专利名称：带有离轴弹簧系统的惯性传感器的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及微机电系统(MEMS)器件。更特别地，本发明涉及在驱动和感测频率之间的匹配得到改善的MEMS惯性传感器。
背景技术：
微机电系统(MEMS)技术近年来已得到广泛普及，因为它提供了一种利用常规批量半导体加工技术制造非常小的机械结构并将这些结构与电器件一起集成在单个衬底上的途径。MEMS的一个常见应用是传感器器件的设计和制作。微机电系统(MEMS)传感器器件广泛应用于诸如汽车、惯性制导系统、家用电器、游戏器件和各种器件的保护系统等的应用，以及许多其它工业、科学以及工程系统。MEMS角惯性传感器可实现为感测绕一个或更多轴的角速度或角加速度。MEMS陀螺仪传感器，或称为“陀螺仪”、“角速率传感器”、“回转测试仪”、“陀螺测试仪”或“转速传感器”，是感测绕一个或多个轴的角速率或角速度的惯性传感器。一种这样的传感器，被称为“X轴”陀螺仪，配置为感测由于Coriolis加速度分量的影响而绕与陀螺仪衬底平行的轴的角旋转。角加速计是测量角速度的变化速度的加速计。
发明内容
示范性实施例提供一种惯性传感器，可包括具有表面的衬底；驱动质体，配置为在与所述表面实质上平行的平面内经历振荡运动；感测质体，联接到所述驱动质体；同轴扭力弹簧，耦接到所述感测质体，所述同轴扭力弹簧与一旋转轴处于相同位置；以及离轴弹簧系统，具有连接接口，所述连接接口在所述感测质体上的移离所述旋转轴的位置处耦接到所述感测质体，其中所述同轴扭力弹簧和所述离轴弹簧系统使所述感测质体能够振荡到所述平面之外。示范性实施例还提供一种惯性传感器，可包括具有表面的衬底；感测质体，具有对称地位于旋转轴的相反两侧的第一外端和第二外端，所述感测质体包括中心开口 ；驱动质体，联接到所述感测质体并且位于所述中心开口中，所述驱动质体配置为在实质上平行于所述表面的平面内经历振荡运动；同轴扭力弹簧，耦接到所述感测质体，所述同轴扭力弹簧与所述旋转轴处于相同位置；以及离轴弹簧系统，包括设置在所述感测质体的所述第一外端处的第一离轴弹簧和设置在所述感测质体的所述第二外端处的第二离轴弹簧，所述第一离轴弹簧和所述第二离轴弹簧中的每个包括连接接口，所述连接接口在所述感测质体上的移离所述旋转轴的位置处耦接到所述感测质体，其中所述同轴扭力弹簧和所述离轴弹簧系统使所述感测质体能够绕所述旋转轴旋转到所述平面外。
结合附图并参阅具体实施方式
以及权利要求，可获得对本发明更完整的理解。附图中，类似的附图标记始终表示相似的元件。
图1示出根据一实施例的陀螺仪传感器的顶视图；图2示出图1的陀螺仪传感器的侧视概念图；图3示出根据一替选实施例的陀螺仪传感器的顶视图；图4示出根据一替选实施例的双轴陀螺仪传感器的顶视图；以及图5示出根据另一替选实施例的双轴陀螺仪传感器的顶视图。
具体实施例方式这里公开的实施例涉及例如具有一个或更多跷跷板型感测质体的陀螺仪传感器和角加速计传感器形式的微机电系统(MEMS)惯性传感器器件。在一示范性实施例中，陀螺仪传感器可配置为感测由于Coriolis加速度分量的影响而绕与陀螺仪传感器的衬底平行的轴的角旋转速率。陀螺仪传感器包括耦接到跷跷板式感测质体的同轴扭力弹簧和离轴弹簧系统。同轴扭力弹簧沿旋转轴放置，离轴弹簧系统在从旋转轴移开的一个或多个位置处耦接到感测质体。离轴弹簧系统在旋转轴中提供足够的扭转刚度以实现陀螺仪传感器的感测频率与驱动频率之间改善的匹配。参照图1和图2，图1示出根据一实施例的惯性传感器20的顶视图，图2示出惯性传感器20的侧视概念图。惯性传感器20通常被配置为感测绕旋转轴22 (B卩，三维坐标系中的X轴)的角速率。因此，惯性传感器20在这里称为陀螺仪传感器20。按惯例，陀螺仪传感器20被示为具有X-Y平面24内的基本平面式结构，其中Z轴26延伸出页面外，垂直于图1的X-Y平面24，且Z轴26如图2所示向上和向下延伸。陀螺仪传感器20包括衬底28、驱动质体30、感测质体32、以及将在下面进行详细描述的各种机械联接(linkage)。在图1和图2的具体实施例中,驱动质体30位于延伸穿过感测质体32的中心开口 34中。驱动质体30包括驱动质体结构36和在X-Y平面24中设置在驱动结构36旁边的另一驱动质体结构38。驱动质体结构36和38关于旋转轴22相对于彼此对称放置。驱动系统40位于中心开口 34内并且操作上与驱动质体结构36和38中的每个连通。更具体而言，驱动系统40包括配置为振荡驱动结构36的一组驱动元件42和配置为振荡驱动结构38的另一组驱动元件44。每组驱动元件42和44包括成对的电极，被称为梳齿46和48。在一实施例中，梳齿46耦接到驱动质体结构36和38每个的外周且从其延伸。梳齿48通过锚52固定到衬底28的表面50。梳齿48与梳齿46间隔开并且定位成与梳齿46成交替布置。凭借其连接到驱动质体结构36和38，梳齿46可与驱动质体结构36和38一起移动。相反，由于其固定连接到衬底28，梳齿48相对于梳齿46静止。因此，梳齿46在这里称为可移动梳齿46，梳齿48在这里称为固定梳齿48。为了图示清楚，仅示出一些可移动和固定梳齿46和48。本领域技术人员应易于认识到，梳齿的数量和结构将根据设计需要而改变。在一些实施例中，固定梳齿48的整体长度可连接到衬底28的表面50。在替选实施例中，每个固定梳齿48可以在由锚52表不的单一位置处锚定到衬底28的表面50,每个固定梳齿48的剩余部分悬于表面28之上。就实现使用区的更高效率和降低对封装应力的敏感性而言，在一些实施例中该第二方案是期望的。为了对附图的描述中的一致性，任何锚固结构，诸如将陀螺仪传感器20的元件连接到下面的衬底28的表面50的锚52，用点画图案示出。相反，不是锚固结构的任何元素不包括该点画图案且因此悬于衬底28的表面50之上。驱动质体结构36和38配置为在X-Y平面24内经历振荡运动。大体上，交流(AC)电压可通过驱动电路(未显示)施加到固定梳齿48以使驱动质体结构36和38沿Y轴54线性振荡。在一实施例中，AC电压适当地施加到固定梳齿48以使可动梳齿46 (且因此驱动质体结构36和38)基本平行于固定梳齿48移动。驱动质体结构36和38可适当地联接在一起或以其它方式适当地被驱动以沿Y轴54在相反的方向上(即逆相地)移动。联接弹簧部件56分别将每个驱动质体结构36和38耦合到感测质体32。这样，驱动质体结构36和38悬于衬底28的表面50之上并且没有与衬底28的直接物理接触。联接弹簧部件56可以是允许驱动质体结构36和38在平面24内沿Y轴54的大幅振荡线性运动的任何便利的形状、尺寸和材料，但是具有足够的刚性以沿Z轴26将Coriolis力从驱动质体结构36和38传输到感测质体32。陀螺仪传感器20还包括同轴扭力弹簧58和离轴弹簧系统60。同轴扭力弹簧58耦接到感测质体32并与X旋转轴22处于相同位置。在所示实施例中，每个同轴扭力弹簧58通过也与X旋转轴22处于相同位置的锚62将感测质体32连接到衬底28的表面50。
感测质体32包括对称地位于X旋转轴22的相对两侧的外端64和66。S卩，感测质体32的框架结构的中心位于X旋转轴22上，从而外端64和66距X旋转轴22是等距的。在所示实施例中，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设置在感测质体32的外端64处，离轴弹簧70和74设置在感测质体32的外端66处。特别地，每个离轴弹簧68、70、72和74具有连接接口 76，连接接口 76在从X旋转轴22移开的位置处直接物理耦接到感测质体32。在所示实施例中，每个弹簧68、70、72和74通过锚78将感测质体32连接到衬底28的表面50。因此，弹簧68、70、72和74是基本线性的弹簧，其每个都具有耦接到感测质体32的连接接口 76和耦接到锚78之一的相反端，该线性弹簧限制感测质体32的平面外运动，从而它绕X旋转轴22转动。通常，通过弹簧68、70、72和74的实施而引起的旋转刚度KK，S是Z轴弹簧常数Kz(即，每个线性弹簧68、70、72和74的弹簧常数)以及在端部64处的弹簧68、72和在感测质体32的端部66处的弹簧70、74之间的距离Ls的函数。旋转刚度KK，S在图2中由方程式80表示。如果弹簧具有相同的弹簧常数Kz，那么弹簧68、70、72和74的有效枢轴点是中间位置。即，弹簧68、70、72和74的对称放置导致感测质体32的有效枢轴点与X旋转轴22和同轴扭力弹簧58 —致。同轴扭力弹簧58以及离轴弹簧系统60的弹簧68、70、72和74的形状、尺寸、数量、位置、材料以及弹簧常数可以根据已知机械设计原理适当地选择从而实现用于频率匹配、稳定性和感测范围的期望刚度。衬底28可包括被一个或多个绝缘层(未显示)覆盖的半导体层(未显示)。半导体层通常是硅晶片，在一些情况下，还可以利用常规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。绝缘层可包括玻璃、二氧化硅、氮化硅或任何其它兼容材料。各种导电板或电极连同陀螺仪传感器20的其它固定部件形成在衬底28的表面50上。在简化实施例中，电极包括X感测电极82和84。导体(未显示)可以形成在衬底28上以提供到电极82和84以及到感测质体32的单独电连接。电极82和84由导电材料诸如多晶硅形成，并且可以与相应导体同时形成，如果选择相同材料用于这些部件的话。电极82和84在图2中是可见的，但在图1中被上面的感测质体32所遮挡。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质体32的物理放置。虽然仅示出X感测电极82和84，但是本领域技术人员将认识到，在替选实施例中，可提供额外电极类型以用于频率调谐、力反馈和/或正交补偿。运行时，驱动质体30的驱动质体结构36和38经历X-Y平面24内的逆相振荡线性运动。在旋转轴指定为X轴22的所示实施例中，驱动质体结构36和38在基本平行于Y轴54的相反方向上(B卩，图1中向上和向下)线性振荡。由于Coriolis加速度分量，同轴扭力弹簧58和组成离轴弹簧系统60的弹簧68、70、72、74使感测质体32能够沿Z轴26振荡到X-Y平面24外，该振荡是陀螺仪传感器20绕X旋转轴22的角速率(即角速度)的函数。联接弹簧部件56将感测质体32耦合到驱动质体30，从而感测质体32关于驱动质体30的振荡线性运动基本从驱动质体30去耦，但是关于感测质体32的X-Y平面24外的振荡运动仍耦合到驱动质体30。换言之，通过联接弹簧部件56建立的联接被配置为使感测质体32相对不受驱动质体30沿Y轴54的线性移动的影响。然而，感测质体32联接到驱动质体30，从而感测质体32和驱动质体30在陀螺仪传感器20绕X旋转轴22旋转期间由于Coriolis力而共同地经历平面外运动。由于感测质体32经历离面振荡运动，所以位置变化被电极82和84感测为电容变化。该电容变化在电极82和84处感测并且以常规方式被电子处理以获得陀螺仪传感器20绕X旋转轴22的角速率。正是驱动质体30沿Y轴54的驱动运动和陀螺仪传感器绕X旋转轴22的角速率之间的耦合产生Coriolis力，Coriolis力又使感测质体32沿Z轴26移到平面24外。Coriolis力的大小非常小。根据一实施例，陀螺仪传感器20的谐振被有利地使用以提升输出信号(即，在电极82和84处感测的电容)。S卩，感测质体32的振荡频率充分接近驱动质体30的振荡频率以获得从驱动质体30到感测质体32的最佳能量传输。在一些现有技术的惯性传感器中，同轴扭力弹簧设计为是较柔性的，或软的，从而实现感测质体以低频率(例如，在比大约10千赫更小的频率上)的旋转。不幸的是，这种同轴扭力弹簧的柔软性可能导致驱动质体和感测质体之间的频率失配。即，输出频率(即,感测质体的振荡频率)可能没有适当地跟踪或等于输入频率(即，驱动质体的振荡频率)。为了获得足够的扭力刚度，扭力弹簧在另一些现有陀螺仪传感器设计中被设计为短而宽。然而，因为在MEMS陀螺仪传感器制造中工艺在晶片间发生变化，所以由于驱动弹簧可能经历弯曲运动，这种短而宽的扭力弹簧可能不会适当地跟踪驱动弹簧(即，驱动质体和感测质体之间的联接构件)。因此，在现有技术设计中感测质体的振荡频率可能明显不同于驱动质体的振荡频率，从而导致不佳的从驱动质体到感测质体的能量传输。同轴扭力弹簧58和离轴弹簧系统60使感测质体32能振荡到平面24外，该振荡是陀螺仪传感器20的角速率的函数。此外，同轴扭力弹簧58和离轴弹簧系统60协同用于有效地减小由于陀螺仪传感器制造工艺的变化引起的弹簧常数变化。即，同轴扭力弹簧58以及离轴弹簧系统60的弹簧68、70、72和74配置为使其总弹簧常数实质上等于联接弹簧部件56的总弹簧常数。这导致实现了驱动质体30的振荡频率(即，驱动频率)和感测质体32的振荡频率(即，感测频率)之间更接近地匹配的设计。因此，在宽范围的驱动频率上(主要由于工艺变化而引起)，感测质体32以实质上等于驱动频率的感测频率振荡，从而提升了输出信号，即在电极82和84处感测的电容。
图3示出根据替选实施例的陀螺仪传感器86的顶视图。正如陀螺仪传感器20，陀螺仪传感器86 —般配置为感测绕X旋转轴22的角速率。因此，陀螺仪传感器86具有X-Y平面24内的大体平面式结构。陀螺仪传感器86包括衬底88、驱动质体结构90和91、感测质体92以及将在下面进行详细描述的各种机械联接。在图3的具体实施例中，感测质体92位于穿过驱动质体结构90和91延伸的中心开口 94中。陀螺仪传感器86还包括与驱动质体结构90和91连通的驱动系统96。在这个实施例中，驱动系统96位于驱动质体结构90和91的外周边98以外。驱动系统96包括配置为振荡驱动质体结构90的一组驱动元件100和配置为振荡驱动质体结构91的另一组驱动元件101。每组驱动元件100和101都包括稱接到每个驱动质体结构90和91的外周边98并从其延伸的可动梳齿102以及通过锚108固定到衬底88的表面106的固定梳齿104。驱动质体结构90和91可以适当地联接在一起或以其它方式适当地被驱动以沿Y轴54在相反方向上(即，逆相地)移动。联接弹簧部件110将驱动质体结构90和91耦合到感测质体92。这样，驱动质体结构90和91悬于衬底88的表面106之上并且没有与衬底88的直接物理接触。联接弹簧部件110可以是允许驱动质体结构90和91在X-Y平面24内沿Y轴54的大幅振荡线性运动的任何便利的形状、尺寸和材料，但是具有足够的刚性以将Coriolis力沿Z轴26 (图2)从驱动质体90传输到感测质体92。陀螺仪传感器86还包括同轴扭力弹簧112和离轴弹簧系统114。同轴扭力弹簧112耦接到感测质体92并且与X旋转轴22位于相同位置。在所示实施例中，感测质体92包括由感测质体92的内周边118界定的中心开口 116。锚结构120位于感测质体92的中心开口 116中。在一实施例中，锚结构120与X旋转轴22处于相同位置。同轴扭力弹簧112通过该中心位置的锚结构120将感测质体92连接到衬底88的表面106。感测质体92的内周边118包括对称地位于X旋转轴22的相对两侧的内端122和124。S卩，感测质体92的框架结构的中心位于X旋转轴22处从而内端122和124距X旋转轴22是等距的。离轴弹簧系统114包括位于中心开口 116中的离轴弹簧126和128。离轴弹簧126设置在感测质体92的内端122处，离轴弹簧128设置在感测质体92的内端124处。特别地，每个离轴弹簧126和128具有连接接口 130，连接接口 130在移离X旋转轴22的位置处直接物理耦接到感测质体92。每个离轴弹簧126和128耦接到锚结构120从而通过位于中心位置的锚结构120将感测质体92连接到衬底表面106。同轴扭力弹簧112以及离轴弹簧系统114的弹簧126和128的形状、大小、数量、位置、材料和弹簧常数可以根据已知机械设计原理适当地选择从而获得用于频率匹配、稳定性和感测范围的期望刚度。特别地，同轴扭力弹簧112以及离轴弹簧系统114的弹簧126和128被适当地配置，从而其总弹簧常数实质上等于联接弹簧部件HO的总弹簧常数。运行时，驱动质体结构90和91在X-Y平面24内经历逆相位振荡线性运动。在旋转轴指定为X轴22的所示实施例中，驱动质体结构90和91在基本平行于Y轴54的相反方向上(即，图3中向上和向下)线性振荡。由于Coriolis加速度分量，同轴扭力弹簧112以及组成离轴弹簧系统114的离轴弹簧126和128使感测质体92以及检测质体结构90和91沿Z轴振荡到X-Y平面24外(S卩，绕X旋转轴22)，该振荡是陀螺仪传感器86绕X旋转轴22的角速率(即，角速度)的函数。由于感测质体92经历离面振荡运动，所以位置变化被感测质体92下面的电极(以虚线形式示出)感测为电容变化。该电容变化随后被以常规方式进行电子处理，从而获得陀螺仪传感器86绕X旋转轴22的角速率。如同陀螺仪传感器20 (图1)，陀螺仪传感器86的同轴扭力弹簧112和离轴弹簧系统114协同用于有效地减小由于陀螺仪传感器制造工艺的变化引起的弹簧常数变化。这导致另一设计，其实现了驱动质体90的振荡频率(即，驱动频率)和感测质体92的振荡频率(即，感测频率)之间更接近的匹配。以上提供的例子是单轴陀螺仪惯性传感器的实施例。然而，同轴扭力弹簧和离轴弹簧系统二者的概念可另外地适用于双轴陀螺仪惯性传感器设计，下面给出两个例子用于示例。图4示出根据一替选实施例的双轴陀螺仪传感器132的顶视图。陀螺仪传感器132具有在X-Y平面24内的大致平面式结构，并且一般配置为感测绕X旋转轴22和Y旋转轴54 二者的角速率。陀螺仪传感器132包括衬底134、驱动质体136、感测质体138、另一感测质体140和将在下文进行详细描述的各种机械联接。在图4的具体实施例中，感测质量140位于穿过感测质体138延伸的中心开口 142中。驱动质体136包括绕感测质体138适当布置且经由联接弹簧部件146连接到感测质体138的多个驱动质体结构144。因此，驱动质体结构144悬于衬底134的表面148上并且没有与衬底134的直接物理接触。驱动质体136还包括绕感测质体140适当地布置且经由额外的联接弹簧部件152连接到感测质体140的多个驱动质体结构150。因此，驱动质体结构150也悬于衬底134的表面148之上并且没有与衬底134的直接物理接触。驱动质体结构144关于X旋转轴22相对于彼此对称地定位。类似地，驱动质体结构150关于Y旋转轴54相对于彼此对称地定位。驱动系统154位于驱动质体结构144和150附近。驱动系统154包括在驱动质体结构144附近且配置为振荡驱动质体结构144的成组的驱动元件156。驱动系统154还包括在驱动质体结构152附近且配置为振荡驱动质体结构150的额外的驱动元件158的组。每组驱动元件156和158包括可动梳齿160和固定梳齿162。在一实施例中，可动梳齿160耦接到每个驱动质体结构144和150的周边并且从其延伸，固定梳齿162通过锚163耦接到衬底134的表面148。固定梳齿162与可动梳齿160间隔开并且定位成与可动梳齿160成交替布置。驱动质体结构144和150配置为在X_Y平面24内经历振荡运动。大体上，交流(AC)电压可通过驱动电路(未显示)施加到驱动元件156的组的固定梳齿162，以使驱动质体结构144基本平行于Y轴54线性振荡。通过类似原理，AC电压可通过驱动电路施加到驱动元件158的组的固定梳齿162以使驱动质体结构150基本平行于X轴22线性振荡。双轴陀螺仪传感器132还包括耦接到感测质体138并且与X旋转轴22处于相同位置的同轴扭力弹簧164以及离轴弹簧系统。在所示实施例中，离轴弹簧系统包括离轴弹簧168和170。离轴弹簧168设置在感测质体138的外端172处，离轴弹簧170设置在感测质体138的外端174处，外端172和174对称地位于X旋转轴22的相对两侧。特别地，每个离轴弹簧168和170具有连接接口 176，连接接口 176在移离X旋转轴22的位置处直接物理耦接到感测质体138。同轴扭力弹簧164以及离轴弹簧168和170使感测质体138沿Z轴26振荡到X-Y平面24外，该振荡是陀螺仪传感器132绕X旋转轴22的角速率(S卩，角速度)的函数。
此外，双轴陀螺仪传感器132包括耦接到感测质体140并且与Y旋转轴54处于相同位置的同轴扭力弹簧178以及离轴弹簧系统。在所示实施例中，离轴弹簧系统包括离轴弹簧182和184。离轴弹簧182设置在感测质体140的外端186处，离轴弹簧184设置在感测质体140的外端188处，外端186和188对称地位于Y旋转轴54的相对两侧。特别地，每个离轴弹簧182和184具有连接接口 190，连接接口 190在移离Y旋转轴54的位置处直接物理耦接到感测质体140。同轴扭力弹簧178以及离轴弹簧系统的离轴弹簧182和184使感测质体140能沿Z轴26振荡到X-Y平面24外，该振荡作为陀螺仪传感器132绕Y旋转轴54的角速率(即，角速度)的函数。在所示实施例中，同轴扭力弹簧164以及离轴扭力弹簧168和170中的每个通过锚192将感测质体138连接到衬底134的表面148。此外，同轴扭力弹簧178以及离轴扭力弹簧182和184中的每个将内感测质体140连接到感测质体138。因此，每个感测质体138和140悬于下面的衬底134之上。电极(未显示)在感测质体138和140下面的合适位置处形成于衬底134的表面148上以在每个感测质体138和140经历离面振荡运动时感测位置变化。运行时，驱动质体136的驱动质体结构144和150在X-Y平面24内经历振荡线性运动。在所示实施例中，驱动质体结构144基本平行于Y轴54 (B卩，图4中向上和向下)进行线性振荡。位于X旋转轴22的相反两侧的驱动质体结构144可以被驱动为如上所述沿相反方向(逆相)进行线性振荡。此外，驱动质体结构150基本平行于X轴22 (S卩，图4中向左和向右)进行线性振荡。正如驱动质体结构144那样，位于Y旋转轴54的相对两侧的驱动质体结构150可被驱动为沿相反方向(逆相)进行线性振荡。由于Coriolis加速度分量，同轴扭力弹簧164以及离轴弹簧168和170使感测质体138能沿Z轴26 (图1)振荡到X-Y平面24外，该振荡作为陀螺仪传感器132绕X旋转轴22的角速率(即，角速度)的函数。通过相同原理，同轴扭力弹簧178以及离轴弹簧182和184使感测质体140能沿Z轴26振荡到X-Y平面24外，该振荡作为陀螺仪传感器132绕Y旋转轴54的角速率(即，角速度)的函数。如上结合陀螺仪传感器20所述，陀螺仪传感器132的同轴扭力弹簧164以及离轴弹簧168和170协同用于有效地减小由于陀螺仪传感器制造工艺的变化引起的弹簧常数变化。这导致实现了驱动质体结构144的振荡频率(即，驱动频率)和感测质体138的振荡频率(即，感测频率)之间更接近地匹配的设计。类似地，同轴扭力弹簧178以及离轴弹簧182和184协同用于有效地减小由于陀螺仪传感器制造工艺的变化引起的弹簧常数变化。这导致实现了驱动质体150的振荡频率(即，驱动频率)和感测质体140的振荡频率(即，感测频率)之间更接近地匹配的设计。图5示出根据另一替选实施例的双轴陀螺仪传感器194的顶视图。双轴陀螺仪传感器132 (图4)实施一种配置，其包括沿其各自的平行于X或Y轴的方向进行线性振荡的多个驱动质体结构。在双轴陀螺仪传感器194的替选实施例中，单个驱动质体被驱动为在与X-Y平面24基本平行的平面内以绕Z轴26的旋转运动振荡。陀螺仪传感器194具有在X-Y平面24内的大体平面式结构，并且通常配置为感测绕X旋转轴22和Y旋转轴54的角速率。陀螺仪传感器194包括衬底196、驱动质体198、感测质体200、另一感测质体202和将在下面进行详细描述的各种机械联接。在图5的具体实施例中，感测质体202位于穿过感测质体200延伸的中心开口 204中，感测质体200位于穿过驱动质体198延伸的中心开口 206中。这样，驱动质体198和感测质体200是框架结构，每个驱动质体198、感测质体200和感测质体202具有公共中心。折叠弹簧208连接到驱动质体198，每个折叠弹簧208又通过锚212耦接到衬底196的表面210。因此，驱动质体198悬于表面210之上。驱动系统214位于驱动质体198附近。驱动系统214包括在驱动质体198附近的成组的驱动元件216从而以旋转运动振荡驱动质体198。每组驱动元件216包括可动梳齿218和固定梳齿220。在一实施例中，可动梳齿218耦接到驱动质体198的周边并从其延伸，固定梳齿220通过锚222耦接到衬底196的表面210。固定梳齿220与可动梳齿218间隔开并且被定位成与可动梳齿218成交替布置。驱动质体198被配置为经历基本平行于X-Y平面24绕Z轴26的旋转振荡运动。大体上，交流(AC)电压可通过驱动电路(未显示)施加到固定梳齿220以使驱动质体198由于适当施加的电压和折叠弹簧208的结构而绕Z轴26振荡。双轴陀螺仪传感器194还包括耦接到感测质体200并且与X旋转轴22处于相同位置的同轴扭力弹簧224和离轴弹簧系统。在所示实施例中，离轴弹簧系统包括离轴弹簧228和230。离轴弹簧228设置在感测质体200的内端232处，离轴弹簧230设置在感测质体200的内端234处，内端232和234对称地位于X旋转轴22的相反两侧。特别地,每个离轴弹簧228和230具有连接接口 236，连接接口 236在移离X旋转轴22的位置处直接物理耦接到感测质体200。同轴扭力弹簧224以及离轴弹簧228和230使感测质体200能够沿Z轴26振荡到X-Y平面24外，该振荡作为陀螺仪传感器194绕X旋转轴22的角速率(即，角速度)的函数。此外，双轴陀螺仪传感器194包括耦接到感测质体202并且与Y旋转轴54处于相同位置的同轴扭力弹簧238以及离轴弹簧系统。在所示实施例中，离轴弹簧系统包括离轴弹簧242和244。离轴弹簧242设置在感测质体202的外端246处，离轴弹簧244设置在感测质体202的外端248处，外端246和248对称地位于Y旋转轴54的相反两侧。特别地，每个离轴弹簧242和244具有连接接口 250，连接接口 250在移离Y旋转轴54的位置处直接物理耦接到感测质体202。同轴扭力弹簧238以及离轴弹簧242和244使感测质体202能够振荡到X-Y平面24外，该振荡作为陀螺仪传感器194绕Y旋转轴54的角速率(S卩，角速度)的函数。在所示实施例中，同轴扭力弹簧224以及离轴扭力弹簧228和230中的每个将感测质体200连接到驱动质体198。此外，同轴扭力弹簧238以及离轴扭力弹簧242和244中的每个将内感测质体202连接到感测质体200。因此，每个感测质体200和202悬于下面的衬底196之上。电极(未显示)在感测质体200和202下面的合适位置处形成于衬底196的表面210上从而在每个感测质体200和202经历离面振荡运动时感测位置变化。运行时，驱动系统216实现驱动质体198在与衬底196的表面210平行的平面内绕垂直于表面210的Z旋转轴26的机械振荡。由于各同轴扭力弹簧224和238对该运动的高刚度，感测质体200和感测质体202 二者都与驱动质体198 —起绕Z旋转轴26振荡。一旦感测质体200和202进入绕Z旋转轴26的振荡运动，感测质体200就能够检测陀螺仪传感器194绕Y旋转轴54的角速度。特别地，陀螺仪传感器194绕Y旋转轴54的角速度产生Coriolis加速度，其导致感测质体200绕其感测轴(即，X旋转轴22)以与陀螺仪传感器194绕Y旋转轴54的角旋转速率成比例的幅度振荡。通过类似原理，感测质体202能够检测陀螺仪传感器194绕X旋转轴22的角速度。即，由于陀螺仪传感器194经历绕X旋转轴22的角速度，所以产生绕Y旋转轴54的Coriolis加速度。该Coriolis加速度导致感测质体202绕其感应轴(S卩，Y旋转轴54)的移动。同轴扭力弹簧224以及离轴弹簧228和230协同用于实现驱动质体198的振荡频率(即，驱动频率)和感测质体200的振荡频率(即，感测频率)之间更接近的匹配。类似地，同轴扭力弹簧238以及离轴弹簧242和244协同用于实现驱动质体198的振荡频率(S卩，驱动频率)和感测质体202的振荡频率(即，感测频率)之间更接近的匹配。陀螺仪传感器194为驱动质体和感测质体提供大致矩形结构198、200和202。然而，在替选实施例中，驱动质体和/或感测质体可以具有不同的形状，诸如圆环状和盘状等。此外，驱动质体和感测质体可以与所示布置不同地布置。例如，一个感测质体可以居中定位，另一感测质体可以形成外框架结构，驱动质体可以插置在两个感测质体之间。根据这里描述的实施例，这种结构变型仍将包括同轴扭力弹簧和离轴弹簧系统，其协同用于实现驱动频率和感测频率之间更接近的匹配。此外，虽然这里描述了陀螺仪传感器，但是应理解，同轴扭力弹簧和离轴弹簧系统的组合可以容易地按测量角速度变化速率的角加速计设计实现。总之，本发明的实施例涉及具有一个或多个跷跷板型感测质体的角加速计和陀螺仪传感器形式的微机电系统(MEMS)惯性传感器器件。特别地，陀螺仪传感器配置为感测由于受Coriolis加速度分量的影响而绕与陀螺仪传感器的衬底平行的轴的角旋转。陀螺仪传感器的各种实施例包括耦接到跷跷板型感测质体的离轴弹簧系统和同轴扭力弹簧。同轴扭力弹簧沿旋转轴放置，离轴弹簧系统在移离旋转轴的一个或多个位置处耦接到感测质体。离轴弹簧系统在旋转轴中提供足够的扭力刚度以实现陀螺仪传感器的驱动频率和感测频率之间改善的匹配。驱动频率和感测频率之间改善的匹配有效地提高了从驱动质体到感测质体的能量传输，由此提升了信号输出。此外，包括离轴弹簧系统的角惯性传感器器件可利用已有的对制造工艺变化较不敏感的制造技术来产生，因此提供更少的错误信号成分。尽管本发明的优选实施例已经被详细地说明和描述，但是对本领域技术人员来说将易于显见的是，在不脱离本发明的精神或所附权利要求的范围的情况下，可以进行各种修改。即，应意识到，示范性实施例仅是例子，无意限制本发明的范围、适用性或配置。
权利要求
1.一种惯性传感器，包括: 具有表面的衬底； 驱动质体，配置为在与所述表面实质上平行的平面内经历振荡运动； 感测质体，联接到所述驱动质体； 同轴扭力弹簧，耦接到所述感测质体，所述同轴扭力弹簧与一旋转轴处于相同位置；以及 离轴弹簧系统，具有连接接口，所述连接接口在所述感测质体上的移离所述旋转轴的位置处耦接到所述感测质体，其中所述同轴扭力弹簧和所述离轴弹簧系统使所述感测质体能够振荡到所述平面之外。
2.根据权利要求1所述的惯性传感器，其中，所述驱动质体以驱动频率经历所述振荡运动，所述同轴扭力弹簧和所述离轴弹簧系统使所述感测质体能够以实质上等于所述驱动频率的感测频率振荡。
3.根据权利要求1所述的惯性传感器，还包括将所述感测质体耦合到所述驱动质体的联接弹簧部件，其中，所述同轴扭力弹簧和所述离轴弹簧系统的第一总弹簧常数实质上等于所述联接弹簧部件的第二总弹簧常数。
4.根据权利要求1所述的惯性传感器，其中，所述离轴弹簧系统限制所述感测质体的移动从而所述感测质体绕所述旋转轴旋转。
5.根据权利要求1所述的惯性传感器，其中: 所述感测质体包括对称地位于所述旋转轴的相反两侧的第一外端和第二外端；以及 所述离轴弹簧系统包括设置在所述感测质体的所述第一外端处的第一离轴弹簧和设置在所述感测质体的所述第二外端处的第二离轴弹簧，所述第一离轴弹簧和所述第二离轴弹簧中的每个包括所述连接接口。
6.根据权利要求1所述的惯性传感器，其中，所述感测质体具有中心开口，所述驱动质体位于所述中心开口中。
7.根据权利要求1所述的惯性传感器，其中: 所述感测质体包括由所述感测质体的内周边界定的中心开口，所述内周边包括对称地位于所述旋转轴的相反两侧的第一内端和第二内端；且 所述离轴弹簧系统包括位于所述中心开口中并且具有设置在所述感测质体的所述第一内端处的所述连接接口的第一离轴弹簧以及位于所述中心开口中并且具有设置在所述感测质体的所述第二内端处的所述连接接口的第二离轴弹簧。
8.根据权利要求1所述的惯性传感器，其中，所述同轴扭力弹簧和所述离轴弹簧系统将所述感测质体连接到所述衬底的所述表面。
9.根据权利要求1所述的惯性传感器，其中，所述驱动质体具有中心开口，所述感测质体位于所述中心开口中。
10.根据权利要求9所述的惯性传感器，其中: 所述感测质体具有第二中心开口 ；且 所述惯性传感器还包括将所述同轴扭力弹簧耦接到所述衬底的所述表面的锚，所述锚位于所述第二中心开口中。
11.根据权利要求10所述的惯性传感器，其中，所述锚与所述旋转轴处于相同位置。
12.根据权利要求1所述的惯性传感器，还包括: 第二感测质体，联接到所述驱动质体； 第二同轴扭力弹簧，耦接到所述第二感测质体，所述第二同轴扭力弹簧与垂直于所述旋转轴的第二旋转轴处于相同位置；以及 第二离轴弹簧系统，具有第二连接接口，所述第二连接接口在移离所述第二旋转轴的第二位置处耦接到所述第二感测质体，其中所述第二同轴扭力弹簧和所述第二离轴弹簧系统使所述第二感测质体能够振荡到所述平面外。
13.根据权利要求1所述的惯性传感器，其中，所述驱动质体包括: 第一驱动质体结构；以及 第二驱动质体结构，所述第一驱动质体结构和所述第二驱动质体结构相对于所述旋转轴呈现镜像对称性。
14.根据权利要求13所述的惯性传感器，其中: 所述第二驱动质体结构在所述平面中设置在所述第一驱动质体结构旁边；且所述惯性传感器还包括配置为在平行于所述平面的相反方向上驱动所述第一驱动质体结构和所述第二驱动质体结构的驱动系统。
15.一种惯性传感器，包括: 具有表面的衬底； 感测质体，具有对称地位于旋转轴的相反两侧的第一外端和第二外端，所述感测质体包括中心开口； 驱动质体，联接到所述感测质体并且位于所述中心开口中，所述驱动质体配置为在实质上平行于所述表面的平面内经历振荡运动； 同轴扭力弹簧，耦接到所述感测质体，所述同轴扭力弹簧与所述旋转轴处于相同位置；以及 离轴弹簧系统，包括设置在所述感测质体的所述第一外端处的第一离轴弹簧和设置在所述感测质体的所述第二外端处的第二离轴弹簧，所述第一离轴弹簧和所述第二离轴弹簧中的每个包括连接接口，所述连接接口在所述感测质体上的移离所述旋转轴的位置处耦接到所述感测质体，其中所述同轴扭力弹簧和所述离轴弹簧系统使所述感测质体能够绕所述旋转轴旋转到所述平面外。
16.根据权利要求15所述的惯性传感器，其中，所述驱动质体以驱动频率经历所述振荡运动，所述惯性传感器还包括将所述感测质体耦合到所述驱动质体的联接弹簧部件，所述同轴扭力弹簧和所述离轴弹簧系统具有与所述联接弹簧部件的第二总弹簧常数实质上相等的第一总弹簧常数以使所述感测质体能够以与所述驱动频率实质上相等的感测频率绕所述旋转轴振荡。
17.根据权利要求15所述的惯性传感器，其中: 所述驱动质体包括第一驱动质体结构和第二驱动质体结构，所述第一驱动质体结构和所述第二驱动质体结构相对于所述旋转轴呈现镜像对称性；且 所述惯性传感器还包括配置为在平行于所述平面的相反方向上驱动所述第一驱动质体结构和所述第二驱动质体结构的驱动系统。
18.一种惯性传感器，包括:具有表面的衬底； 驱动质体，配置为在实质上平行于所述表面的平面内以驱动频率经历振荡运动，所述驱动质体包括第一驱动质体结构和第二驱动质体结构，所述第一驱动质体结构和所述第二驱动质体结构相对于旋转轴呈现镜面对称性，所述第一驱动质体结构和所述第二驱动质体结构在平行于所述平面的相反方向上被驱动； 感测质体，联接到所述驱动质体； 同轴扭力弹簧，耦接到所述感测质体，所述同轴扭力弹簧与所述旋转轴处于相同位置；以及 离轴弹簧系统，具有连接接口，所述连接接口在所述感测质体上的移离所述旋转轴的位置处耦接到所述感测质体，其中所述同轴扭力弹簧和所述离轴弹簧系统使所述感测质体以实质上等于所述驱动频率的感测频率振荡到所述平面外。
19.根据权利要求18所述的惯性传感器，其中，所述感测质体具有中心开口，所述第一驱动质体结构和所述第二驱动质体结构位于所述中心开口中。
20.根据权利要求18所述的惯性传感器，其中: 所述感测质体包括移离所述旋转轴并且对称地位于所述旋转轴的相反两侧的第一外端和第二外端；且 所述离轴弹簧系统包括设置在所述感测质体的所述第一外端处的第一离轴弹簧和设置在所述感测质体的 所述第二外端处的第二离轴弹簧，所述第一离轴弹簧和所述第二离轴弹簧包括所述连接接口。
全文摘要
提供一种带有离轴弹簧系统的惯性传感器。惯性传感器(20)包括配置为经历振荡运动的驱动质体(30)和联接到驱动质体的感测质体(32)。同轴扭力弹簧(58)耦接到感测质体，同轴扭力弹簧与旋转轴(22)处于相同位置。惯性传感器还包括离轴弹簧系统(60)。离轴弹簧系统包括离轴弹簧(68、70、72、74)，每个都具有在感测质体上的移离旋转轴的位置处耦接到感测质体的连接接口(76)。同轴扭力弹簧和离轴弹簧系统一起使感测质体以与驱动质体的驱动频率实质上匹配的感测频率绕旋转轴振荡到平面外。
文档编号G01C19/574GK103076012SQ20121041712
公开日2013年5月1日 申请日期2012年10月26日 优先权日2011年10月26日
发明者G·G·李, 林义真, A·C·麦克内尔, L·Z·张 申请人:飞思卡尔半导体公司