用于共模抑制的带有耦合弹簧的惯性传感器制造技术

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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术大体上涉及微机电系统(MEMS)装置。更确切地说，本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
根据本专利技术的一个方面，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。根据本专利技术的另一个方面，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专利技术的更完整的理解，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专利技术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专利技术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专利技术。本专利技术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。更确切地本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
2015.06.17 US 14/742,4521.一种微机电系统(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。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...

【专利技术属性】
技术研发人员：迈克尔·瑙曼，
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