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具有共模抑制結構的MEMS裝置.pdf

摘要
申請專利號:

CN201610391466.8

申請日:

2016.06.06

公開號:

CN106257238A

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 19/5621申請日:20160606|||專利申請權的轉移IPC(主分類):G01C 19/5621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: G01C19/5621(2012.01)I 主分類號: G01C19/5621
申請人: 飛思卡爾半導體公司
發明人: 邵鵬; 安德魯·C·麥克尼爾
地址: 美國得克薩斯州
優先權: 2015.06.19 US 14/744,693
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:

CN201610391466.8

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2018.06.29|||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

本發明提供一種MEMS裝置,該MEMS裝置包括耦合一對驅動塊的驅動彈簧系統和耦合一對感測塊的感測彈簧系統。該驅動彈簧系統包括受約束的剛性梁和使該對驅動塊互連的彎曲部。響應于該驅動塊的驅動移動,該彎曲部使該受約束的剛性梁能夠圍繞該剛性梁的中心鉸接點樞轉移動,從而實現該驅動塊的反相驅動運動并抑制該驅動塊的同相運動。該感測彈簧系統包括對角地朝向的剛性梁和彈簧系統,該彈簧系統實現該感測塊的反相感測運動同時抑制該感測塊的同相運動。插入在該驅動塊與該感測塊之間的耦合塊使該驅動塊的該驅動運動從該感測塊的該感測運動解耦。

權利要求書

1.一種微機電系統(MEMS)裝置,其特征在于,包括:
平面基板;
驅動組合件,所述驅動組合件錨定于所述平面基板,所述驅動組合件包括第一驅動塊
和第二驅動塊;以及
剛性梁,所述剛性梁使所述第一驅動塊與所述第二驅動塊互連,所述剛性梁的縱長尺
寸垂直于所述第一和第二驅動塊的驅動方向,所述驅動方向大體上平行于所述平面基板,
其中所述剛性梁響應于所述第一和第二驅動塊在所述驅動方向上的驅動運動而圍繞大體
上垂直于所述平面基板的軸樞轉。
2.根據權利要求1所述的MEMS裝置,其特征在于,進一步包括:
第一彈性元件,所述第一彈性元件耦合在所述剛性梁的第一端與所述第一驅動塊之
間;以及
第二彈性元件,所述第二彈性元件耦合在所述剛性梁的第二端與所述第二驅動塊之
間,所述第一和第二彈性元件橫向于所述剛性梁朝向。
3.根據權利要求2所述的MEMS裝置,其特征在于,所述剛性梁以及所述第一和第二彈性
元件被配置成使所述第一和第二驅動塊能夠彼此反相移動。
4.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域經由至少一個
錨定元件和至少一個彎曲部彈性地耦合到所述平面基板,所述至少一個彎曲部在所述剛性
梁的所述中心區域與所述至少一個錨定元件之間互連,所述至少一個彎曲部橫向于所述剛
性梁朝向。
5.根據權利要求1所述的MEMS裝置,其特征在于,進一步包括:
第一感測塊;
第二感測塊;
第一彈性組件,所述第一彈性組件柔性地耦合所述第一感測塊與所述驅動組合件的所
述第一驅動塊;以及
第二彈性組件,所述第二彈性組件柔性地耦合所述第二感測塊與所述驅動組合件的所
述第二驅動塊,其中所述第一和第二感測塊被配置成響應于圍繞大體上垂直于所述平面基
板的所述軸的角刺激而在感測方向上移動,所述感測方向大體上平行于所述平面基板以及
大體上垂直于所述驅動方向。
6.根據權利要求1所述的MEMS裝置,其特征在于,進一步包括:
第一感測塊,所述第一感測塊與所述驅動組合件柔性地耦合;
第二感測塊,所述第二感測塊與所述驅動組合件柔性地耦合,所述第一和第二感測塊
被約束為在大體上平行于所述平面基板以及大體上垂直于所述驅動方向的感測方向上移
動;以及
彈簧系統,所述彈簧系統被配置成減少所述第一和第二感測塊的同相運動,所述彈簧
系統包括:
第一彈簧布置,所述第一彈簧布置在遠離所述MEMS裝置的中心線側向移位的第一位置
處耦合到所述第一和第二感測塊中的每一個感測塊,所述中心線大體上平行于所述感測方
向朝向;以及
第二彈簧布置,所述第二彈簧布置在遠離所述中心線側向移位的第二位置處耦合到所
述第一和第二感測塊中的每一個感測塊,其中所述第一和第二彈簧布置相對于所述中心線
鏡像對稱地朝向。
7.根據權利要求6所述的MEMS裝置,其特征在于,所述第一和第二彈簧布置中的每一個
彈簧布置包括:
第一剛性梁;
第二剛性梁,其中所述第一和第二剛性梁與所述感測方向成對角地朝向;
第一側彈簧,所述第一側彈簧在所述第一剛性梁與所述第一感測塊之間柔性地互連;
以及
第二側彈簧,所述第二側彈簧在所述第二剛性梁與所述第二感測塊之間柔性地互連。
8.根據權利要求7所述的MEMS裝置,其特征在于,所述第一和第二彈簧布置中的所述每
一個彈簧布置進一步包括:
質量組件,所述質量組件懸置在所述平面基板之上;
第三側邊彈簧,所述第三側邊彈簧在所述第一剛性梁與所述質量組件之間柔性地互
連;以及
第四側邊彈簧,所述第四側邊彈簧在所述第二剛性梁與所述質量組件之間柔性地互
連,其中所述第一、第二、第三和第四側邊彈簧中的每一個側邊彈簧圍繞大體上垂直于所述
平面基板的軸可旋轉地順應。
9.根據權利要求8所述的MEMS裝置,其特征在于,所述第一、第二、第三和第四側邊彈簧
被配置成協作地運行,以使所述第一和第二剛性梁能夠響應于所述第一和第二感測塊的反
相感測運動進行樞轉移動。
10.根據權利要求1所述的MEMS裝置,其特征在于,進一步包括:
第一感測塊和第二感測塊,所述第一感測塊和第二感測塊與所述驅動組合件柔性地耦
合,所述第一和第二感測塊被約束為在大體上平行于所述平面基板以及大體上垂直于所述
驅動方向的感測方向上移動;并且
所述驅動組合件進一步包括:
第一耦合塊,所述第一耦合塊插入在所述第一驅動塊與所述第一感測塊之間,所述第
一彈性布置在所述第一感測塊與所述第一耦合塊之間互連以耦合所述第一感測塊與所述
第一驅動塊,其中所述第一耦合塊被配置成與所述第一驅動塊在所述驅動方向上同相移
動;以及
第二耦合塊,所述第二耦合塊插入在所述第二驅動塊與所述第二感測塊之間,所述第
二彈性布置在所述第二感測塊與所述第二耦合塊之間互連以耦合所述第二感測塊與所述
第二驅動塊,其中所述第二耦合塊被配置成與所述第二驅動塊在所述驅動方向上同相移
動。
11.根據權利要求10所述的MEMS裝置,其特征在于:
所述第一耦合塊另外被配置成與所述第一感測塊同相移動;并且
所述第二耦合塊另外被配置成與所述第二感測塊同相移動。
12.一種微機電系統(MEMS)裝置,其特征在于,包括:
平面基板;
驅動組合件,所述驅動組合件錨定于所述平面基板,所述驅動組合件包括第一驅動塊
和第二驅動塊;
剛性梁,所述剛性梁使所述第一驅動塊與所述第二驅動塊互連,所述剛性梁的縱長尺
寸垂直于所述第一和第二驅動塊的驅動方向朝向,所述驅動方向大體上平行于所述平面基
板,其中所述剛性梁的中心區域經由至少一個錨定元件和至少一個彎曲部彈性地耦合到所
述平面基板,所述至少一個彎曲部在所述剛性梁的所述中心區域與所述至少一個錨定元件
之間互連,所述至少一個彎曲部橫向于所述剛性梁朝向,并且所述剛性梁響應于所述第一
和第二驅動塊在所述驅動方向上的驅動運動而圍繞大體上垂直于所述平面基板的軸樞轉;
第一感測塊;
第二感測塊;
第一彈性布置,所述第一彈性布置柔性地耦合所述第一感測塊與所述驅動組合件的所
述第一驅動塊;以及
第二彈性布置,所述第二彈性布置柔性地耦合所述第二感測塊與所述驅動組合件的所
述第二驅動塊,其中所述第一和第二感測塊被配置成響應于圍繞大體上垂直于所述平面基
板的所述軸的角刺激而在感測方向上移動,所述感測方向大體上平行于所述平面基板以及
大體上垂直于所述驅動方向。
13.根據權利要求12所述的MEMS裝置,其特征在于,進一步包括被配置成減少所述第一
和第二感測塊的同相運動的彈簧系統,所述彈簧系統包括:
第一彈簧布置,所述第一彈簧布置在遠離所述MEMS裝置的中心線側向移位的第一位置
處耦合到所述第一和第二感測塊中的每一個感測塊,所述中心線大體上平行于所述感測方
向朝向;以及
第二彈簧布置,所述第二彈簧布置在遠離所述中心線側向移位的第二位置處耦合到所
述第一和第二感測塊中的每一個感測塊,其中所述第一和第二彈簧布置相對于所述中心線
鏡像對稱地朝向。
14.根據權利要求13所述的MEMS裝置,其特征在于,所述第一和第二彈簧布置中的每一
個彈簧布置包括:
第一剛性梁;
第二剛性梁,所述第一和第二剛性梁與所述感測方向成對角地朝向;
第一側彈簧,所述第一側彈簧在所述第一剛性梁與所述第一感測塊之間柔性地互連;
以及
第二側彈簧,所述第二側彈簧在所述第二剛性梁與所述第二感測塊之間柔性地互連。
15.根據權利要求14所述的MEMS裝置,其特征在于,所述第一和第二彈簧布置中的所述
每一個彈簧布置進一步包括:
質量組件,所述質量組件懸置在所述平面基板之上;
第三側邊彈簧,所述第三側邊彈簧在所述第一剛性梁與所述質量組件之間柔性地互
連;以及
第四側邊彈簧,所述第四側邊彈簧在所述第二剛性梁與所述質量組件之間柔性地互
連,其中所述第一、第二、第三和第四側邊彈簧中的每一個側邊彈簧圍繞大體上垂直于所述
平面基板的軸可旋轉地順應。
16.根據權利要求12所述的MEMS裝置,其特征在于,所述驅動組合件進一步包括:
第一耦合塊,所述第一耦合塊插入在所述第一驅動塊與所述第一感測塊之間,所述第
一耦合塊被配置成與所述第一驅動塊在所述驅動方向上同相移動,其中所述第一彈性布置
在所述第一感測塊與所述第一耦合塊之間互連以耦合所述第一感測塊與所述第一驅動塊;
以及
第二耦合塊,所述第二耦合塊插入在所述第二驅動塊與所述第二感測塊之間,所述第
二耦合塊被配置成與所述第二驅動塊在所述驅動方向上同相移動,其中所述第二彈性布置
在所述第二感測塊與所述第二耦合塊之間互連以耦合所述第二感測塊與所述第二驅動塊。
17.根據權利要求16所述的MEMS裝置,其特征在于:
所述第一耦合塊另外被配置成與所述第一感測塊同相移動;并且
所述第二耦合塊另外被配置成與所述第二感測塊同相移動。
18.一種微機電系統(MEMS)裝置,其特征在于,包括:
平面基板;
驅動組合件,所述驅動組合件錨定于所述平面基板,所述驅動組合件包括第一驅動塊
和第二驅動塊;
剛性梁,所述剛性梁具有垂直于所述第一和第二驅動塊的驅動方向朝向的縱長尺寸,
所述驅動方向大體上平行于所述平面基板;
第一彈性元件,所述第一彈性元件耦合在所述剛性梁的第一端與所述第一驅動塊之
間;以及
第二彈性元件,所述第二彈性元件耦合在所述剛性梁的第二端與所述第二驅動塊之
間,所述第一和第二彈性元件橫向于所述剛性梁朝向,其中所述剛性梁的中心區域經由至
少一個錨定元件和至少一個彎曲部彈性地耦合到所述平面基板,所述至少一個彎曲部在所
述剛性梁的所述中心區域與所述至少一個錨定元件之間互連,所述至少一個彎曲部橫向于
所述剛性梁朝向,并且所述剛性梁響應于所述第一和第二驅動塊在所述驅動方向上的驅動
運動而圍繞大體上垂直于所述平面基板的軸樞轉。
19.根據權利要求18所述的MEMS裝置,其特征在于,進一步包括:
第一感測塊;
第二感測塊;
第一彈性布置,所述第一彈性布置耦合所述第一感測塊與所述驅動組合件的所述第一
驅動塊;以及
第二彈性布置,所述第二彈性布置耦合所述第二感測塊與所述驅動組合件的所述第二
驅動塊,其中所述第一和第二感測塊被配置成響應于圍繞大體上垂直于所述平面基板的所
述軸的角刺激而在感測方向上移動,所述感測方向大體上平行于所述平面基板以及大體上
垂直于所述驅動方向。
20.根據權利要求19所述的MEMS裝置,其特征在于,所述驅動組合件進一步包括:
第一耦合塊,所述第一耦合塊插入在所述第一驅動塊與所述第一感測塊之間,所述第
一彈性布置在所述第一感測塊與所述第一耦合塊之間互連以耦合所述第一感測塊與所述
第一驅動塊,其中所述第一耦合塊被配置成與所述第一驅動塊在所述驅動方向上同相移
動,并且所述第一耦合塊另外被配置成響應于圍繞大體上垂直于所述平面基板的所述軸的
所述角刺激而與所述第一感測塊同相移動;以及
第二耦合塊,所述第二耦合塊插入在所述第二驅動塊與所述第二感測塊之間,所述第
二彈性布置在所述第二感測塊與所述第二耦合塊之間互連以耦合所述第二感測塊與所述
第二驅動塊,其中所述第二耦合塊被配置成與所述第二驅動塊在所述驅動方向上同相移
動,并且所述第二耦合塊另外被配置成響應于所述角刺激而與所述第二感測塊同相移動。

說明書

具有共模抑制結構的MEMS裝置

技術領域

本發明大體上涉及微機電系統(microelectromechanical system,MEMS)裝置。更
確切地說,本發明涉及通常不受由同相運動引起的誤差影響的MEMS裝置,例如角速率傳感
器。

背景技術

近年來,微機電系統(Microelectromechanical system,MEMS)技術已經實現廣泛
普及,因為該微機電系統提供了一種方法來制造極小的機械結構并使用常規分批半導體處
理技術將這些結構與電氣裝置在單個基板上集成。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。MEMS傳感器的一個例子是MEMS
角速率傳感器。又稱為陀螺儀的角速率傳感器感測圍繞一個或多個軸的角速率或角速度。
MEMS陀螺儀越來越適于在汽車工業中用來促進防側翻控制系統中的防滑控制和電子穩定
控制。

許多MEMS角速率傳感器利用懸浮在基板上方的振動結構。一個此種角速率傳感器
通常被稱為“音叉”角速率傳感器并且通常具有靜電驅動和電容式感測。音叉角速率傳感器
可以包括一對驅動塊和/或一對感測塊。該對驅動塊以相反的相位(即,反相)被驅動。響應
于圍繞輸入軸的外部角刺激,該對感測塊通過利用科氏加速度分量反相移動。感測塊的移
動具有與角速率傳感器圍繞輸入軸的角旋轉速率成比例的幅度。

不利的是,此類角速率傳感器容易發生兩個驅動塊和/或兩個感測塊的共模激勵。
共模激勵是兩個驅動塊和/或兩個感測塊由于外部刺激(例如,沖擊、振動、偽加速度)而在
相同的方向上且以相同的幅度移動的情況。同相運動的頻率(也稱為共模頻率)可以低至或
低于反相運動的頻率(也稱為差模頻率)。因此,共模激勵(即,同相運動)會引起角速率傳感
器的不準確性或者會導致角速率傳感器的永久失效。此外,角速率傳感器的不準確性或失
效的可能性由于相對低的共模頻率而增加。

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對本發明的更
全面理解,其中相同的附圖標記貫穿附圖指代類似的項目,不一定按比例繪制附圖,并且:

圖1示出根據實施例的MEMS裝置的頂視圖;

圖2示出圖1的MEMS裝置的放大局部頂視圖;

圖3示出圖1的MEMS裝置的另一放大局部頂視圖;

圖4示出圖1的MEMS裝置的頂視圖,其例示MEMS裝置的一對驅動塊的反相運動;

圖5示出圖1的MEMS裝置的頂視圖,其例示MEMS裝置的一對感測塊的反相運動;

圖6示出根據實施例經由彈簧系統耦合的用于圖1的MEMS裝置的一對感測塊的概
念模型;

圖7示出圖6的概念模型,其展示感測塊在第一方向上的反相運動;以及

圖8示出圖6的概念模型,其展示感測塊在第二方向上的反相運動。

具體實施方式

概括來說,本文所公開的實施例必須包括具有共模抑制結構和充分解耦的驅動和
感測模式的微機電系統(microelectromechanical system,MEMS)裝置,例如角速率傳感
器。具體來說,MEMS裝置包括呈耦合一對驅動塊的驅動彈簧系統形式的共模抑制結構。驅動
彈簧系統在提高共模驅動頻率的同時實現驅動塊的基本反相驅動運動,使得有效地抑制驅
動塊的同相運動。MEMS裝置可以另外包括呈耦合一對感測塊的感測彈簧系統形式的另一共
模抑制結構。感測彈簧系統在提高共模感測頻率的同時實現感測塊的基本反相感測運動,
使得有效地抑制感測塊的同相運動。MEMS裝置可以另外包括插入在驅動塊與感測塊之間以
使驅動塊的驅動運動從感測塊的感測運動解耦的耦合塊。MEMS裝置的共模抑制結構能個別
地實現驅動和感測同相運動兩者的抑制,并且充分解耦的配置能減少正交誤差和/或可能
以另外的方式將錯誤的信號輸入從驅動塊強加至感測塊的其它電噪聲的可能性。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用于實施雙移動塊的
其它MEMS裝置中,該雙移動塊將反相移動且其同相運動被抑制。

提供本發明以另外通過能夠實現的方式對在應用時制造和使用根據本發明的各
種實施例的最佳模式進行解釋。進一步提供本發明以加強對本發明的創造性原理及優點的
理解和了解,而不是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,包括在本
申請及提出的那些權利要求的全部等效物的未決期間所進行的任何修正。

參考圖1,圖1示出根據實施例的MEMS裝置20的頂視圖。MEMS裝置20是通常被配置
成感測圍繞旋轉軸的角速率的角速率傳感器,該旋轉軸被稱為輸入軸22。因此,MEMS裝置20
在下文中被稱為角速率傳感器20。在示出的配置中,輸入軸22是三維坐標系中的Z軸,其中Z
軸22延伸到頁面外,垂直于坐標系的X軸24和Y軸26。

角速率傳感器20包括平面基板28、驅動組合件30、第一感測塊32、第二感測塊34以
及(本文中所論述的)各種機械連桿機構。驅動組合件30包括第一驅動塊36、第一耦合塊38、
第二驅動塊40以及第二耦合塊42。在圖1的例子中,第一感測塊32和第一耦合塊38中的每一
個塊是通常C形的框架,其中第一耦合塊38駐留在延伸穿過第一感測塊32的中心開口中,且
第一驅動塊36駐留在延伸穿過第一耦合塊38的中心開口中。因此,第一耦合塊38定位在第
一驅動塊36與第一感測塊32之間。

為了圖示清楚起見,使用各種底紋和/或影線示出圖1和后續圖2-8以彼此區分各
種元件。可以利用多種現行的和將來的制造技術來產生構造層內的這些不同元件。此外,例
如第一和第二、頂部和底部等等相關術語(如果存在的話)的使用在本文中僅用于區分實體
或動作,而不必需要或意指在此類實體或動作之間的任何實際此種關系或次序。

第二感測塊34、第二耦合塊42和第二驅動塊40相對于對應的第一感測塊32、第一
耦合塊38和第一驅動塊36圍繞大體上平行于Y軸26的角速率傳感器20的中心線45鏡像對稱
地朝向。因此,第二感測塊34和第二耦合塊42中的每一個塊是通常反向的C形框架,其中第
二耦合塊42駐留在延伸穿過第二感測塊34的開口中,且第二驅動塊40駐留在延伸穿過第二
耦合塊42的中心開口中。因此,第二耦合塊42定位在第二驅動塊40與第二感測塊34之間。

在所描繪的實施例中,第一驅動塊36和第二驅動塊40被配置成在大體上平行于Y
軸26的驅動方向上進行平面內振蕩線性運動。第一感測塊32和第二感測塊34被配置成在大
體上平行于X軸24并且因此垂直于Y軸26的感測方向上進行平面內振蕩線性運動。如下文將
詳細論述,第一耦合塊38和第二耦合塊42被配置成在驅動方向和感測方向兩者上進行振蕩
運動。

柔性支撐元件44經由錨定器48將第一驅動塊36和第二驅動塊40中的每一個驅動
塊連接到平面基板28的表面46。如此,第一驅動塊36和第二驅動塊40懸置在基板28的表面
46之上。柔性支撐元件44使第一驅動塊36和第二驅動塊40能夠在大體上平行于Y軸26的驅
動方向上移動。例如,角速率傳感器20的驅動系統包括被配置成使驅動塊36和40振蕩的若
干組驅動元件。每一組驅動元件包括被稱為活動指50和固定指52的若干對電極。在示出的
例子中,活動指50耦合到驅動塊36、40中的每一個驅動塊并從驅動塊36、40中的每一個驅動
塊延伸,并且固定指52固定到基板28的表面46。固定指52與活動指50間隔開并以與活動指
50交替的布置定位。借助于附接到驅動塊36、40,活動指50能與驅動塊36、40一起活動。相
反,由于固定地附接到基板28,固定指52相對于活動指50固定。

一般來說,可以經由驅動電路(未示出)將交流(alternating current,AC)電壓作
為驅動信號施加到與第一驅動塊36相關聯的第一組固定指52以及與第二驅動塊40相關聯
的第二組固定指52。對這兩組固定指52加偏壓以使第一驅動塊36和第二驅動塊40在沿著三
維坐標系中的Y軸26的驅動方向上反相振蕩。也就是說,在+Y方向上致動一個驅動塊36而
在-Y方向上致動另一驅動塊40,且反之亦然。

結合圖1參考圖2,圖2示出角速率傳感器20的放大局部頂視圖,圖2的局部頂視圖
在圖1中以虛線框54劃界。根據實施例,剛性梁56使第一驅動塊36與第二驅動塊40互連。更
確切地說,第一彈性元件58耦合在剛性梁56的第一端60與第一驅動塊36之間。也就是說,剛
性梁56的第一端60耦合在第一彈性元件58的中心位置處,并且第一彈性元件58的相對端連
接到第一驅動塊36。類似地,第二彈性元件62耦合在剛性梁56的第二端64與第二驅動塊40
之間。也就是說,剛性梁56的第二端64耦合在第二彈性元件62的中心位置處,并且第二彈性
元件62的相對端連接到第二驅動塊40。剛性梁56的縱長維度66通常垂直于第一驅動塊36和
第二驅動塊40的驅動方向(即,Y軸26)朝向,并且第一彈性元件58和第二彈性元件62橫向于
剛性梁56朝向。

剛性梁56的中心區域68經由至少一個錨定元件70(示出兩個)和至少一個彎曲部
72(示出兩個)彈性地耦合到平面基板28,該至少一個彎曲部72在剛性梁56的中心區域68與
錨定元件70之間互連。彎曲部72橫向于剛性梁56朝向。因此,剛性梁56的中心區域68經由彎
曲部72和錨定元件70鉸接到平面基板28。雖然錨定元件70和彎曲部72提供用于旋轉的鉸
接,但是它們被配置成在平行于Y軸72的方向上是剛性的并且因此能抵抗在Y方向上的平
移。

在操作中,驅動系統(該驅動系統包括活動指50和固定指52)因靜電力而對第一驅
動塊36和第二驅動塊40傳遞振蕩線性運動。第一驅動塊36和第二驅動塊40的移動致使第一
彈性元件58和第二彈性元件62以及彎曲部72的變形/彎曲、以及剛性梁56圍繞大體上垂直
于平面基板28(即,Z軸22)的中心區域68處的鉸接點/約束的樞轉運動。因此,第一彈性元件
58和第二彈性元件62以及彎曲部72與剛性梁56組合的配置使得第一驅動塊36和第二驅動
塊40在大致平行于Y軸26的相反方向(即,圖1和2中的向上和向下)上(反相)大體上線性振
蕩。

然而,通過剛性梁56到基板28的約束能抵消共模激勵(例如,沖擊、振動等),所述
共模激勵通常將趨于沿著驅動軸(例如,Y軸26)以相同的量且在相同的方向上移動第一驅
動塊36和第二驅動塊40。因此,主要因第一驅動塊36和第二驅動塊40經由剛性梁56的耦合
來抑制第一驅動塊36和第二驅動塊40在驅動頻率下的共模激勵(即,同相運動)。

在“音叉”類的角速率傳感器的操作期間,驅動塊(例如,驅動塊36、40)的位移通常
比感測塊(例如,感測塊32、34)的位移大得多。由于這種相對大的位移,驅動彈簧的非線性
運動會導致線性誤差。除抑制共模激勵外,剛性梁56與第一彈性元件58和第二彈性元件62
以及彎曲部72的配置還產生第一驅動塊36和第二驅動塊40的線性振蕩行為,由此緩解在現
有技術配置中觀測到的與非線性驅動彈簧運動相關聯的問題。

返回參考圖1,應記得,第一耦合塊38插入在第一驅動塊36與第一感測塊32之間。
類似地,第二耦合塊42插入在第二驅動塊40與第二感測塊34之間。第一耦合塊38通過第一
連桿彈簧組件74(示出兩個)耦合到第一驅動塊36。類似地,第二耦合塊42通過第二連桿彈
簧組件78(示出兩個)耦合到第二驅動塊40。另外,第一耦合塊38通過第一彈性組件82(示出
四個)耦合到第一感測塊32,并且第二耦合塊42通過第二彈性組件84(示出四個)耦合到第
二感測塊34。

連桿彈簧組件74、78被配置成僅連接驅動塊36、40與耦合塊38、42,使得就驅動塊
36、40在大體上平行于Y軸26的驅動方向上的振蕩線性運動而言,感測塊32、34大體上從驅
動塊36、40解耦。然而,彈性組件82、84被配置成將感測塊32、34耦合到耦合塊38、42在大體
上平行于X軸24的感測方向上的任何振蕩線性運動。通過以此方式使驅動塊36、40和感測塊
32、34解耦,可以大體上減少正交誤差和從驅動塊36、40到感測塊32、34的其它電噪聲。

現在參考第一感測塊32和第二感測塊34的結構,柔性支撐元件86經由錨定器88將
第一感測塊32和第二感測塊34中的每一個感測塊連接到平面基板28的表面46。如此,第一
感測塊32和第二感測塊34懸置在基板28的表面46之上。柔性支撐元件86使第一感測塊32和
第二感測塊34能夠在大體上平行于X軸24的感測方向上移動。

角速率傳感器20另外包括若干組感測元件,其中每一組感測元件包括被稱為活動
感測指90和固定感測指92的若干對電極。在示出的例子中,活動感測指90耦合到感測塊32、
34中的每一個感測塊并從感測塊32、34中的每一個感測塊延伸。固定感測指92固定到基板
28的表面46。固定感測指92與活動感測指90間隔開并以與活動感測指90交替的布置定位。
借助于附接到感測塊32、34,活動感測指90能與感測塊32、34一起活動。相反,由于固定地附
接到基板28,固定感測指92相對于活動感測指90固定。

如本領域的技術人員已知,固定感測指92可以是單面的或可以布置在若干對差動
電極中。此外,在與第二組固定感測指92相反的方向上對第一組固定感測指92加偏壓,該第
一組固定感測指92與第一感測塊32相關聯,該第二組固定感測指92與第二感測塊34相關
聯。因此,固定感測指92被配置成對感測塊32、34的反相運動作出響應。

在操作中,如上文所論述,一旦第一驅動塊36和第二驅動塊40以及第一耦合塊38
和第二耦合塊42被置于在大體上平行于Y軸26的驅動方向上的反相振蕩運動中,質量系統
就能夠檢測由圍繞輸入軸(即,Z軸22)旋轉的角速率傳感器20引起的角速率,即,角速度,該
輸入軸大體上垂直于平面基板28。具體來說,由于科氏加速度分量,第一連桿彈簧組件74和
第二連桿彈簧組件78以及第一彈性組件82和第二彈性組件84使第一感測塊32和第二感測
塊34以及第一耦合塊38和第二耦合塊42能夠平行于平面基板28的表面46振蕩,該表面46大
體上平行于感測軸,即,X軸24。第一感測塊32和第二感測塊34的反相運動具有與角速率傳
感器20圍繞輸入軸(即,Z軸22)的角旋轉速率成比例的幅度,該角旋轉速率被感測為活動感
測指90與固定感測指92之間的電容變化。

現在參考圖1和3,圖3示出角速率傳感器20的另一放大局部頂視圖,圖3的局部頂
視圖在圖1中以虛線框94劃界。根據實施例,角速率傳感器20另外包括彈簧系統96,該彈簧
系統96被配置成減少第一感測塊32和第二感測塊34的共模激勵(即,同相運動)。

彈簧系統96包括第一彈簧布置98,該第一彈簧布置98在遠離角速率傳感器20的中
心線100側向移位的位置處耦合到第一感測塊32和第二感測塊34中的每一個感測塊,其中
在此實施例中,中心線100大體上平行于X軸24。彈簧系統96另外包括第二彈簧布置102,該
第二彈簧布置102在遠離角速率傳感器20的中心線100的相反側側向移位的位置處耦合到
第一感測塊32和第二感測塊34中的每一個感測塊。第一彈簧布置98和第二彈簧布置102相
對于中心線94鏡像對稱地朝向。因此,第一彈簧布置98和第二彈簧布置102遠離中心線100
以相同的距離側向移位。

圖3具體示出第一彈簧布置98。然而,第一彈簧布置98的以下說明同樣適用于第二
彈簧布置102。如圖3中最佳地看到,第一彈簧布置98包括第一剛性梁104和第二剛性梁106,
該第一剛性梁104和第二剛性梁106中的每一個剛性梁大體上與感測方向(即,X軸24)成對
角地朝向,即相對于感測方向斜向地傾斜。本文中使用的術語“對角”是指梁104和106中的
每一個梁不平行于感測塊32、34的感測方向布置也不垂直于感測塊32、34的感測方向布置
的配置。替代地,梁104、106可以斜向地傾斜,但是它們不限于相對于感測方向成四十五度
角傾斜。

第一彈簧布置98的第一剛性梁104和第二剛性梁106通常長度相等且相對于彼此
朝向以形成倒置的V形布置。當然,由于第一彈簧布置98和第二彈簧布置102相對于彼此鏡
像對稱地朝向,因此第二彈簧布置102的第一梁104和第二梁106相對于彼此朝向以形成豎
立的V形布置。

第一彈簧布置98另外包括懸置在平面基板28的表面46之上的質量元件108。具體
來說,彎曲部110經由錨定系統112將質量元件108連接到平面基板28的表面46。在示出的配
置中,彎曲部110在大體上平行于X軸24的感測方向上相對剛性。也就是說,相比于彎曲部
110平行于X軸24的長度,彎曲部110在平行于Y軸26的方向上較薄。因此,彎曲部110在除平
行于X軸24的感測方向之外的方向上為順應性的,即,能夠彎曲、折曲或以其它方式變形。

第一彈簧布置98另外包括在第一剛性梁104與第一感測元件32之間柔性地互連的
第一側彈簧114、以及在第一剛性梁104與質量元件108之間柔性地互連的第二側彈簧116。
類似地,第一彈簧布置98包括在第二剛性梁106與第二感測元件34之間柔性地互連的第三
側邊彈簧118、以及在第二剛性梁106與質量元件108之間柔性地互連的第四側邊彈簧120。

側邊彈簧114、116、118、120中的每一個側邊彈簧圍繞大體上垂直于平面基板28的
表面46的軸可旋轉地順應。也就是說,側邊彈簧114、116、118、120中的每一個側邊彈簧由允
許圍繞Z軸22旋轉的任何合適的彈簧配置形成。然而,側邊彈簧114、116、118、120在軸向上
是剛性的,即,通常被阻止進行平行于Z軸22的線性移動,使得側邊彈簧114、116、118、120的
旋轉移動被約束到角速率傳感二器20的X-Y平面。另外,第一剛性梁104和第二剛性梁106的
彈簧常數可以調諧成比側邊彈簧114、116、118、120的彈簧常數剛性得多,使得梁104、106很
大程度上為非順應性的,且側邊彈簧114、116、118、120比梁104、106更具有順應性。借助于
例子,梁104、106在角速率傳感器20的X-Y平面上的寬度可以明顯大于側邊彈簧114、116、
118、120中的任一個側邊彈簧的寬度。因此,梁104、106以及側邊彈簧114、116、118、120協作
地運行,以使第一感測塊32和第二感測塊34能夠響應于圍繞大體上平行于Z軸22的輸入軸
的角刺激而在大體上平行于X軸24的感測方向上進行反相線性振蕩運動。

圖4示出圖1的角速率傳感器20的頂視圖,其例示第一驅動塊36和第二驅動塊40的
反相運動。第一驅動塊36和第二驅動塊40經由驅動電路(未示出)提供給若干組活動指50和
固定指52的驅動信號致動,以產生由疊加在第一驅動塊36和第二驅動塊40上的反向箭頭
122、124表示的反相驅動運動。這種反相驅動運動122、124處于由驅動電路指定的標記為FD
的基本驅動頻率126下。

應記得,第一驅動塊36和第二驅動塊40經由對應的第一連桿彈簧組件74和第二連
桿彈簧組件78與對應的第一耦合塊38和第二耦合塊42互連。因此,第一耦合塊38與第一驅
動塊36同相移動,并且第二耦合塊42與第二驅動塊40同相移動。因此,第一耦合塊38和第二
耦合塊42相對于彼此反相移動。這種反相運動由疊加在第一耦合塊38和第二耦合塊42上的
反向箭頭128、130表示。然而,第一驅動塊36和第二驅動塊40的移動從第一感測塊32和第二
感測塊34解耦。因此,第一感測塊32和第二感測塊34不會對第一驅動塊36和第二驅動塊40
的反相驅動運動122、124作出響應(即,不受該反相驅動運動122、124影響)。因此,可明顯減
少正交誤差和/或可能以另外的方式將錯誤的信號輸入從第一驅動塊36和第二驅動塊40強
加至第一和感測塊32、34的其它電噪聲的可能性。

如圖4所示,由于第一驅動塊36和第二驅動塊40的反相驅動運動122、124,第一彈
性元件58和第二彈性元件62以及彎曲部72變形,并且剛性梁56圍繞其鉸接點/約束樞轉,且
具體來說,圍繞穿過鉸接點/約束的平行于Z軸22的軸樞轉。因此,第一驅動塊36和第二驅動
塊40在驅動頻率126下反相振蕩相同的量。

另外,驅動塊36、40經由剛性梁56的耦合大大增加了系統在大體上平行于Y軸26的
驅動方向上的剛度。通過剛性梁56的適當設計的配置,系統在驅動方向上的剛度可以明顯
地增加共模驅動頻率的量值(即,其中第一驅動塊36和第二驅動塊40可以同相移動的不當
振動模式的頻率)。主要出于兩個原因,提高的共模驅動頻率在角速率傳感器20的振動穩定
性方面有利。第一,實踐經驗的共模激勵(例如,振動、沖擊或其它加速度噪聲)的能量譜密
度趨于隨著共模驅動頻率的提高而減小,從而在更高共模頻率下產生減少的同相驅動塊運
動。第二,借助于例子,在相對于驅動模式頻率大致兩倍的共模驅動頻率下,為了產生同相
驅動塊運動,必須克服大致四倍的彈簧剛度。因此,通過剛性梁56經由錨定元件70到平面基
板28的約束,能有效地抑制或排斥將趨于以相同的量且在相同的方向上移動第一驅動塊36
和第二驅動塊40的共模激勵(例如,振動、沖擊或其它加速度噪聲)。

圖5示出角速率傳感器20的頂視圖,其例示第一感測塊32和第二感測塊34的反相
運動。一旦第一驅動塊36和第二驅動塊40以及第一耦合塊38和第二耦合塊42被置于在大體
上平行于Y軸26的驅動方向(圖4中所示)上的反相振蕩運動中,且角速率傳感器20圍繞大體
上垂直于平面基板28的輸入軸(即,Z軸22)旋轉,科氏加速度分量就能使第一感測塊32和第
二感測塊34以及第一耦合塊38和第二耦合塊42大體上平行于感測軸(即,X軸24)振蕩。這種
移動具有與角速率傳感器20圍繞輸入軸(即,Z軸22)的角旋轉速率成比例的幅度。

由于第一感測塊32和第二感測塊34經由第一彈簧布置98和第二彈簧布置102的互
連,以及如結合圖3所論述的第一剛性梁104和第二剛性梁106的樞轉移動,第一感測塊32和
第二感測塊34在標記為FS的基本感測頻率142下反相振蕩,如由疊加在第一感測塊32和第
二感測塊34上的反向箭頭144、146所表示。同樣地,第一耦合塊38與第一感測塊32同相移
動,并且第二耦合塊42與第二感測塊34同相移動。因此,第一耦合塊38和第二耦合塊42大體
上平行于感測軸(即,X軸24)相對于彼此反相振蕩。這種反相運動由疊加在第一耦合塊38和
第二耦合塊42上的反向箭頭148、150表示。然而,第一驅動塊36和第二驅動塊40的移動從第
一感測塊32和第二感測塊34解耦。因此,第一驅動塊36和第二驅動塊40不會對第一感測塊
32和第二感測塊34的反相感測運動144、146作出響應(即,不受該反相感測運動144、146影
響)。

圖6示出根據實施例經由彈簧系統96耦合的用于角速率傳感器20的第一感測塊32
和第二感測塊34的概念模型152。在概念模型152中,第一彈簧布置98由元件154和彈簧156
表示。同樣地,第二彈簧布置102由元件154和156表示。如上文所描述,各種側邊彈簧114、
116、118、120(在圖3中最佳地看到)在大體上平行于X軸24的感測方向上是剛性的,即,為非
順應性的。這種剛度在概念模型152中通過元件154表示。然而,彈簧156表示彎曲部110(圖3
中最佳地看到)能夠在平行于驅動方向(該驅動方向大體上平行于Y軸26)的方向上移動,
即,拉伸、壓縮或以其它方式變形。

梁104、106的剛度以及側邊彈簧114、116、118、120在感測方向(平行于X軸24)上的
剛度向諧振工作頻率(即,基本感測頻率142(圖5))下的同相感測運動提供機械約束,該同
相感測運動由兩個共同導向的箭頭158、160表示。因此,很大程度上防止了第一感測塊32和
第二感測塊34因外部振動、沖擊、偽加速度或在基本感測頻率142下的干擾而導致的同相運
動158、160。彈簧系統96的機械約束能將因同相運動158、160而形成的同相頻率分量(在本
文中稱為共模感測頻率162并標記為FCM-S)增加得足夠高,使得共模感測頻率162在角速率
傳感器20(圖1)的工作范圍之外,由此有效地抑制或排斥平行于X軸24的感測方向上的共模
激勵。

參考圖7和8,圖7示出概念模型152,其展示第一感測塊32和第二感測塊34在第一
方向164上的反相運動144、146,且圖8示出概念模型152,其展示第一感測塊32和第二感測
塊34在第二方向166上的反相感測運動144、146。如上文所深入論述,感測塊32、34響應于圍
繞大體上垂直于平面基板28(圖1)的軸(即,Z軸22)的角刺激反相振蕩。

在圖7中,反相感測運動144、146使第一感測塊32和第二感測塊34朝向彼此在第一
方向164上移動。當第一感測塊32和第二感測塊34朝向彼此移動時,側邊彈簧114、116、118、
120(圖3)實現如由箭頭168表示的剛性梁104、106的旋轉移動,使得第一彈簧布置98和第二
彈簧布置102中的每一個彈簧布置中的剛性梁104、106朝向彼此在感測方向上樞轉。在圖8
中,反相感測運動144、146使第一感測塊32和第二感測塊34遠離彼此在第二方向166上移
動。當第一感測塊32和第二感測塊34遠離彼此移動時,側邊彈簧114、116、118、120(圖3)實
現剛性梁104、106的旋轉移動,使得在第一彈簧布置98和第二彈簧布置102中的每一個彈簧
布置中的剛性梁104、106遠離彼此在感測方向上樞轉。

因此,實現第一感測塊32和第二感測塊34的振蕩反相感測運動144、146,同時大體
上防止同相感測運動158、160。也就是說,當經受由于在大體上平行于X軸24的感測方向上
的側邊彈簧114、116、118、120(圖3)的非順應性而導致的共模激勵(例如,外部沖擊、振動或
其它加速度)時,彈簧布置98、102中的每一個彈簧布置的剛性梁104、106被約束為如圖6所
示的非折疊(非樞轉)配置170。

本發明的實施例必須包括具有共模抑制結構和充分解耦的驅動和感測模式的
MEMS裝置,例如角速率傳感器。MEMS裝置的實施例包括平面基板和錨定于平面基板的驅動
組合件,驅動組合件包括第一驅動塊和第二驅動塊。剛性梁使第一驅動塊與第二驅動塊互
連。剛性梁的縱長尺寸垂直于第一和第二驅動塊的驅動方向朝向,該驅動方向大體上平行
于平面基板,其中剛性梁響應于第一和第二驅動塊在驅動方向上的驅動運動而圍繞大體上
垂直于平面基板的軸樞轉。

包括使第一驅動塊與第二驅動塊互連的剛性梁的驅動彈簧系統能實現驅動塊的
基本反相驅動運動,同時提高共模驅動頻率,使得有效地抑制驅動塊的同相運動。耦合第一
感測塊與第二感測塊的感測彈簧系統能實現感測塊的基本反相感測運動,同時提高共模感
測頻率,使得也有效地抑制感測塊的同相運動。插入在驅動塊與感測塊之間的耦合塊使驅
動塊的驅動運動從感測塊的感測運動解耦。MEMS裝置的共模抑制結構能個別地實現驅動和
感測同相運動兩者的抑制,并且充分解耦的配置能減少正交誤差和/或可能以另外的方式
將錯誤的信號輸入從驅動塊強加至感測塊的其它電噪聲的可能性。

本發明旨在闡明如何設計和使用根據本發明的各種實施例,而非限制本發明的真
實、既定和公平的范圍及精神。以上描述并不打算是窮盡性的或將本發明限于所公開的確
切形式。鑒于以上教示,可以進行許多修改或變型。選擇和描述實施例是為了提供對本發明
的原理和本發明的實際應用的最佳說明,并且使本領域的技術人員能夠在各種實施例中并
用適合于所預期特定用途的各種修改來利用本發明。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保護范圍內,并且在本專利申請的未決期間可以修正。

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具有 抑制 結構 MEMS 裝置
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