太阳城集团

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用于共模抑制的带有耦合弹簧的惯性传感器.pdf

摘要
申请专利号:

CN201610392601.0

申请日:

2016.06.06

公开号:

太阳城集团CN106257239A

公开日:

2016.12.28

当前法律状态:

实审

有效性:

审中

法律详情: 实质审查的生效IPC(主分类):G01C 19/5747申请日:20160606|||专利申请权的转移IPC(主分类):G01C 19/5747登记生效日:20170921变更事项:申请人变更前权利人:飞思卡尔半导体公司变更后权利人:恩智浦美国有限公司变更事项:地址变更前权利人:美国得克萨斯州变更后权利人:美国德克萨斯州|||公开
IPC分类号: G01C19/5747(2012.01)I 主分类号: G01C19/5747
申请人: 飞思卡尔半导体公司
发明人: 迈克尔·瑙曼
地址: 美国得克萨斯州
优先权: 2015.06.17 US 14/742,452
专利代理机构: 中科专利商标代理有限责任公司 11021 代理人: 倪斌
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法律状态
申请(专利)号:

太阳城集团CN201610392601.0

授权太阳城集团号:

||||||

法律状态太阳城集团日:

2018.08.21|||2017.10.17|||2016.12.28

法律状态类型:

太阳城集团实质审查的生效|||专利申请权、专利权的转移|||公开

摘要

本公开描述一种MEMS装置,其包括耦合一对能运动块的两个弹簧系统。所述弹簧系统中的每个弹簧系统包括受约束的刚性梁和一对挠曲部,其中,一个挠曲部直接耦合至所述刚性梁的一端并耦合至所述能运动块中的一个能运动块,并且另一挠曲部直接耦合至所述刚性梁的相对端并耦合至另一个能运动块。响应于所述能运动块的驱动运动,所述挠曲部使得所述受约束刚性梁能够枢转运动,使得所述刚性梁在围绕所述刚性梁的中心铰接点的相对方向枢转。这种枢转运动使得所述驱动块能够反相线性振荡运动同时基本上遏制或以其他方式抑制所述能运动块的同相运动。

权利要求书

1.一种微机电系统(MEMS)装置,其特征在于,包括:
基板;
第一能运动块和第二能运动块,其悬置在所述基板的表面上方;以及
第一弹簧系统和第二弹簧系统,用于将所述第一能运动块耦合至所述第二能运动块,
所述第一弹簧系统和所述第二弹簧系统被设置在所述MEMS装置的镜像对称轴的相对侧上,
所述镜像对称轴大体上平行于所述第一能运动块和所述第二能运动块的运动方向,其中,
所述第一弹簧系统和所述第二弹簧系统中的每个弹簧系统包括:
刚性梁,其具有横向于所述第一能运动块和所述第二能运动块的所述运动方向朝向的
纵长尺寸;
第一挠曲部,其直接耦合至所述刚性梁的第一端并直接耦合至所述第一能运动块;以

第二挠曲部,其直接耦合至所述刚性梁的第二端并直接耦合至所述第二驱动块。
2.根据权利要求1所述的MEMS装置,其特征在于,所述刚性梁的中心区经由锚定元件弹
性地耦合至所述基板的所述表面,所述刚性梁能够在大体上平行于所述基板的所述表面的
平面中枢转。
3.根据权利要求2所述的MEMS装置,其特征在于,所述刚性梁的所述中心区包括框架结
构,所述锚定元件驻留在所述框架结构的中心开口中,并且所述第一弹簧系统和所述第二
弹簧系统中的每个弹簧系统还包括至少一个弹性构件,所述弹性构件在所述锚定元件和所
述框架结构的内周边之间互连。
4.根据权利要求1所述的MEMS装置,其特征在于,还包括:
能运动框架,其具有中心开口,所述第一能运动块和所述第二能运动块驻留在所述中
心开口中;
锚定件,其耦合至所述基板的所述表面;以及
扭转梁,其在所述能运动框架和所述锚定件之间互连,所述扭转梁使得所述能运动框
架能够围绕第二轴旋转运动,所述第二轴垂直于所述镜像对称轴并大体上平行于所述基板
的所述表面。
5.根据权利要求4所述的MEMS装置,其特征在于,所述第一弹簧系统和所述第二弹簧系
统中的每个弹簧系统的所述扭转梁和所述刚性梁沿所述第二轴彼此纵向对准。
6.根据权利要求1所述的MEMS装置,其特征在于,所述第一挠曲部和所述第二挠曲部横
向于所述刚性梁朝向。
7.根据权利要求1所述的MEMS装置,其特征在于,所述第一弹簧系统和所述第二弹簧系
统被配置成使得所述第一能运动块和所述第二能运动块能够相对于彼此以线性方式反相
振荡。
8.根据权利要求1所述的MEMS装置,其特征在于:
所述第一弹簧系统和所述第二弹簧系统中的每个弹簧系统的所述第一挠曲部在偏离
所述镜像对称轴的第一距离耦合至所述第一驱动块;并且
所述第一弹簧系统和所述第二弹簧系统中的每个弹簧系统的所述第二挠曲部在偏离
所述镜像对称轴的第二距离耦合至所述第二驱动块,所述第二距离小于所述第一距离。
9.根据权利要求1所述的MEMS装置,其特征在于,所述运动方向是第一运动方向,并且
所述MEMS装置还包括:
能运动框架,其具有中心开口,所述第一能运动块和所述第二能运动块驻留在所述中
心开口中;
第一链接弹簧部件,其将所述第一能运动块与所述能运动框架耦合;以及
第二链接弹簧部件,其将所述第二能运动块与所述能运动框架耦合,其中,所述能运动
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荡运动。
10.根据权利要求9所述的MEMS装置,其特征在于,所述能运动框架响应于围绕第二轴
的角刺激在所述第二方向运动,所述第二轴大体上垂直于所述镜像对称轴并大体上平行于
所述基板的所述表面。
11.一种微机电系统(MEMS)角速率传感器,其特征在于,包括:
基板;
第一驱动块和第二驱动块,其悬置在所述基板的表面上方;以及
第一弹簧系统和第二弹簧系统,用于将所述第一驱动块耦合至所述第二驱动块,所述
第一弹簧系统和所述第二弹簧系统被设置在所述MEMS装置的镜像对称轴的相对侧上,所述
镜像对称轴大体上平行于所述第一驱动块和第二驱动块的线性振荡驱动运动的方向朝向,
其中,所述第一弹簧系统和所述第二弹簧系统中的每个弹簧系统包括:
刚性梁,其具有横向于所述第一能运动块和所述第二能运动块的所述运动方向朝向的
纵长尺寸,其中,所述刚性梁的中心区经由锚定元件被弹性地耦合至所述基板的所述表面,
所述刚性梁能够响应于所述线性振荡驱动运动在大体上平行于所述基板的所述表面的平
面中枢转;
第一挠曲部,其直接耦合至所述刚性梁的第一端并直接耦合至所述第一驱动块,所述
第一挠曲部在偏离所述镜像对称轴的第一距离耦合至所述第一驱动块;以及
第二挠曲部,其直接耦合至所述刚性梁的第二端并直接耦合至所述第二驱动块,所述
第二挠曲部在偏离所述镜像对称轴的第二距离耦合至所述第二驱动块,所述第二距离小于
所述第一距离。
12.根据权利要求11所述的MEMS装置,其特征在于,所述刚性梁的所述中心区包括框架
结构,所述锚定元件驻留在所述框架结构的中心开口中,并且所述第一弹簧系统和所述第
二弹簧系统中的每个弹簧系统还包括至少一个弹性构件,所述弹性构件在所述锚定元件和
所述框架结构的内周边之间互连。
13.根据权利要求11所述的MEMS装置,其特征在于,所述第一挠曲部和第二挠曲部横向
于所述刚性梁朝向。
14.根据权利要求11所述的MEMS装置,其特征在于,还包括:
感测框架,其具有中心开口,所述第一驱动块和所述第二驱动块驻留在所述中心开口
中;
锚定件,其耦合至所述基板的所述表面;以及
扭转梁,其在所述感测框架和所述锚定件之间互连,所述扭转梁使得所述感测框架能
够围绕第二轴旋转运动,所述第二轴垂直于所述镜像对称轴并大体上平行于所述基板的所
述表面。
15.根据权利要求14所述的MEMS装置,其特征在于,还包括:
第一链接弹簧部件,其将所述第一驱动块与所述感测框架耦合;以及
第二链接弹簧部件,其将所述第二驱动块与所述感测框架耦合。
16.根据权利要求14所述的MEMS装置,其特征在于,所述感测框架响应于围绕所述第二
轴的角刺激而运动。
17.一种用于感测围绕旋转轴的角刺激的方法,其特征在于,所述方法包括:
提供具有第一驱动块和第二驱动块的角速率传感器与具有中心开口的感测框架,所述
第一驱动块和所述第二驱动块驻留在所述中心开口中,所述第一驱动块和所述第二驱动块
经由第一弹簧系统和第二弹簧系统彼此耦合,所述感测框架经由链接弹簧系统耦合至所述
第一驱动块和所述第二驱动块,所述第一弹簧系统和所述第二弹簧系统设置在所述角速率
传感器的镜像对称轴的相对侧上,所述镜像对称轴大体上平行于所述第一驱动块和所述第
二驱动块的运动方向朝向,其中,所述第一弹簧系统和所述第二弹簧系统中的每个弹簧系
统包括刚性梁、第一挠曲部和第二挠曲部,所述刚性梁具有横向于所述第一驱动块和所述
第二驱动块的所述运动方向朝向的纵长尺寸,所述第一挠曲部直接耦合至所述刚性梁的第
一端并直接耦合至所述第一能运动块,所述第二挠曲部直接耦合至所述刚性梁的第二端并
直接耦合至所述第二驱动块;
致动所述第一驱动块和所述第二驱动块以在驱动频率进行反相线性振荡运动,所述反
相线性振荡运动大体上平行于基板的表面,所述第一驱动块和所述第二驱动块悬置在所述
基板的所述表面上方;
感测所述感测框架响应于所述角刺激的平面外振荡运动;以及
响应于所述感测框架的所述感测到的平面外振荡运动,确定围绕所述旋转轴的所述角
刺激的量值。
18.根据权利要求17所述的方法,其特征在于,所述第一弹簧系统和所述第二弹簧系统
被配置成将所述第一驱动块和所述第二驱动块限制于在所述驱动频率的所述反相线性振
荡运动。
19.根据权利要求18所述的方法,其特征在于,所述第一弹簧系统和所述第二弹簧系统
中的每个弹簧系统的所述刚性梁的中心区经由锚定元件弹性地耦合至所述基板的所述表
面,所述刚性梁能够响应于所述第一驱动块和所述第二驱动块的所述反相线性振荡运动在
大体上平行于所述基板的所述表面的平面中枢转。
20.根据权利要求17所述的方法,其特征在于:
所述第一驱动块和所述第二驱动块进行大体上平行于所述镜像对称轴的所述反相线
性振荡运动,
所述旋转轴大体上垂直于所述镜像对称轴并大体上平行于所述基板的所述表面;并且
所述感测框架沿正交于所述镜像对称轴和所述旋转轴的轴线进行所述平面外振荡运
动。

说明书

用于共模抑制的带有耦合弹簧的惯性传感器

技术领域

本发明大体上涉及微机电系统(MEMS)装置。更确切地说,本发明涉及通常不易受
由同相运动造成的误差影响的MEMS惯性传感器。

背景技术

近年来,微机电系统(MEMS)技术已得到广泛普及,因为MEMS技术提供了形成极小
的机械结构并使用常规的批量半导体加工技术将这些结构与电气装置在单个基板上集成
的方式。MEMS的一个常见应用是传感器装置的设计和制造。MEMS传感器装置广泛用于例如
汽车、惯性导引系统、家用电器、游戏装置、用于各种装置的保护系统以及许多其它工业、科
学和工程系统等应用。具体而言,MEMS陀螺仪传感器越来越适于在汽车工业中使用以有助
于防侧翻系统中的防滑控制和电子稳定性控制。

MEMS陀螺仪传感器,可替代地被称作“陀螺仪”、“角速率传感器”、“陀螺测试仪”、
“陀螺仪传感器”或“横摆速率传感器”,其是感测角速度或围绕一或多个轴的速度的惯性传
感器。一种此类传感器被称作“X轴”陀螺仪,其被配置成感测由于科氏加速度分量的影响,
围绕平行于陀螺仪基板的轴线的角旋转。

许多MEMS角速率传感器利用悬置在基板上方的振动结构。一种此类角速率传感器
通常被称为“调音叉”角速率传感器并且通常具有静电驱动器和电容式感测。调音叉角速率
传感器可以包括一对驱动块和/或一对感测块。该对驱动块在相反相位被驱动(即,反相)。
响应于围绕输入轴线的外部角刺激,该一或多个感测块通过采用该科氏加速度分量来运
动。该一或多个感测块的运动具有与该角速率传感器围绕该输入轴线的角旋转速率成比例
的幅值。

不利的是,此类角速率传感器易受两个驱动块和/或两个感测块的共模激励影响。
共模激励是由于外部的刺激(例如,冲击、振动、伪加速度),两个能运动块应该反相运动,但
改为在相同方向并以相同幅值运动的状况。该同相运动的频率(也被称作共模频率)可以和
反相运动的频率一样低或更低。因此,共模激励(即,同相运动)可能引起角速率传感器的不
准确性和/或可能导致该角速率传感器的永久失效。此外,该角速率传感器的不准确性或失
效的可能性被相对低的共模频率加重。

发明内容

根据本发明的一个方面,提供一种微机电系统(MEMS)装置,包括:

基板;

第一能运动块和第二能运动块,其悬置在所述基板的表面上方;以及

第一弹簧系统和第二弹簧系统,用于将所述第一能运动块耦合至所述第二能运动
块,所述第一弹簧系统和所述第二弹簧系统被设置在所述MEMS装置的镜像对称轴的相对侧
上,所述镜像对称轴大体上平行于所述第一能运动块和所述第二能运动块的运动方向,其
中,所述第一弹簧系统和所述第二弹簧系统中的每个弹簧系统包括:

刚性梁,其具有横向于所述第一能运动块和所述第二能运动块的所述运动方向朝
向的纵长尺寸;

第一挠曲部,其直接耦合至所述刚性梁的第一端并直接耦合至所述第一能运动
块;以及

第二挠曲部,其直接耦合至所述刚性梁的第二端并直接耦合至所述第二驱动块。

根据本发明的另一个方面,提供一种用于感测围绕旋转轴的角刺激的方法,所述
方法包括:

提供具有第一驱动块和第二驱动块的角速率传感器与具有中心开口的感测框架,
所述第一驱动块和所述第二驱动块驻留在所述中心开口中,所述第一驱动块和所述第二驱
动块经由第一弹簧系统和第二弹簧系统彼此耦合,所述感测框架经由链接弹簧系统耦合至
所述第一驱动块和所述第二驱动块,所述第一弹簧系统和所述第二弹簧系统设置在所述角
速率传感器的镜像对称轴的相对侧上,所述镜像对称轴大体上平行于所述第一驱动块和所
述第二驱动块的运动方向朝向,其中,所述第一弹簧系统和所述第二弹簧系统中的每个弹
簧系统包括刚性梁、第一挠曲部和第二挠曲部,所述刚性梁具有横向于所述第一驱动块和
所述第二驱动块的所述运动方向朝向的纵长尺寸,所述第一挠曲部直接耦合至所述刚性梁
的第一端并直接耦合至所述第一能运动块,所述第二挠曲部直接耦合至所述刚性梁的第二
端并直接耦合至所述第二驱动块;

致动所述第一驱动块和所述第二驱动块以在驱动频率进行反相线性振荡运动,所
述反相线性振荡运动大体上平行于基板的表面,所述第一驱动块和所述第二驱动块悬置在
所述基板的所述表面上方;

感测所述感测框架响应于所述角刺激的平面外振荡运动;以及

响应于所述感测框架的所述感测到的平面外振荡运动,确定围绕所述旋转轴的所
述角刺激的量值。

附图说明

当结合附图考虑时,通过参考具体实施方式和权利要求书可以得到本发明的更完
整的理解,其中相似的附图标记指整个附图中类似的项目,不一定按比例绘制附图,并且:

图1示出了根据实施例的微机电系统(MEMS)装置的俯视图;

图2示出了MEMS装置沿图1中的截面线2-2的侧视图;

图3示出了图1的MEMS装置的放大局部俯视图;

图4示出了根据实施例的图1的MEMS装置的概念模型,该MEMS装置具有经由弹簧系
统耦合的驱动块;

图5示出了图4的展示驱动块在第一方向的反相运动的概念模型;以及

图6示出了图4的展示驱动块在第二方向的反相运动的概念模型。

具体实施方式

概括地说,本文所公开的实施例涉及具有共模抑制结构的微机电系统(MEMS)装
置,例如角速率传感器,,并且涉及利用该角速率传感器感测围绕旋转轴的角刺激的方法。
该MEMS装置包括共模抑制结构,其采用一对弹簧系统耦合一对能运动块的形式。该弹簧系
统使得该能运动块能够基本反相振荡运动,同时提高共模频率,以便该能运动块的同相运
动得以被有效抑制。就对冲击、振动、伪加速度以及可能以其它方式导致角速率传感器的不
准确性或失效的类似刺激的抵抗性而言,明显大于反相振荡运动的频率的共模频率是有利
的。虽然在本文中描述了MEMS角速率传感器,但应理解,驱动和感测弹簧系统可适于用在实
现双能运动块反相运动并且该双能运动块同相运动被抑制的其它MEMS装置中。

提供本公开以使得在应用时能够根据本发明以使得能够实现制作和使用各种实
施例的最佳模式的方式进一步解释所述最佳模式。进一步提供本公开以加强对本发明的创
造性原理及其优点的理解和了解,但不是为了以任何方式限制本发明。本发明仅通过所附
权利要求书界定,所附权利要求书包括在发布的本申请和那些权利要求的所有等效物的未
决期间进行的任何修正。

参考图1-3,图1示出了根据实施例的微机电系统(MEMS)装置20的俯视图。图2示出
了MEMS装置20沿图1中的截面线2-2的侧视概念图,以及图3示出了MEMS装置20的放大局部
俯视图。MEMS装置20通常被配置成感测围绕三维坐标系中的旋转轴22,即X轴的角速率。因
此,MEMS装置20在本文中被称作陀螺仪传感器20。按照惯例,所示的陀螺仪传感器20在X-Y
平面24内具有大体平面结构,其中,Y轴25在图1和3中向上和向下延伸,Z轴26在页面外延伸
(垂直于图1和3中的X-Y平面24),以及Z轴26在图2中向上和向下延伸。

陀螺仪传感器20包括下文将详细描述的平面基板28、驱动块系统、感测块32以及
各种机械链接。在图1-2的具体实施例中,驱动块系统驻留在中心开口34中,中心开口34延
伸穿过感测块32的框架结构。该驱动块系统包括一对能运动块,其在本文中被称作第一驱
动块36和第二驱动块38。第二驱动块38相对于第一驱动块36横向设置在X-Y平面24中,以及
第一驱动块36和第二驱动块38围绕旋转轴22相对于彼此对称地定位。

驱动系统40驻留在中心开口34中并可操作地与第一驱动块36和第二驱动块38中
的每个驱动块通信。更确切地说,驱动系统40包括被配置成振荡第一驱动块36的一组驱动
元件42,以及被配置成振荡第二驱动块38的另一组驱动元件44。驱动元件42和44中的每组
驱动元件包括被称作梳指46和48的电极对。在实施例中,梳指46耦合至第一驱动块36和第
二驱动块38中的每个驱动块的周边并从该周边延伸。梳指48经由锚定件52被固定至基板28
的表面50。梳指48和梳指46以交替的排列隔开和放置。借助于梳指46对驱动块结构36和38
的附接,梳指46可连同驱动块结构36、38一起运动。相反,由于梳指48至基板28的固定附接,
梳指48相对于梳指46是固定的。因此,梳齿46在本文中被称作能运动指形件46,而梳指48在
本文中被称作固定指形件48。为了图示清楚起见,仅示出几个能运动指形件46和固定指形
件48。本领域的技术人员应该很容易认识到梳指的数量和结构将根据设计要求而变化。

在一些实施例中,固定指形件48的整个长度可附接至基板28的表面50。在替代实
施例中,固定指形件48中的每个固定指形件可在如由锚定件52表示的单个位置被锚定于基
板28的表面50,而固定指形件48中的每个固定指形件的其余部分悬置在表面28上方。在一
些实施例中,该第二种方法可能是合乎需要的,以便在使用区域中实现更高的效率并降低
对封装应力的敏感性。

为了一致性,在以下附图的整个描述中,将陀螺仪传感器20的元件连接至基板28
的底层表面50的任何锚定结构例如锚定件52用点画图案示出。相反,不是锚定结构并因此
被悬置在基板28的表面50上方的任何元件并不包括这种点画图案。

第一驱动块36和第二驱动块38被配置成在X-Y平面24内进行振荡运动。一般而言,
交流(AC)电压可经由驱动电路(未示出)施加于固定指形件48,以致使第一驱动块36和第二
驱动块38在大体上平行于Y轴25的运动方向以线性方式振荡。在实施例中,交流电压适当地
施加于固定指形件48以致使能运动指形件46(并因此第一驱动块36和第二驱动块38)大体
上平行于固定指形件48运动。如将在下面相当详细地讨论的,第一驱动块36和第二驱动块
38以一对耦合弹簧的形式经由共模抑制结构被适当地链接在一起,该对耦合弹簧在本文中
被称作第一弹簧系统54和第二弹簧系统55。第一弹簧系统54和第二弹簧系统55构成的共模
抑制结构被配置成使块36、38能够在相对方向运动,即,沿Y轴25反相运动,同时抑制沿Y轴
25的同相(共模)运动。

链接弹簧部件56将第一驱动块36和第二驱动块38中的每个驱动块耦合至感测块
32。因此,第一驱动块36和第二驱动块38被悬置在基板28的表面50上方。链接弹簧部件56可
为任何适宜的形状、尺寸和材料,其允许驱动块结构36和38沿Y轴54在平面24中的巨大振荡
线性运动,但又是足够刚性的以将来自第一驱动块36和第二驱动块38的科氏力沿Z轴26传
送至感测块32。

陀螺仪传感器20还包括轴上扭转弹簧58和离轴弹簧系统60。轴上扭转弹簧58被耦
合至感测块32并处于与旋转X轴22相同的位置。在所示出的实施例中,轴上扭转弹簧58中的
每个轴上扭转弹簧经由锚定件62将感测块32连接至基板28的表面50,锚定件62也处于与旋
转X轴22相同的位置。

感测块32包括对称地定位在旋转X轴22的相对侧上的外端64和外端66。也就是说,
感测块32的框架结构的中心居于旋转X轴22,以便外端64和66距离旋转X轴22是等距的。在
所示出的实施例中,离轴弹簧系统60包括离轴弹簧68、70、72和74。离轴弹簧68和72设置在
感测块32的外端64,并且离轴弹簧70和74设置在感测块32的外端66。具体而言,离轴弹簧
68、70、72和74中的每个离轴弹簧具有连接接口76,其在偏离旋转X轴22的位置直接物理耦
合至感测块32。在所示出的实施例中,弹簧68、70、72、74中的每个弹簧经由锚定件78将感测
块32连接至基板28的表面50。因此,弹簧68、70、72和74一般是线性弹簧,它们中的每个弹簧
具有耦合至感测块32的连接接口76和耦合至锚定件78中的一个锚定件的相对端,该线性弹
簧限定感测块32的平面外运动,以便感测块32围绕旋转X轴22旋转。

一般而言,通过实施弹簧54、55、58、68、70、72和74引发的感测块32的旋转刚度是Z
轴弹簧常数(即,线性弹簧68、70、72和74中的每个线性弹簧的弹簧常数以及第一弹簧系统
54和第二弹簧系统55与轴上扭转弹簧58的弹簧常数)的函数。然而,由于它们的设计,第一
弹簧系统54和第二弹簧系统55的存在所产生的感测块32的旋转刚度明显小于弹簧58、68、
70、72、74的旋转刚度。因此,在确定感测块32的旋转刚度时,第一弹簧系统54和第二弹簧系
统55的弹簧常数可以忽略。

感测块32的旋转刚度另外是弹簧68、72在感测块32的端部64和弹簧70、74在感测
块32的端部66之间的距离的函数。如果弹簧68、70、72和74具有相同的弹簧常数,则弹簧68、
70、72和74的有效枢转点在中间位置。也就是说,弹簧68、70、72和74的对称布置产生感测块
32的与旋转X轴22和轴上扭转弹簧58一致的有效枢转点。轴上扭转弹簧58与离轴弹簧系统
60的弹簧68、70、72和74的形状、尺寸、数量、位置、材料和弹簧常数可以根据已知的机械设
计原理来适当地选择,以为了频率匹配、稳定性和感测范围实现期望刚度。

基板28可以包括由一或多个绝缘层(未示出)覆盖的半导体层(未示出)。该半导体
层通常是硅晶片,在一些情况下,可使用常规的制造技术在该硅晶片上制造与陀螺仪传感
器20相关联的电子器件。该绝缘层可包含玻璃、二氧化硅、氮化硅或任何其它相容材料。各
种能导电的板或电极结合陀螺仪传感器20的其它固定部件在基板28的表面50上形成。

在简化的实施例中,电极包括X感测电极82和84。导体(未示出)可以在基板28上形
成以提供至电极82和84以及至感测块32的单独电连接。电极82和84由导电材料例如多晶硅
形成,并且如果为此类部件选择相同的材料,则电极82和84可以作为相应导体同时形成。。
电极82和84在图2中是可见的,但是在图1中,被上覆的感测块32遮挡。因此,在图1中,电极
82和84以虚线形式表示以示出它们相对于感测块32的物理布置。虽然只示出X感测电极82
和84,但是本领域的技术人员应当明白,在可替换的实施例中,可提供另外的电极类型以用
于频率调谐、力反馈和/或正交补偿。

具体参考图1和3,将第一驱动块36耦合至第二驱动块38的第一弹簧系统54和第二
弹簧系统55被设置在陀螺仪传感器20的镜像对称轴86的相对侧上。镜像对称轴是这样的轴
线:如果形状在该轴线对折,则该形状的两个半部将是相同的,即,该两个半部是彼此的镜
像。在陀螺仪传感器20的配置中,镜像对称轴86是陀螺仪传感器20的中轴线并平行于Y轴
25。由于第一驱动块36和第二驱动块38大体上平行于Y轴运动,因此,镜像对称轴86大体上
平行于第一驱动块36和第二驱动块38的运动方向朝向。

第一弹簧系统54和第二弹簧系统55中的每个弹簧系统包括刚性梁88,其具有横向
于第一驱动块36和第二驱动块38的运动方向,即,横向于Y轴25朝向的纵长尺寸90。每个刚
性梁88的纵长尺寸90与轴上扭转弹簧58纵向对准。因此,刚性梁88被放置在旋转轴22,并因
此,刚性梁88未被设置在旋转轴22,即,X轴的相对侧上。

第一挠曲部92直接耦合至刚性梁88的第一端94。第一挠曲部92也直接耦合至第一
驱动块36。第二挠曲部96直接耦合至刚性梁88的第二端98。第二挠曲部96也直接耦合至第
二驱动块38。第一挠曲部92和第二挠曲部96中的每个挠曲部大体上横向于刚性梁88朝向。
短语“直接耦合”定义为不存在插在“直接耦合”的两个元件之间的挠曲部、刚性梁或任何其
它结构的在两个元件之间的耦合。

如上所述,第一弹簧系统54和第二弹簧系统55设置在镜像对称轴86的相对侧上。
因此,弹簧系统54、弹簧系统55中的每个弹簧系统的第一挠曲部92在偏离镜像对称轴86的
第一距离100耦合至第一驱动块36。同样,弹簧系统54、弹簧系统55中的每个弹簧系统的第
二挠曲部98在偏离镜像对称轴86的第二距离102耦合至第二驱动块38。根据所示出的配置,
第二距离102小于第一距离100。因此,第一挠曲部92中的每个挠曲部在第一驱动块36的外
缘104耦合至第一驱动块36的周边。相反,第二挠曲部94中的每个挠曲部在明显更接近镜像
对称轴86的位置耦合至第二驱动块38的周边,其中,该位置也并不干扰能运动指形件46和
固定指形件48的布置。

在实施例中,第一弹簧系统54和第二弹簧系统55中的每个弹簧系统的刚性梁88的
中心区106经由锚定元件108被弹性耦合至基板28的表面50。更具体地说,第一弹簧系统54
和第二弹簧系统55中的每个弹簧系统的刚性梁88包括沿刚性梁88的长度被中心定位的框
架结构110。锚定元件108耦合至基板28的表面50并驻留在框架结构110的中心开口112中。
第一弹簧系统54和第二弹簧系统55中的每个弹簧系统还包括在锚定元件106和框架结构
110的内周边116之间互连的弹性构件114。刚性梁88与第一挠曲部92和第二挠曲部96的互
连,连同刚性梁88经由弹性构件114和锚定元件108弹性耦合至基板28的表面50,一起允许
刚性梁88在X-Y平面24中枢转。

在运行中,驱动系统(其包括能运动指形件46和固定指形件48)赋予第一驱动块36
和第二驱动块38由于静电力的振荡线性运动。第一驱动块36和第二驱动块38的运动致使第
一挠曲部92和第二挠曲部92以及弹性构件114的变形/弯曲,以及第一弹簧系统54和第二弹
簧系统55中的每个弹簧系统的刚性梁88的枢转运动。刚性梁88的枢转运动在大体上垂直于
X-Y平面24的中心区106围绕铰接点/约束部。此外,第二弹簧系统55的刚性梁88在与第一弹
簧系统54的刚性梁88的枢转运动相反的方向枢转。因此,一种配置,其中两个弹簧系统54、
55中的每个弹簧系统包括第一挠曲部92和第二挠曲部92以及与刚性梁88组合的弹性构件
114,该配置产生第一驱动块36和第二驱动块38在大致平行于Y轴25的相对方向(即,图1和3
中向上和向下)的大体上线性的振荡(反相)。

然而,通常倾向于沿驱动轴,例如Y轴25使第一驱动块36和第二驱动块38运动量相
同并在相同方向运动的共模激励(例如冲击、振动等)被至基板28的第一弹簧系统54和第二
弹簧系统55中的每个弹簧系统的刚性梁88的约束而抵消。因此,第一驱动块36和第二驱动
块40在驱动频率的共模激励(即,同相运动)大部分被抑制。

在“调音叉”类型的角速率传感器运行期间,驱动块(例如,驱动块36、38)的位移通
常远远大于一或多个感测块(例如,感测块32)的位移。由于这种相对大的位移,驱动弹簧运
动的非线性可能导致线性误差。除抑制共模激励之外,第一弹簧系统54和第二弹簧系统55
的配置还产生第一驱动块36和第二驱动块28的线性振荡行为,由此缓解在先前技术配置中
所观察到的与非线性驱动弹簧运动相关联的问题。

如先前所提到,其中,旋转轴表示为X轴22,驱动块结构36和38在大体上平行于Y轴
25的相对方向以线性方式振荡(即,在图1和3中向上和向下)。由于科氏加速度分量、轴上扭
转弹簧58以及构成离轴弹簧系统60的弹簧68、70、72、74使得感测块32能够沿Z轴26在X-Y平
面24外振荡,该振荡作为陀螺仪传感器20围绕旋转X轴22的角速率(即,角速度)的函数。

链接弹簧部件56将感测块32耦合至第一驱动块36和第二驱动块38,使得感测块32
相对于驱动块30的振荡线性运动从驱动块30大体上解耦,但是相对于感测块32在X-Y平面
24外的振荡运动被耦合至第一驱动块36和第二驱动块38。换句话说,经由链接弹簧部件56
建立的链接被配置成使得感测块32相对不受第一驱动块36和第二驱动块38沿Y轴25的线性
运动影响。然而,感测32被链接至第一驱动块36和第二驱动块38,由于在陀螺仪传感器20围
绕旋转X轴22旋转期间的科氏力,使得感测块32以及第一驱动块36和第二驱动块38两者联
合进行平面外运动。此外,由于它们的设计,第一弹簧系统54和第二弹簧系统55也遵循感测
块32以及第一驱动块36和第二驱动块38围绕旋转X轴22的旋转。由于感测块32进行平面外
振荡运动,位置变化被电极82、84感测为电容的变化。这种电容变化在电极82、84处进行感
测并以常规的方式来电子化处理,以确定陀螺仪传感器20围绕旋转X轴22的角刺激的量值
(即,角速率)。

第一驱动块36和第二驱动块38沿Y轴25的驱动运动之间的耦合以及陀螺仪传感器
20围绕旋转X轴22的角速率产生科氏力,该科氏力继而使感测块32沿Z轴26在平面24外位
移。该科氏力量值是极小的。根据实施例,可以采用陀螺20的共振以便升高输出信号(即,在
电极82、84所感测的电容)。也就是说,至少部分由于驱动块36、38经由弹簧系统54、55的耦
合以及链接弹簧部件56的存在,感测块32的振荡频率足以接近驱动块系统30的第一驱动块
36和第二驱动块38的振荡频率,以用于从第一驱动块36和第二驱动块38感测块32的理想能
量传送。

图4示出了根据实施例的具有经由第一弹簧系统54和第二弹簧系统55耦合的第一
驱动块36和第二驱动块38的陀螺仪传感器20的概念模型118。在概念模型118中,弹簧系统
54、55的锚定元件108由三角形表示。相似地,用于轴上扭转弹簧58的锚定件62也由三角形
表示。链接弹簧部件56由将第一驱动块36和第二驱动块38与感测块32互连的简单线表示。
然而,为简单起见,离轴弹簧68、70、72、74(图1)以及它们的相关联锚定件78(图1)未在概念
模型118中示出。

弹簧系统54、55的梁88的刚度提供对在共振工作频率,即,基本驱动频率的同相驱
动运动(平行于Y轴25)的机械约束,该同相驱动运动由两个同向箭头120、122表示。因此,第
一驱动块36和第二驱动块38在驱动频率的由于外部振动、冲击、伪加速度或干扰所造成的
同相运动120、122在很大程度上被阻止。也就是说,由于足够高的同相运动120、122,第一弹
簧系统54和第二弹簧系统55的机械约束可能增大在本文中被称作共模驱动频率124并标记
为FCM-S的同相频率分量,使得共模驱动频率124超出陀螺仪传感器20的工作范围。因此,共
模激励在平行于Y轴25的驱动方向被有效遏制或以其他方式被抑制。

参考图5和6,图5示出了展示第一驱动块36和第二驱动块38在第一方向130的反相
线性振荡驱动运动126、128的概念模型118,以及图6示出了展示第一驱动块36和第二驱动
块38在第二方向132的反相线性振荡驱动运动126、128的概念模型118。第一驱动块36和第
二驱动块38经致动以进行反相线性振荡驱动运动126、128。由于在陀螺仪传感器20围绕旋
转X轴22旋转期间的科氏力,感测块32进行平面外运动,如上面所充分论述的。响应于围绕
旋转X轴22的角刺激,感测块32的平面外振荡运动的经由电极82、84感测,以及响应于感测
块32的所感测到的平面外振荡运动,该角刺激的量值被确定。

在图5中,反相线性振荡驱动运动126、128使第一驱动块36和第二驱动块38在第一
方向130彼此远离运动。由于第一驱动块36和第二驱动块38彼此远离运动,挠曲部92、96以
及弹性构件114使得刚性梁88中的每个刚性梁能够在相对方向旋转运动,如箭头134、136所
表示。在图6中,反相线性振荡驱动运动126、128使第一驱动块和第二驱动块38在第二方向
132朝着彼此运动。此外,由于第一驱动块36和第二驱动块38朝着彼此运动,挠曲部92、96以
及弹性构件114使得刚性梁88中的每个刚性梁能够在相对方向旋转运动,如箭头138、140所
表示。

因此,能够实现反相线性振荡驱动运动126、128,而同相(即,共模)运动120、122
(图4)基本上被阻止。也就是说,使得第一弹簧系统54和第二弹簧系统55中的每个弹簧系统
的刚性梁88能够响应于反相线性振荡驱动运动126、128围绕该刚性梁88的中心铰接点枢
转。另外,在由于挠曲部92、96以及弹性构件114在大体上平行于Y轴25的驱动方向中的不一
致而承受共模激励(例如,外部冲击、振动或其它加速度)时,第一弹簧系统54和第二弹簧系
统55中的每个弹簧系统的刚性梁88被限制为非枢转配置。

本发明的实施例涉及具有共模抑制结构的微机电系统(MEMS)装置例如陀螺仪传
感器,和利用该陀螺仪传感器感测围绕旋转轴的角刺激的方法。MEMS装置的实施例包括基
板、悬置在该基板的表面上方的第一能运动块和第二能运动块,以及用于使该第一能运动
块耦合至该第二能运动块的第一弹簧系统和第二弹簧系统。该第一弹簧系统和第二弹簧系
统设置在该MEMS装置的镜像对称轴的相对侧上,其中,该镜像对称轴大体上平行于该第一
能运动块和第二能运动块的运动方向朝向。该第一弹簧系统和第二弹簧系统中的每个弹簧
系统包括刚性梁、第一挠曲部和第二挠曲部,该刚性梁具有横向于该第一能运动块和第二
能运动块的运动方向朝向的纵长尺寸,该第一挠曲部直接耦合至该刚性梁的第一端并直接
耦合至该第一能运动块,该第二挠曲部直接耦合至该刚性梁的第二端并直接耦合至该第二
驱动块。

一种用于感测围绕旋转轴的角刺激的方法的实施例包括:提供具有第一驱动块和
第二驱动块以及感测框架的角速率传感器,该感测框架具有中心开口,该第一驱动块和第
二驱动块驻留在该中心开口中,该第一驱动块和第二驱动块经由第一弹簧系统和第二弹簧
系统彼此耦合,该感测框架经由链接弹簧系统耦合至该第一驱动块和第二驱动块,该第一
弹簧系统和第二弹簧系统被设置在该角速率传感器的镜像对称轴的相对侧上,该镜像对称
轴大体上平行于该第一驱动块和第二驱动块的运动方向朝向,其中,该第一弹簧系统和第
二弹簧系统中的每个弹簧系统包括刚性梁,该刚性梁具有横向于该第一驱动块和第二驱动
块的运动方向朝向的纵长尺寸、直接耦合至该刚性梁的第一端并直接耦合至该第一能运动
块的第一挠曲部,以及直接耦合至该刚性梁的第二端并直接耦合至该第二驱动块的第二挠
曲部。方法还包括致动该第一驱动块和第二驱动块以在驱动频率进行反相线性振荡运动,
该反相线性振荡运动大体上平行于基板的表面,该第一驱动块和第二驱动块被悬置在该基
板的表面上方,该方法还包括响应于该角刺激感测该感测框架的平面外振荡运动,以及响
应于该感测框架的所感测到的平面外振荡运动确定围绕该旋转轴的角刺激的量值。

MEMS装置具有耦合一对能运动块的一对弹簧系统,使得该能运动块能够基本反相
振荡运动同时提高共模频率,以便该能运动块的同相运动被有效地抑制。就对冲击、振动、
伪加速度以及可能以其它方式导致角速率传感器的不准确性或失效的类似刺激的抵抗性
而言,明显大于反相振荡运动的频率的共模频率是有利的。

本公开旨在阐明如何根据本发明形成和使用各种实施例而非限制本发明的真实、
既定和公平的范围及精神。前述描述并不打算是穷尽性的或将本发明限于所揭示的确切形
式。鉴于以上传授内容,许多修改或变型是可能的。选择和描述一或多个实施例以提供对本
发明的原理和其实际应用的最佳说明,进而使得本领域的普通技术人员能够在不同实施例
中利用本发明并且其不同修改适合应用于所涵盖的特定用途。当根据清楚地、合法地并且
公正地赋予的权利的广度来解释时,所有这样的修改和变化及其所有等效物均处于如由所
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