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用于共模抑制的帶有耦合彈簧的慣性傳感器.pdf

摘要
申請專利號:

CN201610392601.0

申請日:

2016.06.06

公開號:

CN106257239A

公開日:

2016.12.28

當前法律狀態:

實審

有效性:

審中

法律詳情: 實質審查的生效IPC(主分類):G01C 19/5747申請日:20160606|||專利申請權的轉移IPC(主分類):G01C 19/5747登記生效日:20170921變更事項:申請人變更前權利人:飛思卡爾半導體公司變更后權利人:恩智浦美國有限公司變更事項:地址變更前權利人:美國得克薩斯州變更后權利人:美國德克薩斯州|||公開
IPC分類號: G01C19/5747(2012.01)I 主分類號: G01C19/5747
申請人: 飛思卡爾半導體公司
發明人: 邁克爾·瑙曼
地址: 美國得克薩斯州
優先權: 2015.06.17 US 14/742,452
專利代理機構: 中科專利商標代理有限責任公司 11021 代理人: 倪斌
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201610392601.0

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2018.08.21|||2017.10.17|||2016.12.28

法律狀態類型:

實質審查的生效|||專利申請權、專利權的轉移|||公開

摘要

本公開描述一種MEMS裝置,其包括耦合一對能運動塊的兩個彈簧系統。所述彈簧系統中的每個彈簧系統包括受約束的剛性梁和一對撓曲部,其中,一個撓曲部直接耦合至所述剛性梁的一端并耦合至所述能運動塊中的一個能運動塊,并且另一撓曲部直接耦合至所述剛性梁的相對端并耦合至另一個能運動塊。響應于所述能運動塊的驅動運動,所述撓曲部使得所述受約束剛性梁能夠樞轉運動,使得所述剛性梁在圍繞所述剛性梁的中心鉸接點的相對方向樞轉。這種樞轉運動使得所述驅動塊能夠反相線性振蕩運動同時基本上遏制或以其他方式抑制所述能運動塊的同相運動。

權利要求書

1.一種微機電系統(MEMS)裝置,其特征在于,包括:
基板;
第一能運動塊和第二能運動塊,其懸置在所述基板的表面上方;以及
第一彈簧系統和第二彈簧系統,用于將所述第一能運動塊耦合至所述第二能運動塊,
所述第一彈簧系統和所述第二彈簧系統被設置在所述MEMS裝置的鏡像對稱軸的相對側上,
所述鏡像對稱軸大體上平行于所述第一能運動塊和所述第二能運動塊的運動方向,其中,
所述第一彈簧系統和所述第二彈簧系統中的每個彈簧系統包括:
剛性梁,其具有橫向于所述第一能運動塊和所述第二能運動塊的所述運動方向朝向的
縱長尺寸;
第一撓曲部,其直接耦合至所述剛性梁的第一端并直接耦合至所述第一能運動塊;以

第二撓曲部,其直接耦合至所述剛性梁的第二端并直接耦合至所述第二驅動塊。
2.根據權利要求1所述的MEMS裝置,其特征在于,所述剛性梁的中心區經由錨定元件彈
性地耦合至所述基板的所述表面,所述剛性梁能夠在大體上平行于所述基板的所述表面的
平面中樞轉。
3.根據權利要求2所述的MEMS裝置,其特征在于,所述剛性梁的所述中心區包括框架結
構,所述錨定元件駐留在所述框架結構的中心開口中,并且所述第一彈簧系統和所述第二
彈簧系統中的每個彈簧系統還包括至少一個彈性構件,所述彈性構件在所述錨定元件和所
述框架結構的內周邊之間互連。
4.根據權利要求1所述的MEMS裝置,其特征在于,還包括:
能運動框架,其具有中心開口,所述第一能運動塊和所述第二能運動塊駐留在所述中
心開口中;
錨定件,其耦合至所述基板的所述表面;以及
扭轉梁,其在所述能運動框架和所述錨定件之間互連,所述扭轉梁使得所述能運動框
架能夠圍繞第二軸旋轉運動,所述第二軸垂直于所述鏡像對稱軸并大體上平行于所述基板
的所述表面。
5.根據權利要求4所述的MEMS裝置,其特征在于,所述第一彈簧系統和所述第二彈簧系
統中的每個彈簧系統的所述扭轉梁和所述剛性梁沿所述第二軸彼此縱向對準。
6.根據權利要求1所述的MEMS裝置,其特征在于,所述第一撓曲部和所述第二撓曲部橫
向于所述剛性梁朝向。
7.根據權利要求1所述的MEMS裝置,其特征在于,所述第一彈簧系統和所述第二彈簧系
統被配置成使得所述第一能運動塊和所述第二能運動塊能夠相對于彼此以線性方式反相
振蕩。
8.根據權利要求1所述的MEMS裝置,其特征在于:
所述第一彈簧系統和所述第二彈簧系統中的每個彈簧系統的所述第一撓曲部在偏離
所述鏡像對稱軸的第一距離耦合至所述第一驅動塊;并且
所述第一彈簧系統和所述第二彈簧系統中的每個彈簧系統的所述第二撓曲部在偏離
所述鏡像對稱軸的第二距離耦合至所述第二驅動塊,所述第二距離小于所述第一距離。
9.根據權利要求1所述的MEMS裝置,其特征在于,所述運動方向是第一運動方向,并且
所述MEMS裝置還包括:
能運動框架,其具有中心開口,所述第一能運動塊和所述第二能運動塊駐留在所述中
心開口中;
第一鏈接彈簧部件,其將所述第一能運動塊與所述能運動框架耦合;以及
第二鏈接彈簧部件,其將所述第二能運動塊與所述能運動框架耦合,其中,所述能運動
框架被配置成用于在正交于所述基板的所述表面的第二方向的平面外振蕩運動。
10.根據權利要求9所述的MEMS裝置,其特征在于,所述能運動框架響應于圍繞第二軸
的角刺激在所述第二方向運動,所述第二軸大體上垂直于所述鏡像對稱軸并大體上平行于
所述基板的所述表面。
11.一種微機電系統(MEMS)角速率傳感器,其特征在于,包括:
基板;
第一驅動塊和第二驅動塊,其懸置在所述基板的表面上方;以及
第一彈簧系統和第二彈簧系統,用于將所述第一驅動塊耦合至所述第二驅動塊,所述
第一彈簧系統和所述第二彈簧系統被設置在所述MEMS裝置的鏡像對稱軸的相對側上,所述
鏡像對稱軸大體上平行于所述第一驅動塊和第二驅動塊的線性振蕩驅動運動的方向朝向,
其中,所述第一彈簧系統和所述第二彈簧系統中的每個彈簧系統包括:
剛性梁,其具有橫向于所述第一能運動塊和所述第二能運動塊的所述運動方向朝向的
縱長尺寸,其中,所述剛性梁的中心區經由錨定元件被彈性地耦合至所述基板的所述表面,
所述剛性梁能夠響應于所述線性振蕩驅動運動在大體上平行于所述基板的所述表面的平
面中樞轉;
第一撓曲部,其直接耦合至所述剛性梁的第一端并直接耦合至所述第一驅動塊,所述
第一撓曲部在偏離所述鏡像對稱軸的第一距離耦合至所述第一驅動塊;以及
第二撓曲部,其直接耦合至所述剛性梁的第二端并直接耦合至所述第二驅動塊,所述
第二撓曲部在偏離所述鏡像對稱軸的第二距離耦合至所述第二驅動塊,所述第二距離小于
所述第一距離。
12.根據權利要求11所述的MEMS裝置,其特征在于,所述剛性梁的所述中心區包括框架
結構,所述錨定元件駐留在所述框架結構的中心開口中,并且所述第一彈簧系統和所述第
二彈簧系統中的每個彈簧系統還包括至少一個彈性構件,所述彈性構件在所述錨定元件和
所述框架結構的內周邊之間互連。
13.根據權利要求11所述的MEMS裝置,其特征在于,所述第一撓曲部和第二撓曲部橫向
于所述剛性梁朝向。
14.根據權利要求11所述的MEMS裝置,其特征在于,還包括:
感測框架,其具有中心開口,所述第一驅動塊和所述第二驅動塊駐留在所述中心開口
中;
錨定件,其耦合至所述基板的所述表面;以及
扭轉梁,其在所述感測框架和所述錨定件之間互連,所述扭轉梁使得所述感測框架能
夠圍繞第二軸旋轉運動,所述第二軸垂直于所述鏡像對稱軸并大體上平行于所述基板的所
述表面。
15.根據權利要求14所述的MEMS裝置,其特征在于,還包括:
第一鏈接彈簧部件,其將所述第一驅動塊與所述感測框架耦合;以及
第二鏈接彈簧部件,其將所述第二驅動塊與所述感測框架耦合。
16.根據權利要求14所述的MEMS裝置,其特征在于,所述感測框架響應于圍繞所述第二
軸的角刺激而運動。
17.一種用于感測圍繞旋轉軸的角刺激的方法,其特征在于,所述方法包括:
提供具有第一驅動塊和第二驅動塊的角速率傳感器與具有中心開口的感測框架,所述
第一驅動塊和所述第二驅動塊駐留在所述中心開口中,所述第一驅動塊和所述第二驅動塊
經由第一彈簧系統和第二彈簧系統彼此耦合,所述感測框架經由鏈接彈簧系統耦合至所述
第一驅動塊和所述第二驅動塊,所述第一彈簧系統和所述第二彈簧系統設置在所述角速率
傳感器的鏡像對稱軸的相對側上,所述鏡像對稱軸大體上平行于所述第一驅動塊和所述第
二驅動塊的運動方向朝向,其中,所述第一彈簧系統和所述第二彈簧系統中的每個彈簧系
統包括剛性梁、第一撓曲部和第二撓曲部,所述剛性梁具有橫向于所述第一驅動塊和所述
第二驅動塊的所述運動方向朝向的縱長尺寸,所述第一撓曲部直接耦合至所述剛性梁的第
一端并直接耦合至所述第一能運動塊,所述第二撓曲部直接耦合至所述剛性梁的第二端并
直接耦合至所述第二驅動塊;
致動所述第一驅動塊和所述第二驅動塊以在驅動頻率進行反相線性振蕩運動,所述反
相線性振蕩運動大體上平行于基板的表面,所述第一驅動塊和所述第二驅動塊懸置在所述
基板的所述表面上方;
感測所述感測框架響應于所述角刺激的平面外振蕩運動;以及
響應于所述感測框架的所述感測到的平面外振蕩運動,確定圍繞所述旋轉軸的所述角
刺激的量值。
18.根據權利要求17所述的方法,其特征在于,所述第一彈簧系統和所述第二彈簧系統
被配置成將所述第一驅動塊和所述第二驅動塊限制于在所述驅動頻率的所述反相線性振
蕩運動。
19.根據權利要求18所述的方法,其特征在于,所述第一彈簧系統和所述第二彈簧系統
中的每個彈簧系統的所述剛性梁的中心區經由錨定元件彈性地耦合至所述基板的所述表
面,所述剛性梁能夠響應于所述第一驅動塊和所述第二驅動塊的所述反相線性振蕩運動在
大體上平行于所述基板的所述表面的平面中樞轉。
20.根據權利要求17所述的方法,其特征在于:
所述第一驅動塊和所述第二驅動塊進行大體上平行于所述鏡像對稱軸的所述反相線
性振蕩運動,
所述旋轉軸大體上垂直于所述鏡像對稱軸并大體上平行于所述基板的所述表面;并且
所述感測框架沿正交于所述鏡像對稱軸和所述旋轉軸的軸線進行所述平面外振蕩運
動。

說明書

用于共模抑制的帶有耦合彈簧的慣性傳感器

技術領域

本發明大體上涉及微機電系統(MEMS)裝置。更確切地說,本發明涉及通常不易受
由同相運動造成的誤差影響的MEMS慣性傳感器。

背景技術

近年來,微機電系統(MEMS)技術已得到廣泛普及,因為MEMS技術提供了形成極小
的機械結構并使用常規的批量半導體加工技術將這些結構與電氣裝置在單個基板上集成
的方式。MEMS的一個常見應用是傳感器裝置的設計和制造。MEMS傳感器裝置廣泛用于例如
汽車、慣性導引系統、家用電器、游戲裝置、用于各種裝置的保護系統以及許多其它工業、科
學和工程系統等應用。具體而言,MEMS陀螺儀傳感器越來越適于在汽車工業中使用以有助
于防側翻系統中的防滑控制和電子穩定性控制。

MEMS陀螺儀傳感器,可替代地被稱作“陀螺儀”、“角速率傳感器”、“陀螺測試儀”、
“陀螺儀傳感器”或“橫擺速率傳感器”,其是感測角速度或圍繞一或多個軸的速度的慣性傳
感器。一種此類傳感器被稱作“X軸”陀螺儀,其被配置成感測由于科氏加速度分量的影響,
圍繞平行于陀螺儀基板的軸線的角旋轉。

許多MEMS角速率傳感器利用懸置在基板上方的振動結構。一種此類角速率傳感器
通常被稱為“調音叉”角速率傳感器并且通常具有靜電驅動器和電容式感測。調音叉角速率
傳感器可以包括一對驅動塊和/或一對感測塊。該對驅動塊在相反相位被驅動(即,反相)。
響應于圍繞輸入軸線的外部角刺激,該一或多個感測塊通過采用該科氏加速度分量來運
動。該一或多個感測塊的運動具有與該角速率傳感器圍繞該輸入軸線的角旋轉速率成比例
的幅值。

不利的是,此類角速率傳感器易受兩個驅動塊和/或兩個感測塊的共模激勵影響。
共模激勵是由于外部的刺激(例如,沖擊、振動、偽加速度),兩個能運動塊應該反相運動,但
改為在相同方向并以相同幅值運動的狀況。該同相運動的頻率(也被稱作共模頻率)可以和
反相運動的頻率一樣低或更低。因此,共模激勵(即,同相運動)可能引起角速率傳感器的不
準確性和/或可能導致該角速率傳感器的永久失效。此外,該角速率傳感器的不準確性或失
效的可能性被相對低的共模頻率加重。

發明內容

根據本發明的一個方面,提供一種微機電系統(MEMS)裝置,包括:

基板;

第一能運動塊和第二能運動塊,其懸置在所述基板的表面上方;以及

第一彈簧系統和第二彈簧系統,用于將所述第一能運動塊耦合至所述第二能運動
塊,所述第一彈簧系統和所述第二彈簧系統被設置在所述MEMS裝置的鏡像對稱軸的相對側
上,所述鏡像對稱軸大體上平行于所述第一能運動塊和所述第二能運動塊的運動方向,其
中,所述第一彈簧系統和所述第二彈簧系統中的每個彈簧系統包括:

剛性梁,其具有橫向于所述第一能運動塊和所述第二能運動塊的所述運動方向朝
向的縱長尺寸;

第一撓曲部,其直接耦合至所述剛性梁的第一端并直接耦合至所述第一能運動
塊;以及

第二撓曲部,其直接耦合至所述剛性梁的第二端并直接耦合至所述第二驅動塊。

根據本發明的另一個方面,提供一種用于感測圍繞旋轉軸的角刺激的方法,所述
方法包括:

提供具有第一驅動塊和第二驅動塊的角速率傳感器與具有中心開口的感測框架,
所述第一驅動塊和所述第二驅動塊駐留在所述中心開口中,所述第一驅動塊和所述第二驅
動塊經由第一彈簧系統和第二彈簧系統彼此耦合,所述感測框架經由鏈接彈簧系統耦合至
所述第一驅動塊和所述第二驅動塊,所述第一彈簧系統和所述第二彈簧系統設置在所述角
速率傳感器的鏡像對稱軸的相對側上,所述鏡像對稱軸大體上平行于所述第一驅動塊和所
述第二驅動塊的運動方向朝向,其中,所述第一彈簧系統和所述第二彈簧系統中的每個彈
簧系統包括剛性梁、第一撓曲部和第二撓曲部,所述剛性梁具有橫向于所述第一驅動塊和
所述第二驅動塊的所述運動方向朝向的縱長尺寸,所述第一撓曲部直接耦合至所述剛性梁
的第一端并直接耦合至所述第一能運動塊,所述第二撓曲部直接耦合至所述剛性梁的第二
端并直接耦合至所述第二驅動塊;

致動所述第一驅動塊和所述第二驅動塊以在驅動頻率進行反相線性振蕩運動,所
述反相線性振蕩運動大體上平行于基板的表面,所述第一驅動塊和所述第二驅動塊懸置在
所述基板的所述表面上方;

感測所述感測框架響應于所述角刺激的平面外振蕩運動;以及

響應于所述感測框架的所述感測到的平面外振蕩運動,確定圍繞所述旋轉軸的所
述角刺激的量值。

附圖說明

當結合附圖考慮時,通過參考具體實施方式和權利要求書可以得到本發明的更完
整的理解,其中相似的附圖標記指整個附圖中類似的項目,不一定按比例繪制附圖,并且:

圖1示出了根據實施例的微機電系統(MEMS)裝置的俯視圖;

圖2示出了MEMS裝置沿圖1中的截面線2-2的側視圖;

圖3示出了圖1的MEMS裝置的放大局部俯視圖;

圖4示出了根據實施例的圖1的MEMS裝置的概念模型,該MEMS裝置具有經由彈簧系
統耦合的驅動塊;

圖5示出了圖4的展示驅動塊在第一方向的反相運動的概念模型;以及

圖6示出了圖4的展示驅動塊在第二方向的反相運動的概念模型。

具體實施方式

概括地說,本文所公開的實施例涉及具有共模抑制結構的微機電系統(MEMS)裝
置,例如角速率傳感器,,并且涉及利用該角速率傳感器感測圍繞旋轉軸的角刺激的方法。
該MEMS裝置包括共模抑制結構,其采用一對彈簧系統耦合一對能運動塊的形式。該彈簧系
統使得該能運動塊能夠基本反相振蕩運動,同時提高共模頻率,以便該能運動塊的同相運
動得以被有效抑制。就對沖擊、振動、偽加速度以及可能以其它方式導致角速率傳感器的不
準確性或失效的類似刺激的抵抗性而言,明顯大于反相振蕩運動的頻率的共模頻率是有利
的。雖然在本文中描述了MEMS角速率傳感器,但應理解,驅動和感測彈簧系統可適于用在實
現雙能運動塊反相運動并且該雙能運動塊同相運動被抑制的其它MEMS裝置中。

提供本公開以使得在應用時能夠根據本發明以使得能夠實現制作和使用各種實
施例的最佳模式的方式進一步解釋所述最佳模式。進一步提供本公開以加強對本發明的創
造性原理及其優點的理解和了解,但不是為了以任何方式限制本發明。本發明僅通過所附
權利要求書界定,所附權利要求書包括在發布的本申請和那些權利要求的所有等效物的未
決期間進行的任何修正。

參考圖1-3,圖1示出了根據實施例的微機電系統(MEMS)裝置20的俯視圖。圖2示出
了MEMS裝置20沿圖1中的截面線2-2的側視概念圖,以及圖3示出了MEMS裝置20的放大局部
俯視圖。MEMS裝置20通常被配置成感測圍繞三維坐標系中的旋轉軸22,即X軸的角速率。因
此,MEMS裝置20在本文中被稱作陀螺儀傳感器20。按照慣例,所示的陀螺儀傳感器20在X-Y
平面24內具有大體平面結構,其中,Y軸25在圖1和3中向上和向下延伸,Z軸26在頁面外延伸
(垂直于圖1和3中的X-Y平面24),以及Z軸26在圖2中向上和向下延伸。

陀螺儀傳感器20包括下文將詳細描述的平面基板28、驅動塊系統、感測塊32以及
各種機械鏈接。在圖1-2的具體實施例中,驅動塊系統駐留在中心開口34中,中心開口34延
伸穿過感測塊32的框架結構。該驅動塊系統包括一對能運動塊,其在本文中被稱作第一驅
動塊36和第二驅動塊38。第二驅動塊38相對于第一驅動塊36橫向設置在X-Y平面24中,以及
第一驅動塊36和第二驅動塊38圍繞旋轉軸22相對于彼此對稱地定位。

驅動系統40駐留在中心開口34中并可操作地與第一驅動塊36和第二驅動塊38中
的每個驅動塊通信。更確切地說,驅動系統40包括被配置成振蕩第一驅動塊36的一組驅動
元件42,以及被配置成振蕩第二驅動塊38的另一組驅動元件44。驅動元件42和44中的每組
驅動元件包括被稱作梳指46和48的電極對。在實施例中,梳指46耦合至第一驅動塊36和第
二驅動塊38中的每個驅動塊的周邊并從該周邊延伸。梳指48經由錨定件52被固定至基板28
的表面50。梳指48和梳指46以交替的排列隔開和放置。借助于梳指46對驅動塊結構36和38
的附接,梳指46可連同驅動塊結構36、38一起運動。相反,由于梳指48至基板28的固定附接,
梳指48相對于梳指46是固定的。因此,梳齒46在本文中被稱作能運動指形件46,而梳指48在
本文中被稱作固定指形件48。為了圖示清楚起見,僅示出幾個能運動指形件46和固定指形
件48。本領域的技術人員應該很容易認識到梳指的數量和結構將根據設計要求而變化。

在一些實施例中,固定指形件48的整個長度可附接至基板28的表面50。在替代實
施例中,固定指形件48中的每個固定指形件可在如由錨定件52表示的單個位置被錨定于基
板28的表面50,而固定指形件48中的每個固定指形件的其余部分懸置在表面28上方。在一
些實施例中,該第二種方法可能是合乎需要的,以便在使用區域中實現更高的效率并降低
對封裝應力的敏感性。

為了一致性,在以下附圖的整個描述中,將陀螺儀傳感器20的元件連接至基板28
的底層表面50的任何錨定結構例如錨定件52用點畫圖案示出。相反,不是錨定結構并因此
被懸置在基板28的表面50上方的任何元件并不包括這種點畫圖案。

第一驅動塊36和第二驅動塊38被配置成在X-Y平面24內進行振蕩運動。一般而言,
交流(AC)電壓可經由驅動電路(未示出)施加于固定指形件48,以致使第一驅動塊36和第二
驅動塊38在大體上平行于Y軸25的運動方向以線性方式振蕩。在實施例中,交流電壓適當地
施加于固定指形件48以致使能運動指形件46(并因此第一驅動塊36和第二驅動塊38)大體
上平行于固定指形件48運動。如將在下面相當詳細地討論的,第一驅動塊36和第二驅動塊
38以一對耦合彈簧的形式經由共模抑制結構被適當地鏈接在一起,該對耦合彈簧在本文中
被稱作第一彈簧系統54和第二彈簧系統55。第一彈簧系統54和第二彈簧系統55構成的共模
抑制結構被配置成使塊36、38能夠在相對方向運動,即,沿Y軸25反相運動,同時抑制沿Y軸
25的同相(共模)運動。

鏈接彈簧部件56將第一驅動塊36和第二驅動塊38中的每個驅動塊耦合至感測塊
32。因此,第一驅動塊36和第二驅動塊38被懸置在基板28的表面50上方。鏈接彈簧部件56可
為任何適宜的形狀、尺寸和材料,其允許驅動塊結構36和38沿Y軸54在平面24中的巨大振蕩
線性運動,但又是足夠剛性的以將來自第一驅動塊36和第二驅動塊38的科氏力沿Z軸26傳
送至感測塊32。

陀螺儀傳感器20還包括軸上扭轉彈簧58和離軸彈簧系統60。軸上扭轉彈簧58被耦
合至感測塊32并處于與旋轉X軸22相同的位置。在所示出的實施例中,軸上扭轉彈簧58中的
每個軸上扭轉彈簧經由錨定件62將感測塊32連接至基板28的表面50,錨定件62也處于與旋
轉X軸22相同的位置。

感測塊32包括對稱地定位在旋轉X軸22的相對側上的外端64和外端66。也就是說,
感測塊32的框架結構的中心居于旋轉X軸22,以便外端64和66距離旋轉X軸22是等距的。在
所示出的實施例中,離軸彈簧系統60包括離軸彈簧68、70、72和74。離軸彈簧68和72設置在
感測塊32的外端64,并且離軸彈簧70和74設置在感測塊32的外端66。具體而言,離軸彈簧
68、70、72和74中的每個離軸彈簧具有連接接口76,其在偏離旋轉X軸22的位置直接物理耦
合至感測塊32。在所示出的實施例中,彈簧68、70、72、74中的每個彈簧經由錨定件78將感測
塊32連接至基板28的表面50。因此,彈簧68、70、72和74一般是線性彈簧,它們中的每個彈簧
具有耦合至感測塊32的連接接口76和耦合至錨定件78中的一個錨定件的相對端,該線性彈
簧限定感測塊32的平面外運動,以便感測塊32圍繞旋轉X軸22旋轉。

一般而言,通過實施彈簧54、55、58、68、70、72和74引發的感測塊32的旋轉剛度是Z
軸彈簧常數(即,線性彈簧68、70、72和74中的每個線性彈簧的彈簧常數以及第一彈簧系統
54和第二彈簧系統55與軸上扭轉彈簧58的彈簧常數)的函數。然而,由于它們的設計,第一
彈簧系統54和第二彈簧系統55的存在所產生的感測塊32的旋轉剛度明顯小于彈簧58、68、
70、72、74的旋轉剛度。因此,在確定感測塊32的旋轉剛度時,第一彈簧系統54和第二彈簧系
統55的彈簧常數可以忽略。

感測塊32的旋轉剛度另外是彈簧68、72在感測塊32的端部64和彈簧70、74在感測
塊32的端部66之間的距離的函數。如果彈簧68、70、72和74具有相同的彈簧常數,則彈簧68、
70、72和74的有效樞轉點在中間位置。也就是說,彈簧68、70、72和74的對稱布置產生感測塊
32的與旋轉X軸22和軸上扭轉彈簧58一致的有效樞轉點。軸上扭轉彈簧58與離軸彈簧系統
60的彈簧68、70、72和74的形狀、尺寸、數量、位置、材料和彈簧常數可以根據已知的機械設
計原理來適當地選擇,以為了頻率匹配、穩定性和感測范圍實現期望剛度。

基板28可以包括由一或多個絕緣層(未示出)覆蓋的半導體層(未示出)。該半導體
層通常是硅晶片,在一些情況下,可使用常規的制造技術在該硅晶片上制造與陀螺儀傳感
器20相關聯的電子器件。該絕緣層可包含玻璃、二氧化硅、氮化硅或任何其它相容材料。各
種能導電的板或電極結合陀螺儀傳感器20的其它固定部件在基板28的表面50上形成。

在簡化的實施例中,電極包括X感測電極82和84。導體(未示出)可以在基板28上形
成以提供至電極82和84以及至感測塊32的單獨電連接。電極82和84由導電材料例如多晶硅
形成,并且如果為此類部件選擇相同的材料,則電極82和84可以作為相應導體同時形成。。
電極82和84在圖2中是可見的,但是在圖1中,被上覆的感測塊32遮擋。因此,在圖1中,電極
82和84以虛線形式表示以示出它們相對于感測塊32的物理布置。雖然只示出X感測電極82
和84,但是本領域的技術人員應當明白,在可替換的實施例中,可提供另外的電極類型以用
于頻率調諧、力反饋和/或正交補償。

具體參考圖1和3,將第一驅動塊36耦合至第二驅動塊38的第一彈簧系統54和第二
彈簧系統55被設置在陀螺儀傳感器20的鏡像對稱軸86的相對側上。鏡像對稱軸是這樣的軸
線:如果形狀在該軸線對折,則該形狀的兩個半部將是相同的,即,該兩個半部是彼此的鏡
像。在陀螺儀傳感器20的配置中,鏡像對稱軸86是陀螺儀傳感器20的中軸線并平行于Y軸
25。由于第一驅動塊36和第二驅動塊38大體上平行于Y軸運動,因此,鏡像對稱軸86大體上
平行于第一驅動塊36和第二驅動塊38的運動方向朝向。

第一彈簧系統54和第二彈簧系統55中的每個彈簧系統包括剛性梁88,其具有橫向
于第一驅動塊36和第二驅動塊38的運動方向,即,橫向于Y軸25朝向的縱長尺寸90。每個剛
性梁88的縱長尺寸90與軸上扭轉彈簧58縱向對準。因此,剛性梁88被放置在旋轉軸22,并因
此,剛性梁88未被設置在旋轉軸22,即,X軸的相對側上。

第一撓曲部92直接耦合至剛性梁88的第一端94。第一撓曲部92也直接耦合至第一
驅動塊36。第二撓曲部96直接耦合至剛性梁88的第二端98。第二撓曲部96也直接耦合至第
二驅動塊38。第一撓曲部92和第二撓曲部96中的每個撓曲部大體上橫向于剛性梁88朝向。
短語“直接耦合”定義為不存在插在“直接耦合”的兩個元件之間的撓曲部、剛性梁或任何其
它結構的在兩個元件之間的耦合。

如上所述,第一彈簧系統54和第二彈簧系統55設置在鏡像對稱軸86的相對側上。
因此,彈簧系統54、彈簧系統55中的每個彈簧系統的第一撓曲部92在偏離鏡像對稱軸86的
第一距離100耦合至第一驅動塊36。同樣,彈簧系統54、彈簧系統55中的每個彈簧系統的第
二撓曲部98在偏離鏡像對稱軸86的第二距離102耦合至第二驅動塊38。根據所示出的配置,
第二距離102小于第一距離100。因此,第一撓曲部92中的每個撓曲部在第一驅動塊36的外
緣104耦合至第一驅動塊36的周邊。相反,第二撓曲部94中的每個撓曲部在明顯更接近鏡像
對稱軸86的位置耦合至第二驅動塊38的周邊,其中,該位置也并不干擾能運動指形件46和
固定指形件48的布置。

在實施例中,第一彈簧系統54和第二彈簧系統55中的每個彈簧系統的剛性梁88的
中心區106經由錨定元件108被彈性耦合至基板28的表面50。更具體地說,第一彈簧系統54
和第二彈簧系統55中的每個彈簧系統的剛性梁88包括沿剛性梁88的長度被中心定位的框
架結構110。錨定元件108耦合至基板28的表面50并駐留在框架結構110的中心開口112中。
第一彈簧系統54和第二彈簧系統55中的每個彈簧系統還包括在錨定元件106和框架結構
110的內周邊116之間互連的彈性構件114。剛性梁88與第一撓曲部92和第二撓曲部96的互
連,連同剛性梁88經由彈性構件114和錨定元件108彈性耦合至基板28的表面50,一起允許
剛性梁88在X-Y平面24中樞轉。

在運行中,驅動系統(其包括能運動指形件46和固定指形件48)賦予第一驅動塊36
和第二驅動塊38由于靜電力的振蕩線性運動。第一驅動塊36和第二驅動塊38的運動致使第
一撓曲部92和第二撓曲部92以及彈性構件114的變形/彎曲,以及第一彈簧系統54和第二彈
簧系統55中的每個彈簧系統的剛性梁88的樞轉運動。剛性梁88的樞轉運動在大體上垂直于
X-Y平面24的中心區106圍繞鉸接點/約束部。此外,第二彈簧系統55的剛性梁88在與第一彈
簧系統54的剛性梁88的樞轉運動相反的方向樞轉。因此,一種配置,其中兩個彈簧系統54、
55中的每個彈簧系統包括第一撓曲部92和第二撓曲部92以及與剛性梁88組合的彈性構件
114,該配置產生第一驅動塊36和第二驅動塊38在大致平行于Y軸25的相對方向(即,圖1和3
中向上和向下)的大體上線性的振蕩(反相)。

然而,通常傾向于沿驅動軸,例如Y軸25使第一驅動塊36和第二驅動塊38運動量相
同并在相同方向運動的共模激勵(例如沖擊、振動等)被至基板28的第一彈簧系統54和第二
彈簧系統55中的每個彈簧系統的剛性梁88的約束而抵消。因此,第一驅動塊36和第二驅動
塊40在驅動頻率的共模激勵(即,同相運動)大部分被抑制。

在“調音叉”類型的角速率傳感器運行期間,驅動塊(例如,驅動塊36、38)的位移通
常遠遠大于一或多個感測塊(例如,感測塊32)的位移。由于這種相對大的位移,驅動彈簧運
動的非線性可能導致線性誤差。除抑制共模激勵之外,第一彈簧系統54和第二彈簧系統55
的配置還產生第一驅動塊36和第二驅動塊28的線性振蕩行為,由此緩解在先前技術配置中
所觀察到的與非線性驅動彈簧運動相關聯的問題。

如先前所提到,其中,旋轉軸表示為X軸22,驅動塊結構36和38在大體上平行于Y軸
25的相對方向以線性方式振蕩(即,在圖1和3中向上和向下)。由于科氏加速度分量、軸上扭
轉彈簧58以及構成離軸彈簧系統60的彈簧68、70、72、74使得感測塊32能夠沿Z軸26在X-Y平
面24外振蕩,該振蕩作為陀螺儀傳感器20圍繞旋轉X軸22的角速率(即,角速度)的函數。

鏈接彈簧部件56將感測塊32耦合至第一驅動塊36和第二驅動塊38,使得感測塊32
相對于驅動塊30的振蕩線性運動從驅動塊30大體上解耦,但是相對于感測塊32在X-Y平面
24外的振蕩運動被耦合至第一驅動塊36和第二驅動塊38。換句話說,經由鏈接彈簧部件56
建立的鏈接被配置成使得感測塊32相對不受第一驅動塊36和第二驅動塊38沿Y軸25的線性
運動影響。然而,感測32被鏈接至第一驅動塊36和第二驅動塊38,由于在陀螺儀傳感器20圍
繞旋轉X軸22旋轉期間的科氏力,使得感測塊32以及第一驅動塊36和第二驅動塊38兩者聯
合進行平面外運動。此外,由于它們的設計,第一彈簧系統54和第二彈簧系統55也遵循感測
塊32以及第一驅動塊36和第二驅動塊38圍繞旋轉X軸22的旋轉。由于感測塊32進行平面外
振蕩運動,位置變化被電極82、84感測為電容的變化。這種電容變化在電極82、84處進行感
測并以常規的方式來電子化處理,以確定陀螺儀傳感器20圍繞旋轉X軸22的角刺激的量值
(即,角速率)。

第一驅動塊36和第二驅動塊38沿Y軸25的驅動運動之間的耦合以及陀螺儀傳感器
20圍繞旋轉X軸22的角速率產生科氏力,該科氏力繼而使感測塊32沿Z軸26在平面24外位
移。該科氏力量值是極小的。根據實施例,可以采用陀螺20的共振以便升高輸出信號(即,在
電極82、84所感測的電容)。也就是說,至少部分由于驅動塊36、38經由彈簧系統54、55的耦
合以及鏈接彈簧部件56的存在,感測塊32的振蕩頻率足以接近驅動塊系統30的第一驅動塊
36和第二驅動塊38的振蕩頻率,以用于從第一驅動塊36和第二驅動塊38感測塊32的理想能
量傳送。

圖4示出了根據實施例的具有經由第一彈簧系統54和第二彈簧系統55耦合的第一
驅動塊36和第二驅動塊38的陀螺儀傳感器20的概念模型118。在概念模型118中,彈簧系統
54、55的錨定元件108由三角形表示。相似地,用于軸上扭轉彈簧58的錨定件62也由三角形
表示。鏈接彈簧部件56由將第一驅動塊36和第二驅動塊38與感測塊32互連的簡單線表示。
然而,為簡單起見,離軸彈簧68、70、72、74(圖1)以及它們的相關聯錨定件78(圖1)未在概念
模型118中示出。

彈簧系統54、55的梁88的剛度提供對在共振工作頻率,即,基本驅動頻率的同相驅
動運動(平行于Y軸25)的機械約束,該同相驅動運動由兩個同向箭頭120、122表示。因此,第
一驅動塊36和第二驅動塊38在驅動頻率的由于外部振動、沖擊、偽加速度或干擾所造成的
同相運動120、122在很大程度上被阻止。也就是說,由于足夠高的同相運動120、122,第一彈
簧系統54和第二彈簧系統55的機械約束可能增大在本文中被稱作共模驅動頻率124并標記
為FCM-S的同相頻率分量,使得共模驅動頻率124超出陀螺儀傳感器20的工作范圍。因此,共
模激勵在平行于Y軸25的驅動方向被有效遏制或以其他方式被抑制。

參考圖5和6,圖5示出了展示第一驅動塊36和第二驅動塊38在第一方向130的反相
線性振蕩驅動運動126、128的概念模型118,以及圖6示出了展示第一驅動塊36和第二驅動
塊38在第二方向132的反相線性振蕩驅動運動126、128的概念模型118。第一驅動塊36和第
二驅動塊38經致動以進行反相線性振蕩驅動運動126、128。由于在陀螺儀傳感器20圍繞旋
轉X軸22旋轉期間的科氏力,感測塊32進行平面外運動,如上面所充分論述的。響應于圍繞
旋轉X軸22的角刺激,感測塊32的平面外振蕩運動的經由電極82、84感測,以及響應于感測
塊32的所感測到的平面外振蕩運動,該角刺激的量值被確定。

在圖5中,反相線性振蕩驅動運動126、128使第一驅動塊36和第二驅動塊38在第一
方向130彼此遠離運動。由于第一驅動塊36和第二驅動塊38彼此遠離運動,撓曲部92、96以
及彈性構件114使得剛性梁88中的每個剛性梁能夠在相對方向旋轉運動,如箭頭134、136所
表示。在圖6中,反相線性振蕩驅動運動126、128使第一驅動塊和第二驅動塊38在第二方向
132朝著彼此運動。此外,由于第一驅動塊36和第二驅動塊38朝著彼此運動,撓曲部92、96以
及彈性構件114使得剛性梁88中的每個剛性梁能夠在相對方向旋轉運動,如箭頭138、140所
表示。

因此,能夠實現反相線性振蕩驅動運動126、128,而同相(即,共模)運動120、122
(圖4)基本上被阻止。也就是說,使得第一彈簧系統54和第二彈簧系統55中的每個彈簧系統
的剛性梁88能夠響應于反相線性振蕩驅動運動126、128圍繞該剛性梁88的中心鉸接點樞
轉。另外,在由于撓曲部92、96以及彈性構件114在大體上平行于Y軸25的驅動方向中的不一
致而承受共模激勵(例如,外部沖擊、振動或其它加速度)時,第一彈簧系統54和第二彈簧系
統55中的每個彈簧系統的剛性梁88被限制為非樞轉配置。

本發明的實施例涉及具有共模抑制結構的微機電系統(MEMS)裝置例如陀螺儀傳
感器,和利用該陀螺儀傳感器感測圍繞旋轉軸的角刺激的方法。MEMS裝置的實施例包括基
板、懸置在該基板的表面上方的第一能運動塊和第二能運動塊,以及用于使該第一能運動
塊耦合至該第二能運動塊的第一彈簧系統和第二彈簧系統。該第一彈簧系統和第二彈簧系
統設置在該MEMS裝置的鏡像對稱軸的相對側上,其中,該鏡像對稱軸大體上平行于該第一
能運動塊和第二能運動塊的運動方向朝向。該第一彈簧系統和第二彈簧系統中的每個彈簧
系統包括剛性梁、第一撓曲部和第二撓曲部,該剛性梁具有橫向于該第一能運動塊和第二
能運動塊的運動方向朝向的縱長尺寸,該第一撓曲部直接耦合至該剛性梁的第一端并直接
耦合至該第一能運動塊,該第二撓曲部直接耦合至該剛性梁的第二端并直接耦合至該第二
驅動塊。

一種用于感測圍繞旋轉軸的角刺激的方法的實施例包括:提供具有第一驅動塊和
第二驅動塊以及感測框架的角速率傳感器,該感測框架具有中心開口,該第一驅動塊和第
二驅動塊駐留在該中心開口中,該第一驅動塊和第二驅動塊經由第一彈簧系統和第二彈簧
系統彼此耦合,該感測框架經由鏈接彈簧系統耦合至該第一驅動塊和第二驅動塊,該第一
彈簧系統和第二彈簧系統被設置在該角速率傳感器的鏡像對稱軸的相對側上,該鏡像對稱
軸大體上平行于該第一驅動塊和第二驅動塊的運動方向朝向,其中,該第一彈簧系統和第
二彈簧系統中的每個彈簧系統包括剛性梁,該剛性梁具有橫向于該第一驅動塊和第二驅動
塊的運動方向朝向的縱長尺寸、直接耦合至該剛性梁的第一端并直接耦合至該第一能運動
塊的第一撓曲部,以及直接耦合至該剛性梁的第二端并直接耦合至該第二驅動塊的第二撓
曲部。方法還包括致動該第一驅動塊和第二驅動塊以在驅動頻率進行反相線性振蕩運動,
該反相線性振蕩運動大體上平行于基板的表面,該第一驅動塊和第二驅動塊被懸置在該基
板的表面上方,該方法還包括響應于該角刺激感測該感測框架的平面外振蕩運動,以及響
應于該感測框架的所感測到的平面外振蕩運動確定圍繞該旋轉軸的角刺激的量值。

MEMS裝置具有耦合一對能運動塊的一對彈簧系統,使得該能運動塊能夠基本反相
振蕩運動同時提高共模頻率,以便該能運動塊的同相運動被有效地抑制。就對沖擊、振動、
偽加速度以及可能以其它方式導致角速率傳感器的不準確性或失效的類似刺激的抵抗性
而言,明顯大于反相振蕩運動的頻率的共模頻率是有利的。

本公開旨在闡明如何根據本發明形成和使用各種實施例而非限制本發明的真實、
既定和公平的范圍及精神。前述描述并不打算是窮盡性的或將本發明限于所揭示的確切形
式。鑒于以上傳授內容,許多修改或變型是可能的。選擇和描述一或多個實施例以提供對本
發明的原理和其實際應用的最佳說明,進而使得本領域的普通技術人員能夠在不同實施例
中利用本發明并且其不同修改適合應用于所涵蓋的特定用途。當根據清楚地、合法地并且
公正地賦予的權利的廣度來解釋時,所有這樣的修改和變化及其所有等效物均處于如由所
附權利要求書所確定的本發明的范圍內,并且在本專利申請未決期間可以修正。

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用于 抑制 帶有 耦合 彈簧 慣性 傳感器
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