太阳城集团

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具有共模抑制结构的MEMS装置.pdf

摘要
申请专利号:

CN201610391466.8

申请日:

2016.06.06

公开号:

CN106257238A

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 19/5621申请日:20160606|||专利申请权的转移IPC(主分类):G01C 19/5621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: G01C19/5621(2012.01)I 主分类号: G01C19/5621
申请人: 飞思卡尔半导体公司
发明人: 邵鹏; 安德鲁·C·麦克尼尔
地址: 美国得克萨斯州
优先权: 2015.06.19 US 14/744,693
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CN201610391466.8

授权太阳城集团号:

||||||

法律状态太阳城集团日:

2018.06.29|||2017.10.17|||2016.12.28

法律状态类型:

实质审查的生效|||专利申请权、专利权的转移|||公开

摘要

本发明提供一种MEMS装置,该MEMS装置包括耦合一对驱动块的驱动弹簧系统和耦合一对感测块的感测弹簧系统。该驱动弹簧系统包括受约束的刚性梁和使该对驱动块互连的弯曲部。响应于该驱动块的驱动移动,该弯曲部使该受约束的刚性梁能够围绕该刚性梁的中心铰接点枢转移动,从而实现该驱动块的反相驱动运动并抑制该驱动块的同相运动。该感测弹簧系统包括对角地朝向的刚性梁和弹簧系统,该弹簧系统实现该感测块的反相感测运动同时抑制该感测块的同相运动。插入在该驱动块与该感测块之间的耦合块使该驱动块的该驱动运动从该感测块的该感测运动解耦。

权利要求书

1.一种微机电系统(MEMS)装置,其特征在于,包括:
平面基板;
驱动组合件,所述驱动组合件锚定于所述平面基板,所述驱动组合件包括第一驱动块
和第二驱动块;以及
刚性梁,所述刚性梁使所述第一驱动块与所述第二驱动块互连,所述刚性梁的纵长尺
寸垂直于所述第一和第二驱动块的驱动方向,所述驱动方向大体上平行于所述平面基板,
其中所述刚性梁响应于所述第一和第二驱动块在所述驱动方向上的驱动运动而围绕大体
上垂直于所述平面基板的轴枢转。
2.根据权利要求1所述的MEMS装置,其特征在于,进一步包括:
第一弹性元件,所述第一弹性元件耦合在所述刚性梁的第一端与所述第一驱动块之
间;以及
第二弹性元件,所述第二弹性元件耦合在所述刚性梁的第二端与所述第二驱动块之
间,所述第一和第二弹性元件横向于所述刚性梁朝向。
3.根据权利要求2所述的MEMS装置,其特征在于,所述刚性梁以及所述第一和第二弹性
元件被配置成使所述第一和第二驱动块能够彼此反相移动。
4.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域经由至少一个
锚定元件和至少一个弯曲部弹性地耦合到所述平面基板,所述至少一个弯曲部在所述刚性
梁的所述中心区域与所述至少一个锚定元件之间互连,所述至少一个弯曲部横向于所述刚
性梁朝向。
5.根据权利要求1所述的MEMS装置,其特征在于,进一步包括:
第一感测块;
第二感测块;
第一弹性组件,所述第一弹性组件柔性地耦合所述第一感测块与所述驱动组合件的所
述第一驱动块;以及
第二弹性组件,所述第二弹性组件柔性地耦合所述第二感测块与所述驱动组合件的所
述第二驱动块,其中所述第一和第二感测块被配置成响应于围绕大体上垂直于所述平面基
板的所述轴的角刺激而在感测方向上移动,所述感测方向大体上平行于所述平面基板以及
大体上垂直于所述驱动方向。
6.根据权利要求1所述的MEMS装置,其特征在于,进一步包括:
第一感测块,所述第一感测块与所述驱动组合件柔性地耦合;
第二感测块,所述第二感测块与所述驱动组合件柔性地耦合,所述第一和第二感测块
被约束为在大体上平行于所述平面基板以及大体上垂直于所述驱动方向的感测方向上移
动;以及
弹簧系统,所述弹簧系统被配置成减少所述第一和第二感测块的同相运动,所述弹簧
系统包括:
第一弹簧布置,所述第一弹簧布置在远离所述MEMS装置的中心线侧向移位的第一位置
处耦合到所述第一和第二感测块中的每一个感测块,所述中心线大体上平行于所述感测方
向朝向;以及
第二弹簧布置,所述第二弹簧布置在远离所述中心线侧向移位的第二位置处耦合到所
述第一和第二感测块中的每一个感测块,其中所述第一和第二弹簧布置相对于所述中心线
镜像对称地朝向。
7.根据权利要求6所述的MEMS装置,其特征在于,所述第一和第二弹簧布置中的每一个
弹簧布置包括:
第一刚性梁;
第二刚性梁,其中所述第一和第二刚性梁与所述感测方向成对角地朝向;
第一侧弹簧,所述第一侧弹簧在所述第一刚性梁与所述第一感测块之间柔性地互连;
以及
第二侧弹簧,所述第二侧弹簧在所述第二刚性梁与所述第二感测块之间柔性地互连。
8.根据权利要求7所述的MEMS装置,其特征在于,所述第一和第二弹簧布置中的所述每
一个弹簧布置进一步包括:
质量组件,所述质量组件悬置在所述平面基板之上;
第三侧边弹簧,所述第三侧边弹簧在所述第一刚性梁与所述质量组件之间柔性地互
连;以及
第四侧边弹簧,所述第四侧边弹簧在所述第二刚性梁与所述质量组件之间柔性地互
连,其中所述第一、第二、第三和第四侧边弹簧中的每一个侧边弹簧围绕大体上垂直于所述
平面基板的轴可旋转地顺应。
9.根据权利要求8所述的MEMS装置,其特征在于,所述第一、第二、第三和第四侧边弹簧
被配置成协作地运行,以使所述第一和第二刚性梁能够响应于所述第一和第二感测块的反
相感测运动进行枢转移动。
10.根据权利要求1所述的MEMS装置,其特征在于,进一步包括:
第一感测块和第二感测块,所述第一感测块和第二感测块与所述驱动组合件柔性地耦
合,所述第一和第二感测块被约束为在大体上平行于所述平面基板以及大体上垂直于所述
驱动方向的感测方向上移动;并且
所述驱动组合件进一步包括:
第一耦合块,所述第一耦合块插入在所述第一驱动块与所述第一感测块之间,所述第
一弹性布置在所述第一感测块与所述第一耦合块之间互连以耦合所述第一感测块与所述
第一驱动块,其中所述第一耦合块被配置成与所述第一驱动块在所述驱动方向上同相移
动;以及
第二耦合块,所述第二耦合块插入在所述第二驱动块与所述第二感测块之间,所述第
二弹性布置在所述第二感测块与所述第二耦合块之间互连以耦合所述第二感测块与所述
第二驱动块,其中所述第二耦合块被配置成与所述第二驱动块在所述驱动方向上同相移
动。
11.根据权利要求10所述的MEMS装置,其特征在于:
所述第一耦合块另外被配置成与所述第一感测块同相移动;并且
所述第二耦合块另外被配置成与所述第二感测块同相移动。
12.一种微机电系统(MEMS)装置,其特征在于,包括:
平面基板;
驱动组合件,所述驱动组合件锚定于所述平面基板,所述驱动组合件包括第一驱动块
和第二驱动块;
刚性梁,所述刚性梁使所述第一驱动块与所述第二驱动块互连,所述刚性梁的纵长尺
寸垂直于所述第一和第二驱动块的驱动方向朝向,所述驱动方向大体上平行于所述平面基
板,其中所述刚性梁的中心区域经由至少一个锚定元件和至少一个弯曲部弹性地耦合到所
述平面基板,所述至少一个弯曲部在所述刚性梁的所述中心区域与所述至少一个锚定元件
之间互连,所述至少一个弯曲部横向于所述刚性梁朝向,并且所述刚性梁响应于所述第一
和第二驱动块在所述驱动方向上的驱动运动而围绕大体上垂直于所述平面基板的轴枢转;
第一感测块;
第二感测块;
第一弹性布置,所述第一弹性布置柔性地耦合所述第一感测块与所述驱动组合件的所
述第一驱动块;以及
第二弹性布置,所述第二弹性布置柔性地耦合所述第二感测块与所述驱动组合件的所
述第二驱动块,其中所述第一和第二感测块被配置成响应于围绕大体上垂直于所述平面基
板的所述轴的角刺激而在感测方向上移动,所述感测方向大体上平行于所述平面基板以及
大体上垂直于所述驱动方向。
13.根据权利要求12所述的MEMS装置,其特征在于,进一步包括被配置成减少所述第一
和第二感测块的同相运动的弹簧系统,所述弹簧系统包括:
第一弹簧布置,所述第一弹簧布置在远离所述MEMS装置的中心线侧向移位的第一位置
处耦合到所述第一和第二感测块中的每一个感测块,所述中心线大体上平行于所述感测方
向朝向;以及
第二弹簧布置,所述第二弹簧布置在远离所述中心线侧向移位的第二位置处耦合到所
述第一和第二感测块中的每一个感测块,其中所述第一和第二弹簧布置相对于所述中心线
镜像对称地朝向。
14.根据权利要求13所述的MEMS装置,其特征在于,所述第一和第二弹簧布置中的每一
个弹簧布置包括:
第一刚性梁;
第二刚性梁,所述第一和第二刚性梁与所述感测方向成对角地朝向;
第一侧弹簧,所述第一侧弹簧在所述第一刚性梁与所述第一感测块之间柔性地互连;
以及
第二侧弹簧,所述第二侧弹簧在所述第二刚性梁与所述第二感测块之间柔性地互连。
15.根据权利要求14所述的MEMS装置,其特征在于,所述第一和第二弹簧布置中的所述
每一个弹簧布置进一步包括:
质量组件,所述质量组件悬置在所述平面基板之上;
第三侧边弹簧,所述第三侧边弹簧在所述第一刚性梁与所述质量组件之间柔性地互
连;以及
第四侧边弹簧,所述第四侧边弹簧在所述第二刚性梁与所述质量组件之间柔性地互
连,其中所述第一、第二、第三和第四侧边弹簧中的每一个侧边弹簧围绕大体上垂直于所述
平面基板的轴可旋转地顺应。
16.根据权利要求12所述的MEMS装置,其特征在于,所述驱动组合件进一步包括:
第一耦合块,所述第一耦合块插入在所述第一驱动块与所述第一感测块之间,所述第
一耦合块被配置成与所述第一驱动块在所述驱动方向上同相移动,其中所述第一弹性布置
在所述第一感测块与所述第一耦合块之间互连以耦合所述第一感测块与所述第一驱动块;
以及
第二耦合块,所述第二耦合块插入在所述第二驱动块与所述第二感测块之间,所述第
二耦合块被配置成与所述第二驱动块在所述驱动方向上同相移动,其中所述第二弹性布置
在所述第二感测块与所述第二耦合块之间互连以耦合所述第二感测块与所述第二驱动块。
17.根据权利要求16所述的MEMS装置,其特征在于:
所述第一耦合块另外被配置成与所述第一感测块同相移动;并且
所述第二耦合块另外被配置成与所述第二感测块同相移动。
18.一种微机电系统(MEMS)装置,其特征在于,包括:
平面基板;
驱动组合件,所述驱动组合件锚定于所述平面基板,所述驱动组合件包括第一驱动块
和第二驱动块;
刚性梁,所述刚性梁具有垂直于所述第一和第二驱动块的驱动方向朝向的纵长尺寸,
所述驱动方向大体上平行于所述平面基板;
第一弹性元件,所述第一弹性元件耦合在所述刚性梁的第一端与所述第一驱动块之
间;以及
第二弹性元件,所述第二弹性元件耦合在所述刚性梁的第二端与所述第二驱动块之
间,所述第一和第二弹性元件横向于所述刚性梁朝向,其中所述刚性梁的中心区域经由至
少一个锚定元件和至少一个弯曲部弹性地耦合到所述平面基板,所述至少一个弯曲部在所
述刚性梁的所述中心区域与所述至少一个锚定元件之间互连,所述至少一个弯曲部横向于
所述刚性梁朝向,并且所述刚性梁响应于所述第一和第二驱动块在所述驱动方向上的驱动
运动而围绕大体上垂直于所述平面基板的轴枢转。
19.根据权利要求18所述的MEMS装置,其特征在于,进一步包括:
第一感测块;
第二感测块;
第一弹性布置,所述第一弹性布置耦合所述第一感测块与所述驱动组合件的所述第一
驱动块;以及
第二弹性布置,所述第二弹性布置耦合所述第二感测块与所述驱动组合件的所述第二
驱动块,其中所述第一和第二感测块被配置成响应于围绕大体上垂直于所述平面基板的所
述轴的角刺激而在感测方向上移动,所述感测方向大体上平行于所述平面基板以及大体上
垂直于所述驱动方向。
20.根据权利要求19所述的MEMS装置,其特征在于,所述驱动组合件进一步包括:
第一耦合块,所述第一耦合块插入在所述第一驱动块与所述第一感测块之间,所述第
一弹性布置在所述第一感测块与所述第一耦合块之间互连以耦合所述第一感测块与所述
第一驱动块,其中所述第一耦合块被配置成与所述第一驱动块在所述驱动方向上同相移
动,并且所述第一耦合块另外被配置成响应于围绕大体上垂直于所述平面基板的所述轴的
所述角刺激而与所述第一感测块同相移动;以及
第二耦合块,所述第二耦合块插入在所述第二驱动块与所述第二感测块之间,所述第
二弹性布置在所述第二感测块与所述第二耦合块之间互连以耦合所述第二感测块与所述
第二驱动块,其中所述第二耦合块被配置成与所述第二驱动块在所述驱动方向上同相移
动,并且所述第二耦合块另外被配置成响应于所述角刺激而与所述第二感测块同相移动。

说明书

具有共模抑制结构的MEMS装置

技术领域

本发明大体上涉及微机电系统(microelectromechanical system,MEMS)装置。更
确切地说,本发明涉及通常不受由同相运动引起的误差影响的MEMS装置,例如角速率传感
器。

背景技术

近年来,微机电系统(Microelectromechanical system,MEMS)技术已经实现广泛
普及,因为该微机电系统提供了一种方法来制造极小的机械结构并使用常规分批半导体处
理技术将这些结构与电气装置在单个基板上集成。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。MEMS传感器的一个例子是MEMS
角速率传感器。又称为陀螺仪的角速率传感器感测围绕一个或多个轴的角速率或角速度。
MEMS陀螺仪越来越适于在汽车工业中用来促进防侧翻控制系统中的防滑控制和电子稳定
控制。

许多MEMS角速率传感器利用悬浮在基板上方的振动结构。一个此种角速率传感器
通常被称为“音叉”角速率传感器并且通常具有静电驱动和电容式感测。音叉角速率传感器
可以包括一对驱动块和/或一对感测块。该对驱动块以相反的相位(即,反相)被驱动。响应
于围绕输入轴的外部角刺激,该对感测块通过利用科氏加速度分量反相移动。感测块的移
动具有与角速率传感器围绕输入轴的角旋转速率成比例的幅度。

不利的是,此类角速率传感器容易发生两个驱动块和/或两个感测块的共模激励。
共模激励是两个驱动块和/或两个感测块由于外部刺激(例如,冲击、振动、伪加速度)而在
相同的方向上且以相同的幅度移动的情况。同相运动的频率(也称为共模频率)可以低至或
低于反相运动的频率(也称为差模频率)。因此,共模激励(即,同相运动)会引起角速率传感
器的不准确性或者会导致角速率传感器的永久失效。此外,角速率传感器的不准确性或失
效的可能性由于相对低的共模频率而增加。

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对本发明的更
全面理解,其中相同的附图标记贯穿附图指代类似的项目,不一定按比例绘制附图,并且:

图1示出根据实施例的MEMS装置的顶视图;

图2示出图1的MEMS装置的放大局部顶视图;

图3示出图1的MEMS装置的另一放大局部顶视图;

图4示出图1的MEMS装置的顶视图,其例示MEMS装置的一对驱动块的反相运动;

图5示出图1的MEMS装置的顶视图,其例示MEMS装置的一对感测块的反相运动;

图6示出根据实施例经由弹簧系统耦合的用于图1的MEMS装置的一对感测块的概
念模型;

图7示出图6的概念模型,其展示感测块在第一方向上的反相运动;以及

图8示出图6的概念模型,其展示感测块在第二方向上的反相运动。

具体实施方式

概括来说,本文所公开的实施例必须包括具有共模抑制结构和充分解耦的驱动和
感测模式的微机电系统(microelectromechanical system,MEMS)装置,例如角速率传感
器。具体来说,MEMS装置包括呈耦合一对驱动块的驱动弹簧系统形式的共模抑制结构。驱动
弹簧系统在提高共模驱动频率的同时实现驱动块的基本反相驱动运动,使得有效地抑制驱
动块的同相运动。MEMS装置可以另外包括呈耦合一对感测块的感测弹簧系统形式的另一共
模抑制结构。感测弹簧系统在提高共模感测频率的同时实现感测块的基本反相感测运动,
使得有效地抑制感测块的同相运动。MEMS装置可以另外包括插入在驱动块与感测块之间以
使驱动块的驱动运动从感测块的感测运动解耦的耦合块。MEMS装置的共模抑制结构能个别
地实现驱动和感测同相运动两者的抑制,并且充分解耦的配置能减少正交误差和/或可能
以另外的方式将错误的信号输入从驱动块强加至感测块的其它电噪声的可能性。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用于实施双移动块的
其它MEMS装置中,该双移动块将反相移动且其同相运动被抑制。

提供本发明以另外通过能够实现的方式对在应用时制造和使用根据本发明的各
种实施例的最佳模式进行解释。进一步提供本发明以加强对本发明的创造性原理及优点的
理解和了解,而不是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,包括在本
申请及提出的那些权利要求的全部等效物的未决期间所进行的任何修正。

参考图1,图1示出根据实施例的MEMS装置20的顶视图。MEMS装置20是通常被配置
成感测围绕旋转轴的角速率的角速率传感器,该旋转轴被称为输入轴22。因此,MEMS装置20
在下文中被称为角速率传感器20。在示出的配置中,输入轴22是三维坐标系中的Z轴,其中Z
轴22延伸到页面外,垂直于坐标系的X轴24和Y轴26。

角速率传感器20包括平面基板28、驱动组合件30、第一感测块32、第二感测块34以
及(本文中所论述的)各种机械连杆机构。驱动组合件30包括第一驱动块36、第一耦合块38、
第二驱动块40以及第二耦合块42。在图1的例子中,第一感测块32和第一耦合块38中的每一
个块是通常C形的框架,其中第一耦合块38驻留在延伸穿过第一感测块32的中心开口中,且
第一驱动块36驻留在延伸穿过第一耦合块38的中心开口中。因此,第一耦合块38定位在第
一驱动块36与第一感测块32之间。

为了图示清楚起见,使用各种底纹和/或影线示出图1和后续图2-8以彼此区分各
种元件。可以利用多种现行的和将来的制造技术来产生构造层内的这些不同元件。此外,例
如第一和第二、顶部和底部等等相关术语(如果存在的话)的使用在本文中仅用于区分实体
或动作,而不必需要或意指在此类实体或动作之间的任何实际此种关系或次序。

第二感测块34、第二耦合块42和第二驱动块40相对于对应的第一感测块32、第一
耦合块38和第一驱动块36围绕大体上平行于Y轴26的角速率传感器20的中心线45镜像对称
地朝向。因此,第二感测块34和第二耦合块42中的每一个块是通常反向的C形框架,其中第
二耦合块42驻留在延伸穿过第二感测块34的开口中,且第二驱动块40驻留在延伸穿过第二
耦合块42的中心开口中。因此,第二耦合块42定位在第二驱动块40与第二感测块34之间。

在所描绘的实施例中,第一驱动块36和第二驱动块40被配置成在大体上平行于Y
轴26的驱动方向上进行平面内振荡线性运动。第一感测块32和第二感测块34被配置成在大
体上平行于X轴24并且因此垂直于Y轴26的感测方向上进行平面内振荡线性运动。如下文将
详细论述,第一耦合块38和第二耦合块42被配置成在驱动方向和感测方向两者上进行振荡
运动。

柔性支撑元件44经由锚定器48将第一驱动块36和第二驱动块40中的每一个驱动
块连接到平面基板28的表面46。如此,第一驱动块36和第二驱动块40悬置在基板28的表面
46之上。柔性支撑元件44使第一驱动块36和第二驱动块40能够在大体上平行于Y轴26的驱
动方向上移动。例如,角速率传感器20的驱动系统包括被配置成使驱动块36和40振荡的若
干组驱动元件。每一组驱动元件包括被称为活动指50和固定指52的若干对电极。在示出的
例子中,活动指50耦合到驱动块36、40中的每一个驱动块并从驱动块36、40中的每一个驱动
块延伸,并且固定指52固定到基板28的表面46。固定指52与活动指50间隔开并以与活动指
50交替的布置定位。借助于附接到驱动块36、40,活动指50能与驱动块36、40一起活动。相
反,由于固定地附接到基板28,固定指52相对于活动指50固定。

一般来说,可以经由驱动电路(未示出)将交流(alternating current,AC)电压作
为驱动信号施加到与第一驱动块36相关联的第一组固定指52以及与第二驱动块40相关联
的第二组固定指52。对这两组固定指52加偏压以使第一驱动块36和第二驱动块40在沿着三
维坐标系中的Y轴26的驱动方向上反相振荡。也就是说,在+Y方向上致动一个驱动块36而
在-Y方向上致动另一驱动块40,且反之亦然。

结合图1参考图2,图2示出角速率传感器20的放大局部顶视图,图2的局部顶视图
在图1中以虚线框54划界。根据实施例,刚性梁56使第一驱动块36与第二驱动块40互连。更
确切地说,第一弹性元件58耦合在刚性梁56的第一端60与第一驱动块36之间。也就是说,刚
性梁56的第一端60耦合在第一弹性元件58的中心位置处,并且第一弹性元件58的相对端连
接到第一驱动块36。类似地,第二弹性元件62耦合在刚性梁56的第二端64与第二驱动块40
之间。也就是说,刚性梁56的第二端64耦合在第二弹性元件62的中心位置处,并且第二弹性
元件62的相对端连接到第二驱动块40。刚性梁56的纵长维度66通常垂直于第一驱动块36和
第二驱动块40的驱动方向(即,Y轴26)朝向,并且第一弹性元件58和第二弹性元件62横向于
刚性梁56朝向。

刚性梁56的中心区域68经由至少一个锚定元件70(示出两个)和至少一个弯曲部
72(示出两个)弹性地耦合到平面基板28,该至少一个弯曲部72在刚性梁56的中心区域68与
锚定元件70之间互连。弯曲部72横向于刚性梁56朝向。因此,刚性梁56的中心区域68经由弯
曲部72和锚定元件70铰接到平面基板28。虽然锚定元件70和弯曲部72提供用于旋转的铰
接,但是它们被配置成在平行于Y轴72的方向上是刚性的并且因此能抵抗在Y方向上的平
移。

在操作中,驱动系统(该驱动系统包括活动指50和固定指52)因静电力而对第一驱
动块36和第二驱动块40传递振荡线性运动。第一驱动块36和第二驱动块40的移动致使第一
弹性元件58和第二弹性元件62以及弯曲部72的变形/弯曲、以及刚性梁56围绕大体上垂直
于平面基板28(即,Z轴22)的中心区域68处的铰接点/约束的枢转运动。因此,第一弹性元件
58和第二弹性元件62以及弯曲部72与刚性梁56组合的配置使得第一驱动块36和第二驱动
块40在大致平行于Y轴26的相反方向(即,图1和2中的向上和向下)上(反相)大体上线性振
荡。

然而,通过刚性梁56到基板28的约束能抵消共模激励(例如,冲击、振动等),所述
共模激励通常将趋于沿着驱动轴(例如,Y轴26)以相同的量且在相同的方向上移动第一驱
动块36和第二驱动块40。因此,主要因第一驱动块36和第二驱动块40经由刚性梁56的耦合
来抑制第一驱动块36和第二驱动块40在驱动频率下的共模激励(即,同相运动)。

在“音叉”类的角速率传感器的操作期间,驱动块(例如,驱动块36、40)的位移通常
比感测块(例如,感测块32、34)的位移大得多。由于这种相对大的位移,驱动弹簧的非线性
运动会导致线性误差。除抑制共模激励外,刚性梁56与第一弹性元件58和第二弹性元件62
以及弯曲部72的配置还产生第一驱动块36和第二驱动块40的线性振荡行为,由此缓解在现
有技术配置中观测到的与非线性驱动弹簧运动相关联的问题。

返回参考图1,应记得,第一耦合块38插入在第一驱动块36与第一感测块32之间。
类似地,第二耦合块42插入在第二驱动块40与第二感测块34之间。第一耦合块38通过第一
连杆弹簧组件74(示出两个)耦合到第一驱动块36。类似地,第二耦合块42通过第二连杆弹
簧组件78(示出两个)耦合到第二驱动块40。另外,第一耦合块38通过第一弹性组件82(示出
四个)耦合到第一感测块32,并且第二耦合块42通过第二弹性组件84(示出四个)耦合到第
二感测块34。

连杆弹簧组件74、78被配置成仅连接驱动块36、40与耦合块38、42,使得就驱动块
36、40在大体上平行于Y轴26的驱动方向上的振荡线性运动而言,感测块32、34大体上从驱
动块36、40解耦。然而,弹性组件82、84被配置成将感测块32、34耦合到耦合块38、42在大体
上平行于X轴24的感测方向上的任何振荡线性运动。通过以此方式使驱动块36、40和感测块
32、34解耦,可以大体上减少正交误差和从驱动块36、40到感测块32、34的其它电噪声。

现在参考第一感测块32和第二感测块34的结构,柔性支撑元件86经由锚定器88将
第一感测块32和第二感测块34中的每一个感测块连接到平面基板28的表面46。如此,第一
感测块32和第二感测块34悬置在基板28的表面46之上。柔性支撑元件86使第一感测块32和
第二感测块34能够在大体上平行于X轴24的感测方向上移动。

角速率传感器20另外包括若干组感测元件,其中每一组感测元件包括被称为活动
感测指90和固定感测指92的若干对电极。在示出的例子中,活动感测指90耦合到感测块32、
34中的每一个感测块并从感测块32、34中的每一个感测块延伸。固定感测指92固定到基板
28的表面46。固定感测指92与活动感测指90间隔开并以与活动感测指90交替的布置定位。
借助于附接到感测块32、34,活动感测指90能与感测块32、34一起活动。相反,由于固定地附
接到基板28,固定感测指92相对于活动感测指90固定。

如本领域的技术人员已知,固定感测指92可以是单面的或可以布置在若干对差动
电极中。此外,在与第二组固定感测指92相反的方向上对第一组固定感测指92加偏压,该第
一组固定感测指92与第一感测块32相关联,该第二组固定感测指92与第二感测块34相关
联。因此,固定感测指92被配置成对感测块32、34的反相运动作出响应。

在操作中,如上文所论述,一旦第一驱动块36和第二驱动块40以及第一耦合块38
和第二耦合块42被置于在大体上平行于Y轴26的驱动方向上的反相振荡运动中,质量系统
就能够检测由围绕输入轴(即,Z轴22)旋转的角速率传感器20引起的角速率,即,角速度,该
输入轴大体上垂直于平面基板28。具体来说,由于科氏加速度分量,第一连杆弹簧组件74和
第二连杆弹簧组件78以及第一弹性组件82和第二弹性组件84使第一感测块32和第二感测
块34以及第一耦合块38和第二耦合块42能够平行于平面基板28的表面46振荡,该表面46大
体上平行于感测轴,即,X轴24。第一感测块32和第二感测块34的反相运动具有与角速率传
感器20围绕输入轴(即,Z轴22)的角旋转速率成比例的幅度,该角旋转速率被感测为活动感
测指90与固定感测指92之间的电容变化。

现在参考图1和3,图3示出角速率传感器20的另一放大局部顶视图,图3的局部顶
视图在图1中以虚线框94划界。根据实施例,角速率传感器20另外包括弹簧系统96,该弹簧
系统96被配置成减少第一感测块32和第二感测块34的共模激励(即,同相运动)。

弹簧系统96包括第一弹簧布置98,该第一弹簧布置98在远离角速率传感器20的中
心线100侧向移位的位置处耦合到第一感测块32和第二感测块34中的每一个感测块,其中
在此实施例中,中心线100大体上平行于X轴24。弹簧系统96另外包括第二弹簧布置102,该
第二弹簧布置102在远离角速率传感器20的中心线100的相反侧侧向移位的位置处耦合到
第一感测块32和第二感测块34中的每一个感测块。第一弹簧布置98和第二弹簧布置102相
对于中心线94镜像对称地朝向。因此,第一弹簧布置98和第二弹簧布置102远离中心线100
以相同的距离侧向移位。

图3具体示出第一弹簧布置98。然而,第一弹簧布置98的以下说明同样适用于第二
弹簧布置102。如图3中最佳地看到,第一弹簧布置98包括第一刚性梁104和第二刚性梁106,
该第一刚性梁104和第二刚性梁106中的每一个刚性梁大体上与感测方向(即,X轴24)成对
角地朝向,即相对于感测方向斜向地倾斜。本文中使用的术语“对角”是指梁104和106中的
每一个梁不平行于感测块32、34的感测方向布置也不垂直于感测块32、34的感测方向布置
的配置。替代地,梁104、106可以斜向地倾斜,但是它们不限于相对于感测方向成四十五度
角倾斜。

第一弹簧布置98的第一刚性梁104和第二刚性梁106通常长度相等且相对于彼此
朝向以形成倒置的V形布置。当然,由于第一弹簧布置98和第二弹簧布置102相对于彼此镜
像对称地朝向,因此第二弹簧布置102的第一梁104和第二梁106相对于彼此朝向以形成竖
立的V形布置。

第一弹簧布置98另外包括悬置在平面基板28的表面46之上的质量元件108。具体
来说,弯曲部110经由锚定系统112将质量元件108连接到平面基板28的表面46。在示出的配
置中,弯曲部110在大体上平行于X轴24的感测方向上相对刚性。也就是说,相比于弯曲部
110平行于X轴24的长度,弯曲部110在平行于Y轴26的方向上较薄。因此,弯曲部110在除平
行于X轴24的感测方向之外的方向上为顺应性的,即,能够弯曲、折曲或以其它方式变形。

第一弹簧布置98另外包括在第一刚性梁104与第一感测元件32之间柔性地互连的
第一侧弹簧114、以及在第一刚性梁104与质量元件108之间柔性地互连的第二侧弹簧116。
类似地,第一弹簧布置98包括在第二刚性梁106与第二感测元件34之间柔性地互连的第三
侧边弹簧118、以及在第二刚性梁106与质量元件108之间柔性地互连的第四侧边弹簧120。

侧边弹簧114、116、118、120中的每一个侧边弹簧围绕大体上垂直于平面基板28的
表面46的轴可旋转地顺应。也就是说,侧边弹簧114、116、118、120中的每一个侧边弹簧由允
许围绕Z轴22旋转的任何合适的弹簧配置形成。然而,侧边弹簧114、116、118、120在轴向上
是刚性的,即,通常被阻止进行平行于Z轴22的线性移动,使得侧边弹簧114、116、118、120的
旋转移动被约束到角速率传感二器20的X-Y平面。另外,第一刚性梁104和第二刚性梁106的
弹簧常数可以调谐成比侧边弹簧114、116、118、120的弹簧常数刚性得多,使得梁104、106很
大程度上为非顺应性的,且侧边弹簧114、116、118、120比梁104、106更具有顺应性。借助于
例子,梁104、106在角速率传感器20的X-Y平面上的宽度可以明显大于侧边弹簧114、116、
118、120中的任一个侧边弹簧的宽度。因此,梁104、106以及侧边弹簧114、116、118、120协作
地运行,以使第一感测块32和第二感测块34能够响应于围绕大体上平行于Z轴22的输入轴
的角刺激而在大体上平行于X轴24的感测方向上进行反相线性振荡运动。

图4示出图1的角速率传感器20的顶视图,其例示第一驱动块36和第二驱动块40的
反相运动。第一驱动块36和第二驱动块40经由驱动电路(未示出)提供给若干组活动指50和
固定指52的驱动信号致动,以产生由叠加在第一驱动块36和第二驱动块40上的反向箭头
122、124表示的反相驱动运动。这种反相驱动运动122、124处于由驱动电路指定的标记为FD
的基本驱动频率126下。

应记得,第一驱动块36和第二驱动块40经由对应的第一连杆弹簧组件74和第二连
杆弹簧组件78与对应的第一耦合块38和第二耦合块42互连。因此,第一耦合块38与第一驱
动块36同相移动,并且第二耦合块42与第二驱动块40同相移动。因此,第一耦合块38和第二
耦合块42相对于彼此反相移动。这种反相运动由叠加在第一耦合块38和第二耦合块42上的
反向箭头128、130表示。然而,第一驱动块36和第二驱动块40的移动从第一感测块32和第二
感测块34解耦。因此,第一感测块32和第二感测块34不会对第一驱动块36和第二驱动块40
的反相驱动运动122、124作出响应(即,不受该反相驱动运动122、124影响)。因此,可明显减
少正交误差和/或可能以另外的方式将错误的信号输入从第一驱动块36和第二驱动块40强
加至第一和感测块32、34的其它电噪声的可能性。

如图4所示,由于第一驱动块36和第二驱动块40的反相驱动运动122、124,第一弹
性元件58和第二弹性元件62以及弯曲部72变形,并且刚性梁56围绕其铰接点/约束枢转,且
具体来说,围绕穿过铰接点/约束的平行于Z轴22的轴枢转。因此,第一驱动块36和第二驱动
块40在驱动频率126下反相振荡相同的量。

另外,驱动块36、40经由刚性梁56的耦合大大增加了系统在大体上平行于Y轴26的
驱动方向上的刚度。通过刚性梁56的适当设计的配置,系统在驱动方向上的刚度可以明显
地增加共模驱动频率的量值(即,其中第一驱动块36和第二驱动块40可以同相移动的不当
振动模式的频率)。主要出于两个原因,提高的共模驱动频率在角速率传感器20的振动稳定
性方面有利。第一,实践经验的共模激励(例如,振动、冲击或其它加速度噪声)的能量谱密
度趋于随着共模驱动频率的提高而减小,从而在更高共模频率下产生减少的同相驱动块运
动。第二,借助于例子,在相对于驱动模式频率大致两倍的共模驱动频率下,为了产生同相
驱动块运动,必须克服大致四倍的弹簧刚度。因此,通过刚性梁56经由锚定元件70到平面基
板28的约束,能有效地抑制或排斥将趋于以相同的量且在相同的方向上移动第一驱动块36
和第二驱动块40的共模激励(例如,振动、冲击或其它加速度噪声)。

图5示出角速率传感器20的顶视图,其例示第一感测块32和第二感测块34的反相
运动。一旦第一驱动块36和第二驱动块40以及第一耦合块38和第二耦合块42被置于在大体
上平行于Y轴26的驱动方向(图4中所示)上的反相振荡运动中,且角速率传感器20围绕大体
上垂直于平面基板28的输入轴(即,Z轴22)旋转,科氏加速度分量就能使第一感测块32和第
二感测块34以及第一耦合块38和第二耦合块42大体上平行于感测轴(即,X轴24)振荡。这种
移动具有与角速率传感器20围绕输入轴(即,Z轴22)的角旋转速率成比例的幅度。

由于第一感测块32和第二感测块34经由第一弹簧布置98和第二弹簧布置102的互
连,以及如结合图3所论述的第一刚性梁104和第二刚性梁106的枢转移动,第一感测块32和
第二感测块34在标记为FS的基本感测频率142下反相振荡,如由叠加在第一感测块32和第
二感测块34上的反向箭头144、146所表示。同样地,第一耦合块38与第一感测块32同相移
动,并且第二耦合块42与第二感测块34同相移动。因此,第一耦合块38和第二耦合块42大体
上平行于感测轴(即,X轴24)相对于彼此反相振荡。这种反相运动由叠加在第一耦合块38和
第二耦合块42上的反向箭头148、150表示。然而,第一驱动块36和第二驱动块40的移动从第
一感测块32和第二感测块34解耦。因此,第一驱动块36和第二驱动块40不会对第一感测块
32和第二感测块34的反相感测运动144、146作出响应(即,不受该反相感测运动144、146影
响)。

图6示出根据实施例经由弹簧系统96耦合的用于角速率传感器20的第一感测块32
和第二感测块34的概念模型152。在概念模型152中,第一弹簧布置98由元件154和弹簧156
表示。同样地,第二弹簧布置102由元件154和156表示。如上文所描述,各种侧边弹簧114、
116、118、120(在图3中最佳地看到)在大体上平行于X轴24的感测方向上是刚性的,即,为非
顺应性的。这种刚度在概念模型152中通过元件154表示。然而,弹簧156表示弯曲部110(图3
中最佳地看到)能够在平行于驱动方向(该驱动方向大体上平行于Y轴26)的方向上移动,
即,拉伸、压缩或以其它方式变形。

梁104、106的刚度以及侧边弹簧114、116、118、120在感测方向(平行于X轴24)上的
刚度向谐振工作频率(即,基本感测频率142(图5))下的同相感测运动提供机械约束,该同
相感测运动由两个共同导向的箭头158、160表示。因此,很大程度上防止了第一感测块32和
第二感测块34因外部振动、冲击、伪加速度或在基本感测频率142下的干扰而导致的同相运
动158、160。弹簧系统96的机械约束能将因同相运动158、160而形成的同相频率分量(在本
文中称为共模感测频率162并标记为FCM-S)增加得足够高,使得共模感测频率162在角速率
传感器20(图1)的工作范围之外,由此有效地抑制或排斥平行于X轴24的感测方向上的共模
激励。

参考图7和8,图7示出概念模型152,其展示第一感测块32和第二感测块34在第一
方向164上的反相运动144、146,且图8示出概念模型152,其展示第一感测块32和第二感测
块34在第二方向166上的反相感测运动144、146。如上文所深入论述,感测块32、34响应于围
绕大体上垂直于平面基板28(图1)的轴(即,Z轴22)的角刺激反相振荡。

在图7中,反相感测运动144、146使第一感测块32和第二感测块34朝向彼此在第一
方向164上移动。当第一感测块32和第二感测块34朝向彼此移动时,侧边弹簧114、116、118、
120(图3)实现如由箭头168表示的刚性梁104、106的旋转移动,使得第一弹簧布置98和第二
弹簧布置102中的每一个弹簧布置中的刚性梁104、106朝向彼此在感测方向上枢转。在图8
中,反相感测运动144、146使第一感测块32和第二感测块34远离彼此在第二方向166上移
动。当第一感测块32和第二感测块34远离彼此移动时,侧边弹簧114、116、118、120(图3)实
现刚性梁104、106的旋转移动,使得在第一弹簧布置98和第二弹簧布置102中的每一个弹簧
布置中的刚性梁104、106远离彼此在感测方向上枢转。

因此,实现第一感测块32和第二感测块34的振荡反相感测运动144、146,同时大体
上防止同相感测运动158、160。也就是说,当经受由于在大体上平行于X轴24的感测方向上
的侧边弹簧114、116、118、120(图3)的非顺应性而导致的共模激励(例如,外部冲击、振动或
其它加速度)时,弹簧布置98、102中的每一个弹簧布置的刚性梁104、106被约束为如图6所
示的非折叠(非枢转)配置170。

本发明的实施例必须包括具有共模抑制结构和充分解耦的驱动和感测模式的
MEMS装置,例如角速率传感器。MEMS装置的实施例包括平面基板和锚定于平面基板的驱动
组合件,驱动组合件包括第一驱动块和第二驱动块。刚性梁使第一驱动块与第二驱动块互
连。刚性梁的纵长尺寸垂直于第一和第二驱动块的驱动方向朝向,该驱动方向大体上平行
于平面基板,其中刚性梁响应于第一和第二驱动块在驱动方向上的驱动运动而围绕大体上
垂直于平面基板的轴枢转。

包括使第一驱动块与第二驱动块互连的刚性梁的驱动弹簧系统能实现驱动块的
基本反相驱动运动,同时提高共模驱动频率,使得有效地抑制驱动块的同相运动。耦合第一
感测块与第二感测块的感测弹簧系统能实现感测块的基本反相感测运动,同时提高共模感
测频率,使得也有效地抑制感测块的同相运动。插入在驱动块与感测块之间的耦合块使驱
动块的驱动运动从感测块的感测运动解耦。MEMS装置的共模抑制结构能个别地实现驱动和
感测同相运动两者的抑制,并且充分解耦的配置能减少正交误差和/或可能以另外的方式
将错误的信号输入从驱动块强加至感测块的其它电噪声的可能性。

本发明旨在阐明如何设计和使用根据本发明的各种实施例,而非限制本发明的真
实、既定和公平的范围及精神。以上描述并不打算是穷尽性的或将本发明限于所公开的确
切形式。鉴于以上教示,可以进行许多修改或变型。选择和描述实施例是为了提供对本发明
的原理和本发明的实际应用的最佳说明,并且使本领域的技术人员能够在各种实施例中并
用适合于所预期特定用途的各种修改来利用本发明。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附权利要
求书所确定的本发明的保护范围内,并且在本专利申请的未决期间可以修正。

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具有 抑制 结构 MEMS 装置
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