一种微机电系统(MEMS)变换器(90)，其适于感测在相互正交的方向(92、94、96)上的加速度。MEMS变换器(90)包括通过锚系统(116)而悬挂在衬底(98)上方的检验质量块(100)。锚系统(116)在旋转轴(132)处将检验质量块(100)枢转地耦合至衬底(98)，以使检验质量块(100)能够响应于在方向(96)上的加速度而绕旋转轴(132)旋转。检验质量块(100)具有延伸通过其的开口(112)。另一检验质量块(148)居于开口(112)中，并且另一锚系统(152)将检验质量块(148)悬挂在衬底(98)的表面(104)上方。锚系统(152)使检验质量块(148)能够响应于在至少另一方向(92、94)上的加速度而基本上平行于衬底(98)的表面(104)移动。
1.一种变换器，所述变换器适于感测在至少两个相互正交方向上的加速度，所述变换器包括：衬底；
第一检验质量块，所述第一检验质量块以间隔开的关系位于所述衬底的表面上方并且适于相对于旋转轴运动，所述第一检验质量块具有延伸通过所述第一检验质量块的开口；
第一锚系统，所述第一锚系统形成在所述衬底的所述表面上，所述第一锚系统在所述旋转轴处将所述第一检验质量块枢转地耦合至所述衬底，以使所述第一检验质量块能够响应于在所述相互正交方向的第一方向上的所述加速度而绕所述旋转轴旋转；
第二检验质量块，所述第二检验质量块居于所述开口中并且以间隔开的关系位于所述表面上方；以及第二锚系统，所述第二锚系统形成在所述衬底的所述表面上并与所述第二检验质量块耦合，以使所述第二检验质量块能够响应于所述相互正交方向的第二方向上的所述加速度而基本上平行于所述衬底的所述表面移动。
2.如权利要求1所述的变换器，其中，所述旋转轴位于所述第一检验质量块的所述开口的中心线处。
3.如权利要求1所述的变换器，其中，所述第一检验质量块的所述开口由内周壁限定，并且所述第一锚系统包括：第一枢轴元件，所述第一枢轴元件在所述内周壁的第一侧处附着至所述第一检验质量块；以及第二枢轴元件，所述第二枢轴元件在所述内周壁的第二侧处附着至所述第一检验质量块，所述内周壁的所述第二侧与所述内周壁的所述第一侧相对。
4.如权利要求1所述的变换器，其中，所述第一检验质量块包括第一端部和第二端部，在所述旋转轴和所述第一端部之间形成第一部分，在所述旋转轴和所述第二端部之间形成第二部分，所述第一部分显示出比所述第二部分大的质量。
5.如权利要求4所述的变换器，其中，所述第一检验质量块的所述旋转轴在所述第一端部和第二端部之间偏移，使得所述第一部分显示出在所述旋转轴和所述第一端部之间的第一长度，所述第一长度大于在所述旋转轴和所述第二端部之间的所述第二端部的第二长度。
第一电极元件，所述第一电极元件形成在所述衬底的所述表面上并且面对所述第一部分；以及第二电极元件，所述第二电极元件形成在所述衬底的所述表面上并且面对所述第二部分，所述第一电极元件和第二电极元件中的每一个相对于所述旋转轴偏移基本上相等的距离，所述第一电极元件和第二电极元件中的所述每一个适于感测在与所述衬底相垂直的所述第一方向上的所述加速度。
7.如权利要求1所述的变换器，其中，所述第二检验质量块显示出与所述第一检验质量块的所述旋转轴共轴的中心线。
8.如权利要求1所述的变换器，其中，所述第二锚系统包括多个弹簧元件，所述多个弹簧元件从所述旋转轴偏移并且相对于所述旋转轴对称地布置。
9.如权利要求8所述的变换器，其中，所述第二检验质量块显示出与所述旋转轴基本上正交的中心线，并且所述多个弹簧元件相对于所述中心线对称地布置。
10.如权利要求1所述的变换器，其中，所述第二锚系统使所述第二检验质量块能够响应于在所述相互正交方向的第三方向上的所述加速度而基本上平行于所述衬底的所述表面移动。
11.如权利要求10所述的变换器，其中，所述第二检验质量块包括：
第一组感测指状物，所述第一组感测指状物与所述第二检验质量块的第一中心线对准，所述第一中心线与所述旋转轴正交，并且所述第一组感测指状物适于感测在所述第二方向上的所述加速度；以及第二组感测指状物，所述第二组感测指状物与所述第二检验质量块的第二中心线对准，所述第二中心线与所述第一中心线正交且基本上平行于所述旋转轴，并且所述第二组感测指状物适于感测在所述第三方向上的所述加速度。
12.如权利要求11所述的变换器，其中，所述第一组和所述第二组中的每个所述感测指状物被设置在两个平行的指状物之间，所述两个平行的指状物以可固定方式附着至所述衬底的所述表面。
第三检验质量块，所述第三检验质量块居于所述开口中并且以间隔开的关系位于所述衬底的所述表面上方；以及第三锚系统，所述第三锚系统形成在所述衬底的所述表面上并与所述第三检验质量块耦合，以使所述第三检验质量块能够响应于在所述相互正交方向的第三方向上的所述加速度而基本上平行于所述表面移动。
14.如权利要求13所述的变换器，其中，所述第二检验质量块和第三检验质量块中的每一个从所述开口的中心线偏移，所述旋转轴与所述中心线共轴，并且所述第一锚系统位于所述第二检验质量块和第三检验质量块之间的所述旋转轴上。
15.一种变换器，所述变换器适于感测在至少两个相互正交方向上的加速度，所述变换器包括：衬底；
第一检验质量块，所述第一检验质量块以间隔开的关系位于所述衬底的表面上方并且适于相对于旋转轴运动，所述第一检验质量块具有延伸通过所述第一检验质量块的开口，所述开口显示出与所述旋转轴共轴的第一中心线；
第一锚系统，所述第一锚系统形成在所述衬底的所述表面上，所述第一锚系统在所述旋转轴处将所述第一检验质量块枢转地耦合至所述衬底，以使所述第一检验质量块能够响应于在所述相互正交方向的第一方向上的所述加速度而绕所述旋转轴旋转；
第二检验质量块，所述第二检验质量块居于所述开口中并且以间隔开的关系位于所述表面上方，所述第二检验质量块显示出与所述第一中心线共轴的第二中心线；以及第二锚系统，所述第二锚系统形成在所述衬底的所述表面上并与所述第二检验质量块耦合，以使所述第二检验质量块能够响应于在所述相互正交方向的第二方向上的所述加速度而基本上平行于所述衬底的所述表面移动。
16.如权利要求15所述的变换器，其中，所述第一检验质量块包括第一端部和第二端部，在所述旋转轴和所述第一端部之间形成第一部分，在所述旋转轴和所述第二端部之间形成第二部分，所述第一部分显示出比所述第二部分大的质量，并且所述第一检验质量块响应于在与所述衬底的所述表面相垂直的所述第一方向上的所述加速度而绕所述旋转轴旋转。
17.如权利要求15所述的变换器，其中，所述第二锚系统使所述第二检验质量块能够响应于在所述相互正交方向的第三方向上的所述加速度而基本上平行于所述衬底的所述表面移动，所述第二方向和第三方向基本上平行于所述衬底的所述表面。
18.一种变换器，所述变换器适于感测在至少两个相互正交方向上的加速度，所述变换器包括：衬底；
第一检验质量块，所述第一检验质量块以间隔开的关系位于所述衬底的表面上方并且适于相对于旋转轴运动，所述第一检验质量块具有延伸通过所述第一检验质量块的开口，所述开口由内周壁限定；
第一锚系统，所述第一锚系统形成在所述衬底的所述表面上，所述第一锚系统在所述旋转轴处将所述第一检验质量块枢转地耦合至所述衬底，以使所述第一检验质量块能够响应于在所述相互正交方向的第一方向上的所述加速度而绕所述旋转轴旋转，所述第一锚系统包括第一枢轴元件和第二枢轴元件，所述第一枢轴元件在所述内周壁的第一侧处附着至所述第一检验质量块，所述第二枢轴元件在所述内周壁的第二侧处附着至所述第一检验质量块，所述内周壁的所述第二侧与所述内周壁的所述第一侧相对；
第二检验质量块，所述第二检验质量块居于所述开口中并且以间隔开的关系位于所述表面上方；以及第二锚系统，所述第二锚系统形成在所述衬底的所述表面上并与所述第二检验质量块耦合，以使所述第二检验质量块能够响应于在所述相互正交方向的第二方向上的所述加速度而基本上平行于所述衬底的所述表面移动，所述第二锚系统包括多个弹簧元件，所述多个弹簧元件从所述旋转轴偏移并且相对于所述旋转轴对称地布置。
19.如权利要求18所述的变换器，其中，所述第二检验质量块显示出与所述旋转轴基本上正交的中心线，并且所述多个弹簧元件相对于所述中心线对称地布置。
20.如权利要求18所述的变换器，其中，所述第二锚系统使所述第二检验质量块能够响应于在所述相互正交方向的第三方向上的所述加速度而基本上平行于所述衬底的所述表面移动。
具有在相互正交方向上的去耦感测的变换器
技术领域
[0001] 本发明一般涉及微机电系统(MEMS)传感器。更具体来说，本发明涉及一种具有在相互正交的方向上的去耦感测的MEMS加速计。
背景技术
[0002] 加速计是一般用于测量加速力的传感器。这些力可以是静态的，像恒定的重力，或者它们可以是动态的、通过使加速计移动或振动而引起的。加速计可以感测沿着一个、两个或三个轴或方向的加速度或其他现象。根据此信息，可以确定其中安装加速计的设备的运动或方位。加速计用于惯性引导系统、车辆中的气囊展开系统、各种设备的保护系统以及许多其他科学和工程系统中。
[0003] 电容性感测MEMS加速计设计由于其相对低的成本而对于高重力环境以及微型设备中的操作而言是非常需要的。电容性加速计感测关于加速度的电容的变化，以改变通电电路的输出。加速计的一个常见形式为具有“跷跷板”或“摇摇板”构造的电容性变换器。此常用的变换器类型采用在衬底上方在Z轴加速度下旋转的可移动元件或板。该加速计结构可以测量至少两个不同的电容，以确定差分或相对电容。
[0004] 参照图1和图2，图1示出现有技术的、构造为常规的铰接或“跷跷板”型加速计的电容性感测MEMS传感器20的顶视图，并且图2示出MEMS传感器20的侧视图。MEMS传感器20包括静态的衬底22以及与衬底22间隔开的可移动元件24，其中每一个具有相对的平坦面。衬底22具有多个有预定构造的导电性电极元件26，其沉积在衬底表面28上，以形成电容器电极或“板”。在示例性情境下，电极元件26可以作为激励或感测电极而操作，以接收刺激信号。另外，当反馈信号被叠加在感测信号上时，电极元件26可以作为反馈电极而操作。
[0005] 通常被称为“检验质量块”的可移动元件24由一个或多个悬挂锚或旋转挠性件30挠性地悬挂在衬底22上方，用于使可移动元件24能够绕旋转轴32枢转或旋转，以与电极元件26形成标记为C1、C2的电容器34和36。可移动元件24响应于加速度而移动，从而改变其与静态感测电极元件26的相对位置。此位置变化导致形成一组电容器，该组电容器的差异，即差分电容，表示在方向37上的加速度。
[0006] 当意图作为跷跷板型加速计而操作时，可移动元件24在旋转轴32的一侧上的部分38被形成为具有比可移动元件24在旋转轴32的另一侧上的部分40的质量相对较大的质量。部分38的较大质量一般是通过使旋转轴32偏移来达到的。即是说，旋转轴32和部分38的端部44之间的长度42大于旋转轴32和部分40的端部48之间的长度46。另外，电极元件26按照相对于旋转轴32和可移动元件24的纵轴50对称的尺寸制作并间隔开。
[0007] 图1和图2所示的器件为单轴加速计，其感测仅沿Z轴的加速度。然而，一些应用要求能够感测沿两个或三个相互正交的轴的加速度。另外，许多MEMS传感器应用要求紧凑的尺寸以及低成本封装，以满足具有竞争力的成本目标。
[0008] 现在参照图3和图4，图3示出多轴MEMS传感器52的顶视图，并且图4示出多轴MEMS传感器52的侧视图。MEMS传感器52包括检验质量块54，所述检验质量块54通过一系列弹簧58而附着至多个锚56，所述弹簧58优选在三个相互正交的方向上为柔顺的。锚56安装在管芯或其他衬底60上。MEMS传感器52的检验质量块54包括X感测指状物62和Y感测指状物64。每个X感测指状物62由形成在衬底60上的两个固定指状物66和68围绕。同样，每个Y感测指状物64由形成在衬底60上的两个固定指状物70和72围绕。当MEMS传感器52经受沿X轴74的加速度时，X感测指状物62与邻近的固定指状物66和68之间的距离改变，从而改变这些指状物之间的电容。此电容变化由感测电路(未示出)记录并转化成代表沿X轴74的加速度的输出信号。沿Y轴76的加速度通过记录Y感测指状物64与相应的固定指状物70和72之间的电容变化而以相似的方式来感测。
[0009] 检验质量块54具有质量不等的、相对的侧部78和80。这通过将检验质量块54构造成使相对的侧部78和80在厚度和宽度上基本上相等，但在长度上不相等来实现。因此，侧部78具有比侧部80大的质量，从而使检验质量块54响应于沿Z轴82的加速度而相对于Y轴76旋转。该加速度通过位于检验质量块54下方的电容板84和86来感测。
[0010] MEMS传感器52的设计使得能够得到非常紧凑的变换器尺寸。在此构造中，XY感测通过弹簧58而与Z轴感测相耦合。如此一来，弹簧58需要既作为XY(即，线性的)弹簧又作为Z(即，扭转的)弹簧来工作。不幸的是，难以既针对XY(即，线性的)又针对Z轴(即，扭转的)运动来优化弹簧58的设计，这会导致轴间感测误差。
[0011] 在沿Z轴82的加速度下，由于锚56和弹簧58不位于单个旋转轴的中心，所以检验质量块54的枢轴位置从检验质量块54的一端或另一端转移。此“下垂”导致不期望的二阶非线性效应，会降低测量精度和/或增加用于反馈闭环控制的感测电路的复杂度。此外，枢轴位置会随着加速度频率而改变，使得通常模式和差分模式会具有不同的阻尼和模式频率，使非线性效应加剧。
[0012] MEMS传感器应用要求较低的偏移温度系数(TCO)规格。术语“偏移”是指与其在MEMS传感器的非激励状态下的标称值的输出偏差。这样，TCO是热应力对诸如MEMS传感器的半导体器件的性能的影响程度的度量。MEMS传感器应用的封装常常采用热膨胀系数不同的材料。这样，在制造或操作过程中会显现出不期望的高TCO。与由于潮湿和装配工艺而引起的应力一样，这些热应力会导致下层衬底变形，这里称为封装应力。MEMS传感器52的下层衬底上的非中心的锚56的多个位置更易于使测量由于封装应力而不精确。
[0013] 据此，所需要的是这样一种小型变换器，其能够沿两个或更多个相互正交的轴进行感测，并且使XY感测与Z轴感测去耦，以能够针对弹簧的相应的感测轴来优化弹簧并减小非线性效应。还需要的具有减小的对封装应力的灵敏度的小型变换器。
附图说明
[0014] 通过在结合附图考虑时参照详细的说明和权利要求，可以得到对本发明更为全面的理解，其中，在全部附图中，相同的附图标记表示相似项，并且：
[0015] 图1示出现有技术的、构造为常规的铰接或“跷跷板”型加速计的电容性感测MEMS传感器的顶视图；
[0016] 图2示出图1的MEMS传感器的侧视图；
[0017] 图3示出现有技术的多轴MEMS传感器的顶视图；
[0018] 图4示出图3的多轴MEMS传感器的侧视图；
[0019] 图5示出根据本发明实施例的多轴MEMS传感器的顶视图；
[0020] 图6示出图5的MEMS传感器的侧视图；
[0021] 图7示出根据本发明另一实施例的多轴MEMS传感器的顶视图；以及[0022] 图8示出根据本发明又一实施例的多轴MEMS传感器的顶视图。
具体实施方式
[0023] 参照图5-6，图5示出根据本发明实施例的微机电系统(MEMS)传感器90的顶视图，并且图6示出MEMS传感器90的侧视图。传感器90例如可以是电容性感测加速计或另外的MEMS感测器件。在一个实施例中，MEMS传感器90为适于感测在至少两个相互正交的方向上的加速度的多轴传感器。更具体来说，MEMS传感器90感测在与X轴相对应的方向92上、与Y轴相对应的方向94上和与Z轴相对应的方向96上的加速度。为了清楚起见，在下文中，将方向92称为X方向92，将方向94称为Y方向94，并将方向96称为Z方向96。
虽然在这里将MEMS传感器90描述为感测在三个相互正交的方向上的加速度，但应予理解的是，MEMS传感器90可以适于感测在例如X方向92和Z方向96的两个相互正交的方向上的加速度。
[0024] MEMS传感器90包括衬底98和与衬底98间隔开的可移动元件，所述可移动元件在这里被称为检验质量块100，并且衬底98和检验质量块100中的每个具有相对的平坦面。在衬底98的表面104上沉积有静态的导电层102。静态的导电层102采用至少两个电隔离的电极或板的形式，包括例如电极元件106和电极元件108。电极元件106和108可以作为激励或感测电极而操作，以接收刺激信号。当反馈信号被叠加在感测信号上时，电极元件
106和108可以作为反馈电极而附加地操作。
[0025] 检验质量块100以平行间隔开的关系而位于衬底98的表面104上方。即是说，电极元件106被悬挂在表面104上方并且不接触表面104。电极元件106为总体上平坦的结构，具有外周壁110和由内周壁114勾画出轮廓的开口112。检验质量块100通过锚系统116而悬挂在衬底98上方并与之枢转地耦合。锚系统116包括形成在衬底98的表面104上的悬挂锚，所述悬挂锚在这里被称为枢轴元件118和120。更具体来说，枢轴元件118通过例如系链124而在内周壁的边122处附着至检验质量块100。同样，枢轴元件120通过例如另一系链128而在内周壁114的与边122相对的另一边126处附着至检验质量块100。
[0026] 锚系统116的枢轴元件118和112沿开口112的中心线130定位，以形成定位在中心线130处的旋转轴132。枢轴元件118和120使得检验质量块100能够绕旋转轴132枢转或旋转，以在检验质量块100与各个电极元件106和108之间形成电容器(见图2)。这样，检验质量块100被构造为铰接或“跷跷板”型加速计。为了简要图示，图5中仅示出两个电极元件106和108。然而，在替代实施例中，MEMS传感器90可以包括不同质量和/或不同构造的电极元件。另外，应该理解的是，可以利用多个挠性件、铰链以及其他旋转机构来使检验质量块100能够绕旋转轴132枢转运动。
[0027] 检验质量块100在旋转轴132的一侧上的部分134被形成有比检验质量块100在旋转轴132的另一侧上的部分136的质量相对较大的质量。部分134的较大质量一般是通过使旋转轴132偏移来达到的。即是说，旋转轴132和部分134的端部140之间的长度138大于旋转轴132和部分136的端部144之间的长度142。电极元件106面对检验质量块100的部分134，而电极元件108面对检验质量块100的部分136。另外，电极元件106和108按照相对于旋转轴132和检验质量块100的旋转轴132对称的尺寸制作并间隔开。
即是说，使电极元件106和108中的每一个在旋转轴132的相对侧偏移相等的距离146。
[0028] 在所示实施例中，通过使旋转轴132偏移来形成部分134和136之间的质量的不平衡，以便MEMS传感器90执行其在Z方向96上的感测功能。然而，在替代实施例中，在旋转轴132在几何学上居中位于检验质量块100的端部140和144之间的情况下，部分134可以被形成有相对较大的质量。例如，可以用材料层来使部分134加重，以相对于部分136增加其质量。可替选地，孔可以被形成为穿过部分136，以相对于部分134减小其质量。
[0029] 检验质量块100响应于在基本上平行于Z轴的Z方向96上的加速度而移动，从而改变其与静态的电极元件106和108的相对位置。据此，电极元件106和108适于检测检验质量块100沿与电极元件106和108的平面相垂直的轴的运动。此位置变化导致形成一组电容器，该组电容器的差异，即差分电容，表示在Z方向96上的加速度。这里所使用的术语“静态的”是指相对于检验质量块100静止不动的导电层102以及电极元件106和108。即是说，尽管检验质量块100可以绕旋转轴132而在枢轴系统116的枢轴元件118和120上旋转或枢转，但导电层102(包括电极元件106和108)相对于检验质量块100并不枢转、旋转或以其他方式运动。
[0030] 在图1和图2所示的MEMS传感器20的常规技术的单轴设计中，可移动元件24的围绕旋转轴32且由电极元件26界定的区域不对在方向37上的感测(Z轴感测)作贡献。相反，MEMS传感器20由于构造的物理性质而与双轴XY位移传感器相比具有不期望的高阻尼和减小的固有频率。此高阻尼导致较低的滚降频率。对于诸如MEMS传感器52(图3-4)的现有技术的三轴传感器，XY感测轴常常具有比所需要更小的阻尼，而Z轴具有比所需要更多的阻尼。现有技术的三轴变换器中采用的折衷方案是以较高的接合压力盖住器件，以增大XY阻尼。然而，这导致Z轴上更低的滚降频率。通过在检验质量块100中形成开口
112，可以增大Z轴滚降频率而无需牺牲在Z方向96上的感测的灵敏度。
[0031] MEMS传感器90还包括检验质量块148，其居于开口112中且以平行间隔开的关系位于衬底98的表面104上方。检验质量块148显示出与开口112的中心线130共轴的中心线150。另外，检验质量块148的中心线150与旋转轴132相一致。通过使检验质量块148位于开口112内，实现小型多轴变换器设计，以满足对需要紧凑的尺寸以及低成本封装的MEMS传感器应用的不断增长的需求。
[0032] 检验质量块148以在衬底98的表面104上形成的多个锚154的形式通过锚系统152而悬挂在衬底98上方并与之耦合。锚154经由弹簧元件156而连接至检验质量块148。
弹簧元件156为柔性线性弹簧，其使检验质量块148能够响应于在X方向92和Y方向94中的任一方向上的加速度而基本上平行于表面104移动。这样，使检验质量块148能够用于XY感测。在一个实施例中，弹簧元件156在X方向92和Y方向94上具有相同的刚度，以便沿两个正交的感测轴感测相似量值的加速度。
[0033] MEMS传感器90的检验质量块148包括X感测指状物158，其与检验质量块148的中心线150对准。检验质量块148还包括Y感测指状物160，其与检验质量块148的、与中心线150正交布置的另一中心线162对准。每个X感测指状物158由形成在衬底98上的两个固定指状物164和166围绕。同样，每个Y感测指状物160由形成在衬底98上的两个固定指状物168和170围绕。当MEMS传感器90经受在X方向92上的加速度时，X感测指状物158与邻近的固定指状物164和166之间的距离改变，从而改变这些指状物之间的电容。此电容变化由感测电路(未示出)记录并转化成代表在X方向92上的加速度的输出信号。在Y方向94上的加速度通过记录Y感测指状物160与相应的固定指状物168和170之间的电容变化而以类似的方式来感测。
[0034] 在此实施例中，中心线150为检验质量块148的第一对称轴，且与中心线150正交布置的中心线162为检验质量块148的第二对称轴。通常，锚系统152的锚154从中心线150和162偏移并且相对于中心线150和162对称布置。即是说，锚154中的每一个从中心线150和162中的每一个偏移相等的距离。锚154的此构造导致检验质量块148被定中心或平衡在中心线150和170的交点172处。X感测指状物158和Y感测指状物160也可以相对于检验质量块148的中心线150和170对称布置。检验质量块148的对称构造导致热诱导应力，其在中心线150和162的任一侧上通常相同。这样，减小了可能以其他方式影响在X方向92上的感测精确度的检验质量块148上的热诱导应力的影响。
[0035] 应该特别注意的是，用于检验质量块148的锚系统152从用于检验质量块100的锚系统116被机械性去耦，即与之区别开。此构造使得能够针对在Z方向96上的Z轴感测而优化枢轴元件118和120以及系链124和128的设计以及针对在X方向92和Y方向94上的XY感测而优化弹簧元件156的设计。此外，由于Z轴感测与XY轴感测去耦，所以极大地消除了轴间感测。这图示于图6中，其中，检验质量块100响应于在Z方向96上的加速度而绕旋转轴132旋转。然而，因为检验质量块148由于其独立的锚系统152而与检验质量块100去耦，所以检验质量块148不与检验质量块100一致地枢转或旋转。即是说，检验质量块148保持与衬底98的表面104间隔开并且与之基本上平行。
[0036] 图7示出根据本发明另一实施例的多轴MEMS传感器174的顶视图。MEMS传感器174的设计与MEMS传感器90的相似。即是说，MEMS传感器174包括衬底98(不可见)、检验质量块100以及检验质量块148，所述检验质量块100通过锚系统116而悬挂在衬底98上方并与之枢转地耦合，所述检验质量块148通过锚系统152而悬挂在衬底98上方并与之耦合。为了简短起见，这里不再重复以上结合图5-6及其说明而讨论的这些特征及其优点。
[0037] 在一些情形下，可以期望增大检验质量块148的质量，以便增大X感测指状物158和Y感测指状物160的XY感测灵敏度。即是说，如果增大检验质量块148的质量，则甚至以非常小的加速度，其也会有较大可能在X方向92或Y方向94上移位。据此，MEMS传感器174还包括材料176，其相对于检验质量块148的中心线150和162而对称布置在检验质量块148上。材料176可以例如为设置于检验质量块148上的金属或其他合适的材料。材料
176可以按照已知工艺来沉积并构图。材料176起增大检验质量块148的质量的作用。结果，X感测指状物158和Y感测指状物160的XY感测的灵敏度可以得到有效提高。
[0038] 图8示出根据本发明又一实施例的多轴MEMS传感器178的顶视图。MEMS传感器178的设计与MEMS传感器90的相似。即是说，MEMS传感器178包括衬底98和检验质量块100，所述检验质量块100通过锚系统116而悬挂在衬底98上方并与之枢转地耦合。为了简短起见，这里不再重复以上结合图5-6及其说明而讨论的这些特征及其优点。在一些情形下，可以期望使X方向感测与Y方向感测机械地去耦。据此，在检验质量块100的开口
112中存在有检验质量块180和检验质量块182。
[0039] 检验质量块180以在衬底98上形成的多个锚186的形式、通过锚系统184而悬挂在衬底98上方并与之耦合。锚186经由弹簧元件188而连接至检验质量块180。检验质量块180还包括X感测指状物190，其与检验质量块100的旋转轴132对准。每个X感测指状物190由形成在下层衬底98上的两个固定指状物192和194围绕。弹簧元件188为柔性线性弹簧，其使检验质量块180能够响应于在X方向92上的加速度而基本上平行于衬底移动。这样，当MEMS传感器178经受在X方向92上的加速度时，X感测指状物190与邻近的固定指状物192和194之间的距离改变，从而改变这些指状物之间的电容。此电容变化由感测电路(未示出)记录并转化成代表在X方向92上的加速度的输出信号。
[0040] 检验质量块182以在衬底98上形成的多个锚198的形式、通过锚系统196而悬挂在衬底98上方并与之耦合。锚198经由弹簧元件200而连接至检验质量块182。检验质量块182还包括Y感测指状物202，其与检验质量块100的旋转轴132正交布置。每个Y感测指状物202由形成在下层衬底98上的两个固定指状物204和206围绕。弹簧元件200为柔性线性弹簧，其使检验质量块182能够响应于在Y方向94上的加速度而基本上平行于衬底移动。因此，当MEMS传感器178经受在Y方向94上的加速度时，Y感测指状物202与邻近的固定指状物204和206之间的距离改变，从而改变这些指状物之间的电容。此电容变化由感测电路(未示出)记录并转化成代表在Y方向94上的加速度的输出信号。
[0041] 在该实施例中应该特别注意的是，除了用于检验质量块100的不同的锚系统116以外，检验质量块182也通过与用于检验质量块180的锚系统184不同的锚系统196悬挂。据此，也极大地消除在X方向92和Y方向94之间的轴间感测。另外，不同的锚186和198允许设计者使在X方向92和Y方向94上具有不同刚度，以便沿两个正交的感测轴感测不同量值的加速度。此外，MEMS传感器178的构造对于检验质量块100的系链124和126的长度提供了较大的挠性，同时保留了开口112的益处，即减小的非线性和提高的阻尼。
[0042] 这里所描述的实施例包括一种适于感测在至少两个相互正交的方向上的加速度的变换器。该变换器包括至少两个检验质量块，其中每一个均通过不同的锚系统而悬挂在衬底上方。第一检验质量块可以是差分加速计，其被制作为跷跷板结构，用于感测在第一方向上的加速度。用于第一检验质量块的锚系统的枢轴元件物理地位于旋转轴上，从而极大地消除在一些具有从旋转轴偏移的枢轴元件的现有技术的设计中见到的二阶非线性效应。第一检验质量块包括开口和居于该开口中的第二检验质量块。第二检验质量块可以是差分位移加速计，其锚系统允许其响应于在第二和/或第三相互正交的方向上的加速度而位移，同时保持与下层衬底基本上平行。在第一检验质量块中形成开口致使第一方向上的滚降频率增大而无需牺牲在第一方向上感测的灵敏度。另外，将第二检验质量块放置在开口中实现了小型多轴变换器设计，以满足对需要紧凑的尺寸以及低成本封装的MEMS传感器的需求。对每个检验质量块采用不同的锚系统使得能够优化相应的扭转和线性弹簧元件且同时消除轴间感测。
[0043] 虽然已经详细图示和描述了本发明的优选实施例，但对于本领域技术人员将容易显而易见的是，在不脱离本发明的精神或所附权利要求书的范围的情况下，可以在其中进行各种修改。
