带有离轴弹簧系统的惯性传感器技术方案

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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总体上涉及微机电系统(MEMS)器件。更特别地，本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
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。附图说明结合附图并参阅具体实施方式以及权利要求，可获得对本专利技术更完整的理解。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。在所示实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
2011.10.26 US 13/282,1921.一种惯性传感器，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 ...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·G·李，林义真，A·C·麦克内尔，L·Z·张，
申请(专利权)人：飞思卡尔半导体公司，
类型：发明
国别省市：