具有差分电容输出的压力传感器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种具有差分电容输出的压力传感器。提供了一种MEMS压力传感器装置(200,400,500,600)，其不仅可以提供关于外部压力的线性输出，而且提供差分电容输出以便改进信号振幅水平。这些优势通过使用旋转检测质量(250,420,520)被提供，其中该旋转检测质量从配置在旋转检测质量两端的电极生成电容输出(283,293)。可以然后通过使用从旋转检测质量末端生成的电容之间的差来生成传感器输出。这种配置的附加好处是，与传统MEMS压力传感器相比，差分电容输出相对于外部压力改变以更加线性的方式改变。
【专利说明】具有差分电容输出的压力传感器
【技术领域】
[0001]本公开总体上涉及压力传感器，并且，更具体的说，涉及具有提供差分电容输出信号的“跷跷板”设计的压力传感器。
【背景技术】
[0002]现代交通工具越来越多地利用传感器来确定该交通工具的轮胎内是否具有足够的气压。利用射频(RF)数据链路使用轮胎内压力传感器的直接轮胎压力监测通常用于测量轮胎压力。
[0003]在一种类型的轮胎压力监测系统(TPMS)中，利用一种微机电系统(MEMS)压力传感器装置，其被配置为感测在该MEMS压力传感器装置外部的压力激励。通过使用暴露于外部环境的隔膜作为感测电容器的一个电极(而感测电容器的另一个电极是固定的)，这种MEMS压力传感器装置以电容方式测量压力改变。以这种方式，隔膜随着外部压力的改变而变形，从而改变电容信号。这种系统的一个缺点是，由于电容和电容器极板间的距离成反比关系，信号中的变化是非线性的。这种系统的另一个缺点是，相比于提供差分电容输出的其它类型MEMS传感器，输出信号较弱。
[0004]因此，希望具有一种压力传感器装置，其提供相对于外部压力改变的更加线性的输出信号，并且输出信号源自差分电容，以便增加信号电平。
【专利附图】
【附图说明】
[0005]通过参考附图，本发明可以被更好的理解，并且其多个目的、特征，以及优势对本领域技术人员来说会很明显。
[0006]图1是图示传统MEMS压力传感器的截面侧视图的简化框图。
[0007]图2是根据本发明的实施例、图示MEMS压力传感器装置的截面的简化框图。
[0008]图3是图示MEMS压力传感器装置的一部分的顶视图的简化框图。
[0009]图4是图示MEMS压力传感器装置的替代实施例的顶视图的简化框图。
[0010]图5是图示提供用于测量压差的能力的MEMS压力传感器装置的另一个替代实施例的顶视图的简化框图。
[0011]图6是图示利用单一旋转检测质量(proof mass)提供两个隔膜的MEMS压力传感器装置的另一个替代实施例的顶视图的简化框图。
[0012]图7是图示在图6中图示的MEMS压力传感器装置的截面图的简化框图。
[0013]图8是图示本发明实施例可用的轮胎压力监测系统800的简化框图。
[0014]除非另有说明，不同附图中使用的相同附图标记表示相同的元素。附图不一定按比例绘制。
【具体实施方式】
[0015]本发明实施例提供一种MEMS压力传感器装置，该MEMS压力传感器装置不仅可以提供关于外部压力的线性输出，而且提供差分电容输出，以便改进信号振幅水平。通过使用旋转检测质量(例如，“跷跷板”)，其中该旋转检测质量从配置在旋转检测质量两端的电极生成电容输出，本发明的实施例提供这些好处。然后可以通过使用从旋转检测质量末端生成的电容的差来生成传感器输出。这种配置的附加好处是，与从传统MEMS压力传感器输出的电容相比，差分电容输出相对于外部压力改变以更加线性的方式改变。
[0016]图1是图示现有技术MEMS压力传感器的截面侧视图的简化框图。MEMS压力传感器装置100包括衬底110，例如硅晶圆。本发明所描述的衬底可以是任何半导体材料或材料的组合，例如砷化镓、硅锗、绝缘体上硅(SOI)、硅、单晶硅等等以及上面的组合。在一些实施例中，衬底可以是半导体材料的体衬底晶圆。在其它实施例中，衬底可以包括多层，至少其中一层包括半导体材料。例如，在一些情况下，衬底110可以包括介电层。
[0017]位于衬底110顶面上的是例如由局部氧化硅(LOCOS)工艺所形成的二氧化硅120的绝缘层。位于二氧化硅120顶部的是位于腔区域140上的隔膜130。隔膜130例如由多晶硅形成并且响应于通过腔140提供给隔膜的外部流体压力是可变形的。隔膜130可以通过使用常规的或专有技术，例如CVD技术、PVD技术等等或其任何组合进行生长或沉积。介电层150被形成以将隔膜130和MEMS压力传感器装置100的其它元件电隔离开。介电层150可以由各种材料形成，例如包括氮化硅、二氧化硅、氧氮化硅等等。
[0018]基准元件160形成于包括隔膜130的区域上方。基准元件160是一机械娃元件，该机械硅元件可以例如从通过使用高纵横比微机电系统工艺形成的硅或多晶硅形成。基准元件160可以包括通孔165，该通孔165在加工期间不仅可以在隔膜130之上形成腔区域，而且还向隔膜130的背面提供基准压力的穿过。帽170附着于衬底层压板的顶面，从而提供气封区域180。帽170可以通过各种已知处理方法，例如，玻璃熔块接合、金属共晶接合等等附着于衬底层压板。气封区域180可以被提供有所需基准压力，其中针对该所需基准压力来测量外部压力。
[0019]隔膜130和基准元件160形成感测电容器165的电极。由于响应于在腔区域140内活动的在MEMS压力传感器装置100的外部的压力而出现的隔膜130的变形，来部分地确定感测电容器的电容。如上面所讨论的，电容相对于隔膜130和基准元件160之间的距离以反比关系发生改变。因此电容改变和压力改变之间的关系是非线性的。
[0020]图2根据本发明的实施例、图示MEMS压力传感器装置200的截面的简化框图。如所图示的，MEMS压力传感器装置200在暴露于压力传感器装置的外部的压力的隔膜和旋转检测质量之间提供连结件，其中该旋转检测质量进而可以提供差分电容输出。
[0021]衬底210被提供有绝缘层220。如图1，衬底210可以是硅晶圆而绝缘层220可以是二氧化硅。连同电极280和电极290 —起，隔膜230形成于绝缘层220的顶部。还如图1，形成隔膜230以及电极280和电极290的层可以是多晶硅，并且可以使用常规的技术被形成。介电层235被形成以将隔膜230和例如电极280和290之类的MEMS压力传感器装置100的其它元件电隔离开。介电层235可以由各种材料形成，例如包括氮化硅、二氧化硅、氧氮化硅等等。
[0022]隔膜230响应于通过由腔240限定的区域施加到该隔膜的流体压力是可变形的。随着隔膜230的变形，耦合隔膜和旋转检测质量250的连结件255使旋转检测质量250绕着枢轴点260旋转。帽270附着于衬底层压板的顶面，从而提供气封区域273。如图1的帽，可以使用各种方法将帽270附着。
[0023]隔膜230的移动使旋转检测质量250以类似于跷跷板的移动的方式移动，这意味着当一侧上升(例如，侧275 )的时候，相对侧(例如，侧285 )下降。可以以使得通过枢轴点260使旋转检测质量是平衡的方式来配置旋转检测质量250。这将具有效果:使装置对施加到整个装置的加速度较不敏感或者不敏感。从旋转检测质量的一侧285配置的电极与固定电极280相关联以形成第一可变感测电容器283。从旋转检测质量的一侧285配置的电极与固定电极290相关联以形成第二可变感测电容器293。
[0024]第一和第二可变感测电容器的电容改变可以被组合以从MEMS压力传感器装置200提供差分输出。差分输出的一个优势是信号是两个电容的组合，并且因此是较强的信号。差分输出的另一个优势是，与MEMS压力传感器装置100相比，响应于所施加的外部压力的改变的差分输出的改变之间的关系更加线性。
[0025]通过使用已知的MEMS工艺执行MEMS压力传感器装置200的制作。
[0026]图3是图示MEMS压力传感器装置200的一部分的顶视图的简化框图。旋转检测质量250被图示为具有在被条区域305附着的侧275和285上的叶片。枢轴260由锚固件310来固定，其允许旋转检测质量的旋转运动。隔膜230被图示为偏移到枢轴260的右边并且通过连结件255附着于条区域。在一个实施例中，从枢轴260的中心到在侧285的叶片的质量的中心的距离LI大约是300微米。在相同实施例中，从枢轴260的中心到连结件255的距离L2大约是100微米。由于隔膜和连结件(以及施加于隔膜外侧的任何保护凝胶)给旋转检测质量的一侧(例如，右侧，如所图示的)添加重量，平衡配重物320可以形成于旋转检测质量的相对侧以进行补偿。平衡配重物有助于避免旋转检测质量经历的任何加速度效应。这可以是对于例如轮胎压力监测系统之类的应用的考虑，其中在该轮胎压力监测系统中，压力传感器装置可能经历各种加速度。
[0027]图2和图3的实施例允许测量MEMS压力传感器装置200外部的压力。但是该实施例对测量多个压力之间的差可能不理想。而且，诸如二次成型的附加封装技术可能引起改变行为的可活动结构上的各种应力。下面的实施例可以解决其中的一些问题。
[0028]图4是根据本发明的实施例、图示MEMS压力传感器装置400的替代实施例的顶视图的简化框图。对外部压力进行响应的隔膜410可能引起两个旋转检测质量420和430的运动。隔膜410通过一对连结件435和440耦合于两个旋转检测质量。随着隔膜410由于外部压力发生变形，旋转检测质量在相对方向旋转。旋转检测质量420和430的配置类似于图3中图示的旋转检测质量250的配置。旋转检测质量420在相对的末端422和424具有叶片并且绕着枢轴426旋转。此外，配重物428被提供以平衡隔膜410、以及连结件435和440的重量效应。类似地，旋转检测质量430在相对的末端432和434具有叶片并且绕着枢轴436旋转，并且具有配重物438。
[0029]图示为MEMS压力传感器装置400的实施例的一个优势是，通过后续加工(例如，二次成型)强加在装置封装上的任何应力、温度变化等等可以被两个旋转检测质量的相同移动或相对移动消除。这可以引起减少或消除由压力传感器装置进行测量时的应力效应。该实施例的另一个优势是增大压力传感器装置的信号强度，因为存在由旋转检测质量形成的多个感测电容器。处理装置，例如专用集成电路(ASIC)可以被配置为接收和集合各种电容以比在单一旋转检测质量配置内更准确地确定外部压力效应。而且，这可以被完成，而不增加外部端口大小，导致隔膜410 (例如，形成于衬底内的腔)、或多个隔膜接收外部压力。
[0030]图5是图示根据本发明的实施例的、提供测量压差的能力的MEMS压力传感器装置500的替代实施例的顶视图的简化框图。如MEMS压力传感器装置400，一对旋转检测质量被提供。然而，在这种情况下，两个隔膜510和515被提供，并且每个隔膜分别与单独的旋转检测质量520和530相关联。由于具有两个隔膜，不同压力可以被施加到每个隔膜并且压差可以被测量。
[0031]图5中提供的每个旋转检测质量配置类似于图3中图示的配置。例如，旋转检测质量520包括每个末端522和524的叶片并且绕着枢轴526旋转，并且具有配重物528，用于补偿与隔膜510和连结件512以及例如凝胶的任何附加障碍物相关联的重量。类似地，旋转检测质量530包括在每个末端532和534的叶片并且绕着枢轴536旋转，并且具有配重物538，用于补偿与隔膜515和连结件517以及任何附加障碍物相关联的重量。
[0032]在所图示的实施例中，两个旋转检测质量配置共享每个末端的固定底部电极540和550。替代实施例给两个旋转检测质量提供单独的固定底部电极。应当应解，由旋转检测质量和固定电极形成的可变感测电容器提供的信号处理将根据各种电极的配置发生变化。解释信号的处理器(例如，ASIC)的设计将耦合于MEMS压力传感器装置的设计。
[0033]MEMS压力传感器装置500被配置为测量暴露于隔膜510的压力和暴露于隔膜515的压力之间的压差。如所图示的，旋转检测质量被配置为响应于膈膜上的增加的压力在相对方向旋转。如MEMS压力传感器装置400，旋转检测质量的相对旋转可以消除封装应力。除测量两个不同压力之间的压差之外，MEMS压力传感器装置500也可以被用于提供参比室以补偿封装应力。例如通过在隔膜内放孔或不在隔膜下面提供腔，该参比室可以具有零压力灵敏度。
[0034]图6是图示利用单一旋转检测质量提供两个隔膜的MEMS压力传感器装置的替代实施例的顶视图的简化框图。隔膜610和620通过连结件615和625分别耦合于旋转检测质量630。如先前的实施例，
[0035]隔膜610和620被配置为响应于MEMS压力传感器装置600外部的压力的改变是可变形的。如所图示的，叶片形成于旋转检测质量630的末端640和650。所有这些叶片或一部分叶片可以被配置为可变电容器的电极，如在下面将要更全面讨论的。
[0036]图7是根据图6中图示的替代实施例、图示MEMS压力传感器装置600的截面图的简化框图。如先前所讨论的实施例，衬底705被提供，该衬底例如可以由硅晶圆形成。位于衬底705顶面上的是绝缘层707，例如二氧化硅。隔膜610和620连同电极750和760 —起形成于氧化层顶面上，其中电极750和760形成感测电容器的固定部分，如在下面将要更全面讨论的。形成隔膜和电极的层可以例如由多晶硅形成。介电层709被形成以将隔膜从电极等等电解耦。根据应用，介电层709可以由各种介电质材料形成。根据上面所讨论的，隔膜610和620分别通过连结件615和625耦合于旋转检测质量630。连结件615和625可以通过枢轴布置710和720耦合于旋转检测质量。通过穿过枢轴点将连结件耦合，这允许旋转检测质量响应于由外部压力引起的每个隔膜的位移而独立旋转。外部压力可以分别穿过形成于衬底内的腔730和740被施加于隔膜610和620。
[0037]与固定电极750和760相关联的电极可以形成于旋转检测质量630的末端640和650以分别形成可变电容器770和780。来自这些可变电容器的信号可以被用于评估穿过腔730和740被施加的压力之间的压差。
[0038]图8是图示与本发明实施例相关联可用的轮胎压力监测系统800的简化框图。TPMS是使用的体现本发明的实施例的压力传感器装置的一个例子。轮胎压力监测系统(TPMS) 800包括两个部分:车轮模块805和接收机部分855。车轮模块805通常位于交通工具上的一个或多个轮胎内，而接收机部分845包含在轮胎外部。
[0039]车轮模块805包括耦合于用于车轮模块的电源的电源管理电路810。电源管理电路810为模拟接口 815、处理控制器835、以及射频(RF)发射机840独立供电。而且，压力传感器820、温度传感器825、以及一个或多个各种传感器830可以直接从电源管理电路810接收电源或通过模拟接口 815接收电源。压力传感器820的输入输出被连接到模拟接口815的第一信号输入/输出。温度传感器825的输入输出被连接到模拟接口 815的第二信号输入输出。各种传感器830的输入/输出被连接到模拟接口 815的第三信号输入输出。模拟接口 815还被连接到处理控制器835的输入/输出。并且处理控制器835的输入/输出耦合于RF发射机840的输入/输出。RF发射机840具有用于传送由RF接收机850的天线接收的RF信号的天线。仅仅通过举例的方式，用作RF频率的频率的例子是从300MHz到IGHz。
[0040]接收机部分845包括RF接收机850、处理器855以及显示器860。RF接收机850的输出被连接到处理器855的输入。显示器860被连接到处理器855的输出。
[0041]在操作中，车轮模块805被安装在交通工具的轮胎内。当压力传感器820被上电的时候，压力传感器820起到感测轮胎压力的作用。压力传感器820可以包括例如在图2和3中所图示的本发明的实施例。类似地，当温度传感器825被上电的时候，温度传感器825起到感测轮胎内的空气的温度的作用。温度测量可以通过使用可变电容、可变电阻或二极管电压完成。根据需要，各种传感器830可以被配置为测量附加环境和性能数据。模拟接口815起到执行各个传感器的输出的模数转换的作用。此外，模拟接口 815可以执行其它功能，例如给传感器提供时钟同步和控制信号，提供参考电压和执行传感器误差以及与压力和温度测量相关联的非线性误差的校正，以及解释传感器提供的差分电容测量。处理控制器835可以被配置为在给定时间间隔收集压力和温度测量以及在第二时间间隔通过RF发射机840发送那个数据。而且，为管理车轮模块中的电池电源，处理控制器835可以通过使用电源管理电路有选择性地将电源与车轮模块的其它组件连接和断开。电源管理电路810可以包括其中包含的省电逻辑和功能以实施各种低功耗模式和定时感测参数。
[0042]处理控制器835可以附加地在存储器中包含逻辑电路或软件代码，用于仅仅基于轮胎的压力和温度或响应于一个或多个各种传感器来识别轮胎何时处于运动中。响应于确定轮胎是否处于运动中，处理控制器835可以提供对所有电池功耗的控制，如由各个传感器的测量速率和RF发射机840的传输速率确定的。处理控制器835可以监测压力传感器820表示的轮胎压力水平，并且，当轮胎压力达到或降到低于预定值或者达到或超过第二预定值的时候，给RF发射机840提供低或高压警报信号。压力警报信号被RF接收机850接收并且被处理器855处理以向交通工具的用户用信号通知轮胎压力已经低于或超过预定值。例如，当处理器85检测到存在空气泄漏(例如，轮胎压力已经低于预定阈值)的时候，那么可见的或可以听见的警报被发送到显示器860。处理器855可以被实施为具有可编程存储器的微控制器，该可编程存储器例如存储软件的R0M，或被实施为状态机，利用硬件逻辑来实施所讨论的方法。
[0043]以这种方式，可以制作通过使用多个可变感测电容器来提供差分信号的各种压力传感器配置。而且，这些压力传感配置提供响应于压力传感器外部的压力改变的更加线性的信号。在两种情况下，对由这些压力传感器生成的信号的处理相对于在例如轮胎压力监测系统内使用的其他类型的传感器(例如，温度和加速度传感器)变得更加一致。这反过来允许简化处理器设计。
[0044]截止目前，应当理解，提供了一种MEMS压力传感器，其包括:旋转检测质量，具有可活动元件，该可活动元件适于相对于位于第一和第二末端之间的旋转轴偏移进行运动以形成位于所述旋转轴和所述第一末端之间的第一部分以及位于所述旋转轴和所述第二末端之间的第二部分，所述第一部分包括与所述旋转轴间隔开的延伸部分，以及所述第二部分包括与所述旋转轴以大约与所述第一部分的所述延伸部分的长度相等的长度间隔开的延伸部分，以便所述旋转轴位于所述可活动元件的质量的中心；隔膜，被配置为响应于在包括所述隔膜和所述旋转检测质量的封装外部的第一流体压力而变形；以及连结件，被配置为将所述封装内部的所述隔膜的表面耦合于沿着所述旋转检测质量的所述第一部分的点，其中所述旋转检测质量被配置为响应于所述隔膜的变形而旋转。
[0045]在上面实施例的一方面，所述可活动元件的所述第二部分还包括配重物，该配重物被配置为抵消所述隔膜和连结件的重量，以便将隔膜、连结件和耦合的可活动元件的质量的中心维持在所述旋转轴上。上面实施例的另一方面还包括:所述旋转检测质量还包括第一主要表面和第二主要表面；第一可活动元件电极，在距所述旋转轴的第一距离处位于所述可活动元件的所述第一部分的所述第一主要表面上；第二可活动元件电极，在距所述旋转轴的第二距离处位于所述可活动元件的所述第二部分的所述第一主要表面上；第一固定电极，位于与所述第一可活动元件电极相对的位置内的所述封装的固定表面上；和，第二固定电极，位于与所述第二可活动元件电极相对的位置内的所述封装的所述固定表面上。所述第一可活动元件电极和所述第二可活动元件电极电隔离开。所述第一固定电极和所述第二固定电极电隔离开。所述第一可活动元件电极和所述第一固定电极形成第一可变电容器。所述第二可活动元件电极和所述第二固定电极形成第二可变电容器。另一方面，所述MEMS压力传感器还包括耦合于所述第一和第二可变电容器的处理器。所述处理器被配置为测量所述第一可变电容器的第一电容和所述第二可变电容器的第二电容之间的差，其中所述第一和第二电容是对施加到所述隔膜的在所述封装外部的所述第一流体压力的响应。
[0046]上面实施例的另一方面还包括第二旋转检测质量。所述第二旋转检测质量包括:第二可活动元件，适于相对于位于其第三和第四末端之间的第二旋转轴偏移进行运动，以形成位于所述旋转轴和所述第三末端之间的第三部分以及位于所述旋转轴和所述第四末端之间的第四部分；所述第三部分包括与所述第二旋转轴间隔开的延伸部分；以及，所述第四部分包括与所述第二旋转轴以大约与所述第三部分的所述延伸部分的长度相等的长度间隔开的延伸部分，以便所述第二旋转轴位于所述第二可活动元件的质量的中心。
[0047]另一方面包括第二连结件，该第二连结件被配置为将所述封装内部的所述隔膜的表面耦合于沿着所述第二旋转检测质量的所述第三部分的点。所述第二旋转检测质量被配置为响应于所述隔膜的变形而旋转，以及所述第二旋转检测质量的旋转位于与所述旋转检测质量的旋转方向相对的旋转方向上。另一方面包括:第二隔膜，被配置为响应于在所述封装外部的第二流体压力而变形，其中所述第二流体压力与第二流体源相关联，该第二流体源不同于与所述第一流体压力相关联的第一流体源；以及第二连结件，该第二连结件被配置为将所述封装内部的所述第二隔膜的表面耦合于沿着所述第二旋转检测质量的所述第三部分的点，其中所述第二旋转检测质量被配置为响应于所述第二隔膜的变形而旋转。在上面方面的另一方面，响应于所述第二隔膜经历的压力的增加，所述第二旋转检测质量的旋转处于与所述旋转检测质量的旋转方向相对的旋转方向上。
[0048]上面方面的另一方面包括:所述旋转检测质量还包括第一主要表面和第二主要表面；第一可活动元件电极，在距所述旋转轴的第一距离处位于所述可活动元件的所述第一部分的所述第一主要表面上；第二可活动元件电极，在距所述旋转轴的第二距离处位于所述可活动元件的所述第二部分的所述第一主要表面上；所述第二旋转检测质量还包括第三主要表面和第四主要表面；第三可活动元件电极，在距所述旋转轴的第三距离处位于所述可活动元件的所述第三部分的所述第三主要表面上；第四可活动元件电极，在距所述旋转轴的第四距离处位于所述可活动元件的所述第四部分的所述第三主要表面上；第一固定电极，位于与所述第一可活动元件电极和所述第四可活动元件电极相对的位置内的所述封装的固定表面上；以及，第二固定电极，位于与所述第二可活动元件电极和所述第三可活动元件电极相对的位置内的所述封装的固定表面上。所述第一可活动元件电极和所述第二可活动元件电极电隔离开。所述第三可活动元件电极和所述第四可活动元件电极电隔离开。所述第一固定电极和所述第二固定电极电隔离开。所述第一可活动元件电极和所述第一固定电极形成第一可变电容器。所述第二可活动元件电极和所述第二固定电极形成第二可变电容器。所述第三可活动元件电极和所述第二固定电极形成第三可变电容器。所述第四可活动元件电极和所述第一固定电极形成第四可变电容器。在该方面的另一方面，所述压力传感器还包括耦合于所述第一、第二、第三以及第四可变电容器的处理器。该处理器被配置为测量所述第一可变电容器的第一电容和所述第二可变电容器的第二电容之间的差以及测量所述第三可变电容器的第三电容和所述第四可变电容器的第四电容之间的差。所述第一和第二电容是对施加到所述隔膜的在所述封装外部的所述第一流体压力的响应，以及
[0049]所述第三和第四电容是对施加到所述第二隔膜的在所述封装外部的所述第二流体压力的响应。在该方面的另一方面，所述处理器还被配置为通过使用所述第一、第二、第三以及第四电容确定所述第一流体压力和所述第二流体压力之间的差。
[0050]另一方面，所述第二隔膜和第二连结件被配置为使得所述第二连接响应于所述第二隔膜的变形不移动。
[0051]另一个实施例提供一种轮胎压力监测系统，该轮胎压力监测系统具有安装到交通工具的轮胎中的车轮模块。所述车轮模块包括处理控制器，被配置为处理来自一个或多个传感器的信号；耦合于所述处理控制器的MEMS压力传感器；以及射频(RF)发射，机耦合于所述处理控制器并且被配置为传送所述处理控制器提供的传感器信息。所述MEMS压力传感器包括:旋转检测质量，所述旋转检测质量具有可活动元件，该可活动元件适于相对于位于其第一和第二末端之间的旋转轴偏移进行运动，以形成位于所述旋转轴和所述第一末端之间的第一部分以及位于所述旋转轴和所述第二末端之间的第二部分；所述第一部分，包括与所述旋转轴间隔开的延伸部分，以及所述第二部分，包括与所述旋转轴以大约与所述第一部分的所述延伸部分的长度相等的长度间隔开的延伸部分，以便所述旋转轴位于所述可活动元件的质量的中心；隔膜，被配置为响应于所述交通工具的轮胎的气压而变形；以及连结件，被配置为将所述封装内部的所述隔膜的表面耦合于沿着所述旋转检测质量的所述第一部分的点，其中所述旋转检测质量被配置为响应于所述隔膜的变形而旋转。
[0052]在上面实施例的另一方面，所述轮胎压力监测系统的所述MEMS压力传感器还包括:所述旋转检测质量还具有第一主要表面和第二主要表面；第一可活动元件电极，在距所述旋转轴的第一距离处位于所述可活动元件的所述第一部分的所述第一主要表面上；第二可活动元件电极，在距所述旋转轴的第二距离处位于所述可活动元件的所述第二部分的所述第一主要表面上；第一固定电极，位于与所述第一可活动元件电极相对的位置内的所述封装的固定表面上；和，第二固定电极，位于与所述第二可活动元件电极相对的位置内的所述封装的所述固定表面上。所述第一可活动元件电极和所述第二可活动元件电极电隔离开。所述第一固定电极和所述第二固定电极电隔离开。所述第一可活动元件电极和所述第一固定电极形成第一可变电容器。所述第二可活动元件电极和所述第二固定电极形成第二可变电容器。所述处理控制器还被配置为测量所述第一可变电容器的第一电容和所述第二可变电容器的第二电容之间的差，其中所述第一和第二电容是对施加到所述隔膜的所述交通工具的轮胎的气压的响应。另一方面，所述MEMS压力传感器对所述交通工具轮胎旋转引起的加速力不敏感。
[0053]另一个实施例包括MEMS压力传感器，该MEMS压力传感器具有:旋转检测质量；第一隔膜，被配置为响应于在包括所述隔膜和所述旋转检测质量的封装外部的第一流体压力而变形；第二隔膜，被配置为响应于在所述封装外部的第二流体压力而变形；第一连结件，被配置为将所述封装内部的所述第一隔膜的表面耦合于所述旋转检测质量的第一旋转轴处的第一枢轴点；以及第二连结件，被配置为将所述封装内部的所述第二隔膜的表面耦合于所述旋转检测质量的第二旋转轴处的第二枢轴点。所述旋转检测质量包括:可活动元件，该可活动元件适于相对于位于第一和第二末端之间的且远离另一旋转轴的第一和第二旋转轴偏移进行运动，所述可活动元件的第一部分形成于所述第一旋转轴和所述第一末端之间并且包括与所述第一旋转轴和所述第二旋转轴间隔开的延伸部分，所述可活动元件的第二部分形成于所述第二旋转轴和所述第二末端之间并且包括与所述第二旋转轴和所述第一旋转轴间隔开的延伸部分，所述第二部分的所述延伸部分的长度大约等于所述第一部分的所述延伸部分的长度，以及所述第三部分形成于所述第一旋转轴和所述第二旋转轴之间。
[0054]在上面实施例的一方面，MEMS压力传感器还包括:所述旋转检测质量还包括第一主要表面和第二主要表面；第一可活动元件电极，在距所述第一旋转轴的第一距离处位于所述可活动元件的所述第一部分的所述第一主要表面上；第二可活动元件电极，在距所述第二旋转轴的第二距离处位于所述可活动元件的所述第二部分的所述第一主要表面上；第一固定电极，位于与所述第一可活动元件电极相对的位置内的所述封装的固定表面上；以及，第二固定电极，位于与所述第二可活动元件电极相对的位置内的所述封装的固定表面上。所述第一可活动元件电极和所述第二可活动元件电极电隔离开。所述第一固定电极和所述第二固定电极电隔离开。所述第一可活动元件电极和所述第一固定电极形成第一可变电容器。所述第二可活动元件电极和所述第二固定电极形成第二可变电容器。在另一方面，所述MEMS压力传感器还包括耦合于所述第一和第二可变电容器的处理器。该处理器被配置为测量所述第一可变电容器的第一电容和所述第二可变电容器的第二电容之间的差。所述第一和第二电容是对施加到所述第一隔膜的在所述封装外部的所述第一流体压力和施加到所述第二隔膜的在所述封装外部的所所述第二流体压力的响应。
[0055]由于实施本发明的设备大部分是由本领域所属技术人员所熟知的电子元件以及电路组成，所以将不会在比上述所说明的认为有必要的程度大的任何程度上解释电路细节，以便理解和了解本发明的基本概念，并且不使本发明所教之内容模糊或从之偏离。
[0056]此外，在说明书和权利要求中的术语“前面”、“后面”、“顶部”、“底部”、“上面”、“下面”等等，如果具有的话，是用于描述性的目的并且不一定用于描述永久性的相对位置。应理解，术语的这种用法在适当的情况下是可以互换的以便本发明所描述的实施例，例如，能够在不是本发明所说明的或描述的其它方向进行操作。
[0057]本发明所使用的术语“程序”被限定为一系列设计用于在计算机系统中执行的指令。程序或计算机程序可以例如包括子程序、函数、规程、对象方法、对象实现、可执行的应用程序、小程序、小服务程序、源代码、对象代码、共享库/动态加载库和/或设计用于在计算机系统上的执行的其它指令序列。
[0058]上面的一些实施例，如果适用的话，可以通过使用各种不同的信息处理系统被实施。例如，虽然图8以及其讨论描述示例信息处理体系架构，这种示例架构的提出仅仅是为讨论本发明的各个方面提供具有用的参考。当然，对架构的描述为讨论已被简化，并且这只是根据本发明可以被使用的很多不同类型合适架构的其中一种。本领域所属技术人员将认识到，逻辑块之间的界限仅仅是说明性的并且替代实施例可以合并逻辑块或电路元件或在各个逻辑块或电路元件上强加替代的分解功能。
[0059]因此，应了解，本发明描述的架构仅仅是示范的，并且事实上实现相同功能的很多其它架构可以被实现。从抽象的但仍具有明确意义上来说，为达到相同功能的组件的任何排列被有效的“关联”，以便实现所需功能。因此，本发明中为实现特定功能而组合的任何两个元件可以被看作彼此“相关联”以便实现所需功能，不论架构或中间元件如何。类似地，任何两个组件这样的关联也可以被看作是“可操作性连接”或“可操作性耦合”于对方以实现所需功能。
[0060]又如，在一个实施例中，系统800中所图示的模块的元件是位于单一集成电路或在相同装置中的电路。或者，系统800可以包括任何数量的单独集成电路或彼此相连接的
单独装置。
[0061]此外，本领域所属技术人员将认识到上述描述的操作的功能之间的界限只是说明性的。多个操作的功能可以组合成单一的操作，和/或单一的操作的功能可以分布在附加操作中。而且，替代实施例可以包括特定操作的多个实例，并且操作的顺序在各种其它实施例中会改变。
[0062]虽然参照具体实施例描述了本发明，如所附权利要求所陈述的，在不脱离本发明范围的情况下，可以进行各种修改以及改变。例如不同形状和尺寸的旋转检测质量可以被使用，假定穿过被使用的旋转检测质量具有平衡。因此，说明书以及附图被认为是说明性而不是限制性的，并且所有这些修改旨在包括在本发明范围内。关于具体实施例在本发明所描述的任何好处、优势或解决方案都不旨在被解释为任何或所有权利要求的关键的、必需的、或本质特征或元素。[0063]本发明所使用的术语“耦合”不旨在限制为直接耦合或机械耦合。
[0064]此外，本发明所用的“一”被定义为一个或多个。并且，即使当相同权利要求包括介绍性短语“一个或多个”或“至少一个”以及诸如“一”的不定冠词，权利要求中的诸如“至少一个”和“一个或多个”的介绍性短语的使用不应当被理解为暗示由不定冠词“一”介绍另一个权利要求元素是将包含该所介绍的权利要求元素的任何特定权利要求限制到仅包含一个此类元素的发明。使用定冠词也是如此。
[0065]除非另有说明，使用术语如“第一”以及“第二”是用于任意区分这些术语描述的元素。因此，这些术语不一定表示这些元素的时间或其它优先次序。
【权利要求】
1.一种微机电系统(MEMS)压力传感器,包括: 旋转检测质量，其中所述旋转检测质量包括: 可活动元件，适于相对于位于其第一和第二末端之间的旋转轴偏移进行运动，以形成位于所述旋转轴和所述第一末端之间的第一部分以及位于所述旋转轴和所述第二末端之间的第二部分， 所述第一部分，包括与所述旋转轴间隔开的延伸部分，以及 所述第二部分，包括与所述旋转轴以大约与所述第一部分的所述延伸部分的长度相等的长度间隔开的延伸部分，以便所述旋转轴位于所述可活动元件的质量的中心； 隔膜，被配置为响应于在包括所述隔膜和所述旋转检测质量的封装的外部的第一流体压力而变形；以及 连结件，被配置为将所述封装内部的所述隔膜的表面耦合于沿着所述旋转检测质量的所述第一部分的点，其中 所述旋转检测质量被配置为响应于所述隔膜的变形而旋转。
2.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器，其中所述可活动元件的所述第二部分还包括: 配重物，被配置为 抵消所述隔膜和所述连结件的重量，以便将隔膜、连结件和耦合的可活动元件的质量的中心维持在所述旋转轴上。
3.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器，还包括: 所述旋转检测质量还包括第一主要表面和第二主要表面； 第一可活动元件电极，在距所述旋转轴的第一距离处位于所述可活动元件的所述第一部分的所述第一主要表面上； 第二可活动元件电极，在距所述旋转轴的第二距离处位于所述可活动元件的所述第二部分的所述第一主要表面上； 第一固定电极，位于与所述第一可活动元件电极相对的位置内的所述封装的固定表面上； 第二固定电极，位于与所述第二可活动元件电极相对的位置内的所述封装的所述固定表面上；其中 所述第一可活动元件电极和所述第二可活动元件电极电隔离开， 所述第一固定电极和所述第二固定电极电隔离开， 所述第一可活动元件电极和所述第一固定电极形成第一可变电容器，以及， 所述第二可活动元件电极和所述第二固定电极形成第二可变电容器。
4.根据权利要求3所述的MEMS压力传感器，还包括: 处理器，耦合于所述第一和第二可变电容器，并且被配置为测量所述第一可变电容器的第一电容和所述第二可变电容器的第二电容之间的差，其中所述第一和第二电容是对施加到所述隔膜的在所述封装外部的所述第一流体压力的响应。
5.根据权利要求1所述的MEMS压力传感器，还包括: 第二旋转检测质量，其中所述第二旋转检测质量包括 第二可活动元件，适于相对于位于其第三和第四末端之间的第二旋转轴偏移进行运动，以形成位于所述旋转轴和所述第三末端之间的第三部分以及位于所述旋转轴和所述第四末端之间的第四部分， 所述第三部分，包括与所述第二旋转轴间隔开的延伸部分，以及所述第四部分，包括以大约与所述第三部分的所述延伸部分的长度相等的长度与所述第二旋转轴间隔开的延伸部分，以便所述第二旋转轴位于所述第二可活动元件的质量的中心。
6.根据权利要求5所述的MEMS压力传感器，还包括: 第二连结件，被配置为将所述封装内部的所述隔膜的表面耦合于沿着所述第二旋转检测质量的所述第三部分的点[XC1]，其中 所述第二旋转检测质量被配置为响应于所述隔膜的变形而旋转，并且 所述第二旋转检测质量的旋转位于与所述旋转检测质量的旋转方向相对的旋转方向上。
7.根据权利要求5所述的MEMS压力传感器，还包括: 第二隔膜，被配置为响应于在所述封装外部的第二流体压力而变形，其中所述第二流体压力与第二流体源相关联，该第二流体源不同于与所述第一流体压力相关联的第一流体源；以及 第二连结件，被配置为将所述封装内部的所述第二隔膜的表面耦合于沿着所述第二旋转检测质量的所述第三部分的点，其中 所述第二旋转检测质量被配置为响应于所述第二隔膜的变形而旋转。
8.根据权利要求7所述的MEMS压力传感器，其中响应于所述第二隔膜经历的压力的增加，所述第二旋转检测质量的旋转处于与所述旋转检测质量的旋转方向相对的旋转方向上。
9.根据权利要求7所述的MEMS压力传感器，还包括: 所述旋转检测质量还包括第一主要表面和第二主要表面； 第一可活动元件电极，在距所述旋转轴的第一距离处位于所述可活动元件的所述第一部分的所述第一主要表面上； 第二可活动元件电极，在距所述旋转轴的第二距离处位于所述可活动元件的所述第二部分的所述第一主要表面上； 所述第二旋转检测质量还包括第三主要表面和第四主要表面； 第三可活动元件电极，在距所述旋转轴的第三距离处位于所述可活动元件的所述第三部分的所述第三主要表面上； 第四可活动元件电极，在距所述旋转轴的第四距离处位于所述可活动元件的所述第四部分的所述第三主要表面上； 第一固定电极，位于与所述第一可活动元件电极和所述第四可活动元件电极相对的位置内的所述封装的固定表面上； 第二固定电极，位于与所述第二可活动元件电极和所述第三可活动元件电极相对的位置内的所述封装的固定表面上，其中 所述第一可活动元件电极和所述第二可活动元件电极电隔离开， 所述第三可活动元件电极和所述第四可活动元件电极电隔离开， 所述第一固定电极和所述第二固定电极电隔离开，所述第一可活动元件电极和所述第一固定电极形成第一可变电容器， 所述第二可活动元件电极和所述第二固定电极形成第二可变电容器， 所述第三可活动元件电极和所述第二固定电极形成第三可变电容器，以及 所述第四可活动元件电极和所述第一固定电极形成第四可变电容器。
10.根据权利要求9所述的MEMS压力传感器，还包括: 处理器，耦合于所述第一、第二、第三以及第四可变电容器，并且被配置为 测量所述第一可变电容器的第一电容和所述第二可变电容器的第二电容之间的差，以及 测量所述第三可变电容器的第三电容和所述第四可变电容器的第四电容之间的差，其中 所述第一和第二电容是对施加到所述隔膜的在所述封装外部的所述第一流体压力的响应，以及 所述第三和第四电容是对施加到所述第二隔膜的在所述封装外部的所述第二流体压力的响应。
11.一种轮胎压力检测系统，包括: 车轮模块，被配置为安装在交通工具的轮胎中，包括: 处理控制器，被配置为处理来 自一个或多个传感器的信号； 耦合于所述处理控制器的微机电系统(MEMS)压力传感器，所述MEMS压力传感器包括: 旋转检测质量，其中所述旋转检测质量包括: 可活动元件，适于相对于位于其第一和第二末端之间的旋转轴偏移进行运动，以形成位于所述旋转轴和所述第一末端之间的第一部分以及位于所述旋转轴和所述第二末端之间的第二部分， 所述第一部分，包括与所述旋转轴间隔开的延伸部分，以及 所述第二部分，包括与所述旋转轴以大约与所述第一部分的所述延伸部分的长度相等的长度间隔开的延伸部分，以便所述旋转轴位于所述可活动元件的质量的中心； 隔膜，被配置为响应于所述交通工具的轮胎的气压而变形；以及连结件，被配置为将所述封装内部的所述隔膜的表面耦合于沿着所述旋转检测质量的所述第一部分的点，其中 所述旋转检测质量被配置为响应于所述隔膜的变形而旋转；以及射频(RF)发射机，耦合于所述处理控制器，并且被配置为传送由所述处理控制器提供的传感器信息。
【文档编号】G01L17/00GK103674412SQ201310388997
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年8月30日 优先权日:2012年8月30日
【发明者】安德鲁·C·麦克耐尔, 林毅桢 申请人:飞思卡尔半导体公司