具有能量采集器的微机电系统MEMS惯性传感器和相关方法与流程

本申请涉及微机电系统(mems)惯性传感器。

背景技术：

一些mems加速度计包括检测质量块，其被配置为响应于加速度而移动。检测质量块移动的程度提供了加速度大小的指示。一些mems加速度计使用电容式传感器来检测检测质量块的运动幅度。

技术实现要素：

根据本申请的一个方面，提供微机电系统(mems)设备。mems设备可包括惯性传感器和能量采集器，其配置成将机械振动能转换成电能。所收集的能量可用于为电子电路供电，例如用于利用惯性传感器来感测加速度的电路。惯性传感器和能量采集器可以设置在同一基板上，并且可以共享相同的检测质量块。能量采集器可包括设置在柔性结构上的压电材料层。当柔性结构响应于振动而弯曲时，压电材料层中产生应力，这导致电的产生。惯性传感器的例子包括加速度计和陀螺仪。

根据本申请的另一个方面，提供微机电系统(mems)设备。mems设备可包括：具有顶部表面的基板；惯性传感器，包括耦合到所述基板的检测质量块，所述惯性传感器被配置为沿至少一个轴感测所述检测质量块的运动；和能量采集器，包括在所述基板和所述检测质量块之间形成的压电材料层，其中所述压电材料层被配置为响应于所述检测质量块相对于所述基板的顶部表面的运动而产生电信号。

根据本申请的另一个方面，提供微机电系统(mems)设备。mems设备可包括：基板；压电能量采集器，包括：耦合所述基板的粱，其中所述粱的至少一部分包括压电材料层；耦合所述粱的检测质量块；和惯性传感器，包括：耦合所述检测质量块的第一电极；和耦合所述粱的第二电极。

根据本申请的另一个方面，提供一种使用微机电系统(mems)设备感测运动的方法。该方法可包括：通过感测在检测质量块和基板之间形成的压电材料层中的机械应力，转换为耦合到基板的检测质量块的电能、振动能量；利用感测电路，沿着至少一个轴感测所述检测质量块相对于所述基板的运动；和至少部分地利用电能为所述感测电路供电。

附图说明

将参考以下附图描述本申请的各个方面和实施例。应该理解的是，附图不一定按比例绘制。出现在多个图中的项目在它们出现的所有图中用相同的附图标记表示。

图1是示出根据一些实施例的包括能量采集器和mems器件的微机电系统(mems)设备的框图。

图2是示出根据一些实施例的包括能量采集器和mems器件的mems设备的示例的截面图。

图3a是示出根据一些实施例的包括压电材料层的惯性传感器的示例的截面图。

图3b示出了根据一些实施例的当受到与z轴相反的加速度时的图3a的惯性传感器。

图3c示出了根据一些实施例的当经受沿z轴方向的加速度时的图3a的惯性传感器。

图4是根据一些实施例的更详细地示出图3a的惯性传感器的一部分的横截面图。

图5a-5b是示出根据一些实施例的图3a的压电材料层的可能布局的俯视图。

图6a是根据一些实施例的包括多个惯性传感器的检测质量块的透视图。

图6b是示出根据一些实施例的可以与图6a的检测质量块结合使用的基板的顶部表面的俯视图。

图7是示出根据一些实施例的包括图1的mems设备的可穿戴设备的示意图。

具体实施方式

申请人已经意识到，虽然mems装置(例如加速度计、陀螺仪和谐振器)是普遍存在的，但是为这些装置供电所需的能量通常是有限的，因此实质上限制了它们的可用性。例如，某些传感器节点部署在非常远的位置，这可能大大增加定期更换电池所产生的成本。在另一个例子中，陀螺仪安装在智能手机中，依靠智能手机的电池供电。然而，电池在安装在智能手机中的各种设备之间共享，例如扬声器、麦克风、显示器、处理器等。因此，电池运行时间通常短至几小时，因此限制了陀螺仪可以操作的时间。

申请人已经意识到，通过为mems装置配备能量采集器以从周围环境捕获能量，可以增强mems装置的可用性。以这种方式，mems装置对诸如电池的外部电源的依赖可能受到限制，或者甚至在某些情况下被消除。本申请的一些方面涉及具有mems装置(例如，惯性传感器)和设置在同一基板上的能量采集器的mems设备。在相同的基板上，产生功率的位置和使用功率的位置彼此接近，如果mems器件和能量采集器设置在单独的基板上，则可以消除可能出现的功率损耗。在一些实施例中，能量采集器可包括压电材料层，其配置成在经受机械应力时产生电荷，从而将机械能转换成电能。

在一些实施例中，mems装置包括加速度计，其被配置为感测线性和/或角加速度。压电能量采集器和加速度计可以共享相同的检测质量块。在这些实施例中，检测质量块响应于加速度的运动可以具有两个效果：首先，它可以使得能量采集器捕获由运动产生的至少一些机械能，第二，它可以使加速度计检测指示检测质量块所经受的加速度的信号。

本文描述的类型的一些mems设备可以被配置为从检测质量块的平面外运动(例如，朝向或远离基板)捕获能量并且检测检测质量块的平面外运动。本文描述的类型的其他mems设备可以被配置为从检测质量块的平面外运动捕获能量并且检测检测质量块的平面内运动(例如，在与基板平行的平面中)。本文描述的类型的其他设备可以被配置为从检测质量块的平面外运动捕获能量并且检测检测质量块的平面内和平面外运动。

图1是示出根据一些实施例的微机电(mems)设备100的框图。mems设备100包括基板102、能量采集器104、mems器件106和电子电路108。能量采集器104和mems器件106设置在基板106上。虽然电子电路108也被示为设置在基板102上，但并非所有实施例都在这方面受到限制，因为电子电路可以替代地位于基板外部。

基板102可以使用任何合适的材料组合制成。在一些实施例中，基板102由硅(例如，单晶硅)制成。能量采集器104可以被布置成从周围环境获取能量并且为一个或多个电子部件供电，例如mems设备106、电子电路108和/或设置在基板102上或外部的其他设备。能量采集器104可以收获机械能(例如，振动能)、电磁能、太阳能、热能或任何其他类型的能量。可选地，mems设备100可以包括一个或多个能量存储设备110(例如电池或超级电容器)，用于存储由能量采集器104收集的能量。

mems装置106可包括使用mems技术制造的任何合适的装置。在一个示例中，mems装置106包括一个或多个惯性传感器，例如线性和/或角加速度计和陀螺仪。在另一示例中，mems装置106包括一个或多个谐振器。在mems装置106包括有源部件的示例中，即，被配置为用电信号驱动的装置，产生电信号所需的功率可至少部分地由能量采集器104提供。

电子电路108可包括用于产生用于驱动mems装置106的信号的电路和/或用于接收由mems装置106产生的信号的电路。另外或替代地，电子电路108可包括用于执行其他操作的电路，例如用于控制基板的温度和/或用于控制设置在基板上的其他装置。至少在一些实施例中，可以使用互补金属氧化物半导体(cmos)制造技术来制造电子电路108。在mems装置106包括一个或多个加速度计的非限制性实施例中，电子电路108可包括用于接收由加速度计产生的感测信号并用于确定加速度计受到的加速度的大小(和/或方向)的感测电路。在mems装置包括一个或多个陀螺仪的非限制性实施例中，电子电路108可包括用于感测陀螺仪的运动的感测电路和/或用于驱动陀螺仪的谐振器的驱动电路。

在一个特定示例中，能量采集器104包括一个或多个压电能量采集器，并且mems器件106包括一个或多个加速度计。然而，应该理解的是，并非所有实施例都限于该特定布置。图2中描绘了这种mems设备的示例，其示出了xz平面横截面视图。mems设备200包括基板202(其可以用作基板102)、检测质量块210、将检测质量块210耦合到基板202的多个连接器212，以及设置在相应的连接器212和检测质量块210之间的惯性传感器204。

在一些实施例中，基板202具有顶部表面203，其至少一部分平行于xy平面。顶部表面203可以表示基板的暴露表面，例如通过硅锭的切割和/或蚀刻获得的表面。如图2所示，检测质量块210具有沿z轴的高度h、沿x轴的宽度w和沿y轴的深度d(图2中未示出)。可以选择检测质量块的高度、宽度和深度以提供期望的惯性响应。在一些实施例中，高度h足够大以使mems设备对低加速度(例如小于10ng或小于1ng)敏感。例如，高度h可以在100μm和5mm之间、300μm和5mm之间、500μm和5mm之间、500μm和3mm之间、500μm和2mm之间、500μm和1mm之间、600μm和1mm之间、700μm和700μm之间，或此类范围内的任何值或范围。

在一些实施例中，mems设备200可以旨在部署在主要经受低频振动的环境中(例如在经受身体运动的可穿戴设备中)。因此，可能希望将宽度w和深度d设定得足够大，以增强对低频振动的响应(例如，小于1khz、小于100hz、小于50hz或小于10hz)。例如，宽度w和深度d可以在500μm和1cm之间、在500μm和5mm之间、在1mm和1cm之间、在1mm和5mm之间、在5cm和10cm之间，或者在这样的范围内的任何范围。其他范围也是可能的。在mems设备包括一个或多个加速度计和一个或多个能量采集器的至少一些实施例中，可以利用检测质量块210的运动来感测加速度以及收集能量。

惯性传感器204可以包括多个层，并且可以被配置为收获当检测质量块210振动时产生的机械能。这样，在一些实施例中，惯性传感器204是顺应性的，从而允许检测质量块210相对于基板202的运动。在一个示例中，惯性传感器204的至少一个层可以是压电材料层。压电材料层可以布置成在受到机械应力时产生电荷。至少在一些实施例中，当检测质量块210相对于其静止位置移动时，可能出现应力。在一个例子中，检测质量块沿z轴的运动可能导致惯性传感器弯曲，从而在压电材料层中产生应力。响应于该应力，压电材料可以产生电荷，其可以使用导电引线收集。在一些实施例中，以这种方式产生的电能可用于至少部分地为可以设置在基板202之上、之内或之外的电子电路供电。

在一些实施例中，惯性传感器204可以被配置为感测检测质量块210的运动。也就是说，惯性传感器204可以生成指示检测质量块的运动的幅度和/或方向的电信号。在mems设备200作为加速度计(如图2所示)操作的实施例中，检测质量块所经受的加速度的大小和/或方向可以从检测质量块的感测运动推断出来。然而，在mems设备200作为陀螺仪操作的实施例中，角速度的大小和/或方向可以从检测质量块的感测运动推断。mems设备200可以作为1轴线性加速度计(例如，作为x轴、y轴或z轴线性加速度计)、作为2轴线性加速度计(例如，作为xy平面线性加速度计、xz平面线性加速度计或yz平面线性加速度计)、作为3轴线性加速度计、作为1轴角加速度计(例如，作为x轴、y轴、或z轴角加速度计)、作为2轴角加速度计(作为xy平面角加速度计、作为xz平面角加速度计或作为yz平面角加速度计)、或作为3轴角加速度计操作。

至少在一些实施例中，可以使用电容传感器来感测检测质量块的运动。因此，在一些实施例中，惯性传感器204可包括电容器。电容器可以布置成使得当检测质量块移动时它们的电极之间的距离变化。电极之间距离的变化可能导致电容器的电容变化。因此，在这样的实施例中，可以通过检测电容的变化来产生指示检测质量块的运动的感测信号。

连接器212可以以多种方式中的任何一种实现。连接器212的示例包括但不限于栅格球阵列、焊料凸块(如图2所示)和铜柱。在一些实施例中，连接器212由导电材料制成，因此能够通过它们传输电信号。例如，响应于检测质量块210的运动而产生的感测信号和/或通过转换检测质量块的振动能量而产生的电能可以经由连接器212传递。

在一些实施例中，mems设备200包括导电焊盘，其可以形成在顶部表面203上。导电焊盘可以经由金属线(图2中未示出)电连接到连接器212。金属线可以埋在基板中或者可以在顶部表面203上布线。在一些实施例中，可以通过将导线222连接到导电焊盘220来实现与基板202的导线接合。在一些实施例中，响应于检测质量块的运动而产生的感测信号可以通过引线键合在基板202的外部，以进行进一步处理。在一些实施例中，引线键合可用于将mems设备200在基板202外部收集的电能转移，从而为其他电子电路供电。应当理解，在一些实施例中，用于从感测信号推断检测质量块的加速度和/或速度的感测电路可以集成在基板202中。在一些实施例中，感测电路至少部分地用收获的电能供电。

根据一些实施例，图3a中描绘了惯性传感器204的非限制性示例。如图所示，惯性传感器204可包括粱234、压电材料层238、凹槽230、导电层239、以及电极235和236。在一些实施例中，粱234由与检测质量块210相同的材料制成，尽管并非所有实施例都在这方面受到限制。例如，粱234和检测质量块210可以由多晶硅制成。粱234可以通过支撑232连接到检测质量块210。在一些实施例中，可以使用多个支撑232来将检测质量块连接到粱。在一些实施例中，支撑件232可以在xy平面中缠绕，例如以环形形状。在图3a的示例中，支撑件232缠绕在凹槽230的外周边上。在一些实施例中，凹槽230可以完全封闭在检测质量块210、粱234和支撑件232之间。在其他实施例中，凹槽230可以仅部分封闭。例如，支撑件可以布置成仅环绕凹槽230的外周边的一部分。

在一些实施例中，粱234可响应于加速而弯曲。图3b-3c示出了图3a的惯性传感器，当受到分别与z轴相反并且在z轴方向上的加速度时。如图3b所示，当惯性传感器经受与z轴相反的加速度-az时，粱234可以弯曲以允许检测质量块210的运动。在该示例中，检测质量块210朝向基板202的顶部表面203移动，粱234弯曲，使得形成凹面240和凸面242。凹面240可以面向基板202的顶部表面203，而凸面242可以背离顶部表面203。如图3b中进一步所示，当检测质量块210移动时，凹槽230可以相对于其静止的形状变形。

在一些实施例中，可以使用电容传感器来感测加速度的大小和/或方向。也就是说，可以通过感测感测电容器的电容的变化来推断加速度的大小和/或方向。在图3a-3c所示的配置中，感测电容器形成在电极235和236之间。如图所示，电极235可以设置在粱234上，例如设置在面向检测质量块210的粱的表面上。电极236可以设置在检测质量块210的表面上，例如检测质量块的面向粱234的外表面。凹槽320(无论是填充介电材料、空气或其他类型的气体或真空)可以作为电极之间的绝缘材料。

当检测质量块210与z轴相反地移动时，如图3b所示，电极235和236之间的总距离可以减小。也就是说，虽然电极的一些部分的距离可以保持基本不变或甚至增加(例如电极235的边缘)，但是跨电极表面考虑的电极之间的平均距离减小。结果，感测电容器的电容相对于静止位置增加(当没有施加加速度时)。电容的这种变化可以由感测电路检测，感测电路可以设置在基板202上或外部，并且可以配置成基于电容的变化推断加速度的大小和/或方向。

如图3b中进一步所示，可以形成在粱234的表面上的压电材料层238(尽管在一些实施例中，粱234本身可以由压电材料制成)，可以在存在加速度-az的情况下与粱弯曲。当弯曲时，压电材料层238可能经受应力(例如，拉伸或压缩应力)。由于压电效应，应力可能反过来产生电荷。这样，压电材料层238可以被视为振动能量转换为电能的转换器。应当理解，压电材料层238可以由任何合适的压电材料制成，例如，具有压电系数d33(或d31)的绝对值大于10^-13m/v、10^-12m/v、10^-11m/v或10^-10m/v的材料。可用于压电材料238的材料的实例包括但不限于锆钛酸铅(pzt)、氮化铝(aln)或其他iii族氮化物材料，例如氮化镓和氮化铟(inn)。

在一些实施例中，响应于应力在压电材料层238中产生的电荷可以使用导电路径来收集，并且可以用于为一个或多个电子设备或电路供电。导电路径可以穿过导电层239(其可以设置为与连接器244接触并且至少在一些实施例中可以由镍制成)和连接器244(图3a中示出，但在图3b-3c中未示出)到基板202。这些电荷可以在基板外部(例如，通过导线222)布线，或者可以为设置在基板中的电路供电。可以使用由压电材料层238产生的电荷供电的电路的一个示例是上述感测电路。

在图3c中描绘了在与z轴相同的方向上施加加速度的情况。如图所示，粱234可以弯曲以允许检测质量块210在垂直于基板的顶部表面的方向上运动。在这种情况下，检测质量块210远离基板202的顶部表面203移动，并且粱234弯曲使得形成凹表面240和凸表面242。凸面242可以面向基板202的顶部表面203，而凹面240可以背离顶部表面203。如图3c中进一步所示，凹槽230可以相对于其静止的形状变形。在这种情况下，电极235和236之间的总距离可以增加，从而导致感测电容器的电容减小。可以通过感测电路检测这种减小。如图3c中进一步所示，压电材料层238可以与粱234一起弯曲，结果，可以产生电荷。如在图3b中所示的情况中，电荷可以用于为电子电路或设备供电。应当理解，检测质量块210相对于基板在平行于z轴的方向上的运动可以在压电材料层238中引起应力，并且因此将机械能转换成电能。例如，当检测质量块210的运动沿着x轴发生时，机械能可以经由支撑件232传递到粱234，从而引起粱234的翘曲。

尽管图3a-3c的惯性传感器已经被描述为作为加速度计操作，但是应当理解，任何其他合适类型的惯性传感器可以根据本文描述的技术操作。例如，在一些实施例中，可以使用检测质量块210形成陀螺仪。陀螺仪可以包括谐振器和传感器。在一些实施例中，检测质量块210是谐振器和传感器的一部分。可以使用驱动电路(其可以布置在基板202中或基板202外部)来驱动谐振器，其可以至少部分地使用由压电材料层238产生的电力供电。

图4更详细地示出了根据一些实施例的压电材料层238的一部分。在一些实施例中，压电材料层238可以夹在电极402和404之间，电极402和404可以配置成与压电材料层形成电容器。因此，响应于应力在压电材料238中产生的电荷可以在电极402和404之间产生电压。电极402和404可以由任何合适的导电材料制成，包括但不限于铝，铜和钼。压电材料层238和电极402和404可以经由介电层406连接到粱234，在一些实施例中，介电层406可以是氧化硅层。在一个特定示例中，电极404与介电层406接触，介电层406与粱234接触。

在一些实施例中，图3a的惯性传感器可以相对于轴350呈现旋转对称(图3a中示出)，但并非所有实施例都在这方面受到限制。在一些这样的实施例中，当在xy平面中观察时，压电材料层238可以成形为环(或环的至少一部分)。图5a和5b是说明压电材料层238如何布置在xy平面中的两个非限制性示例。在图5a的示例中，压电材料239被成形为具有间隙241的环。环的两端(标记为“+”和“-”)可以用作端子。也就是说，导线502和504可以连接到+和-端，并且可以用于在+和-端之间产生电压时支持电流。导电线502可以连接到电极402，导电线504可以连接到电极404，但是相反的配置也是可能的。

在其他实施例中，n个间隙241可以沿着压电材料层238的长度形成，如图5b所示。在这种布置中，相对于图5a中所示的情况，在+和-端子之间产生的电压可以增加因子n。然而，相对于图5a中所示的情况，电荷以及产生的电流可以减小因子n。这样，可以选择间隙的数量以在电流和电压之间提供期望的平衡。例如，在期望产生大电流的应用中，可以减少间隙的数量。否则，在期望产生大电压的应用中，可以增加间隙的数量。应当理解，图5a-5b中所示的间隙不必限于与具有旋转对称性的压电材料层结合使用。

图2的mems设备可以用于感测一维、二维或三维中的加速度，例如使用多个惯性传感器204。可以通过检测多个传感器204上的共模来感测面外加速度(在z轴方向上)。可以通过检测多个传感器204上的差分模式来感测面内加速度(在x轴和/或y轴方向上)。

图6a是根据一些实施例的用于感测三维加速度的mems设备的一部分的透视图。特别地，图6a示出了检测质量块210的面向基板202的顶部表面203的表面(标记为“s”)。在该配置中，检测质量块210耦合到本文所述类型的五个惯性传感器(204a、204b、204c、204d、204e)。在一些实施例中，惯性传感器204b和204d沿y轴对齐，惯性传感器204a和204a也是如此。在一些实施例中，惯性传感器204a和204b沿x轴对齐，惯性传感器204c和204d也是如此。图6b是可以与图6a的检测质量块结合使用的基板202的顶视图。在这种情况下，基板包括连接器212a、212b、212c、212d和212e，它们可以分别耦合到惯性传感器204a、204b、204c、204d和204e。另外，连接器212a、212b、212c、212d和212e可以分别耦合到导电焊盘220a、220b、220c、220d和220e。

跨导电焊盘220a、220b、220c和220d的共模信号可用于检测z轴方向上的加速度。可以通过感测导电垫220a和220c之间和/或导电垫220b和220d之间的差模信号来检测y轴方向上的加速度。可以通过感测导电垫220a和220b之间和/或导电垫220c和220d之间的差模信号来检测x轴方向上的加速度。从导电垫220e获得的信号可以用于校准并可以耦合到压力传感器，用于测量在惯性传感器204e中运动的压力。应当理解，本文描述的类型的mems设备不限于特定数量的惯性传感器或图6a-6b中所示的特定布置，因为任何其他合适数量的惯性传感器和布置可用于检测一维、二维或三维的加速度。

mems设备100可以以各种设置部署以检测加速度、速度和/或角速率、包括运动、医疗保健、科学、军事和工业应用等。在一些实施例中，mems设备100可以封装在可穿戴设备中，该可穿戴设备部署在监视与运动相关的身体活动和表现、患者健康、军事人员活动或用户感兴趣的其他应用中。在一些实施例中，mems设备100可以封装在可植入医疗设备中，例如起搏器。在一些实施例中，mems设备100可以部署在作为传感器网络的一部分的无线传感器节点中。在一个特定应用中，传感器网络可以被配置为感测地震。

在一个说明性示例中，mems设备100可以设置在可穿戴设备上，如图7所示。在这种情况下，mems设备100设置在智能手表702上。mems设备可以布置成增强在低频下收获的能量(例如臂700移动的典型频率)。例如，检测质量块210可以足够大以增强低频中的检测质量块振动响应。mems设备100可以被配置为感测线性和/或角加速度，并且收获由臂700的运动产生的机械能。

本申请的各方面可以提供一个或多个益处，其中一些已经在先前描述过。现在描述这些益处的一些非限制性实例。应当理解，并非所有方面和实施例都必须提供现在描述的所有益处。此外，应当理解，本申请的方面可以为现在描述的那些提供额外的益处。

本申请的各方面提供了一种惯性传感器，其被配置为从周围环境获取能量。在一些实施例中，惯性传感器和能量采集器设置在同一基板上。结果，通过收割机捕获的能量可用于为惯性传感器供电，同时避免在将能量从一个基板传递到另一个基板时可能产生的功率损耗。本申请的各方面提供了一种惯性传感器，其被配置为为其自身供电。这样，惯性传感器可以被配置为在没有电池的情况下操作，或者至少最小化电池使用。