械部件。示例性cmos层可以提供电子部件和器件在cmos层内的集成，并且还可以提供那些部件之间的互连。在一些实施例中，mems层406的部件可以是导电的，并且可以提供mems层406的部件与处理电路系统(诸如基板的cmos部分)之间的互连。作为示例，mems层406内的电路系统可以将mems层406的电气部件(例如，固定电极或可移动检测质块)电耦合到处理电路系统14或其它电气部件。

在示例性实施例中，mems层可以包括悬置弹簧质块系统，该悬置弹簧质块系统包括检测质块电极416，检测质块电极416通常可以对应于图3的检测质块电极316。固定电极418通常可以对应于固定电极318，并且固定电极422通常可以对应于固定电极322。

示例性加速度计400可以根据图中所示的轴作为x轴加速度计进行操作。固定电极418用正(+)号标记以指示对差分电容感测电路的第一输入(例如，提供给处理电路系统)，并且固定电极422用负(-)号标记以指示对差分电容感测电路的第二输入(例如，提供给处理电路系统)。响应于施加在加速度计400上的正x轴线性加速度，检测质块电极416可以沿着x轴在负x方向上移动，从而导致固定电极418感测到的电容的相对增加，以及固定电极422感测到的电容的相对减小。结果产生的差分输出信号可以与沿着正x轴的线性加速度的大小成比例。响应于负x轴线性加速度，检测质块电极416可以沿着x轴在正x方向上移动，从而导致固定电极418感测到的电容的相对减小和固定电极422感测到的电容的相对增加。结果产生的差分输出信号可以与沿着负x轴的线性加速度的大小成比例。

图4a还描绘了被形成为面对mems层406的下平面并且对应于图2b和2c中的基板平面210的基板层410(例如，电极屏蔽层)。基板层410可以位于mems层406下方并且平行于mems层的下表面。因此，在正常条件下，基板层410形成平行于mems层406的底部平面表面(例如，检测质块电极416的底部平面表面以及固定电极418和422的底部平面表面)的平面表面。在实施例中，基板层410处于与检测质块电极或固定电极不同的电位，并且在示例性实施例中，可以处于接地。

图4b示出了根据本公开的一些实施例的经历整个mems层的移动的图4a的x轴加速度计的示例性截面图。由于诸如制造过程中的变化和公差、在与其它部件的组装期间施加在mems传感器上的应力、或在操作期间暴露于极端条件下之类的原因，mems层406可能无法与mems传感器的其它层对准，使得电极416、418和422的下表面不再与基板平面410的上表面平行。

图4b描绘了围绕y轴的移动，出于说明目的，可以在图4b中强调该移动。虽然在图4b中仅描绘了y轴旋转，但是将理解的是，mems设备层可以具有被旋转的其它轴，并且在一些情况下，多个轴可以在单个mems传感器内旋转。与理想(即，平行)对准相比，绕x轴或y轴的旋转可以导致mems设备层404位于平面外(z轴旋转可以导致mems设备层在mems设备层的平面内旋转，并且可以导致mems设备层相对于下面的电极、锚定件以及与mems设备层相互作用的其它类似部件的未对准)。

如图4b所示，由于mems层406的移动，检测质块电极416的下表面以及固定电极418和422中的每一个不再与基板层410的上表面平行。如在图2a和2c中所描述的，该移动可以修改各个电极之间的静电场，并且因此修改由各个电极形成的每个电容器的电容。在图4b的实施例中，每个电极的内部面保持对准(例如，每个电极的在y-z平面内的内部面)，但是基板层410的存在修改了每个相应电容器的电容。因为它比在正常(平行平面)操作条件下离基板层410更远，因此c1(例如，在固定电极418和可移动电极416之间)的电容将增加。在电容器距基板层410最远的地方，该增加最大。因为它比在正常(平行平面)操作条件下更靠近基板层410，因此c2的电容(例如，在可移动电极416和固定电极422之间)将减小。在电容器最接近基板层410的地方，该减小最大。

即使在没有x轴加速度的情况下，与固定电极418相关联的总电容将增加，而与固定电极422相关联的总电容将减小，这导致将对应的差分信号提供给感测电路系统。该差分信号类似于通常响应于x轴加速度而产生的信号。响应于由移动引起的该差分信号，感测电路系统将输出指示沿着负x轴的加速度的信号。该视加速度(apparentacceleration)的大小(例如，“移动误差”)随着较大的移动而增加，并且随着较小的移动而减小。

在存在沿着x轴的线性加速度的情况下，每个电容器的电容将基于检测质块和mems层内电极的相对位置而变化。但是，由加速度计的感测电路系统和处理电路系统感测到的实际电容仍将经历与移动成比例的移动误差。

图4c示出了根据本公开的一些实施例的经历mems层的悬置弹簧质块结构的移动的图4a的x轴加速度计的示例性截面图。在一些情况下，诸如制造过程中的变化和公差、在与其它部件的组装期间施加在mems传感器上的应力、在操作期间暴露于极端条件下、或传感器随时间的正常磨损之类的各种因素可能导致悬置弹簧质块系统变得与mems层406未对准。即，虽然mems层406的固定部件保持与传感器的其它部件正确对准(例如，mems层406的固定部分的上表面与盖的下表面对准，并且mems层406的固定部分的下表面与基板层410的上表面对准)，但是mems层406的悬置弹簧质块部分的部件未正确对准(例如，mems层406的检测质块电极416的上表面相对于盖的下表面成角度，并且检测质块电极416的下表面相对于基板层410的上表面成角度)。

图4c描绘了悬置弹簧质块系统围绕y轴的移动，出于说明目的，可以在图4c中强调该移动。将认识到的是，虽然图4b和4c示出了检测质块和固定电极的两个特定的移动配置，但是其它配置也是可能的。

如图4c所示，由于悬置弹簧质块系统的移动，检测质块电极416的下表面不再与基板层410的上表面平行。如在图2c中所描述的，该移动可以修改各个电极之间的静电场，并且因此修改由各个电极形成的每个电容器的电容。因为它比在正常(平行平面)操作条件下离基板层410更远，因此c1(例如，固定电极418和可移动电极416)的电容将增加。在电容器距基板层410最远的地方，该增加最大。因为它比在正常(平行平面)操作条件下更靠近基板层410，因此c2(可移动电极416和固定电极422)的电容将减小。在电容器离基板层410较远的地方，该减小最大。

在图4c的实施例中，检测质块电极416的内部面不再在y-z平面内对准，并且因此不再平行于固定电极418和422的内部面。除了由基板层引起的电容变化之外，由于悬置弹簧质块系统的移动而导致的更大的未对准也导致电极之间的电容减小。在图4c的实施例中，由于电极之间的未对准，两个电容均减小。检测质块电极与固定电极418和422之间的未对准还降低了对线性加速度的灵敏度，即，由于特定的加速度大小而导致的电容变化小于正常条件。由于这种灵敏度的降低，用于计算线性加速度以及传感器融合输出的各种缩放因子和参数可能不准确。

即使在没有x轴加速度的情况下，基于由于检测质块电极416-416与基板层410的距离增加而导致的电容的相对增加，以及由于与检测质块电极未对准而导致的电容的相对减小，与固定电极418相关联的总电容也将变化。基于由于检测质块电极416与基板层410的距离减小而导致的电容的相对减小，以及由于与检测质块电极未对准而导致的电容的相对减小，与固定电极422相关联的总电容将减小。因为由于悬置弹簧质块系统的移动而导致固定电极418和422经历不同的电容变化，因此即使不存在沿着x轴的线性加速度，感测电路系统也将输出指示沿着负x轴的加速度的信号(例如，移动误差信号)。

在存在沿着x轴线的性加速度的情况下，每个电容器的电容将基于mems层内电极的相对位置而变化。由于不同的电容器会经历不同程度的未对准，因此由于线性加速度而引起的每个电容器的电容变化对于不同的电容器可能不同。

图5示出了根据本公开的一些实施例的图4a-4c的x轴加速度计的示例性截面图，该x轴加速度计包括用于移动补偿的两个辅助电极。在图5的示例性实施例中，整个mems层506围绕y轴移动，以相对于基板层510形成角度(例如，类似于图4b)。但是，图5的辅助电极也可以用于其它移动场景，诸如围绕多个轴的移动或mems层506的仅一部分的移动(例如，仅悬置弹簧质块系统的移动)。

辅助电极可以位于mems传感器的表面上，该mems传感器的表面在移动mems层506内的一个或多个部件时与所述一个或多个部件的一个或多个表面形成角度。虽然示例性辅助电极502和508被描绘为位于mems层506的下表面下方的基板的上表面上，但是辅助电极可以被放置在响应于mems层内感兴趣的部件的平面外移动的任何位置的任何表面(例如，盖层的下表面)上。

辅助电极502可以具有电位并且可以与固定电极518形成电容器c3，而辅助电极508可以具有电位并且可以与固定电极522形成电容器c4。在一些实施例中，可以将输出信号s3和s4作为差分信号提供给感测电路系统。在没有固定电极518和522的平面外移动的情况下，电容c3和c4以及信号s3和s4可以相等。如果如图5所示固定电极518和522围绕y轴移动，那么c3的电容可以减小，而c4的电容可以增加。结果产生的辅助信号s3和s4可以或者单独地(作为辅助信号s3和s4)或者作为差分辅助信号(基于s3和s4之间的差)用于评估移动并对移动进行补偿。

在一些实施例中，补偿可以通过对感测到的加速度信号进行模拟或数字修改、通过执行补偿的软件、通过直接修改与加速度信号相关联的感测到的电容或其任何合适的组合来执行。在感测到的加速度信号的模拟或数字修改的示例性实施例中，mems层传感器部件(例如，固定电极518和522和/或检测质块电极516)可以输出表示电极(例如，固定电极518和522)的总电容的信号。在一些实施例中，诸如放大器和加法器之类的电路系统可以基于单独的辅助信号或差分辅助信号来单独地修改每个电容信号。在一些实施例中，电路系统可以基于差分辅助信号来修改(例如，根据从固定电极518和522输出的信号来确定的)差分输出信号。在一些实施例中，这样的修改可以基于期望的辅助电极输出信号与对感测电容的移动影响之间的已知缩放因子。

在软件补偿的示例性实施例中，感测信号和辅助信号可以单独地和/或作为差分信号提供给处理电路系统14，该处理电路系统14可以执行指令以补偿mems传感器层中一个或多个部件的移动。

在图5的实施例中，由于固定电极518的一部分远离辅助电极502的移动，电容c3随着移动的增加而减小。电容的这种减小可以抵消固定电极518与检测质块电极516的电容器(例如，其现在离基板层510更远)的电容的增加。通过适当地调整辅助电极502的尺寸，可以基于固定电极518和辅助电极502之间的电容器c3的减小的电容来消除固定电极518和检测质块电极516的电容器所经历的电容的增加。在图5的实施例中，由于固定电极522朝着辅助电极508的移动，电容c4随着移动的增加而增加。电容的这种增加可以抵消固定电极522和检测质块电极516的另一个电容器(例如，其更靠近基板层510)的电容的减小。通过适当地调整辅助电极508的尺寸，可以基于在固定电极522和辅助电极508之间的电容器c4的增加的电容来消除固定电极522和检测质块电极516所经历的电容的减小。

辅助电极可以被放置在多个合适的位置中，从而以识别部件的移动的方式创建与mems层的一个或多个部件的电容器，以及，在一些实施例中，执行对部件移动的补偿。作为这样的实施例的另一个示例，图6示出了图4a-4c的x轴加速度计的示例性截面图，其包括位于检测质块电极616(例如，其对应于检测质块电极416和516)下方的辅助电极602和608。在图6的实施例中，仅描绘了mems层606的加速度计的悬置弹簧质块系统的移动，但是应该理解的是，图6的配置也可操作以执行对整个mems层606的移动的测量和补偿。

辅助电极602可以具有电位并且可以与检测质块电极616的负x轴部分形成电容器c3，并且辅助电极608可以具有电位并且可以与检测质块电极616的正x轴部分形成电容器c4。在图6的示例性实施例中，电容器c3和c4中的每一个的值基于悬置弹簧质块系统的移动。在图6的实施例中，由于检测质块电极616的一部分远离辅助电极602的移动，电容c3随着移动的增加而减小。电容的这种减小可以抵消固定电极618与检测质块电极616的电容器(例如，其现在离基板层610更远)的电容的增加。通过适当地调整辅助电极602的尺寸，可以基于检测质块电极616和辅助电极602之间的电容器c3的减小的电容来消除固定电极618和检测质块电极616的电容器所经历的电容的增加。在图6的实施例中，由于检测质块电极616的一部分朝着辅助电极608的移动，电容c4随着移动的增加而增加。电容的这种增加可以抵消固定电极622和检测质块电极616的另一个电容器(例如，其更靠近基板层510)的电容的减小。通过适当地调整辅助电极608的尺寸，可以基于检测质块电极616的一部分和辅助电极608之间的电容器c4的增加的电容来消除固定电极522和检测质块电极516所经历的电容的减小。

在一些实施例中(图5和6中未绘出)，辅助电极可以放置在多个位置处(例如，在固定电极和检测质块电极下方)和/或辅助电极可以位于多个电极之间。因此，基于每个电容器的电容变化的比较，可以确定是仅悬置弹簧质块系统被移动还是整个mems层被移动。在一些实施例中，可以基于移动的类型或其严重性来提供警报、通知和警告。在一些实施例中，可以基于移动的类型来改变补偿过程和方法，例如，以当仅悬置弹簧质块系统被移动时才考虑电极在mems层内未对准。在示例性实施例中，一些辅助电极也可以用作补偿电极，该补偿电极用于根据检测质块和固定电极的移动来修改感测到的电容。

图7描绘了根据本公开的一些实施例的差分电容感测的示例性有效电容。虽然在实施例中，电容器702可以对应于(例如，图3-6的)第一电容器c1，并且电容器704可以对应于(例如，图3-6的)第二电容器c2，但是将理解的是，可以以各种方式耦合和配置差分电容器，并且可以以差分配置来配置任何合适数量的电容器。(例如，从检测质块或固定电极)生成的感测信号可以被逻辑地或物理地组合以得到具有有效电容的差分电容器ceffective的值(例如，如图3-6所述)。如上所述，在检测质块电极和固定电极之间不存在相对移动的情况下，电容可以取消，从而导致ceffective电容为零。相对移动导致电容的变化(例如，如图3-6的上下文中所述，电容的按比例的正变化和负变化)，这导致与移动量成比例的ceffective的电容的增加。

图8描绘了根据本公开的一些实施例的用于执行测量的示例性处理电路系统。在图8的实施例中，差分电容器802(例如，图7的电容器706)具有与一个或多个检测质块电极响应于被测量的惯性力(例如，线性加速度)而相对于一个或多个固定电极的移动成比例的有效电容。差分电容器802输出被提供给放大器，诸如电容到电压(c2v)电路804，其可以提供缩放和放大，并且输出与差分电容器802输出的有效电容成比例的信号(例如，电流或电压)。c2v输出可以被提供给模数转换器(adc)806，其将数字数据输出到数字电路系统808，该数字数据与c2v电路804输出的模拟值对应，该模拟值进而与差分电容器802的有效电容对应，该有效电容进而与一个或多个检测质块电极响应于线性加速度而相对于固定电极的移动对应。数字电路系统808可以执行诸如缩放和分析的功能以输出线性加速度或可以从线性加速度导出的参数，该输出可以被提供给软件810以进行进一步分析，诸如进一步的缩放和分析。

图9描绘了根据本公开的一些实施例的用于执行移动补偿的示例性处理电路系统。在图9的实施例中，感测差分电容器902(例如，图7的电容器706)具有与一个或多个检测质块电极响应于期望被测量的惯性力(例如，线性加速度)而相对于一个或多个固定电极的移动成比例的有效电容。补偿差分电容器904(例如，图7的电容器706)具有与mems层的一个或多个部分(例如，检测质块电极和/或固定电极)相对于一个或多个辅助电极的移动(例如，相对于位于基板平面上的辅助电极的平面外移动)成比例的有效电容。感测差分电容器902输出和补偿差分电容器904输出在节点906处被电组合(例如，通过直接电连接)，从而提供与检测质块电极相对于固定电极的移动成比例的组合差分输出信号，其中电气地消除了因平面外移动而产生的影响。组合差分输出信号从节点906提供给c2v电路908，c2v电路908可以提供缩放和放大，并且输出与组合差分输出信号的有效电容成比例的信号(例如，电流或电压)。c2v输出可以被提供给模数转换器910，该模数转换器910将数字数据输出到数字电路系统912，该数字数据与c2v电路908输出的模拟值对应，该模拟值进而与组合差分电容对应，该组合差分电容进而与具有对于平面外移动的补偿的一个或多个检测质块电极响应于线性加速度而相对于固定电极的移动对应。数字电路系统912可以执行诸如缩放和分析的功能以输出线性加速度或可以从线性加速度导出的参数，该输出可以被提供给软件914以进行进一步分析，诸如进一步的缩放和分析。

图10描绘了根据本公开的一些实施例的用于执行移动补偿的示例性处理电路系统。在图10的实施例中，感测差分电容器1002输出具有与一个或多个检测质块电极响应于期望被测量的惯性力(例如，线性加速度)而相对于一个或多个固定电极的移动成比例的有效电容。补偿差分电容器1004输出具有与mems层的一个或多个部分(例如，检测质块电极和/或固定电极)相对于一个或多个辅助电极的移动(例如，相对于位于基板平面上的辅助电极的平面外移动)成比例的有效电容。感测差分电容器1002输出被提供给c2v电路1006，c2v电路1006可以提供缩放和放大，并且输出与感测差分输出信号的有效电容成比例的信号(例如，电流或电压)。补偿差分电容器1004输出被提供给c2v电路1008，c2v电路1008可以提供缩放和放大，并且输出与补偿差分输出信号的有效电容成比例的信号(例如，电流或电压)。c2v电路1006和c2v电路1008的输出被提供给放大器1010，放大器1010执行减法和缩放功能，从而提供与检测质块电极相对于固定电极的移动成比例的组合差分输出信号，其中电气地消除了因平面外移动而产生的影响。放大器1010输出可以被提供给模数转换器1012，该模数转换器1012将数字数据输出到数字电路系统1014，该数字数据与放大器1010输出的模拟值对应，该模拟值进而与组合差分电容对应，该组合差分电容进而与具有对平面外移动的补偿的一个或多个检测质块电极响应于线性加速度而相对于固定电极的移动对应，其中。数字电路系统1014可以执行诸如缩放和分析的功能以输出线性加速度或可以从线性加速度导出的参数，该输出可以被提供给软件1016以进行进一步分析，诸如进一步的缩放和分析。

图11描绘了根据本公开的一些实施例的用于执行移动补偿的示例性处理电路系统。在图11的实施例中，感测差分电容器1102输出具有与一个或多个检测质块电极响应于期望被测量的惯性力(例如，线性加速度)而相对于一个或多个固定电极的移动成比例的有效电容。补偿差分电容器1104输出具有与mems层的一个或多个部分(例如，检测质块电极和/或固定电极)相对于一个或多个辅助电极的移动(例如，相对于位于基板平面上的辅助电极的平面外移动)成比例的有效电容。感测差分电容器1102输出被提供给c2v电路1106，c2v电路1106可以提供缩放和放大，并且输出与感测差分输出信号的有效电容成比例的信号(例如，电流或电压)。补偿差分电容器1104输出被提供给c2v电路1108，c2v电路1108可以提供缩放和放大，并且输出与补偿差分输出信号的有效电容成比例的信号(例如，电流或电压)。c2v电路1106的输出被提供给模数转换器1110，该模数转换器1110将数字数据输出到数字电路系统1114，该数字数据与c2v电路1106输出的模拟值对应，该模拟值进而与一个或多个检测质块电极响应于线性加速度而相对于固定电极的移动对应。c2v电路1108的输出被提供给模数转换器1112，该模数转换器1112将数字数据输出到数字电路系统1114，该数字数据与c2v电路1108输出的模拟值对应，该模拟值进而与mems层的一部分相对于辅助电极的移动(例如，平面外移动)对应。数字电路系统1114从模数转换器1110和模数转换器1112接收数字信号，并执行数字运算(例如，减法和缩放)以确定表示被补偿的线性加速度的组合信号。数字电路系统1114也可以执行诸如缩放和分析的功能以输出线性加速度或可以从线性加速度导出的参数，该输出可以被提供给软件1116以进行进一步分析，诸如进一步的缩放和分析。

图12描绘了根据本公开的一些实施例的用于执行移动补偿的示例性处理电路系统。在图12的实施例中，感测差分电容器1202输出具有与一个或多个检测质块电极响应于期望被测量的惯性力(例如，线性加速度)而相对于一个或多个固定电极的移动成比例的有效电容。补偿差分电容器1204输出具有与mems层的一个或多个部分(例如，检测质块电极和/或固定电极)相对于一个或多个辅助电极的移动(例如，相对于位于基板平面上的辅助电极的平面外移动)成比例的有效电容。感测差分电容器1202输出被提供给c2v电路1206，c2v电路1206可以提供缩放和放大，并且输出与感测差分输出信号的有效电容成比例的信号(例如，电流或电压)。补偿差分电容器1204输出被提供给c2v电路1208，c2v电路1208可以提供缩放和放大，并且输出与补偿差分输出信号的有效电容成比例的信号(例如，电流或电压)。c2v电路1206的输出被提供给模数转换器1210，该模数转换器1210将数字数据输出到数字电路系统1214，该数字数据与c2v电路1206输出的模拟值对应，该模拟值进而与一个或多个检测质块电极响应于线性加速度而相对于固定电极的移动对应。c2v电路1208的输出被提供给模数转换器1212，该模数转换器1212将数字数据输出到数字电路系统1216，该数字数据与c2v电路1208输出的模拟值对应，该模拟值进而与mems层的一部分相对于辅助电极的移动(例如，平面外移动)对应。数字电路系统1214从模数转换器1210接收数字信号，以通过执行诸如缩放和分析之类的功能来确定表示线性加速度的感测信号，从而输出线性加速度或可以从线性加速度导出的参数，该输出可以被提供给软件1218。数字电路系统1216从模数转换器1212接收数字信号，以通过执行诸如缩放和分析之类的功能来确定表示平面外移动的补偿信号，从而输出线性加速度或可以从线性加速度导出的参数，该输出可以被提供给软件1218。软件1218接收来自数字电路系统1214和数字电路系统1216的输出，并且执行软件操作(例如，减法和缩放)以确定表示被补偿的线性加速度的组合信号，并且可以进一步执行附加的分析和缩放。

图13描绘了根据本公开的一些实施例的用于执行移动补偿的方法的示例性步骤。虽然在本公开的特定加速度计的上下文中描述了图13，但是应该理解的是，本文和图13中描述的设计、部件、配置、方法和步骤可以应用于各种合适的加速度计和其它利用平面内感测并经历平面外移动的mems传感器，包括惯性传感器，诸如陀螺仪。虽然在图13中描绘了步骤的特定顺序和流程，但是应该理解的是，在一些实施例中，可以修改、移动、移除或添加一个或多个步骤，并且可以修改图13中描绘的流程。

在步骤1302处，可以基于相对于检测质块电极的总电容和向其提供的电位，从固定和/或检测质块电极(例如，固定电极)接收信号。电容可以基于固定电极和检测质块电极中的每个的尺寸以及它们之间的距离。如本文所述，在一些实施例中，可以从多个固定电极接收感测信号。在一些实施例中，感测信号可以包括接收到的信号和/或从其生成的差分信号。一旦接收到(一个或多个)感测信号，处理就可以继续到步骤1304。为了清楚起见，顺序地示出了步骤1302和1304，但是实际上这些步骤可以同时发生。

在步骤1304处，可以从辅助电极接收一个或多个信号。还可以向辅助电极提供电位以促进接收信号。如本文所述，接收到的信号可以表示每个辅助电极(或其组合)与mems层的一部分之间的电容以及提供给其的电位，其中电容基于mems层或其部件在平面外朝相应的辅助电极或远离相应的辅助电极的移动而变化。一旦从辅助电极接收到一个或多个信号，那么处理可以继续到步骤1306。

在步骤1306处，可以确定是否组合感测信号和辅助信号。如果信号不被组合，那么处理可以继续到步骤1314。在实施例中，信号可以通过直接组合信号的电路系统被直接组合(即，物理连接导致表示组合电容的公共信号)，诸如本文图9中描述的。如果信号将被组合，那么处理可继续到步骤1308，在步骤1308中执行组合，并从那里进行到步骤1310。在步骤1310处，如果信号的组合是要执行的唯一补偿，那么处理可以继续到步骤1312，并且可以确定加速度。如果要执行附加补偿，那么处理可以继续到步骤1314。

在步骤1314处，可以确定是否要在本地(即，在处理电路系统14内，例如，通过mems传感器处的模拟和/或数字电路系统，诸如通过asic，而不是通过接收到的电荷信号的直接组合)基于一个或多个辅助信号修改一个感测信号(例如，差分感测信号)或多个感测信号，诸如本文图10和/或图11中所描述的。如果不要执行本地修改，那么处理可以继续到步骤1320。如果要执行本地修改，那么处理可以继续到步骤1318，在步骤1318处，可以基于辅助信号将补偿技术(例如，模拟和/或数字补偿，并且在一些实施例中，缩放因子的修改等)应用于一个或多个感测信号。然后处理可以继续到步骤1320，在步骤1320处，确定修改之后补偿是否完成。如果补偿完成，那么处理可以继续到步骤1312，在步骤1312处，基于修改后的感测信号确定加速度。如果补偿未完成，那么处理可以继续到步骤1322。

在步骤1322处，可以将一个或多个辅助信号提供给处理系统，诸如处理电路系统14的处理器、作为mpu的部件的微处理器或其它类似的处理设备。一旦将一个或多个辅助处理信号提供给处理系统，处理就可以继续到步骤1324，在步骤1324处，可以基于辅助和/或其它信号来执行附加处理，以便执行补偿，例如，如在图12中在本文中所描述的。一旦已经执行了补偿，处理就可以继续到步骤1312，在步骤1312处，可以基于被补偿的感测信号来确定加速度。

前述描述包括根据本公开的示例性实施例。提供这些示例仅出于说明的目的，而非出于限制的目的。将理解的是，可以以与本文中明确描述和描绘的形式不同的形式来实现本公开，并且可以由本领域的普通技术人员与所附权利要求一致地实现各种修改、优化和变化。