本发明专利技术涉及MEMS管芯和基于MEMS的振动传感器。振动传感器/加速度计在各种实现中包括：MEMS管芯，该MEMS管芯包括具有孔的板；锚固件，该锚固件设置在孔内；多个臂(例如，刚性臂)，所述多个臂从所述锚固件起延伸；以及多个弹性构件(例如，具有精心设计的弹簧刚度的环形弹簧或折叠弹簧)，各个弹性构件将板连接至所述多个臂中的一个臂。该板可以由固体层制成，其中，弹性构件是从该固体层蚀刻的。MEMS管芯还可以包括顶部晶片和底部晶片以及行程止动件，该行程止动件从顶部晶片和底部晶片起延伸并且贯穿所述板。穿所述板。穿所述板。
【技术实现步骤摘要】
MEMS管芯和基于MEMS的振动传感器
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2021年12月21日提交的美国临时申请No.63/292,158的优先权权益，并且其全部内容通过引用并入本文。
[0003]本公开涉及微机电系统(MEMS)管芯die和基于MEMS的振动传感器或加速度计，更特别地，涉及具有平移平面外Z轴检验质量块(proof mass)位移的MEMS管芯和基于MEMS的振动传感器或加速度计。
技术介绍
[0004]Z轴加速度计感测平面外振动。与平面内X轴和Y轴传感器相比，这对于工程师设计是最具挑战性的传感器。参照图1，现有技术的Z轴加速度计利用绕轴10旋转的旋转检验质量块(PM)20(也被称为“翘翘板”或“摇摆器”PM 20)，如扭转弹簧30上的箭头40所示。在PM 20与底部晶片上的底部电极60之间或者在PM 20与帽(cap)晶片(未示出)上的顶部电极之间形成平行感测电容器50。由于PM 20的位移不是均匀的，并且它与离旋转轴10的距离成线性比例，因此，在这种几何形状中可以获得的最大有效感测面积是PM 20的面积的50％。
[0005]中国专利CN214936041U公开了一种由弹性结构108支承在锚固件(anchor)207上的检验质量块100。将弹性结构108设置得最接近锚固件207，这允许检验质量块100在三维中自由移动以及绕锚固件207旋转。
技术实现思路
[0006]本申请的第一方面涉及一种微机电系统MEMS管芯，所述微机电系统MEMS管芯包括：板，所述板具有孔；锚固件，所述锚固件设置在所述孔内；多个臂，所述多个臂从所述锚固件起延伸；以及多个弹性构件，各个弹性构件将所述板连接至所述多个臂中的一个臂。
[0007]本申请的第二方面涉及一种振动传感器，所述振动传感器包括根据第一方面描述的微机电系统MEMS管芯，所述振动传感器还包括集成电路，所述集成电路从所述微机电系统MEMS管芯接收表示电容变化的信号，其中，所述集成电路基于接收到的信号来输出运动数据和/或取向数据。
[0008]本申请的第三方面涉及一种微机电系统MEMS管芯，所述微机电系统MEMS管芯包括：检验质量块，所述检验质量块具有贯穿所述检验质量块的几何中心设置的孔；锚固件，所述锚固件设置在所述孔内；三个或更多个臂，所述三个或更多个臂从所述锚固件起延伸；以及三个或更多个弹性构件，其中，所述三个或更多个弹性构件中的各个弹性构件是环形弹簧或折叠弹簧，各个弹性构件将所述检验质量块连接至所述三个或更多个臂中的一个臂。
[0009]本申请的第四方面涉及一种振动传感器，所述振动传感器包括根据第三方面所述的微机电系统MEMS管芯，所述振动传感器还包括集成电路，所述集成电路从所述微机电系
统MEMS管芯接收表示电容变化的信号，其中，所述集成电路基于接收到的信号来输出运动数据和/或取向数据。
[0010]本申请的第五方面涉及一种微机电系统MEMS管芯，所述微机电系统MEMS管芯包括：检验质量块，所述检验质量块具有贯穿所述检验质量块的几何中心设置的孔；锚固件，所述锚固件设置在所述孔内；四个或更多个刚性臂，所述四个或更多个刚性臂从所述锚固件起延伸；以及四个或更多个弹性构件；其中，所述检验质量块由固体层制成，其中，所述检验质量块、所述四个或更多个弹性构件以及所述四个或更多个刚性臂是从同一层蚀刻的；并且其中，所述四个或更多个弹性构件中的各个弹性构件是环形弹簧或折叠弹簧，各个弹性构件将所述检验质量块连接至所述四个或更多个刚性臂中的一个刚性臂。
[0011]本申请的第六方面涉及一种振动传感器，所述振动传感器包括根据第五方面所述的微机电系统MEMS管芯，所述振动传感器还包括集成电路，所述集成电路从所述微机电系统MEMS管芯接收表示电容变化的信号，其中，所述集成电路基于接收到的信号来输出运动数据和/或取向数据。
附图说明
[0012]本公开的前述和其它特征根据下面结合附图的描述和所附权利要求将完全变得更加显而易见。附图仅描绘了根据本公开的几个实施方式，并因此不应被视为对其范围的限制。
[0013]图1例示了示例性的现有技术摇摆器Z轴加速度计或振动传感器。
[0014]图2例示了根据实施方式的示例性平移Z轴加速度计或振动传感器。
[0015]图3是根据实施方式的用于加速度计或振动传感器的MEMS管芯的立体图。
[0016]图4是根据另一实施方式的用于加速度计或振动传感器的MEMS管芯的俯视图。
[0017]图5是用于图3所示的加速度计或振动传感器的MEMS管芯的俯视图。
[0018]图6是大体上沿着图5中的线6
‑
6截取的截面示意性例示图。
[0019]图7是根据实施方式的示例性折叠弹簧的平面图。
[0020]图8是根据实施方式的示例性环形弹簧的平面图。
[0021]图9是根据实施方式的与集成电路电连接的示例性MEMS管芯的示意性例示图。
具体实施方式
[0022]根据实施方式，MEMS管芯包括：具有孔的板；锚固件，该锚固件设置在孔内；多个臂，所述多个臂从锚固件起延伸；以及多个弹性构件，其中，各个弹性构件将该板连接至所述多个臂中的一个臂。在实施方式中，该板用作检验质量块。在实施方式中，所述弹性构件中的各个弹性构件是环形弹簧或折叠弹簧，并且在实施方式中，所述弹簧中的各个弹簧具有这样的刚度，即，该刚度相对于所述弹簧沿着Z轴的移动与相对于沿着X轴和沿着Y轴的移动相比较小。
[0023]根据实施方式，该板由固体层制成，其中，所述多个弹性构件、锚固件、以及所述多个臂是从该固体层蚀刻的。在实施方式中，该芯还包括：顶部晶片和底部晶片以及行程止动件，该行程止动件从顶部晶片和底部晶片起朝着该板延伸，其中，所述行程止动件中的一个或更多个行程止动件延伸贯穿该板。在实施方式中，该MEMS管芯还包括电极，其中，该电极
和板形成平行板电容器。在实施方式中，振动传感器或加速度计包括如上所述的MEMS管芯，并且还包括集成电路，该集成电路从MEMS管芯接收表示电容变化的信号，其中，该集成电路基于所接收到的信号来输出运动数据和/或取向数据。
[0024]在实施方式中，所述多个臂包括三个或更多个臂。在实施方式中，所述三个或更多个弹性构件中的任一弹性构件与检验质量块的最近外边缘之间的第一距离小于该任一弹性构件与锚固件之间的第二距离。在实施方式中，检验质量块垂直于该检验质量块的平面的平移运动的共振频率小于沿着任何其它轴的平移运动或者绕任何其它轴的旋转运动的共振频率。
[0025]本文所描述的是微机电系统(MEMS)管芯和并入这种MEMS管芯的振动传感器/加速度计的各种实施方式。举例来说，如图2中示意性地例示的，Z轴传感器100的示例性实施方式包括被安装成在弹簧32上沿Z轴方向平移的检验质量块(PM)20。在PM 20与底部电极60之间形成平行板感测电容器50。在振动期间，检验质量块20在弹簧3本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种微机电系统MEMS管芯，所述微机电系统MEMS管芯包括：板，所述板具有孔；锚固件，所述锚固件设置在所述孔内；多个臂，所述多个臂从所述锚固件起延伸；以及多个弹性构件，各个弹性构件将所述板连接至所述多个臂中的一个臂。2.根据权利要求1所述的微机电系统MEMS管芯，其中，所述板用作检验质量块。3.根据权利要求2所述的微机电系统MEMS管芯，其中，所述多个弹性构件中的各个弹性构件是环形弹簧或折叠弹簧。4.根据权利要求3所述的微机电系统MEMS管芯，其中，所述弹簧中的各个弹簧具有这样的刚度，即，所述刚度相对于所述弹簧沿着Z轴的移动与相对于沿着X轴和沿着Y轴的移动相比较小。5.根据权利要求1所述的微机电系统MEMS管芯，其中，所述板由固体层制成，其中，所述多个弹性构件、所述锚固件以及所述多个臂是从所述固体层蚀刻的。6.根据权利要求1所述的微机电系统MEMS管芯，所述微机电系统MEMS管芯还包括顶部晶片和底部晶片以及行程止动件，所述行程止动件从所述顶部晶片和所述底部晶片起朝着所述板延伸，其中，所述行程止动件中的一个或更多个行程止动件延伸贯穿所述板。7.根据权利要求1所述的微机电系统MEMS管芯，所述微机电系统MEMS管芯还包括电极，其中，所述电极和所述板形成平行板电容器。8.一种振动传感器，所述振动传感器包括根据权利要求7所述的微机电系统MEMS管芯，所述振动传感器还包括集成电路，所述集成电路从所述微机电系统MEMS管芯接收表示电容变化的信号，其中，所述集成电路基于接收到的信号来输出运动数据和/或取向数据。9.一种微机电系统MEMS管芯，所述微机电系统MEMS管芯包括：检验质量块，所述检验质量块具有贯穿所述检验质量块的几何中心设置的孔；锚固件，所述锚固件设置在所述孔内；三个或更多个臂，所述三个或更多个臂从所述锚固件起延伸；以及三个或更多个弹性构件，其中，所述三个或更多个弹性构件中的各个弹性构件是环形弹簧或折叠弹簧，各个弹性构件将所述检验质量块连接至所述三个或更多个臂中的一个臂。10.根据权利要求9所述的微机电系统MEMS管芯，其中，所述检验质量块由固体层制成，其中，所述三个或更多个弹性构件、所述锚固件以及所述三个或更多个臂是从所述固体层蚀刻的。11.根据权利要求10所述的微机电系统MEMS管芯，其中，所述三个或更多个弹性构件中的任一弹性构件与所述检验质量块的最近外边缘之间的第一距离小于该任一弹性构件与所述锚固件之间的第二距离。12.根据权利要求9所述的微机电系统MEMS管芯，所述微机电系统MEMS管...
【专利技术属性】
技术研发人员：K，
申请(专利权)人：美商楼氏电子有限公司，
类型：发明
国别省市：
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