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低噪声多轴 加速度计及相关方法

阅读：438发布：2020-05-08

专利汇可以提供低噪声多轴加速度计及相关方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本公开涉及低噪声多轴加速度计及相关方法。本公开描述微机电系统 (MEMS)加速度计。MEMS加速度计可以包括共同形成一个检验质量块的多个检验质量块部分。整个检验质量块可有助于检测平面内加速度和平面外加速度。MEMS加速度计可以以差分方式检测平面内和平面外加速度。响应于平面外加速度，一些MEMS加速度计可以经历蝴蝶模式，其中一个检验质量块部分相对于轴逆时针旋转，而同时另一个检验质量块部分相对于同一轴顺时针旋转。响应于平面内加速度，检验质量块部分可以经历共同的移动模式，其中检验质量块部分沿着相同方向在平面中移动。，下面是低噪声多轴加速度计及相关方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种微机电系统(MEMS)加速度计，包括：
包括限定平面并通过耦合器彼此连接的第一和第二部分的检验质量块，其中，响应于平面外加速度，所述检验质量块的第一部分被配置为相对于轴顺时针旋转并且所述检验质量块的的第二部分被配置为相对于所述轴逆时针旋转；
第一传感器，被配置为沿第一方向感测所述检验质量块的平面内运动；和第二传感器，被配置为沿不同于所述第一方向的第二方向感测所述检验质量块的平面内运动。
2.权利要求1所述的MEMS加速度计，其中所述检验质量块的第一部分通过第一锚连接到基板，并且所述检验质量块的第二部分通过第二锚连接到所述基板。
3.权利要求2所述的MEMS加速度计，其中所述检验质量块的第一部分通过以下方式的系链连接到所述第一锚：
相对于所述检验质量块的第一部分沿所述第一方向的移动是一致的，
相对于所述检验质量块的第一部分沿所述第二方向的移动是一致的，
相对于所述检验质量块的第一部分的面外旋转是一致的，和
相对于所述检验质量块的第一部分的面外移动是刚性的。
4.权利要求2所述的MEMS加速度计，其中所述检验质量块的第一部分通过包括第一转回部分和第二转回部分的系链连接到所述第一锚，所述第一和第二转回部分相对于彼此基本垂直地取向。
5.权利要求2所述的MEMS加速度计，其中响应于所述平面外加速度，所述检验质量块的第一部分被配置为围绕旋转轴旋转，该旋转轴在相对于所述第一锚的平面中偏移。
6.权利要求1所述的MEMS加速度计，其中所述耦合器是L形的并且包括多个转回部分。
7.权利要求1所述的MEMS加速度计，其中所述耦合器被配置为防止所述检验质量块的第一和第二部分同时顺时针旋转运动。
8.权利要求1所述的MEMS加速度计，其中所述耦合器包括：
转回部分；
固定到所述检验质量块的第一部分的第一端；和
固定到所述检验质量块的第二部分的第二端。
9.权利要求1所述的MEMS加速度计，还包括第三传感器，被配置为感测所述检验质量块的平面外运动。
10.权利要求1所述的MEMS加速度计，其中所述第一传感器包括第一指状物，被配置为与所述检验质量块的第一部分形成第一感测电容器，以及所述第二传感器包括第二指状物，被配置为与所述检验质量块的第二部分形成第二感测电容器。
11.一种利用具有限定平面的第一和第二检验质量块部分的微机电系统(MEMS)加速度计来感测加速度的方法，该方法包括：
沿平行于所述平面的第一方向感测所述MEMS加速度计的平面内加速度；
沿平行于所述平面并且不同于所述第一方向的第二方向感测所述MEMS加速度计的平面内加速度；和
通过以下方式感测所述MEMS加速度计的平面外加速度：
感测第一检验质量块部分的顺时针旋转运动；和
感测第二检验质量块部分的逆时针旋转运动，
其中所述第一检验质量块部分的顺时针旋转运动和所述第二检验质量块部分的逆时针旋转运动相对于公共轴线限定。
12.权利要求11所述的方法，其中感测MEMS加速度计的平面外加速度包括：
同时感测第一检验质量块部分的顺时针旋转运动和感测第二检验质量块部分的逆时针旋转运动。
13.权利要求11所述的方法，其中感测第一检验质量块部分的顺时针旋转运动包括感测在所述第一检验质量块部分和与所述第一检验质量块部分连接的基板之间的分离的变化。
14.权利要求11所述的方法，其中沿第一方向感测MEMS加速度计的平面内加速度包括感测在所述第一检验质量块部分和与至少部分地位于该平面中的电极之间的分离的变化。
15.权利要求11所述的方法，其中感测MEMS加速度计的平面外加速度还包括：
感测所述第一检验质量块部分的逆时针旋转运动；和
感测所述第二检验质量块部分的顺时针旋转运动，
其中所述第一检验质量块部分的逆时针旋转运动和所述第二检验质量块部分的顺时针旋转运动相对于所述公共轴线限定。
16.一种微机电系统(MEMS)加速度计，包括：
包括限定平面并通过耦合器彼此连接的第一和第二部分的检验质量块，所述第一和第二检验质量块部分被配置为：
响应于平面内加速度，在所述平面中经历共同的移动模式；和
响应于平面外加速度，体验蝴蝶模式。
17.权利要求16所述的MEMS加速度计，其中所述检验质量块的第一部分通过锚连接到基板，并且其中所述检验质量块的第一部分通过包括第一转回部分和第二转回部分的系链连接到所述锚，所述第一和第二转回部分相对于彼此基本垂直地取向。
18.权利要求16所述的MEMS加速度计，其中所述检验质量块的第一部分通过锚连接到基板，并且其中响应于平面外加速度，所述检验质量块的第一部分被配置为围绕旋转轴旋转，该旋转轴在相对于所述锚的平面中偏移。
19.权利要求16所述的MEMS加速度计，其中所述耦合器被配置为防止所述第一和第二检验质量块部分同时顺时针旋转运动。
20.权利要求16所述的MEMS加速度计，其中所述耦合器包括：
转回部分；
固定到所述检验质量块的第一部分的第一端；和
固定到所述检验质量块的第二部分的第二端。

说明书全文

低噪声多轴加速度计及相关方法

技术领域

[0001] 本申请中描述的技术涉及微机电系统(MEMS)加速度计。

背景技术

[0002] MEMS加速度计包括用于检测加速度的一个或多个检验质量块。例如，一些MEMS加速度计包括检验质量块，被配置为在平面内移动以检测检验质量块的平面中的加速度，并且所述检验质量块被配置为移出平面以检测垂直于检验质量块平面的加速度。可以使用耦合到检验质量块的电容传感器来检测加速度。发明内容

[0003] 一些实施方案涉及微机电系统(MEMS)加速度计。MEMS加速度计可以包括共同形成一个检验质量块的多个检验质量块部分。整个检验质量块可有助于检测平面内加速度(沿一个或两个方向)和平面外加速度。MEMS加速度计可以以差分方式检测平面内和平面外加速度。响应于平面外加速度，一些MEMS加速度计可以经历蝴蝶模式，其中一个检验质量块部分相对于轴逆时针旋转，而同时另一个检验质量块部分相对于同一轴顺时针旋转。响应于平面内加速度，检验质量块部分可以经历共同的移动模式，其中检验质量块部分沿着相同方向在平面中移动。

[0004] 一些实施方案涉及微机电系统(MEMS)加速度计，包括检验质量块，包括限定平面并通过耦合器彼此连接的第一和第二部分。响应于平面外加速度，所述检验质量块的第一部分被配置为相对于轴顺时针旋转并且所述检验质量块的的第二部分被配置为相对于所述轴逆时针旋转。MEMS加速度计还包括：第一传感器，被配置为沿第一方向感测所述检验质量块的平面内运动；和第二传感器，被配置为沿不同于所述第一方向的第二方向感测所述检验质量块的平面内运动。

[0005] 在一些实施方案中，所述检验质量块的第一部分通过第一锚连接到基板，并且所述检验质量块的第二部分通过第二锚连接到所述基板。

[0006] 在一些实施方案中，所述检验质量块的第一部分通过以下方式的系链连接到所述第一锚：相对于所述检验质量块的第一部分沿所述第一方向的移动是一致的，相对于所述检验质量块的第一部分沿所述第二方向的移动是一致的，相对于所述检验质量块的第一部分的面外旋转是一致的，和相对于所述检验质量块的第一部分的面外移动是刚性的。

[0007] 在一些实施方案中，所述检验质量块的第一部分通过包括第一转回部分和第二转回部分的系链连接到所述第一锚，所述第一和第二转回部分相对于彼此基本垂直地取向。

[0008] 在一些实施方案中，响应于平面外加速度，检验质量块的第一部分被配置为围绕旋转轴旋转，该旋转轴在相对于所述第一锚的平面中偏移。

[0009] 在一些实施方案中，所述耦合器是L形的并且包括多个转回部分。

[0010] 在一些实施方案中，所述耦合器被配置为防止所述检验质量块的第一和第二部分同时顺时针旋转运动。

[0011] 在一些实施方案中，耦合器包括：转回部分；固定到所述检验质量块的第一部分的第一端；和固定到所述检验质量块的第二部分的第二端。

[0012] 在一些实施方案中，MEMS加速度计还包括第三传感器，被配置为感测所述检验质量块的平面外运动。

[0013] 在一些实施方案中，第一传感器包括第一指状物，被配置为与所述检验质量块的第一部分形成第一感测电容器，以及所述第二传感器包括第二指状物，被配置为与所述检验质量块的第二部分形成第二感测电容器。

[0014] 一些实施方案涉及一种利用具有限定平面的第一和第二检验质量块部分的微机电系统(MEMS)加速度计来感测加速度的方法。该方法包括：沿平行于所述平面的第一方向感测所述MEMS加速度计的平面内加速度；沿平行于所述平面并且不同于所述第一方向的第二方向感测所述MEMS加速度计的平面内加速度；和感测MEMS加速度计的平面外加速度。感测MEMS加速度计的平面外加速度包括：感测第一检验质量块部分的顺时针旋转运动；和感测第二检验质量块部分的逆时针旋转运动。所述第一检验质量块部分的顺时针旋转运动和所述第二检验质量块部分的逆时针旋转运动相对于公共轴线限定。

[0015] 在一些实施方案中，感测MEMS加速度计的平面外加速度包括：同时感测第一检验质量块部分的顺时针旋转运动和感测第二检验质量块部分的逆时针旋转运动。

[0016] 在一些实施方案中，感测第一检验质量块部分的顺时针旋转运动包括感测在所述第一检验质量块部分和与所述第一检验质量块部分连接的基板之间的分离的变化。

[0017] 在一些实施方案中，沿第一方向感测MEMS加速度计的平面内加速度包括感测在所述第一检验质量块部分和与至少部分地位于该平面中的电极之间的分离的变化。

[0018] 在一些实施方案中，感测MEMS加速度计的平面外加速度还包括：感测所述第一检验质量块部分的逆时针旋转运动；和感测所述第二检验质量块部分的顺时针旋转运动。所述第一检验质量块部分的逆时针旋转运动和所述第二检验质量块部分的顺时针旋转运动相对于所述公共轴线限定。

[0019] 一些实施方案涉及微机电系统(MEMS)加速度计，包括检验质量块，包括包括限定平面并通过耦合器彼此连接的第一和第二部分。第一和第二检验质量块部分被配置为：响应于平面内加速度，在所述平面中经历共同的移动模式；和响应于平面外加速度，体验蝴蝶模式。

[0020] 在一些实施方案中，检验质量块的第一部分通过锚连接到基板，并且其中检验质量块的第一部分通过包括第一转回部分和第二转回部分的系链连接到所述锚，所述第一和第二转回部分相对于彼此基本垂直地取向。

[0021] 在一些实施方案中，检验质量块的第一部分通过锚连接到基板，并且其中响应于平面外加速度，所述检验质量块的第一部分被配置为围绕旋转轴旋转，该旋转轴在相对于所述锚的平面中偏移。

[0022] 在一些实施方案中，所述耦合器被配置为防止所述第一和第二检验质量块部分同时顺时针旋转运动。

[0023] 在一些实施方案中，耦合器包括：转回部分；固定到所述检验质量块的第一部分的第一端；和固定到所述检验质量块的第二部分的第二端。附图说明

[0024] 将参考以下附图描述本申请的各个方面和实施例。应该理解的是，附图不一定按比例绘制。出现在多个图中的项目在它们出现的所有图中用相同的附图标记表示。

[0025] 图1A是根据一些非限制性实施方案的示意性地示出MEMS加速度计的示例的俯视图。

[0026] 图1B是示出根据一些非限制性实施方案的可以是图1A的MEMS加速度计的一部分的一对检验质量块部分的示意图。

[0027] 图2A是根据一些非限制性实施方案的在没有平面外加速度的情况下示意性地示出图1A的MEMS加速度计的侧视图。

[0028] 图2B是根据一些非限制性实施方案的在存在平面外加速度的情况下示意性地示出图1A的MEMS加速度计的侧视图。

[0029] 图3A是根据一些非限制性实施方案的示意性地示出MEMS加速度计的另一示例的俯视图。

[0030] 图3B是根据一些非限制性实施方案的在存在平面内加速度的情况下示意性地示出图3A的MEMS加速度计的侧视图。

[0031] 图4是示出根据一些非限制性实施方案的使用MEMS加速度计感测加速度的方法的流程图。

[0032] 图5是示出根据一些非限制性实施方案的MEMS加速度计的又一示例的示意图。

[0033] 图6A是根据一些非限制性实施方案的附加细节的图5的MEMS加速度计的系链的示意图。

[0034] 图6B是根据一些非限制性实施方案的另外详细说明图6A的系链的一部分的示意图。

[0035] 图7A是根据一些非限制性实施方案的附加细节的图5的MEMS加速度计的耦合器的示意图。

[0036] 图7B是根据一些非限制性实施方案的附加细节的图7A的耦合器的示意图。

[0037] 图8是示出根据一些非限制性实施方案的包括MEMS加速度计的系统的示例的框图。

[0038] 图9A是示出根据一些非限制性实施方案的包括图8的系统的一对耳机的示意图。

[0039] 图9B是示出根据一些非限制性实施方案的包括图8的系统的智能手表的示意图。

[0040] 图9C是示出根据一些非限制性实施方案的包括图8的系统的智能电话的示意图。

具体实施方式

[0041] 本申请的各方面涉及多轴MEMS加速度计，其中共同的检验质量块有助于检验平面内加速度(沿着一个或两个轴)和平面外加速度。这与其他类型的MEMS加速度计不同，其中检验质量块有助于检验平面外加速度但不检验平面内加速度，另一个检验质量块有助于检验平面内加速度但不检验平面外加速度。申请人已经意识到，具有有助于检验沿着不同方向的加速度的共同检验质量块可以有利地导致加速度计的尺寸的显着减小。实际上，单个检验质量块可以代替多个检验质量块。例如，本文所述类型的一些MEMS加速度计具有小至9mm2的面积，作为非限制性示例。具有紧凑形状因子的MEMS加速度计是有利的，因为它们1)限制芯片上的空间利用率，从而为其他设备释放空间，2)减少操作加速度计所消耗的功率量，以及3)扩大了可以有效利用这些加速度计的应用范围。

[0042] 本申请的其他方面涉及MEMS加速度计，其中共同的检验质量块有助于沿多个轴检验加速度，并且其中差分地检验加速度。申请人进一步意识到，使得共同检验质量块能够沿多个轴差分地检验加速度可以显着地增加加速度计的灵敏度，从而使得加速度计不易受噪声影响。因此，本文所述类型的MEMS加速度计适用于低噪声应用，其中待检验的加速度较弱(例如，10-3g或更小)。

[0043] 根据本申请的一个方面的多轴差分通用检验质量块MEMS加速度计的示例包括加速度计，该加速度计被设计为以“蝴蝶模式”响应平面外加速度(这里也称为“鸟模式”、“机翼模式”、“襟翼模式”或“拍打模式”)。在一些实施方案中，加速计被布置成根据蝴蝶模式移动，使得当检验质量块的第二部分(耦合到检验质量块的第一部分)相对于同一轴逆时针旋转时，检验质量块的第一部分相对于轴顺时针旋转。

[0044] 利用一个检验质量块部分沿着一个方向移动而另一个检验质量块部分沿着另一个方向移动的事实，本文所述类型的蝴蝶模式加速度计以差分方式检验平面外加速度。在一些实施方案中，通过允许检验质量块部分响应于平面内加速度经历“共同移动模式”，可以实现平面内加速度的检验，由此检验质量块的不同部分沿着相同方向在平面中移动。

[0045] 因此，一些实施方案涉及一种MEMS加速度计，其包括具有多个部分的检验质量块，其中检验质量块部分被配置为以蝴蝶模式响应平面外加速度并且通过共同移动模式来响应平面内加速度。

[0046] 本申请的各方面涉及系链，该系链设计成能够响应于平面外加速度的蝴蝶模式和响应于平面内加速度的共同移动模式。将检验质量块连接到下面的基板的这种系链可以设计成1)相对于检验质量块的平面内移动顺应，2)兼容检验质量块的平面外旋转，3)相对于检验质量块的平面外移动而言是刚性的。设计成以这种方式响应的系链的示例包括相对于彼此基本上垂直定向的转回部分(例如，相对于彼此成角度地偏移80°和100°之间的角度)。每个转回部分可以沿着平面内轴之一提供顺应性。此外，转回部分可以布置成共同促进检验质量块的平面外旋转并且拒绝检验质量块的平面外移动。在一个具体示例中，提供了系链(例如，一个或多个系链)，其通常呈现L形，其中L的每个分支包括一个或多个转回部分。

[0047] 本申请的其他方面涉及耦合器，其被设计为响应于平面外加速度而实现蝴蝶模式，并且响应于平面内加速度而实现共同的移动模式。这种将不同的检验质量块部分彼此耦合的耦合器可以被配置为1)促进检验质量块部分的差分蝴蝶模式，以及2)拒绝检验质量块部分的共同的跷跷板运动(由此两个检验质量块部分相对于公共轴线同时顺时针旋转)。此外，这种耦合器可以被配置为在加速度计的平面中是刚性的，从而使得检验质量块部分在经受平面内加速度时能够一起移动。设计成以这种方式响应的耦合器的示例包括转回部分、固定到检验质量块的第一部分的第一端和固定到检验质量块的第二部分的第二端。应当理解，这些耦合器可以作为上述系链的补充或替代使用。也就是说，由于本文所述的耦合器和/或系链，可以实现响应于平面外加速度的蝴蝶模式的提升和响应于平面内加速度的共同移动模式。还应当理解，除了本文所述的系链和耦合器之外的连接器可以附加地或替代地用于促进蝴蝶模式和共同的移动模式，因为本申请的实施方案不限于任何特定的布置。

[0048] 申请人还意识到，本文描述的MEMS加速度计可能易受响应于平面外加速度而出现的平面外移动模式的影响。因此，当经受平面外加速度时，本文描述的类型的MEMS加速度计可以呈现蝴蝶模式和平面外移动模式。虽然蝴蝶模式是有利的，因为它们能够实现平面外加速度的差分检验，但是平面外移动模式不是因为它们在检验信号中产生共模分量。在一些实施方案中，可以通过增加加速度计的检验质量块的厚度来抑制(或至少衰减)平面外移动模式。较厚的检验质量块可以以较重的重量为特征，在一些实施方案中，当将力施加到检验质量块上时，较重的重量转化为较少的运动。事实上，响应于相对于检验质量块平面垂直施加的力(Fz)的检验质量块的加速度(az)由az＝Fz/m给出，其中m是检验质量块的权重。在一些实施方案中，本文所述类型的检验质量块可具有高达30μm或更高的厚度。

[0049] 图1A示出了根据本申请的一些实施方案的MEMS加速度计的示例。MEMS加速度计100包括检验质量块部分102和104、固定子部分1061、1062、1063和1064、系链1081、1082、1083和1084、锚1101、1102、1103和1104、以及耦合器1121和1122。应理解，并非所有实施方案都需要包括图1A的所有组件，并且在一些实施方案中，MEMS加速度计100可包括图1A中未示出的其他组件。MEMS加速度计100被配置为检验平面外加速度，例如沿z轴指向的加速度。固定子部分1061、1062、1063和1064统称为固定部分106。在一些实施方案中，固定子部分可以彼此物理分离，如图1A所示。在其他实施方案中，固定的子部分1061、1062、1063和1064可以彼此附接。固定部分106可以大于每个固定子部分1061、1062、1063和1064。

[0050] 检验质量块部分102和104可以被视为共同形成一个检验质量块(因此在一些实施方案中形成单个检验质量块加速度计)，或者在其他实施方案中可以被视为两个单独的检验质量块。无论是形成单个检验质量块还是单独的检验质量块，检验质量块部分102和104可以通过耦合器1121和1122彼此耦合。检验质量块部分102和104可以至少部分地由诸如掺杂或未掺杂多晶硅的导电材料制成。在一些实施方案中，检验质量块部分102和104可以具有基本相同的重量(例如，重量在彼此的10％之内)，但并非所有实施方案都在这方面受到限制。

[0051] 参照图1B，检验质量块部分102和104可以基本上平行于(例如，角度在0度到5度之间)xy平面，或者可以至少具有基本平行于xy平面的一个表面。这样，检验质量块102和104可以限定基本平行于xy平面的平面(“P”)。例如，平面P可以穿过检验质量块部分102和104的中间，如图1B所示，或者可以基本上平行于一个检验质量块部分的表面。

[0052] 返回参照图1A，固定部分106可以通过锚1101、1102、1103和1104附接到下面的基板120(参见图2A)。例如，固定的子部分1061可以通过锚1101固定到基板120上，固定子部分
1062可以通过锚1102固定到基板120，固定子部分1063可以通过锚1103固定到基板120，固定子部分1064可以通过锚1104固定到基板120。在其他实施方案中，至少一个(或所有)子部分可以通过一个以上的锚固定到基板120。在一些实施方案中，锚1101、1102、1103和1104包括主要沿z轴延伸的柱。检验质量块部分102可以通过系链1081和1084连接到锚1101和1104或固定部分106的其他点。检验质量块部分104可以通过系链1082和1083连接到锚1102和1103或固定部分106的其他点。如下面进一步详细描述的，系链1081、1082、1083和1084可以布置成促进检验质量块部分102和104的平面外旋转，并且拒绝检验质量块部分102和104的平面外移动(例如沿z轴)。

[0053] 图2A是根据一些实施方案的MEMS加速度计100的侧视图。如图所示，耦合器1121(与耦合器1122一起，未在图2A中示出)将检验质量块部分102和104彼此耦合。应当理解，虽然耦合器1121被示出为具有矩形形状，但是该布置仅作为非限制性示例提供，因为本文描述的耦合器可具有任何合适的形状。根据一些实施方案，参考图7A-7B，下面进一步描述耦合器的一个示例。

[0054] MEMS加速度计100还包括电极122、124和126，在一些实施方案中，电极122、124和126可以用作用于感测平面外加速度的传感器的一部分。在一些实施方案中，电极122、124和126可以设置在基板120的顶表面上，如图2A所示，但是在其他实施方案中，它们可以至少部分地埋在基板120内。

[0055] 图2B是示出根据一些实施方案的MEMS加速度计100如何响应平面外加速度的侧视图。在该示例中，MEMS加速度计100沿z轴加速，并且因此受到沿z轴定向的力的作用。具体地，施加到MEMS加速度计100上的力Fz被引向基板120的顶表面。如图所示，MEMS加速度计以蝴蝶模式响应Fz。在该示例中，当检验质量块部分102相对于y轴逆时针旋转时，检验质量块部分104相对于y轴顺时针旋转(尽管相反也是可能的)。结果，检验质量块部分102和104的外部部分(分别为202A和204A)朝向基板120延伸，并且检验质量块部分102和104的内部部分(分别为202B和204B)远离基板120延伸。外部部分202A和204A限定在检验质量块部分102和104的各个外边缘与相应的旋转轴线RA1和RA2之间。内部部分202B和204B限定在检验质量块部分102和104的相应内边缘与相应的旋转轴线RA1和RA2之间。在该示例中，外部部分202A和
204A被示出为比内部部分202B和204B更大，因此更重。然而，应当理解，其他布置也是可能的，包括内部部分202B和204B比外部部分202A和204A重的布置。在这样的布置中，内部部分
202B和204B将响应于Fz朝向基板120延伸，并且外部部分202A和204A将响应于Fz而远离基板
120延伸。

[0056] 在一些实施方案中，这里描述的类型的加速度计被布置成根据蝴蝶模式移动，使得当检验质量块部分104相对于相同轴线逆时针旋转时，检验质量块部分102相对于轴线顺时针旋转。在一些实施方案中，这里描述的类型的加速度计被布置成根据蝴蝶模式移动，使得检验质量块部分102和104大致旋转相同的量但是以相反的角度旋转。在一些实施方案中，这里描述的类型的加速度计被布置成根据蝴蝶模式移动，使得检验质量块部分102和104相对于z轴呈现镜像对称作为旋转。

[0057] 在一些实施方案中，检验质量块部分102和104可围绕旋转轴旋转，所述旋转轴相对于锚的位置在xy平面中横向偏移。例如，在图1A、2A-2B中，轴RA1和RA2分别限定检验质量块102和104的旋转轴。如这些图中所示，旋转轴线RA1和RA2相对于锚朝向相应的检验质量块部分的较轻的部分(例如，在这种情况下为202B和204B)偏移。根据本申请的一个方面，由于响应于平面外加速度，除了蝴蝶模式之外，检验质量块部分102和104还经历平行于z轴的移动，因此旋转轴相对于锚的位置偏移。因此，出现了由蝴蝶模式与z轴移动模式的组合产生的模式。组合模式使旋转轴朝向较轻的部分检验质量块部分移动。虽然图1A、2A-2B示出了相对于锚的位置偏移的旋转轴，但并非所有实施方案在这方面都受到限制，因为在一些实施方案中，轴线RA1和RA2可以与锚的位置对齐。

[0058] 在一些实施方案中，可以通过增加检验质量块部分102和104的厚度T(参见图2A)来衰减z轴移动模式。传统的MEMS加速度计具有厚度小于16μm的检验质量块，其中厚度由下式决定：制造工厂提供的制造工艺。在一些实施方案中，将检验质量块部分102和104的厚度增加到超过16μm可以增加检验质量块的重量，这又可以减小检验质量块响应于平面外加速度而移动的程度。例如，厚度T可以在16μm和100μm之间、16μm和75μm之间、16μm和50μm之间、16μm和40μm之间、16μm和35μm之间、16μm和30μm之间、20μm和45μm之间、20μm和40μm之间、20μm和35μm之间、20μm和30μm之间、25μm和45μm之间、25μm和40μm之间、25μm和35μm之间、25μm和30μm之间，或在此范围内的任何范围内。在一些实施方案中，厚度T可以是30μm。在一些实施方案中，相对于传统MEMS器件增加厚度T可以通过选择提供更厚MEMS层的制造工艺来实现。应当理解，在一些实施方案中，T可以大于100μm。应进一步理解，在一些实施方案中，T可小于16μm。在一些实施方案中，T可以在10μm和100μm之间，10μm和75μm之间、10μm和50μm之间、10μm和40μm之间、10μm和35μm之间、10μm和30μm之间、5μm和100μm之间、5μm和75μm之间、
5μm和50μm之间、5μm和40μm之间、5μm和35μm之间、或5μm和30μm之间，以及其他可能的范围内。

[0059] 在一些实施方案中，可以使用电容传感器来执行平面外加速度的检验。在图2B的示例中，电容传感器形成在电极122、124和126与检验质量块部分102和104之间。例如，一个电容传感器形成在电极122和检验质量块部分102的部分202A之间；一个电容传感器形成在电极124和检验质量块部分102的部分202B和检验质量块部分104的部分204B之间；一个电容传感器形成在电极126和检验质量块部分104的部分204A之间。可以通过感测这种电容传感器上的电容的变化来实现检验质量块部分的运动的检验。在图2B的情况下，例如，部分202A和电极122之间的间隔相对于图2A减小，结果，该电容传感器的电容增加。类似地，部分204A和电极126之间的间隔相对于图2A减小，结果，该电容传感器的电容增加。同时，部分202B和204B(在一侧)和电极124(在另一侧)之间的间隔相对于图2A增加，结果，该电容传感器的电容减小。因为外部电容传感器的电容增加而内部电容传感器的电容减小，所以可以差分地检验平面外加速度。例如，可以将电极122处的信号(例如，电压或电流)添加到电极126处的信号，并且可以从电极124处的信号中减去所得到的信号。可以使用耦合到电极122、124和
126的感测电路(图2B中未示出)在模拟或数字域中执行这些操作。

[0060] 被配置为以差分方式检验平面外加速度，在一些实施方案中，MEMS加速度计100可能缺少具有固定电容的参考感测电容器。具有固定电容(电容不随加速度变化)的参考感测电容器通常用在单端加速度计中，用于提供与单端信号进行比较的参考信号。

[0061] 虽然图1A的示例示出了具有两个检验质量块部分的MEMS加速度计，但是本文描述的MEMS加速度计不限于任何特定数量的检验质量块部分。在一些实施方案中，例如，检验质量块可包括四个检验质量块部分，这四个检验质量块部分彼此连接并设置在相应的象限中。响应于平面外加速度，检验质量块部分可以以与参照图2B描述的方式类似的方式旋转。例如，检验质量块部分的内部部分可以远离下面的基板延伸，而检验质量块部分的外部部分朝向下面的基板延伸。

[0062] 本申请的各方面提供了多轴MEMS加速度计，其具有检验质量块部分，该检验质量块部分被布置成响应于平面外加速度而经历蝴蝶模式。图3A示出了根据一些实施方案的这种类型的MEMS加速度计。类似于图1A的MEMS加速度计，MEMS加速度计300包括检验质量块部分102和104、固定部分106、系链1081、1082、1083和1084，锚1101、1102、1103和1104，以及耦合器1121和1122。另外，MEMS加速度计300包括用于检验平面内加速度的传感器(例如，沿第一方向和/或不同于第一方向的第二方向的加速度，例如垂直于或基本垂直于第一方向的第二方向)。为了便于说明，固定部分106在图3A中被描绘为单个元件。然而，在一些实施方案中，可以使用多个固定子部分1061、1062、1063和1064(例如，如图1A中所示)。

[0063] MEMS加速度计300可以具有小的形状因子，这可以使得能够在各种环境中使用该设备，包括在便携式设备中。例如，MEMS加速度计300可具有HW(其中H表示MEMS加速度计300在y轴上的高度，W表示在x轴上的宽度)，其面积介于0.25mm2和30mm2之间、0.5mm2和30mm2之间、0.75mm2和30mm2之间、1mm2和30mm2之间、5mm2和30mm2之间、10mm2和30mm2之间、15mm2和30mm2之间、20mm2和30mm2之间、25mm2和30mm2之间、1mm2和20mm2之间、5mm2和20mm2之间、
2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
10mm和20mm之间、15mm和20mm 之间、1mm和15mm 之间、5mm和15mm之间、10mm和15mm 之间、1mm2和10mm2之间、5mm2和10mm2之间、8mm2和10mm2之间，或在此范围内的任何范围内。其他范围也是可能的。在一些实施方案中，小于0.25mm2的区域也是可能的。在图3A的示例中，MEMS加速度计300包括指状物302、304、312和314。指状物304沿y轴延伸并且相应的端部固定到检验质量块部分102，并且类似的指状物(图3A中没有附图标记)沿y轴延伸并且相应的端部固定到检验质量块部分104。这些指状物形成具有指状物302的电容式传感器，指状物
302沿y轴延伸并且相应的端部固定到固定部分106。这种电容传感器检验MEMS加速度计300沿x轴的加速度。在一些实施方案中，指状物是相互交叉的，使得从检验质量块延伸的一个指状物位于从固定部分延伸的两个指状物之间，和/或反之亦然。结果，当一个电容传感器的电容减小时，相邻电容传感器的电容增加，从而产生差分检验信号。

[0064] 指状物314沿x轴延伸并且相应的端部固定到检验质量块部分104，并且类似的指状物(图3A中没有附图标记)沿x轴延伸并且相应的端部固定到检验质量块部分102上。这些指状物形成具有指状物312的电容式传感器，指状物312沿x轴延伸并且具有固定到固定部分106的相应端部。这种电容传感器检验MEMS加速度计300沿y轴的加速度。在一些实施方案中，指状物是相互交叉的，使得从检验质量块延伸的一个指状物位于从固定部分延伸的两个指状物之间，和/或反之亦然。结果，当一个电容传感器的电容减小时，相邻电容传感器的电容增加，从而产生差分检验信号。

[0065] 在图3A的MEMS加速度计中，系链1081、1082、1083和1084可被设计成1)相对于检验质量块部分沿x轴的移动顺应，2)相对于检验质量块部分沿y轴的移动顺应，3)相对于检验质量块部分的平面外旋转顺应，和4)相对于检验质量块部分沿z轴的平面外移动是刚性的。系链1081、1082、1083和1084的具体实施方式在下面进一步描述。

[0066] 图3B是根据一些实施方案的存在沿x轴定向的加速度的MEMS加速度计300的侧视图。当力Fx被施加到MEMS加速度计300上时，检验质量块部分102和104经历共同的移动模式，由此检验质量块部分102和104沿着相同的方向在xy平面中移动。在一些实施方案中，共同移动模式可以使得检验质量块部分102沿着x轴移动到与检验质量块部分104相同的程度。为了响应于沿x轴的加速度而促进共同的移动模式，耦合器1121和1122设计成对着沿着x轴的检验质量块部分的运动而言是刚性的。以这种方式，检验质量块部分102和104可以在它们沿x轴移动时保持在一起(例如，分离基本恒定)。耦合器1121和1122可以进一步设计成抵抗检验质量块部分沿y轴的运动。以这种方式，检验质量块部分102和104可以在它们沿y轴移动时保持在一起。在一些实施方案中，耦合器1121和1122可以进一步设计成拒绝跷跷板模式，其中检验质量块部分相对于公共轴线同时顺时针旋转(或同时逆时针旋转)。以下进一步描述耦合器1121和1122的具体实现。

[0067] 应当理解，在一些实施方案中，MEMS加速度计300的整体检验质量块可以有助于检验平面外加速度和平面内加速度。这与其他类型的MEMS加速度计不同，其中质量块有助于检验平面外加速度而不是平面内加速度，而另一个质量块有助于检验平面内加速度而不是平面外加速度。

[0068] 图4是示出根据一些实施方案的用于感测沿着多个方向的加速度的过程的示例的流程图。过程400可以使用任何合适的加速度计执行，包括例如MEMS加速度计300。过程400开始于动作402，其中传感器感测MEMS加速度计沿第一方向的平面内加速度。在一些实施方案中，传感器可包括电容传感器。在一些实施方案中，传感器还可包括耦合到电容传感器的感测电路。在一个示例中，MEMS加速度计300的传感器可以感测包括沿x轴的检验质量块部分102和104的检验质量块的运动。

[0069] 在动作404，传感器(动作402的相同传感器或不同的传感器)沿不同于(例如，垂直于)第一方向的第二方向感测MEMS加速度计的平面内加速度。在一些实施方案中，传感器可包括电容传感器。在一个示例中，MEMS加速度计300的传感器可以感测包括沿y轴的检验质量块部分102和104的检验质量块的运动。

[0070] 在动作406，传感器(动作402的相同传感器或不同的传感器)感测MEMS加速度计的平面外加速度。感测MEMS加速度计的平面外加速度可以包括1)感测MEMS加速度计的第一检验质量块部分的顺时针旋转运动(动作406A)和2)感测MEMS加速度计的第二检验质量块部分的逆时针旋转运动(动作406B)，其中所述第一检验质量块部分的顺时针旋转运动和所述第二检验质量块部分的逆时针旋转运动相对于公共轴线限定。在一些实施方案中，动作406A和406B可以同时执行(例如，使得动作406A的至少一部分与动作406B的至少一部分同时执行)。

[0071] 在一些实施方案中，本文所述类型的加速度计可包括用于允许检验质量块的平面外旋转，同时抵抗检验质量块的平面外移动的装置。在一些实施方案中，这种装置还可以允许检验质量块的平面内移动。在一些实施方案中，这里描述的类型的加速度计可以包括用于差分地感测平面外加速度的装置，例如用于提供蝴蝶模式的装置。

[0072] 图5示出了根据一些实施方案的MEMS加速度计300的具体实施方式，其中系链1081、1082、1083和1084通常呈现L形，其中耦合器1121和1122包括转回部分。

[0073] 图6A更详细地示出了根据一些实施方案的图5的MEMS加速度计的系链1082。图5的MEMS加速度计的其他系链可以根据相同的总体设计布置。如图所示，系链1082的一端(602)连接到检验质量块部分104，系链1082的另一端(604)连接到锚1102。在该示例中，系链1082通常呈现L形，其中L(L1)的一个区段基本垂直于(例如，偏移80°到100°之间的角度)L(L2)的另一个区段。应当理解，并非所有实施方案都包括L形系链，因为其他实施方案可包括具有大致方形形状、大致矩形形状或任何其他合适形状的系链。区段L1可包括主要沿y轴延伸的梁，区段L2可包括主要沿x轴延伸的梁。区段L1的梁可以向后折叠并且可以基本上彼此平行。在一个示例中，区段L1的梁可以通过转回部分610彼此连接，其示例在图6B中另外详细示出。

[0074] 在图6B的示例中，转回部分610包括主要沿y轴延伸的两个基本平行的梁(612和614)，以及将梁612和614彼此连接的一个连接梁(616)。连接梁616可以基本上垂直于梁612和614定向。在其他实施方案中，转回部分610可以包括形成180°转弯(或170°和190°之间的转弯)的弯曲梁。转回部分610通常可呈现U形、C形、V形或任何其他合适的形状。

[0075] 返回参考图6A，区段L2的光束可以通过转回部分610彼此连接，转回部分610在一些实施方案中可以是参考图6B描述的类型。在一些实施方案中，区段L1的转回部分相对于区段L2的转回部分基本上垂直地定向。例如，区段L1的连接梁616可以相对于区段L2的连接梁616基本上垂直地定向。区段L1的转回部分可以提供相对于检验质量块部分104沿x轴的平面内运动的顺应性。区段L2的转回部分可以提供相对于检验质量块部分104沿y轴的平面内运动的顺应性。此外，区段L1和L2的转回部分可以共同促进检验质量块部分104的平面外旋转并且拒绝检验质量块部分104的平面外移动。区段L1的梁可以使用任何合适的布置连接到区段L2的梁，包括但不限于45°角的梁606(如图6A所示)，弯曲梁，90°弯曲或其任何组合。虽然区段L1和L2每个被示为包括两个转回部分，但是每个段可以包括大于或等于一的任何其他合适数量的转回部分。

[0076] 区段L1的各个梁的宽度(在x轴上)可以在1μm和30μm之间、1μm和20μm之间、1μm和15μm之间、1μm和10μm之间、1μm和5μm之间、2μm和5μm之间、5μm和30μm之间、5μm和20μm之间、
5μm和15μm之间、5μm和10μm之间，或在任何其他合适的范围之间。区段L1的宽度(在x轴上)可以至少是各个梁宽度的1.5倍、至少是各个梁宽度的两倍、至少是各个梁宽度的三倍、至少是各个梁宽度的五倍、或至少是各个梁宽度的七倍，以及其他可能的值。类似的尺寸可以用于区段L2的各个梁的宽度(在y轴上)和用于区段L2的宽度(在y轴上)。

[0077] 图7A更详细地示出了根据一些实施方案的图5的MEMS加速度计的耦合器1121。图7A示出了耦合器1121、检验质量块部分102和104、从检验质量块部分102和104延伸的指状物、固定部分106、锚1101和1102，以及从固定部分106延伸的指状物。另外，图7B更详细地示出了图7A的耦合器，其中为了清楚起见，已经移除了固定部分106、锚1101和1102以及从固定部分106延伸的指状物。在图7B的示例中，耦合器1121包括转回部分，其包括主要沿y轴定向的梁713和715，以及主要沿x轴定向的连接梁714。应当理解，其他类型的转回部分，包括参考图6B描述的那些，可以用于耦合器1121。转回部分的一端连接到检验质量块部分102，并且转回部分的另一端连接到检验质量块部分104。如图7B中进一步所示，可以在检验质量块部分102和104之间形成切口区域716。切口区域716可以使得检验质量块部分102和104能够沿着不同方向运动，例如当受到平面外加速度的影响时。在一些实施方案中，检验质量块部分102和104可以仅通过转回部分彼此连接。耦合器1121的梁的尺寸可以设定成在沿x轴和y轴移动时将检验质量块部分102和104刚性地保持在一起。例如，耦合器1121的梁的尺寸可以设定成当它们在xy平面中移动时保持检验质量块部分102和104之间的基本恒定的间隔。
在一些实施方案中，耦合器1121还可以用作电容传感器的一部分，用于沿x轴感测平面内加速度。

[0078] 这里描述的类型的MEMS加速度计可以形成各种系统的一部分，其应用在各种领域中，例如体育、军事、虚拟现实、游戏、医疗保健和工业环境等。各种系统可以构成物联网网络的一部分或者在物联网网络中使用。现在描述这种系统和应用的示例。

[0079] 图8是示出系统800的框图，系统800可以包括MEMS加速度计802、电源单元804、感测电路806和输入/输出(I/O)接口808。MEMO加速度计802可以实现为上述MEMS加速度计中的任何一个。可选地，MEMS加速度计802还可包括角加速度计和/或陀螺仪。在一些实施方案中，感测电路806和MEMS加速度计802可以设置在相同的基板上，例如硅基板。在其他实施方案中，感测电路806和MEMS加速度计802可以设置在单独的基板上，这些基板可以彼此结合和/或封装在共同的壳体内。

[0080] 感测电路806可以被配置为感测加速度，例如通过将电容变化映射到加速度的大小。感测电路806可以包括放大器、模数转换器、存储器、处理器、专用集成电路(ASIC)或其他模拟和/或数字电路。

[0081] 系统800可以通过有线连接或无线地周期性地向外部监视系统发送指示所感测的角度和/或线性加速度的信号，例如计算机、智能电话、平板电脑、智能手表、智能眼镜或任何其他合适的接收设备。I/O接口808可以被配置为经由Wi-Fi、蓝牙、低功耗蓝牙(BLE)、Zigbee、线程、ANT、ANT+、IEEE802.15.4、IEEE802.11.ah或任何其他合适的无线通信协议来发送和/或接收数据。替代地或另外地，I/O接口808可以被配置为使用专有连接协议来发送和/或接收数据。I/O接口808可以包括一个或多个天线，例如微带天线。在一些实施方案中，I/O接口808可以连接到电缆，并且可以配置为通过电缆发送和/或接收信号。

[0082] 系统800可以使用功率单元804供电。功率单元804可以被配置为功率感测电路806、I/O接口808和/或MEMS加速度计802。在一些实施方案中，功率单元804可以包括一个或多个电池。在至少一些实施方案中，系统800可以消耗足够少的功率以允许其仅基于电池功率操作延长的时段。在一些实施方案中，电池可以是可充电的。电源单元804可包括一个或多个锂离子电池、锂聚合物(LiPo)电池、基于超级电容器的电池、碱性电池、铝离子电池、汞电池、干电池、锌-碳电池、镍-镉电池、石墨烯电池或任何其他合适类型的电池。在一些实施方案中，电源单元804可以包括将AC功率转换为DC功率的电路。例如，电源单元804可以从系统800外部的电源接收AC电源，例如通过I/O接口808，并且可以向系统800的一些或所有组件提供DC电源。在这种情况下，电源单元804可以包括整流器、电压调节器、DC-DC转换器或用于功率转换的任何其他合适的装置。

[0083] 在一些实施方案中，电源单元804可包括能量收集组件和/或能量存储组件。可以从周围环境收集能量并且存储能量以在需要时为系统800供电，其可以包括周期性、随机或连续供电。实现的能量收集组件的类型可以基于系统800的预期环境来选择，除了其他可能的考虑因素之外，例如基于系统800可能经历的预期幅度和运动频率、系统可能经历的压力量、系统可能经历的曝光量和/或系统可能暴露的温度。合适的能量收集技术的示例包括热电能量收集、磁振动收获、电过应力收获、光伏收获、射频收获和动能收集。在一些实施方案中，能量存储组件可包括超级电容器。

[0084] 系统800可以以各种设置部署以检验加速度，包括体育、医疗保健、军事、虚拟现实、游戏和工业应用等。在一些实施方案中，系统800可以是可穿戴设备的一部分。例如，系统800可以作为耳塞900的一部分(如图9A所示)安装、作为智能手表902的一部分(如图9B所示)安装、或作为智能手机904的一部分安装(如图9C所示)。可以部署系统800的其他环境包括平板电脑、笔记本电脑、智能眼镜、医疗设备、运动设备、车辆等。

[0085] 当安装在耳塞900上时，系统800可用于监视用户头部的运动，例如用于虚拟现实或游戏应用。另外或替代地，系统800可用于实现语音识别。例如，系统800可以检验由用户的语音产生的振动，并且可以使用机器倾斜技术来识别语音。另外或替代地，系统800可用于噪声消除。当安装在智能手表902上时，系统800可以检验用户手臂的运动，例如用于睡眠跟踪、心脏监测、步数计数等。类似地，当安装在智能手机904上时，系统800可以检验用户身体的特定部分的运动。

[0086] 本文描述的技术的各方面可以提供一个或多个益处，其中一些已经在先前描述过。现在描述这些益处的一些例子。应当理解，并非所有方面和实施方案都必须提供现在描述的所有益处。此外，应当理解，本文描述的技术的各方面可以为现在描述的那些提供额外的益处。

[0087] 本文描述的技术的各方面提供了一种MEMS加速度计，其具有连接在一起的检验质量块部分，以形成单个检验质量块加速度计。整个检验质量块可以有助于检验平面外和平面内加速度。因此，本文描述的类型的MEMS加速度计比其他类型的MEMS加速度计明显更紧凑。

[0088] 本文描述的技术的各方面提供了一种MEMS加速度计，其被配置为以差分方式检验平面外和平面内加速度。因此，本文所述类型的MEMS加速度计对加速度的敏感性明显高于其他类型的MEMS加速度计。结果，这里描述的类型的一些MEMS加速度计适用于低噪声应用。

[0089] 术语“大约”、“基本上”和“大概”在一些实施方案中可以用于表示在目标值的±20％内、在一些实施方案中可以用于表示在目标值的±10％内、在一些实施方案中可以用于表示在目标值的±5％内、在一些实施方案中可以用于表示在目标值的±2％内。术语“大约”、“基本上”和“大概”可以包括目标值。

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