多軸微電子慣性感測器的制造方法
【專利摘要】一種諧振器微電子慣性感測器，優(yōu)選微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)感測器(例如陀螺儀)，用于檢測一個(gè)以上軸的線性加速度和旋轉(zhuǎn)速率，其包括：*密封質(zhì)量塊系統(tǒng)(21.1、...、21.4)，柔性地懸掛在襯底上方，用于進(jìn)行繞中心軸線(24)的面內(nèi)旋轉(zhuǎn)振動(dòng)，*驅(qū)動(dòng)電極系統(tǒng)(D1、...、D4)，用于驅(qū)動(dòng)密封質(zhì)量塊系統(tǒng)(21.1、...、21.4)進(jìn)行所述面內(nèi)旋轉(zhuǎn)振動(dòng)，以及*感測電極系統(tǒng)(S1、...、S4)，連接到密封質(zhì)量塊系統(tǒng)(21.1、...、21.4)，用于檢測一個(gè)以上軸的線性加速或旋轉(zhuǎn)速率。所述密封質(zhì)量塊系統(tǒng)(21.1,...,21.4)具有彼此柔性耦合(25.1a、25.1b)的兩個(gè)以上密封質(zhì)量塊元件。每個(gè)密封質(zhì)量塊元件(21.1、21.2)直接并柔性地連接(23.1、25.1a、25.1b)到襯底(32)上的錨定結(jié)構(gòu)(22)。密封質(zhì)量塊元件(21.1、...、21.4)優(yōu)選布置在相對于中心軸線(24)的內(nèi)、外徑(R1、R2)之間的環(huán)形構(gòu)造中。
【專利說明】多軸微電子慣性感測器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于檢測沿一個(gè)以上軸的線性加速度和旋轉(zhuǎn)速率的共振器微電子慣性感測器，優(yōu)選為微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)感測器(例如，陀螺儀)，其包括:
[0002]a)密封質(zhì)量塊系統(tǒng)，柔性地懸掛在襯底上方，用于進(jìn)行繞中心軸的面內(nèi)旋轉(zhuǎn)振動(dòng)，
[0003]b)其中，密封質(zhì)量塊系統(tǒng)具有彼此柔性耦合的兩個(gè)以上密封質(zhì)量塊元件，
[0004]c)驅(qū)動(dòng)電極系統(tǒng)，用于驅(qū)動(dòng)密封質(zhì)量塊系統(tǒng)進(jìn)行面內(nèi)旋轉(zhuǎn)振動(dòng)，
[0005]d)感測電極系統(tǒng)，連接到密封質(zhì)量塊系統(tǒng)，用于檢測多軸線性加速和旋轉(zhuǎn)速率。
[0006]本發(fā)明還涉及一種使用這樣裝置來檢測線性加速和旋轉(zhuǎn)速率的方法。

【背景技術(shù)】
[0007]自從十九世紀(jì)九十年代初就已經(jīng)知道檢測多軸加速或旋轉(zhuǎn)速率的概念(US5,065，628，F(xiàn)raunhofer Gesellschaft)。WO 03/104823 (Conti TemicMicroelectronic)中已經(jīng)示出這樣多軸感測器的示例,其中，每個(gè)檢測軸具有用于形成感測器的幾個(gè)單獨(dú)質(zhì)量塊。
[0008]根據(jù)更先進(jìn)的技術(shù)，單個(gè)活動(dòng)質(zhì)量塊用于檢測沿一個(gè)以上軸的加速度(例如，EPO 547 742 BI，Motorola)。存在幾種最新的感測器設(shè)計(jì)，其中，兩個(gè)質(zhì)量塊通過活動(dòng)框架連接。這在下述現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)陳述:
[0009]?例如 WO 2009/091966 (Custom Sensors & Technologies)公開一種微機(jī)械加速儀，其具有安裝在一個(gè)以上解耦框架或輸送裝置(shuttle)上的一個(gè)以上密封質(zhì)量塊，使得密封質(zhì)量塊可以在限制沿第二(X)軸線移動(dòng)的情況下響應(yīng)于第一(Y)軸線上的加速度而沿第一軸線移動(dòng)?？梢皂憫?yīng)于第二軸線上的加速度而繞垂直于第一和第二軸線的第三(Z)軸線進(jìn)行扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
[0010].EP 2 113 744 Al (Panasonic)示出另一個(gè)多軸加速感測器，其具有可以各自運(yùn)動(dòng)并懸掛在活動(dòng)框架內(nèi)的四個(gè)活動(dòng)質(zhì)量塊。此設(shè)計(jì)意欲最小化芯片區(qū)域。
[0011].US 2007/0034007 (Cenk Acar)公開幾個(gè)不同的感測器設(shè)計(jì)，其對空間上的所有三個(gè)方向的加速反應(yīng)?？梢跃哂幸粋€(gè)或兩個(gè)密封質(zhì)量塊，該密封質(zhì)量塊可以中心支撐或周邊支撐。
[0012].US 2011/030473 (Cenk Acar)公開一種用于檢測6個(gè)自由度(三個(gè)獨(dú)立加速和三個(gè)獨(dú)立旋轉(zhuǎn))的感測器。密封質(zhì)量塊(活動(dòng)質(zhì)量塊)由四個(gè)部件構(gòu)成，即:y軸密封質(zhì)量塊部分，其具有兩個(gè)剛性連接的翼部；框架，其由y軸密封質(zhì)量塊部分支撐并圍繞y軸密封質(zhì)量塊部分；以及最后的兩個(gè)X軸密封質(zhì)量塊部分，其由框架支撐并且布置在框架內(nèi)I軸密封質(zhì)量塊部分的下方。
[0013].WO 2010/108773 (Sensordynamics AG)公開一種用于檢測三個(gè)軸 x、y、z 上的旋轉(zhuǎn)速率的微陀螺儀。幾個(gè)質(zhì)量塊被驅(qū)動(dòng)繞共同z軸進(jìn)行切向震蕩。一些質(zhì)量塊(傾斜板)繞X軸傾斜，一些質(zhì)量塊繞y軸傾斜，并且至少一個(gè)質(zhì)量塊(z質(zhì)量塊)可沿徑向移動(dòng)。傾斜x-y-板通過彈簧附接到錨定部。z質(zhì)量塊布置在結(jié)構(gòu)邊界(outskirt)處的框架內(nèi)。Z-質(zhì)量塊通過彈簧連接到框架并且框架通過另外彈簧連接到框架錨定部。另外，傾斜x-y-板通過同步彈簧連接到Z-質(zhì)量塊的框架。Z-質(zhì)量塊插入在傾斜χ-y-板之間。
[0014]*US 2004/0211257 (Analog Devices)示出微機(jī)械多重感測器，其在單個(gè)感測器裝置中提供1-軸的加速度感測和2-軸的角速率感測。并排錨定兩個(gè)圓形質(zhì)量塊并將其懸掛在襯底之上的多個(gè)彎曲部被構(gòu)造成限制質(zhì)量塊基本僅僅繞其各自中心軸線以旋轉(zhuǎn)方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。提供叉構(gòu)件，以耦合兩個(gè)圓形質(zhì)量塊，以允許相對的反相運(yùn)動(dòng)并且阻止相運(yùn)動(dòng)。
[0015]現(xiàn)有技術(shù)提出的MEMS設(shè)計(jì)并非完全令人滿意的。例如，US 2011/0340473的密封質(zhì)量塊具有非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。另外，X和y方向的靈敏性不相同，使得必須差別對待檢測信號。另外，沒有很大的空間用于驅(qū)動(dòng)電極，該驅(qū)動(dòng)電極放置在徑線上并且在X軸和I軸密封質(zhì)量塊部分之間。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]本發(fā)明的目的在于提供一種用于多軸加速度和旋轉(zhuǎn)檢測的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)裝置。更具體而言，本發(fā)明的目的在于提供一種可容易控制的密封質(zhì)量塊系統(tǒng)的幾何設(shè)計(jì)，使得電極設(shè)計(jì)簡單明了并且感測器信號處理不涉及復(fù)雜的補(bǔ)償算法。其另一個(gè)目的在于提供一種可以在小芯片區(qū)域?qū)崿F(xiàn)的緊湊設(shè)計(jì)。
[0017]根據(jù)本發(fā)明，上述目的通過用于檢測于多于一個(gè)軸的線性加速度和旋轉(zhuǎn)速率的諧振器微電子陀螺儀來實(shí)現(xiàn)，其包括:
[0018]a)密封質(zhì)量塊(proof-mass)系統(tǒng)，柔性地懸掛在襯底上方，用于繞中心軸線進(jìn)行面內(nèi)旋轉(zhuǎn)震動(dòng)，
[0019]b)其中，密封質(zhì)量塊系統(tǒng)具有彼此柔性耦合的多于兩個(gè)密封質(zhì)量塊元件，
[0020]c)驅(qū)動(dòng)電極系統(tǒng)，用于驅(qū)動(dòng)密封質(zhì)量塊系統(tǒng)進(jìn)行面內(nèi)旋轉(zhuǎn)振動(dòng)，
[0021]d)感測電極系統(tǒng)，連接到密封質(zhì)量塊系統(tǒng)，用于感測多于一個(gè)軸的線性加速度或旋轉(zhuǎn)速率，
[0022]e)其中，每個(gè)密封質(zhì)量塊元件直接并柔性地連接到襯底上的錨定結(jié)構(gòu)。
[0023]所有密封質(zhì)量塊元件繞(共同)中心軸線同步旋轉(zhuǎn)。中心軸線沿Z向(B卩，與MEMS裝置的襯底面正交)取向。一旦存在待測的外部加速度或旋轉(zhuǎn)，質(zhì)量塊可以改變其運(yùn)動(dòng)。此改變?nèi)Q于(線性)加速度或旋轉(zhuǎn)速率的方向。由于密封質(zhì)量塊元件的柔性耦合，此元件可以改變其彼此相對的位置。但是，這并非必須意味著，質(zhì)量塊可以進(jìn)行任何運(yùn)動(dòng)。密封質(zhì)量塊系統(tǒng)內(nèi)的耦合可以使得元件停留在相同共同幾何面中，即使密封質(zhì)量塊系統(tǒng)所限定的面(由于外部加速度或旋轉(zhuǎn)的影響)相對于襯底面傾斜。
[0024]感測電極系統(tǒng)包括幾個(gè)(即多于兩個(gè))電極。為了檢測面外運(yùn)動(dòng)，密封質(zhì)量塊元件的正面(即，平行于襯底面)上具有感測電極層。它們與布置在襯底中或裝置的蓋晶片中的密封質(zhì)量塊元件下方或上方的電極配合。為了檢測面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，具有另外的感測電極，諸如交叉電極(即梳狀電極結(jié)構(gòu))。檢測多少和哪個(gè)自由度取決于電極的位置和類型。線性加速度和旋轉(zhuǎn)速率可以同時(shí)檢測。但是，該裝置僅檢測線性加速度或僅檢測旋轉(zhuǎn)速率，這并不排除在本發(fā)明的范圍中。換而言之，在總的六個(gè)自由度、即三個(gè)線性加速度和三個(gè)旋轉(zhuǎn)速率中，根據(jù)本發(fā)明的裝置檢測這些六個(gè)自由度中的多于一個(gè)，并且設(shè)計(jì)感測電極系統(tǒng)能夠檢測期望(多于一個(gè))的自由度。
[0025]每個(gè)密封質(zhì)量塊元件直接并柔性地連接到襯底上所設(shè)置的錨定結(jié)構(gòu)。這就是說，沒有不檢測加速度或旋轉(zhuǎn)、但僅僅耦合系統(tǒng)的密封質(zhì)量塊元件的運(yùn)動(dòng)密封質(zhì)量塊框架。因?yàn)槊芊赓|(zhì)量塊元件直接連接到錨定結(jié)構(gòu)，提供直接和柔性連接的懸掛系統(tǒng)可以具有簡單設(shè)計(jì)，并且在密封質(zhì)量塊元件之間不引入不期望的依賴性。
[0026]本發(fā)明優(yōu)選由微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)陀螺儀實(shí)現(xiàn)。運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊由夾在兩個(gè)襯底之間的MEMS層制成。
[0027]環(huán)形密封質(zhì)量塊系統(tǒng):
[0028]根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，密封質(zhì)量塊元件布置在相對于中心軸線的內(nèi)、外徑之間的環(huán)形構(gòu)造中。每個(gè)元件可以具有環(huán)形的扇區(qū)形狀，并且與相鄰密封質(zhì)量塊元件被間隙分開。所有密封質(zhì)量塊元件一起限定密封質(zhì)量塊系統(tǒng)的構(gòu)造。
[0029]密封質(zhì)量塊系統(tǒng)的區(qū)域還可以使用非圓形的形狀，例如，矩形、六邊形、八邊形或其他規(guī)則的多邊形形狀。因?yàn)槊芊赓|(zhì)量塊系統(tǒng)繞中心軸線進(jìn)行振動(dòng)運(yùn)動(dòng)，不用說，密封質(zhì)量塊系統(tǒng)的整個(gè)形狀必須具有規(guī)則形狀。不規(guī)則會(huì)妨礙基本振動(dòng)運(yùn)動(dòng)。
[0030]優(yōu)選地，密封質(zhì)量塊的環(huán)形構(gòu)造上閉合的。就是說，僅密封質(zhì)量塊元件具有環(huán)形結(jié)構(gòu)，而非電極。電極布置在環(huán)形結(jié)構(gòu)的內(nèi)徑內(nèi)側(cè)或環(huán)形結(jié)構(gòu)的外徑的外側(cè)。
[0031]密封質(zhì)量塊元件優(yōu)選占有360°環(huán)形結(jié)構(gòu)的至少80%。就是說，在具有四個(gè)環(huán)扇區(qū)的結(jié)構(gòu)中，單個(gè)密封質(zhì)量塊元件的扇區(qū)角至少為72°。更優(yōu)選地，元件占有整個(gè)環(huán)形區(qū)域的至少90%。即，單個(gè)密封質(zhì)量塊元件的扇區(qū)角至少為81°。
[0032]根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施例，所有密封質(zhì)量塊元件相對于系統(tǒng)的對稱中心點(diǎn)具有相同的運(yùn)動(dòng)自由。即，每個(gè)密封質(zhì)量塊元件可以繞從系統(tǒng)中心延伸穿過各個(gè)密封質(zhì)量塊元件的中軸線的徑向軸線傾斜。
[0033]更優(yōu)選地，所有密封質(zhì)量塊元件具有相同的形狀并且布置在距離系統(tǒng)中心相同的徑向距離處。
[0034]這是與WO 2010/108773 Al (Sensordynamics AG)的系統(tǒng)重要的不同之處。根據(jù)WO 2010/108773 Al，z軸檢測通過單獨(dú)的密封質(zhì)量塊來實(shí)現(xiàn)，該密封質(zhì)量塊的形狀和徑向方位與X軸和I軸檢測質(zhì)量塊的形狀和徑向方位不同。
[0035]錨定結(jié)構(gòu):
[0036]可選地，密封質(zhì)量塊元件附接到的錨定結(jié)構(gòu)形成一件式錨定元件。此共同錨定件一般是從下面襯底的表面豎立的柱。密封質(zhì)量塊元件可以由從中心柱沿面內(nèi)延伸到密封質(zhì)量塊元件的梁或臂支撐在襯底上方。這樣優(yōu)選設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于，錨定結(jié)構(gòu)非常緊湊并且密封質(zhì)量塊元件可以從錨定件以相當(dāng)大的半徑進(jìn)行振動(dòng)。相應(yīng)地，待測的外部加速度或旋轉(zhuǎn)的影響傾向于較大。
[0037]錨定結(jié)構(gòu)也可以由多個(gè)(例如更小的)柱、而不是一個(gè)(一般較大的)共用柱形成。因此，每個(gè)密封質(zhì)量塊元件可以具有其自己的錨定元件。
[0038]錨定結(jié)構(gòu)不需要必須處于裝置的中心。裝置的中心由環(huán)形密封質(zhì)量塊系統(tǒng)的內(nèi)徑內(nèi)的區(qū)域所限定。還可以使用比密封質(zhì)量塊元件更遠(yuǎn)離中心軸線的錨定結(jié)構(gòu)。因此，如果密封質(zhì)量塊系統(tǒng)是環(huán)形結(jié)構(gòu)，錨定結(jié)構(gòu)可以放置在環(huán)外側(cè)，即在半徑比環(huán)形區(qū)域的外徑更大之處。
[0039]從US 2007/0034007的圖1和圖4或EP O 547 742 BI的圖6中已知布置在活動(dòng)質(zhì)量塊周邊外側(cè)的錨定結(jié)構(gòu)的示例。US 2007/0034007的圖3和圖5示出布置在密封質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的周邊內(nèi)側(cè)的錨定結(jié)構(gòu)(即四個(gè)柱)的示例。這些幾何原理還可以用于放置本發(fā)明的錨定元件。
[0040]啟動(dòng)裝置:
[0041]活動(dòng)質(zhì)量塊的振動(dòng)由啟動(dòng)電極來產(chǎn)生。它們具有梳狀結(jié)構(gòu)。梳狀的指狀件可以平行于線性加速度運(yùn)動(dòng)的方向取向。這樣的電極結(jié)構(gòu)在現(xiàn)有技術(shù)中是公知的。例如，本發(fā)明沿圓周取向的啟動(dòng)電極可以具有如US 5,025, 346 (Univ.0f California)的圖5、6、10中所示的結(jié)構(gòu)。
[0042]如果該實(shí)施例具有圓環(huán)形密封質(zhì)量塊系統(tǒng)，啟動(dòng)電極優(yōu)選布置在密封質(zhì)量塊系統(tǒng)的內(nèi)徑內(nèi)。還可以將啟動(dòng)電極布置在密封質(zhì)量塊系統(tǒng)的外周邊處。此外，如果密封質(zhì)量塊系統(tǒng)不是閉環(huán)，啟動(dòng)電極也可以布置在密封質(zhì)量塊系統(tǒng)的徑向范圍中，即某種程度上被密封質(zhì)量塊元件所覆蓋的環(huán)形區(qū)域。說明書開頭部分所引用的現(xiàn)有技術(shù)(例如，US 2011/030473Al)示出啟動(dòng)電極布置在相鄰密封質(zhì)量塊元件之間的間隙中的另外可行實(shí)施例。這樣的結(jié)構(gòu)也可以用于本發(fā)明。雖然可以將啟動(dòng)電極放置在相鄰質(zhì)量塊之間的間隙中，此布置(對于給定半徑)減小了質(zhì)量塊和感測電極的表面。
[0043]通常，每個(gè)密封質(zhì)量塊元件有具其自己的驅(qū)動(dòng)電極。但是，可能存在這樣的情況，不是每個(gè)密封質(zhì)量塊元件都需要其自己的驅(qū)動(dòng)電極。
[0044]驅(qū)動(dòng)電極的位置:
[0045]在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)電極系統(tǒng)布置在環(huán)形構(gòu)造的內(nèi)徑內(nèi)的徑向區(qū)域中。具體而言，驅(qū)動(dòng)電極系統(tǒng)布置在共用錨定件和密封質(zhì)量塊系統(tǒng)之間所限定的環(huán)形區(qū)域中。環(huán)形密封質(zhì)量塊系統(tǒng)的半徑越大，科式效應(yīng)就越大。結(jié)果，密封質(zhì)量塊系統(tǒng)的空的(free)中心很適于驅(qū)動(dòng)電極。
[0046]在可選實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)電極放置在密封質(zhì)量塊系統(tǒng)的外周邊之外。(與US2011/0030473中所示的實(shí)施例相比)也可以在密封質(zhì)量塊系統(tǒng)的區(qū)域內(nèi)提供用于驅(qū)動(dòng)電極的自由空間。
[0047]四個(gè)密封質(zhì)量塊元件:
[0048]最優(yōu)選地，使用由相對于中心軸線旋轉(zhuǎn)對稱布置的四個(gè)密封質(zhì)量塊元件構(gòu)成的密封質(zhì)量塊系統(tǒng)。彼此相對布置的兩個(gè)密封質(zhì)量塊元件用于檢測第一面內(nèi)軸向的加速度，(也是彼此相對布置的)另外兩個(gè)密封質(zhì)量塊元件用于檢測第二面內(nèi)軸向的加速度。同時(shí)，(也是彼此相對布置)兩個(gè)密封質(zhì)量塊元件可以用于檢測第一面內(nèi)軸向的旋轉(zhuǎn)，剩余兩個(gè)密封質(zhì)量塊元件可以用于檢測第二面內(nèi)軸向的旋轉(zhuǎn)。除此之外，第三軸向(z向)的線性加速度和旋轉(zhuǎn)速率可以使用全部四個(gè)密封質(zhì)量塊元件來檢測。
[0049]一般而言，密封質(zhì)量塊元件的數(shù)量取決于感測器要檢測的多少個(gè)自由度。上述具有四個(gè)密封質(zhì)量塊元件的實(shí)施例被設(shè)計(jì)成檢測六個(gè)自由度，即三個(gè)線性加速度和三個(gè)旋轉(zhuǎn)速率。還存在可以使用四個(gè)以上密封質(zhì)量塊元件的方案。此外，并不排除本發(fā)明的基本特征(即每個(gè)密封質(zhì)量塊元件直接并柔性連接到襯底上的錨定結(jié)構(gòu))對于僅具有三個(gè)密封質(zhì)量塊元件的密封質(zhì)量塊系統(tǒng)可以有利的。
[0050]本發(fā)明更優(yōu)選的方面是采用完全相同形式的密封質(zhì)量塊元件。就是說，它們具有(在俯視圖中)相同的形狀和相同的質(zhì)量。另外，密封質(zhì)量塊元件都以相同(完全相同)方式懸掛。這兩種可選設(shè)計(jì)選項(xiàng)的組合得到尤其容易控制并且一方面對于所有面內(nèi)加速度產(chǎn)生相同信號強(qiáng)度而另一方面對于所有面內(nèi)旋轉(zhuǎn)速率產(chǎn)生相同信號強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)。(線性和旋轉(zhuǎn)加速運(yùn)動(dòng)的信號強(qiáng)度不相同。)
[0051]彈性元件:
[0052]優(yōu)選地，密封質(zhì)量塊元件通過彈性元件成對耦合，該彈性元件允許所述密封質(zhì)量塊元件單獨(dú)的面內(nèi)運(yùn)動(dòng)但是其為所述密封質(zhì)量塊元件提供面外運(yùn)動(dòng)的堅(jiān)硬耦合。由于此類型密封質(zhì)量塊元件的彈性機(jī)械耦合，密封質(zhì)量塊系統(tǒng)例如在χ-y面中可以擴(kuò)展和縮小。這對于檢測z軸的旋轉(zhuǎn)速率是有利的。原則上，彈性元件允許密封質(zhì)量塊元件的任何相對面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。
[0053]兩個(gè)相鄰的密封質(zhì)量塊可以通過兩個(gè)柔性元件成對耦合，一個(gè)柔性元件位于密封質(zhì)量塊的內(nèi)端部，另一個(gè)柔性元件位于所述密封質(zhì)量塊的外端部。
[0054]彈性元件的z向橫截面大于X向或y向橫截面。如果z向的尺寸例如至少是X向尺寸的兩倍，元件在z向足夠堅(jiān)硬，使得密封質(zhì)量塊系統(tǒng)本身保持平直，即使當(dāng)存在面外運(yùn)動(dòng)時(shí)。
[0055]支撐元件:
[0056]密封質(zhì)量塊系統(tǒng)通過懸掛系統(tǒng)的支撐元件懸掛在襯底上方。這些元件可以是直梁或彎梁?！皬潯笔侵噶鹤裱畴x直線的折線或圓線。設(shè)計(jì)支撐元件以允許密封質(zhì)量塊元件繞中心軸線進(jìn)行振動(dòng)旋轉(zhuǎn)。另外，它們允許整個(gè)密封質(zhì)量塊系統(tǒng)進(jìn)行面外震蕩。因此，支撐元件沿其縱向軸的橫向方向是柔性的。
[0057]在優(yōu)選實(shí)施例中，相鄰密封質(zhì)量塊元件之間具有間隙，并且懸掛元件在此間隙中延伸。例如，如果具有四個(gè)密封質(zhì)量塊元件，則具有四個(gè)間隙分開密封質(zhì)量塊元件。間隙通常沿徑向方向從中心軸線延伸，并且，在每個(gè)間隙中，具有優(yōu)選為直梁的懸掛元件。其優(yōu)點(diǎn)在于，密封質(zhì)量塊元件可以在兩側(cè)(內(nèi)側(cè)和外側(cè))支撐。
[0058]間隙的形狀也可以具有與直槽的形狀不同。例如，間隙的輪廓可以是錐形或曲線形。
[0059]耦合:
[0060]本發(fā)明的可選特征是，彈性元件耦合到懸掛元件。彈性元件可以沿相對于懸掛元件的橫向方向取向，并且可以如臂一樣延伸到懸掛元件的兩側(cè)。在此優(yōu)選實(shí)施例中，每個(gè)密封質(zhì)量塊元件和錨定結(jié)構(gòu)的直接連接通過懸掛元件和彈性元件的組合來實(shí)現(xiàn)，懸掛元件的一端固定到錨定結(jié)構(gòu)，彈性元件連接到密封質(zhì)量塊元件和各自的懸掛元件。即，柔性元件可以是懸掛系統(tǒng)的一部分。
[0061]例如，每對相鄰密封質(zhì)量塊元件通過兩個(gè)彈性耦合元件連接，每個(gè)彈性耦合元件安裝在布置于兩個(gè)密封質(zhì)量塊元件之間的懸掛元件上。
[0062]彈性耦合元件也可以與懸掛元件分開。
[0063]彈性元件的形狀:
[0064]彈性元件可以具有括號形狀。就是說，彈性元件的兩端部并不指向截然相反的方向。更進(jìn)一步而言，端部所指向的方向包括角β，+180° >β>-180°。優(yōu)選地，角β在+60° >β>_60°范圍中。簡單的括號可包括直的基干部分和從基干部分以90°延伸的兩個(gè)直臂部分，使得角β =0°。
[0065]優(yōu)選地，彈性元件布置在密封質(zhì)量塊元件的環(huán)形構(gòu)造的內(nèi)徑內(nèi)側(cè)或外徑外側(cè)。就是說，彈性元件不在相鄰密封質(zhì)量塊元件之間的間隙中。
[0066]旋轉(zhuǎn)對稱性:
[0067]在大部分的方案中，密封質(zhì)量塊元件由具有旋轉(zhuǎn)對稱的懸掛系統(tǒng)柔性地支撐。此優(yōu)點(diǎn)在于，密封質(zhì)量塊元件的面內(nèi)響應(yīng)是一致的。更優(yōu)選地，旋轉(zhuǎn)對稱是四重的(fourfold)。
[0068]懸掛系統(tǒng)的鏡像型對稱也是可行的。應(yīng)當(dāng)指出，本發(fā)明的基本原理不僅僅局限于具有特定對稱的懸掛系統(tǒng)。具體而言，與對稱性設(shè)計(jì)相比，可以具有不有害于正常檢測加速度和旋轉(zhuǎn)速率的較小幾何偏差。
[0069]感測電極:
[0070]本裝置配備有感測電極系統(tǒng)。該系統(tǒng)通常包括至少一個(gè)(但優(yōu)選為四個(gè))交叉電極結(jié)構(gòu)，其附接到密封質(zhì)量塊系統(tǒng)，用于檢測z軸旋轉(zhuǎn)速率和面內(nèi)加速度(其都導(dǎo)致密封質(zhì)量塊系統(tǒng)的具體面內(nèi)運(yùn)動(dòng))。
[0071]另外，在每個(gè)密封質(zhì)量塊元件上，可以具有至少兩個(gè)感測電極，用于檢測面內(nèi)旋轉(zhuǎn)速率和z軸加速度(其都導(dǎo)致密封質(zhì)量塊系統(tǒng)的具體面外運(yùn)動(dòng))。整個(gè)密封質(zhì)量塊系統(tǒng)的感測電極優(yōu)選呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)對稱性。
[0072]方法:
[0073]本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種基于本發(fā)明的諧振器微電子陀螺儀檢測多于一個(gè)軸的線性加速度和旋轉(zhuǎn)速率的方法。首先，該方法包括將頻率為Fd的驅(qū)動(dòng)信號施加到驅(qū)動(dòng)電極，使得密封質(zhì)量塊系統(tǒng)圍繞中心軸線進(jìn)行振動(dòng)運(yùn)動(dòng)。為了檢測線性加速度(AX、AY、AZ)和旋轉(zhuǎn)速率(GX、GY、GZ)，進(jìn)行如下步驟中的一個(gè)或多個(gè)步驟:
[0074]a)通過確定來自彼此相對的密封質(zhì)量塊元件的感測電極信號之間的差來檢測面內(nèi)軸線方向的旋轉(zhuǎn)速率GX:
[0075]GX = ({S2} + {S3}) - ({S6} + {S7})
[0076]其中:
[0077]{S2}和{S3}是來自第一密封質(zhì)量塊兀件上的兩個(gè)電極的電信號，
[0078]{S6}和{S7}是來自與第一密封質(zhì)量塊元件相對布置的第二密封質(zhì)量塊元件上的兩個(gè)電極的電信號。
[0079]b)通過確定來自彼此相對的密封質(zhì)量塊元件的感測電極信號之間的差來(以類似步驟a的方式進(jìn)行)檢測面內(nèi)軸線方向的旋轉(zhuǎn)速率GY(與GX正交):
[0080]GY = ({SI} + {S8}) - ({S4} + {S5})
[0081]其中:
[0082]{SI}和{S8}是來自第三密封質(zhì)量塊兀件上的兩個(gè)電極的電信號，
[0083]{S4}和{S5}是來自與第三密封質(zhì)量塊元件相對布置的第四密封質(zhì)量塊元件上的兩個(gè)電極的電信號。
[0084]c)通過確定來自彼此相對的密封質(zhì)量塊元件的調(diào)制感測電極信號之間的差來檢測與面內(nèi)軸線正交的面外軸線的旋轉(zhuǎn)速率GZ:
[0085]GZ = ({S*12} - {S*10}) + ({S*9} _ {S*l 1})
[0086]其中:
[0087]{S*12}和{S*10}是來自彼此相對布置的第一和第二密封質(zhì)量塊元件上的兩個(gè)面內(nèi)檢測電極的電信號，
[0088]{S*9}和{S*ll}是來自彼此相對布置的第三和第四密封質(zhì)量塊元件上的兩個(gè)面內(nèi)檢測電極的電信號。
[0089]d)通過確定來自彼此相對的密封質(zhì)量塊元件的調(diào)制感測電極信號的和來檢測面內(nèi)軸線方向的加速度AX:
[0090]AX= ({S*9} + {S*11})
[0091]其中:
[0092]{S*9}和{S*ll}是來自彼此相對布置的第一和第二密封質(zhì)量塊元件上的兩個(gè)面內(nèi)檢測電極的(從振動(dòng)頻率Fd調(diào)制的)電信號。
[0093]e)通過確定來自彼此相對的密封質(zhì)量塊元件的調(diào)制感測電極信號之間的和來(以類似步驟D的方式進(jìn)行)檢測面內(nèi)軸線方向的加速度AY(與AX正交):
[0094]AY = ({S*10} + {S*12})
[0095]其中:
[0096]{S*10}和{S*12}是來自彼此相對布置的第一和第二密封質(zhì)量塊元件上的兩個(gè)面內(nèi)檢測電極的(從振動(dòng)頻率Fd調(diào)制的)電信號。
[0097]f)通過確定來自所有密封質(zhì)量塊元件的感測電極信號的和來檢測與面內(nèi)軸線正交的面外軸線的加速度AZ:
[0098]AZ = {SI} + {S2} + {S3} + {S4} + {S5} + {S6} + {S7} + {S8}
[0099]其中:
[0100]{S1}-{S8}是來自密封質(zhì)量塊元件上的電極的電信號。
[0101]在附圖中示出本發(fā)明另外的優(yōu)選特征，并且在下面的實(shí)施方式中進(jìn)行詳細(xì)解釋。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0102]附圖進(jìn)一步闡明本發(fā)明并且用于結(jié)合詳細(xì)的實(shí)施方式來解釋優(yōu)選的實(shí)施例。
[0103]圖1示出本發(fā)明裝置的示意性俯視圖；
[0104]圖2示出具有環(huán)狀密封質(zhì)量塊系統(tǒng)的感測器的示意圖；
[0105]圖3a、3b示出彈性元件的示意性俯視圖；
[0106]圖4示出圖解由于X-方向的旋轉(zhuǎn)速率所引起的位移的示意性剖視圖；
[0107]圖5示出圖解由于Z-方向的旋轉(zhuǎn)速率所引起的位移的示意性剖視圖；
[0108]圖6示出圖解由于X-方向的線性加速度所引起的位移的示意性剖視圖；
[0109]圖7示出圖解由于Z-方向的線性加速度所引起的位移的示意性剖視圖；
[0110]圖8示出圖2的實(shí)施例的一種變化形式；
[0111]圖9示出本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例。
[0112]一般而言，相似的附圖標(biāo)記表示相同的部件。

【具體實(shí)施方式】
[0113]圖1是用于圖解基本原理以及可以用于本發(fā)明范圍中的功能元件的第一實(shí)施例的非常粗糙的幾何圖。
[0114]具有四個(gè)密封質(zhì)量塊元件1.1.....1.4，其可以具有幾乎方形的形狀。四個(gè)密封質(zhì)量塊元件1.1.....1.4 一起限定密封質(zhì)量塊系統(tǒng)。每一個(gè)密封質(zhì)量塊元件1.1.....1.4直接連接到錨定結(jié)構(gòu)。在本實(shí)施例中，錨定結(jié)構(gòu)包括接近密封質(zhì)量塊系統(tǒng)中心放置的四個(gè)錨定柱2.1、...、2.4。錨定柱2.1、...、2.4從(密封質(zhì)量塊元件1.1、...、1.4下方的)襯底上升到密封質(zhì)量塊系統(tǒng)的水平。每個(gè)密封質(zhì)量塊元件1.1.....1.4通過懸掛元件3.1.....3.4連接到其錨定元件2.1.....2.4。根據(jù)圖1的實(shí)施例，懸掛元件可以是從密封質(zhì)量塊系統(tǒng)的中心軸線4沿徑向方向延伸的直梁。
[0115]圖1示出x-y面(所謂的“面內(nèi)”)，而z軸(面外)與密封質(zhì)量塊系統(tǒng)的面正交。
懸掛元件3.1.....3.4相對于其縱向方向和面內(nèi)的橫向上具有柔性，使得密封質(zhì)量塊元件
1.1.....1.4可以在其被驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)圍繞中心軸線4進(jìn)行振動(dòng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在圖1中沒有示出。例如，通過四個(gè)交叉的電極結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)，電極結(jié)構(gòu)的一部分在合適位置附接到密封質(zhì)量塊元件1.1.....1.4中的一個(gè)并且其他部分固定到襯底。
[0116]密封質(zhì)量塊元件1.1、...、1.4通過彈性元件5.1、...、5.4成對耦合。如圖1所示，彈性元件5.1耦合兩個(gè)密封質(zhì)量塊元件1.1和1.2。其布置在相鄰密封質(zhì)量塊元件1.1
和1.2之間形成的間隙8.1中。彈性元件5.1.....5.4可以是具有幾個(gè)直部并在直部之間具有回轉(zhuǎn)部的梁。彈性應(yīng)僅僅在x-y面中是彈性的，而不是在z方向(面外)上是彈性的。這可以通過選擇面內(nèi)方向相對較小而面外方向相對較大(例如，至少大兩倍或至少大三倍)的橫截面來實(shí)現(xiàn)。
[0117]在每個(gè)密封質(zhì)量塊元件1.1.....1.4上，，具有用于檢測各自密封質(zhì)量塊元件的面外運(yùn)動(dòng)的電極層6.1、...、6.4。此外，還有用于四個(gè)密封質(zhì)量塊元件1.1、...、1.4中每一個(gè)的交叉電極系統(tǒng)7.1、...、7.4。每個(gè)交叉電極系統(tǒng)7.1、...、7.4被構(gòu)造為確定χ-y面內(nèi)一個(gè)方向上的線性運(yùn)動(dòng)。如圖1所示，電極系統(tǒng)7.1.....7.4可以設(shè)置在密封質(zhì)量塊系統(tǒng)周邊外側(cè)的區(qū)域中。
[0118]雖然圖1示出每個(gè)間隙中具有一個(gè)彈性耦合元件，但是在每個(gè)間隙中可以具有兩個(gè)以上平行的彈性元件，用于更好地耦合兩個(gè)相鄰的密封質(zhì)量塊元件。
[0119]應(yīng)當(dāng)注意，圖1是真正幾何設(shè)計(jì)的簡化圖。
[0120]圖2示出具有環(huán)形密封質(zhì)量塊系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施例。具有四個(gè)密封質(zhì)量塊元件
21.1.....21.4，其一起形成環(huán)形結(jié)構(gòu)。環(huán)形區(qū)域的內(nèi)徑是R1，外徑是R2。密封質(zhì)量塊元件21.1、...,21.4由四個(gè)窄的間隙28.1、...、28.4分開。每個(gè)間隙28.1、...、28.4沿周向方向的寬度可以是一個(gè)密封質(zhì)量塊元件21.1、...,21.4的寬度的1/10以下。如圖2所示，所有密封質(zhì)量塊元件21.1.....21.4具有相同的形狀并且布置在距離系統(tǒng)中心相同的徑向距離處。
[0121]具有圓柱形狀的錨定柱22位于環(huán)形結(jié)構(gòu)的中心處，并且與和z軸完全相同的幾何中心軸線24共軸。四個(gè)直的懸掛元件23.1.....23.4固定到錨定柱22，并且相對于中心軸線24沿徑向向外延伸。它們將感測器的圓形區(qū)域分割成四個(gè)相等的90°扇區(qū)。
[0122]每個(gè)密封質(zhì)量塊元件21.1.....21.4在其正面上具有兩個(gè)感測電極S8/S1、S2/
S3、S4/S5、S6/S7。每個(gè)密封質(zhì)量塊元件21.1的兩個(gè)感測電極S8、S1中的每個(gè)覆蓋密封質(zhì)量塊元件21.1的正面約一半。感測電極S1.....S8可以具有45°環(huán)形扇區(qū)的形狀。
[0123]在Rl內(nèi)的圓形區(qū)域中，具有四個(gè)交叉感測電極S9、...、S12，每個(gè)密封質(zhì)量塊元件具有一個(gè)感測電極。每個(gè)交叉感測電極S9.....S12可以占有約45°環(huán)形扇區(qū)或更少的區(qū)域。第一和第三交叉感測電極S9和SI I具有電極指狀件，該電極指狀件(至少大致)沿y軸方向取向，使得密封質(zhì)量塊元件21.2和21.4沿X軸方向的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電容的變動(dòng)以及相應(yīng)的電信號。第二和第四交叉感測電極SlO和S12相對于第一和第三交叉感測電極S9和Sll成90°取向。因此，交叉感測電極SlO和S12的電極指狀件沿X軸方向取向，使得密封質(zhì)量塊元件21.3和21.1沿y軸方向的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電容的變動(dòng)以及相應(yīng)的信號。
[0124]圖2的驅(qū)動(dòng)電極系統(tǒng)具有四個(gè)驅(qū)動(dòng)電極Dl、...、D4，其放置在半徑Rl的區(qū)域內(nèi)，并且連接到密封質(zhì)量塊元件21.1、...,21.4。根據(jù)本實(shí)施例，驅(qū)動(dòng)電極Dl、...、D4并排布置到感測電極系統(tǒng)S9.....S12并占有與交叉感測電極相同大小的區(qū)域。交叉感測電極
S9、...、S12和驅(qū)動(dòng)電極Dl、...、D4使用相互不同大小和形狀的區(qū)域，這也是可以的。
[0125]懸掛元件23.1.....23.4延伸到半徑比密封質(zhì)量塊系統(tǒng)的外徑R2大的位置處。每個(gè)懸掛元件23.1、...、23.4具有內(nèi)部23.1a和外部23.lb。內(nèi)部23.1a從錨定柱22延伸到約環(huán)形密封質(zhì)量結(jié)構(gòu)的內(nèi)徑Rl處，并且不僅在面內(nèi)方向上而且在面外方向上都具有彈性。在圖2中，內(nèi)部23.1a在半徑R前(S卩，內(nèi)側(cè))馬上終止。外部23.1b是從內(nèi)部23.1a的端部延伸到懸掛元件的外端部的部分。外部23.1b的彈性可以比內(nèi)部23.1a小。
[0126]具有附接到懸掛元件23.1的兩個(gè)彈性元件25.la、25.lb。它們具有括號的形狀(圖3a、3b)。內(nèi)彈性元件25.1a的第一臂附接到第一密封質(zhì)量塊元件21.1，第二臂附接到第二密封質(zhì)量塊元件21.3。第一和第二臂相對于中心軸線24沿徑向方向取向。如圖2所示，第一彈性元件25.1a位于半徑Rl所限定的圓形區(qū)域內(nèi)。彈性元件25.la、25.1b與密封質(zhì)量塊元件的附接點(diǎn)可以在間隙28.1的邊界線上(或接近邊界線)。從圖2中還可以清楚地看出，相鄰密封質(zhì)量塊在其內(nèi)端部處(在半徑Rl處)和其外端部處(半徑R2處)耦合。
[0127]圖3a、3b更詳細(xì)示出圖2中的彈性元件25.la、25.lb。它們基本由基干部分30.1、
30.2和兩個(gè)臂31.1、...,31.4構(gòu)成。在本實(shí)施例中，彈性臂25.la、25.1b的所有部分都是直梁部分。兩個(gè)臂31.1.....31.4形成在基干部分30.1,30.2的兩個(gè)端部處并且?guī)缀跸鄬τ诨刹糠?0.1,30.2的取向橫向延伸。因此，彈性元件25.1a和25.1b具有C形狀。
[0128]在不同情況下，基干部分30.1,30.2的中部附接到懸掛元件的外部23.lb?；刹糠?0.1,30.2與懸掛部分23.1相交的點(diǎn)彼此之間的距離大于內(nèi)徑rl和外徑r2之間的差。根據(jù)本實(shí)施例，距離L如下:
[0129]L = (R2-R1)+L (外括號的臂)+L(內(nèi)括號的臂)
[0130]“L(內(nèi)括號的臂)”表示臂31.1和31.2的長度，“L(外括號的臂)”是臂31.3和31.4的長度。
[0131]兩個(gè)臂31.1和31.2可以角β (a) >0相對于彼此傾斜。當(dāng)從中心軸線24觀察時(shí)，該角可以對應(yīng)于基干部分30.1的視線角。這就是說，臂31.1和31.2可以沿從中心軸線24延伸的徑向線延伸，并且他們彼此背向傾斜。兩個(gè)臂31.3和31.4也可以角β (b)〈0相對于彼此傾斜。角的負(fù)號表示，臂31.3、31.4彼此相向傾斜。
[0132]基干部分30.1和30.2與臂31.1、...、31.4在χ-y面中具有彈性，但在z向中相對堅(jiān)硬。因此,密封質(zhì)量塊元件21.1、21.2可以朝向中心軸線24或背離中心軸線24產(chǎn)生位移，甚至于彼此朝向或背向產(chǎn)生位移。但是，由于在z向上的堅(jiān)硬，密封質(zhì)量塊元件不能獨(dú)立地沿z向傾斜。這就是說，密封質(zhì)量塊元件21.1,21.2具有較強(qiáng)的面外運(yùn)動(dòng)的機(jī)械耦人口 O
[0133]彈性元件25.la、25.1b可以一起形成有作為MEMS層中的集成部件的懸掛元件23.1。它們與密封質(zhì)量塊元件(沿z向)具有相同的厚度。x-y方向的彈性主要由俯視圖(圖3a、3b)中的幾何形狀所確定。此時(shí)，應(yīng)當(dāng)指出，基干部分30.1、30.2可以比間隙28.1的寬度更長，因?yàn)閺椥栽ㄎ挥陂g隙28.1的外側(cè)以及由密封質(zhì)量塊系統(tǒng)所覆蓋的環(huán)形區(qū)域的外側(cè)。
[0134]根據(jù)本發(fā)明，每個(gè)密封質(zhì)量塊元件21.1、...,21.4直接并柔性地連接到襯底上的錨定結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在將針對圖2、3a、3b中所示的密封質(zhì)量塊元件21.1、21.2來解釋此情況。密封質(zhì)量塊元件21.1的內(nèi)側(cè)(即，元件在半徑Rl處的邊緣)通過括號形彈性元件25.1a的第一半部連接到懸掛元件23.1并且懸掛元件23.1附接到中心錨定柱22。相鄰密封質(zhì)量塊元件21.2的內(nèi)側(cè)通過同一個(gè)括號形彈性元件25.1的第二半部連接到懸掛元件23.1。在本發(fā)明中，雖然第一密封質(zhì)量塊元件21.1和錨定柱22之間一方面的連接以及第二密封質(zhì)量塊21.2和(共用)錨定柱22之間的連接是“直接”的，但是這兩個(gè)連接彼此之間不是獨(dú)立的。因此，很顯然，密封質(zhì)量塊元件可以彼此獨(dú)立地或相互依賴地連接到錨定結(jié)構(gòu)。但是，沒有密封質(zhì)量塊元件僅僅連接到其它密封質(zhì)量塊元件，而不直接連接到錨定結(jié)構(gòu)。
[0135]圖4-6圖示取決于加速/旋轉(zhuǎn)的類型和方向而產(chǎn)生的位移。陰影區(qū)域示出相對于靜止位置的位移。應(yīng)當(dāng)理解，感測器裝置可以同時(shí)經(jīng)歷復(fù)合的線性加速和旋轉(zhuǎn)。結(jié)果，不同方向的位移疊加。圖2中所示的裝置可以檢測所有的6個(gè)自由度(三個(gè)線性和三個(gè)旋轉(zhuǎn))。
[0136]在感測器裝置的運(yùn)行過程中，密封質(zhì)量塊系統(tǒng)通過經(jīng)由四個(gè)驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)D1-D4以驅(qū)動(dòng)頻率Fd進(jìn)行的同步啟動(dòng)保持圍繞中心軸線24的旋轉(zhuǎn)振動(dòng)。一方面，選擇驅(qū)動(dòng)頻率Fd,使得其與感測頻率Fsx、Fsy、Fsz不同。另一方面，面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的感測頻率Fsx = Fsy是完全相同的，但與面外運(yùn)動(dòng)的感測頻率Fsz不同。
[0137]圖4示出x-z面的橫截面。(y-ζ面的橫截面看起來一樣。)密封質(zhì)量塊元件21.1、
21.4支撐在例如襯底32上方50-150微米的距離處，并且包封在襯底32和蓋晶片33之間所限定的空腔。沿X向取向的旋轉(zhuǎn)速率GX產(chǎn)生密封質(zhì)量塊元件21.1和21.3相對于y向的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，如圖4所示。此面外運(yùn)動(dòng)由感測電極S2/S3和S6/S7檢測:
[0138]GX = ({S2} + {S3}) - ({S6} + {S7})
[0139]其中，
[0140]{S2}和{S3}是來自密封質(zhì)量塊元件21.2的正面上的兩個(gè)感測電極的電信號，
[0141]{S6}和{S7}是來自密封質(zhì)量塊元件21.4的正面上的兩個(gè)感測電極的電信號。
[0142]圖5示出與圖4相同的橫截面。當(dāng)z向的旋轉(zhuǎn)速率影響(impact)感測器時(shí),所有密封質(zhì)量塊兀件21.1、...>21.4在徑向方向同時(shí)產(chǎn)生位移。換而言之，環(huán)形密封質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)沿徑向移動(dòng)。這通過感測電極S9-S12感測。
[0143]GZ= ({S*12}-{S*10}) + ({S*9}_{S*11})
[0144]其中:
[0145]{S*12}和{S*10}是分別來自相對的密封質(zhì)量塊元件21.1和21.3的兩個(gè)面內(nèi)交叉的感測電極S12和SlO的調(diào)制電信號，
[0146]{S*9}和{S*ll}是分別來自相反的密封質(zhì)量塊元件21.2和21.4的兩個(gè)面內(nèi)交叉的感測電極S9和Sll的調(diào)制電信號。
[0147]圖6示出與圖4相同的橫截面。當(dāng)X向的加速度影響感測器時(shí)，所有密封質(zhì)量塊元件21.1、...、21.4在X向上同時(shí)產(chǎn)生位移。這通過感測電極SlO和S12感測:
[0148]AX = ({S*9} + {S*11})
[0149]其中:
[0150]{S*9}和{S*ll}是分別來自彼此相對布置的密封質(zhì)量塊元件21.3和21.1的兩個(gè)面內(nèi)交叉的感測電極SlO和12的調(diào)制電信號。
[0151]圖7最后示出z向的線性加速度的影響。所有密封質(zhì)量塊元件21.1.....21.4沿
z向同時(shí)產(chǎn)生位移。這通過感測電極S1-S8感測:
[0152]AZ = {SI} + {S2} + {S3} + {S4} + {S5} + {S6} + {S7} + {S8}
[0153]其中:
[0154]{S1}-{S8}是來自密封質(zhì)量塊元件21.1.....21.4的正面上的感測電極S1-S8的電信號。
[0155]使用圖2中所示的設(shè)計(jì)的多軸MEMS裝置可以另外包括以下電路:
[0156]閉環(huán)控制電路，生成輸入到驅(qū)動(dòng)電極D1-D4的驅(qū)動(dòng)信號；
[0157]兩個(gè)獨(dú)立檢測電路，評估X向和y向的旋轉(zhuǎn)速率(GX、GY)所影響的電極信號；
[0158]四個(gè)解調(diào)電路(例如，具有用于消除驅(qū)動(dòng)頻率Fd的低通濾波器)，用于處理
S9-S12的信號；
[0159]一個(gè)電路，檢測z向旋轉(zhuǎn)速率(GZ)；
[0160]三個(gè)檢測電路(具有消除驅(qū)動(dòng)頻率Fd的低通濾波器)，檢測三個(gè)線性加速度(AX、AY,AZ)。
[0161]如GYRO型MEMS裝置一樣，還可以具有補(bǔ)償電路、轉(zhuǎn)換器、基準(zhǔn)電壓生成器等。
[0162]根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，以如此方式設(shè)計(jì)密封質(zhì)量塊和懸掛系統(tǒng)，使得檢測頻率遠(yuǎn)在環(huán)境頻率之上。這就是說，驅(qū)動(dòng)電極所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)振動(dòng)的振幅足夠高，使得待檢測的最大科式(Corlois)加速度(旋轉(zhuǎn)速率)的振幅量級與待檢測的最大線性加速度的振幅量級相同。
[0163]MEMS裝置的設(shè)計(jì)可以基于以下公式:
[0164]Gcor = 2R2 θ ω Ω max
[0165]Gtang = R2 θ ω2
[0166]Gcent = R2 θ 2 ω2
[0167]其中:
[0168]Gcor =科式加速度
[0169]Gtan =密封質(zhì)量塊系統(tǒng)的外周邊(R2)處的切向加速度
[0170]Gcent =離心加速度
[0171]R2 =密封質(zhì)量塊系統(tǒng)的外徑
[0172]Θ =驅(qū)動(dòng)電極所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)振動(dòng)的角振幅
[0173]ω = 2 31 Fd =角驅(qū)動(dòng)速度(Fd =驅(qū)動(dòng)頻率)
[0174]Qmax =待測的最大角速度。
[0175]科式加速度Gcor和最大線性加速度Gmax具有相同的振幅量級(即，它們差別不超過10倍)，這是期望的。一組參數(shù)的示例是:
[0176]R2 = 3mm
[0177]θ = 3mrd
[0178]ω = 60000rd/s—>F ?1KHz
[0179]200 彡 θ ω 彡 1000rd/s。
[0180]本發(fā)明不僅僅局限于優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述。
[0181]環(huán)形密封質(zhì)量塊系統(tǒng)的外徑可以在l_3mm的范圍內(nèi)，例如，R2 = 1.5mm,內(nèi)徑可以在0.3-0.8mm的范圍內(nèi)，例如Rl = 0.5mm。驅(qū)動(dòng)電極D1-D4和感測電極S9-S12的內(nèi)徑可以是0.25mm。一般而言,密封質(zhì)量塊系統(tǒng)的所有面內(nèi)尺寸通常在0.2_6mm范圍內(nèi)。
[0182]感測電極S1-S8的尺寸優(yōu)選小于各個(gè)密封質(zhì)量塊元件21.1.....21.4的正面區(qū)域。這避免了驅(qū)動(dòng)頻率運(yùn)動(dòng)對檢測信號的影響。
[0183]圖8示出圖2所示實(shí)施例的振動(dòng)。在圖8中，閉環(huán)結(jié)構(gòu)與圖2中所示的相似。其由四個(gè)完全相同的、通過彈性元件25.la、25.1b成對連接的密封質(zhì)量塊元件21.1、...,21.4構(gòu)成。彈性元件25.la、25.1b可以具有U形括號的形狀。密封質(zhì)量塊元件21.1、21.2的內(nèi)徑處的彈性元件25.1a可以通過梁23.1b連接到密封質(zhì)量塊元件21.1,21.2的外徑處的彈性元件25.lb。根據(jù)圖8，用于柔性懸掛密封質(zhì)量塊元件21.1.....21.4的徑向懸掛元件在其內(nèi)端部附接到錨定部22，并且其外端部通過柔性括號26.1.....26.4連接到各自的密封質(zhì)量塊元件。即，圖8中的密封質(zhì)量塊元件在內(nèi)徑Rl內(nèi)、但在不與密封質(zhì)量塊元件之間的間隙28.1.....28.4成直線的位置連接到徑向懸掛梁。柔性括號26.1.....26.4沿徑向提供足夠的彈性。在圖2中，徑向懸掛梁與間隙28.1.....28.4成直線，并且密封質(zhì)量塊元件經(jīng)由彈性元件25.1a,25.1b連接。
[0184]圖9示出圖2所示實(shí)施例的進(jìn)一步改進(jìn)。環(huán)形構(gòu)造由四個(gè)密封質(zhì)量塊元件
41.1、...、41.4和四個(gè)中間徑向元件42.1、...、42.4構(gòu)成。每個(gè)徑向元件42.1布置在兩個(gè)密封質(zhì)量塊元件41.1、41.2之間。中間徑向元件42.1分別通過內(nèi)外其他柔性元件45.lc、45.1d和45.1a,45.1b連接到相鄰密封質(zhì)量塊元件41.1、41.2。中間徑向元件42.1、...、
42.4通過徑向梁43.1、...、43.4懸掛，徑向梁43.1、...、43.4在周向上是柔性的并且連接到中心錨定部44。
[0185]除了將驅(qū)動(dòng)電極Dl.....D4和感測電極D9.....D12放置在錨定部和環(huán)形密封質(zhì)量塊系統(tǒng)之間的環(huán)形自由區(qū)域，它們也可以放置在密封質(zhì)量塊系統(tǒng)周邊外側(cè)(即，超過R2的區(qū)域中)。
[0186]本發(fā)明也可以應(yīng)用到密封質(zhì)量塊系統(tǒng)懸掛在周邊而非中心的裝置。使用組合的周邊和中心懸掛也是可行的。
[0187]彈性元件25.la、25.1b可以具有不同形狀。它們例如可以是半圓形或它們可以具有用于提高柔性的蜿蜒或波狀線部分。
[0188]雖然懸掛元件可以具有恒定橫截面的直梁形式，它們也可以如此設(shè)計(jì)，使得內(nèi)、夕卜部23.la、23.1b在χ-y面中具有不同的彈性。懸掛元件的橫截面從一端到另一端可以變化。具體而言，懸掛元件的外部23.1b可以具有基于到中心軸線24的距離而改變的橫截面。這對于改變或調(diào)節(jié)感測頻率FSX、FSy、FSZ、Fd的值可以是有利的。除了在俯視圖中示出的直線外，懸掛元件也可以具有S形或弧形線。
[0189]在圖2中，感測電極S1-S8覆蓋密封質(zhì)量塊元件21.1、...、21.4的整個(gè)正面。但是，感測電極也可以更小，例如提供用于獨(dú)立正交補(bǔ)償電極的一些區(qū)域，驅(qū)動(dòng)信號所影響的與振幅成比例信號輸入到該正交補(bǔ)償電極。
[0190]在裝置的活動(dòng)和/或固定部件上提供止動(dòng)器元件(阻尼器)的已知技術(shù)也可以用于本發(fā)明的裝置。該止動(dòng)器確保電極在裝置受到震動(dòng)影響時(shí)不進(jìn)行接觸。
[0191]總的來說，本發(fā)明提供一種可以用于檢測多個(gè)自由度的加速度和旋轉(zhuǎn)速率的諧振器微電子慣性感測器。
【權(quán)利要求】
1.一種諧振器微電子慣性感測器，優(yōu)選微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)陀螺儀，用于檢測多于一個(gè)軸的線性加速度和旋轉(zhuǎn)速率，其包括: a)密封質(zhì)量塊系統(tǒng)(21.1.....21.4)，柔性地懸掛在襯底(32)上方，用于繞中心軸線(24)進(jìn)行面內(nèi)旋轉(zhuǎn)振動(dòng)， b)其中，所述密封質(zhì)量塊系統(tǒng)(21.1,...,21.4)具有彼此柔性地耦合(25.la、25.1b)的多于兩個(gè)密封質(zhì)量塊兀件， c)驅(qū)動(dòng)電極系統(tǒng)(Dl.....D4)，用于驅(qū)動(dòng)所述密封質(zhì)量塊系統(tǒng)(21.1.....21.4)進(jìn)行所述面內(nèi)旋轉(zhuǎn)振動(dòng)， d)感測電極系統(tǒng)(S1.....S4)，連接到所述密封質(zhì)量塊系統(tǒng)(21.1.....21.4)，用于檢測多于一個(gè)軸的線性加速度和旋轉(zhuǎn)速率， 其特征在于， e)每個(gè)密封質(zhì)量塊元件(21.1,21.2)直接并柔性地連接(23.1, 25.1a, 25.1b)到所述襯底(32)上的錨定結(jié)構(gòu)(22)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的諧振器微電子慣性感測器，其特征在于，所述密封質(zhì)量塊元件(21.1、...,21.4)布置在相對于所述中心軸線(24)的內(nèi)、外徑(R1、R2)之間的環(huán)形構(gòu)造中。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的諧振器微電子慣性感測器，其特征在于，所述密封質(zhì)量塊元件(21.1.....21.4)的所述環(huán)形構(gòu)造是閉環(huán)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的諧振器微電子慣性感測器，其特征在于，所述環(huán)形構(gòu)造的所有密封質(zhì)量塊元件(21.1.....21.4)相對于所述慣性感測器的對稱中心點(diǎn)具有相同的運(yùn)動(dòng)自由度。
5.根據(jù)權(quán)利要求2-4中任一項(xiàng)所述的諧振器微電子慣性感測器，其特征在于，所有密封質(zhì)量塊元件(21.1.....21.4)具有相同的形狀并且布置在距離所述系統(tǒng)的中心相同的徑向距離處。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的諧振器微電子慣性感測器，其特征在于，所述密封質(zhì)量塊元件連接到的所述錨定結(jié)構(gòu)(22)形成一件式錨定元件。
7.根據(jù)權(quán)利要求2-6中任一項(xiàng)所述的諧振器微電子慣性感測器，其特征在于，驅(qū)動(dòng)電極系統(tǒng)(Dl.....D4)布置在所述環(huán)形構(gòu)造的所述內(nèi)徑(Rl)內(nèi)的徑向區(qū)域中。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的諧振器微電子慣性感測器，其特征在于，所述密封質(zhì)量塊系統(tǒng)(21.1.....21.4)具有相對于所述中心軸線(24)旋轉(zhuǎn)對稱布置的四個(gè)密封質(zhì)量塊元件。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的諧振器微電子慣性感測器，其特征在于，所述密封質(zhì)量塊元件(21.1、...>21.4)通過彈性元件(25.la、25.1b)成對稱合,所述彈性元件(25.la、25.1b)允許所述密封質(zhì)量塊元件(21.1.....21.4)單獨(dú)的面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，但是其為所述密封質(zhì)量塊元件(21.1.....21.4)提供面外運(yùn)動(dòng)的堅(jiān)硬耦合。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的諧振器微電子慣性感測器，其特征在于，兩個(gè)相鄰的密封質(zhì)量塊通過兩個(gè)柔性元件成對耦合，一個(gè)柔性元件位于所述密封質(zhì)量塊的內(nèi)端部處，另一個(gè)柔性元件位于所述密封質(zhì)量塊的外端部處。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項(xiàng)所述的諧振器微電子慣性感測器，其特征在于，相鄰的密封質(zhì)量塊元件(21.1.....21.4)之間按具有間隙(28.1.....28.4)，并且用于支撐所述密封質(zhì)量塊元件(21.1、...、21.4)的徑向取向懸掛元件(23.1、...、23.4)布置在所述間隙中。
12.根據(jù)權(quán)利要求9-11中任一項(xiàng)所述的諧振器微電子慣性感測器，其特征在于，所述彈性元件(25.la、25.1b)耦合到所述懸掛元件(23.1)。
13.根據(jù)權(quán)利要求9-12中任一項(xiàng)所述的諧振器微電子慣性感測器，其特征在于，所述彈性元件(25.la、25.1b)具有括號形狀，并且布置在所述密封質(zhì)量塊元件(21.1.....21.4)的所述環(huán)形構(gòu)造的所述內(nèi)徑(Rl)內(nèi)側(cè)或所述外徑(R2)外側(cè)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1-13中任一項(xiàng)所述的諧振器微電子慣性感測器，其特征在于，所述密封質(zhì)量塊元件(21.1.....21.4)由具有旋轉(zhuǎn)對稱性的懸掛系統(tǒng)所柔性地支撐。
15.根據(jù)權(quán)利要求1-14中任一項(xiàng)所述的諧振器微電子慣性感測器，其特征在于，所述感測電極系統(tǒng)包括交叉電極結(jié)構(gòu)(S9.....S12)，其附接到所述密封質(zhì)量塊系統(tǒng)(21.1.....21.4)，用于檢測z軸旋轉(zhuǎn)速率和面內(nèi)加速度。
16.根據(jù)權(quán)利要求1-15中任一項(xiàng)所述的諧振器微電子慣性感測器，其特征在于，在每個(gè)密封質(zhì)量塊元件(21.1、...>21.4)上，具有至少兩個(gè)感測電極(S8/S1、S2/S3、S4/S5、S6/S7)，用于檢測面內(nèi)旋轉(zhuǎn)速率和z軸加速度。
17.一種基于諧振器微電子慣性感測器、優(yōu)選微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)感測器檢測多于一個(gè)軸的線性加速度和旋轉(zhuǎn)速率的方法，所述諧振器微電子慣性感測器包括: a)密封質(zhì)量塊系統(tǒng)，柔性地懸掛在襯底上方，用于繞中心軸線進(jìn)行面內(nèi)旋轉(zhuǎn)振動(dòng)， b)其中，所述密封質(zhì)量塊系統(tǒng)具有彼此柔性耦合的多于兩個(gè)密封質(zhì)量塊元件， c)驅(qū)動(dòng)電極系統(tǒng)，用于驅(qū)動(dòng)所述密封質(zhì)量塊系統(tǒng)進(jìn)行所述面內(nèi)旋轉(zhuǎn)振動(dòng)， d)感測電極系統(tǒng)，連接到所述密封質(zhì)量塊系統(tǒng)，用于檢測多于一個(gè)軸的線性加速度或旋轉(zhuǎn)速率， e)其中，每個(gè)密封質(zhì)量塊元件直接并柔性地連接到所述襯底上的錨定結(jié)構(gòu)， 其中，所述方法包括將頻率為Fd的驅(qū)動(dòng)信號施加到所述驅(qū)動(dòng)電極以及進(jìn)行至少一個(gè)、優(yōu)選至少三個(gè)和優(yōu)選為所有以下檢測步驟: f)通過確定來自彼此相對的所述密封質(zhì)量塊元件的感測電極信號之間的差來檢測面內(nèi)軸線方向的旋轉(zhuǎn)速率GX:
GX = ({S2} + {S3}) - ({S6} + {S7}) 其中: {S2}和{S3}是來自第一密封質(zhì)量塊兀件上的兩個(gè)電極的電信號， {S6}和{S7}是來自與所述第一密封質(zhì)量塊元件相對布置的第二密封質(zhì)量塊元件上的兩個(gè)電極的電信號； g)通過確定來自彼此相對的所述密封質(zhì)量塊元件的所述感測電極信號之間的差來檢測面內(nèi)軸線方向的旋轉(zhuǎn)速率GY:
GY = ({S1} + {S8})-({S4} + {S5}) 其中: {SI}和{S8}是來自第一密封質(zhì)量塊兀件上的兩個(gè)電極的電信號， {S4}和{S5}是來自與所述第一密封質(zhì)量塊元件相對布置的第二密封質(zhì)量塊元件上的兩個(gè)電極的電信號； h)通過確定來自彼此相對的所述密封質(zhì)量塊元件的調(diào)制感測電極信號之間的差來檢測與面內(nèi)軸線正交的面外軸線的旋轉(zhuǎn)速率GZ:
GZ = ({S*12}-{S*10}) + ({S*9}-{S*11}) 其中: {S*12}和{S*10}是來自彼此相對布置的第一和第二密封質(zhì)量塊元件上的兩個(gè)面內(nèi)檢測電極的電信號， {S*9}和{S*ll}是來自彼此相對布置的第三和第四密封質(zhì)量塊元件上的兩個(gè)面內(nèi)檢測電極的電信號， i)通過確定來自彼此相對的所述密封質(zhì)量塊元件的所述調(diào)制感測電極信號的和來檢測面內(nèi)軸線方向的加速度AX:
AX = ({S*9}+{S*11}) 其中: {S*9}和{S*ll}是來自彼此相對布置的第一和第二密封質(zhì)量塊元件上的兩個(gè)面內(nèi)檢測電極的(從振動(dòng)頻率Fd調(diào)制的)電信號； j)通過確定來自彼此相對的所述密封質(zhì)量塊元件的所述調(diào)制感測電極信號的和來檢測面內(nèi)軸線方向的加速度AY (與AX正交):
AY = ({S*10}+{S*12}) 其中: {S*10}和{S*12}是來自彼此相對布置的第一和第二密封質(zhì)量塊元件上的兩個(gè)面內(nèi)檢測電極的(從振動(dòng)頻率Fd調(diào)制的)電信號； k)通過確定來自所有密封質(zhì)量塊元件的所述感測電極信號的和來檢測與面內(nèi)軸線正交的面外軸線的加速度AZ:
AZ = {SI} + {S2} + {S3} + {S4} + {S5} + {S6} + {S7} + {S8} 其中: {S1}-{S8}是來自所述密封質(zhì)量塊元件上的所述電極的電信號。
【文檔編號】G01P15/14GK104136886SQ201280070092
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2012年12月20日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月22日
【發(fā)明者】雅克·勒克萊克 申請人:特羅尼克斯微系統(tǒng)有限公司