具有单驱动模式的多感测轴MEMS陀螺仪制造技术

本发明专利技术涉及具有单驱动模式的多感测轴MEMS陀螺仪。陀螺仪包括沿着第一轴被驱动进入第一驱动运动的第一驱动块，所述第一驱动运动响应于陀螺仪的旋转而生成了第一感测块的第一感测运动。所述陀螺仪还包括沿着横向于所述第一轴的第二轴被驱动进入第二驱动运动的第二驱动块。所述第二驱动运动响应于陀螺仪的旋转而生成了第二感测块的第二感测运动。驱动弹簧系统将所述两个驱动块互连以耦合第一驱动运动和第二驱动运动，使得可以实现单驱动模式。每个感测块的感测运动沿着第三轴，其中所述第三轴横向于其它轴。所述感测运动是平移运动，使得所述感测块保持平行于所述衬底的所述表面。

【技术实现步骤摘要】
具有单驱动模式的多感测轴MEMS陀螺仪
本专利技术通常涉及微机电系统(MEMS)器件。更具体地说，本专利技术涉及使用单驱动模式致动的多感测轴MEMS陀螺仪。
技术介绍
近年来，微机电系统(MEMS)技术已经取得了广泛的关注，因为它提供了制作非常小的机械结构的方法并且使用常规的批量半导体加工技术在单一衬底上将这些结构与电器件进行整合。MEMS的常见的应用是传感器器件的设计和制作。MEMS传感器器件被广泛用于诸如汽车、惯性制导系统、家用电器、游戏器件、各种器件的保护系统、以及许多其它的工业、科学、以及工程系统的应用中。MEMS传感器的一个例子是MEMS陀螺仪，也被称为角速率传感器。陀螺仪感测了绕一个或多个轴的角速度或角速率。 【附图说明】 当结合附图考虑时通过参阅详细说明书以及权利要求书，可以对本专利技术有比较完整的理解。其中在附图中，类似的参考符号表示相同的元件，附图不一定按比例绘制，以及: 图1示出了根据实施例的多感测轴微机电系统(MEMS)陀螺仪的顶视图； 图2示出了在MEMS陀螺仪中实现的梁弹簧的立体图； 图3示出了包括梁弹簧的MEMS陀螺仪的局部立体图； 图4示出了例证该器件的驱动模式的MEMS陀螺仪的顶视图； 图5示出了穿过图4的截面线5-5演示滚动感测的MEMS陀螺仪的简化侧视图； 图6示出了穿过图4的截面线6-6演示俯仰(pitch)感测的MEMS陀螺仪的简化侧视图； 图7示出了演示首摇(yaw)感测的MEMS陀螺仪的简化顶视图；以及 图8示出了包括MEMS陀螺仪的电子器件的简化框图。 【具体实施方式】 能够感测绕多个轴的角速度或角速率的MEMS陀螺仪非常适合于实现器件的多样性。MEMS陀螺仪通常是利用科里奥利加速度。也就是说，当以角速率(要被感测的值)的旋转被应用于以已知驱动速率被驱动的移动感测块的时候，感测块“感觉”到被称为“科里奥利力”的表观力。足够大小的科里奥利力在与驱动速率的方向垂直的方向上并且在与旋转所绕的轴垂直的方向上引起移动感测块的位移。该位移与旋转的角速率成比例，其可被检测为电容的变化。 MEMS陀螺仪包括驱动系统以便沿着特定驱动轴赋予感测块驱动速率。在一些配置中，与MEMS陀螺仪的驱动块相关联的驱动电极从电子驱动电路接收驱动信号。该驱动信号引起驱动块沿着特定驱动轴振荡，进而又引起关联的感测块振荡。当有角速率刺激的时候，感测块将在感测方向上移动，冋时继续沿着驱动轴振汤。 具有多感测轴能力的MEMS陀螺仪的设计和实现相对于微机械元件以及关联的驱动系统尤其复杂。特别是，可能需要三个驱动系统和/或控制回路以驱动三-轴(三轴)感测陀螺仪的驱动块。不幸的是，单独的驱动信号可能导致MEMS陀螺仪的相互彼此影响的各个元件的移动，使得陀螺仪的测量不准确。而且，多个控制回路(每个驱动方向一个)在集成、多感测轴配置中仅包括高占用面积。 实施例包括在多感测轴配置中具有单驱动模式设计的微机电系统(MEMS)陀螺仪和一种制作该MEMS陀螺仪的方法。该单驱动模式可以降低多感测轴陀螺仪的足迹。此外，该单驱动模式可以降低包括电子驱动电路的关联专用集成电路(ASIC)的复杂性以产生较低功耗和较小的ASIC设计。而且，该单驱动模式设计本质上具有很小的阻尼，这可以产生对真空级有较低要求的高器件性能(较低粘结要求、无吸气剂等等)，从而简化了制作。该MEMS陀螺仪实现了与驱动弹簧系统组合的单驱动模式，这减少了功能元件之间的运动耦合以实现对外部扰乱不太敏感的强健器件。该MEMS陀螺仪还具有可以增加器件的敏感性，而没有增大器件的尺寸的更高效的感测能力。 图1示出了根据实施例的多感测轴微机电系统(MEMS)陀螺仪20的顶视图。MEMS陀螺仪20包括实现了单驱动模式以及实现感测多个元件绕三个互相正交轴的角速率的结构配置。 MEMS陀螺仪20包括驱动架，该驱动架包括悬浮在衬底32的表面30上并且绕着中央区域34均匀地排列的多个驱动块22、24、26和28。MEMS陀螺仪20还包括互联了相邻驱动块22、24、26和28的多个驱动弹簧系统36、38、40、42。更具体地说，驱动弹簧系统36将驱动块22与驱动块24互联，驱动弹簧系统38将驱动块24与驱动块26互联，驱动弹簧系统40将驱动块26与驱动块28互联，以及驱动弹簧系统42将驱动块28与驱动块22互联。 在实施例中，驱动弹簧系统36、38、40、42中的每个包括耦合到相邻驱动块22、24、26和28的弹簧元件44。通过举例的方式，驱动弹簧系统36的弹簧元件44耦合到驱动块22和24中的每个。驱动弹簧系统36、38、40、42中的每个还包括耦合到衬底32的锚元件46、互联在驱动块22、24、26和28与锚元件46之间的弹簧元件48、以及互联在驱动块22、24,26和28的相邻一个与锚元件46之间的另一个弹簧元件50。再一次相对于驱动弹簧系统36，弹簧元件48互联在驱动块22和锚元件46之间，而弹簧元件50互联在驱动块24和锚件46之间。 MEMS陀螺仪20还包括弹簧锚固52、54、56和58。弹簧锚固52、54、56和58中的每个耦合到驱动块22、24、26和28中的每一个的对应一。因此，驱动块22、24、26和28中的每个通过关联锚从衬底32的表面30间隔开，即，上述的悬浮。在例子中，驱动块22通过驱动弹簧系统36和42的锚元件46以及弹簧锚固52被锚定到衬底32。同样，驱动块24通过驱动弹簧系统36和38的锚元件46以及通过弹簧锚固54被锚定到衬底32。驱动块26通过驱动弹簧系统38和40的锚元件46以及通过弹簧锚固56被锚定到衬底32，以及驱动块28通过驱动弹簧系统40和42的锚元件46以及通过弹簧锚固58被锚定到衬底32。驱动块22、24、26和28经由驱动弹簧系统36、38、40、42和弹簧锚固52、54、56和58被悬浮，以启动驱动块22、24、26和28的平面内运动以及驱动块22、24、26和28的非常小的平面外运动。MEMS陀螺仪20的锚在本专利技术中通过由框构成的“X”表示以表示特定元件到衬底32的表面30的物理附着。 如图1所示，驱动块22、24、26和28中的每个是大致是“U”形或像反过来或倒置的“U”形，从而具有朝向中央区域34打开的开口 60、62、64和66。感测块68、70、72和74分别被排列在开口 60、62、64和66内以用于当MEMS陀螺仪被设置处于运动的时候感测角速率。多梁弹簧76、77将感测块68、70、72和74与其关联的驱动块22、24、26和28耦合。在实施例中，感测块68经由一对78梁弹簧76与驱动块22机械互联。感测块70经由一对80梁弹簧77与驱动块24机械互联。感测块72经由一对82梁弹簧76与驱动块26机械互联，以及感测块74经由一对84梁弹簧77与驱动块28机械互联。 通常，梁弹簧76对78、82在z-方向上，即平行于z_轴118给感测块68、72提供了顺应。梁弹簧77对80、84在z-方向上和X-方向上两者，即平行于X-轴100给感测块70、74提供了顺应。然而，梁弹簧76、77与驱动弹簧系统36、38、40、42的不同之处在于梁弹簧76、77在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种MEMS陀螺仪，包括：第一驱动块，所述第一驱动块被配置成沿着第一轴被驱动进入第一驱动运动；第二驱动块，所述第二驱动块被配置成沿着横向于所述第一轴的第二轴被驱动进入第二驱动运动，所述第一轴和第二轴中的每个平行于衬底的表面；驱动弹簧系统，所述驱动弹簧系统将所述第一驱动块与所述第二驱动块互连以将所述第一驱动运动耦合到所述第二驱动运动；第一感测块，所述第一感测块耦合到所述第一驱动块，使得所述第一驱动运动响应于所述MEMS陀螺仪的旋转而沿着第三轴生成所述第一感测块的第一感测运动，所述第三轴横向于所述第一轴和第二轴中的每个，所述第一感测运动是平移运动，使得所述第一感测块的第一平坦表面保持基本上平行于所述衬底的所述表面；以及第二感测块，所述第二感测块耦合到所述第二驱动块，使得所述第二驱动运动响应于所述MEMS陀螺仪的旋转而沿着所述第三轴生成所述第二感测块的第二感测运动，所述第二感测运动是平移运动，使得所述第一感测块的第二平坦表面保持基本上平行于所述衬底的所述表面。

【技术特征摘要】
2013.09.05 US 14/019,0661.一种MEMS陀螺仪，包括: 第一驱动块，所述第一驱动块被配置成沿着第一轴被驱动进入第一驱动运动； 第二驱动块，所述第二驱动块被配置成沿着横向于所述第一轴的第二轴被驱动进入第二驱动运动，所述第一轴和第二轴中的每个平行于衬底的表面； 驱动弹簧系统，所述驱动弹簧系统将所述第一驱动块与所述第二驱动块互连以将所述第一驱动运动耦合到所述第二驱动运动； 第一感测块，所述第一感测块耦合到所述第一驱动块，使得所述第一驱动运动响应于所述MEMS陀螺仪的旋转而沿着第三轴生成所述第一感测块的第一感测运动，所述第三轴横向于所述第一轴和第二轴中的每个，所述第一感测运动是平移运动，使得所述第一感测块的第一平坦表面保持基本上平行于所述衬底的所述表面；以及 第二感测块，所述第二感测块耦合到所述第二驱动块，使得所述第二驱动运动响应于所述MEMS陀螺仪的旋转而沿着所述第三轴生成所述第二感测块的第二感测运动，所述第二感测运动是平移运动，使得所述第一感测块的第二平坦表面保持基本上平行于所述衬底的所述表面。2.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪，其中所述驱动弹簧系统是第一驱动弹簧系统，并且所述MEMS陀螺仪还包括: 第三驱动块，所述第三驱动块被配置成沿着所述第一轴被驱动进入所述第一驱动运动； 第四驱动块，所述第四驱动块被配置成沿着所述第二轴被驱动进入所述第二驱动运动； 第二驱动弹簧系统，所述第二驱动弹簧系统将所述第二驱动块与所述第三驱动块互连； 第三驱动弹簧系统，所述第三驱动弹簧系统将所述第三驱动块与所述第四驱动块互连； 第四驱动弹簧系统，所述第四驱动弹簧系统将所述第四驱动块与所述第一驱动块互连。3.根据权利要求2所述的MEMS陀螺仪，其中: 所述第一驱动块、第二驱动块、第三驱动块和第四驱动块围绕中央区域均匀地排列；以及 所述MEMS陀螺仪还包括被配置成将所述第一驱动运动赋予所述第一驱动块的驱动组件，使得当所述第一驱动块和第三驱动块被驱动沿着所述第一轴朝向所述中央区域移动的时候，所述第二驱动块和第四驱动块同时沿着所述第二轴远离所述中央区域移动。4.根据权利要求2所述的MEMS陀螺仪，还包括: 第三感测块，所述第三感测块耦合到所述第三驱动块，使得所述第一驱动运动响应于所述MEMS陀螺仪的旋转而沿着所述第三轴生成所述第三感测块的所述第一感测运动；第四感测块，所述第四感测块耦合到所述第四驱动块，使得所述第二驱动运动响应于所述MEMS陀螺仪的旋转而沿着所述第三轴生成所述第四感测块的所述第二感测运动；锚系统，所述锚系统耦合到所述衬底，其中所述第一感测块、第二感测块、第三感测块和第四感测块围绕所述锚系统被排列；以及 顺应式构件，其中所述第一感测块、第二感测块、第三感测块和第四感测块中的每个经由所述顺应式构件耦合到所述锚系统。5.根据权利要求4所述的MEMS陀螺仪器件，其中: 所述顺应式构件中的第一顺应式构件互连在所述第一感测块和第三感测块中的每个与所述锚系统之间，所述顺应式构件的所述第一顺应式构件启动了所述第一感测块和第三感测块在反相的所述第一感测运动；以及 所述顺应式构件的所述第二所述顺应式构件互连在所述第二感测块和第四感测块中的每个与所述锚系统之间，所述顺应式构件的所述第二顺应式构件启动了所述第二感测块和第四感测块在所述反相的所述第二感测运动。6.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪，其中所述驱动弹簧系统包括: 第一弹簧元件，所述第一弹簧元件耦合到所述第一驱动块和所述第二驱动块中的每个； 锚元件，所述锚元件耦合到所述衬底； 第二弹簧元件，所述第二弹簧元件互连在所述第一驱动块和所述锚元件之间；以及 第三弹簧元件，所述第三弹簧元件互连在所述第二驱动块和所述锚元件之间。7.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪，还包括多梁弹簧，其中第一对所述梁弹簧将所述第一感测块与所述第一驱动块互连，以及第二对所述梁弹簧将所述第二感测块与所述第二驱动块互连。8.根据权利要求7所述的MEMS陀螺仪，其中所述多梁弹簧中的每个包括: 第一顺应式端子； 第二顺应式端子，所述第一顺应式端子和第二顺应式端子中的每个被配置成在与所述衬底的所述表面垂直的平面外倾斜；以及 梁部，所述梁部横跨在所述第一顺应式端子和第二顺应式端子之间，所述梁部相对于所述第一顺应式端子和第二顺应式端子是刚性的。9.根据权利要求7所述的MEMS陀螺仪，其中: 所述梁弹簧中的每个包括具有纵轴的梁部； 所述第一对所述梁弹簧的所述梁弹簧位于所述第一感测块的相对边缘，其中所述第一对的所述每个梁弹簧的每个所述梁部的所述纵轴彼此对齐；以及 所述第二对所述梁弹簧的所述梁弹簧位于所述第二感测块的相对边缘，其中所述第二对的所述每个梁弹簧的每个所述梁部的所述纵轴彼此对齐。10.根据权利要求7所述的MEMS陀螺仪，其中: 所述第一对所述梁弹簧的所述梁弹簧被定位成在所述第一感测块的第一重心合作地保持所述第一感测块处于平衡；以及 所述第二对所述梁弹簧的所述梁弹簧被定位成在所述第二感测块的第二重心合作地保持所述第二感测块处于平衡。11.根据权利要求10所述的MEMS陀螺仪，还包括: 锚系统，所述锚系统耦合到所述衬底的所述表面； 第一顺应式构件，所述第一顺应式构件互联在所述第一感测块和所述锚系统之间，其中所述第一顺应式构件连同所述第一对所述梁弹簧的所述梁弹簧被定位成在所述第一重心保持所述第一感测块处于所述平衡；以及 第二顺应式构件，所述第二顺应式构件互联在所述第二感测块和所述锚系统之间，其中所述第二顺应式构件连同所述第二对所述梁弹簧的所述梁弹簧被定位成在所述第二重心保持所述第二感测块处于所述平衡。12.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪，其中: 所述第一驱动运动被配置成响应于所述MEMS陀螺仪绕所述第二轴的旋转而沿着所述第三轴生成所述第一感测运...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾可淼，
申请(专利权)人：飞思卡尔半导体公司，
类型：发明
国别省市：美国;US