确定线性或角向移动的位移、速度和加速度的多轴传感器.pdf

本发明公开了一种角位移和线性位移、速度或加速度的MEMS多轴惯性传感器，包括集成在平面衬底(12)上的四个梳驱动电容感测元件(18)，每个梳驱动电容感测元件的输出响应于沿着Z轴的位移、以及响应于沿着X或Y轴的位移。感测元件位于X轴和Y轴两侧的衬底的不同部分上，所述输出适于随后得到沿着X、Y或Z轴中任何轴的线性位移以及关于X、Y或Z轴中任何轴的角位移。需要更少的感测元件来在多方向上进行感测，使得装置更节省成本或更小。从传感器信号的组合来确定线性或角移动。

1.  一种角位移和线性位移的多轴惯性传感器，所述传感器具有集成在平面衬底(12)上的三个或更多感测元件(18)，所述感测元件(18)中的每个感测元件具有输出，所述输出响应于沿着与衬底平面垂直的Z轴的位移、以及响应于平行于所述平面的位移，所述元件位于衬底的平面内两个垂直轴X轴和Y轴两侧的衬底的不同部分处，所述感测元件还被定向在平面内的不同方向上，使得所述感测元件的输出还响应于沿着X或Y轴的位移，所述输出适于随后得到沿着X、Y或Z轴中任何轴的线性位移以及关于X、Y或Z轴中任何轴的角位移。

2.  根据权利要求1所述的传感器，所述感测元件包括MEMS感测元件。

3.  根据权利要求1或2所述的传感器，所述质量块包括针对每个感测元件的分立质量块。

4.  根据权利要求3所述的传感器，所述分立质量块分布在感测元件的可移动部分上。

5.  根据前述任一权利要求所述的传感器，具有布置在正方形象限处的四个感测元件(C1、C2、C3、C4)。

6.  根据权利要求5所述的传感器，具有配置用于使用以下项目中的任何一项或更多项从四个感测元件的输出(ΔC1、ΔC2、ΔC3、ΔC4)得到位移的电路：
如果ΔC2＝ΔC4＞ΔC1＝ΔC3，则沿着X位移，
如果ΔC1＝ΔC3＞ΔC2＝ΔC4，则沿着Y位移，
如果ΔC1＝ΔC2＝ΔC3＝ΔC4，则沿着Z位移，
如果ΔC2+ΔC3＝ΔC1+ΔC4，则关于X旋转，
如果ΔC1+ΔC2＝(-ΔC3+ΔC4)，则关于Y旋转，
如果ΔC1＝-ΔC3且ΔC2＝-ΔC4，则关于Z旋转。

7.  根据权利要求5或6所述的传感器，每个感测元件包括梳形可移动电极(10)，所述梳形可移动电极(10)被相应形状的固定电极所包围。

8.  根据权利要求7所述的传感器，所述四个感测元件中每个感测元件的梳形被定向为面向彼此呈直角的四个不同方向。

9.  根据前述任一权利要求所述的传感器，所述感测元件包括电容感测元件。

10.  一种制造传感器的方法，包括以下步骤：
在衬底(12)上形成平面感测元件(18)，所述平面感测元件(18)被定向在不同方向上以感测沿不同方向的位移；
通过蚀刻以释放感测元件的一部分，来形成可移动电极(10)；以及
在相同衬底上形成耦合至所述可移动电极的接口电路，所述接口电路配置用于将来自不同感测元件的位移信号相组合，以确定旋转位移和多轴线性位移。

确定线性或角向移动的位移、速度和加速度的多轴传感器
技术领域
本发明涉及多轴传感器以及制造这种传感器的方法。
背景技术
基于MEMS的传感器已经发展为将感测元件与“系统级封装”(SIP)内的若干集成元件相结合。SIP中的这些集成元件包括MEMS器件、接口电路、以及微处理器电路。在与感测元件一起封装时需要特别小心对待这些元件。已知的感测元件可以基于机械、电感、电容、压电、压阻、或其他感测技术。
为了感测姿态、位置或运动，已知使用加速度计和陀螺仪。2维加速度计广泛地可用作集成装置，最近，用于感测变化的集成装置在第三维中也变得可用。然而，这样的装置在沿着该维度的校准方面的能力很低。在大多数情况下，在承载感测元件的相同衬底上制造该装置。因此，最终装置是两个或更多个单一硅衬底的结果。将所述接口和信号处理电路集成为系统。
上述感测元件典型地具有检测质量块(proof mass)，所述检测质量块使所述感测元件自身相应于施加到所述感测元件的力而位移。这是支持加速度计设计的基本构思。检测质量块与依赖于加速度的力相对应地位移。利用各种已知技术中的一种来感测所述检测质量块的位置。在电容加速度计的情况下，电容的变化与检测质量块的位移有关。电容器可以具有一个附着到检测质量块的电极以及一个固定电极。可以将这些电极按照叉指梳结构来布置。检测质量块及其弹性支撑的特性限定了感测元件的检测范围。支持电容加速度计的构思是是感测相对于电容变化的位移。
为了感测科里奥利效应(Corioliseffect)，名称为“陀螺仪(Gyroscopes)”的装置提出了一种解决方案。该装置特征在于对沿着与所述结构(检测质量块)的平面垂直的旋转轴的位移进行感测。针对位移的感测动作已经开发出多种方法。然而，沿着三个轴的位移和沿着旋转轴的位移仍然在不同装置上。可以使用相同的技术来制造这两个装置。对于高端感测操作，典型地在多于一个硅晶片上或者通过使用SOI或相关技术来制造已知的装置。
美国专利申请2005217372示出了用于三维地检测角速度和加速度的物理量传感器。该传感器包括：衬底；布置在衬底上的三个角速度传感器；以及布置在衬底上的三个加速度传感器。三个角速度传感器能够检测角速度围绕三个轴的三个分量，每两个分量垂直相交。三个加速度传感器能够检测加速度在另外三个轴中的三个分量，每两个分量垂直相交。角速度传感器的三个轴相交于一点，加速度传感器的另外三个轴相交于另一点。
上述物理量传感器可以以高精度三维地检测角速度和加速度两者。此外，在该物理量传感器中，角速度传感器的三个检测轴相交于一点，使得角速度的检测精度变得更高。此外，加速度传感器的三个检测轴相交于一点，使得加速度的检测精度变得更高。
专利申请JP 11311521A示出了多轴惯性量传感器，可以通过使用显微机械加工技术来形成所述多轴惯性量传感器，并且所述多轴惯性量传感器可以检测多个轴中的角速度和线性加速度。该多轴惯性量传感器在检测质量块周长处具有梳子形状的互相啮合的电极，以提供旋转振动从而实现陀螺角向传感器。在所述质量块下方提供四个电极，以检测所述检测质量块何时远离其旋转轴而倾翻(tip)。这四个电极用作电容传感器，以检测衬底上方质量块的高度。高度的差异表示倾翻，所述倾翻只是根据陀螺动作的旋转。哪两个电极比另外两个更高表示围绕哪些轴发生旋转。所有四个传感器的高度变化表示沿着旋转轴的加速度。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的多轴传感器以及制造这样的传感器的方法。根据第一方面，本发明提供了一种角位移和线性位移的多轴惯性传感器，所述传感器具有集成在平面衬底上的三个或更多感测元件，每个感测元件的输出响应于沿着与衬底的平面垂直的Z轴的位移、以及响应于与所述平面平行的位移，所述元件位于衬底平面中两个垂直轴(X轴和Y轴)两侧衬底的不同部分处，所述感测元件还被定向在平面中的不同方向上，使得它们的输出还响应于沿着X轴或Y轴的位移，以使这些输出足以使得它们的不同组合能够用于指示沿着X、Y或Z轴中任何一个轴的线性位移以及与X、Y或Z轴中任何一个有关的角位移。
本发明的具体特征是组合使用Z轴信号的方式，例如，能够沿着Z轴以及沿着X轴和Y轴进行检测的感测元件，以及在X和Y轴任一侧的感测元件。这使得可以以六(6)种不同方式来组合传感器的输出。如本领域技术人员已知的，可以构造用于对所述输出进行组合的电路，所述电路可以是单片电路或芯片外电路。
例如，根据本发明的这种新装置可以使用用于确定线性加速度和角速度的多个感测元件。这意味着在使用分立传感器的情况下该装置需要更少的感测元件。例如这可以有助于该装置更节省成本和/或更小。
换言之，该新的装置感测与旋转轴垂直的位移。这意味着所述多个感测元件可以布置为在单一平面内沿不同方向延伸，这使得更易于集成在衬底上、对位移的范围限制更小、以及从而对于给定的位移范围而言制造成本更低。这意味着该新装置可以具体地感测沿多个方向而不是沿着旋转轴的仅一个方向的加速度。同样，这意味着该新装置需要更少的感测元件来沿多个方向进行感测。例如这有助于使得该装置更节省成本和/或更小。
另一优点是，通过构造，传感器的(即，在传感器的电极之间的)电容值可以比目前已知的装置的电容值更高且更好。这是因为电极之间的间隙可以在纳米级。此外可以避免专用的DC/DC转换器(步进转换器)。
在保持在主权利要求的范围之内的同时，可以采用添加到上述特征的任何附加特征来体现本发明，以下描述一些这样的附加特征。
一个这样的附加特征是所述感测元件是MEMS元件。
另一个这样的附加特征是所述质量块包括针对每个感测元件的分立质量快。与具有单个质量块相比，这可以对于给定的质量块大小来提高沿不同方向的位移进行感测的灵敏度。
另一个这样的特征是，所述分立的质量块分布在感测元件的可移动电极上。与同电极分开地成块的质量块相比，这可以帮助使能减小装置的大小以及减小部分的数目，从而便于集成以及有助于降低制造成本。
另一个这样的特征是用于对输出进行组合以得到位移的电路。如果集成到与感测元件相同的芯片上或者相同的封装中，则这种方式可以是更节省成本的。备选地，可以在适当电路上外部地实现这种方式，或者可以使用运行于传统处理硬件上的适当软件来实现这种方式。
根据本发明的另一方面提供了一种制造传感器的方法，该方法包括以下步骤：在衬底上形成平面感测元件，所述平面感测元件被定向在不同方向上以感测沿不同方向的位移；通过蚀刻以释放感测元件的一部分来形成可移动电极；以及在相同衬底上形成耦合至所述可移动电极的接口电路，所述接口电路被布置为对来自不同感测元件的位移信号进行组合，以确定旋转位移和多轴线性位移。
任何这些附加特征都可以组合在一起或者与任何其他方面相组合。对于本领域技术人员而言，尤其超过其他现有技术的其他优点将是显而易见的。在不脱离本发明的权利要求的前提下，可以进行多种变体和修改。因此，应清楚地理解，本发明的形式仅仅是说明性的，而不旨在限制本发明的范围。
附图说明
现在将参考附图以示例的方式来描述如何使本发明起作用的，附图中：
图1示出了根据本发明实施例的、四个梳驱动形式的感测元件的透视图，
图2示出了图1实施例的等效电路的示意图，
图3至8示出了描述感测元件不同部分处的位移矢量的实施例的图示，分别针沿x、y和z轴的线性位移以及围绕x、y和z轴的旋转位移。
图9示出了根据本发明实施例的、四个梳形式的感测电极的示意性结构，
图10示出了在图9中A-A处的横截面图，示出了根据本发明实施例的锚定在衬底上的感测电极，
图11a示出了根据本发明实施例的感测元件的感测电极的平面图，
图11b示出了信号处理电路，所述信号处理电路被布置为确定存在所述装置的六个状态中哪个状态出现或者每个状态出现多少次，
图12示出了感测元件电容随X或Y位置的差异轮廓图，
图13示出了在电容随沿着与感测元件的平面相垂直的z轴位移的变化图示，以及
图14示出了电容随旋转位移的变化图示。
图15至42示出了根据本发明实施例的、制造诸如多轴陀螺加速度计之类的装置的工艺步骤。
具体实施方式
将相对于具体实施例参考特定附图来描述本发明，然而本发明不限于此，而是仅由权利要求来限制。所描述的附图仅仅是示意性的而非限制性的。在附图中，出于说明目的，一些元件的尺寸可能被夸大并且不是按比例绘制的。本说明书和权利要求中所使用的术语“包括”并不排除其他元件或步骤。除非特别声明，当引用单数名词时不定冠词或定冠词例如“一个”、“一种”、“其”包括多个该名词。
在权利要求中使用的术语“包括”不应被解释为限制该词语之后所列的手段；该术语“包括”不应排除其他元件或步骤。因此，措辞“一种设备包括装置A和B”的范围不应限于该设备仅由组件A和B构成。这意味着相对于本发明，该设备的相关组件仅仅是A和B。
此外，说明书和权利要求中诸如第一、第二、第三等术语用于区分相似的元件，而并不一定描述连续顺序或年月日顺序。应理解，在适当情况下所使用的这些术语是可以互换的，并且这里所描述的本发明的实施例可以按照除了这里所描述和示意的顺序以外的其他顺序来进行操作。
此外，说明书和权利要求中诸如顶部、底部、上方、下方之类的术语是出于描述性目的的，并不一定用于描述相对位置。应理解，在适当情况下所使用的这些术语是可以互换的，并且这里所描述的本发明的实施例可以在除了这里所描述或示意的方位以外的其他方位来进行操作。
本发明实施例的至少一些实施例与惯性感测装置(例如，多轴(例如三轴)加速度计)有关，所述惯性感测装置包括多个感测元件。此外，本发明的实施例可以提供高端加速度计与陀螺感测响应特征的组合，配置用于基于在衬底上集成层的制造工艺能力来减轻制造过程。相应地，本发明的实施例可以提供包括多轴感测能力以及旋转感测能力的惯性感测装置。
为了使系统更节省成本，在一些实施例中，在单个半导体衬底(例如，硅衬底)上形成感测元件，以支持具有更优特征的小型化的驱动，例如，将两个独立的元件用“单个感测元件”来代替。
一些实施例示出了多轴陀螺加速度计，目的在于通过将陀螺仪的感测动作与加速度计沿着三个轴的感测动作相集成，来使组件小型化。该传感器可以是电容多轴陀螺加速度计(CMAGA)。根据本发明的感测装置使用可移动感测电极。在受力的情况下这些电极的移动改变装置了的物理特性(尤其是电特性)值，例如，装置的电容。除了电容感测以外，可以使用其他类型的感测，如，磁性的、或电感的、或其任意组合。在下文中，将主要关于电容感测装置来说明本发明，然而这仅仅是以示例的方式。在一些实施例中还结合了沿着与衬底平面垂直的旋转轴的感测位移的特征。
参考图1，该装置包括以在检测质量块上或检测质量块中图案化的四个梳驱动1、2、3和4形式的感测元件，所述感测元件彼此电绝缘，并且被定向在平面中的不同方向上。该装置可以是诸如多轴陀螺加速度计之类的惯性传感器。如所示的，四个不同方向在两个主要垂直方向上。检测质量块可以由半导体材料制成，例如，其可以由多晶硅制成。优选地，将四个梳驱动1-4独立地锚定到衬底12，例如，经由锚定点来锚定每个梳驱动。在本发明的实施例中，当在装置的检测质量块上出现位移时，即，当装置的检测质量块受到力时，四个梳驱动1-4中的电容值随着所施加的力而变化，例如，成比例地或非线性地。四个梳驱动1-4中的电容值根据每个梳驱动1-4的方位、基于施加到检测质量块上的力而变化，这是因为由感测电极所代表的检测质量块能够相对于衬底12而移动。因此，从可移动的感测电极至少部分地形成检测质量块。在平均或平衡位置处这四个感测元件的电特性(例如电容值)保持相同。当施加力时，梳驱动的感测电极发生移动或产生位移，这是由于衬底12的变形导致感测电极不同的相对或绝对位置。这些不同的绝对或相对位置导致装置的物理(例如电)特性发生变化，该变化可以例如通过感测梳驱动的电容来测量。如果在制造之后预期的电容值与实际电容值或梳的电容值之间存在差异，即，电容不平衡，则在传感器的工厂测试或现场校准期间可以解决该问题，并且任何偏差都可以通过应用修正步骤或通过针对电路的学习步骤来校正。
将参考图1来描述示例，图1示出了四个梳驱动，以适当的驱动信号来驱动这四个梳驱动，以在需要时使它们的质量块振动。备选地，可以采用使得能够确定这四个梳驱动的电容的任何方式来驱动它们。例如，利用适当的信号(例如，正弦)来驱动这四个梳驱动，以独立地使它们的质量块振动，这使得可以确定它们的电容。
如所示的，梳1-4被布置为占据正方形的四个象限。梳的齿(即，感测电极10)可以被布置为围绕与平面垂直的中央轴面向四个不同方向。可以将这四个方向布置为使得每个方向与相邻梳中任一梳的方向成直(垂直)角。
图2示出了图1的梳驱动的实施例的电等效模型。该模型具有表示梳驱动的可变电容器C1、C2、C3和C4，每个可变电容器由电流源来驱动，每个可变电容器产生输出信号。可以从所述四个梳驱动的信号相对于彼此获得各种不同组合，以提供表示沿所有可能方向的线性位移以及沿所有方向上的旋转位移的信号。图3至8中的矢量箭头示出了这六种类型的位移。通过对电容的变化进行分析，可以如下得到相关移动。
图3示出了沿着X轴的运动，因为与垂直于梳齿且垂直于平面的运动相比沿着梳齿方向的运动将对电容有更大影响，所以导致ΔC2＝ΔC4＞ΔC1＝ΔC3。
图4示出了沿着Y轴的运动，出于相同原因导致ΔC1＝ΔC3＞ΔC2＝ΔC4。
图5示出了沿着Z轴的运动，由于所有梳齿都将具有相同的运动(更深入它们在衬底中的插槽或者从它们的插槽中被提起)，所以导致ΔC1＝ΔC2＝ΔC3＝ΔC4。
图6示出了关于X轴的旋转运动，导致ΔC2+ΔC3＝ΔC1+ΔC4。所有梳齿的位移都在相同的方位上(正指向)。
图7示出了关于Y轴的旋转运动，导致ΔC1+ΔC2＝-(ΔC3+ΔC4)。
图8示出了关于Z轴的旋转运动，导致ΔC1＝-ΔC3；，ΔC2＝-ΔC4。
图9示出了根据本实施例的信号处理电路，所述信号处理电路配置用于确定装置的六个状态中哪个状态出现以及每个状态出现多少次。
提供了一种具有信号处理电路(参见图11b，以用于处理信号的逻辑电路为例)的接口，所述信号处理电路配置用于确定这六个状态中哪个状态出现以及每个状态出现多少次。该电路可以是芯片上或芯片外的。
因此，通过感测元件所感测的位移的组合，推导出已施加到感测装置的相关运动(例如，沿着衬底平面中多个轴的衬底和组件的角速度或衬底的线性加速度)。例如，当在装置的平面内存在位移时，两个梳齿集合(仅作为示例，集合1、3)存在变化。在这种情况下，其他梳驱动2和4没有变化。这样，在平面外没有变化。如果存在垂直位移(在平面外或者具有垂直于平面的分量)，则所有电容都将同时发生相同的变化。
对于能够附加地感测沿z轴位移的感测元件的实施例，位移之差表示关于其他轴的旋转，接口信号处理电路还可以配置用于确定旋转位移以及从而确定角速度。
如图9的顶视图以及图10中的横截面A-A’所示，全部在衬底12上的梳驱动18的自由悬臂可移动梳齿10形成了感测电极。参见图11a，该装置包括多个由可移动梳齿10组成的悬臂集合1-4，每个集合被锚定到硅衬底12上的锚定点16。在梳齿10之间放置绝缘静态梳齿14，该绝缘静态梳齿14可以例如是从衬底12(例如，硅)形成的。对于静电元件，将需要存在的相应固定电极，所述固定电极的形状与可移动梳齿相对应并且面向梳齿。这可以利用静态梳齿上的传导层来实现。可以使用除了直梳以外的其他形状，如关于中央轴弯曲的曲梳、或例如矩形平面形状。可以使用感测电极的任何合适数目的齿数10。原理上，不同的梳驱动不需要彼此垂直，所以可以使用彼此成120度放置的由三个电极10组成的集合来获得对旋转或多方向线性位移的感测。可以使用其他合适数目的感测电极集合，如5、6、7、8或更多。
在另一实施例中，本发明可以提供一种惯性感测装置，例如在单个半导体衬底(例如，硅衬底12)上制造的加速度计。可以基于可用的工艺技术来制造所述加速度计。例如，如果检测质量块分布在感测元件的可移动电极的梳1-4上，则这四个梳驱动1-4可以形成加速度计的检测质量块的结构部分或者形成其中的一部分。可移动感测电极梳齿10可以由半导体材料形成，例如，当在硅衬底12上形成所述可移动感测电极梳齿10时，这些可移动感测电极梳齿10可以是多晶硅，或者可以使用其他材料。可以通过以单个光刻工艺进行图案化来彼此隔离地形成梳驱动1-4。
结构的尺寸可以变化以适于应用。可以在制造期间使用牺牲层，然后例如通过蚀刻来去除该牺牲层，从而释放可移动结构，如感测电极梳齿10。例如，按照惯例，可以合并和使用蚀刻孔来帮助在较大表面的情况下释放该结构。该方法以及梳的锚定点16的稳定性和刚性、感测电极梳齿10的质量块、以及感测电极梳齿10的材料特性限定了检测质量块的硬度，即在施加外力时感测电极梳齿10移动的量。移动的量确定了梳的物理(例如，电)特性的变化(例如，电容的变化)幅度。除了这些因素以外，用于释放结构的孔可以对检测质量块的硬度作出贡献，感测范围随着这些参数而变化。
一些实施例具有感测沿着z轴的位移的能力，在该示例中将z轴看作是旋转轴。在该具体实施例中，检测质量块包括彼此电隔离的四个电容梳驱动。加速度计检测质量块的四个梳驱动使电容相对于位移和方向而变化。
加速度计：
当加速度恒定时，速度相对于时间而变化的速率是恒定的，这意味着位移变化的速率相对于时间是恒定的。当加速度发生变化时，速度变化的速率相对于时间而增大并最终反映在位移变化的速率上。由于利用检测质量块的位置(即，检测质量块的位移)来测量加速度，所以时间保持恒定。可以借助于反馈回路来使感测的频率保持恒定。
对于电容加速度计，利用电容的变化来感测检测质量块的位置变化。从平衡位置或平均位置的检测质量块的布置与加速度或对应时间平方的位移相对应。电容的变化给出了位移变化(速度)的速率。电容变化的变化速率与加速度相对应。
所示的加速度计具有四个梳驱动，这四个梳驱动在相同平面内被定向在不同方向上，用于感测该相同平面沿X和Y轴的位移。对沿着Z轴位移的感测特征在于参考电容器。对沿着旋转轴位移的感测是基于对例如使用接口电路组合多个感测元件的输出。所述接口是基于所需的输出而设计的。MEMS器件为系统提供粗略形式的信息。所述接口读取由该装置传递的信息，使值之间的对应关系达到所需的结论，以对结果进行分析。然后处理该值以给出必要的信息。
以下表1示出了两个实施例(高端高性能实施例以及入门级低性能实施例)的示例规范。

加速度计测量范围的计算：
加速度是位移相对于时间的变化的变化速率(即，距离/时间²)。对于感测动作，时间保持恒定。感测系统借助于在特定频率情况下共振的振荡器来感测位移。感测系统中值的变化速率给出了加速度的值。可以利用观测到感测系统中值的变化速率的频率来限定装置的灵敏度范围。
加速度计测量范围的计算：
示例1，范围＝2g＝2×9.8＝1.96，即，-2g到+2g(39.2)
T²＝(d(/2*2g))＝1.02040816326531E-08
T＝0.000101015254455221
所需频率是9899.49493661167，即，9.9KHz
示例2，范围＝6g＝6×9.8＝58.8，即，-6g到+6g(117.6)
T²＝(d(/2*6g))＝3.40136054421769E-09
T＝0.0000583211843519804
所需频率是17146.4281994822Hz，即，17.2KHz
示例3，范围＝8g＝8×9.8＝78.4，即，-8g到+8g(156.8)
T²＝(d(/2*8g))＝2.55102040816327E-09
T＝0.0000505076272276105
所需频率是19798.9898732233Hz，即，19.8KHz
仿真：
可以针对机械特性来仿真所提出的设计，以给出不同的位移模式。在本情况下，在如图9、10和11a所示的初步结构上执行了仿真。分别如图3、4和5所示，前三个位移模式分别是沿着X、Y和Z方向。此外，分别如图6和7所示，后两个位移模式与检测质量块关于通过检测质量块中心的X轴或Y轴的旋转位移相对应。此外，图8所示的六个位移模式与关于Z轴的旋转(陀螺仪效应)相对应。因此可以看出，还可以在这种加速度计设计中感测低端陀螺位移。可以从围绕Z轴的旋转直接获得陀螺仪效应，因为这种旋转是可以测量的。通过使用科里奥利效应，可以获得1维陀螺测试仪。
图12、13和14示出了电容变化的曲线图：
在图12中，第一变化值相对于平面中的横向(X或Y方向)位移，借此分别按照以上关于图3或4说明的关系来测量在两个梳驱动之间的差分电容。电容的值相对于系统上发生的关于时间的位移而变化。利用特定频率来感测电容值的变化，所述值的变化速率给出了加速度。这些曲线图是基于电容值的理论变化而绘制的。所述变化对于检测质量块的位移几乎是线性的。
所示的变化沿着X和Y轴，所述变化没有固定的参考电容器。所述变化是一个梳驱动中电容值的增大与另一梳驱动中的相应减小之差。因此，在另一情况下，该值是值的两倍。在实施例中，可以由两个不同接口电路通过信号处理来获得该值，以分别实现以上针对图3和4所描述的关系。这些是可以由传统的模拟或数字电路来实现的。
在图13中示出了相对于Z方向上的位移(例如，相对于诸如固定电容器之类的参考的差分电容)的第二变化值，所述第二变化值同样基于仿真。因此，所述变化是。因此，与沿X或Y轴的相应变化相比，该曲线的线性更差。可以使用以上针对图5描述的关系来执行用于获得所述值的仿真。在实施例中，可以由信号处理电路来获得所述值以实现所述关系。
为了初始化或校准该装置，可以出于校准目的来计算或测量相对于检测质量块位置的电容值变化。电容值相对于系统随时间的位移(即，可移动感测电极随时间的位移)而变化，并且这依赖于该装置所体验的加速度。利用特定频率来感测电容值的变化，所述值的变化速率给出加速度。
应注意，所述变化相对于检测质量块的位移几乎是线性的。图12所示的变化沿着X和Y轴；所述变化与固定参考电容器无关。所述变化是一个梳驱动中电容值的增大与另一梳驱动中的相应减小之差。即，进行相对测量。因此，与跟固定电容器比较的(或备选地，没有参考)其他情况相比，所述值是电容变化速率值的两倍。
感测元件的结构可以感测在圆形旋转中发生的位移，并且可用于根据已知的陀螺原理来确定角速度。可以如下说明对平面内旋转轴中检测质量块的运动(位移)的感测。按照以上针对图6和7所示的旋转而描述的关系来执行对电容值变化的计算。基于仿真，图14的曲线图中示意了结果。在实施例中，接口电路可以配置用于使用传统电路来实现所述关系以产生表示所述旋转的信号。
所述变化示出了在电容值沿着Z轴变化的情况下由于所示的工艺限制而导致的非线性曲线。该过程限制是由于移动部分与衬底之间的间隙而导致的，实际上该结构无法在不倒塌的情况下沿|-z|方向向硅移动较远。可以使用第五梳驱动来帮助解决该限制。这是可以使用例如铝(通常用于接触焊盘)的顶层来实现的。该层可以用于第五梳驱动，并且可以在其余设计不改变的情况下专用于z方向。彼此相邻的四个梳将给出沿X和Y方向的位移，并且顶层上的第五梳驱动可以支配沿Z方向的位移。
在本发明的任一实施例中，可以实现相对感测(即，在安装于感测装置上的传感器元件之间的相对感测)或相对于固定电容器的感测。基于上述逻辑来推导出来自每个梳驱动的输出组合。将通过接口系统来控制感测元件所提供的数据的解释。设计的大小将支配针对具体应用的规范。用于解释的处理逻辑将支配感测系统。
存在多种加速度计，例如具有三个不同感测方向的压电传感器，然而电容传感器本质上并不指示方向。
热仿真：
在-40℃与120℃之间仿真该结构。由于直到第六位移模式为止都没有共振，所以温度对该结构几乎没有影响。尽管后续的位移模式声称相比较而言在相对高频率下的共振，然而在更高的位移模式下结构的热灵敏度非常高，在15-16ppm/℃量级上。热灵敏度的效应对于较高振动模式仍然是一致的。
制造
可以通过MEMS工艺步骤来集成感测元件，并且可以通过诸如PiCS工艺(无源集成连接衬底)之类的其他工艺步骤将接口电路集成在相同衬底上。该装置制造工艺的示例可以具有以下参考图15至42描述的步骤：
首先，在合适的衬底20(例如硅衬底)上沉积诸如TEOS层22之类的掩模层(图15)。然后例如通过传统的微刻(microlithographic)方法和蚀刻工艺来图案化TEOS层22以在TEOS层22上提供第一图案23(图16)，其中所述传统的微刻方法包括：沉积光致抗蚀剂、以光图案照射所述抗蚀剂、用选择性溶剂去除抗蚀剂层。然后在整个衬底上沉积光致抗蚀剂层24(图17)，随后通过以光图案照射以及传统的选择性溶剂去除方法来将所述光致抗蚀剂层24图案化，从而使TEOS层22上的第二图案25外露(图18)。光致抗蚀剂层24中第二图案25的位置与TEOS层22中第一图案23的位置不同。
使用光致抗蚀剂层中的图案25，通过蚀刻工艺在TEOS层22中形成第二图案25’(图19)。在第二图案25的位置处去除TEOS层22。
然后使用光致抗蚀剂层24和TEOS层22作为掩模来蚀刻衬底20，以形成沟槽，例如两个沟槽26、27(图20)。使用诸如DRIE工艺之类的各向异性蚀刻方法，从而提供较深的窄槽。
然后通过传统方式来去除光致抗蚀剂层24(抗蚀剂剥离)。这还使得TESO层22中的第一图案23外露。
然后，使用TEOS层22作为掩模使用各向异性蚀刻工艺(例如，通过DRIE工艺)来对衬底20进行蚀刻。现在在TEOS层22中第一和第二图案23、25’位置处对衬底20进行蚀刻。在第一和第二图案的位置处，在衬底20中分别形成沟槽28、29和26’、27’(图22)。沟槽26’、27’比沟槽28、29深，这是因为在沟槽26’、27’的形成中有两次蚀刻步骤从而提供了更深的电容器(PICS工艺)。
随后去除TEOS层22(图23)。
现在例如利用玻璃磷光体(例如，10ohm平方)对衬底20进行掺杂(图24)。
随后，在整个衬底20上沉积诸如ONO层30之类的绝缘层以形成绝缘层30(图25)。ONO层30被覆在沟槽26’、27’；28、29的侧部和底部而不填充这些沟槽。相应地，ONO层30在衬底20上以及在槽26’、27’；28、29的壁和底部上形成了层。然后在整个衬底20上沉积多晶硅层32。多晶硅层32填充窄且较深的沟槽26、27而不是较宽且较浅的沟槽28、29(图26)。然后使用传统的微刻方法来图案化多晶硅层32，例如沉积光致抗蚀剂、以光图案来照射并随后选择性去除抗蚀剂层。仅在借助于第二图案25而形成的深沟槽26’、27’中留下多晶硅层32(图27)，得到与这些沟槽相连接的顶部层34。然后在整个衬底20上沉积氧化层36，从而将绝缘层36涂覆到使用第二图案25而形成的沟槽26’、27’上方的多晶硅34上，以及涂覆到使用第一图案23而形成的沟槽28、29的壁和底部(图28)上。具体地，在沟槽28的壁上沉积氧化层36以形成壁被覆层41。然后在整个衬底20上沉积多晶硅的厚层36。该厚多晶硅层填充沟槽28、29(图29)。对该多晶硅层36进行修整，以在使用第一图案23作为掩模而形成的沟槽28、29中留下多晶硅38、39(图30)。现在例如利用玻璃磷光体(10omh平方)来对衬底20进行掺杂(图31)。
然后在整个衬底20上沉积光致抗蚀剂层40(图32)，并利用传统技术对该光致抗蚀剂层40进行图案化，以在光致抗蚀剂层中形成与使用第一图案23而形成的沟槽28、29之一的壁被覆层41对齐的开口42，即，所述开口42与在该沟槽的侧部上沉积的垂直氧化层41对齐(图33)。
然后，例如使用湿蚀刻技术来去除使用第一图案23而制成的第一沟槽28的壁和底部上的氧化物41。该蚀刻技术可以各向同性的，这导致了抗蚀剂层40下方多晶硅38两侧的底切43(图34)。然后去除光致抗蚀剂层34(抗蚀剂剥离)(图35)。
然后在整个衬底20上沉积氮化硅层44(图36)。
然后在整个衬底上涂覆聚合物层46。对所述聚合物层46进行修整，使得将多晶硅38周围的氧化层41先前占用的体积去除(图38)。
在使用第一图案23形成的另一沟槽29中的多晶硅39中形成接触开口49。还在使用第二图案25形成的沟槽26’、27’顶部的多晶硅层34中形成接触开口48(图39)。
然后通过传统的金属化方法(例如，阴极金属喷镀)来涂覆金属层50(图40)。铝可以用于金属层50。
然后使用传统的微刻技术来图案化金属层50，以分别在使用第一图案23形成的另外沟槽38、39中的多晶硅39上、以及在使用第二图案25形成的沟槽26’、27’上方的多晶硅层34上形成接触焊盘53、52(图41)。金属层50用于MEMS器件与电路其余部分之间的接触，同时可以将电路构造为MEMS器件。然后以另一方式(例如，通利用溶剂)来使剩余的聚合物46蒸发或释放，以释放导电结构38(图42)。
结束注释
实施例中的一些通过针对旋转和线性感测使用相同的感测元件，用将陀螺感测优点与高端多轴加速度计相结合的构思来代替两个或更多感测元件来提供小型化。感测元件结构的重要结果是能够将装置的感测元件与接口和处理器相集成，以提供了一种可以更易于制造和/或更小并从而更节省成本的解决方案。采用满足与该设计有关的每个参数的、用于生产MEMS器件的当前可用技术，可以使所提出的设计的实施例适于工业需求。来自接口及其处理器的输出信号可以被开发为解释由感测元件(如，MEMS元件)所传递的信息，以适于应用。
如上所述，实施例可以用在除了与平面垂直的线性感测之外还需要低端陀螺感测效应的应用中。重要特征可以包括：该装置具有采用隔离的梳驱动形式的四个感测元件。这些元件可以使用电容感测来感测位移。为了感测与衬底相同平面内关于轴的旋转位移，描述了差分电容感测特征。可以将检测质量块与梳驱动的电极相集成。可以提供参考电容器，以相对于固定电容器沿着Z轴和曲线(陀螺)进行感测。
在本发明的范围之内可以想到其他变体和示例。