本发明涉及微机电系统，并且特别地涉及用于测量加速度的微机电结构和对应的微机电加速度计装置。
背景技术：
微机电结构可以用于快速且准确地检测物理特性的变化，例如测量物体遭受的加速度。
mems加速度计的基本元件是检测质量块(proofmass)、周围的支撑结构以及将检测质量块连接至支撑结构的弹簧。当mems加速度计遭受外部加速度时，检测质量块也由于弹簧耦接而被迫加速。然而，由于弹簧不是完全刚硬，因此弹簧发生偏转并且支撑结构与检测质量块之间的距离发生变化。距离的变化与加速度成比例，因此通过测量检测质量块与支撑结构之间的距离变化，可以测量加速度。
mems加速度计通常使用电容式传感器来测量检测质量块与支撑结构之间的距离变化。在这样的电容式传感器中，支撑结构上的电极和检测质量块上的电极彼此电绝缘，并且其电容被测量。随着支撑结构上的电极与检测质量块上的电极之间的距离减小，电容增加。类似地，当距离增加时，电容减小。
弹簧的偏转通常被布置成定向的，使得弹簧以所选择弹簧常数的刚度响应检测质量块沿一个方向即沿感测轴的位移，并且使检测质量块沿其他方向的位移最小化或将其消除。取决于应用的需求，可以针对特定的灵敏度、测量范围和频率响应设计加速度计装置。加速度计装置也可以适于沿两个或更多个方向进行感测，即使用具有不同感测轴的单独检测质量块的组合来进行多轴感测。为了试图减小加速度计装置的尺寸，也可以使用包括具有多于一个自由度的一个或多个部分的更复杂的检测质量块结构，并且因此能够单独检测在多于一个感测轴方向上的位移。然而，具有多于一个自由度的检测质量块结构的多轴传感器包括嵌套在平面内并且使用定向弹簧结构彼此机械耦接的部件的组合。这些弹簧结构易于允许相对于被感测运动的垂直加速度，并且从而使跨轴误差增加，即由于检测质量块沿不同轴的移动而导致的对沿感测轴的加速度的不正确指示。
惯性检测质量块的尺寸很重要，因为它们通常确定检测的灵敏度范围。不同类型的加速度传感器具有不同的要求，并且具体挑战是检测不同范围内的加速度。感测较低加速度(低g加速度计)需要大的检测质量块，而在较高加速度(高g加速度计)中，可以使用较小的检测质量块实现对运动的检测。
此外，高精度加速度计例如在电子稳定控制系统中使用的那些高精度加速度计通常要求每个感测轴独立——即，每个感测轴具有单独的检测质量块——以减少由跨轴干扰造成的不精确性。然而，由于mems系统通常受到显著的尺寸约束，因此针对感测轴使用单独的检测质量块减小了每个单独检测质量块的最大尺寸。作为较小检测质量块的结果，加速度计更容易受到噪声的影响。其他mems加速度计例如智能手机中使用的mems加速度计通常针对多个轴使用单个检测质量块以使系统的复杂性(并因此使成本)下降。虽然这使得能够使用较大的检测质量块，但是这些加速度计极易受到跨轴误差和检测质量块的寄生运动模式的影响，这显著降低了这些加速度计的精度。
技术实现要素：
本发明通过使用较大的单个检测质量块来测量沿两个正交轴的加速度提供了一种高精度、低噪声的mems加速度计。新颖的电极布置被动地防止了加速度测量中的跨轴误差。
本发明的两轴mems加速度计包括：基板，其限定基板平面；检测质量块；以及两个或更多个梳状电容器，其包括从检测质量块延伸的可移动梳状电极和锚定至基板的固定梳状电极。
本发明的特征在于，每个梳状电容器包括：
·第一组可移动梳状齿，其沿梳状电容器的电容器轴在第一方向上远离检测质量块延伸，所述电容器轴平行于基板平面；
·第二组可移动梳状齿，其沿电容器轴在与第一方向相反的第二方向上远离检测质量块延伸；
·第一组固定梳状齿，其与第一组可移动梳状齿相对并且相互交叉，其中，第一组固定梳状齿在第二方向上朝向检测质量块延伸；以及
·第二组固定梳状齿，其与第二组可移动梳状齿相对并且相互交叉，其中，第二组固定梳状齿在第一方向上朝向检测质量块延伸。
检测质量块在第一方向上的移动使第一组可移动梳状齿和第一组固定梳状齿彼此靠近移动并且使第二组可移动梳状齿和第二组固定梳状齿彼此远离移动，并且检测质量块在第二方向的移动使第一组可移动梳状齿和第一组固定梳状齿彼此远离移动并且使第二组可移动梳状齿和第二组固定梳状齿彼此靠近移动。
类似地，检测质量块在第一方向上的移动可以使第一组可移动梳状齿和第一组固定梳状齿彼此靠近移动第一距离并且使第二组可移动梳状齿和第二组固定梳状齿彼此远离移动第一距离，并且其中，检测质量块在第二方向上的移动使第一组可移动梳状齿和第一组固定梳状齿彼此远离移动第二距离并且使第二组可移动梳状齿和第二组固定梳状齿彼此靠近移动第二距离。
加速度计沿平行于基板平面并且垂直于电容器轴的横轴在第三方向上的移动可以使第一可移动梳状电极和第一固定梳状电极以及第二可移动梳状电极和第二固定状梳状电极两者均彼此远离移动，并且类似地，加速度计沿横轴在与第三方向相反的第四方向上的移动可以使第一可移动梳状电极和第一固定梳状电极以及第二可移动梳状电极和第二固定梳状电极两者均彼此靠近移动。
至少两个梳状电容器中的第一梳状电容器可以被布置成使得第一梳状电容器的电容器轴沿着或平行于与基板平面平行的第一轴，并且其中，至少两个梳状电容器中的第二梳状电容器被布置成使得第二梳状电容器的电容器轴沿着或平行于与基板平面平行并且垂直于第一轴的第二轴。
梳状电容器可以成对布置，并且其中，每对梳状电容器中的梳状电容器是关于与该对梳状电容器的电容器轴平行且等距的映射轴映射的彼此的镜像。
加速度计可以包括被布置成两对的四个梳状电容器，其中，每对梳状电容器的映射轴在基板的中心处相交。
固定电极可以在基板的中心处或基板的中心附近被锚定至基板。
检测质量块可以围绕梳状电容器的周边延伸，使得梳状电容器位于检测质量块的内部。
检测质量块可以通过弹簧连接至多个悬挂器，其中，这些悬挂器被锚定在基板的中心处或基板的中心附近。
检测质量块可以通过四个弹簧连接至悬挂器，其中，每个弹簧在检测质量块的内角部处连接至检测质量块。
弹簧可以被布置成两对，并且其中，每对弹簧中的弹簧在弹簧的中点处连接。
固定梳状电极可以在多个锚定点处被锚定至基板，并且其中，检测质量块包括位于这些锚定点内部的中心部分。
检测质量块还可以包括从该中心部分朝向mems加速度计的外部延伸的臂部，其中，可移动梳状电极设置在臂部上。
检测质量块可以通过围绕检测质量块和梳状电容器的外部延伸的多个弹簧连接至基板上的锚定点。
每个弹簧可以包括：外部部分，其从锚定点围绕检测质量块和梳状电容器的周边延伸至中间部分；以及内部部分，其远离中间部分围绕检测质量块和梳状电容器的周边朝向检测质量块上的连接点延伸，弹簧的内部部分连接至该连接点。
加速度计可以包括位于检测质量块的相对侧的两对弹簧和两个弹簧锚定点，其中，每对弹簧中的一个弹簧从相应的弹簧锚点延伸，使得弹簧的外部部分沿远离该弹簧锚定点的相反方向延伸，并且使得每对弹簧中的弹簧的中间部分相邻，其中，每对弹簧的中间部分连接。
附图说明
图1是根据本发明的第一实施方式的mems加速度计的示意图。
图2是根据本发明的第二实施方式的mems加速度计的示意图。
图3是根据本发明的第三实施方式的mems加速度计的示意图。
图4是根据本发明的第四实施方式的mems加速度计的示意图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的2轴mems加速度计100的示意图。图1的视图是通过mems加速度计101的结构层的中间即与加速度计的结构部件相交的平面截取的。结构部件通常通过从由诸如硅的材料形成的基板通过减影处理(例如蚀刻)形成，从而留下位于图1中描绘的部件下方的剩余基板。位于基板上方并与基板分离的部件形成结构层，其通常被布置在与剩余基板的平面(也称为基板平面)平行的平面中。基板被固定至加速度计封装即周围的框架和保护元件上。
结构层包括检测质量块101，其围绕装置的周边延伸，即围绕mems加速度计100的其他部件延伸。检测质量块101经由弹簧102和臂103耦接至锚定点104。锚定点104固定至位于检测质量块101和图1中示出的其他部件下方的基板(未示出)上。与弹簧102相比，臂103相对刚硬，并且因此提供了基本固定的点(即相对于基板固定)，弹簧102在一端处连接至这些基本固定的点。弹簧102允许检测质量块101在平行于基板平面的平面内移动，但是阻止检测质量块101在垂直于基板平面的方向上移动，即进入或离开图1中的页面的平面。
检测质量块101还包括梳状电极105a至105d和106a至106d，它们与梳状电极107a至107d和108a至108d一起形成梳状电容器，梳状电容器可以用于测量检测质量块在x-y平面中的移动。电极107a至107d和108a至108d通过刚性结构连接至其他锚定点，所述其他锚定点像锚定点104一样被固定至基板。当检测质量块101在x-y平面中相对于基板移动时，即，当mems加速度计遭受加速度时，每个梳状电容器中的梳状电极的齿之间的距离响应于加速度并且根据加速度变化。因此，随着检测质量块101相对于基板移动，与梳状齿之间的距离有关的梳状电容器的电容发生变化。通过测量电容的变化，可以测量加速度。
针对两个感测轴使用单个检测质量块提供了显著改善的噪声性能。检测质量块在加速度下移动的程度与施加在检测质量块上的力成比例，并且因此与检测质量块的惯性质量和加速度两者成比例。因此，针对弹簧102的给定刚度，质量越大，力越大并且检测质量块在加速度下的偏转越大。较大的偏转导致更容易测量的较大的电容变化，并且通过同时提高mems加速度计电子器件中的信噪比提供更鲁棒的噪声性能。此外，较高的质量降低了热噪声的影响，从而检测质量块的运动由除了mems加速度计的外部加速度以外的因素例如加速度计封装内部的气压引起。增加检测质量块的尺寸(并因此增加其惯性质量)，从而通过同时减小这两种噪声源的影响来显著改善mems加速度计的噪声性能。
然而，针对两个感测轴使用单个检测质量块导致检测质量块沿图1中描绘的感测轴x和感测轴y两者自由移动。在现有技术的加速度计中通常用于测量检测质量块的移动的常规梳状电容器的电容不仅受到梳状电容器的齿之间的距离的影响而且还受到齿交叠的程度的影响。因此，检测质量块沿两个轴的移动使电容发生变化，这使得难以单独确定沿每个轴的加速度。为了解决这个问题，本发明的mems加速度计在每个梳状电容器中使用新的电极布置，以便被动地消除由沿非感测轴的移动引起的电容变化。
在图1的装置中，示出了两个用于测量检测质量块101沿x轴的移动的梳状电容器以及两个用于测量检测质量块101沿y轴(电容器的感测轴，也称为“电容器轴”)的移动的梳状电容器。第一y轴电容器由可移动电极105a、105b和固定电极107a、107b(相对于基板固定为“固定”)形成。第一可移动电极105a包括梳状齿，这些梳状齿沿平行于基板平面并且垂直于y轴(即垂直于感测轴)的第一方向远离检测质量块101朝向加速度计的中间延伸。第二可移动电极105b的梳状齿沿与第一方向相反的第二方向从检测质量块101的对称相对侧朝向加速度计的中间延伸。第一固定电极107a和第二固定电极107b从位于可移动电极105a、105b之间的所形成的刚性结构延伸。第一固定电极107a的梳状齿朝向第一可移动电极105a延伸并且与第一可移动电极105a的梳状齿相互交叉。第二固定电极107b的梳状齿朝向第二可移动电极105b延伸并且与第二可移动电极105b的梳状齿相互交叉。两组电极105a、107a和105b、107b形成在电极之间具有镜像对称性的单个电容器。
这种电极布置意指检测质量块101在第一方向(即，朝页面右侧，如图1所示)上的移动使第一可移动电极105a和第一固定电极107a在平行于梳状齿的第一方向上彼此靠近移动，并且使第二可移动电极和第二固定电极彼此远离移动相同的量。因此，由电极之间交叠面积的增加所引起的电极对105a、107a的电容的增加与由那些电极之间交叠面积的减小所引起的电极对105b、107b的电容的等量减小抵消。类似地，检测质量块在第二方向(即，朝页面左侧，如图1所示)上的移动使第一可移动电极105a与第一固定电极107a之间的交叠面积减小，并且使第二可移动电极105b与第二固定电极107b移动增加相同的量。因此，由第一电极对105a、107a之间的交叠面积的任何变化引起的电容的增加或减小总是与由第二电极对105b、107b之间的交叠面积的相等且相反的变化引起的电容的等量减小或等量增加抵消。以这种方式，图1中示出的加速度计被动地补偿了跨轴误差，即，由垂直于感测轴的移动引起的电容变化。
应当理解，关键原理是形成电容器的成对电极的交叠面积的相等且相反的变化，这是使用至少两个其梳状齿沿相反方向延伸的可移动电极和至少两个对应的其梳状齿沿相反方向延伸的固定电极的结果。图1(或任何其他图中)示出的电极的精确布置不是必需的。例如，可移动电极105a、105b之间的固定电极107a、107b的位置可以反转，使得替代地可移动电极105a、105b位于固定电极107a、107b之间。图1中描绘的布置是有利的，因为该布置允许将单个锚定点用于固定电极107a、107b两者，这消除了由于加速度计的(例如，由于热应力或振动导致的)变形而导致的固定电极相对于彼此的移动。
与由电极105a、105b、107a和107b形成的电容器相对的是由电极105c、105d、107c和107d形成的第二y轴感测电容器。第二y轴感测电容器以与由电极105a、105b、107a和107b形成第一电容器相同的方式形成；然而，第二电容器是第一电容器关于x轴的镜像，使得当第一电容器的梳状齿由于沿y轴的移动而彼此靠近移动时，第二电容器的梳状齿彼此远离移动，以及当第一电容器的梳状齿由于沿y轴的移动而彼此远离移动时，第二电容器的梳状齿彼此靠近移动。这使得差分电容测量能够用于确定检测质量块101的移动程度并因此确定外部加速度。
此外，由电极106a、106b、108a和108b形成的第一x轴感测电容器和由电极106c、106d、108c和108d形成的第二x轴感测电容器以与以上针对y轴感测电容器描述的相同的方式设置，但是被旋转了90度。因此，图1中描绘的四个电容器使得能够单独感测沿x轴和y轴的移动，同时使得能够将单个检测质量块用于这两个轴以改善噪声性能。
此外，图1中示出的固定电极107a至107d和108a至108d的布置使得所有固定电极能够与连接至弹簧102的锚定点一起被锚定在加速度计的中心附近。锚定点在mems加速度计的中心处的这种公共布置使由于振动或热变形而导致的电极107a至107d和108a至108d与检测质量块101的相对运动最小化，从而进一步提高了装置的精度。
图2描绘了根据本发明的第二实施方式的mems加速度计200。mems加速度计200包括许多与mems加速度计100相同的特征，例如，在加速度计200中，围绕加速度计的周边延伸的单个检测质量块201和镜像的跨轴补偿电容器与图1的加速度100中的配置基本相同。此外，在图2的mems加速度计中还存在所有元件在锚定点204处的中心锚定。然而，不同于加速度计100，将检测质量块201连接至中心锚定点204的弹簧对202a、202b和弹簧对202c、202d在中心点处耦接在一起。弹簧202a至202d中的每一个沿增加了弹簧的长度的蛇形路径从连接至中心锚定点204的刚性结构朝向检测质量块201的内角部之一延伸，从而减小了其弹簧常数并使得检测质量块201能够在加速度下进行较大移动。将检测质量块201的相邻拐角连接至中心锚定点204的弹簧202a和202b在弹簧的中间部分处耦接在一起，其中弹簧202a和202b紧靠在一起。这种耦接降低了检测质量块在x-y平面内旋转的能力。这样的旋转可能是由作用在检测质量块上的与沿感测轴的线性加速度无关的振动或其他力引起的。这些旋转使感测电容器的电极移动并因此使电容以与装置的线性x轴加速度或线性y轴加速度无关的方式改变。因此，通过耦接弹簧202a、202b和202c、202d使检测质量块201的旋转最小化进一步提高了装置的精度。
图3描绘了根据本发明的第三实施方式的mems加速度计300。与mems加速度计100和mems加速度计200类似，加速度计300包括用于感测沿x轴和y轴的加速度的单个检测质量块301。附接至检测质量块301的可移动电极和锚定至基板的固定电极形成如加速度计100和200那样被动地消除跨轴误差的四个电容器。加速度计300的不同之处在于检测质量块301形成梭形形状，该梭形形状至少部分地布置在加速度计的中间。四个臂从检测质量块的中心部分朝向加速度计的外部周边延伸。形成感测电容器的可移动电极从这些臂延伸。与加速度计100和200的检测质量块101、201相比，检测质量块301的转动惯量被减小。作为结果，外部非线性(即旋转)加速度作用于较少的质量，从而产生较小的力来抵消由弹簧302提供的对旋转运动的阻力。因此，检测质量块301较不易进行旋转移动，从而提高了加速度计沿x轴和y轴的线性加速度的测量精度。
弹簧302a至302d从两个位于中心的锚定点围绕检测质量块的外部延伸。每个弹簧302由外部部分和内部部分组成，外部部分从连接至锚定点的刚性结构沿周围延伸至中间部分，并且内部部分远离中间部分围绕检测质量块和梳状电容器的周边朝向检测质量块上的连接点延伸，弹簧的内部部分连接至所述连接点。每对弹簧302a、302b和302c、302d在两个弹簧的中间部分处耦接。与加速度计200中的弹簧202类似，相邻的弹簧302被耦接以进一步减小检测质量块的旋转。
图4描绘了根据本发明的mems加速度计400的第四实施方式。与图3的加速度计300相比，加速度计400的不同之处仅在于弹簧402a至402d的锚点位于弹簧的外部。该布置是图3中示出的布置的替选配置，并且在弹簧内部提供了额外的空间用于与加速度计的各个部件进行必要的电连接。
1.一种两轴mems加速度计，包括：
基板，其限定基板平面；
检测质量块；以及
两个或更多个梳状电容器，其包括从所述检测质量块延伸的可移动梳状电极和锚定至所述基板的固定梳状电极；
其特征在于，每个梳状电容器包括：
第一组可移动梳状齿，其沿所述梳状电容器的电容器轴在第一方向上远离所述检测质量块延伸，所述电容器轴平行于所述基板平面；
第二组可移动梳状齿，其沿所述电容器轴在与所述第一方向相反的第二方向上远离所述检测质量块延伸；
第一组固定梳状齿，其与所述第一组可移动梳状齿相对并且相互交叉，其中，所述第一组固定梳状齿在所述第二方向上朝向所述检测质量块延伸；以及
第二组固定梳状齿，其与所述第二组可移动梳状齿相对并且相互交叉，其中，所述第二组固定梳状齿在所述第一方向上朝向所述检测质量块延伸；
其中，所述检测质量块在所述第一方向上的移动使所述第一组可移动梳状齿和所述第一组固定梳状齿彼此靠近移动并且使所述第二组可移动梳状齿和所述第二组固定梳状齿彼此远离移动，并且其中，所述检测质量块在所述第二方向上的移动使所述第一组可移动梳状齿和所述第一组固定梳状齿彼此远离移动并且使所述第二组可移动梳状齿和所述第二组固定梳状齿彼此靠近移动。
2.根据权利要求1所述的两轴mems加速度计，其中，所述检测质量块在所述第一方向上的移动使所述第一组可移动梳状齿和所述第一组固定梳状齿彼此靠近移动第一距离并且使所述第二组可移动梳状齿和所述第二组固定梳状齿彼此远离移动所述第一距离，并且其中，所述检测质量块在所述第二方向上的移动使所述第一组可移动梳状齿和所述第一组固定梳状齿彼此远离移动第二距离并且使所述第二组可移动梳状齿和所述第二组固定梳状齿彼此靠近移动所述第二距离。
3.根据任一前述权利要求所述的两轴mems加速度计，其中，所述加速度计沿平行于所述基板平面并且垂直于所述电容器轴的横轴在第三方向上的移动使第一可移动梳状电极和第一固定梳状电极以及第二可移动梳状电极和第二固定梳状电极两者均彼此远离移动，并且其中，所述加速度计沿所述横轴在与所述第三方向相反的第四方向上的移动使所述第一可移动梳状电极和所述第一固定梳状电极以及所述第二可移动梳状电极和所述第二固定梳状电极两者均彼此靠近移动。
4.根据任一前述权利要求所述的两轴mems加速度计，其中，至少两个梳状电容器中的第一梳状电容器被布置成使得所述第一梳状电容器的电容器轴沿着或平行于与所述基板平面平行的第一轴，并且其中，所述至少两个梳状电容器中的第二梳状电容器被布置成使得所述第二梳状电容器的电容器轴沿着或平行于与所述基板平面平行并且垂直于所述第一轴的第二轴。
5.根据任一前述权利要求所述的两轴mems加速度计，其中，所述梳状电容器成对布置，并且其中，每对梳状电容器中的梳状电容器是关于与该电容器对的电容器轴平行且等距的映射轴映射的彼此的镜像。
6.根据权利要求4和5所述的两轴mems加速度计，包括被布置成两对的四个梳状电容器，其中，每对的映射轴在所述基板的中心处相交。
7.根据任一前述权利要求所述的两轴mems加速度计，其中，所述固定电极在所述基板的中心处或所述基板的中心附近被锚定至所述基板。
8.根据任一前述权利要求所述的两轴mems加速度计，其中，所述检测质量块围绕所述梳状电容器的周边延伸，使得所述梳状电容器位于所述检测质量块的内部。
9.根据权利要求8所述的两轴mems加速度计，其中，所述检测质量块通过弹簧连接至多个悬挂器，其中，所述悬挂器被锚定在所述基板的中心处或所述基板的中心附近。
10.根据权利要求9所述的两轴mems加速度计，其中，所述检测质量块通过四个弹簧连接至所述悬挂器，其中，每个弹簧在所述检测质量块的内角部处连接至所述检测质量块。
11.根据权利要求10所述的两轴mems加速度计，其中，所述弹簧被布置成两对，并且其中，每对弹簧中的弹簧在弹簧的中点处被连接。
12.根据权利要求1至7中任一项所述的两轴mems加速度计，其中，所述固定梳状电极在多个锚定点处被锚定至所述基板，并且其中，所述检测质量块包括位于所述锚定点内部的中心部分。
13.根据权利要求12所述的两轴mems加速度计，其中，所述检测质量块还包括臂部，所述臂部从所述中心部分朝向所述mems加速度计的外部延伸，其中，所述可移动梳状电极设置在所述臂部上。
14.根据权利要求13所述的两轴mems加速度计，其中，所述检测质量块通过多个弹簧连接至所述基板上的锚定点，所述多个弹簧围绕所述检测质量块和所述梳状电容器的外部延伸。
15.根据权利要求14所述的两轴mems加速度计，其中，每个弹簧包括：外部部分，其从锚定点围绕所述检测质量块和所述梳状电容器的周边延伸至中间部分；以及内部部分，其远离所述中间部分围绕所述检测质量块和所述梳状电容器的周边朝向所述检测质量块上的连接点延伸，所述弹簧的所述内部部分连接至所述连接点。
16.根据权利要求15所述的两轴mems加速度计，其中，所述加速度计包括位于所述检测质量块的相对侧的两对弹簧和两个弹簧锚定点，其中，每对弹簧中的一个弹簧从相应的弹簧锚定点延伸，使得所述弹簧的所述外部部分沿远离所述弹簧锚定点的相反方向延伸，并且使得每对弹簧中的弹簧的中间部分相邻，其中，每对弹簧的中间部分连接。
技术总结