用于减小非线性运动的构型制造技术

披露了用于修改弹簧质量构型的多个实施例，这些实施例将不想要的非线性运动对MEMS传感器的影响最小化。这些修改包括以下任何各项中的任一项或任何组合：在该弹簧质量构型的多个旋转结构之间提供一个刚性元件、在这些旋转结构之间调谐一个弹簧系统并且将一个电消除系统联接至这些旋转结构上。在进行这样不想要的线性运动时，将例如不想要的二阶谐振运动最小化。

【技术实现步骤摘要】
【专利说明】用于减小非线性运动的构型 相关申请的交叉引用 本申请根据美国法典第35卷第119条第（e)款要求于2014年1月21日提交的题 目为"3轴框架微巧螺仪的性能改进（PERFORMANCEIMPROVEMENTSON3-AXISFRAMEMICRO GYROSCOPES)"美国临时专利申请号61/929, 838的权益，该申请通过引用W其全部内容结 合在此。 专利
本专利技术总体上设及角速度传感器并且更具体地设及包括被引导质量系统的角速 度传感器。 北旦 g原 角速度的感测通常是通过使用振荡式速率巧螺仪来进行的。振荡式速率巧螺仪广 泛地通过驱动传感器进行第一运动并且测量传感器响应于该第一运动和有待感测的角速 度进行的第二运动来起作用。 通常，传感器内的一个质量（通常被称为检测质量）被一个致动器驱动而进行振 荡。传感器的旋转对该振荡质量施加了一个科里奥利力，该个力是与角速度（或转速）成 正比的并且取决于角速度矢量相对于该检测质量的速度矢量的取向。科里奥利力、角速度 矢量W及该检测质量的速度矢量是相互正交的。例如，在围绕Y轴旋转的一个传感器中沿X 方向运动的一个检测质量受到Z指向的科里奥利力。类似地，在围绕Z轴旋转的一个传感 器中沿X方向运动的一个检测质量受到Y指向的科里奥利力。最后，在围绕X轴旋转的一 个传感器中沿X方向运动的一个检测质量不受科里奥利力。被施加至该检测质量的该些科 里奥利力通常是通过测量该传感器中响应于该些科里奥利力而得到的多个运动来间接感 测的。 用于感测围绕一条平面内轴线（即X轴或Y轴）的角速度的传统巧螺仪可W是平 面外驱动的，并且科里奥利响应是在平面内感测的或者反之亦然。平面外驱动与平面内驱 动相比趋向于是更低效的、需要额外制造步骤、并且受到非线性特性的限制。例如，平面外 驱动该检测质量可能在该检测质量下面需要一个大的竖直空隙或一个空腔W便提供足够 的空间来供该检测质量振荡。在该检测质量之下形成一个空腔需要额外制造步骤并且增加 成本。典型地，使用平行板式静电致动器来在平面外驱动该检测质量。该些致动器被形成 在该检测质量与基板之间。静电力取决于该检测质量与该基板之间的空隙。因为该个检测 质量在平面外振荡，静电力是非线性的，该趋向于限制装置性能。另外，由于在该检测质量 之下需要具有大的竖直空隙或一个空腔，该个静电力被减小。实现大幅度振荡需要大的力 并且可能需要高电压致动。增加高电压致动增大了集成电路的制造成本和复杂性。 此外，传统的多轴巧螺仪可能使用W独立频率振荡的多个结构来感测角速率。每 个结构都需要一个单独的驱动电路来使对应的检测质量振荡。具有不止一个驱动电路使成 本和功率消耗增大。 相应地，所希望的是提供一种克服了W上问题的系统和方法。本专利技术解决了该样 的需要。 概述[000引披露了用于修改弹黃质量构型的多个实施例，该些实施例将不想要的非线性运动 对微电子机械系统（MEM巧传感器的影响最小化。该些修改包括W下各项中的任何一项或 任何组合：在该弹黃质量构型的多个旋转结构之间提供一个刚性元件、在该些旋转结构之 间调谐一个弹黃系统并且将一个电消除系统联接至该些旋转结构上。在进行该样不想要的 线性运动时，将例如不想要的二阶谐振运动最小化。 在一方面，披露了MEMS传感器。该MEMS传感器包括第一和第二旋转臂。该第一 和第二旋转臂彼此联接并且该第一和第二旋转臂被配置成用于在被驱动进行振荡时逆向 旋转。该MEMS传感器还包括至少一个前进系统。该至少一个前进系统联接至该第一和第 二旋转臂上。最后，该MEMS传感器包括用于驱动该至少一个前进系统进行振荡的至少一个 致动器。该至少一个前进系统在被驱动进行振荡时在第一方向上移动。 附图简要说明 图1分别展示了四个不同的弹黃质量构型10、11、12和13。 图2A和图2B展示了包括一个被引导质量系统的一个单轴巧螺仪的实施例。 图3展示了根据本专利技术包括被引导质量系统的一个单轴巧螺仪的实施例。 图4展示了被引导质量系统的修改W消除该驱动运动的二阶谐振分量。 图5展示了根据本专利技术的一个实施例包括一个平衡的被引导质量系统的一个单 轴巧螺仪的另一个实施例。 图6a和图化展示了根据本专利技术包括多重被引导质量系统的一个S轴巧螺仪的实 施例。 详细描述 本专利技术总体上设及角速度传感器并且更具体地设及包括被引导质量系统的角速 度传感器。W下描述是为了使本领域普通技术人员能够制造和使用本专利技术而提出的并且是 在专利申请及其要求的上下文中提供的。对优选实施例的各种修改和在此描述的一般原理 及特征对本领域普通技术人员非常明显。因此，本专利技术不旨在局限于所示出的实施例而是 旨在符合与在此描述的原理和特征一致的最广泛范围。 微电子机械系统（MEM巧是指通过使用类半导体工艺而制成的并且展现出机械特 性例如移动或变形能力的一类装置。MEMS通常但不总是与电信号相互作用。MEMS装置可 W指代作为微电子机械系统来实现的一个半导体装置。MEMS装置包括多个机械元件并且任 选地包括进行感测的多个电子器件。MEMS装置包括但不限于巧螺仪、加速计、磁力计、W及 压力传感器。[001引图1分别展示了可W用于MEMS传感器中的四个不同的弹黃质量构型10、11、12和 13。一个第一弹黃质量构型10包括一个弹黃质量系统10A。弹黃质量系统IOA包括一个 杠杆臂20A、一个检测质量30A、一个线性弹黃40AW及附接到一个稳定点60A上的一个较 链50A。弹黃质量系统IOA中的检测质量30A具有S个自由度。检测质量30A可W围绕从 较链50A的中屯、经过并且垂直于第一平面（在本实施例中为XY平面）的一条轴线旋转一 个角度9,并且当它在X-Y平面中旋转时可W在X和Y方向上平移。虽然图1中未详细示 出，但是较链50A具有有限的平移顺应性，并且线性弹黃40A具有有限的旋转顺应性。如果 假设弹黃40A的长度是可忽略的并且杠杆臂20A的长度是L。则质量30A的X方向运动通 过W下等式给出： Xd=Lsin(0)>L0 (等式-1) 其中Xd是检测质量30A的X方向平移运动。由于检测质量30A的运动是旋转式的，贝U检测质量30A的运动还存在Y方向分量，可W用W下给定等式来表示：其中Yd是检测质量的Y方向平移运动。 如果质量30AW-个频率(称为驱动频率）被驱动，其中该驱动频率可W是该 弹黃质量系统IOA的自然频率，则用于质量30A的旋转驱动运动的等式可W该样给出： 白=I目ISinO山（等式3) 接着检测质量30AW该驱动频率的X方向运动可W该样给出： X尸Ll目IsinOdt)(等式 4) 检测质量30A的Y方向运动可W通过W下等式来表示： 如在等式4和5中可W看到，检测质量30A的Y方向运动是该驱动频率的两倍。该 个行为是由于检测质量30A的旋转移动的非线性。如果通过杠杆臂20AW该驱动频率来在 X方向驱动该质量，则总是存在为该驱动频率两倍的Y方向振荡，被称为二阶谐振。 二阶谐振对在一个方向上被驱动的MEMS传感器而言可能是不理想的并且感测运 动是与该驱动方向共面且正交的。作为一个示例，如果X方向是该驱动方向并且感测方向 是Y方向，则该些杠杆臂的非线性运动产生了在Y方向上具有为该驱动频率两本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种MEMS传感器，包括：一个第一和第二旋转臂，其中该第一和第二旋转臂彼此联接并且该第一和第二旋转臂被配置成用于在被驱动进行振荡时逆向旋转；至少一个前进系统，其中该至少一个前进系统联接至该第一和第二旋转臂上；用于驱动该至少一个前进系统进行振荡的至少一个致动器；以及一个基板；其中该至少一个前进系统被驱动进行振荡时在一个第一方向上移动。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：奥赞·阿纳奇，约瑟夫·西格，
申请(专利权)人：因文森斯公司，
类型：发明
国别省市：美国;US