沖擊穩(wěn)健的集成多軸線mems陀螺儀的制作方法
【專利說明】沖擊穩(wěn)健的集成多軸線MEMS陀螺儀
[0001]相關專利申請的交叉引用
[0002]本申請涉及并且要求于2014年5月16日提交的、名稱為“沖擊穩(wěn)健的集成多軸線MEMS陀螺儀”的未決和共同轉(zhuǎn)讓的美國專利申請序列號61/994，574的優(yōu)先權(quán)權(quán)益，列出的發(fā)明人是Lorenzo Bertini和Alessandro Rocchi，在此以引用的方式結(jié)合其全部內(nèi)容。
【背景技術】
技術領域
[0003]本發(fā)明涉及微機電系統(tǒng)(MEMS)陀螺儀。更具體地，本發(fā)明涉及MEMS系統(tǒng)、設備和方法，以操作多軸線MEMS陀螺儀并且提供不受環(huán)境機械干擾的影響。
[0004]本發(fā)明的背景
[0005]近年來，對于MEMS陀螺儀的市場有飛速增長的對于設計成例如消費者電子產(chǎn)品和汽車應用的MEMS陀螺儀的需求。結(jié)果是，在現(xiàn)代陀螺儀的研發(fā)中具體化了兩種不同的趨勢。
[0006]首先，最小化陀螺儀的趨勢導致了這樣的涉及，S卩，將多個MEMS傳感器集成到能夠同時檢測圍繞多個空間軸線的角速度的單個設備內(nèi)。在美國專利申請序列號2011/0094301中存在用于低端設備的陀螺儀傳感器的多軸集成的實例，其中小尺寸是關鍵的設計參數(shù)。其次，不受例如振動、沖擊和力的其它突然沖擊的環(huán)境干擾已經(jīng)變?yōu)楦叨送勇輧x設備市場的關鍵需求。在美國專利申請序列號2013/0269469中存在設計成通過電力和機械裝置來抵消環(huán)境干擾的沖擊穩(wěn)健(shock-robust)的陀螺儀。
[0007]初看，將多軸傳感器集成到高端陀螺儀設備內(nèi)會允許在消費者市場中的更復雜和增長的應用以及減少用于汽車應用的成本。然而，高端沖擊穩(wěn)健陀螺儀是結(jié)合了多于不同結(jié)構(gòu)的固有復雜的設備。將三個單軸線高端陀螺儀集成到同一硅基板上的直接集成帶來了復雜的挑戰(zhàn)，該挑戰(zhàn)目前還未被掌控。此外，設計適當控制系統(tǒng)的復雜性實際上已將上述兩種趨勢由此進一步差異化。
[0008]然而，進行了一些努力將穩(wěn)定和沖擊穩(wěn)健的特征設計到MEMS陀螺儀內(nèi)，該陀螺儀例如可以放置事故并且在涉及安全的應用中可能拯救生命，汽車領域持續(xù)地依靠集成于板程度的獨立單軸線高端陀螺儀。理想地，這些陀螺儀將總是保持操作，甚至是在來自沖擊事件的干擾力被傳遞至MEMS陀螺儀的適當檢測電路的情況下，以便通過區(qū)分力之間的不同貢獻、探測希望的旋轉(zhuǎn)等并且在不同沖擊情況下采取適當?shù)男Ｕ齽幼鱽砭S持方向穩(wěn)定性，該力引起了檢驗質(zhì)量(proof masses)的位移。
[0009]需要成功地結(jié)合兩種上述趨勢的優(yōu)點來產(chǎn)生可靠、沖擊穩(wěn)健、多軸線的陀螺儀傳感器的設計。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]公開的系統(tǒng)和方法提供用于機電驅(qū)動系統(tǒng)，其允許驅(qū)動具有多個驅(qū)動質(zhì)量的三個單獨單軸線陀螺儀。
[0011]具體地，在本發(fā)明的不同實施例中，驅(qū)動系統(tǒng)的機械部件是基于一組旋轉(zhuǎn)接合部，該組旋轉(zhuǎn)接合部以這樣的方式分配驅(qū)動力，即，按照多個單軸線陀螺儀的需要來調(diào)整驅(qū)動運動的方向。
[0012]通過將三個單軸線沖擊穩(wěn)健的陀螺儀集成到單個硅基板內(nèi)，維持了每個陀螺儀的核心設計并且以此就沖擊穩(wěn)健而言的其性能，同時避免了典型地與設計防沖擊陀螺儀的多驅(qū)動控制系統(tǒng)相關聯(lián)的復雜性。
[0013]此處，已經(jīng)總得描述本發(fā)明的一些特征和優(yōu)勢；然而，基于附圖、說明書及其權(quán)利要求，此處展示的另外的特征、優(yōu)勢和實施例對本領域技術人員來說將變得顯而易見。因此，應理解本發(fā)明的范圍不受該
【發(fā)明內(nèi)容】
部分中所公開的具體實施例的限制。
【附圖說明】
[0014]將參照本發(fā)明的實施例，其實例將在附圖中示出。這些圖旨在示意性的，而非限制。盡管本發(fā)明總得在這些實施例的內(nèi)容中描述，應理解這并非旨在將本發(fā)明的范圍限制于這些具體實施例。
[0015]圖1是根據(jù)本發(fā)明的不同實施例的、由單個驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動的、處于三軸陀螺儀配置的沖擊穩(wěn)健的陀螺儀傳感器的示意系統(tǒng)。
[0016]圖2是根據(jù)本發(fā)明的不同實施例的、由單個驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動的、處于多軸線陀螺儀配置的沖擊穩(wěn)健的陀螺儀傳感器的另一示意系統(tǒng)。
[0017]圖3是根據(jù)本發(fā)明的不同實施例的、由單個驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動的、處于三軸陀螺儀配置的非沖擊穩(wěn)健的陀螺儀傳感器的示意系統(tǒng)。
[0018]圖4是用于根據(jù)本發(fā)明的不同實施例的、由單個驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動的、處于多軸線陀螺儀配置中的沖擊取消的示意過程的流程圖。
【具體實施方式】
[0019]在下面描述中，為了解釋的目的，列出了具體細節(jié)以便提供本發(fā)明的理解。然而，顯然對于本領域技術人員來說，可以實施本發(fā)明而無需這些細節(jié)。本領域技術人員將意識到如下描述的本發(fā)明的實施例可以以不同方式和使用不同裝置來執(zhí)行。本領域技術人員還將意識到本發(fā)明范圍內(nèi)的另外修改、應用和實施例如同本發(fā)明可以提供實用性的其它領域。因此，下面描述的實施例是本發(fā)明具體實施例的示意并且意在避免掩蓋本發(fā)明。
[0020]說明書中的引用“一個實施例”或“一實施例”是指關于該實施例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、特征或功能被包括在本發(fā)明的至少一個實施例中。說明書中不同地方出現(xiàn)的語句“在一個實施例中”或“在一實施例中”等并不必要指同一實施例。
[0021]另外，附圖中部件之間或方法之間的連接部并不限制于直接表現(xiàn)的連接部。而是，圖中所示的部件或方法步驟之間的連接部可以被修改或者通過增加中間部件或方法步驟被更改，而不偏離本發(fā)明的教導。在該文獻中，術語“接合部”和“旋轉(zhuǎn)結(jié)合部”是指本領域技術人員意識到的任何種類的鉸接部、樞轉(zhuǎn)裝置或耦合機械。
[0022]圖1是根據(jù)本發(fā)明的不同環(huán)境的、由單個驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動的、處于三軸陀螺儀中的沖擊穩(wěn)健的陀螺儀傳感器的示意系統(tǒng)。圖1中的系統(tǒng)在單個設備中結(jié)合了三個單軸陀螺儀180-184，以產(chǎn)生三軸陀螺儀100。陀螺儀184是Z-陀螺儀，而陀螺儀180和182是兩個相同的平面內(nèi)陀螺儀。如圖1中所示，平面內(nèi)陀螺儀180和182定向放置成相對于彼此橫跨Y-軸線195和在X-Y平面中成45度角的鏡像布置。
[0023]陀螺儀傳感器180-184利用科里奧利(Cor1lis)效應以確定何時將角速率應用于三軸陀螺儀100。應理解，陀螺儀傳感器180-184包括由科里奧利力移動的內(nèi)檢驗質(zhì)量。一般地，科里奧利力可被用來根據(jù)下列原理來測量角速率:
[0024]每個陀螺儀內(nèi)的電容式檢測電極將正交于相應驅(qū)動方向的檢測方向上的陀螺質(zhì)量的位移作為電容變化來測量，其是相應陀螺儀的旋轉(zhuǎn)的函數(shù)。例如，當響應于施加于三軸陀螺陀螺儀100的角速度科里奧利力作用在陀螺儀180時，與檢驗質(zhì)量相關聯(lián)的檢測電極將由科里奧利力誘導的位移轉(zhuǎn)換為電容變化，該電容變化與所施加的角速度成比例。典型地，ASIC處理陀螺儀傳感器信號，以便確定相對于傳感器環(huán)境的角速度，并且調(diào)整所需的頻率和振幅以維持致動器的諧振，此處為質(zhì)量102、104。
[0025]具體地，當三軸陀螺儀中的質(zhì)量被驅(qū)動來以一定速度沿正坐標系的第一軸線(例如，X-軸線192)移動并且暴露于關于第二軸線(例如，Z-軸線196)的角旋轉(zhuǎn)時，科里奧利效應典型地使檢驗質(zhì)量由科里奧利力沿第三方向(例如，Y-軸線194)位移，該科里奧利力與待測量的角速率直接成比例。使用MEMS技術，該該位移能被合適的電子器件探測，例如，通過施加電壓的電容傳感器構(gòu)件(典型的梳狀電極或板電極)來將位置上的變化(即電容或電壓上的變化)探測成測量角旋轉(zhuǎn)。
[0026]例如在圖1中，Z-陀螺儀184被沿Y-軸線194驅(qū)動并且對沿X-軸線196的偏移敏感，為了關于Z-軸線192的旋轉(zhuǎn)，即平面外。平面內(nèi)陀螺儀180被以相對于Y-軸線194成45度角驅(qū)動并且對沿Z-軸線196的偏移敏感，為了垂直于在X-Y平面中其驅(qū)動方向的旋轉(zhuǎn)。類似地，平面內(nèi)陀螺儀182被以相對于Y-軸線194成負45度角驅(qū)動并且對沿Z-軸線196的偏移敏感，為了垂直于在X-Y平面中其驅(qū)動方向的旋轉(zhuǎn)。
[0027]通過一組旋轉(zhuǎn)接合部120-164來促進該驅(qū)動方案，通過它們關于Z-軸線196的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生推-拉力，該推-拉力將在Y-軸線194上發(fā)生的驅(qū)動質(zhì)量102、104的平移運動傳遞至XY-平面中的每個單獨的陀螺儀180-184。換句話說，該組接合部120-164將驅(qū)動力分配至單獨的陀螺儀180-184。注意到，沒有控制質(zhì)量102、104與陀螺儀180-184之間相互作用的集成的機械系統(tǒng)，每個陀螺儀180-184會需要單獨的電控制回路。
[0028]在一個實施例中，用于陀螺儀180-184的機械激勵有利地通過包括驅(qū)動構(gòu)件(未顯示)的僅單個電系統(tǒng)來提供。該驅(qū)動構(gòu)件激勵驅(qū)動質(zhì)量102、104兩者進入沿空間軸線例如Y-軸線194的諧振。質(zhì)量102、104典型地通過電極(未顯示)靜電地致動，以便關于Y-軸線194振蕩并且將機械力輸送至單獨的陀螺儀180-184。這實質(zhì)上簡化了驅(qū)動和控制驅(qū)動質(zhì)量102、104的控制系統(tǒng)(未顯示)的設計。本領域技術人員將意識到質(zhì)量102、104能以任何適當?shù)亩ㄏ蚝蛶缀涡螤顏韺嵤?br>[0029]在圖1中的示例中，旋轉(zhuǎn)接合部110-164中的每個被耦合至任一質(zhì)量102、104、陀螺儀180-184或接合部120-164中的另一個并且圍繞其相應的中心錨定點170旋轉(zhuǎn)。一組接合部110-112和其對稱的配對物150-152將驅(qū)動質(zhì)量102、104的運動限制為同步和反相的。
[0030]具體地，當質(zhì)量102沿Y-軸線194在負方向上移動時，質(zhì)量104沿Y-軸線194在正方向上移動。該反相運動直接激勵Z-陀螺儀184。接合部120-124和160-164將驅(qū)動質(zhì)量102、104的運動轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬τ赬Y-平面中的Y-軸線194的以+/-45度的反相運動，以便分別激勵平面中的陀螺儀180和182。例如，當接合部120順時針旋轉(zhuǎn)時，旋轉(zhuǎn)運動被傳遞至接合部122和124，該接合部122和124于是分別逆時針和順時針旋轉(zhuǎn)。這產(chǎn)生了致動平面中的陀螺儀180的力172.
[0031]應理解，可以施加力的接合部12的位置的數(shù)量可以根據(jù)具體實施來調(diào)整。雖然在一些情況下這可以阻止使用沖擊穩(wěn)健的陀螺陀螺儀，其仍能使該陀螺儀在單驅(qū)動三軸陀螺儀配置中操作。還應理解，雖然陀螺儀180、1