本發(fā)明涉及微電子機械系統(tǒng)(MEMS)傳感器，并且更特別地涉及使用偏移抑制電極的MEMS傳感器。

背景

微電子機械系統(tǒng)(MEMS)傳感器經(jīng)歷各種各樣的可來自MEMS/互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)管芯的制造、管芯的封裝、操作超溫、沖擊條件、用戶組件等諸多的不期望的力。這些力導(dǎo)致非理想條件，諸如在MEMS傳感器和嵌入式感測參考平面之間的平行排列的偏差。因此，存在對于克服上述問題的解決方案的強烈的需求。本發(fā)明解決這種需求。

發(fā)明概述

公開了用于減少MEMS傳感器中的偏移的系統(tǒng)和方法。在第一方面中，系統(tǒng)是MEMS傳感器，其包括感測參考平面、耦合到感測參考平面的至少一個錨、耦合到至少一個錨的至少一個質(zhì)量塊、耦合在感測參考平面和至少一個質(zhì)量塊之間以檢測垂直于感測參考平面的運動的感測元件的圖案、以及組合感測元件的圖案從而提供與外部激勵成比例的輸出的信號處理電路，其中至少一個質(zhì)量塊中的一個在外部激勵下移動，其中感測元件的圖案共享至少三個極性反對稱軸。

在第二方面中，感測參考平面由在感測參考平面上形成四個象限的兩個軸分割，并且感測元件的圖案在四個象限的每一個中至少包括三個感測元件。

在第三方面中，方法提供了如上在第一和第二方面中所示的MEMS 傳感器。

附圖簡述

所附附圖示出了本發(fā)明的一些實施例，并且連同說明書一起用于解釋本發(fā)明的原理。本領(lǐng)域技術(shù)人員容易認識到在附圖中所示的實施例僅僅是示例性的并且不旨在限制本發(fā)明的范圍。

圖1示出了根據(jù)實施例的理想和非理想的MEMS傳感器條件的截面圖。

圖2A示出了根據(jù)實施例具有感測元件的圖案的MEMS傳感器的襯底部分的截面圖的圖示。

圖2B示出了根據(jù)實施例的具有感測元件的圖案的MEMS傳感器的襯底部分的頂視圖的圖示。

圖2C示出了根據(jù)實施例的MEMS傳感器的MEMS裝置。

圖3A示出了根據(jù)另一個實施例的具有感測元件的MEMS傳感器和相應(yīng)的MEMS結(jié)構(gòu)的頂視圖。

圖3B示出了根據(jù)實施例的使用電極圖案的MEMS傳感器的MEMS加速計結(jié)構(gòu)。

圖4示出了根據(jù)另一個實施例的具有感測元件的圖案的MEMS傳感器的頂視圖。

圖5示出了根據(jù)另一個實施例的具有感測元件的圖案的MEMS傳感器的頂視圖。

圖6示出了根據(jù)另一個實施例的具有感測元件的圖案的MEMS傳感器的頂視圖。

具體描述

本發(fā)明涉及微電子機械系統(tǒng)(MEMS)傳感器，并且更特別地涉及使用偏移抑制電極的MEMS傳感器。下面的描述被呈現(xiàn)以使得本領(lǐng)域技術(shù)人 員能夠做出且使用本發(fā)明，在專利申請及其要求的背景下被提供。本文中描述的一般原理和特征以及對優(yōu)選實施例的各種修改對于本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易是明顯的。因此，本發(fā)明不旨在被限制為所示的實施例，但將獲得與本文描述的原理和特征相一致的最寬的范圍。

微電子機械系統(tǒng)(MEMS)指的是利用類似半導(dǎo)體的處理制造且展示出諸如移動或變形的能力的機械特性的一個類別的微尺度裝置。MEMS時常但并不總是與電信號交互。MEMS裝置可以指實現(xiàn)為微電子機械系統(tǒng)的半導(dǎo)體裝置。MEMS設(shè)備包括機械元件并且可選地包括用于感測的電子器件。MEMS裝置包括但不限于微尺度的陀螺儀、加速計、磁力計和壓力傳感器。

在一個實施例中，MEMS傳感器包括MEMS裝置、感測參考平面以及將MEMS裝置連接至感測參考平面的錨。MEMS傳感器能夠在MEMS傳感器的制造和操作期間經(jīng)歷不期望的力。這些不期望的力包括但不限于來自MEMS/CMOS管芯的制造和封裝、操作超溫、沖擊條件以及用戶組件的壓力，其導(dǎo)致諸如在MEMS和感測基準平面之間的平行排列的偏差的非理想條件。

至少出現(xiàn)兩個在MEMS裝置和感測參考平面之間的平行排列的獨立的不期望的偏差。首先，在錨上的剪力導(dǎo)致錨相對于感測參考平面傾斜。其次，彎曲力導(dǎo)致感測參考平面相對于MEMS裝置彎曲。因此，在感測參考平面和MEMS裝置之間的間隙z(x,y)隨著x和y的位置改變并且從錨中心被描述為根據(jù)以下等式：z(x,y)＝間隙+R(x,y)+Curv(NL(x，y))的線性函數(shù)和非線性曲率的分量；其中間隙＝理想的初始平行間隙，R(x,y)是旋度，而Curv(NL(x,y))是曲率的數(shù)學(xué)描述，其可以是多項式、三角級數(shù)、冪級數(shù)或類似的非線性函數(shù)或級數(shù)。

圖1示出了根據(jù)實施例的理想和非理想MEMS傳感器條件的截面圖100。在一個實施例中，MEMS傳感器至少包括MEMS裝置、感測參考平面以及將MEMS裝置連接到感測參考平面的錨。在圖100中，理想條件102顯示了在MEMS裝置和感測參考平面之間的平行排列。在圖100中，第一非理想條件104顯示了由于至少一個表面(或者是如描繪的MEMS 裝置和/或感測參考平面)的不期望的線性傾斜導(dǎo)致的平行排列中的偏差。在圖100中，第二非理想條件106顯示了由于至少一個表面(或者如所描繪的感測參考平面和/或MEMS裝置)的不期望的曲率導(dǎo)致的平行排列中的偏差。

根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)和方法提供了具有感測參考平面的MEMS傳感器，其包括感測元件(電極)的圖案以改進偏移抑制。感測元件的圖案可以是多個電極圖案，其減少了由在MEMS裝置和感測參考平面之間的平行排列的偏差導(dǎo)致的偏移。感測參考平面經(jīng)由錨連接至MEMS裝置。MEMS裝置包括在錨和質(zhì)量塊之間連接的彈簧。多個電極圖案中的每個電極放置在諸如CMOS襯底的感測參考平面上。在MEMS裝置/CMOS襯底管芯配置中，質(zhì)量塊和位于CMOS襯底(或感測參考平面)上的多個電極中的一個形成平行板電容器。

為了更詳細地描述本發(fā)明的特征，現(xiàn)在結(jié)合所附附圖來參考以下的描述。

圖2A示出了根據(jù)實施例的具有感測元件的圖案的MEMS傳感器的襯底部分的截面圖202的圖示200。截面圖202顯示了包括MEMS裝置250的MEMS傳感器，MEMS裝置250經(jīng)由錨210耦合到感測參考平面260從而在MEMS裝置250和感測參考平面260之間產(chǎn)生間隙。在截面圖202中，AA描繪了感測參考平面260的高度。在一個實施例中，MEMS裝置250是MEMS結(jié)構(gòu)和MEMS加速計中的任一個。

圖2B示出了根據(jù)實施例的具有感測元件的圖案的MEMS傳感器的襯底部分的頂視圖204的圖示270。頂視圖204顯示了AA的頂視圖，其導(dǎo)致包括正和負電極的感測元件的圖案的頂面。頂視圖204包括MEMS傳感器的錨210、正電極220、222、224和226、負電極230、232、234和236，以及由虛線指示的四個極性反對稱軸240、242、244和246。在圖2A和圖2B中，錨210的形狀是圓形的以對應(yīng)于同樣是圓形的感測元件的圖案的形狀。

在一個實施例中，MEMS裝置250包括連接在錨210和質(zhì)量塊之間的彈簧。質(zhì)量塊對于外力在z軸中移動，外力包括但不限于加速、磁性、科 里奧利力、壓力等諸多。感測元件的圖案包括交替的正電極220-226和負電極230-236并且被連接在MEMS裝置250和感測參考平面260之間。正電極感測元件220-226檢測正向運動，而負電極感測元件230-236檢測負向運動。在一個實施例中，電極感測元件220-226和230-236的形狀是環(huán)狀扇形。

圖2C示出了根據(jù)實施例的MEMS傳感器的MEMS裝置。在圖2C中，MEMS裝置類似于圖2A的MEMS裝置250并且是MEMS Z軸加速計。在一個實施例中，MEMS裝置250還包括第一組彈簧(260-263)和第二組彈簧(270-273)、感測塊280-283以及質(zhì)量塊290。感測塊280-283經(jīng)由第二組彈簧270-273分別連接至錨210。感測塊280-283經(jīng)由第一組彈簧260-263分別連接至質(zhì)量塊290。感測塊280-283分別通過正電極220、222、224、226以及分別通過負電極230、232、234、236來檢測。

在一個實施例中，MEMS裝置250在Z軸正向(+)出平面加速度之下導(dǎo)致質(zhì)量塊290在z軸負向(-)的方向上移動。偏離的質(zhì)量塊290推動第一組彈簧260-263從而關(guān)于第二組彈簧270-273分別旋轉(zhuǎn)感測塊280-283。這導(dǎo)致正電極220、222、224和226以及感測塊280-283中的每一個之間的間隙減小并且還導(dǎo)致負電極230、232、234和236以及感測塊280-283之間的間隙增大。

在一個實施例中，MEMS裝置250在非理想條件下將表現(xiàn)得像通過MEMS裝置104和106所描述的那樣的平板。電極圖案204具有感測在Z軸加速之下的MEMS裝置250的偏轉(zhuǎn)的性質(zhì)，還具有抑制通過圖1中的MEMS裝置104和106描述的MEMS裝置250的非理想運動的性質(zhì)。

在這個實施例中，電極感測元件220-226和230-236形成差動感測方案。例如，差動感測方案使得能夠在感測元件220、222、224和226上減小間隙，并且在感測元件230、232、234和236上增大間隙。因此，只有當(dāng)正電極感測元件220-226和負電極感測元件230-236中的每一對和MEMS裝置250之間的間隙由于質(zhì)量塊的移動而變化時才檢測到運動。因此，質(zhì)量塊在路徑中移動，其引起利用感測元件(電極)的圖案的差動方案可檢測的運動。感測元件220-226和230-236中的每一個的中心具有與 錨210的中心的公共距離。如上所述，感測元件220-226和230-236具有四個極性反對稱軸240-246。在另一個實施例中，感測元件的圖案被設(shè)計有三個或更多個對稱軸。

在圖2B的頂視圖204中，正感測元件(電極)220-226中的每一個具有從錨中心到電極中心與相應(yīng)的負感測元件(電極)230-236的相同距離。因此，在該軸的兩側(cè)上相同的任意運動將導(dǎo)致正電極和負電極的相等間隙移位，這是因為當(dāng)正電極和負電極一起移動時，沒有凈輸出生成。

因此，垂直于軸240，負感測元件236具有與正感測元件222相同的距離(因而，垂直于軸240，電極236與電極222相對應(yīng))，負感測元件230具有與正感測元件220相同的距離(因而，垂直于軸240，電極230與電極220相對應(yīng))，負感測元件232具有與正感測元件226相同的半徑(因而，垂直于軸240，電極232與電極226相對應(yīng))，以及負感測元件234具有與正感測元件224相同的距離(因而，垂直于軸240，電極234與電極224相對應(yīng))。垂直于軸240為中心的任何運動、旋轉(zhuǎn)、彎曲或其任意組合導(dǎo)致正感測元件220-226以與負感測元件230-236類似的方式移動，從而利用差動感測方案不會產(chǎn)生凈輸出且產(chǎn)生零偏移。

在圖2B的頂視圖204中，垂直于軸242，正感測元件(電極)220-226中的每一個具有與負感測元件(電極)230-236的相同的距離。換言之，每個對應(yīng)的正和負電極具有從任一點至軸242的相同距離。另外，從正感測元件220-226中的每一個的中心至錨210的中心的距離與從對應(yīng)的負感測元件230-236中的每一個的中心至錨210的中心的距離相同。

因此，垂直于軸242，負感測元件230具有與正感測元件226相同的距離(因而，垂直于軸242，電極230與電極226相對應(yīng))，負感測元件236具有與正感測元件220相同的距離(因而，垂直于軸242，電極236與電極220相對應(yīng))，負感測元件232具有與正感測元件224相同的距離(因而，垂直于軸242，電極232與電極224相對應(yīng))，以及負感測元件234具有與正感測元件222相同的距離(因而，垂直于軸242，電極234與電極222相對應(yīng))。以軸242為中心的任何運動、旋轉(zhuǎn)、彎曲或其任意組合導(dǎo)致正感測元件220-226以與負感測元件230-236類似的方式移動， 從而利用差動感測方案不會產(chǎn)生凈輸出且產(chǎn)生零偏移。

在圖2B的頂視圖204中，垂直于軸244，正感測元件(電極)220-226中的每一個具有與負感測元件(電極)230-236的相同的距離。換言之，每個對應(yīng)的正和負電極具有從任一點至軸244的相同距離。另外，從正感測元件220-226中的每一個的中心至錨210的中心的距離與從對應(yīng)的負感測元件230-236中的每一個的中心至錨210的中心的距離相同。

因此，垂直于軸244，負感測元件230具有與正感測元件224相同的距離(因而，垂直于軸244，電極230與電極224相對應(yīng))，負感測元件236具有與正感測元件226相同的距離(因而，垂直于軸244，電極236與電極226相對應(yīng))，負感測元件232具有與正感測元件222相同的距離(因而，垂直于軸244，電極232與電極222相對應(yīng))，以及負感測元件234具有與正感測元件220相同的距離(因而，垂直于軸244，電極234與電極220相對應(yīng))。以軸244為中心的任何運動、旋轉(zhuǎn)、彎曲或其任意組合導(dǎo)致正感測元件220-226以與負感測元件230-236類似的方式移動，從而利用差動感測方案不會產(chǎn)生凈輸出且產(chǎn)生零偏移。

在圖2B的頂視圖204中，垂直于軸246，正感測元件(電極)220-226中的每一個具有與負感測元件(電極)230-236的相同的距離。換言之，每個對應(yīng)的正和負電極具有從任一點至軸246的相同距離。另外，從正感測元件220-226中的每一個的中心至錨210的中心的距離與從對應(yīng)的負感測元件230-236中的每一個的中心至錨210的中心的距離相同。

因此，垂直于軸246，負感測元件230具有與正感測元件222相同的距離(因而，垂直于軸246，電極230與電極222相對應(yīng))，負感測元件236具有與正感測元件224相同的距離(因而，垂直于軸246，電極236與電極224相對應(yīng))，負感測元件232具有與正感測元件220相同的距離(因而，垂直于軸246，電極232與電極220相對應(yīng))，以及負感測元件234具有與正感測元件226相同的距離(因而，垂直于軸246，電極234與電極226相對應(yīng))。以軸246為中心的任何運動、旋轉(zhuǎn)、彎曲或其任意組合導(dǎo)致正感測元件220-226以與負感測元件230-236類似的方式移動，從而利用差動感測方案不會產(chǎn)生凈輸出且產(chǎn)生零偏移。

圖3A示出了根據(jù)另一個實施例的具有感測元件的圖案以及相應(yīng)的MEMS結(jié)構(gòu)的MEMS傳感器的頂視圖300。頂視圖300顯示包括正和負電極的感測元件的圖案的頂面。頂視圖300包括MEMS傳感器的錨310、正電極320、322、324和326、負電極330、332、334和336以及由虛線指示的四個極性反對稱軸340、342、344和346。在圖3A中，錨310的形狀是正方形以對應(yīng)于同樣是正方形的感測元件的圖案的形狀。

在一個實施例中，圖3A的MEMS傳感器包括MEMS裝置，MEMS裝置經(jīng)由錨310耦合到感測參考平面從而在MEMS裝置和感測參考平面之間產(chǎn)生間隙。MEMS裝置包括連接在錨310和質(zhì)量塊之間的彈簧。質(zhì)量塊響應(yīng)于外力在z軸上移動，外力包括但不限于加速度、磁場、科里奧利力或壓力等。感測元件的圖案包括在感測參考平面上的交替的正電極320-326和負電極330-336。

在該實施例中，感測元件320-326和330-336形成差動感測方案。因此，只有當(dāng)正電極感測元件320-326和負電極感測元件330-336中的每一對與MEMS裝置之間的間隙由于質(zhì)量塊的移動而變化時才檢測到運動。當(dāng)感測加速度時，質(zhì)量塊對于每個電極對(例如，對于正感測電極320和負感測電極330)在相同的方向上以相同的量移動。因此，質(zhì)量塊在一形狀中移動，其引起利用感測元件(電極)的圖案的差動方案可檢測的運動。感測元件320-326和330-336中的每一個的中心具有與錨310的中心的公共距離。如上所述，感測元件320-326和330-336具有四個極性反對稱軸340-346。在另一個實施例中，感測元件的圖案被設(shè)計有三個或更少個以及五個或更多個對稱軸。

在圖3A的頂視圖300中，垂直于軸340，正感測元件(電極)320-326中的每一個具有與對應(yīng)的負感測元件(電極)330-336的相同距離。換言之，每個對應(yīng)的正和負電極具有從任一點至軸340的相同距離。另外，從正感測元件320-326中的每一個的中心至錨310的中心的距離與從對應(yīng)的負感測元件330-336中的每一個的中心至錨310的中心的距離相同。

因此，垂直于軸340，負感測元件336具有與正感測元件326相同的距離(因而，垂直于軸340，電極336與電極326相對應(yīng))，負感測元件 330具有與正感測元件324相同的距離(因而，垂直于軸340，電極330與電極324相對應(yīng))，負感測元件332具有與正感測元件322相同的距離(因而，垂直于軸340，電極332與電極322相對應(yīng))，以及負感測元件334具有與正感測元件320相同的距離(因而，垂直于軸340，電極334與電極320相對應(yīng))。垂直于軸340為中心的任何錨旋轉(zhuǎn)、彎曲或其任意組合導(dǎo)致正感測元件320-326以與負感測元件330-336類似的方式移動，從而利用差動感測方案不會產(chǎn)生凈輸出且產(chǎn)生零偏移。

在圖3A的頂視圖300中，垂直于軸342，正感測元件(電極)320-326中的每一個具有與對應(yīng)的負感測元件(電極)330-336的相同距離。換言之，每個對應(yīng)的正和負電極具有從任一點至軸342的相同距離。另外，從正感測元件320-326中的每一個的中心至錨310的中心的距離與從對應(yīng)的負感測元件330-336中的每一個的中心至錨310的中心的距離相同。

因此，垂直于軸342，負感測元件330具有與正感測元件326相同的距離(因而，垂直于軸342，電極330與電極326相對應(yīng))，負感測元件336具有與正感測元件320相同的距離(因而，垂直于軸342，電極336與電極320相對應(yīng))，負感測元件332具有與正感測元件324相同的距離(因而，垂直于軸342，電極332與電極324相對應(yīng))，以及負感測元件334具有與正感測元件322相同的距離(因而，垂直于軸342，電極334與電極322相對應(yīng))。以軸342為中心的任何運動、旋轉(zhuǎn)、彎曲或其任意組合導(dǎo)致正感測元件320-326以與負感測元件330-336類似的方式移動，從而利用差動感測方案不會產(chǎn)生凈輸出且產(chǎn)生零偏移。

在圖3A的頂視圖300中，垂直于軸344，正感測元件(電極)320-326中的每一個具有與對應(yīng)的負感測元件(電極)330-336的相同距離。換言之，每個對應(yīng)的正和負電極具有從任一點至軸344的相同距離。另外，從正感測元件320-326中的每一個的中心至錨310的中心的距離與從對應(yīng)的負感測元件330-336中的每一個的中心至錨310的中心的距離相同。

因此，垂直于軸344，負感測元件330具有與正感測元件324相同的距離(因而，垂直于軸344，電極330與電極320相對應(yīng))，負感測元件336具有與正感測元件326相同的距離(因而，垂直于軸344，電極336 與電極326相對應(yīng))，負感測元件332具有與正感測元件322相同的距離(因而，垂直于軸344，電極332與電極322相對應(yīng))，以及負感測元件334具有與正感測元件320相同的距離(因而，垂直于軸344，電極334與電極320相對應(yīng))。以軸344為中心的任何運動、旋轉(zhuǎn)、彎曲或其任意組合導(dǎo)致正感測元件320-326以與負感測元件330-336類似的方式移動，從而利用差動感測方案不會產(chǎn)生凈輸出且產(chǎn)生零偏移。

在圖3A的頂視圖300中，垂直于軸346，正感測元件(電極)320-326中的每一個具有與對應(yīng)的負感測元件(電極)330-336的相同距離。換言之，每個對應(yīng)的正和負電極具有從任一點至軸346的相同距離。另外，從正感測元件320-326中的每一個的中心至錨310的中心的距離與從對應(yīng)的負感測元件330-336中的每一個的中心至錨310的中心的距離相同。

因此，垂直于軸346，負感測元件330具有與正感測元件322相同的距離(因而，垂直于軸346，電極330與電極322相對應(yīng))，負感測元件336具有與正感測元件324相同的距離(因而，垂直于軸346，電極336與電極324相對應(yīng))，負感測元件332具有與正感測元件320相同的距離(因而，垂直于軸346，電極332與電極320相對應(yīng))，以及負感測元件334具有與正感測元件326相同的距離(因而，垂直于軸346，電極334與電極326相對應(yīng))。以軸346為中心的任何運動、旋轉(zhuǎn)、彎曲或其任意組合導(dǎo)致正感測元件320-326以與負感測元件330-336類似的方式移動，從而利用差動感測方案不會產(chǎn)生凈輸出且產(chǎn)生零偏移。

圖3B示出了根據(jù)實施例的使用電極圖案的MEMS傳感器的MEMS加速計結(jié)構(gòu)350。MEMS加速計結(jié)構(gòu)350類似于圖2A的MEMS裝置250。在MEMS傳感器的正向出平面加速度之下，質(zhì)量塊360在負向RX方向上關(guān)于扭力彈簧370和375旋轉(zhuǎn)。這導(dǎo)致關(guān)于感測平面在正感測電極320和322之間的間隙的減小，以及在負感測電極334和332之間的間隙的增大。在一個實施例中，電極324、326、330和336剛性地連接至錨并且不會響應(yīng)于MEMS傳感器的加速度而引發(fā)間隙改變。信號處理器組合電極320-326和330-336以輸出與傳感器的加速度成比例的信號。

在圖3B中，在MEMS傳感器的錨旋轉(zhuǎn)的情況下，如在圖1的第一非 理想條件104中所見，全部的電極320-326和330-336連接至錨并且類似于圖3A中所描述的平板關(guān)于軸340、344和346作為一個組移動。信號處理器組合電極320-326和330-336，并且如果錨旋轉(zhuǎn)或感測參考平面的彎曲以軸340-346為中心則不產(chǎn)生凈輸出。在該實施例中，電極320、322、332和334用于檢測MEMS傳感器的加速度，而電極320-326、330-336用于抑制由錨旋轉(zhuǎn)或感測參考平面彎曲引起的偏移。

圖4示出了根據(jù)另一個實施例的具有感測元件的圖案的MEMS傳感器的頂視圖400。頂視圖400顯示了包括正和負電極的感測元件的圖案的頂面。頂視圖400包括MEMS傳感器的錨410、正電極420、422和424、負電極430、432和434以及由虛線指示的三個反極性對稱軸440、442和444。在圖4中，錨410的形狀是圓形的以對應(yīng)于同樣是圓形的感測元件的圖案的形狀。

在一個實施例中，圖4的MEMS傳感器包括MEMS裝置，MEMS裝置經(jīng)由錨410耦合到感測參考平面從而在MEMS裝置和感測參考平面之間產(chǎn)生間隙。MEMS裝置包括連接在錨410和質(zhì)量塊之間的彈簧。質(zhì)量塊對于外力在z軸上移動，外力包括但不限于加速度、磁場、科里奧利力或壓力等諸多力。感測元件的圖案包括交替的正電極420-424和負電極430-434，并且連接在MEMS裝置和感測參考平面之間。正電極感測元件420-424檢測正向移動，而負電極感測元件430-434檢測負向移動。

在該實施例中，感測元件420-424和430-434形成差動感測方案。因此，只有當(dāng)正電極感測元件420-424相對于負電極感測元件430-434移動時才檢測運動。質(zhì)量塊在一形狀中移動，其引起利用感測元件(電極)的圖案的差動方案可檢測的運動。感測元件420-424和430-434中的每一個的中心具有與自錨410的中心的公共半徑。如上所述，感測元件420-424和430-434具有三個反極性對稱軸440-444。

在圖4的頂視圖400中，垂直于軸440，正感測元件(電極)420-424中的每一個具有與對應(yīng)的負感測元件(電極)430-434的相同距離。換言之，每個對應(yīng)的正和負電極具有從任一點至軸440的相同距離。另外，從正感測元件420-424中的每一個的中心至錨410的中心的距離與從對應(yīng)的 負感測元件430-434中的每一個的中心至錨410的中心的距離相同。

因此，垂直于軸440，負感測元件430具有與正感測元件420相同的距離(因而，垂直于軸440，電極430與電極420相對應(yīng))，負感測元件432具有與正感測元件424相同的距離(因而，垂直于軸440，電極432與電極424相對應(yīng))，以及負感測元件434具有與正感測元件422相同的距離(因而，垂直于軸440，電極434與電極422相對應(yīng))。以軸440為中心的任何運動、旋轉(zhuǎn)、彎曲或其任意組合導(dǎo)致正感測元件420-424以與負感測元件430-434類似的方式移動，從而利用差動感測方案不會產(chǎn)生凈輸出且產(chǎn)生零偏移。

在圖4的頂視圖400中，垂直于軸442，正感測元件(電極)420-424中的每一個具有與對應(yīng)的負感測元件(電極)430-434的相同距離。換言之，每個對應(yīng)的正和負電極具有從任一點至軸442的相同距離。另外，從正感測元件420-424中的每一個的中心至錨410的中心的距離與從對應(yīng)的負感測元件430-434中的每一個的中心至錨410的中心的距離相同。

因此，垂直于軸442，負感測元件434具有與正感測元件420相同的距離(因而，垂直于軸442，電極434與電極420相對應(yīng))，負感測元件432具有與正感測元件422相同的距離(因而，垂直于軸442，電極432與電極422相對應(yīng))，以及負感測元件430具有與正感測元件424相同的距離(因而，垂直于軸442，電極430與電極424相對應(yīng))。以軸442為中心的任何運動、旋轉(zhuǎn)、彎曲或其任意組合導(dǎo)致正感測元件420-424以與負感測元件430-434類似的方式移動，從而利用差動感測方案不會產(chǎn)生凈輸出且產(chǎn)生零偏移。

在圖4的頂視圖400中，垂直于軸444，正感測元件(電極)420-424中的每一個具有與對應(yīng)的負感測元件(電極)430-434的相同距離。換言之，每個對應(yīng)的正和負電極具有從任一點至軸444的相同距離。另外，從正感測元件420-424中的每一個的中心至錨410的中心的距離與從對應(yīng)的負感測元件430-434中的每一個的中心至錨410的中心的距離相同。

因此，垂直于軸444，負感測元件434具有與正感測元件424相同的距離(因而，垂直于軸444，電極434與電極424相對應(yīng))，負感測元件 430具有與正感測元件422相同的距離(因而，垂直于軸444，電極430與電極422相對應(yīng))，以及負感測元件432具有與正感測元件420相同的距離(因而，垂直于軸444，電極432與電極420相對應(yīng))。以軸444為中心的任何運動、旋轉(zhuǎn)、彎曲或其任意組合導(dǎo)致正感測元件420-424以與負感測元件430-434類似的方式移動，從而利用差動感測方案不會產(chǎn)生凈輸出且產(chǎn)生零偏移。

圖5示出了根據(jù)另一個實施例的具有感測元件的圖案的MEMS傳感器的頂視圖500。頂視圖500顯示了包括正和負電極的感測元件的兩個獨立圖案的頂面。頂視圖500包括MEMS傳感器的錨510、第一圖案中的正電極520、522、524和526、第一圖案中的負電極530、532、534和536、第二圖案中的正電極570、572、574和576、第二圖案中的負電極560、562、564和566，以及由虛線指示的四個反極性對稱軸540、542、544和546。在圖5中，錨510的形狀是圓形的以對應(yīng)于同樣是圓形的感測元件的兩個獨立的圖案的形狀。在另一個實施例中，感測元件的兩個圖案彼此共同工作并且從而彼此依賴。

在圖5中，包括交替的正電極520-526和負電極530-536的感測元件的第一圖案以與圖2的頂視圖204中的感測元件(220-226和230-236)的圖案類似的方式工作。另外地，包括交替的正電極570-576和負電極560-566的感測元件的第二圖案以與圖2的頂視圖204中的感測元件(220-226和230-236)的圖案類似的方式工作，但添加了額外的敏感級別以使用雙重差動感測方案來進一步減小偏移。本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易認識到感測元件的第一和/或第二圖案的電極可以被重新組織并且將在本發(fā)明的范圍內(nèi)。

圖6示出了根據(jù)另一個實施例的具有感測元件的圖案的MEMS傳感器的頂視圖600。頂視圖600顯示了包括在四個象限中的正和負電極的感測元件的圖案的頂面，四個象限通過由虛線指示的兩個軸640(y軸)和642(x軸)來分割。頂視圖600包括MEMS傳感器的錨610、第一象限(上左)中的正電極620-621和負電極630-631、第二象限(右上)中的正電極622-623和負電極632-633、第三象限(左下)中的正電極624-625和負電 極634-635、以及第四象限(右下)中的正電極626-627和負電極636-637。

在圖6中，正電極620-627具有以錨610的中心為中心的“W”形，而負電極630-637具有以錨610的中心為中心的“M”形。負電極630-637與正電極620-627交織以產(chǎn)生減少了通過不期望的條件引起的偏移的、感測元件的圖案。

由于圖6的感測元件的圖案，以軸642為中心的任何旋轉(zhuǎn)不會產(chǎn)生凈輸出且產(chǎn)生零偏移，這是因為正電極620-623共享與負電極630-633相同的距離(限定為電極中心和軸之間的垂直距離的距離)，并且正電極624-627共享與負電極634-637相同的距離。因為正電極620-623共享與負電極630-633相同的距離，并且正電極624-627共享與負電極634-637相同的距離，因此沿著軸642的任何彎曲不會產(chǎn)生凈輸出且產(chǎn)生零偏移。同樣地，因為正電極620-621和624-625共享與負電極630-631和634-635相同的距離，并且正電極622-623和626-627共享與負電極632-633和636-637相同的距離，因此沿著軸640的任何彎曲不會產(chǎn)生凈輸出且產(chǎn)生零偏移；并且因為正電極620-621和624-625共享與負電極630-631和634-635相同的距離，并且正電極622-623和626-627共享與負電極632-633和636-637相同的距離，因此以軸640為中心的任何旋轉(zhuǎn)不會產(chǎn)生凈輸出且產(chǎn)生零偏移。

在一個實施例中，電極630和631連接成一個電極，電極624和625連接成一個電極，電極632和633連接成一個電極，并且電極626和627連接成一個電極。

在第一實施例中，MEMS傳感器包括感測參考平面、耦合到感測參考平面的至少一個錨以及耦合到至少一個錨的至少一個質(zhì)量塊，其中至少一個質(zhì)量塊中的一個在外部激勵下移動。MEMS傳感器還包括位于感測參考平面上或耦合在感測參考平面和至少一個質(zhì)量塊之間以檢測垂直于感測參考平面的至少一個質(zhì)量塊的運動的感測元件(或感測電極)的圖案，其中感測元件的圖案共享至少三個極性反對稱軸。MEMS傳感器還包括組合感測元件的圖案從而提供與外部激勵成比例的輸出的信號處理電路。在一個實施例中，輸出是在感測元件的圖案的正和負感測元件之間的差分。

在一個實施例中，至少一個質(zhì)量塊通過至少一個彈簧耦合到至少一個 錨。在一個實施例中，感測元件的圖案共享極性反對稱的一個、兩個、三個、四個和五個或更多個軸。在一個實施例中，每個感測元件的質(zhì)心共享到至少一個錨的中心的公共距離。在一個實施例中，包括感測電極的感測元件的圖案在每個電極和至少一個質(zhì)量塊之間形成可變電容器。

在一個實施例中，感測電極的圖案包括交替的正和負電極，并且在另一個實施例中，正和負電極不是交替的而是可以包括彼此鄰近的兩個或更多個正電極和/或兩個或更多個電極。在一個實施例中，感測電極的圖案包括交替的至少三個正感測電極和至少三個負感測電極。

在一個實施例中，每個負感測元件/電極具有與每個正感測元件/電極相同的面積，并且在另一個實施例中，每個負感測元件/電極具有與每個正感測元件/電極基本上相同的電極面積。在一個實施例中，感測電極是電容感測、壓阻感測和磁性感測電極中的任意一個。在一個實施例中，感測電極的每一個的中心位于圓形、矩形、正方形、六邊形、八邊形和其他多邊形中的任一個的周界上，并且感測電極本身在形狀上是圓形、矩形、正方形、六邊形、八邊形、環(huán)狀扇形和多邊形中的任一個。

在一個實施例中，MEMS傳感器還包括在感測參考平面上的感測元件的第二圖案以檢測至少一個質(zhì)量塊相對于感測參考平面的運動，其中感測元件的第二圖案的每個感測元件共享三個極性反對稱軸，并且進一步地其中感測元件的第二圖案的每個感測元件的質(zhì)心共享到至少一個錨的中心的第二公共距離。在另一個實施例中，MEMS傳感器包括耦合在彼此的頂部上或者彼此鄰近耦合的感測元件的多個圖案以進一步減少偏移。

在第二實施例中，MEMS傳感器的感測參考平面由在感測參考平面上形成四個象限的兩個軸(第一和第二軸)分割，并且感測元件的圖案包括在四個象限的每個中的至少三個感測元件，以檢測至少一個質(zhì)量塊相對于感測參考平面的運動。在這個實施例中，MEMS傳感器包括耦合到感測參考平面的至少一個錨以及耦合到至少一個錨的至少一個質(zhì)量塊，其中至少一個質(zhì)量塊的一個在外部激勵下移動。四個象限的每一個包括第一極性的兩個外部感測電極和第二極性的兩個內(nèi)部感測電極。第一極性與第二極性相反，并且在四個象限的每一個中存在至少三個感測元件的極性反對稱。

在一個實施例中，在四個象限的每個中，相對于第一或第二軸的最近的感測元件和最遠的感測元件具有第一極性，并且在第一極性之間具有至少一個第二極性的感測元件。在一個實施例中，第一極性與第二極性相反并且關(guān)于第一或第二軸中的至少一個存在四個象限的極性反對稱。在一個實施例中，至少一個錨的中心與第一和第二軸的交叉點重合。在一個實施例中，在四個象限的每一個中的至少三個感測元件的質(zhì)心共享距第一或第二軸的至少一個的公共距離。在一個實施例中，感測元件面積在第一和第二極性之間基本上相同。

在一個實施例中，感測元件的圖案包括第一和第二圖案，其中第一圖案是以至少一個錨為中心M形的極性圖案，而第二圖案是以至少一個錨為中心的W形的極性圖案。在一個實施例中，在四個象限的每一個中的至少四個感測元件的至少一部分在直線中，并且在另一個實施例中，在四個象限的每一個中的至少四個感測元件的至少一部分是在非直線和/或取向中。

具有相反極性的至少四個感測元件中的感測元件共享距對稱線的一個的公共距離。在一個實施例中，至少四個感測元件在形狀上是圓形、矩形、正方形、六邊形、八邊形和多邊形中的任一個。在另一個實施例中，感測參考平面沒有被分為任何象限，感測元件的圖案而是包括位于相同軸上且位于至少一個錨的相對側(cè)上的兩組至少四個感測元件。

如上所述，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)(MEMS傳感器)和方法使用了在感測參考平面上的感測元件(電極)的多個圖案，以減少由于各種不期望的力而產(chǎn)生的在MEMS傳感器的MEMS裝置和感測參考平面之間平行排列中的偏差的不利影響。平行排列中的偏差導(dǎo)致偏移，并且多個圖案中的每一個通過使用抵消所檢測的旋轉(zhuǎn)和/或彎曲類型的力的多個感測方案而不會產(chǎn)生凈輸出且提高了偏移抑制(提供了零或減少的偏移)。

雖然本發(fā)明已經(jīng)根據(jù)所示實施例進行了描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員容易認識的是可存在對于實施例的變型并且這些變型將在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。因此，在不脫離所附權(quán)利要求的精神和范圍的情況下本領(lǐng)域技術(shù)人員可做出許多修改。