CN107003333A - Mems传感器和半导体封装 - Google Patents

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Abstract

本发明的MEMS传感器具有用于在旋转模式下测量在与弹簧轴线垂直的平面内方向上的加速度的可移动部件和固定部件。所述部件包括元件框架(1)、基板(7)、检测质量块(2)、与检测质量块(2)和基板(7)连接的弹簧(5)以及梳状电极(9a，9b)。MEMS传感器的主要特征在于部件的布置引起对于测量在覆盖纵向加速度和横向加速度的范围内的加速度的固有灵敏性。一个或更多个部件相对于元件框架(1)倾斜。本发明的半导体封装(12)包括至少一个MEMS传感器。

Description

MEMS传感器和半导体封装
技术领域
本发明涉及微机电***，并且特别地涉及一种MEMS(微机电***)传感器和一种包括MEMS传感器的半导体封装。
背景技术
MEMS技术的一个常见应用是惯性感测装置的设计和制造。在惯性传感器(例如MEMS加速度计)中，可以使用内部结构，例如检测质量块(proof mass)、悬臂梁和/或交叉梳齿来检测传感器运动的改变。
加速度计的测量范围是传感器的输出信号规格所支持的加速度的等级，其通常以±g来指定。这是部件可以测量并准确地表示为输出的加速度的最大量。根据其由满量程范围指定的最高输出值，加速度计被分类为高g、中g或低g加速度计。
可以将各种类型的MEMS传感器与通过单独的工艺步骤制作的集成电路(微电子电路)一起结合在基板上。然而，不断需要减小封装在一起的传感器和电路的组合的尺寸。例如，存在检测在两个方向或三个方向上的惯性运动的双轴加速度计和三轴加速度计。通常，双轴加速度计和三轴加速度计具有用于检测沿每个检测轴(x轴、y轴和/或z轴)的加速度的单独的MEMS元件。对于许多应用而言，这样的多元件加速度计的尺寸和成本可能会过大。
作为另一示例，现代车辆的安全气囊***使用加速度传感器来确定释放的触发点，并且可以通过加速度计触发安全带张紧器。MEMS装置(例如加速度计和陀螺仪)也可以用作电子稳定控制(ESC)技术方面的传感器，以使车辆中车辆转向控制的损耗最小化。在将来，ESC传感器日益与安全气囊***的控制单元和加速度计集成在同一位置中。因此，需要将用作ESC传感器的低g加速度计和陀螺仪与安全气囊***的中g加速度计集成，以减小部件尺寸和成本。
安全气囊***的中g加速度计通常是对车辆的纵向加速度方向和横向加速度方向两者均敏感的2轴MEMS传感器。通常，已经通过将整个中g加速度计以45°角安装在其上装配有传感器的印刷电路板上来实现这样的灵敏性。然而，在集成***中，封装尺寸必须是紧凑的，因此将中g加速度计以相对于ESC传感器45°角安装不再可行。
发明内容
本发明的实施方式公开了一种新型传感器配置，其测量纵向方向上的加速度和横向方向上的加速度，并且同时使得能够与具有在纵向和横向方向上的边的矩形形状的其他部件紧凑集成。
本发明的实施方式包括在独立权利要求1中限定的微机电***(MEMS)传感器以及根据独立权利要求20的半导体封装。
通过在从属权利要求和下面的详细描述中限定的实施方式来更详细地讨论本发明可实现的另外的优点。
附图说明
图1是MEMS加速度传感器的示意性横截面图；
图2是包括图1的MEMS加速度传感器的半导体封装的示意性横截面图。
具体实施方式
下面的实施方式是示例性的。尽管说明书可以引用“一(an)”、“一个(one)”或“一些”实施方式，但这并不一定意味着每个这样的引用均是针对(一个或多个)相同的实施方式的或者该特征仅适用于单个实施方式。不同实施方式的各个特征可以组合以提供另外的实施方式。
在下文中，将通过可以实现本发明的各种实施方式的装置架构的简单示例来描述本发明的特征。仅详细描述与说明实施方式有关的元件。在本文中可以不具体描述本领域的技术人员通常已知的微机电传感器的各种实现方式。
图1是MEMS加速度传感器的简化示意性横截面图。MEMS加速度传感器包括被配置成测量加速度的可移动部件和固定部件。加速度感测的原理简单可靠：根据牛顿第二定律，将运动体的惯量(inertia)转换成力。加速度计的基本元件为弹簧、检测质量块和周围的支承结构。弹簧将质量块连接至支承件。当传感器的速度发生改变时，经由弹簧耦接件(coupling)迫使检测质量块跟着改变。需要力来改变检测质量块的运动。由于该力，弹簧弯曲(deflect)并且检测质量块的位置与加速度成比例地改变。在电容式传感器中，支承件和检测质量块彼此绝缘并且测量支承件和检测质量块的电容或电荷存储容量。传感器将运动体的加速度转换成电流、电荷或电压。在压电检测时，可以通过弹簧上的压电层来感测弹簧的挠曲(flexure)。
图1中的MEMS传感器的部件包括基板7、元件框架1、弹簧锚固件11、检测质量块2和挠性(flexural)弹簧5。
基板7在文中是指MEMS器件的底层并且在图1中作为用于器件层的图案化部件的空白背景而示出。通常，基板包括通过绝缘层与器件层分开的硅层。例如，许多MEMS器件可以由分层的固体结构(例如，绝缘体上硅(SOI)晶片或带有腔体的绝缘体上硅(腔体-SOI)晶片)制造。SOI晶片通常包括处理晶片层、掩埋氧化物(BOX)层和器件层。处理晶片层通常是最厚的部分，几百微米厚，而器件层通常为几十微米厚。BOX层通常为零点几微米到几微米厚。BOX层可以淀积在处理晶片层或器件层上，并且两片硅彼此可以结合，使得BOX层位于两片硅之间，并且能够使器件层部件与处理晶片电隔离。
元件框架1在文中表示刚性地固定至基板7的固体机械元件。元件框架1的作用是形成围绕器件层中的部件的侧壁，由此气密地包围内部腔体并且机械地支撑元件层结构。考虑将横截面的平面，即穿过图1中的器件层的图案化部件的平面作为公共平面。元件框架1可以具有矩形形状，使得在公共平面中，元件框架的外表面形成四个边，其中，在横向方向垂直于纵向方向的情况下，两个纵边20、21在纵向方向上平行延伸，并且两个横边22、23在横向方向上平行延伸。应当注意，术语横向和纵向在文中用于简单参照附图和潜在应用中可测量的加速度的可能方向。在该范围内，MEMS结构的任何两个正交的平面内方向可以用作横向方向和纵向方向。
这些边可以与基板7和芯片的其他可能的层的外侧对准，使得在所呈现的视图中MEMS传感器的***尺寸与元件框架1的***尺寸很好地对准或由元件框架1的***尺寸限定。因此，考虑到要将MEMS传感器与其他矩形形状的芯片集成到同一芯片上，限定由MEMS传感器占据的芯片面积的尺寸可以完全取决于元件框架1的纵边和横边的尺寸。
弹簧锚固件11在文中表示元件层与基板7之间的连接点。弹簧锚固件11刚性地固定至基板7并且向挠性弹簧5提供固定的起点。在图1的示例中，示出了梁式弹簧(beamspring)。在该范围内，也可以应用其他挠性弹簧类型，例如曲折(meandering)弹簧或折叠弹簧。弹簧5的一端连接至弹簧锚固件11，并且弹簧5的另一端耦接至检测质量块2，使得弹簧5提供挠性耦接件，该挠性耦接件通过弹簧锚固件11将检测质量块2挠性地悬挂到基板7。检测质量块2和弹簧5沿公共平面延伸。图1示出了在弹簧的非挠曲状态下，即在MEMS传感器被制造并准备好进行操作但未经历被测量的加速度的状态下的结构。在所述非挠曲状态下，MEMS传感器的弹簧轴线25在弹簧的相对端之间延伸。弹簧有利地是挠性的，并且当受到在平面内的方向上(平行于公共平面)施加的并垂直于弹簧轴线(感测方向)的力时，弹簧弯曲。弹簧5有利地在任何其他方向上尽可能刚性。
在元件框架中，将最靠近弹簧锚固件11的顶点30指示为第一顶点。那么在元件框架1的矩形形状中，第一纵边21和第一横边23是元件框架1的矩形形状的、通过第一顶点30连接的边。器件层元件的取向现已被布置成使得弹簧轴线25与第一纵边21和第一横边23两者均形成锐角。因此，当检测质量块2由于被测量的加速度而移位时，弹簧的形变将检测质量块2的移位转变成公共平面中的旋转运动模式。旋转运动模式的旋转轴线垂直于公共平面(平面外方向)。由于元件的特定取向，所以旋转运动模式可以由纵向方向上的加速度和横向方向上的加速度引起，只要纵向方向上的加速度和横向方向上的加速度在与弹簧轴线25垂直的方向上具有分量即可。然而，明显的是，对于总加速度矢量而言，仅在感测方向上的分量被该结构测量到。部件的布置引起对于测量在覆盖纵向方向的加速度和横向方向上的加速度的范围内的加速度的固有灵敏性。然而，在纵向方向上和横向方向上延伸的外部尺寸使得MEMS传感器能够与具有在纵向方向和横向方向上延伸的边的其他矩形部件紧凑并排地放置在同一封装中。
在图1的示例性配置中，加速度的测量基于电容检测，而不将范围限制为仅电容检测。对于电容感测而言，MEMS传感器可以包括被配置用于测量加速度的一个或更多个梳状电容器。每个梳状电容器9a、9b可以包括：转子梳齿组4a、4b，该转子梳齿组被耦接成与检测质量块2一起运动；以及定子梳齿组6a、6b，该定子梳齿组刚性地固定至基板7。在梳状电容器9a、9b中的每个中，转子梳齿组4a、4b可以从可移动的检测质量块2延伸，并且定子梳齿组6a、6b可以从刚性定子线棒(bar)3a、3b延伸。定子线棒3a、3b可以被锚固至基板7并且彼此电绝缘。因此，由转子梳齿组4a、4b中的转子梳齿和定子梳齿组6a、6b中的相邻的定子梳齿形成的每对梳齿形成单独的平行板电容器。
在图1的配置中，该结构包括两个梳状电容器9a、9b。梳状电容器9a的输出与由转子梳齿组4a和定子梳齿组6a形成的平行板电容器的总和对应，并且梳状电容器9b的输出与由转子梳齿组4b和定子梳齿组6b形成的平行板电容器的总和对应。因此，梳状电容器9a、9b形成两个电容，这两个电容同时随着检测质量块的旋转运动模式而变化。这对电容可以用于提供与检测质量块在公共平面中的移位对应的差分输出信号sx：
sx＝s(9a)–s(9b)
其中，s(9a)表示从梳状电容器9a输出的信号，并且s(9b)表示从梳状电容器9b输出的信号。差分检测有效地消除了梳状电容器的电容的潜在共同误差偏移。
在图1的示例性配置中，弹簧轴线5是对角的，使得弹簧轴线5与元件框架1的第一纵边21和第一横边23形成45°的锐角。根据图1容易理解，不在弹簧轴线的方向上或与弹簧轴线垂直的外部加速度在纵向方向上和横向方向上具有分量，因此能够引起检测质量块进入旋转运动模式。因此，该配置使得外部形状为矩形的MEMS传感器对在其两个垂直外边(peripheral side)的方向上的加速度敏感。弹簧轴线的对角取向是有利的，因为其通过对称性和长挠曲的使用来实现平衡，其优点将在稍后更详细地讨论。然而，也可以应用其他锐角，例如40°至50°之间的角度或甚至在35°至55°之间的角度。
因此，在图1的配置中，定子梳齿6a、6b与元件框架1的第一纵边21和第一横边23形成第一锐角，并且转子梳齿4a、4b与元件框架1的第一纵边21和第一横边23形成第二锐角。如图1所示，第一锐角和第二锐角可以相等，其中，第一锐角和第二锐角为45°的锐角，并且弹簧轴线也与元件框架1的第一纵边21和第一横边23形成45°的锐角。
另一方面，第一锐角和第二锐角可以不相同。检测质量块的旋转模式与其常规的平面内线性模式相比，一个可能的缺陷是，当线性转子梳齿以平面内旋转模式运动时，倾向于在转子梳齿与定子梳齿之间形成微小的角。MEMS传感器可以被设计成具有斜(slanted)(或倾斜(tilted))的梳齿，使得在初始非挠曲状态下，定子梳齿和转子梳齿不平行，而是相对于彼此轻微倾斜，以便使潜在的线性误差最小化。定子梳齿和转子梳齿可以被布置成在最大位移(最大满量程)处或例如在最大位移的一半(满量程的1/2)处变得平行，以使非线性得到补偿。初始状态下齿之间的角度可以基于给定的满量程或半量程要求以及相关的最大位移来逐个确定。因此，鉴于图1，第一锐角与第二锐角之间可能存在初始差异。在检测质量块2的旋转运动模式下，当转子梳齿4a、4b在最大位移或最大位移的一半处变得平行于定子梳齿6a、6b时，可以调节该差异。
MEMS型惯性传感器中的一个误差源由检测质量块在与期望的感测模式不同的振动模式下的振荡引起。在理想情况下，电容式惯性MEMS传感器的行为如同具有单个阻尼谐振频率的质量阻尼弹簧***。然而，实际上，MEMS传感器是复杂的元件，其倾向于还在非期望的方向上具有额外的寄生谐振模式。这些寄生模式可能导致传感器不稳定。所期望的测量模式称为第一模式。其他模式，即第二(2nd)模式、第三(3rd)模式等是寄生模式，并且应该优选地具有比第一模式的频率更高的频率，以便不干扰测量。
第一模式、第二模式和第三模式的弹簧常数可以分别根据式(1)至(3)来确定：
k1＝Ew3h/4/3， (1)
K＝GW3h/3/， (2)
k2＝Ewh3/4/3， (3)
其中，
k1是测量模式(第一模式)下的弹簧常数，
k是非期望谐振模式(第二模式)下的弹簧常数，
k2是另一非期望谐振模式(第三模式)下的弹簧常数，
h是弹簧的高度(平面外方向)，
l是在与弹簧锚固件的连接点和与检测质量块的连接点之间进行测量的情况下弹簧的长度，
w是弹簧的宽度(平面内方向)，以及
E和G是杨氏模量和剪切模量。
可以通过配置弹簧尺寸以使式(4)和(5)最大化来优化传感器的设计。这意味着k1的值应尽可能小，而k和k2应该较大。
K/k1＝4G|2|3E (4)
k2/k1＝h2/w2 (5)
因此，在根据式(4)和(5)进行优化的设计中，在测量模式(第一模式)的期望频率和制造工艺的限制内，弹簧长度(l)应尽可能大，弹簧宽度(w)尽可能小，并且弹簧高度(h)尽可能大。
在图1的配置中，已经通过以下方式使弹簧的长度最大化：将弹簧设计成沿矩形的最长对角线方向延伸，甚至部分地在被定位成靠近元件框架的一个角的三角形状的检测质量块中，而弹簧的另一端被锚固至元件框架的相对角。三角形状的检测质量块意味着检测质量块包括可以与元件框架的角对准的角区域。更具体地，检测质量块2可以具有多边形形状，其中，两个相邻边区段40、41形成直角。相邻边区段中的一个边区段40可以平行于纵向方向，并且相邻边区段中的另一个边区段41平行于横向方向。当检测质量块被定位成靠近元件框架的角时，这些相邻边区段40、41之间的角顶点42最靠近元件框架的第二顶点31。第二顶点31是元件框架1的矩形形状中与第一顶点30相对的顶点。当弹簧5在检测质量块2中伸缩时，检测质量块的侧面的至少一部分相比于弹簧与检测质量块的连接点更靠近第一顶点30。这可以例如通过包括切口28的检测质量块来实现，在该切口中，弹簧50延伸至与检测质量块的连接点，但通过窄的间隙与检测质量块分开。
考虑到式(4)和(5)，在图1的配置中，可以通过例如允许弹簧5采用器件层的最大高度和元件框架的矩形形状中的最大长度来将寄生振动模式保持为尽可能高，同时以检测质量块尺寸来设计弹簧宽度以将***配置到期望的测量范围。
即使可以将寄生谐振模式设计成具有高弹簧常数，所有模式，即中g传感器的测量模式和寄生模式仍应该是高度阻尼的，以避免振动问题。在本发明中，这可以通过高气压和与封盖(capping)晶片的浅的平面外间隙来实现。转子齿与定子齿之间的间隙也可以保持为小的。利用这些措施，除了沿对角弹簧轴线25的平面内模式以外，所有其他模式通常是高度阻尼的。然而，该非阻尼模式是与测量模式相比具有固有的很高的弹簧常数的体(bulk)模式：
k3＝Ewh/l， (6)
k3/k1＝4/2/w2 (7)
其中，
k1是测量模式(第一模式)下的弹簧常数，
k3是另一个非期望的谐振模式(第四模式)下的弹簧常数。
在平行板电容器中，电容与交叠面积成比例，并且与两个电容器板之间的间隔成反比。可以使用平行板电容器来创建限制的(closing)间隙结构或面积调节的结构或两者的混合。在限制的间隙结构中，电容器板朝向和远离彼此移动。通常，这些板中的一个是固定的(定子)，而另一板(转子)移动靠近固定板以及远离固定板。然后，可以利用式(1)近似地对电容行为进行建模：
其中，C是电容，ε是介电常数，A是板之间的交叠面积，d是板之间的初始间隙，x是距离初始间隙位置的位移，并且Cf是静态杂散电容。
在图1的示例性配置中，平行板电容器可以被认为是限制的间隙结构。这意味着电容器的测量电容主要根据梳齿之间的间隙宽度而变化。一个或更多个梳状电容器的平行板电容器可以被配置成使得从梳状电容器延伸的每个定子梳齿的长度相等，这是所期望的，使得其是同样刚性的并且具有相同的(寄生)谐振频率。这可以借助于检测质量块的特定形状和相应形成的定子线棒3a、3b来实现。有利地，梳状电容器的梳齿至少在弹簧的非挠曲状态下具有相同的交叠面积。图1示出如何构造具有相同长度的齿的一个示例。在该范围内，可以应用其他可能的设计。
在图1的配置中，检测质量块2具有交错的多边形形状，并且转子梳齿4a、4b从检测质量块2的至少三个边区段朝向定子梳齿6a、6b延伸。另外，定子线棒3a、3b具有与检测质量块2的边区段匹配的多边形形状，使得一个或更多个梳状电容器的平行板电容器具有相同的交叠面积，并且每个梳状电容器9a、9b的梳齿具有相同的长度。
第一刚性定子线棒3a通过定子锚固件8a锚固至基板7，并且第二刚性定子线棒3b通过另一定子锚固件8b锚固至基板7。定子锚固件8a、8b到弹簧锚固件11的距离可以被调节为小于第一纵边21和第一横边23中较小者的一半。通过这种方式，转子梳齿4a、4b与基板7的锚固点和定子梳齿6a、6b与基板7的锚固点彼此靠近，这提高了传感器抵抗外部应力的鲁棒性。
图2是包括至少一个如上所述的MEMS传感器的半导体封装的示意性横截面图。在现有技术的解决方案中，通常针对每个测量轴均存在单独的MEMS元件。例如，安全气囊电子***测量各种传感器信号并控制若干不同的致动器，以致力于防止乘客在发生事故时受伤。在这些***中，使用加速度计和陀螺仪来提供测量任意运动和位置的能力。通常需要将用作ESC传感器的低g加速度计和陀螺仪与安全气囊***的中g加速度计集成，以减小尺寸和成本。
图2的封装12示出了包括针对安全气囊***构造的专用集成电路(ASIC)13和用于测量旋转运动的MEMS陀螺仪14的半导体封装。本发明的两个中g加速度计16和17以及一个3轴低g加速度计18可以紧凑并排地装配在单个管芯15上并且被包括在封装12中。管芯15可以连接至ASIC 13。
对于本领域技术人员明显的是，随着技术的进步，本发明的基本思想可以以各种方式来实现。因此，本发明及其实施方式不限于上述示例，而是可以在权利要求的范围内变化。

Claims (21)

1.一种具有用于测量加速度的可移动部件和固定部件的MEMS传感器，所述MEMS传感器包括：
基板(7)；
元件框架(1)；
弹簧锚固件(11)；
检测质量块(2)；以及
挠性弹簧(5)；其中，
所述元件框架(1)和所述弹簧锚固件(11)刚性地固定至所述基板(7)；
所述弹簧(5)的一端连接至所述检测质量块(2)，并且所述弹簧(5)的相对端连接至所述弹簧锚固件(11)；
在所述弹簧(5)的非挠曲状态下，弹簧轴线(25)在所述弹簧(5)的相对端之间延伸；
所述检测质量块(2)和所述弹簧(5)沿公共平面延伸，由此所述弹簧(5)将所述检测质量块(2)悬挂成所述公共平面中的旋转运动模式；
所述元件框架(1)具有矩形形状，使得在所述公共平面中，所述元件框架的外表面具有四个边，其中，在横向方向与纵向方向垂直的情况下，两个纵边(20，21)在所述纵向方向上平行延伸，并且两个横边(22，23)在所述横向方向上平行延伸；
其特征在于：
所述元件框架(1)的矩形形状包括通过最靠近所述弹簧锚固件(11)的第一顶点(30)连接的第一纵边(21)和第一横边(23)；
所述弹簧轴线(25)与所述第一纵边(21)和所述第一横边(23)形成锐角，由此引起对于测量在覆盖所述纵向方向上的加速度和所述横向方向上的加速度的范围内的加速度的固有灵敏性。
2.根据权利要求1所述的MEMS传感器，其特征在于：所述弹簧轴线(25)与所述元件框架(1)的所述第一纵边(21)和所述第一横边(23)形成45°的锐角。
3.根据权利要求1或2所述的MEMS传感器，其特征在于：所述弹簧(5)是梁式弹簧或曲折弹簧。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的MEMS传感器，其特征在于：所述检测质量块(2)的侧面的至少一部分相比于所述弹簧(5)与所述检测质量块(2)的连接点(42)延伸得更靠近所述第一顶点(30)。
5.根据权利要求4所述的MEMS传感器，其特征在于：所述检测质量块(2)包括切口(28)，在所述切口(28)中所述弹簧(5)延伸至所述连接点。
6.根据权利要求5所述的MEMS传感器，其特征在于：所述检测质量块(2)具有多边形形状，其中，两个相邻边区段(40，41)形成直角，所述相邻边区段中的一个边区段(40)与所述纵向方向平行，并且所述相邻边区段中的另一边区段(41)与所述横向方向平行，并且所述相邻边区段之间的角顶点(42)最靠近第二顶点(31)，其中，在所述元件框架(1)的矩形形状中，所述第二顶点(31)与所述第一顶点(30)相对。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的MEMS传感器，其特征在于：一个或更多个梳状电容器(9a，9b)被配置成测量所述加速度，其中，每个梳状电容器包括转子梳齿组(4a，4b)和定子梳齿组(6a，6b)，所述转子梳齿组(4a，4b)被耦接成与所述检测质量块(2)一起运动，并且所述定子梳齿组(6a，6b)刚性地固定至所述基板(7)。
8.根据权利要求7所述的MEMS传感器，其特征在于：所述转子梳齿组(4a，4b)中的每个转子梳齿与所述定子梳齿组(6a，6b)中的和其相邻的定子梳齿形成平行板电容器。
9.根据权利要求8所述的MEMS传感器，其特征在于：在所述弹簧(5)的非挠曲状态下，所述一个或更多个梳状电容器的所述平行板电容器具有相同的交叠面积。
10.根据权利要求8或9所述的MEMS传感器，其特征在于：所述定子梳齿组(6a，6b)中的每个定子梳齿具有相同的长度。
11.根据权利要求8、9或10所述的MEMS传感器，其特征在于：第一定子梳齿组(6a)连接至第一刚性定子线棒(3a)，并且第二定子梳齿组(6b)连接至第二刚性定子线棒(3b)，其中，定子线棒(3a，3b)被锚固至所述基板(7)。
12.根据权利要求10所述的MEMS传感器，其特征在于：
所述检测质量块(2)具有多边形形状，并且每个转子梳齿组(4a，4b)从所述检测质量块(2)的至少三个边区段朝向所述定子梳齿(6a)延伸；
所述定子线棒(3a，3b)具有与所述检测质量块的边区段匹配的多边形形状，使得在所述定子梳齿(6a，6b)具有相等长度的情况下，所述一个或更多个梳状电容器(9a，9b)的所述平行板电容器具有相同的交叠面积。
13.根据权利要求7至12中任一项所述的MEMS传感器，其特征在于包括一对梳状电容器(9a，9b)，所述一对梳状电容器(9a，9b)由具有第一转子梳齿(4a)和第一定子梳齿(6a)的第一梳状电容器(9a)以及具有第二转子梳齿(4b)和第二定子梳齿(6b)的第二梳状电容器(9b)组成，所述一对梳状电容器(9a，9b)用于差分检测。
14.根据权利要求7至13中任一项所述的MEMS传感器，其特征在于：所述定子梳齿与所述元件框架(1)的所述第一纵边和所述第一横边形成第一锐角，并且所述转子梳齿与所述元件框架(1)的所述第一纵边和所述第一横边形成第二锐角。
15.根据权利要求14所述的MEMS传感器，其特征在于：所述第一锐角和所述第二锐角相同。
16.根据权利要求15所述的MEMS传感器，其特征在于：所述第一锐角和所述第二锐角为45°的锐角，并且所述弹簧轴线也与所述元件框架(1)的所述第一纵边和所述第一横边形成45°的锐角。
17.根据权利要求14所述的MEMS传感器，其特征在于：所述第一锐角和所述第二锐角不相同。
18.根据权利要求17所述的MEMS传感器，其特征在于：所述第一锐角与所述第二锐角之间的差异被调节成通过如下方式来消除：在所述检测质量块(2)的旋转运动模式下，所述转子梳齿在最大位移处或所述最大位移的一半处变得与所述定子梳齿平行。
19.根据权利要求11所述的MEMS传感器，其特征在于：所述定子线棒(3a，3b)通过定子锚固件(8a，8b)锚固至所述基板(7)，并且从所述定子锚固件(8a，8b)到所述弹簧锚固件(11)的距离小于所述第一纵边和所述第一横边中较小者的一半。
20.一种半导体封装，包括至少一个根据权利要求1至19中任一项所述的MEMS传感器。
21.根据权利要求20所述的半导体封装，其特征在于：所述半导体封装被配置成用于安全气囊使用，并且所述半导体封装包括至少两个MEMS传感器，其中，所述MEMS传感器被配置为中g MEMS加速度计和低g MEMS加速度计或MEMS陀螺仪。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111433563A (zh) * 2017-12-05 2020-07-17 应美盛公司 用于传感器的应力隔离框架

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20210385586A1 (en) * 2020-06-04 2021-12-09 Georgia Tech Research Corporation Systems and methods having multi-axis sensitivity and translational mode shapes
US11634320B2 (en) * 2021-02-22 2023-04-25 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Limited Micro-electromechanical system device including a precision proof mass element and methods for forming the same
JP2023036260A (ja) * 2021-09-02 2023-03-14 株式会社東芝 センサ及び電子装置
US11932531B2 (en) 2022-01-13 2024-03-19 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Curved cantilever design to reduce stress in MEMS actuator
CN114088976B (zh) * 2022-01-24 2022-04-12 成都华托微纳智能传感科技有限公司 一种梳齿间隙可调式mems加速度计

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5083466A (en) * 1988-07-14 1992-01-28 University Of Hawaii Multidimensional force sensor
EP0981052A2 (en) * 1998-08-17 2000-02-23 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Semiconductor accelerometer switch and a method of producing the same
CN1333147A (zh) * 2000-07-10 2002-01-30 森桑诺尔有限公司 加速度检测计
US7194376B2 (en) * 2004-04-27 2007-03-20 Delphi Technologies, Inc. Circuit and method of processing multiple-axis sensor output signals
CN103999364A (zh) * 2011-12-16 2014-08-20 美国亚德诺半导体公司 用于多个通道的低噪声放大器

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4969359A (en) * 1989-04-06 1990-11-13 Ford Motor Company Silicon accelerometer responsive to three orthogonal force components and method for fabricating
JP2000097966A (ja) * 1998-09-24 2000-04-07 Tokai Rika Co Ltd 加速度センサ及び加速度センサ装置
DE19938206A1 (de) * 1999-08-12 2001-02-15 Bosch Gmbh Robert Mikromechanischer Drehbeschleunigungssensor
FR2888394A1 (fr) 2005-07-08 2007-01-12 Commissariat Energie Atomique Dispositif capacitif a volume capacitif optimise
US8165323B2 (en) * 2006-11-28 2012-04-24 Zhou Tiansheng Monolithic capacitive transducer
US8310128B2 (en) * 2008-05-07 2012-11-13 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois High precision silicon-on-insulator MEMS parallel kinematic stages
US8553389B1 (en) * 2010-08-19 2013-10-08 MCube Inc. Anchor design and method for MEMS transducer apparatuses
US8477473B1 (en) * 2010-08-19 2013-07-02 MCube Inc. Transducer structure and method for MEMS devices
US8710599B2 (en) * 2009-08-04 2014-04-29 Fairchild Semiconductor Corporation Micromachined devices and fabricating the same
US8936959B1 (en) * 2010-02-27 2015-01-20 MCube Inc. Integrated rf MEMS, control systems and methods
DE102010028005A1 (de) * 2010-04-20 2011-10-20 Sensordynamics Ag Mikro-Gyroskop zur Ermittlung von Bewegungen
JP5605501B2 (ja) 2011-03-24 2014-10-15 富士通株式会社 音叉型振動子
US9027403B2 (en) 2012-04-04 2015-05-12 Analog Devices, Inc. Wide G range accelerometer
FI127000B (en) * 2015-06-26 2017-09-15 Murata Manufacturing Co MEMS sensor

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5083466A (en) * 1988-07-14 1992-01-28 University Of Hawaii Multidimensional force sensor
EP0981052A2 (en) * 1998-08-17 2000-02-23 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Semiconductor accelerometer switch and a method of producing the same
CN1333147A (zh) * 2000-07-10 2002-01-30 森桑诺尔有限公司 加速度检测计
US7194376B2 (en) * 2004-04-27 2007-03-20 Delphi Technologies, Inc. Circuit and method of processing multiple-axis sensor output signals
CN103999364A (zh) * 2011-12-16 2014-08-20 美国亚德诺半导体公司 用于多个通道的低噪声放大器

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111433563A (zh) * 2017-12-05 2020-07-17 应美盛公司 用于传感器的应力隔离框架
CN111433563B (zh) * 2017-12-05 2024-05-07 应美盛公司 用于传感器的应力隔离框架

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