具有双重质量块和集成式阻尼结构的多轴惯性传感器制造技术

一种惯性传感器包括从衬底悬置且通过横杆互连的第一可移动元件和第二可移动元件。第二可移动元件邻近于第一可移动元件横向放置，并且可移动元件中的每一个具有相对于旋转轴不对称的质量块。第一弹簧系统将第一可移动元件耦合到衬底并且第二弹簧系统将第二可移动元件耦合到衬底。弹簧系统和横杆使得可移动元件能够响应于施加在可移动元件上的力一起移动。具体地说，第一可移动元件和第二可移动元件可以响应于施加在感测方向上的例如加速度等力而经历平面内扭转运动。另外，阻尼结构可以集成到第一可移动元件和第二可移动元件中以有效地增大由平面内扭转运动引起的装置的阻尼比。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术大体上涉及微机电系统(Microelectromechanicalsystem，MEMS)装置。更具体地说，本专利技术涉及例如三轴加速计等MEMS装置。
技术介绍
近年来，微机电系统(Microelectromechanicalsystem，MEMS)技术已经实现广泛普及，因为微机电系统提供了制造极小的机械结构并使用常规成批半导体处理技术将这些结构与电气装置集成在单个衬底上的方法。MEMS的一个常见应用是传感器装置的设计和制造。MEMS传感器广泛用于汽车、惯性导引系统、家用电器、游戏装置、用于各种装置的保护系统以及许多其它工业、科学和工程系统等应用。MEMS传感器的一个例子是MEMS加速计。MEMS加速计对加速度或加速力敏感。这些力可能是类似恒定重力的静态力，或这些力可以是由移动或振动传感器引起的动态力。加速计可以感测沿一个、两个或三个轴或方向的加速力。从此信息中可以确定安装加速计的装置的移动或朝向。通常，MEMS加速计通过电容的改变对加速度做出反应，这导致连接到传感器的带电电路的输出发生改变。MEMS加速计的一个常见形式使用在加速度下在衬底之上移动的一个或多个可移动结构。可移动结构的移动改变电容，并且连接到MEMS加速计结构的电路测量电容的改变以确定加速力。此类MEMS加速计广泛用于多种感测应用中。举例来说，车辆或汽车应用可使用MEMS加速计来确定何时展开车辆安全气囊或激活稳定性和/或牵引力控制系统。另外，例如视频游戏控制器、个人媒体播放器、蜂窝电话和数码相机等消费型电子装置也在多种应用中使用MEMS加速计来检测朝向和/或响应于装置的移动。传统上，为了感测沿着多个轴的运动，已提供加速计，该加速计包括响应于加速度而独立于彼此移动的多个感测质量块。随着这些装置继续在大小上缩减，所希望的是减小这些感测质量块的整体大小。但是减小感测质量块的整体大小会使得提供所希望的灵敏度和可靠性变得越发困难。
技术实现思路
根据本专利技术的一个方面，提供一种惯性传感器，包括：衬底；第一可移动元件，所述第一可移动元件从所述衬底悬置；第二可移动元件，所述第二可移动元件从所述衬底悬置并且邻近于所述第一可移动元件横向放置，所述第一可移动元件和所述第二可移动元件中的每一个具有相对于旋转轴不对称的质量块；第一弹簧系统，所述第一弹簧系统将所述第一可移动元件耦合到所述衬底；以及第二弹簧系统，所述第二弹簧系统将所述第二可移动元件耦合到所述衬底，其中所述第一弹簧系统和所述第二弹簧系统使得所述第一可移动元件和所述第二可移动元件能够响应于在至少两个正交方向上施加于所述第一可移动元件和所述第二可移动元件上的力一起移动。根据本专利技术的另一方面，一种惯性传感器，包括：衬底；第一可移动元件，所述第一可移动元件从所述衬底悬置；第二可移动元件，所述第二可移动元件从所述衬底悬置并且邻近于所述第一可移动元件横向放置，所述第一可移动元件和所述第二可移动元件中的每一个具有相对于旋转轴不对称的质量块；横杆，所述横杆在所述第一可移动元件与所述第二可移动元件之间互连；第一弹簧系统，所述第一弹簧系统将所述第一可移动元件耦合到所述衬底，所述第一弹簧系统包括在所述旋转轴处耦合到所述衬底的第一锚定元件以及具有耦合到所述第一锚定元件的第一端和耦合到所述第一可移动元件的第二端的第一弹簧；以及第二弹簧系统，所述第二弹簧系统将所述第二可移动元件耦合到所述衬底，所述第二弹簧系统包括在所述旋转轴处耦合到所述衬底的第二锚定元件以及具有耦合到所述第二锚定元件的第三端和耦合到所述第二可移动元件的第四端的第二弹簧，其中所述横杆以及所述第一弹簧系统和所述第二弹簧系统使得所述第一可移动元件和所述第二可移动元件能够响应于在至少两个正交方向上施加于所述第一可移动元件和所述第二可移动元件上的力一起移动。根据本专利技术的另一个方面，提供一种惯性传感器，包括：衬底；第一可移动元件，所述第一可移动元件从所述衬底悬置；第二可移动元件，所述第二可移动元件从所述衬底悬置并且邻近于所述第一可移动元件横向放置，所述第一可移动元件和所述第二可移动元件中的每一个具有相对于旋转轴不对称的质量块；第一阻尼结构，所述第一阻尼结构从所述第一可移动元件的第一内部边缘朝向所述第二可移动元件延伸；第二阻尼结构，所述第二阻尼结构从所述第二可移动元件的第二内部边缘朝向所述第一可移动元件延伸；第一弹簧系统，所述第一弹簧系统将所述第一可移动元件耦合到所述衬底；以及第二弹簧系统，所述第二弹簧系统将所述第二可移动元件耦合到所述衬底，所述第一弹簧系统和所述第二弹簧系统使得所述第一可移动元件和所述第二可移动元件能够一起移动，其中：所述第一弹簧系统和所述第二弹簧系统促进所述第一可移动质量块和所述第二可移动质量块响应于在基本上平行于所述衬底的表面的第一方向上施加于所述第一可移动元件和所述第二可移动元件上的第一力进行平移运动；所述第一弹簧系统和所述第二弹簧系统另外促进所述第一可移动质量块和所述第二可移动质量块响应于在基本上平行于所述衬底的所述表面的第二方向上施加于所述第一可移动元件和所述第二可移动元件上的第二力进行平面内扭转运动，所述第二方向基本上正交于所述第一方向；并且所述第二阻尼结构与所述第一阻尼结构操作性耦合以衰减由所述平面内扭转运动引起的所述第一可移动质量块和所述第二可移动质量块的振荡响应。附图说明当结合附图考虑时，通过参考具体实施方式和权利要求书可以得到对本专利技术的更完整理解，其中相同的附图标记贯穿附图指代类似的项目，附图未必按比例绘制，并且：图1示出了根据实施例的微机电系统(microelectromechanicalsystem，MEMS)惯性传感器的俯视图；图2示出了沿着图1中的剖面线2-2的MEMS惯性传感器的侧视图；图3示出了MEMS惯性传感器的简化俯视图；图4示出了经受第一方向上的加速力的MEMS惯性传感器的简化俯视图；图5示出了经受第二方向上的加速力的MEMS惯性传感器的简化俯视图；图6示出了经受第三方向上的加速力的惯性传感器装置的简化侧视图；图7示出了图1的MEMS惯性传感器的局部俯视图，其中阻尼结构集成到该MEMS惯性传感器的双重可移动元件中；以及图8示出了经历平面内扭转运动的图7的MEMS惯性传感器的局部俯视图。具体实施方式总的来说，本文中所公开的实施例需要在当前应用所希望的较小形状因数方面具有改进的灵敏度和可靠性的微机电系统(microelectromechanicalsystems，MEMS)装置。这些MEMS装置可以包括惯性传感器，例如，MEMS加速计，且具体地说，可以感测由三个轴(例如，X轴、Y轴和Z轴)限定的三个正交方向(例如，X方向、Y方向、Z方向)上的加速度的三轴MEMS加速计。一般而言，本文中描述的实施例可以通过促进用于在所有三个方向上进行感测的校验质量块的共享来提供具有改进的灵敏度和可靠性的相对较小的装置大小。更具体地说，MEMS惯性传感器包括双重校验质量块配置，该双重校验质量块配置可以承受在响应于施加在感测方向上的力的平面内扭转运动下的相对较大变形。此相对较大的变形可以在感测方向上提供改进的灵敏度。另外，阻尼结构可以集成到MEMS惯性传感器中以有效地实现针对平面内扭转运动的较大阻尼比，而对感测方向上的装置灵敏本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种惯性传感器，其特征在于，包括：衬底；第一可移动元件，所述第一可移动元件从所述衬底悬置；第二可移动元件，所述第二可移动元件从所述衬底悬置并且邻近于所述第一可移动元件横向放置，所述第一可移动元件和所述第二可移动元件中的每一个具有相对于旋转轴不对称的质量块；第一弹簧系统，所述第一弹簧系统将所述第一可移动元件耦合到所述衬底；以及第二弹簧系统，所述第二弹簧系统将所述第二可移动元件耦合到所述衬底，其中所述第一弹簧系统和所述第二弹簧系统使得所述第一可移动元件和所述第二可移动元件能够响应于在至少两个正交方向上施加于所述第一可移动元件和所述第二可移动元件上的力一起移动。

【技术特征摘要】
2015.07.21 US 14/805,1051.一种惯性传感器，其特征在于，包括：衬底；第一可移动元件，所述第一可移动元件从所述衬底悬置；第二可移动元件，所述第二可移动元件从所述衬底悬置并且邻近于所述第一可移动元件横向放置，所述第一可移动元件和所述第二可移动元件中的每一个具有相对于旋转轴不对称的质量块；第一弹簧系统，所述第一弹簧系统将所述第一可移动元件耦合到所述衬底；以及第二弹簧系统，所述第二弹簧系统将所述第二可移动元件耦合到所述衬底，其中所述第一弹簧系统和所述第二弹簧系统使得所述第一可移动元件和所述第二可移动元件能够响应于在至少两个正交方向上施加于所述第一可移动元件和所述第二可移动元件上的力一起移动。2.根据权利要求1所述的惯性传感器，其特征在于：所述第一弹簧系统和所述第二弹簧系统促进所述第一可移动质量块和所述第二可移动质量块响应于在基本上平行于所述衬底的表面的第一方向上施加于所述第一可移动元件和所述第二可移动元件上的第一力进行平移运动；并且所述第一弹簧系统和所述第二弹簧系统另外促进所述第一可移动质量块和所述第二可移动质量块响应于在基本上平行于所述衬底的所述表面的第二方向上施加于所述第一可移动元件和所述第二可移动元件上的第二力进行平面内扭转运动，所述第二方向基本上正交于所述第一方向。3.根据权利要求2所述的惯性传感器，其特征在于，所述第一弹簧系统和所述第二弹簧系统另外促进所述第一可移动质量块和所述第二可移动质量块中的每一个响应于在基本上垂直于所述衬底的所述表面的第三方向上施加于所述第一可移动元件和所述第二可移动元件上的第三力而围绕所述旋转轴进行平面外旋转运动。4.根据权利要求1所述的惯性传感器，其特征在于，另外包括在所述第一可移动元件与所述第二可移动元件之间互连的横杆。5.根据权利要求4所述的惯性传感器，其特征在于：所述第一可移动元件包括放置在所述旋转轴的第一侧面上的第一部分以及放置在所述旋转轴的第二侧面上的第二部分，所述第一部分具有比所述第二部分更大的质量；所述第二可移动元件包括放置在所述旋转轴的所述第一侧面上的第三部分以及放置在所述旋转轴的所述第二侧面上的第四部分，所述第三部分具有比所述第四部分更大的质量；并且所述横杆具有耦合到所述第一可移动元件的所述第一部分的第一外部边缘的第一端以及耦合到所述可移动元件的所述第三部分的第二外部边缘的第二端，所述第一外部边缘和所述第二外部边缘在安置于所述第一可移动元件与所述第二可移动元件之间的所述惯性传感器的中线的远端。6.根据权利要求1所述的惯性传感器，其特征在于：所述第一可移动元件和所述第二可移动元件安置在置于所述第一可移动元件与所述第二可移动元件之间的中线的相对侧面上，所述中线基本上平行于所述第一可移动元件和所述第二可移动元件的平移运动的方向朝向；并且所述旋转轴基本上平行于所述衬底的表面并且基本上垂直于所述中线。7.根据权利要求1所述的惯性传感器，其特征在于：所述第一弹簧系统包括在所述旋转轴处耦合到所述衬底的第一锚定元件以及具有耦合到所述第一锚定元件的第一端和耦合到所述第一可移动元件的第二端的第一弹簧；并且所述第二弹簧系统包括在所述旋转轴处耦合到所述衬底的第二锚定元件以及具有耦合到所述第二锚定元件的第三端和耦合到所述第二可移动元件的第四端的第二弹簧。8.根据权利要求1所述的惯性传感器，其特征在于，另外包括耦合到所述衬底的表面的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，其中：对于所述第一可移动元件，所述第一电极和所述第二电极靠近所述第一可移动元件的第一外部边缘放置，并且所述第三电极和所述第四电极靠近所述第一可移动元件的第一内部边缘放置；并且对于所述第二可移动元件，所述第一电极和所述第二电极靠近所述第二可移动元件的第二内部边缘放置，并且所述第三电极和所述第四电极靠近所述第二可移动元件的第二外部边缘放置，所述第一内部边缘和所述第二内部边缘比所述第一外部边缘和所述第二外部边缘更接近于所述惯性传感器的中线放置。9.根据权利要求1所述的惯性传感器，其特征在于，另外包括：第一阻尼结构，所述第一阻尼结构从所述第一可移动元件的第一内部边缘延伸；以及第二阻尼结构，所述第二阻尼结构从所述第二可移动元件的第二内部边缘朝向所述第一可移动元件延伸，所述第二阻尼结构与所述第一阻尼结构操作性耦合以衰减所述第一可移动元件和所述第二可移动元件的振荡响应。10.根据权利要求9所述的惯性传感器，其特征在于：所述第一弹簧系统和所述第二弹簧系统促进所述第一可移动元件和所述第二可移动元件响应于在基本上平行于所述衬底的所述表面的方向上施加于所述第一可移动元件和所述第二可移动元件上的力进行平面内扭转运动；并且所述第一阻尼结构和所述第二阻尼结构衰减由所述平面内扭转运动引起的所述第一可移动元件和所述第二可移动元件的所述振荡响应。11.根据权利要求9所述的惯性传感器，其特征在于：所述第一可移动元件包括放置在所述旋转轴的第一侧面上的第一部分以及放置在所述旋转轴的第二侧面上的第二部分，所述第一部分具有比所述第二部分更大的质量；所述第二可移动元件包括放置在所述旋转轴的所述第一侧面上的第三部分以及放置在所述旋转轴的所述第二侧面上的第四部分，所述第三部分具有比所述第四部分更大的质量；所述第一阻尼结构从所述第一可移动元件的所述第一部分延伸；并且所述第二阻尼结构从所述第二可移动元件的所述第三部分延伸。12.根据权利要求9所述的惯性传感器，其特征在于：所述第一阻尼结构包括从所述第一可移动元件延伸的多个第一指形件；并且所述第二阻尼结构包括从所述第二可移动元件延伸并且与所述第一指形件交错的多个第二指形件。13.一种惯性传感器，其特征在于，包括：衬底；第一可移动元件，所述第一可移动元件从所述衬底悬置；第二可移动元件，所述第二可移动元件从所述衬底悬置并且邻近于所述第一可移动元件横向放置，所述第一可移动元件和所述第二可移动元件中的每一个具有相对于旋转轴不对称的质量块；横杆，所述横杆在所述第一可移动元件与所述第二可移动元件之间互连；第一弹簧...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤俊，阿龙·A·盖斯贝格尔，玛格丽特·L·克尼芬，
申请(专利权)人：飞思卡尔半导体公司，
类型：发明
国别省市：美国;US