本專利申請的主題與以下一篇或多篇專利申請相關，其中每一篇作為整體通過引用并入此處：

美國專利申請第13/523,101號，于2012年6月14日提交，標題為電路板上具有電極的蹺蹺板型MEMS加速度計，公布為US 2013/0333471(代理人案卷號2550/D70)；

美國專利申請第13/910,755號，于2013年6月5日提交，標題為具有動力學上可變的標準電容的MEMS傳感器(代理人案卷號2550/D95)；

美國專利申請第13/751,387號，于2013年1月23日提交，標題為具有不均衡質量的蹺蹺板加速度計，公布為US 2014/0208849(代理人案卷號2550/E07)；

美國專利申請第13/785,624號，于2013年3月5日提交，標題為具有改良的偏移和噪聲性能的傾斜模式的加速度計(代理人案卷號2550/E23)；和

美國專利申請第14/505,928號，于2014年10月3日提交，標題為具有Z軸錨定追蹤的MEMS加速度計(代理人案卷號2550/E94)。

本發(fā)明總體上涉及一種Z-軸加速度計類型，其常被稱為“蹺蹺板”型加速度計。

背景技術：

加速度計是一類傳感器，其將加速力轉化為電信號。加速度計用于多種設備以及應用中。例如，加速度計常常包含于各種機動車系統(tǒng)中，例如氣囊展開系統(tǒng)和傾翻檢測系統(tǒng)。加速度計還常常包含于很多 計算機設備中，例如用于基于移動的傳感(例如降落檢測)和控制(例如基于移動用于線上游戲的控制)設備。

一般來講，除其余部件之外，MEMS(Micro Electro Mechanical System，微電機系統(tǒng))加速度計通常包括檢測質量塊以及由外部加速驅動的、用于感應檢測質量塊的移動或位置變化的一個或多個結構。加速度計可以被配置為感應1、2、3或甚至更多的加速度軸。通常檢測質量塊被配置于預定的設備平面中，并且傳感軸一般是針對所述設備平面而言。例如，沿平行于設備平面的軸傳感的加速度通常被稱為X或Y軸加速度，而沿垂直于設備平面的軸傳感的加速度通常被稱為Z軸加速度。單軸加速度計可以被配置為僅檢測X或Y軸加速度或者僅檢測Z軸加速度。雙軸加速度計可以被配置為檢測X和Y軸加速度或者可以被配置為檢測X和Z軸加速度。三軸加速度計可以被配置為檢測X、Y和Z粙加速度。

一類Z軸加速度計使用被配置為“蹺蹺板(teeter-totter)”、“蹺蹺板(see-saw)”或“傾斜模式”構造的檢測質量塊，其中檢測質量塊受到襯底支持，以使檢測質量塊在Z軸加速度下相對于襯底旋轉。使用放置于檢測質量塊下方或上下方的傳感電極，感應檢測質量塊的這種旋轉運動以及由此感應Z軸加速度，所述傳感電極在多種類型的加速度中與檢測質量塊電容耦合。檢測質量塊下方和/或上方還可以包括其他電子組件，例如反饋電極。美國專利第7610809號提供了差分式蹺蹺板型Z-軸加速度計的一個示例，其在檢測質量塊上方和下方均具有電極。美國專利第6841992號和美國專利第5719336號提供了這種蹺蹺板型加速度計的其他示例。美國專利第8146425號描述了具有可移動Z軸傳感元件的MEMS傳感器。這些專利的每一篇作為整體通過引用并入此處。

圖1示意性和概念性示出上面討論的Z軸蹺蹺板型加速度計類型的剖視圖。在本示例中，設備芯片102包括具有蹺蹺板檢測質量塊 106和電極的Z軸蹺蹺板型加速度計，所述電極放置于位于蹺蹺板檢測質量塊106上方和下方的襯底上。設備芯片102與電路芯片104機械式電耦聯。蹺蹺板檢測質量塊106通過一個或多個錨109固定于下層襯底上，其具有樞軸107，使得蹺蹺板檢測質量塊106繞由樞軸107限定的軸旋轉，以使具有蹺蹺板檢測質量塊106可在Z軸方向移動，即蹺蹺板檢測質量塊106的末端可以向電極108A/108B(有時共同地或單獨地被稱為“電極108”)和110A/110B(有時共同地或單獨地被稱為“電極110”)移動和遠離。電極108和110形成可變電容，其中蹺蹺板檢測質量塊106用于感應檢測質量塊106的轉動和/或對檢測質量塊106的傳動力(imparting force)，例如用于閉合操作和/或自檢的傳動力。假設電極108和110均被用作感應蹺蹺板檢測質量塊106的運動的傳感電極，則加速度計的輸出120一般是來自電極108和110的信號的組合，其通常以差分方式處理，例如輸出＝(C_108A+C_110B)–(C_108B+C_110A)其中C_108A、C_108B、C_110A和C_110B是來自各個傳感電極的電容測量值。因此，當蹺蹺板檢測質量塊106位于等距于所有電極的標準位置時，輸出為零，隨著蹺蹺板檢測質量塊106由于外部加速度而繞樞軸107旋轉，輸出變?yōu)榉橇阒?，由此表示加速度的存在?或量。

在一些蹺蹺板型加速度計中，僅在蹺蹺板型檢測質量塊的上方或下方放置傳感電極。例如，替代性蹺蹺板型加速度計可以僅包括電極108或僅包括電極110。再次，加速度計的輸出可以是來自傳感電極的信號的組合，其以差分方式處理，例如輸出＝(C_108A–C_108B)或輸出＝(C_110A–C_110B)。

在一些蹺蹺板型加速度計中，僅使用1個傳感電極感應蹺蹺板檢測質量塊的移動。例如，單個傳感電極向蹺蹺板檢測質量塊的一個末端放置。

在一些蹺蹺板型加速度計中，蹺蹺板檢測質量塊是“不平衡的”， 因為其進一步在錨的一側而非另一側延伸。在這種加速度計中，傳感電極可以向蹺蹺板檢測質量塊延伸部分的末端放置。

雖然該示意圖中顯示在檢測質量塊106的上方和下方有兩個電極，應當注意的是，檢測質量塊106上方和/或下方的電極層中還可以包括額外的電極(例如反饋電極)。因此，例如每個電極層可以包括兩個或多個傳感電極以及一個或多個反饋電極。設備芯片102和電路芯片104之間存在多個電學和/或機械連接112，例如用于電路芯片104中的電路105與頂部和底部電極組108、110(電學連接顯示為短劃線)以及蹺蹺板檢測質量塊106(為方便起見，電學連接未顯示)電耦聯。加速度計可以例如基本上如美國專利第7610809號(McNeil)中所描述進行操作。

US 8,146,425(Zhang)公開了具有可移動Z軸傳感元件的MEMS傳感器。

US 2013/0333471(Chien)公開了電路板上具有電極的蹺蹺板型MEMS加速度計(2550/D70)。

US 2014/0208849(Zhang)公開了具有不平衡質量的蹺蹺板加速度計(2550/E07)。

US 2014/0251011(Zhang)公開了具有改良的偏移和噪聲性能的傾斜模式的加速度計(2550/E23)。

某些情形(例如機械壓力、溫度變化以及改變蹺蹺板檢測質量塊相對于一個或多個傳感電極的位置(例如通過襯底/包裝的變形)的其他機械作用)可以導致通常被稱為“偏移漂移(offset drift)”的現象，其中加速度計可以輸出表示加速度的偏差量的信號。例如，當不存在加速度時，加速度計可以輸出表示加速度存在的信號，當加速度存在時可以輸出表示加速度不存在的信號，或者可以輸出表示加速度偏差量的信號。

圖2是顯示能夠產生偏移誤差的第一類情形的示意圖，其中位 于蹺蹺板檢測質量塊106下層且與具有樞軸107的錨109連接的襯底111中的壓力導致襯底發(fā)生變形，使得電極108B向蹺蹺板檢測質量塊106向上偏移，以使其表面上距離蹺蹺板檢測質量塊106比電極108A近。在這種情況下，當蹺蹺板檢測質量塊106處于其標準位置時(例如無加速度時)，加速度計可以產生非零輸出信號，存在加速度時可以產生偏斜輸出。

圖3是顯示能夠產生偏移誤差的第二類情形的示意圖，其中襯底111和/或錨109中的壓力產生錨109的偏移，其導致蹺蹺板檢測質量塊106表面上向電極108B而非108A傾斜。在這種情況下，當蹺蹺板檢測質量塊106處于其標準位置時(例如無加速度時)，加速度計可以產生非零輸出信號，存在加速度時可以產生偏斜輸出。

應當注意的是，為方便起見，圖2和3僅顯示下層電極108。在包括上層電極110的加速度計中，電極110和蹺蹺板檢測質量塊之間表面距離的變化(例如由于支持電極110的上層襯底中的壓力)可以導致偏移誤差。

避免這些情形下的偏移誤差的一些現有嘗試包括機械地和/或電學地傾斜錨、樞軸或蹺蹺板檢測質量塊本身，以對抗襯底或錨的變形。

技術實現要素：

根據本發(fā)明的一個實施方案，蹺蹺板型加速度計包括襯底、由襯底支撐的至少一個錨、由襯底支撐的至少一個平臺、蹺蹺板檢測質量塊、至少一個傳感電極以及至少一個平臺-傳感電極，所述蹺蹺板檢測質量塊被配置為在與襯底垂直方向的加速度存在下繞至少一個錨樞軸轉動，所述至少一個傳感電極被安置為使得能夠感應蹺蹺板檢測質量塊的這種樞軸轉動，所述至少一個平臺-傳感電極被安置為使得能夠感應平臺相對于襯底的位置。

在多個可替代性實施方案中，至少一個平臺可以固定地附著到至 少一個錨上，可以栓接到至少一個錨上，以使至少一個平臺能夠繞至少一個錨樞軸轉動，或者可以固定地附著到襯底上。蹺蹺板檢測質量塊可以栓接到至少一個平臺或者至少一個錨上。一些實施方案包括單個錨，而其他實施方案包括兩個或多個錨。一些實施方案包括單個平臺，而其他實施方案包括兩個或多個平臺。至少一個平臺-傳感電極可以包括第一平臺-傳感電極和第二平臺-傳感電極，所述第一平臺-傳感電極被安置在至少一個錨的第一側，所述第二平臺-傳感電極被安置在與第一側相對的至少一個錨的第二側。蹺蹺板檢測質量塊可以是不平衡的蹺蹺板檢測質量塊。

在特定實施方案中，蹺蹺板型加速度計還包括加速度計輸出電路，其被配置為基于從至少一個傳感電極和至少一個平臺-傳感電極接收的信號產生加速度計輸出信號。在一些實施方案中，包括襯底、至少一個錨、至少一個平臺、蹺蹺板檢測質量塊、至少一個傳感電極以及至少一個平臺-傳感電極的機械組件處于設備芯片中，而加速度計輸出電路處于與設備芯片連接的電路芯片中。

根據本發(fā)明的另一個實施方案，用于上面描述的蹺蹺板型加速度計類型的加速度計輸出電路被配置為接收來自至少一個傳感電極和至少一個平臺-傳感電極的信號以及基于從至少一個傳感電極和至少一個平臺-傳感電極接收的信號產生加速度計輸出信號。

根據本發(fā)明的另一個實施方案，用于上面描述的蹺蹺板型加速度計類型的電路芯片包括加速度計輸出電路，其被配置為接收來自至少一個傳感電極和至少一個平臺-傳感電極的信號以及基于從至少一個傳感電極和至少一個平臺-傳感電極接收的信號產生加速度計輸出信號。

在以上實施方案的任一個中，至少一個平臺-傳感電極可以包括第一平臺-傳感電極和第二平臺-傳感電極，所述第一平臺-傳感電極被安置在至少一個錨的第一側，所述第二平臺-傳感電極被安置在與第 一側相對的至少一個錨的第二側，在這種情況下，加速度計輸出電路被配置為接收來自第一和第二平臺-傳感電極的信號以及基于從第一和第二平臺-傳感電極接受的信號之間的差異產生加速度計輸出信號。

額外的實施方案被公開和主張。

附圖說明

通過參考以下詳細描述以及參考所附附圖，將更容易理解上述實施方案的特征，其中：

圖1示意性和概念性示出本領域已知的Z軸蹺蹺板型加速度計系統(tǒng)的剖視圖；

圖2是顯示能夠在圖1所示加速度計類型中產生偏移誤差的第一類情形的示意圖；

圖3是顯示能夠在圖1所示加速度計類型中產生偏移誤差的第二類情形的示意圖；

圖4示意性和概念性示出根據本發(fā)明一個示例性實施方案的Z軸蹺蹺板型加速度計的剖視圖；

圖5示意性和概念性示出圖4的加速度計的頂視圖；

圖6是顯示能夠在圖4所示加速度計類型中產生偏移誤差的第一類情形的示意圖；

圖7是顯示能夠在圖1所示加速度計類型中產生偏移誤差的第二類情形的示意圖；

圖8示意性和概念性示出根據本發(fā)明特定示例性實施方案的Z軸蹺蹺板型加速度計系統(tǒng)的剖視圖；

圖9-10顯示第一種現有加速度計設備配置以及相應的電極配置；

圖11-12顯示第一種現有加速度計設備配置以及相應的電極配置；

圖13-14顯示平臺和錨定配置和相應電極配置的第一種示例性實施方案；和

圖15-16顯示平臺和錨定配置和相應電極配置的第二種示例性實施方案。

應當注意的是，上述附圖和其中描述的元件并非必然以一致比例或任意比例繪制。除非上下文另有說明，相似元件以相似數值表示。

具體實施方式

在本發(fā)明的實施方案中，加速度計包括一個或多個平臺，其被配置以隨襯底和/或錨的變形按比例移動。平臺可以處于相對于襯底的固定位置，例如通過固定地附著到錨上或通過固定地附著到襯底上，或者平臺相對于襯底可以是可移動的，例如通過栓接到錨上以使得平臺相對于錨樞軸轉動。電極被放置于平臺下層的襯底上，用于感應平臺相對于下層襯底的位置，所述位置可以由于如圖2中所描述的襯底變形或者由于如圖3中所描述的錨傾斜而發(fā)生變化。蹺蹺板檢測質量塊被配置為使得其能夠相對于平臺旋轉，例如通過栓接到平臺上或者通過栓接到與平臺分離的一個或多個錨上。平臺足夠堅固，在加速度輸入存在下不會發(fā)生位置變化(例如變形)?；趤碜赃@些平臺-傳感電極的信號對加速度計的輸出進行調整，以減少或消除偏移誤差。

圖4示意性和概念性示出根據本發(fā)明一個示例性實施方案的Z軸蹺蹺板型加速度計的剖視圖，圖5示意性和概念性示出圖4的加速度計的頂視圖。具體地，圖5(A)顯示固定附著到錨109上的平臺402，其中蹺蹺板檢測質量塊通過系繩403栓接到平臺402上(為方便起見，系統(tǒng)403在圖5中未標記示出，應當注意的是，本發(fā)明的實施方案不限于系繩的任意特定類型或數量)。額外的電極404A和404B(有時共同地或單獨地被稱為“電極404”)位于平臺402下面的襯底111上。 電極404與旋轉軸對稱地放置于平臺402下面。圖5(B)顯示電極108A/108B和電極404A/404B相對于平臺402和蹺蹺板檢測質量塊106的相對位置–電極108A/108B和404A/404B以短劃線顯示，因為其位于平臺402和蹺蹺板檢測質量塊106的下方。在圖5中，錨109的位置以其中含有“x”的圓圈表示。電極404A和404B被用于感應平臺402相對于下層襯底111的位置，所述位置可以由于如圖6中所描述的襯底變形(以上面關于圖2所描述的方式)或者由于如圖7中所描述的錨傾斜(以上面關于圖3所描述的方式)而發(fā)生變化?；趤碜赃@些平臺-傳感電極404的信號對加速度計的輸出進行調整，以減少或消除偏移誤差，例如輸出＝(C_108A–C_108B)+k*(C_404B–C_404A)，其中C_404A和C_404B是來自各個平臺-傳感電極404的電容測量值，k是可選的調整因子，以在當平臺402與襯底111不是水平的時，補償與傳感電極108相比平臺-傳感電極404的距離(以及因此電容)的相對變化，例如由于如圖6中所描述的襯底變形或者由于如圖7中所描述的錨傾斜。因此，例如如果錨向一個方向傾斜從而導致蹺蹺板型加速度計在該方向表面上傾斜，則有效地從加速度計輸出信號中移除傾斜量，以減少或消除偏移誤差。

應當注意的是，其他實施方案可以在平臺402上方，即在支撐電極110的襯底上，額外地或替代地包括平臺-傳感電極。

還應當注意的是，蹺蹺板檢測質量塊106、平臺402和系繩403可以例如利用MEMS制造過程由單層材料形成。單層材料可以是任何適宜的材料，例如多晶硅、鎢等。

還應當注意的是，平臺402和錨109可以由相同材料或不同材料形成。平臺402可以通過與錨109一體成形或者通過以結合到錨109上的分離的結構，固定地附著到錨109上。

圖8示意性和概念性示出上面所描述的Z軸蹺蹺板型加速度計類型的剖視圖。在本示例中，設備芯片102包括具有蹺蹺板檢測質量塊 106和電極的Z軸蹺蹺板型加速度計，所述電極放置于位于蹺蹺板檢測質量塊106上方(110)和下方(108)的襯底上。設備芯片102與電路芯片104機械式電耦聯。蹺蹺板檢測質量塊106通過一個或多個錨109固定到下層襯底的上方，其具有平臺402和系繩403，使得蹺蹺板檢測質量塊106繞由平臺402和系繩403限定的軸旋轉，以使蹺蹺板檢測質量塊106的末端可在Z軸方向移動，即蹺蹺板檢測質量塊106的末端可以向電極108A/108B和110A/110B移動和遠離。平臺-傳感電極404A和404B被包括以用于感應平臺402相對于下層襯底的位置。設備芯片102和電路芯片104之間存在多個電學和/或機械連接112，例如用于電路芯片104中的電路105與電極108、110和404(電學連接顯示為短劃線)以及蹺蹺板檢測質量塊106(為方便起見，電學連接未顯示)電耦聯。電路105被配置為基于來自電極108和/或電極110以及電極404的信號產生加速度計輸出信號120，例如輸出＝(C_108A+C_110B)–(C_108B+C_110A)+k*(C_404B–C_404A)。

圖9顯示第一種現有加速度計設備配置，圖10顯示相應的電極配置。如圖9所示，蹺蹺板檢測質量塊106(為方便起見，僅顯示一部分)栓接到單個錨(以標記“X”的方框顯示)上。圖10所示的電極排列被放置于下層襯底上，以位于圖9所示結構的下方，其中電極108A位于設備部分902下方，電極108B位于設備部分904下方，電極912位于設備部分906下方。電極108A和108B(分別被標記為“zneg”和“zpos”)被用于感應蹺蹺板檢測質量塊106的相對位置，而電極912(被標記為“pzp”)可以用于自檢和/或感應。

圖11顯示第二種現有加速度計設備配置，圖12顯示相應的電極配置。如圖11所示，蹺蹺板檢測質量塊106(為方便起見，僅顯示一部分)栓接到兩個錨(以標記“X”的方框顯示)上。圖12所示的電極排列被放置于下層襯底上，以位于圖11所示結構的下方，其中電 極108A位于設備部分1002下方，電極108B位于設備部分1004下方，電極1012位于設備部分1006下方。電極108A和108B(分別被標記為“zneg”和“zpos”)被用于感應蹺蹺板檢測質量塊106的相對位置，而電極1012(被標記為“pzp”)可以用于自檢和/或感應。

圖13顯示平臺和錨定配置的第一種示例性實施方案，圖14顯示相應的電極配置。如圖13所示，設備包括兩個平臺1120A和1120B，其由單個錨(以標記“X”的方框顯示)支撐，其中蹺蹺板檢測質量塊106(為方便起見，僅顯示一部分)栓接到錨上，以可繞錨樞軸轉動。圖14所示的電極排列被放置于下層襯底上，以位于圖13所示結構的下方，其中電極部分1108位于設備部分1102下方，電極部分1110位于設備部分1104下方，電極部分1112位于設備部分1106下方。電極108A和108B(分別被標記為“zneg”和“zpos”)被用于感應蹺蹺板檢測質量塊106的相對位置，電極404A和404B(分別被標記為“zpos_comp”和“zneg_comp”)分別用于感應平臺1120A和1120B的任何替換，被標記為“pzp”的電極可以用于自檢和/或感應。

圖15顯示平臺和錨定配置的第二種示例性實施方案，圖16顯示相應的電極配置。如圖15所示，設備包括兩個平臺1320A和1320B，其由兩個錨(以標記“X”的方框顯示)支撐，其中蹺蹺板檢測質量塊106(為方便起見，僅顯示一部分)栓接到錨上，以可繞錨樞軸轉動。圖16所示的電極排列被放置于下層襯底上，以位于圖15所示結構的下方，其中電極部分1308位于設備部分1302下方，電極部分1310位于設備部分1304下方，電極部分1312位于設備部分1306下方。電極108A和108B(分別被標記為“zneg”和“zpos”)被用于感應蹺蹺板檢測質量塊106的相對位置，電極404A和404B(分別被標記為“zpos_comp”和“zneg_comp”)分別用于感應平臺1320A和1320B的任何替換，被標記為“pzp”的電極可以用于自檢和/或感應。

對于圖13-16所示的加速度計，通過因子((zpos–zneg)+ (zneg_comp–zpos_comp))對加速度計的輸出進行調整。

應當注意的是，圖13和15中的平臺由分界線突出顯示，其顯示這些結構通常的形狀和邊界位置，盡管應當注意的是，由于包含這些結構的設備層一般由單層材料形成，多個結構的實際界線可以與所顯示的不同。在任何情況下，蹺蹺板檢測質量塊106被配置為能夠相對于平臺移動。

盡管上面描述的示例性實施方案包括位于平臺兩側下方即錨兩側的平臺-傳感電極，應當注意的是，特定的替代性實施方案包括僅位于平臺一側的平臺-傳感電極，其中這種平臺-傳感電極仍然能夠感應平臺的相對位置。

應當注意的是，本發(fā)明的實施方案可以包括含有與電路芯片分離的加速度計機械組件的設備芯片，含有與設備芯片分離的加速度計輸出電路的電路芯片，或者包括設備芯片和電路芯片的集成設備。還應當注意的是，基于傳感電極和平臺-傳感電極提供加速度計輸出的加速度計輸出電路可以與加速度計機械組件一起包括于設備芯片中。

本發(fā)明可以在不偏離本發(fā)明真實范圍的情況下表現為其他具體形式，并且基于本文的教導，大量的變化和修改對于本領域技術人員來說將是顯然的。任何“本發(fā)明”的引用意在是指本發(fā)明的示例性實施方案，而不應當被視為是指本發(fā)明的所有實施方案，除非上下文另外需要。所描述的實施方案將被認為在所有方面僅是說明性而非限制性的。