用于基于感测到的温度梯度操作MEMS设备的系统和方法与流程

用于基于感测到的温度梯度操作mems设备的系统和方法


背景技术：

1.诸如智能电话、智能手表、平板电脑、汽车、航空无人机、电器、飞行器、运动辅助设备和游戏控制器之类的众多物品在其操作期间使用传感器(例如，运动传感器、压力传感器、温度传感器等)。在商业应用中，微机电(mems)设备或传感器(诸如加速度计和陀螺仪)捕获复杂的移动并确定朝向或方向。例如，智能电话配备有加速度计和陀螺仪，以增强依赖于全球定位系统(gps)信息的导航系统。在另一个示例中，飞行器基于陀螺仪测量结果(例如，横滚、俯仰和偏航)确定朝向，并且车辆实现辅助驾驶以提高安全性(例如，识别打滑或翻车状况)。
2.mems设备的每个最终使用产品都涉及与其它电子组件(诸如显示器、处理器、存储器、天线和触摸屏)相邻放置。随着mems设备在不同制造商的数十种不同设备类型中激增，关于从其它组件消散的热量的量、散热的持续时间和模式以及热量消散到mems设备的位置，来自相邻组件的散热可能是不可预测的。此外，这些众多不同类型的设备被用于从简单的消费电子产品到工业环境和车辆的许多最终使用应用中，进一步恶化了mems设备在操作期间可能承受的众多散热剖面。


技术实现要素：

3.在本公开的实施例中，微机电(mems)设备可以包括第一层，包括位于第一层内的第一平面；第二层，包括位于第二层内的第二平面，其中第二层位于第一层下方；以及锚，其中锚将第一层耦合到第二层。mems设备可以包括位于第二平面内的多个温度传感器，其中多个温度传感器中的每个温度传感器相对于锚位于不同的距离处。mems设备可以包括处理电路系统，其被配置为基于多个温度传感器的输出来输出与垂直于第二平面的热梯度对应的信号。
4.在本公开的实施例中，一种微机电(mems)设备可以包括第一层，包括位于第一层内的第一平面，其中第一层包括至少一个检测质块；第二层，包括位于第二层内的第二平面，其中第二层位于第一层下方，并且其中第一层和第二层由间隙分开；以及锚，其中锚将第一层耦合到第二层并且至少部分地位于间隙内。mems设备还可以包括位于第二平面内的多个温度传感器，其中多个温度传感器中的第一温度传感器位于锚下方，并且其中多个温度传感器中的第二温度传感器不位于锚下方。
5.在本公开的实施例中，一种操作微机电(mems)设备的方法可以包括从位于靠近锚的第一层中的第一温度传感器接收第一温度信号，其中锚耦合在第一层和第二层之间，在第一层和第二层之间的间隙内。该方法还可以包括从位于第一层中的第二温度传感器接收第二温度信号，该第二温度传感器与第一温度传感器相比离锚更远。该方法还可以包括由处理电路系统基于第一温度信号和第二温度信号来确定第二层的方向上的热梯度。
附图说明
6.在结合附图考虑以下具体实施方式后，本公开的上述和其它特征、其性质和各种
优点将更加清楚，其中：
7.图1示出了根据本公开的一些实施例的示例性运动感测系统；
8.图2a示出了根据本公开的一些实施例的示例性mems设备的侧视图；
9.图2b示出了根据本公开的一些实施例的图2a的mems设备的基板层的顶视图；
10.图3a示出了根据本公开的一些实施例的示例性温度感测配置；
11.图3b示出了根据本公开的一些实施例的另一个示例性温度感测配置；
12.图3c示出了根据本公开的一些实施例的另一个示例性温度感测配置；
13.图4示出了根据本公开的一些实施例的示例性惠斯通(wheatstone)桥处理电路；以及
14.图5示出了根据本公开的一些实施例的用于处理接收到的温度传感器输出的示例性步骤。
具体实施方式
15.示例性mems设备可以具有被制造、图案化和键合在一起的多个层。mems层可以键合在其它层(例如，上层或帽层和下部基板层)之间并且可以包括可以响应于施加到mems设备的特定刺激而移动的一个或多个组件。mems设备的电气电路系统可以与微机械组件交互以输出感兴趣的信号。例如，mems惯性传感器可以包括悬挂的弹簧-质块系统，该悬挂的弹簧-质块系统被设计为使得悬挂的弹簧-质块系统的部分(例如，悬挂在悬挂的弹簧-质块系统内的检测质块)响应于特定施加的力(诸如沿着测量轴的线加速度或围绕测量轴的角速度)而以特定方式移动。示例性压力传感器可以具有相对于mems层的一个部分气密密封的腔体和在mems层的另一个部分处接收气体的另一个腔体，从而导致mems层基于相对压力和mems层设计而移动。可以使用mems技术制造的其它示例性设备包括磁力计和超声传感器，但是有许多可以使用mems技术制造的设备，诸如传感器和致动器。
16.因为mems设备可以非常小，因此它们被用在众多电子设备中，常常靠近作为显著热源的组件，或者用在其中环境包括显著热源的最终使用应用中。因此，mems设备可受到各种热条件的影响，从而导致暴露的相对位置、暴露的时间、随时间的变化率等的显著变化。因此，mems设备可不处于均匀的温度，相反，整个设备可经历复杂的热梯度。这些热梯度也可受到mems设备本身的设计的影响，包括相应层的材料、层之间的键合材料、可以在各层之间进行散热的键合位置的配置、层内设计(诸如mems层设计)，以及电子组件的位置和密度(例如，在cmos基板层内)。
17.热梯度会造成传感器操作的复杂改变，例如，通过使mems层内的组件膨胀或收缩、修改可移动组件之间的间隙、改变电气组件的操作参数以及在mems设备的腔体内部产生压力差。因为热梯度可能不处于稳定状态，所以在传感器内不同相对位置处的相似电气组件和机械组件可能不同地经历这些影响。改变热梯度会在粒子在其间传递能量的边界处产生克努森(knudsen)力，从而导致力施加在机械组件(诸如检测质块)上。由于热梯度引起的所有这些改变都会以复杂的方式影响mems设备和组件，并且可能使mems设备的精度和准确性劣化。
18.mems设备的层中的一个或多个(例如，cmos基板层)可以包括可以以测量和估计热梯度(包括从其它层传递的复杂热梯度)的方式定位和连接的电气电路系统。该电气电路系
统可以包括已知以预定方式响应温度和/或温度改变的组件，诸如热敏电阻、双极结晶体管(bjt)，以及金属-氧化物-半导体场效应晶体管(mosfet)。基于传感器设计，这些温度敏感组件(温度传感器)可以被定位和配置为检测和/或估计特定的温度梯度，无论是在它们所在的层内还是来自其它层。
19.来自外部源的热量在沿着mems设备外围的特定位置处施加到mems设备，诸如顶部(例如，沿着帽层的顶部)、侧面(例如，对于四边传感器可以是帽层、mems层或cmos层的四个侧面中的任何一个，这取决于热源的位置)或底部(例如，沿着cmos层的底部)。这些可以是由于暴露于外部环境、电路板或其它电子元件而可能传递热量的位置。通过将温度传感器放置在特定层(例如电气组件层，诸如cmos层)内相对于这些边缘的不同位置处，并且在一些实施例中放置在不同的组件平面内，热源的位置以及散热的模式可以被识别。
20.在x-y-z坐标系中，mems层可以在正z方向上键合到基板层并位于其上方，而帽层可以在正z方向上键合到mems层并位于其上方。这些层之间的连接点(诸如互连mems层和基板层的锚)可以被用于估计基板层外部的热梯度，因为这些位置可以由于经由锚从/到mems层的散温而在基板层内表现出温度的相对改变。例如，假设没有平面内热梯度影响温度，那么位于基板层内远离锚的温度传感器应当具有较低的温度。
21.一旦识别出热成分，就可以利用关于热梯度的信息来改进mems设备的操作。在一些实施例中，可以对测得的值进行调整，诸如通过改变缩放值、补偿代码、增加补偿值、偏移量、a/d转换阈值、放大器输入等。也可以对mems设备的操作进行改变，诸如施加到mems层或mems设备的电子元件的信号的量值、相位或频率。热梯度的识别也可以用于影响其它设备的操作，诸如通过发送警报或警告，这些警报或警告可以用于调整与mems设备相邻的其它电气组件的操作，或向另一个系统提供警告(诸如测量结果可具有较低的准确性或允许设备冷却)。由于本文描述的温度感测系统识别和精确定位复杂的热梯度的能力，操作中的补偿或改变可以针对热梯度的特定类型和强度进行定制。
22.图1描绘了根据本公开的一些实施例的示例性运动感测系统10。虽然在图1中描绘了特定组件，但是将理解的是，传感器、处理组件、存储器和其它电路系统的其它合适组合可以根据不同应用和系统的需要来使用。在如本文所述的实施例中，运动感测系统可以至少包括mems设备12和支持电路系统，诸如处理电路系统14和存储器16。在一些实施例中，一个或多个附加的mems设备18(例如，mems陀螺仪、mems加速度计、mems麦克风、mems压力传感器和指南针)可以包括在运动处理系统10内以提供集成的运动处理单元(“mpu”)(例如，包括mems陀螺仪感应的3个轴、mems加速度计感应的3个轴、麦克风、压力传感器和指南针)。
23.处理电路系统14可以包括基于运动处理系统10的要求提供必要处理的一个或多个组件。在一些实施例中，处理电路系统14可以包括硬件控制逻辑，该硬件控制逻辑可以集成在传感器的芯片内(例如，在mems设备12或其它mems设备18的基板或帽上，或者在芯片的与mems陀螺仪12或其它mems设备18的相邻部分上)以控制mems设备12或其它mems设备18的操作并执行mems设备12或其它mems设备18的处理方面。在一些实施例中，mems设备12和其它mems设备18可以包括一个或多个寄存器，其允许修改硬件控制逻辑的操作的各方面(例如，通过修改寄存器的值)。在一些实施例中，处理电路系统14还可以包括执行例如存储在存储器16中的软件指令的处理器，诸如微处理器。微处理器可以通过与硬件控制逻辑交互来控制mems设备12的操作，并且处理从mems设备12接收的信号。微处理器可以以相似的方
式与其它传感器交互。
24.虽然在一些实施例中(图1中未描绘)mems设备12或其它mems设备18可以直接与外部电路系统通信(例如，经由串行总线或直接连接到传感器输出端和控制输入端)，但是在实施例中，处理电路系统14可以处理从mems设备12和其它mems设备18接收的数据，并经由通信接口20(例如，spi或i2c总线，或在汽车应用中，控制器局域网(can)或本地互连网络(lin)总线)与外部组件通信。处理电路系统14可以将从mems设备12和其它mems设备18接收的信号转换成适当的测量单元(例如，基于由通过通信总线20通信的其它计算单元提供的设置)并执行更复杂的处理以确定测量结果，诸如朝向或欧拉(euler)角，并且在一些实施例中，根据传感器数据确定是否正在发生特定活动(例如，步行、跑步、制动、打滑、滚动等)。
25.在一些实施例中，某些类型的信息可以基于来自多个mems设备的数据在可以被称为传感器融合的过程中确定。通过组合来自各种传感器的信息，能够准确地确定在各种应用中有用的信息，诸如图像稳定、导航系统、汽车控制和安全、航位推算、远程控制和游戏设备、活动传感器、3维相机、工业自动化和众多其它应用。
26.示例性mems设备12可以包括一个或多个可移动检测质块，其以允许mems设备沿着轴测量期望的力(例如，线加速度、角速度、磁场等)的方式来配置。在一些实施例中，一个或多个可移动检测质块可以悬挂在锚定点上，该锚定点可以指固定的mems设备的任何部分，诸如在平行于设备的mems层的层(例如，基板或cmos层)、设备的mems层的框架或相对于可移动检测质块固定的mems设备的任何其它合适部分之间延伸的锚。检测质块可以以使得它们响应于测得的力而移动的方式布置。测量检测质块响应于测得的力而相对于固定表面(例如，延伸到mems层中或与基板上的可移动质块平行定位的固定感测电极)的移动并缩放以确定期望的惯性参数。
27.来自相邻组件(例如，处理器、电源、应答器等)或来自外部环境的热源可造成到mems传感器的一部分的散热。当这种散热沿着x轴、y轴或z轴中的任何一个或其组合生成热梯度时，基于腔体的不同部分处的不同相对温度，腔体内的气压可变得不平衡。这可使得检测质块相对于电极移动固定距离(例如，与压力差对应)，从而导致感测到的电容的偏移。这个偏移与测得的参数无关，并且会降低测量的准确性。
28.图2a示出了根据本公开的一些实施例的示例性mems陀螺仪的侧视图。虽然本公开将在陀螺仪和特定陀螺仪设计(例如，具有多个居中定位且均匀隔开的锚的平面外感测陀螺仪)的上下文中讨论热梯度感测和补偿，但是将理解的是，本文描述的温度传感器、配置和补偿可以应用于期望测量热梯度的各种合适的mems或其它半导体设备。如本文所述，温度传感器可以位于相对于关键散热点(例如，锚、键合点、通孔、暴露的侧壁等)的相对位置，以便准确地识别不同的感兴趣的热梯度。基于本文描述的原理，将理解本文描述的温度梯度感测和补偿技术可以应用于多种设备类型和设计。在一些实施例中，mems设备200可以是加速度计、磁力计、气压计、麦克风或超声波传感器。
29.图2a的mems设备200可以包括帽层202、mems层204和基板层206，但是在一些实施例中可以添加附加的层或者可以替换或移除一个或多个层。在示例性实施例中，层可以通过键合层208a和208b键合在一起，其中帽层202通过键合层208a键合到mems层204，并且mems层204通过键合层208b键合到基板层206。这些层内和这些层之间的散热可以至少部分地取决于帽层202的相应材料。
30.mems设备200的相应层可以被制造、图案化、键合和处理以生成特定的感兴趣设备，诸如图2a的mems陀螺仪。在图2a的示例性实施例中，形成气密密封腔并且mems陀螺仪位于腔体内。气体以标称压力密封在腔体内。取决于气体、其标称压力和腔体内组件的形状，位于腔体内的气体具有其自身的热特性。例如，取决于mems设备所经历的热梯度的图案和图2a的陀螺仪的mems组件的形状，某些热梯度(诸如负z轴梯度tgz)会导致腔体中不同位置处的气体的温差(例如，基于与热源和/或至少部分地抑制腔体的部分之间的散热的居间mems层的接近度)。这会导致mems层上的内部压力差和knudsen力，在一些情况下，这会导致可移动mems组件(诸如检测质块)相对于检测质块的正常位置的固定移动。
31.mems层204可以包括悬挂的弹簧-质块系统212，其在图2a的示例性实施例中包括mems陀螺仪。在图2a的示例性实施例中，弹簧210将悬挂的弹簧-质块系统212耦合到键合的mems层204。悬挂的弹簧-质块系统212包括多个组件，这些组件响应于要感测的力以期望的方式做出响应，诸如通过允许检测质块222、224、226和228响应于围绕平面内轴的角速度而沿着z轴在平面外移动。在图2a的示例性实施例中，多个连接臂和/或弹簧230、232和234将检测质块的运动彼此耦合，使得相应的质块222/224和226/228以相似的方式反相移动。
32.可以以各种合适方式(诸如压电感测或电容感测)感测检测质块222/224/226/228的移动，但图2a的示例性实施例描绘了在基板上图案化的电极240/242/244/246，其中每一个形成相应的电容器，其中相应的一个检测质块具有基于电极和检测质块之间的距离而改变的电容(例如，检测质块222和电极240的电容器，检测质块224和电极242的电容器、检测质块226和电极244的电容器，以及检测质块228和电极246的电容器)。如本文所述，热梯度可造成检测质块和电极之间的距离的改变，这会导致感测到的电容和测得的值(例如，角速度)的增加性和/或周期性改变。
33.如本文所述，热源可以将热梯度施加到mems设备200的某个部分，例如，经由接触或接近mems设备200的任何侧。mems设备200内的散热模式取决于热源的性质(例如，点式或分布式)、施加热源的位置、mems设备的各个部分的材料特性、腔体和设备组件的设计，以及如本文所述的其它因素。为演示的简单起见，本讨论将参考具有沿着平面外z轴的分量(即，tgz)和x-y平面内的分量(即，tgx和tgy)的热梯度。但是，将认识到的是，在一些情况下，可以在mems设备的不同部分处施加多个显著的热源，使得多个热梯度以不同的模式在整个mems设备中分散并在mems设备内的位置处相互作用(例如，至少直到长时间暴露于多个显著热源之后达到稳态温度)。
34.在如图2a中所描绘的示例性实施例中，帽层202、mems层204和基板层206不仅在mems设备200的外部彼此键合，而且还经由锚214、216、218和220耦合。锚218和220将帽层202耦合到mems层204，并且锚214和216将mems层204耦合到基板层206。这些锚提供散热路径，热梯度通过这些路径在相应层之间以比经由腔体的气体更大的速率传播。因此，锚在平面外(z轴)方向上提供相应层之间的散热，并且表示z轴热梯度tgz(例如，具有基于锚位置、尺寸和材料的热梯度的量值)。
35.在本公开的一些实施例中，温度传感器可以位于mems设备的一个或多个层上或之内。例如，许多电子组件(诸如电阻器、热敏电阻、bjt、mosfet和热电偶)可以具有对可以被监视的温度的已知响应。在示例性实施例中，这些温度传感器中的一些可以位于mems设备的允许创建和监视温度传感器的层内，诸如cmos基板层206。
36.将理解任何合适的层具有适当的材料和工艺以形成电子组件(例如，热敏电阻、热电偶或半导体层内的其它组件的图案化)，但在图2a的示例性实施例中，cmos基板层206包括可以在其上形成电子组件的多个平面(即，x-y平面)。例如，温度传感器260、262、264和266可以位于相对更靠近cmos基板层206的上平面的第一x-y平面中。温度传感器270、272、274和276可以位于更远离cmos基板层206的上平面的第二x-y平面中。虽然在图2a中描绘了特定深度，但是将理解的是，在本公开的实施例中可以使用许多不同的温度传感器深度(例如，用于温度传感器的平面)。
37.温度传感器可以位于相应位置以捕获感兴趣的特定信息，诸如靠近锚214和216的温度(例如，温度传感器260和266)、靠近电极的温度(例如，用于电极240的温度传感器270、用于电极242的温度传感器262和272、用于电极244的温度传感器264和274，以及用于电极246的温度传感器276)、靠近mems设备200的边缘的温度(例如，温度传感器270和276)，以及位于mems设备内部附近的温度(例如，温度传感器262、264、272和274)。
38.温度传感器也可以位于mems设备200内部或外部的层的表面上的位置处。各种温度传感器可以位于层的表面上的多个位置，但在示例性实施例中，热敏电阻和/或热电偶可以在mems设备的层的表面上被图案化，以形成位于mems层204的外表面上的温度传感器250和256以及位于帽层202的顶表面上的温度传感器252和254。
39.图2b示出了根据本公开的一些实施例的图2a的mems陀螺仪的基板层的顶视图。在图2b的示例性实施例中，温度传感器的位置以特定配置在基板内的相应x-y平面中描绘，温度传感器260a、260b、260c、262a、262b、264a、264b、266a、266b和266c位于基板的所描绘的上表面下方的第一深度处的第一x-y平面内。温度传感器270a、270b、272a、272b、274a、274b、276a和276b位于基板的所描绘的上表面下方的第二深度处的第二x-y平面内，第二平面比第一平面位于更深的z-方向深度。虽然在图2a和2b中描绘了特定传感器位置和特定数量的传感器，但是将理解的是，传感器位置和传感器的数量可以根据本公开基于诸如mems设备设计(可能的热源的位置、锚位置等)之类的因素而变化。并且虽然图2a和2b的温度传感器被描绘在基板层206内的相应z轴深度处的两个x-y平面中，但是温度传感器可以位于单个平面上或位于多于两个平面上，或位于不垂直于mems设备的z轴的平面上。
40.图2b的顶视图描绘了锚214和216接触并附接到基板层206的位置，从而产生让热梯度在mems层204和基板层206之间通过的路径。电极240、242、244和246在图2b中被描绘为覆盖基板层206。在图2a和2b的示例性实施例中，温度传感器位于相对于主热源的相对位置，诸如基板层206的边缘以及锚位置214和216。在一些实施例中，用于电极240、242、244和246的设计和材料可以使得电极在某些条件下也可以用作基板层206的热源。
41.在图2a和2b的示例性实施例中，温度传感器以使得可以获得各种温度数据的方式定位，但是将理解的是，基于传感器设计(例如，锚和电极位置，以及可能的基于最终用途和/或靠近mems设备的一侧或多侧的绝缘包装的热源的位置)和其它因素(例如，可用的温度传感器的类型和适合放置温度传感器的位置)，不同数量的温度传感器可以放置在不同位置。在图2a和2b的示例性实施例中，温度传感器可以相对于传感器的边缘位于沿着x轴和y轴的不同位置处。在最靠近电极240的边缘处沿着y轴施加的热源和在相对侧沿着y轴施加的冷源将导致热梯度tgy和取决于温度传感器位置相对于热梯度和热源的差异(即，降低的)温度输出(即，在302处为零相对温度，温度传感器270a/270b与温度传感器276a/276b感
测到的温度量值相等且相反，温度传感器260a/260b/260c与温度传感器266a/266b/266c感测到的温度量值相等且相反，温度传感器272a/272b与温度传感器274a/274b感测到的温度量值相等且相反)。交换沿着y轴的热源和冷源的位置(例如，使热源最靠近电极246)将导致类似的温度传感器输出，在302处相对温度改变为零。
42.在最靠近温度传感器270b、262b、264b和276b的边缘处沿着x轴施加的热源以及在相对侧施加的冷源将导致热梯度tgx和差异(即，302处为零相对温度，并且260b/266b处的温度输出取决于温度传感器相对于热梯度和热源的位置(即，使得温度传感器262b/264b与温度传感器262a/264a的输出量值相等且相反，温度传感器270b/276b与温度传感器270a/276a的输出量值相等且相反，温度传感器272b/274b与温度传感器272a/274a的输出量值相等且相反，温度传感器260c/266c与温度传感器260a/266a的输出量值相等且相反)。交换沿着x轴的热源和冷源(例如，使得热源最靠近温度传感器270a、262a、264a和276a)将导致类似的温度传感器输出，260b/266b和302处的相对温度为零。
43.沿着z轴施加的、源自基板层206上方的层之一的热源和基板层206相对侧上的冷源将导致热梯度tgz(图2a中所描绘的)和差异(即，降低的)温度输出，取决于它们相对于热梯度和热源的位置。在温度传感器位于其它层(例如，温度传感器252/254位于帽层202上，温度传感器250和256位于mems层204上)的示例性实施例中，这些温度传感器与基板层206中的一些或全部温度传感器(例如，可能除了位于锚214和216附近的温度传感器260a/260b/260c/266a/266b/266c之外)比较而言可经历相对大的输出改变。温度传感器250、252、254和256的输出也将根据热源相对于帽层202或mems层204的确切位置而变化。
44.在本公开的一些实施例中，温度传感器260a/260b/260c和温度传感器266a/266b/266c可以位于每个锚定区域214和216下方的基板层206的平面内，并且温度传感器可以位于远离锚定区域的cmos层的平面内。在这些位置之间测得的温度差可以与来自锚定区域的散热对应，这进而与mems层到基板层之间的热梯度对应。不同程度的热梯度进而可以与检测质块的由于热梯度的不同程度的位置偏移量对应。为了捕获与z轴检测质块偏移量相关的z轴热梯度，在一些实施例中，可以定位和配置温度以使得其它热梯度(例如，cmos层内的平面内)被拒绝。基于z轴热梯度和偏移量之间的对应关系，可以应用补偿以在存在z轴热梯度的情况下更准确地捕获实际的z轴线加速度。
45.在基板层206内，由于通过锚传递的z轴温度梯度tgz引起的温度传感器的响应将在直接位于锚下方的温度传感器260b和266b处最大，并且随着热梯度向外消散，温度降低。温度传感器260a/260c/266a/266c可以稍微偏离锚214和216并且输出指示从锚通过基板层206的材料消散的热量的值。温度传感器离锚214和216越远，到该温度传感器的散热将减少，传感器位于锚214和216之间(例如，温度传感器272a/272b、262a/262b、264a/264b和274a/274b)，由来自两个锚的散热导致温度经历显著改变。虽然来自电极240/242/244/246的热梯度可能显著小于来自锚214/216的热梯度，但是热量可以以类似方式从电极消散。z轴温度梯度也可经由mems设备的外壁传递到基板层206(例如，直接从mems层204经由键合208b传递到基板层206)，在这种情况下，基板层内的温度传感器会以类似于x轴和/或y轴热梯度的方式经历z轴热梯度(例如，作为从基板层206侧施加的热源)。
46.基板层内的温度传感器还可以具有基于基板层206内的温度传感器的z轴位置的不同输出(例如，来自温度传感器270a/270b、272a/272b、274a/274b和276a/276b的输出也
可基于沿着z轴的热量的消散而减小)。在正z方向上存在z轴热梯度的情况下(例如，来自施加在基板层206下方的热源)，温度传感器的输出可显著不同。与经由mems层204施加的热梯度相反，基板层206内的温度传感器应具有基本相似的值，位于更靠近基板层206的底部的温度传感器(例如，温度传感器270a/270b、272a/272b、274a/274b和276a/276b)与位于更靠近基板层206顶部的温度传感器(例如，温度传感器260a/260b/260c、262a/262b、264a/264b和266a/266b/266c)相比而言经历更大的相对输出改变。这种温度梯度也可以是可识别的，因为与基板层的相同x-y平面内的其它传感器相比，在锚附近感测的温度不应有显著差异。
47.温度传感器的输出可以提供给处理电路系统以进行附加处理。温度传感器输出可以通过任何合适的传输形式提供给处理电路系统，诸如通过引线键合、通孔或其它合适的电气传输路径。在一些实施例中，用于初始处理温度传感器输出的一些或所有处理电路系统可以包括在mems设备200内，而在一些实施例中，一些或所有处理可以由外部电路系统(诸如经由有线或无线数据路径接收数据的微处理器)执行。在图2a和2b的示例性实施例中，处理电路系统可以包括在cmos基板层206中，来自cmos基板层206内的温度传感器的温度传感器输出经由内部电气连接(未描绘)被处理，而其它温度传感器输出(例如，温度传感器250、252、254和256的输出)经由与cmos基板层206(未描绘)的引线键合提供给处理电路系统。
48.处理电路系统可以分析温度传感器输出以识别感兴趣的热梯度。如本文所述，温度传感器输出的绝对值和温度传感器输出的改变率可以提供关于热源的位置的详细信息(例如，施加在mems设备的哪一层、施加在mems设备的哪一侧，以及热源和mems设备之间的重叠程度)、热源的强度(例如，基于相对温度传感器输出、靠近热源的输出的改变率等)，以及施加模式(例如，以周期性方式、作为脉冲或以其它模式施加的热源，相对于具有最小变化的热源)。在一些实施例中，相应的温度传感器输出(例如，沿着x-y平面内的轴以识别侧向热梯度，在不同深度/平面处以识别垂直和/或侧向热梯度，或在相对于中心点和锚的相对位置处，如关于图3a-3c针对测量垂直热梯度而拒绝侧向热梯度所描述的)可以耦合到诸如电阻桥之类的电路系统(例如，使用温度传感器作为电阻中的一个或多个)，使得温度传感器输出中的相对差异可以通过单个输出值快速确定。在一些实施例中，温度传感器的不同子集可以具有不同类型，例如，具有不同的准确性或响应时间。
49.在一些实施例中，一个或多个开关元件(例如，开关、晶体管、mosfet等)可以选择性地改变被监视的温度传感器和/或选择性地组合温度传感器输出(例如，如提供给电桥的那样，如本文所述)来测量特定的温度特点。例如，在一些实施例中，可以切换温度传感器的子集，使得它们以本文所述的特定方式定位，以拒绝传感器上的侧向热梯度和/或感应应变(例如，以识别垂直热梯度)。可以切换其它温度传感器，使得它们测量侧向热梯度、有意地识别应变效应、测量绝对温度，或它们的合适组合。
50.热梯度可改变mems设备的偏移量和灵敏度。mems设备的操作取决于物理组件的移动，并且加速度计的测量是参考参考状态进行的。例如，基于腔体内的不同温度和压力，热梯度可产生knudsen力和气压的非均匀改变。knudsen力的产生会造成设备的悬挂的组件(例如，检测质块222/224/226/228)在没有施加任何外力的情况下移动(例如，当假定mems设备处于参考状态并且是静止的时，检测质块移动到新的参考状态)。气压的改变会造成悬挂的检测质块发生类似的移动，因为力是由施加到检测质块的气压产生的。在参考状态期
间检测质块的移动是不期望的，因为它向测量值输出添加了不是由于被测量的力引起的分量。当检测质块的一部分和电极之间的参考状态电容是已知值时，使用这个已知值和电容相对于该已知值的改变来确定未知的测得的值。另一方面，当knudsen力或由于热梯度引起的检测质块相对于电极的位置的其它改变使参考状态电容值偏移时，影响确定测得的力的准确性。
51.在一些实施例中，处理电路系统还可以接收与热源相关的附加外部数据。例如，处理电路系统可以与其它电路系统(诸如外部处理器、电池、显示器、应答器，或其中结合了mems设备的最终使用设备的其它温度测量电路系统)通信。关于这些组件的操作的信息可以提供给处理电路系统。在一些实施例中，此类信息可以与mems设备的温度传感器测量结果相关联，以识别来自最终使用设备的其它组件和系统的散热模式。这个信息可以用于主动执行补偿，诸如通过在来自热源的热梯度实际影响mems设备的输出之前修改mems设备的操作。来自mems设备的信息也可以提供给mems设备的其它组件和系统，例如，以更好地识别最终使用设备内的热梯度模式并适当地修改最终使用设备的操作(例如，修改操作电压、处理负载、进入低功耗或睡眠模式等)。
52.一旦已经接收到温度传感器输出和其它相关值(例如，基于桥电路的组合输出等)，处理电路系统就可以对测得的温度信息做出响应。一个示例性响应可以是基于改变用于mems设备输出的缩放因子来补偿温度梯度。校准测试可以在制造期间或在现场执行，这可以基于不同的热梯度(例如，位置、度数、模式)确定mems设备输出的改变。这个信息可以被存储(例如，存储在mems设备中的查找表中)，使得在热梯度存在的情况下可以应用增加补偿和/或缩放因子来维持正确的输出值(例如，线加速度、角速度等)。另一个示例性响应可以是修改mems设备的操作。可以基于例如基于校准例程确定的已知温度效应(例如，增加或抑制悬挂的弹簧-质块系统的组件的移动)修改施加的信号，诸如造成mems组件的移动的信号(例如，mems陀螺仪的驱动信号)或经由检测质块和电极传输的信号(例如，mems加速度计或压力传感器的传感信号)。另一个示例性响应可以是修改整个mems设备的操作，例如，通过将传感器置于临时睡眠模式、修改mems设备的电源的参数或以其它方式改变mems设备的整体使用。另一个示例性响应可以是向最终使用设备的其它组件和系统提供通知和警报，使得那些组件或系统知道由mems设备输出的值相对于正常输出值可能部分受损。通知和警报可以提供关于热源的信息，这可以允许其它组件和系统修改它们的操作以降低mems设备所经历的热梯度的严重性。在一些实施例中，通知或警报可以请求其它组件和系统采取特定步骤。在一些实施例中，通知可以提供关于热源或热梯度的信息，外部系统可以使用该信息来修改它们的操作。
53.图3a-3c示出了根据本公开的一些实施例的示例性温度感测配置。如本文所述，在特定层(例如，基板层206)内，可以存在有限数量的位置，在这些位置处可将大热源施加到层。在图2a-2b和图3a-3c的基板206的示例性实施例中，那些位置可以对应于基板206的侧面(例如，左侧或负y侧、右侧或正y侧、顶侧或正x侧、底侧或负x侧)、基板层206的下表面(例如，图2a的下部x-y平面，未在图2b和图3a-3c中描绘)，以及基板层206的面向腔体的上表面(例如，具有与锚定位置214和216对应的大热源，以及沿着形成腔体的前述侧面到mems层的键合点(图2a中描绘的))。
54.在图2a-2b和图3a-3c的示例性实施例中，该结构可以相对于热源关于中心点对
称。无论其它mems设备设计中是否存在这种对称性，也都可以识别中心点位置，在该中心点位置处热源就它们对中心点处的整体热行为的潜在贡献达到平衡。然后可以识别允许拒绝一些热梯度的温度传感器的组合，以便将贡献与感兴趣的特定热梯度隔离开。在图3a-3c的示例性实施例中，可以识别温度传感器位置以拒绝由于施加在基板层206侧面的热源而引起的x-y平面中的热梯度，以便隔离在基板层处206经由锚定位置214和216从mems层204接收到的热梯度。例如，一些mems设备可能对造成mems层204和基板层206的部分之间的相对移动(即，不是由于要测量的力)的z轴热梯度特别敏感。
55.图3a示出了用于识别经由锚定位置214和216接收的z轴热梯度而拒绝x-y平面热梯度的示例性温度感测配置。在图3a的示例性实施例中，沿着测量轴304的温度传感器260b和266b可以与沿着测量轴306的温度传感器264a和262b和/或沿着测量轴308的温度传感器262a和264b一起使用。测量轴可以在中心点302处交叉。沿着测量轴304的传感器位于锚定位置214和216处，而沿着测量轴306和308的温度传感器位于距锚定位置214和216完全相同的相应x-y距离处，使得经由锚定位置214和216从mems层204接收的热量将以类似方式传播到这些温度传感器。以这种方式，沿着测量轴304、306和308的温度传感器对z轴热梯度的响应应当是相关的(例如，与距锚的相应距离成比例)。另一方面，基于其它热源相对于施加热源的一侧的相应位置，传感器将以不同的方式经受来自其它热源(例如，沿着基板层206的侧面)的热梯度。
56.沿着这些轴的相应传感器之间的距离是完全相同的(例如，温度传感器260b到温度传感器262a和262b之间的x轴距离与温度传感器266b到温度传感器264a和264b之间的x轴距离完全相同，温度传感器260b到温度传感器264a和264b之间的x轴距离与温度传感器266b到温度传感器262a和262b之间的x轴距离完全相同，温度传感器260b到温度传感器262b和264b之间的y轴距离与温度传感器266b到温度传感器262a和264a之间的y轴距离完全相同，并且温度传感器260b到温度传感器262a和264a之间的y轴距离与温度传感器266b到温度传感器262b和264b之间的y轴距离完全相同)。可以分析传感器的输出(例如，如图4的桥构造中所描绘和描述的)，使得来自沿着基板层206侧面的热源的热梯度有效地抵消，而沿着z-轴的热梯度增加，并且作为输出提供。
57.例如，因为温度传感器262a、262b、264a和264c的位置远离锚214和216，因此由它们测得的温度受到来自锚214和216的热量通过基板层206的消散以及基板层206内的其它侧向热梯度(诸如x轴热梯度tgx、y轴热梯度tgy或具有x轴和y轴分量的平面内热梯度)影响。例如，除了沿着z轴从mems层通过锚214和216的散热作为侧向热梯度的平面内散热之外，基板层206还可能由于相邻的热源而经历热梯度，这也会产生侧向热梯度。如本文所述，许多mems设备的主要关注点可能是z轴热梯度。因而，如本文所述，温度传感器可以位于基板层206的x-y平面内的相应位置，以便拒绝由于侧向热源引起的侧向热梯度(以及由来自锚014和216的消散造成的侧向热梯度)的效应，同时仅隔离z轴热梯度。
58.在实施例中，温度传感器位于特定的相对位置，以便拒绝由于侧向热源引起的侧向热梯度，并且还抵消由于任何诱导的应变效应引起的温度响应的任何改变。温度传感器262a/264b和264a/262b可以分别位于与相关联的温度传感器260b和266b相等的距离处。温度传感器还放置在基板层内相对于锚定区域214和216的中心点附近。特别地，温度传感器262a和中心点302之间的第一距离与温度传感器264b和中心点302之间的距离相同。类似
地，温度传感器264a和中心点302之间的第二距离与温度传感器262b和中心点302之间的距离相同。温度传感器260b和中心点302之间的第三距离与温度传感器266b和中心点302之间的距离相同，但是这可以不同于第一和第二距离。温度传感器关于中心点302彼此对称。以这种方式，当在温度传感器上感应出应变时，每个温度传感器的输出值的导致的改变是相似且平衡的，从而拒绝应变对整个输出信号的影响。
59.响应于z轴上的热梯度且不存在由侧向热源施加的侧向热梯度(并且假设没有应变或其它影响)，温度传感器260b和266b将具有相似的响应，因为每个温度传感器都位于在它们相应的锚定区域214和216下方的等效位置处。类似地，在没有侧向热源施加侧向热梯度的情况下(并且假设没有应变或其它影响)，温度传感器262a/264a/262b/264b的唯一散热源是由于响应于z轴热梯度而从锚定区域214和216的散热而引起的基板层206内的平面内温度分布。因为温度传感器262a/264a/262b/264b与锚定区域214和216等距，所以，由于来自锚定区域的平面内温度分布，它们将具有相似的响应。以这种方式，可以基于温度传感器的相对放置(例如，锚定区域下方的两个，远离锚定区域的两个或四个，温度传感器在锚定区域之间围绕中心点平衡且等距并且沿着绕中心点的轴对准)而增加由于z轴热梯度而在温度传感器260b、266b和262a/264a/262b/264b处的输出。
60.在由于侧向热源而在基板层206内存在侧向热梯度的情况下，基于热源的位置，侧向热梯度可以在x方向和/或y方向上在温度传感器的平面内通过基板层206消散。例如，沿着基板206的右手侧(即，在正y方向上)的热源和沿着基板206的左手侧(即，在负y方向上)的冷源的存在可以从左到右散热，如图3中的热梯度tgx所描绘的，温度传感器262a/264b与262a/264a感测到的温度改变的量值相等且相反，由于热梯度tgx，温度传感器260b和266b中的每一个处的温度改变相对较大。沿着基板层206的顶侧(即，在正x方向上)的热源和沿着基板层206的底侧(即，在负x方向上)的冷源的存在可以从底部到顶部分散热，如图4中的热梯度tgx所描绘的，由温度传感器262a/264b与262a/264a感测到的温度改变的量值相等且相反，由于热梯度tgx，温度传感器260b和266b中的每一个处的温度改变相对较小。
61.侧向热梯度也可以同时在x方向和y方向上施加，例如，来自与mems加速度计的基板层206相邻的多个热源或分布在多个方向上的点热源。但是，在所有情况下，来自相邻热源的侧向热梯度(例如，来自锚定区域的热量的消散的侧向热梯度除外)可以施加在基板层206的一侧，然后以导致温度传感器之间的温差改变的方式在整个基板层中消散。相比之下，由于温度传感器260b、266b和262a/262b/264a/264b的相对位置，施加于锚定区域的z轴热梯度将导致温度传感器260b和266b和温度传感器262a/262b/264a/264b处的温度分别等同地增加。因而，由这些温度传感器感测到的相对温度可以被用于区分由于z轴热梯度引起的温度改变(即，由热敏电阻处的等同的温度改变证明)与由于侧向热梯度引起的温度改变(即，由基于侧向热源的位置在温度传感器处的不同的温度改变证明)。
62.图3b和3c示出了温度传感器的附加示例性配置，用于拒绝x-y平面热梯度，同时加强经由锚定位置接收的z轴热梯度。与图3a的描述一致，基于对经由锚定区域214和216接收的z轴热梯度提供增加响应以及对其它热梯度的比例和微分响应的配置来选择温度传感器。在图3b的示例性实施例中，相应测量轴中的一些可以彼此正交，诸如测量轴312与316以及测量轴314与318。在图3c的示例性实施例中，温度传感器中的一些(例如，沿着测量轴324的温度传感器276a和270b以及沿着测量轴322的温度传感器270a和276b)可以位于与锚定
位置214和216靠近的温度传感器下方的x-y平面上。
63.在示例性实施例中，来自热敏电阻的温度输出可以使用诸如wheatstone桥配置之类的桥配置来处理，这将在针对图4的描述中进一步讨论。图4示出了根据本公开的一些实施例的示例性wheatstone桥处理电路系统。当与如本文所述定位并在图3a-3c中描绘的温度传感器(例如，热敏电阻)一起使用时，图4的示例性配置可以实现垂直热梯度(例如，vout值412)的准确测量，而拒绝来自相邻热源的应变和侧向热梯度的影响。虽然图4中描绘了热敏电阻，但是将理解的是，其它类型的温度传感器(例如，bjt或mosfet)或其组合可以用在本文描述的wheatstone桥布置中。
64.图4示出了根据本公开的一些实施例的说明性温度测量配置400。温度测量配置400将热敏电阻402、404、406和408布置在wheatstone桥配置中。因为热敏电阻的电阻与温度有关，所以测量热敏电阻处的电阻提供对于对应温度的估计。电压410(已知电压vin)被施加到wheatstone桥，并且电压412(测得的电压vout)被用于确定与施加在锚定区域处的z轴热梯度成比例地改变的输出。
65.考虑分别与温度t
402
、t
404
、t
406
和t
408
处的四个热敏电阻402、404、406和408对应的四个电阻r
402
、r
404
、r
406
和r
408
。根据热敏电阻的设计，电阻r
402
、r
404
、r
406
和r
408
与温度t
402
、t
404
、t
406
和t
408
成比例。因而，温度的变化导致电阻的改变，这进而改变输出电压。因此，输出电压412(vout)等于热敏电阻402和热敏电阻408之间的节点a处的电压(即，输入电压vin*r
402
/(r
402
r
408
))与热敏电阻404和热敏电阻406之间的节点b处的电压(即，输入电压vin*r
404
/(r
406
r
404
))之间的差。
66.在本公开的实施例中，热敏电阻402可以与远离锚的第一热敏电阻对应，热敏电阻406可以与沿着公共测量轴与热敏电阻402位于中心点302的相对侧上的热敏电阻对应，热敏电阻404可以与靠近锚定位置之一定位的热敏电阻对应，并且热敏电阻408可以与靠近另一个锚并且沿着公共测量轴与热敏电阻406位于中心点302的相对侧上的热敏电阻对应。响应于没有温度梯度，所有热敏电阻(例如，假设热敏电阻具有完全相同的值和温度响应)应当处于相同的温度，因此将具有完全相同的电阻。节点a处的电压将是输入电压vin的一半，节点b处的电压也是如此。因此，输出电压vout将为零。当z轴热梯度施加到锚定区域时，位于锚定区域下方的热敏电阻(例如，热敏电阻404和408)可由于暴露于热梯度而引起电阻发生显著改变(例如，降低)，而位于远离锚定区域的热敏电阻(即，热敏电阻402和406)的电阻的改变(例如，降低)可能显著地不那么大。因此，节点a处的电压将由于r
402
与r
408
相比具有相对大的值而增加，而节点b处的电压将由于r
406
与r
404
相比具有相对大的值而降低。因为热敏电阻404和408以相同的方式改变电阻，并且热敏电阻402和406以相同方式改变电阻，因此节点a处的电压增加与节点b处的电压减少是成比例的。以这种方式，vout随着垂直热梯度的增加而增加，并随着垂直热梯度的降低而减小到零。
67.图3a-3c的热敏电阻配置和它们在图4的wheatstone桥中的处理也可以拒绝由于相邻热源引起的侧向热梯度。例如，如果在基板层206的左侧施加热源并且在相对侧施加冷源，导致在由tgx指示的方向上的热梯度，那么热敏电阻402-408中的每一个处的温度将增加，但比例不同。例如，热敏电阻404的温度将以电阻的最大改变(例如，由于温度的最大相对增加而导致的降低)为特征，热敏电阻406的温度将以电阻的第二大改变(例如，由于温度的第二大相对增加而导致的降低)为特征，热敏电阻402的温度将以电阻的第三大改变(例
如，由于温度的第三大相对增加而导致的降低)为特征，并且热敏电阻408的温度将以电阻的最小改变(例如，由于温度的最小相对增加而导致的降低)为特征。因为热敏电阻404和热敏电阻406之间的x轴距离与热敏电阻402和热敏电阻408之间的x轴距离相同，所以热敏电阻404与热敏电阻406相比的电阻的相对改变与热敏电阻402与热敏电阻408相比的电阻的相对改变相同(即，热敏电阻404和402与热敏电阻402和408相比经历成比例更大的电阻改变)。因此，虽然节点a和b处的电压由于侧向热梯度而改变，但是它们以相同的方式改变，使得vout保持为零。图4的热敏电阻配置类似地拒绝沿着x轴的侧向热梯度(例如，施加到基板层206的顶侧或底侧)。
68.图5示出了根据本公开的一些实施例的用于处理接收到的温度传感器输出的示例性步骤。虽然在本公开的上下文中描述了图5，但是将理解的是，图5中描述的方法和步骤可以应用于各种mems设备设计、温度传感器类型、处理电路系统和补偿技术。虽然在图5中描绘了步骤的特定的次序和流程，但是将理解的是，在一些实施例中，可以修改、移动、移除或添加步骤中的一个或多个，并且可以修改图5中描绘的流程。
69.在步骤502处，可以从位于mems设备的一层或多层上和/或之内的温度传感器接收温度传感器输出(例如，由mems设备的处理电路系统接收)。可以随时间接收温度传感器输出，使得可以识别温度的模式和改变。在一些实施例中，温度传感器输出可以在传感器操作的特定阶段获得，诸如在加电时获得、测量发起时获得、在mems设备操作期间周期性地获得以及在停机之前获得。在一些实施例中(图5中未描绘)，还可以获取来自其它设备、组件和传感器的信息(例如，与相邻组件的操作、外部温度测量结果、功耗等相关)。一旦接收到温度传感器输出，处理就可以继续到步骤504。
70.在步骤504处，可以处理温度传感器输出。温度传感器输出可以被单独处理，例如，使用滤波器移除来自温度传感器输出和放大器、a/d转换器和其它合适组件的噪声，以便为进一步分析提供适当的缩放。在一些实施例中，可以一起处理多个温度传感器输出，例如，通过诸如本文所述的wheatstone桥之类的桥。一旦温度传感器输出被处理以供进一步分析，处理可以继续到步骤506。
71.在步骤506处，可以基于接收到的值计算热梯度。如本文所述，通过在相对于热源的特定位置处以及在一些实施例中在不同层或层内深度处具有多个温度传感器，可以识别特定位置处的绝对温度以及不同位置之间的温度差。还可以基于随时间的热梯度信息来确定热梯度的改变率。一旦计算了热梯度，处理就可以继续到步骤508。
72.在步骤508处，可以分析热梯度以确定是否应当采取某种形式的动作。在一些实施例中，容限可以与特定位置处的绝对温度、识别到高于阈值的绝对温度的温度传感器的数量、特定温度传感器位置之间的温度差、超过阈值的温度差的数量以及绝对温度值的改变率和/或温差值相关联。在一些实施例中，可以基于热梯度信息来识别热源，例如，通过识别热源的位置和施加的模式。这个热源识别可以与已知的热源位置和模式以及从其它源接收的数据(例如，外部温度传感器数据或关于其它组件或设备的操作的信息)进行比较。一旦分析了热梯度，处理就可以继续到步骤510。
73.在步骤510处，可以确定(例如，由处理电路系统确定)是否已经识别出要求附加动作的错误。如果不要求附加动作，那么处理可以返回到步骤502以接收附加的温度传感器输出。如果要求附加动作，那么可以基于识别出的错误的类型和严重性来识别附加动作。然后
处理可以继续到步骤512。
74.在步骤512处，可以确定mems设备是否可以在错误的情况下仍继续操作。在一些实施例中，指示错误但具有低于某些阈值的特点(例如，绝对温度、温度差、改变率)的热梯度，因此可以只要求通知或对mems设备的操作进行修改，而更严重的错误可以要求mems设备部分或完全停机。如果mems设备可以继续操作，那么处理可以继续到步骤514。如果mems设备不能继续操作，那么处理可以结束。
75.在步骤514处，在识别出错误的情况下可以提供通知和/或可以修改mems设备的操作以继续操作。通知可以在mems设备内部和/或可以提供给外部组件和设备，并且可以提供关于错误的性质和严重性的信息，以及mems设备采取的或要由其它组件和设备采取的任何校正动作(例如，修改mems设备的输出的准确性)。在一些实施例中，通知可以包括减少或减轻来自热源的散热的请求或指令，例如，通过修改外部组件或设备的操作。对mems设备的操作的修改可以包括如本文所述的各种修改，诸如对比例因子的修改、对测得的参数的计算的改变以及对mems设备的操作参数(例如，驱动电压、感测电压等)的修改。一旦已经提供通知和/或已经修改传感器的操作，处理就可以返回到步骤502以接收附加的温度传感器输出。
76.前述描述包括根据本公开的示例性实施例。提供这些示例仅用于说明目的，而不是用于限制目的。将理解的是，本公开可以以不同于本文明确描述和描绘的形式来实现，并且本领域的普通技术人员可以实现与以下权利要求一致的各种修改、优化和变化。