加速度計(jì)的制作方法
【專利摘要】一種用于加速度計(jì)的感測(cè)結(jié)構(gòu)，其包括：通過(guò)柔性支腿安裝到支撐件的檢驗(yàn)質(zhì)量塊以用于響應(yīng)于沿著感測(cè)方向施加的加速度的平面內(nèi)移動(dòng)；所述檢驗(yàn)質(zhì)量塊包括基本垂直于所述感測(cè)方向延伸并且在所述感測(cè)方向上間隔開(kāi)的多個(gè)可移動(dòng)電極指狀物；至少一對(duì)固定電容電極，其包括基本垂直于所述感測(cè)方向延伸并且在所述感測(cè)方向上間隔開(kāi)的第一組固定電極指狀物和第二組固定電極指狀物；所述第一組固定電極指狀物和所述第二組固定電極指狀物與所述可移動(dòng)電極指狀物互相交叉、分別在一個(gè)方向和相反方向上與兩者間的中線具有第一偏移和第二偏移；其中所述檢驗(yàn)質(zhì)量塊是圍繞所述固定電容電極的外框架，所述柔性支腿從所述檢驗(yàn)質(zhì)量塊橫向向內(nèi)延伸到中央錨。
【專利說(shuō)明】
加速度計(jì)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本公開(kāi)涉及用于加速度計(jì)的感測(cè)結(jié)構(gòu)，具體地說(shuō)涉及用于加速度計(jì)的電容式感測(cè) 結(jié)構(gòu)。
[0002] 發(fā)明背景
[0003] 加速度計(jì)是可測(cè)量由于運(yùn)動(dòng)和/或振動(dòng)的加速力的機(jī)電裝置。加速度計(jì)在廣泛多 種應(yīng)用中得到使用，包括地震感測(cè)、振動(dòng)感測(cè)、慣性感測(cè)以及傾斜感測(cè)。電容式加速度計(jì)通 常由硅制成并且實(shí)現(xiàn)為微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)結(jié)構(gòu)。典型MEMS電容式感測(cè)結(jié)構(gòu)包括相對(duì)于支撐 件可移動(dòng)地安裝的檢驗(yàn)質(zhì)量塊。從檢驗(yàn)質(zhì)量塊延伸的一組可移動(dòng)電極指狀物與一組或多組 固定電極指狀物互相交叉，其中電極指狀物之間的微分電容是可測(cè)量的以便檢測(cè)檢驗(yàn)質(zhì)量 塊在感測(cè)方向上的偏轉(zhuǎn)。包括感測(cè)結(jié)構(gòu)的加速度計(jì)包括用于驅(qū)動(dòng)和拾取信號(hào)的適當(dāng)電子器 件。
[0004] W0 2004/076340和W0 2005/083451提供包括基本垂直于MEMS裝置的感測(cè)方向延 伸的多個(gè)互相交叉的固定和可移動(dòng)電極指狀物的電容式加速度計(jì)的實(shí)例。電極指狀物由單 個(gè)硅襯底例如使用深反應(yīng)離子蝕刻(DRIE)形成。硅襯底通常陽(yáng)極地粘結(jié)到玻璃支撐件，玻 璃具有其中元件移動(dòng)的預(yù)氣穴現(xiàn)象。在粘結(jié)和DRIE之后，添加蓋玻璃晶片來(lái)給予具有捕獲 在內(nèi)側(cè)的氣態(tài)介質(zhì)的密封組件。大氣壓氣體(通常是氬)在檢驗(yàn)質(zhì)量塊移動(dòng)時(shí)為其提供臨界 壓膜阻尼。隨后添加井下通孔來(lái)從玻璃支撐件的頂表面到活性硅元件進(jìn)行電連接。玻璃支 撐件提供高電絕緣，但在取決于玻璃類(lèi)型的熱膨脹系數(shù)中存在失配。例如，SD2玻璃(硅酸 鋁)給予比Pyrex(硅酸硼)好的熱匹配。玻璃中優(yōu)先使用硅(諸如氧化技術(shù)的粘結(jié)硅）以便支 撐，因?yàn)槠錅p小了對(duì)地雜散電容。
[0005] 加速度計(jì)的現(xiàn)有技術(shù)實(shí)例在W0 2012/076837中描述并且見(jiàn)于圖1。在此感測(cè)結(jié)構(gòu) 中，檢驗(yàn)質(zhì)量塊分離成布置在一對(duì)固定電容電極的相對(duì)側(cè)上的第一質(zhì)量元件和第二質(zhì)量元 件。質(zhì)量元件可通過(guò)撐桿剛性互連以形成整體可移動(dòng)檢驗(yàn)質(zhì)量塊。質(zhì)量元件通過(guò)連接分開(kāi) 的頂部錨固點(diǎn)和底部錨固點(diǎn)的一組四個(gè)柔性支腿安裝到下面的支撐件。錨固點(diǎn)和兩組固定 電極指狀物陽(yáng)極地粘結(jié)到下面的玻璃支撐件。此設(shè)計(jì)的問(wèn)題是玻璃支撐件與硅襯底之間的 膨脹差在存在溫度變化時(shí)升高。在均勻熱膨脹的情況下，兩個(gè)固定電極相對(duì)于兩個(gè)錨固點(diǎn) 對(duì)稱地移動(dòng)(例如，向外），這在電極指狀物間隙變化時(shí)引起比例因子移位。在跨過(guò)裝置的熱 梯度的情況下，兩個(gè)固定電極相對(duì)于彼此不對(duì)稱地移動(dòng)，導(dǎo)致偏置移位。在開(kāi)環(huán)中操作，這 種裝置的靈敏度通常是30nm/g(對(duì)于30g的范圍），因此30pm的相對(duì)移動(dòng)引起lmg的偏置移 位。支撐玻璃的應(yīng)力可由熱膨脹/梯度造成，或者由用在裝置封裝中的黏晶(diebond)引起。 黏晶是具有低楊氏模量的彈性材料，其通常具有高熱膨脹系數(shù)并且還可經(jīng)歷老化效應(yīng)。
[0006] 本公開(kāi)尋求減少或克服以上列出的缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 根據(jù)本公開(kāi)的第一個(gè)方面，提供用于加速度計(jì)的感測(cè)結(jié)構(gòu)，其包括：
[0008] 支撐件和通過(guò)柔性支腿安裝到支撐件的檢驗(yàn)質(zhì)量塊以用于響應(yīng)于沿著感測(cè)方向 施加的加速度的平面內(nèi)移動(dòng)；
[0009] 檢驗(yàn)質(zhì)量塊包括基本垂直于感測(cè)方向延伸并且在感測(cè)方向上間隔開(kāi)的多個(gè)可移 動(dòng)電極指狀物；以及
[0010] 至少一對(duì)固定電容電極，其包括基本垂直于感測(cè)方向延伸并且在感測(cè)方向上間隔 開(kāi)的第一組固定電極指狀物和第二組固定電極指狀物；
[0011] 第一組固定電極指狀物布置來(lái)與可移動(dòng)電極指狀物互相交叉、在一個(gè)方向上與兩 者間的中線具有第一偏移，并且第二組固定電極指狀物布置來(lái)與可移動(dòng)電極指狀物互相交 叉、在相反方向上與兩者間的中線具有第二偏移；
[0012] 其中檢驗(yàn)質(zhì)量塊采取圍繞至少一對(duì)固定電容電極的外框架的形狀，柔性支腿從檢 驗(yàn)質(zhì)量塊橫向向內(nèi)延伸到具有沿著感測(cè)方向的相對(duì)于固定電容電極對(duì)居中的位置的中央 錨。
[0013] 因此根據(jù)本公開(kāi)，檢驗(yàn)質(zhì)量塊采取在單個(gè)點(diǎn)處錨固在固定電容電極對(duì)中央的外框 架的形狀。通過(guò)中央錨固點(diǎn)，在熱梯度存在的情況下，檢驗(yàn)質(zhì)量塊框架不太可能相對(duì)于固定 電極指狀物移動(dòng)。這減小了由支撐件與檢驗(yàn)質(zhì)量塊的材料(例如，硅)之間的膨脹率差造成 的加速度計(jì)偏置。
[0014] 在一組實(shí)例中，感測(cè)結(jié)構(gòu)包括至少兩對(duì)固定電容電極。在加速度計(jì)中，每對(duì)的第一 組固定電極指狀物和第二組固定電極指狀物可相對(duì)于彼此被反相地驅(qū)動(dòng)。檢驗(yàn)質(zhì)量塊錨保 持沿著感測(cè)方向的相對(duì)于兩對(duì)或更多對(duì)的固定電容電極居中的位置。這意味著一對(duì)固定電 容電極可定位在中央錨上方，而另一對(duì)固定電極指狀物可定位在中央錨下方（即，沿著感測(cè) 方向看）。在每對(duì)固定電極中，第一組固定電極指狀物和第二組固定電極指狀物可沿著感測(cè) 方向彼此緊鄰而不是如現(xiàn)有技術(shù)中由撐桿間隔開(kāi)。每對(duì)的第一組固定電極指狀物和第二組 固定電極指狀物反相地驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致微分對(duì)。兩個(gè)第一組固定電極指狀物可同相地電連接，而 兩個(gè)第二組固定電極指狀物可反相地連接。在存在均勻溫度變化的情況下，此雙重微分方 案引起兩對(duì)的固定電容電極以相同量移動(dòng)并因此取消任何偏置移位并使比例因子移位最 小化。與現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)相比，比例因子變化可以10的因子減小。
[0015] 在本公開(kāi)的至少一些實(shí)例中，感測(cè)結(jié)構(gòu)可包括多于兩對(duì)的固定電容電極。有可能 感測(cè)結(jié)構(gòu)可包括三個(gè)微分電極對(duì)，或者任何其他奇數(shù)的固定電容電極對(duì)。多于一個(gè)的固定 電極指狀物微分對(duì)的任何布置將提供在均勻溫度變化下的比例因子的穩(wěn)定性中的改進(jìn)，但 據(jù)計(jì)算任選布置使用偶數(shù)的固定電容電極對(duì)。因此在一些實(shí)例中，感測(cè)結(jié)構(gòu)可包括至少4、 6、8等(或任何偶數(shù))對(duì)的固定電容電極，每對(duì)的第一組固定電極指狀物和第二組固定電極 指狀物被反相地驅(qū)動(dòng)。據(jù)計(jì)算，溫度梯度下的開(kāi)環(huán)靈敏度中的改進(jìn)與偶數(shù)相比較使用奇數(shù) 的微分電極對(duì)更少。
[0016] 在檢驗(yàn)質(zhì)量塊采取圍繞一對(duì)或更多對(duì)的固定電容電極的外框架形狀的情況下，固 定電容電極可布置成在外框架內(nèi)居中。感測(cè)結(jié)構(gòu)中的電極的布置可在感測(cè)方向上對(duì)稱和/ 或垂直于感測(cè)方向。每對(duì)固定電容電極可包括與檢驗(yàn)質(zhì)量塊的中央錨橫向?qū)?zhǔn)的錨。這可 促進(jìn)加速度計(jì)的各種元件之間的共用電連接。例如，每對(duì)固定電容電極可在沿著感測(cè)方向 與檢驗(yàn)質(zhì)量塊的中央錨對(duì)準(zhǔn)的中央位置處錨固到支撐件。對(duì)于每對(duì)固定電容電極，單個(gè)共 用電連接可被提供用于第一組固定電極指狀物和第二組固定電極指狀物。這可減小所需要 的分開(kāi)電連接的數(shù)量。在兩對(duì)或更多對(duì)固定電容電極被反相地驅(qū)動(dòng)的情況下，可提供與用 于檢驗(yàn)質(zhì)量塊的第五電連接一致的至少四個(gè)單獨(dú)電連接，每個(gè)對(duì)應(yīng)于每一對(duì)固定電容電 極。
[0017] 在第一組實(shí)例中，感測(cè)結(jié)構(gòu)包括沿著感測(cè)方向?qū)ΨQ布置的兩對(duì)固定電容電極，其 中中央錨任一側(cè)一對(duì)。上部對(duì)的第一組固定電極指狀物和第二組固定電極指狀物可與下部 對(duì)的第一組固定電極指狀物和第二組固定電極指狀物鏡像對(duì)稱，其中對(duì)稱軸線穿過(guò)中央 錨。在感測(cè)結(jié)構(gòu)包括具有布置來(lái)具有對(duì)稱偏移的位于中央錨上方的第一上部組的固定電極 指狀物和第二上部組的固定電極指狀物和位于中央錨下方的第一下部組的固定電極指狀 物和第二下部組的固定電極指狀物的兩對(duì)固定電容電極的加速度計(jì)中，第一上部組的固定 電極指狀物可與第一下部組的固定電極指狀物同相地驅(qū)動(dòng)，并且第二上部組的固定電極指 狀物可與第二下部組的固定電極指狀物同相地驅(qū)動(dòng)。由于電極指狀物的對(duì)稱布置，由于均 勻溫度變化的微分電容變化將被取消。此外，倒置驅(qū)動(dòng)相將倒置信號(hào)感測(cè)，因此雙解調(diào)（"消 波穩(wěn)定"）可能消除解調(diào)器錯(cuò)誤。這可用于消除連接到加速度計(jì)中的感測(cè)結(jié)構(gòu)的解調(diào)器的電 子偏移。如果電極通過(guò)經(jīng)歷老化問(wèn)題的黏晶安裝到支撐件，那么先前在高溫操作壽命期間 觀察的比例因子移位可顯著減小。這取決于跨過(guò)支撐件表面的均勻黏晶的存在。
[0018] 在另一組實(shí)例中，兩對(duì)固定電容電極可布置在中央錨的任一側(cè)而沒(méi)有沿著感測(cè)方 向的鏡像對(duì)稱，以便考慮由跨裝置的溫度梯度造成的不均勻變化。然而，此類(lèi)熱梯度的效應(yīng) 可能比均勻溫度變化的效應(yīng)小得多。在此類(lèi)實(shí)例中，感測(cè)結(jié)構(gòu)可包括具有布置來(lái)具有相反 偏移的位于中央錨上方的第一上部組的固定電極指狀物和第二上部組的固定電極指狀物 和位于中央錨下方的第一下部組的固定電極指狀物和第二下部組的固定電極指狀物的兩 對(duì)固定電容電極。在包括這種感測(cè)結(jié)構(gòu)的加速度計(jì)中，第一上部組的固定電極指狀物可與 第二下部組的固定電極指狀物同相地驅(qū)動(dòng)，并且第二上部組的固定電極指狀物可與第一下 部組的固定電極指狀物同相地驅(qū)動(dòng)。相反偏移可被布置以便提供溫度梯度下的補(bǔ)償。這可 由于外部溫度梯度的存在發(fā)生，或者在存在例如由電極與下面支撐件之間的不均勻黏晶驅(qū) 動(dòng)的不均勻熱流的情況下發(fā)生。偏移黏晶可另外導(dǎo)致偏置，例如由于黏晶材料因年久而微 分松弛。
[0019] 在以上實(shí)例涉及兩對(duì)固定電容電極的情況下，將理解，任何偶數(shù)對(duì)的固定電容電 極也可布置在中央錨的任一側(cè)，例如四對(duì)固定電容電極。在加速度計(jì)中，此多對(duì)電極可對(duì)稱 或不對(duì)稱地被驅(qū)動(dòng)，如上文所述。
[0020] 在本公開(kāi)的實(shí)例中，感測(cè)結(jié)構(gòu)可連接到合適的驅(qū)動(dòng)和拾取電子器件以形成加速度 計(jì)。在加速度計(jì)中，每對(duì)固定電容電極可在開(kāi)環(huán)或閉環(huán)配置中驅(qū)動(dòng)。在開(kāi)環(huán)配置中，例如，開(kāi) 環(huán)電子器件布置來(lái)反相地驅(qū)動(dòng)每對(duì)的第一組固定電極指狀物和第二組固定電極指狀物。開(kāi) 環(huán)電子器件可施加正弦波或方形波驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在開(kāi)環(huán)操作中，檢驗(yàn)質(zhì)量塊在加速度下在第 一組固定電極指狀物與第二組固定電極指狀物之間自由地移動(dòng)，并且電容中的微分變化與 檢驗(yàn)質(zhì)量塊的偏轉(zhuǎn)成比例。這些實(shí)例中的拾取信號(hào)可以是出現(xiàn)在輸出上的整流電壓(例如， 在低通濾波之后）。開(kāi)環(huán)加速度計(jì)的操作在W0 2004/076340中更詳細(xì)地描述，其內(nèi)容以引用 方式并入本文。
[0021] 在閉環(huán)配置中，例如，閉環(huán)電子器件布置來(lái)反相地驅(qū)動(dòng)每對(duì)的第一組固定電極指 狀物和第二組固定電極指狀物。驅(qū)動(dòng)電子器件給電極提供變量靜電力以實(shí)現(xiàn)力平衡。檢驗(yàn) 質(zhì)量塊憑借使由于加速度的慣性力無(wú)效的靜電力固定在適當(dāng)位置。在模擬方法中，閉環(huán)電 子器件可施加分開(kāi)的驅(qū)動(dòng)和感測(cè)信號(hào)，即，時(shí)域中的分開(kāi)。例如，AC電壓信號(hào)可用于感測(cè)而 靜電壓在大小上變化以提供用檢驗(yàn)質(zhì)量塊上的平衡所施加加速度的慣性力的靜電恢復(fù)力 驅(qū)動(dòng)電極的反饋信號(hào)。在數(shù)字方法中，脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)可被施加用于通過(guò)在頻域中分開(kāi) 激勵(lì)和反饋信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)并感測(cè)。例如，對(duì)于具有約1 _3kHz的諧振頻率的檢驗(yàn)質(zhì)量塊，PWM驅(qū) 動(dòng)信號(hào)可處于約100kHz的頻率。在一些實(shí)例中，閉環(huán)電子器件可施加脈寬調(diào)制(PWM)驅(qū)動(dòng)信 號(hào)，所述PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)可具有可調(diào)整碼元：占空比以改變檢驗(yàn)質(zhì)量塊上的靜電恢復(fù)力。這些 實(shí)例中的拾取信號(hào)通過(guò)使用PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)自檢驗(yàn)質(zhì)量塊。閉環(huán)加速度計(jì)的操作在W0 2005/083451中更詳細(xì)地描述，其內(nèi)容以引用方式并入本文。
[0022] 檢驗(yàn)質(zhì)量塊可通過(guò)任何合適數(shù)量的柔性支腿安裝到支撐件。在一組實(shí)例中，外框 架的相對(duì)側(cè)可通過(guò)一對(duì)柔性支腿連接到中央錨。例如，從中央錨的相對(duì)側(cè)延伸的所述對(duì)的 柔性支腿。已認(rèn)識(shí)到通過(guò)兩對(duì)或更多對(duì)的分開(kāi)柔性支腿將檢驗(yàn)質(zhì)量塊安裝到支撐件可提高 平面外轉(zhuǎn)動(dòng)剛度。這可使得感測(cè)結(jié)構(gòu)能夠?yàn)椴幌胍钠矫嫱饽Ｊ教峁└叩闹C振頻率。
[0023] 柔性支撐腿設(shè)置檢驗(yàn)質(zhì)量塊的諧振頻率并因此設(shè)置感測(cè)結(jié)構(gòu)和加速度計(jì)的靈敏 度。檢驗(yàn)質(zhì)量塊可通過(guò)多個(gè)等間隔柔性支撐腿安裝，例如，朝向中央錨延伸的兩個(gè)或四個(gè)支 撐腿。每個(gè)支撐腿可在基本垂直于加速度計(jì)的感測(cè)方向的方向上延伸，使得當(dāng)檢驗(yàn)質(zhì)量塊 響應(yīng)于所施加加速度移動(dòng)時(shí)，支撐腿撓曲并施加恢復(fù)力迫使檢驗(yàn)質(zhì)量塊向后朝向靜止位 置。支撐腿越短，檢驗(yàn)質(zhì)量塊的諧振頻率就越高。期望在不顯著增加裝置的總尺寸的情況下 減小諧振頻率。在特別合適的一組實(shí)例中，支撐腿具有螺旋形形狀。此外，公開(kāi)每個(gè)支撐腿 可至少包括第一大體平直部分、第二大體平直部分以及使第一大體平直部分和第二大體平 直部分互連的具有大體U形形狀的末端部分，其中末端部分的厚度大于第一大體平直部分 和第二大體平直部分兩者的中央部分的厚度。支撐腿的此構(gòu)造表示末端部分具有增加厚度 的特別有益的螺旋形形狀，這在顯著平面外加速度被施加的情況下應(yīng)力最高。支撐腿可具 有基本如W0 2013/050752中描述的螺旋形形狀，其全部?jī)?nèi)容以引用的方式并入本文中。
[0024] 在本公開(kāi)的許多實(shí)例中，檢驗(yàn)質(zhì)量塊和固定電容電極可由半導(dǎo)體襯底例如硅襯底 一體形成。檢驗(yàn)質(zhì)量塊的外框架可由半導(dǎo)體襯底通過(guò)諸如深反應(yīng)離子蝕刻(DRIE)的蝕刻工 藝制成。在MEMS結(jié)構(gòu)中，檢驗(yàn)質(zhì)量塊和固定電容電極可形成在同一平面中。中央錨可固定粘 結(jié)例如陽(yáng)極地粘結(jié)到下面電絕緣支撐件(例如玻璃）。
[0025]包括如本文公開(kāi)的感測(cè)結(jié)構(gòu)的加速度計(jì)還可包括任何合適氣態(tài)介質(zhì)來(lái)為互相交 叉的電容電極指狀物提供阻尼效應(yīng)。氣態(tài)介質(zhì)可包括空氣、氮、氬、氦或氖中的一種或多種。 然而，可選擇氖(例如，而不是氬)來(lái)增加阻尼因子。因此，加速度計(jì)可包含氖氣來(lái)為互相交 叉的電極指狀物提供阻尼。
[0026]在本文公開(kāi)的任一個(gè)實(shí)例中，感測(cè)結(jié)構(gòu)可采取MEMS的形狀，具體地由半導(dǎo)體襯底 例如硅襯底形成的MEMS。支撐件可由支撐半導(dǎo)體襯底的電絕緣例如玻璃基底組成。可使用 陽(yáng)極粘結(jié)，如本領(lǐng)域中已知的。將半導(dǎo)體襯底陽(yáng)極地粘結(jié)到電絕緣例如玻璃基底具有使互 相交叉的電極指狀物的電容與地平面電隔離的優(yōu)點(diǎn)。小電容變化對(duì)于電容式加速度計(jì)中的 感測(cè)結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確度非常重要。
[0027] 可移動(dòng)電極指狀物和固定電極指狀物可分別橫向地即從檢驗(yàn)質(zhì)量塊或固定電容 電極橫向地延伸以便以梳狀形狀間隔開(kāi)。
[0028] 將了解，術(shù)語(yǔ)"可移動(dòng)"用于指示指狀物能夠憑借以下事實(shí)相對(duì)于支撐件和固定到 支撐件的任何電極移動(dòng):檢驗(yàn)質(zhì)量塊作為整體可由于通過(guò)柔性支腿安裝而相對(duì)于支撐件移 動(dòng)。當(dāng)然，單獨(dú)電極指狀物不可相對(duì)于檢驗(yàn)質(zhì)量塊移動(dòng)。
【附圖說(shuō)明】
[0029] 現(xiàn)將參考附圖來(lái)描述一個(gè)或多個(gè)非限制性實(shí)例，其中：
[0030] 圖1示出加速度計(jì)的現(xiàn)有技術(shù)形狀;并且
[0031] 圖2示出根據(jù)本公開(kāi)的示例性加速度計(jì)。
[0032]圖1示出類(lèi)似于W0 2012/076837中描述的電容式加速度計(jì)1的現(xiàn)有技術(shù)形狀。可移 動(dòng)檢驗(yàn)質(zhì)量塊和電容電極由安裝到下面支撐件的硅晶片蝕刻而成。第一質(zhì)量元件2通過(guò)第 一柔性支腿2a、2b安裝到支撐件，并且第二質(zhì)量元件4通過(guò)第二柔性支腿4a、4b安裝到支撐 件。上部柔性支腿2a、4a連接到上部錨6，而下部柔性支腿2b、4b連接到下部錨8。上部錨6和 下部錨8例如通過(guò)陽(yáng)極粘結(jié)分別附接到支撐件。單對(duì)的固定電容電極位于第一質(zhì)量元件2與 第二質(zhì)量元件4之間。固定電容電極對(duì)包括被反相地驅(qū)動(dòng)的第一上部組的固定電極指狀物 10和第二下部組的固定電極指狀物12。固定電極指狀物10、12基本垂直于感測(cè)方向（由雙頭 箭頭指示)延伸，并且與從第一質(zhì)量元件2和第二質(zhì)量元件4橫向向內(nèi)延伸的對(duì)應(yīng)組的可移 動(dòng)電極指狀物14、16互相交叉。檢驗(yàn)質(zhì)量塊2、4可響應(yīng)于所施加加速度在平面內(nèi)感測(cè)方向上 相對(duì)于固定電極1 〇、12移動(dòng)。上部組的固定電極指狀物10和下部組的固定電極指狀物12在 相反方向上與檢驗(yàn)質(zhì)量指狀物14、16偏移，使得任一方向上的移動(dòng)可從生成的微分電容測(cè) 量而得。
[0033]如果此裝置1經(jīng)歷引起硅層相對(duì)于支撐件(例如，玻璃）的微分膨脹的均勻溫度變 化，那么上部錨6和下部錨8-起/分開(kāi)移動(dòng)并且上部組的固定電極指狀物10和下部組的固 定電極指狀物12-起/分開(kāi)移動(dòng)。對(duì)稱膨脹將引起作為溫度的函數(shù)的比例因子變化。即使支 撐件使用具有與硅的良好熱膨脹匹配的SD-2玻璃，這可導(dǎo)致40ppm/°C的比例因子移位。此 外，如果錨固點(diǎn)6、8或固定電極10、12例如由于下面玻璃支撐件的熱膨脹或應(yīng)力不對(duì)稱地分 開(kāi)移動(dòng)，那么將存在偏置移位。這可導(dǎo)致作為溫度的函數(shù)的大約lmg/°C的無(wú)補(bǔ)償偏置。期望 提高電容式加速度計(jì)的溫度穩(wěn)定性。
[0034]微分電容寫(xiě)于下文：
[0036] 對(duì)于 ^ = (1+3，
[0037] 其中X是由于加速度的偏轉(zhuǎn)，d是初始指狀物間隙，并且δ是熱誘導(dǎo)的變形。這擴(kuò)展 為如下：
[0039]比例因子由相對(duì)于x的導(dǎo)數(shù)給出如下：
[0041]就熱梯度效應(yīng)而言，微分電容由以下給出：
[0043]其中(11 = (1-5、(12 = (1+5，1是由于加速度的偏移，并且5是由于熱梯度的兩個(gè)固定電 極組的移動(dòng)。從圖1，可看到上部組向上移動(dòng)縮小間隙0是負(fù)的），并且下部組向上移動(dòng)增加 間隙（S是正的）。
[0044]這擴(kuò)展為：
[0046] 在熱梯度下
.的偏置并且沒(méi)有比例因子移位。
[0047] 這些計(jì)算可與本公開(kāi)相比，如下。
[0048] 參考圖2公開(kāi)包括采取外框架形狀的檢驗(yàn)質(zhì)量塊102的電容式加速度計(jì)100。檢驗(yàn) 質(zhì)量塊102通過(guò)中央錨104附接到下面支撐件，其中其余的自由移動(dòng)。一對(duì)柔性支撐腿112在 檢驗(yàn)質(zhì)量框架102與中央錨104之間延伸。
[0049] 兩對(duì)固定電容電極106、108布置在檢驗(yàn)質(zhì)量塊102的外框架的內(nèi)側(cè)。每對(duì)106、108 包括被反相地驅(qū)動(dòng)的第一組固定電極指狀物和第二組固定電極指狀物。固定電極指狀物基 本垂直于感測(cè)方向（由雙頭箭頭指示)延伸，并且與從檢驗(yàn)質(zhì)量框架102橫向向內(nèi)延伸的對(duì) 應(yīng)組的可移動(dòng)電極指狀物110互相交叉。在上部微分對(duì)106中，第一組固定電極指狀物106a 和第二組固定電極指狀物106b在相反方向上與檢驗(yàn)質(zhì)量塊指狀物110偏移。在此實(shí)例中，下 部微分對(duì)108中的第一組固定電極指狀物108a和第二組固定電極指狀物108b具有與上部微 分對(duì)106的鏡像對(duì)稱。第一上部固定電極106a和第一下部固定電極108a聯(lián)接在一起，并且第 二上部固定電極106b和第二下部固定電極108b聯(lián)接在一起，例如通過(guò)在具有井下通孔的上 部玻璃層上金屬跟蹤以進(jìn)行電連接。第一上部固定電極l〇6a和第一下部固定電極108a可由 同相方形波(開(kāi)環(huán))或同相PWM信號(hào)（閉環(huán))驅(qū)動(dòng)，并且第二上部固定電極106b和第二下部固 定電極108b可由反相方形波(開(kāi)環(huán))或反相P麗信號(hào)（閉環(huán))驅(qū)動(dòng)。這意味著均勻溫度變化引 起所有四組固定電極指狀物以相同方式移動(dòng)，取消，使得微分電容變化與圖1的單個(gè)微分對(duì) 相比被消除。
[0050]在圖2中，對(duì)于四組指狀物存在四組電容(1、2、3、4)。微分電容在下文給出：
[0052] 其中di = d+a5、d2 = d-a5并且α是因子（~1.8)顯示與106b和108a相比距離指狀物 組106a和108b中心更大的距離。
[0053] 這擴(kuò)展為如下：
[0055]比例因子由以下給出：
[0057] 對(duì)于a = 1.5，比例因子對(duì)溫度變化的靈敏度四倍小于圖1的加速度計(jì)。
[0058] 如果存在跨裝置的溫度梯度，那么仍然有殘余偏置移位。例如，如果玻璃支撐件與 硅層之間的黏晶相對(duì)于裝置的中心不對(duì)稱，那么這可發(fā)生。在另一未示出實(shí)例中，這可通過(guò) 聯(lián)接在一起的最外固定電極l〇6a和108b以及聯(lián)接在一起的最內(nèi)固定電極106b和108a補(bǔ)償。 在溫度梯度下，上部固定電極指狀物l〇6a、106b從中央錨104向外移動(dòng)以便給出正微分電 容，并且下部固定電極指狀物108a、108b從中央錨104向外移動(dòng)以便給出負(fù)微分電容。在此 方案中，溫度梯度可由雙微分電容取消。然而，這種布置對(duì)均勻溫度變化敏感。
[0059] 在熱梯度下，微分電容由以下給出：
[0061 ]其中di = d+l · 5δ，d2 = d-3，d3 = d+3，d4=d_l · 5δ。
[0062] 在熱梯度下，固定組106a增加間隙，固定組106b減小間隙，固定組108a增加間隙并 且固定組108b減小間隙。
[0063] 這給出：

[0069] 面積A是圖1的裝置的面積的1/2，因此雖然圖1加速度計(jì)具有6的因子，但圖2的裝 置具有2.56的因子(即，以約2的因子在溫度梯度下更好）。
[0070] 另外實(shí)例可包括多于兩對(duì)的固定電容電極，可能為奇數(shù)，但最有利的是布置在中 央錨的任一側(cè)的偶數(shù)對(duì)。例如，包括八組固定電極指狀物的四對(duì)的方案將基于相同原理提 供類(lèi)似益處。
[0071] 盡管圖2的實(shí)例已在兩對(duì)固定電極的上下文中描述，但相對(duì)于圖1的裝置的熱膨脹 效應(yīng)的減少還可通過(guò)在中央錨的任一側(cè)布置反相驅(qū)動(dòng)的單對(duì)固定電極來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)在裝置 中央處用單個(gè)錨固點(diǎn)替換兩個(gè)外部錨固點(diǎn)，外部檢驗(yàn)質(zhì)量塊框架不太可能相對(duì)于固定電極 移動(dòng)，因?yàn)榭蚣苠^居中地定位在第一組固定電極指狀物與第二組固定電極指狀物之間。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于加速度計(jì)的感測(cè)結(jié)構(gòu)，其包括： 支撐件和通過(guò)柔性支腿安裝到支撐件的檢驗(yàn)質(zhì)量塊以用于響應(yīng)于沿著感測(cè)方向施加 的加速度的平面內(nèi)移動(dòng)； 所述檢驗(yàn)質(zhì)量塊包括基本垂直于所述感測(cè)方向延伸并且在所述感測(cè)方向上間隔開(kāi)的 多個(gè)可移動(dòng)電極指狀物；以及 至少一對(duì)固定電容電極，其包括基本垂直于所述感測(cè)方向延伸并且在所述感測(cè)方向上 間隔開(kāi)的第一組固定電極指狀物和第二組固定電極指狀物； 所述第一組固定電極指狀物布置來(lái)與所述可移動(dòng)電極指狀物互相交叉、在一個(gè)方向上 與兩者間的中線具有第一偏移，并且所述第二組固定電極指狀物布置來(lái)與所述可移動(dòng)電極 指狀物互相交叉、在相反方向上與兩者間的中線具有第二偏移； 其中所述檢驗(yàn)質(zhì)量塊采取圍繞所述至少一對(duì)固定電容電極的外框架的形狀，所述柔性 支腿從所述檢驗(yàn)質(zhì)量塊橫向向內(nèi)延伸到具有沿著所述感測(cè)方向的相對(duì)于所述固定電容電 極對(duì)居中的位置的中央錨。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的感測(cè)結(jié)構(gòu)，其包括至少兩對(duì)固定電容電極。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的感測(cè)結(jié)構(gòu)，其包括另外偶數(shù)對(duì)的固定電容電極。4. 根據(jù)任何前述權(quán)利要求所述的感測(cè)結(jié)構(gòu)，其中每對(duì)的所述第一組固定電極指狀物和 所述第二組固定電極指狀物在與所述檢驗(yàn)質(zhì)量塊的所述中央錨一致的中央位置處錨固到 所述支撐件。5. 根據(jù)任何前述權(quán)利要求所述的感測(cè)結(jié)構(gòu)，其包括用于每對(duì)的所述第一組固定電極指 狀物和所述第二組固定電極指狀物、與用于所述檢驗(yàn)質(zhì)量塊的中央電連接一致布置的共用 電連接。6. 根據(jù)任何前述權(quán)利要求所述的感測(cè)結(jié)構(gòu)，其中所述檢驗(yàn)質(zhì)量塊通過(guò)兩對(duì)或更多對(duì)的 分開(kāi)的柔性支腿連接到所述中央錨。7. 根據(jù)任何前述權(quán)利要求所述的感測(cè)結(jié)構(gòu)，其中所述檢驗(yàn)質(zhì)量塊通過(guò)具有螺旋形形狀 的多個(gè)柔性支撐腿連接到所述中央錨。8. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的感測(cè)結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)支撐腿至少包括第一大體平直部分、第二 大體平直部分以及使所述第一大體平直部分和所述第二大體平直部分互連的具有大體U形 形狀的末端部分，其中所述末端部分的厚度大于所述第一大體平直部分和所述第二大體平 直部分兩者的中央部分的厚度。9. 根據(jù)任何前述權(quán)利要求所述的感測(cè)結(jié)構(gòu)，其中所述感測(cè)結(jié)構(gòu)是MEMS。10. 根據(jù)任何前述權(quán)利要求所述的感測(cè)結(jié)構(gòu)，其中所述支撐件由玻璃制成。11. 一種加速度計(jì)，其包括根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項(xiàng)所述的感測(cè)結(jié)構(gòu)。12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的加速度計(jì)，所述感測(cè)結(jié)構(gòu)包括具有布置來(lái)具有對(duì)稱偏移的 位于中央錨上方的第一上部組的固定電極指狀物和第二上部組的固定電極指狀物和位于 所述中央錨下方的第一下部組的固定電極指狀物和第二下部組的固定電極指狀物的兩對(duì) 固定電容電極，所述第一上部組的固定電極指狀物與所述第一下部組的固定電極指狀物同 相地驅(qū)動(dòng)，并且所述第二上部組的固定電極指狀物與所述第二下部組的固定電極指狀物同 相地驅(qū)動(dòng)。13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的加速度計(jì)，所述感測(cè)結(jié)構(gòu)包括具有布置來(lái)具有相反偏移的 位于所述中央錨上方的第一上部組的固定電極指狀物和第二上部組的固定電極指狀物和 位于所述中央錨下方的第一下部組的固定電極指狀物和第二下部組的固定電極指狀物的 兩對(duì)固定電容電極，所述第一上部組的固定電極指狀物與所述第二下部組的固定電極指狀 物同相地驅(qū)動(dòng)，并且所述第二上部組的固定電極指狀物與所述第一下部組的固定電極指狀 物同相地驅(qū)動(dòng)。14. 根據(jù)權(quán)利要求11、12或13所述的加速度計(jì)，其中開(kāi)環(huán)電子器件布置來(lái)反相地驅(qū)動(dòng)每 對(duì)的所述第一組固定電極指狀物和所述第二組固定電極指狀物。15. 根據(jù)權(quán)利要求11、12或13所述的加速度計(jì)，其中閉環(huán)電子器件布置來(lái)反相地驅(qū)動(dòng)每 對(duì)的所述第一組固定電極指狀物和所述第二組固定電極指狀物。
【文檔編號(hào)】G01P15/125GK106030314SQ201580009637
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2015年2月16日
【發(fā)明人】A.R.馬爾弗恩, K.哈里什
【申請(qǐng)人】大西洋慣性系統(tǒng)有限公司