CN102498365A - 对于正交误差和微机械加工不准确性具有降低的敏感性的惯性传感器 - Google Patents
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Abstract
对于正交误差和微机械加工不准确性的敏感性降低的惯性传感器包括结合用于感测围绕器件平面中的两条正交轴线(敏感性轴线)的旋转的、两个被专门地配置的单一轴线陀螺仪的陀螺仪，其中每一个单一轴线陀螺仪均包括具有被叉子相互连接的两个被以旋转方式颤动的梭子的共振器并且每一个梭子均被配置为沿着垂直于敏感性轴线的倾斜轴线向面外倾斜，并且包括沿着垂直于倾斜轴线(即，平行于敏感性轴线)的轴线定位的相应的科里奥利感测电极。该两个单一轴线陀螺仪可以被例如将叉子和/或梭子相互连接的一个或者多个同相或者反相耦合件相互连接。
Description
技术领域
本发明涉及微机械加工的惯性传感器，并且更加具体地涉及对于正交误差和微机械加工不准确性，诸如用于支撑共振器梭子(shuttle)的柔性件的侧壁角度非对称性，具有降低的敏感性的惯性传感器。
背景技术
微机械加工(MEMS)陀螺仪作为有用的商品已经变得成熟。一般而言，MEMS陀螺仪结合两个高性能MEMS器件，具体地在驱动轴线中的自调谐共振器和在感测轴线中的微型加速度传感器。陀螺仪性能除了别的以外对于诸如制造公差、封装误差、驱动、线性加速度和温度是非常敏感的。角速率感测陀螺仪的基本操作原理是熟知的并且在现有技术(例如，可在http://www.analog.com/library/analogDialogue/archives/37-03/gyro.html中获得的Geen，J.等人的New iMEMS Angular-Rate-Sensing Gyroscope，Analog Devices，Inc.，Analog Dialog 37-03(2003)，通过引用其整体合并于此)中进行了描述。
具有离散的块(mass)的振动感测角速率陀螺仪的原理早已被确立(见例如，Lyman，美国专利2309853和Lyman，美国专利2513340，其每一个通过引用其整体合并于此)。一般而言，振动速率陀螺仪通过振荡检测块(在这里还被称作“梭子”或者“共振器”)来工作。振荡是利用以共振频率施加到弹簧-块-阻尼系统的周期力而产生的。在共振下操作允许振荡幅度相对于所施加的力而言是大的。当陀螺仪旋转时，沿着垂直于被驱动的振荡和旋转这两者的方向在振荡中的检测块上产生科里奥利(Coriolis)加速度。科里奥利加速度的量值与振荡中的检测块的速率和旋转速率这两者成比例。能够通过感测检测块的偏转来测量所形成的科里奥利加速度。用于感测检测块的这种偏转的电和机械结构通常被称作加速度计。
关于微机械加工的陀螺仪而言更加引起麻烦的制造误差之一是在柔性件的蚀刻期间产生的侧壁角度的非对称性。这趋向于交叉耦合面内(X-Y轴线)和面外(Z轴线)运动。例如，在美国专利No.5635640、5869760、6837107、6505511、6122961和6877374中描述的类型的X-Y陀螺仪中，这种非对称性能够导致所谓的“正交”干扰信号，即科里奥利加速度计与共振器移位同相的运动，所述专利的每一个通过引用其整体合并于此。在典型的生产工艺中，这个交叉耦合一般地是大约1％。非常的生产措施能够将其降低为0.1％，但是在关于高蚀刻速度(并且因此低成本)而被优化的工艺中它能够高达5％。相反，低成本消费者级陀螺仪的全标度信号通常仅仅是0.001％，并且所要求的分辨率可能是1,000倍到10,000倍地小于全标度。因此，干扰信号是比较大的并且对于陀螺仪电子设备提出了几乎不可能的动态范围要求。如在其它公开中描述地，能够通过静态修整和使用适当电极的伺服而使得正交信号无效。然而，由于伴随高速大规模生产的公差，修整的稳定性要求和伺服的动态范围仍然是非常困难的电子设备约束。
带有面内(即围绕Z轴线)角振动的对称结构产生科里奥利诱发的面外倾斜(即，围绕X-Y轴线)。一般而言，由具有不良侧壁的柔性件产生的面外倾斜围绕垂直于柔性件的长尺寸的轴线。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种MEMS陀螺仪，该MEMS陀螺仪包括：被配置成感测围绕器件平面中的第一轴线(例如，x轴线)旋转的第一共振器，该第一共振器包括被多个第一悬挂柔性件悬挂并且被第一叉子(fork)相互连接的第一对梭子，该多个第一悬挂柔性件被配置为允许第一对梭子在器件平面中被以旋转地方式颤动并且围绕垂直于第一轴线的相应的倾斜轴线(例如，轴线y1和y2)向面外倾斜；被配置成感测围绕器件平面中垂直于第一轴线的第二轴线(例如，y轴线)旋转的第二共振器，该第二共振器包括被多个第二悬挂柔性件悬挂并且被第二叉子相互连接的第二对梭子，该多个第二悬挂柔性件被配置为允许第二对梭子在器件平面中被以旋转地方式颤动并且围绕垂直于第二轴线的倾斜轴线(例如，轴线x2)向面外倾斜；在第一对梭子下面并且沿着平行于第一轴线的轴线(例如，轴线x1)定位以感测第一对梭子围绕它们各自的倾斜轴线(例如，轴线y1和y2)的倾斜的第一组科里奥利感测电极；和在第二对梭子下面并且沿着第一共振器倾斜轴线(例如，轴线y1和y2)定位以感测第二对梭子围绕它们的倾斜轴线(例如，轴线x2)的倾斜的第二组科里奥利感测电极。
在各种替代实施例中，第一和第二共振器可以相互同相地操作或者可以相互反相地操作。悬挂柔性件可以包括至少一个细长构件和至少一个较短构件，并且每一个梭子的悬挂柔性件均可以被布置为使得细长构件平行于梭子的倾斜轴线。每一个梭子均可以在它的外周边内例如被两个悬挂柔性件和中心锚悬挂。或者，每一个梭子均可以在它的外周边外侧例如被四个悬挂柔性件悬挂。第一和第二叉子可以是基本相同的或者可以被不同地配置(例如，第一叉子可以是闭环叉子并且第二叉子可以是分裂叉子)。第一和第二共振器可以被一个或者多个耦合件机械耦合(例如，经由叉子或者经由相邻梭子)从而共振器以锁相方式操作。例如，共振器可以相互同相地操作，并且耦合件可以是同相耦合件，诸如细长杆，该细长杆不顺从于器件平面中的弯曲从而耦合沿着它的长度的平移并且顺从于面外的弯曲从而每一个共振器的倾斜运动并不有效地耦合到其它的之中(例如，悬挂柔性件围绕倾斜轴线的扭转刚度与杆耦合件和叉子的角刚度的比率在大约100到1000之间)。或者，共振器可以相互反相地操作，并且耦合件可以是反相耦合件。该陀螺仪还可以包括：被配置成以旋转方式颤动梭子的多个驱动器、被配置成感测梭子的旋转颤动运动的多个速度感测电极、在梭子下面的多个同相调节电极，和/或在梭子下面的多个正交调节电极。
根据本发明的另一个方面，提供一种MEMS陀螺仪，该MEMS陀螺仪包括：被配置成感测围绕器件平面中的敏感性轴线旋转的共振器梭子，和被配置为允许梭子在器件平面中被以旋转方式颤动并且围绕垂直于敏感性轴线的倾斜轴线向面外倾斜的一组悬挂柔性件，其中悬挂柔性件包括至少一个细长构件和至少一个较短构件，并且其中悬挂柔性件被布置为使得细长构件平行于倾斜轴线。
该陀螺仪还可以包括在梭子下面并且沿着垂直于倾斜轴线的轴线定位以感测梭子围绕倾斜轴线的倾斜的一组科里奥利感测电极。
根据本发明的另一个方面，提供一种MEMS陀螺仪，该MEMS陀螺仪包括被配置成在器件平面中共振并且感测围绕器件平面中的第一轴线的旋转的第一共振器；被配置成在器件平面中共振并且感测在器件平面中围绕垂直于第一轴线的第二轴线的旋转的第二共振器；和将第一和第二共振器相互连接的至少一个耦合件，该至少一个耦合件被配置为锁定第一和第二共振器的共振并且基本上防止每一个共振器的面外运动转移到另一个共振器。
每一个共振器均可以包括被叉子相互连接的两个梭子，并且该至少一个耦合件可以将叉子相互连接。或者，每一个共振器均可以包括被叉子相互连接的两个梭子，并且该至少一个耦合件可以包括连接第一共振器的第一梭子和第二共振器的第一梭子的第一耦合件以及连接第一共振器的第二梭子和第二共振器的第二梭子的第二耦合件。共振器可以相互同相地操作，并且耦合件可以是同相耦合件，诸如细长杆，该细长杆不顺从于器件平面中的弯曲从而耦合沿着它的长度的平移并且顺从于面外的弯曲从而每一个共振器的倾斜运动并不有效地耦合到其它的之中(例如，悬挂柔性件围绕倾斜轴线的扭转刚度与杆耦合件和叉子的角刚度的比率在大约100到1000之间)。或者，共振器可以相互反相地操作，并且耦合件可以是反相耦合件。
附图简要说明
根据下文参考附图对其的进一步说明，本发明前述内容和优点将更加地显而易见，在附图中：
图1是示出根据本发明的示例性实施例的X-Y轴线陀螺仪的示意图；
图2是示出根据本发明的示例性实施例的、带有被杆相互连接的叉子103和107的、图1的陀螺仪的示意图；
图3是示出根据本发明的示例性实施例的、具有图2所示类型并且具有第一柔性件布置的示例性陀螺仪的示意图；
图4是示出根据本发明的示例性实施例的、具有图2所示类型并且具有第二柔性件布置的示例性陀螺仪的示意图；
图5是示出根据本发明的示例性实施例的、其中梭子为基本正方形的替代实施例的示意图；并且
图6是示出根据本发明的一个示例性实施例的反相耦合件的示意图，其中图6A详细地示出反相耦合件并且图6B示出被连接到陀螺仪叉子的反相耦合件；
图7是示出根据本发明另一示例性实施例的反相耦合件的示意图，其中图7A详细地示出反相耦合件并且图7B示出被连接到陀螺仪叉子的反相耦合件；并且
图8是示出根据本发明的示例性实施例的、每一对相邻的梭子均被耦合件相互连接的陀螺仪的示意图。
应该指出，前面的图和在其中描绘的元件并不必按照一致的比例或者按照任何比例绘制。除非上下文另有说明，否则相同的元件由相同的标号指示。
具体实施方式
定义。如在本说明书和所附权利要求中使用地，以下术语将具有所示意的含义，除非上下文另有要求：
“组”包括一个或者多个构件。
在本发明的示例性实施例中，X-Y轴线陀螺仪包含两个特别配置的单一轴线陀螺仪以感测围绕器件平面中的两条正交轴线(敏感性轴线)的旋转。每一个单一轴线陀螺仪均包括具有被耦合件(在下文中为了方便起见被称作“叉子”)相互连接的两个旋转颤动的梭子的共振器，其中每一个梭子均被配置为沿着垂直于敏感性轴线的倾斜轴线向面外倾斜并且包括沿着垂直于倾斜轴线(即，平行于敏感性轴线)的轴线定位的对应的科里奥利感测电极。除了别的以外，这种配置趋向于将每一个单一轴线陀螺仪的敏感性降低为梭子沿着倾斜轴线的面外运动。
进而，在某些实施例中，支撑每一个梭子的悬挂柔性件被配置为使得制造误差、特别是侧壁角度非对称性基本上被去除。因此，并非试图改进侧壁角度质量，陀螺仪的配置减小了这种制造误差对于陀螺仪性能的影响。结果，使用仅MEMS工艺以更高的生产能力和产量生产低成本陀螺仪可以变得经济上更加可行，其中仅MEMS工艺与其它微机械加工工艺相比通常具有较差的微机械加工准确度并且因此通常不被视为能够生产陀螺仪的工艺。
在某些实施例中，两个单一轴线陀螺仪的马达运动可以被耦合以产生单一共振频率。如在下面更加详细描述地，两个单一轴线陀螺仪可以被一个或者多个耦合件相互连接从而或者相互同相地或者相互反相地操作。为了方便起见，用于同相操作的耦合件可以在下文中被称作“同相耦合件”，并且用于反相操作的耦合件可以在下文中被称作“反相耦合件”。在某些实施例中，该两个叉子可以被耦合件相互连接，并且在某些其它实施例中，相邻的梭子对可以被耦合件相互连接。在任何情形中，耦合件均通常被配置为锁定陀螺仪的马达运动，而不在彼此间转移面外(例如，正交)运动。
图1是根据本发明的示例性实施例的X-Y轴线陀螺仪100的示意图。这个振动陀螺仪根据Geen的美国专利No.5635640中公开的原理来操作，该专利通过引用其整体而合并于此。具体地，这个振动陀螺仪包括在具有各种衬底层结构的底层衬底上定向的器件层(平面)中的各种微机械加工的陀螺仪结构。为了方便起见，在下面参考器件平面中被标为“x”和“y”的轴线以及垂直于x-y平面的“z”轴线描述有关的陀螺仪结构，“x”和“y”轴线示意地代表围绕其感测科里奥利加速度的轴线(即，陀螺仪感测轴线)。
如在图1中所示，这个示例性陀螺仪100包括两个共振器，每一个共振器均包括被耦合件(在下文中被称作叉子)相互连接的两个旋转颤动的块(在下文中被称作梭子)，除了别的以外，该耦合件确保梭子在器件平面内基本上相互反相地共振。具体地，共振器101包括被叉子103相互连接的梭子102和104，并且共振器105包括被叉子107相互连接的梭子106和108。梭子102和104以沿着平行于x轴线的轴线x1为中心，并且梭子106和108以沿着平行于x轴线的轴线x2为中心。梭子102和106以沿着平行于y轴线的轴线y1为中心，并且梭子104和108以沿着平行于y轴线的轴线y2为中心。梭子102和104分别围绕标为A和B的z向轴线旋转地颤动，并且梭子106和108分别围绕标为C和D的z向轴线旋转地颤动。一般而言，这种被相互连接的梭子对避免了对于高成本的安装隔离的需要，因为，除了别的以外，马达振动惯量趋向于被局部消除从而减小共振器对于安装损耗的敏感性，并且加速度计的反对称性趋向于减小它们对于诸如外部加速度、处于马达频率的外部振动和管芯应力(die-stress)的敏感性。如在下面更加详细地讨论的，当梭子正在共振时，主要地由陀螺仪围绕x和/或y轴线旋转时的科里奥利力引起的梭子的面外运动由在底层衬底上布置的各种科里奥利感测电极感测。
进而，在示例性陀螺仪100中，一个共振器被配置为仅仅感测围绕x轴线的旋转并且另一个共振器被配置为仅仅感测围绕y轴线的旋转。具体地，共振器101被配置为仅仅感测围绕x轴线的旋转，其中梭子102和104被悬挂从而仅仅分别地沿着轴线y1和y2倾斜(由分别地沿着y1和y2轴线在梭子102和104内描绘的竖直短划线表示)，并且科里奥利感测电极(109、110)和(111、112)基本沿着垂直轴线x1被放置在梭子102和104下面。科里奥利感测电极109和112基本相互同相地操作，而科里奥利感测电极110和111基本相互同相地但是与科里奥利感测电极109和112反相地操作(即，当梭子102和104朝向科里奥利感测电极109和112倾斜时，它们远离科里奥利感测电极110和111地倾斜，并且反之亦然)。类似地，共振器105被配置为仅仅感测围绕y轴线的旋转，其中梭子106和108被悬挂从而仅仅沿着轴线x2倾斜(由沿着x2轴线在梭子106和108内描绘的水平短划线表示)，并且科里奥利感测电极(113、114)和(115、116)基本分别沿着垂直的y1和y2轴线被放置在梭子106和108下面。科里奥利感测电极113和116基本相互同相地操作，而科里奥利感测电极114和115基本相互同相地但是与科里奥利感测电极113和116反相地操作(即，当梭子106和108朝向科里奥利感测电极113和116倾斜时，它们远离科里奥利感测电极114和115地倾斜，并且反之亦然)。如在下面更加详细地讨论的，科里奥利感测电极的这种安置使得它们对于围绕梭子的倾斜轴线的倾斜敏感而对于围绕垂直于梭子的倾斜轴线的轴线的倾斜不敏感。
陀螺仪100通常包括各种其它类型的结构(为了简洁起见，在图1中没有示出)诸如用于驱动梭子共振的驱动电极、用于感测梭子共振的速度感测电极，和用于为各种类型的误差源提供补偿信号的正交和同相补偿电极。在典型的实施例中，这些电极与对应的共振器结构静电耦合，但是可以在各种替代实施例中使用其它类型的结构(例如，压电驱动器/传感器)。这些类型的结构以及相关电路在本技术领域中是已知的。
在一个典型的实施例中，该两个共振器相互同相地操作，从而梭子102和106相互同相地共振并且梭子104和108相互同相地但是与梭子102和106反相地共振。因此，当梭子102和106沿着顺时针方向移动时，梭子104和108沿着逆时针方向移动，并且反之亦然。在这个模式中，叉子103和107沿着y轴线相互同相地移动。
期望使所有的共振器梭子以锁相方式操作。除了别的以外，锁相操作通常简化了驱动电子设备，由此节约成本并降低复杂度。它还趋向于避免由于时钟沿和拍频的相对漂移引起的干扰问题。而且，当使用高Q共振器时，允许Q被更加充分地利用。
因此，在本发明的某些实施例中，叉子103和107被简单的同相耦合件(在下文中被称作杆)相互连接，该同相耦合件有效地将共振器101和105的同相马达共振锁定在一起，而去除了彼此之间的正交运动的转移。这个杆沿着它的长度是硬的，密切地耦合沿着该长度方向的叉子平移并且由此将马达运动锁定在一起。然而，因为是比较长切细，所以它顺从于面外弯曲从而一对的倾斜运动并不有效地耦合到另一对之中。粗略地说，正交衰减是科里奥利加速度计的扭转刚度与杆耦合件和叉子的角刚度的比率。在示例性实施例中，在不折衷其它设计约束的情况下，该比率可以在大约100和1000之间。因此，有效的正交能够被降低为例如科里奥利全标度的10倍的量级，那么这可以适合于更简单的电子设备。
图2是示出根据本发明的示例性实施例的、具有被杆202相互连接的叉子103和107的图1的陀螺仪的示意图。在稳定状态中，杆202机械耦合共振器101和105从而它们基本在单一共振频率下同相地操作。然而，当共振器101和/或共振器105的梭子由于科里奥利作用力或者其它原因而向面外倾斜时，杆202向面外弯曲从而基本上防止一个共振器的倾斜运动耦合到另一个共振器之中。
如以上讨论地，由具有不良侧壁的柔性件产生的面外倾斜通常是围绕垂直于柔性件的长尺寸的轴线的。为了防止这种制造误差破坏科里奥利信号，在本发明的某些实施例中，与每一个梭子相关联的梭子柔性件均被配置为使得柔性件的长尺寸平行于梭子的倾斜轴线，从而所形成的面外倾斜通常将是围绕垂直于梭子的倾斜轴线的轴线。因为与每一个梭子相关联的科里奥利感测电极均被定位为使得它们基本上对于围绕垂直于倾斜轴线的轴线的倾斜不敏感，所以这种梭子柔性件配置趋向于去除由柔性件的侧壁角度非对称性诱发的运动(即，围绕垂直于柔性件的长尺寸的轴线，该轴线还垂直于倾斜轴线)，并且由此趋向于减轻电子设备约束、降低成本并且改进陀螺仪性能。
因此，并非试图通过例如改进柔性件侧壁的质量(例如通过使用不同的材料、不同类型的蚀刻和/或另外的制造工艺)来解决不良柔性件侧壁的问题，本发明的实施例基本上通过降低了陀螺仪对于这种制造误差的敏感性的机械设计而使得陀螺仪对于这种制造误差免疫。
图3是示出根据本发明的示例性实施例的、具有图2所示类型并且具有第一柔性件布置的示例性陀螺仪的示意图。这里，每一个梭子均被沿着梭子倾斜轴线定位的中心锚302和一对柔性件304支撑。如以上讨论的，用于每一个梭子的柔性件304的长尺寸平行于梭子的倾斜轴线。具体地，与梭子102和104相关联的梭子柔性件304的长尺寸平行于y轴线，而与梭子106和108相关联的梭子柔性件304的长尺寸平行于x轴线。该陀螺仪还包括各种其它类型的结构，诸如用于每一个梭子的四组驱动电极306、用于每一个梭子的两组速度感测电极308、用于每一个梭子的四组正交补偿电极310(其中每一组均包括位于科里奥利感测电极的相对侧上的一对电极)、在每一个梭子上的三个平衡块312，和防止由于梭子过度旋转而引起损坏的用于每一个梭子的三组止挡件314。为了简洁起见，在图中没有标出所有的各种结构。
图4是示出根据本发明的示例性实施例的、具有图2所示类型并且具有第二柔性件布置的示例性陀螺仪的示意图。这里，每一个梭子均被四个外部柔性件404支撑。如以上讨论地，用于每一个梭子的梭子柔性件404的长尺寸平行于梭子的倾斜轴线。具体地，与梭子102和104相关联的梭子柔性件404的长尺寸平行于y轴线，而与梭子106和108相关联的梭子柔性件404的长尺寸平行于x轴线。在这个示例性实施例中，叉子103和107被不同地配置从而适合不同类型的共振器101和105的运动。具体地，叉子103被示为具有闭环配置，而叉子107被示为具有分裂配置。叉子103的闭环配置能够适合梭子102和104共振时它们的面内反相运动和梭子102和104沿着y1和y2轴线倾斜时叉子103的面外(即，上下)运动这两者。这种闭环配置将趋向于阻碍梭子106和108的操作，梭子106和108基本在扭曲运动中围绕x2轴线沿着相反方向倾斜。叉子107的分裂配置适合这个扭曲运动同时在面内中沿着纵向也是刚性的。
应该指出，旋转颤动的梭子102、104、106、108并不必必须是圆形的。图5是示出替代实施例的示意图，其中梭子是基本正方形的。这种陀螺仪配置将基本上如以上参考图2和3描述的那一个那样操作，但是在某些方面可能便于微机械加工，因为微机械加工设施(例如，蚀刻设施)经常基于直线栅格产生蚀刻，并且从而通常可以更加一致地并且以更直的边缘产生与栅格对准或者与之成45度角度的结构。在一个典型实施例中，某些沿着径向定向的梳状结构将被用作驱动电极，而其它的将被用于速度感测。这个实施例示出该两个叉子被杆相互连接以耦合两个共振器的同相操作，但是应该指出，可以从如上参考图1所述的某些实施例中将杆省略。
在上述实施例中，图1的共振器101和105相互同相地操作。在某些替代实施例中，图1所示的陀螺仪的共振器101和105可以以类似于“互正交(cross-quad)”配置(美国专利7421897描述了一种示例性“互正交”陀螺仪，该陀螺仪具有在外部框架内悬挂的线性颤动的块，该外部框架被各种水平和竖直耦合件机械耦合，该专利通过能够其整体而合并于此)的方式相互反相地操作，从而梭子102和108相互同相地共振，并且梭子104和106相互同相地并且与梭子102和108反相地共振。因此，当梭子102和108沿着顺时针方向移动时，梭子104和106沿着逆时针方向移动，并且反之亦然。在这个模式中，叉子103和107相互反相地移动。
为了将用于这种反相操作的共振器锁相，叉子103和107可以被机械耦合以获得单一共振频率，但是耦合件通常地将不是如图2中描绘的简单杆，因为杆将趋向于抵制叉子的反相运动并且因此将趋向于防止共振器共振。相反，能够使用使得能够实现叉子沿着y轴线的反相运动但是防止同相运动的反相耦合件来耦合叉子。这种反相耦合件通常将比简单杆更加复杂。
图6是示出根据本发明的一个示例性实施例的反相耦合件600的示意图。如在图6A中所示，这个反相耦合件600包括带有四个侧柔性件606、608、609和610的盒状结构。柔性件606基本在它的中点处被杆670耦合到叉子107，而柔性件610基本在它的中点处被杆630耦合到叉子103。柔性件606由两个哑铃形支撑结构604支撑，每一个支撑结构均具有两个被锚定的柔性件602。被锚定的柔性件604接触柔性件606的点用作枢轴点，从而当杆670被向下拉拽时，柔性件608、609和610趋向于向上移动，并且反之亦然。图6B示意性示出被连接到陀螺仪叉子103和107的反相耦合件600。
图7是示出根据本发明另一示例性实施例的反相耦合件700的示意图。如在图7A中所示，这个反相耦合件700包括跷跷板状结构，其中柔性件706基本在它的中点处被具有两个被锚定的柔性件702的哑铃形支撑结构704支撑。被锚定的结构704接触柔性件706的点用作枢轴点，从而当杆770被向下拉拽时，杆730趋向于向上移动，并且反之亦然。图7B示意性示出被连接到陀螺仪叉子103和107的反相耦合件700。在这个示例性实施例中，梭子106和108从轴线y1和y2偏移以适合反相耦合件700的几何形状。
美国专利7421897中描述了另一个示例性反相耦合件，该专利通过引用其整体而合并于此。这个反相耦合件包括：将连接到叉子之一的第一对相互连接的杠杆，该第一对杠杆包括第一杠杆和第二杠杆；将连接到另一个叉子的第二对相互连接的杠杆，该第二对杠杆包括第三杠杆和第四杠杆；允许杠杆当叉子相互反相地移动时枢转的多个杠杆支撑结构；基本在第一杠杆和第三杠杆各自的枢轴点之间将它们相互连接的第一耦合柔性件；和基本在第二杠杆和第四杠杆各自的枢轴点之间将它们相互连接的第二耦合柔性件。耦合柔性件基本防止框架的同相运动。每一个耦合柔性件的两端均通常在叉子的反相运动期间以基本相同的量沿着相同方向横向于叉子的运动移动但是被激励为在叉子的同相运动期间沿着相反方向移动。
应该指出，主要由于两个杆通过其而被相互连接的锚定的支撑结构，上述类型的反相耦合件趋向于在两个叉子之间提供另外的正交隔离。
在某些实施例中，并非如以上讨论地利用单一的同相或者反相耦合件将叉子103和107相互连接，该两个共振器可以被两个同相或者反相耦合件相互连接，每一对相邻的梭子使用一个耦合件。
图8是示出根据本发明的示例性实施例的陀螺仪的示意图，其中每一对相邻的梭子均被耦合件相互连接。具体地，梭子102和106被耦合件802相互连接，并且梭子104和108被耦合件803相互连接。这里，每一个耦合件802和803均经由两个小的柔性件连接到它相应的梭子的平衡块312，但是可以在梭子之间形成其它类型的连接(例如，带有或者不带这种柔性件的耦合件可以连接到平衡块或者直接连接到梭子的外侧)。除了别的以外，两个短的柔性件有助于隔离梭子的面外运动并且还将耦合件定位到止挡件314(在图3中示出，但是为了方便起见从图8省略)的外侧。为了共振器的同相操作，耦合件802和803可以是类似于以上例如参考图2-5所描述的那些的同相耦合件，并且为了共振器的反相操作，耦合件802和803可以是类似于以上例如参考图6-7所描述的那些的反相耦合件。应该指出，替代的实施例可以包括耦合件802和803中的恰好一个，该一个耦合件可以足以耦合该两个共振器的驱动运动，但是为了平衡通常地将包括两个耦合件。
在不偏离本发明的真正范围的情况下，本发明可以被以其它特定形式体现。对于“本发明”的任何参考均旨在参考本发明的示例性实施例而不应该被理解成参考本发明的所有实施例，除非上下文另有要求。所描述的实施例在所有的方面均将被视为仅仅是示意性的而非限制性的。
Claims (27)
1.一种MEMS陀螺仪，包括：
第一共振器，所述第一共振器被配置成感测围绕器件平面中的第一轴线(例如，x轴线)的旋转，所述第一共振器包括被多个第一悬挂柔性件悬挂并且被第一叉子相互连接的第一对梭子，所述多个第一悬挂柔性件被配置为允许所述第一对梭子在所述器件平面中被旋转地颤动并且围绕垂直于所述第一轴线的相应的倾斜轴线(例如，轴线y1和y2)向面外倾斜；
第二共振器，所述第二共振器被配置成感测围绕所述器件平面中垂直于所述第一轴线的第二轴线(例如，y轴线)的旋转，所述第二共振器包括被多个第二悬挂柔性件悬挂并且被第二叉子相互连接的第二对梭子，所述多个第二悬挂柔性件被配置为允许所述第二对梭子在所述器件平面中被旋转地颤动并且围绕垂直于所述第二轴线的倾斜轴线(例如，轴线x2)向面外倾斜；
第一组科里奥利感测电极，所述第一组科里奥利感测电极在所述第一对梭子下面并且沿着平行于所述第一轴线的轴线(例如，轴线x1)定位以感测所述第一对梭子围绕它们各自的倾斜轴线(例如，轴线y1和y2)的倾斜；和
第二组科里奥利感测电极，所述第二组科里奥利感测电极在所述第二对梭子下面并且沿着所述第一共振器倾斜轴线(例如，轴线y1和y2)定位以感测所述第二对梭子围绕它们的倾斜轴线(例如，轴线x2)的倾斜。
2.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪，其中所述第一共振器和所述第二共振器相互同相地操作。
3.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪，其中所述第一共振器和所述第二共振器相互反相地操作。
4.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪，其中所述悬挂柔性件包括至少一个细长构件和至少一个较短构件，并且其中每一个梭子的悬挂柔性件均被布置为使得所述细长构件平行于所述梭子的倾斜轴线。
5.根据权利要求4所述的MEMS陀螺仪，其中每一个梭子均被悬挂在它的外周边内。
6.根据权利要求5所述的MEMS陀螺仪，其中每一个梭子均被两个悬挂柔性件和中心锚悬挂。
7.根据权利要求4所述的MEMS陀螺仪，其中每一个梭子均被悬挂在它的外周边外侧。
8.根据权利要求7所述的MEMS陀螺仪，其中每一个梭子均被四个悬挂柔性件悬挂。
9.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪，其中所述第一叉子和所述第二叉子是基本相同的。
10.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪，其中所述第一叉子和所述第二叉子是不同的。
11.根据权利要求10所述的MEMS陀螺仪，其中所述第一叉子是闭环叉子并且其中所述第二叉子是分裂叉子。
12.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪，进一步包括：
将所述第一和第二共振器相互连接从而所述共振器以锁相方式操作的至少一个耦合件。
13.根据权利要求12所述的MEMS陀螺仪，其中所述共振器相互同相地操作，并且其中所述至少一个耦合件是同相耦合件。
14.根据权利要求13所述的MEMS陀螺仪，其中所述同相耦合件包括细长杆，所述细长杆不顺从于在所述器件平面中的弯曲从而耦合沿着它的长度的平移，并且顺从于面外的弯曲使得每一个共振器的倾斜运动并不有效地耦合到其它的之中。
15.根据权利要求14所述的MEMS陀螺仪，其中所述悬挂柔性件围绕所述倾斜轴线的扭转刚度与所述杆耦合件和所述叉子的角刚度的比率在大约100到1000之间。
16.根据权利要求12所述的MEMS陀螺仪，其中所述共振器相互反相地操作，并且其中所述至少一个耦合件是反相耦合件。
17.根据权利要求12所述的MEMS陀螺仪，其中所述至少一个耦合件包括连接所述第一叉子和所述第二叉子的耦合件。
18.根据权利要求12所述的MEMS陀螺仪，其中所述至少一个耦合件包括：
连接所述第一共振器的第一梭子和所述第二共振器的第一梭子的第一耦合件；和
连接所述第一共振器的第二梭子和所述第二共振器的第二梭子的第二耦合件。
19.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪，进一步包括以下的至少一种：
被配置成旋转地颤动所述梭子的多个驱动器；
被配置成感测所述梭子的旋转颤动运动的多个速度感测电极；
在所述梭子下面的多个同相调节电极；和
在所述梭子下面的多个正交调节电极。
20.一种MEMS陀螺仪，包括：
共振器梭子，所述共振器梭子被配置成感测围绕器件平面中的敏感性轴线的旋转；和
一组悬挂柔性件，所述一组悬挂柔性件被配置为允许所述梭子在所述器件平面中被旋转地颤动并且围绕垂直于所述敏感性轴线的倾斜轴线向面外倾斜，其中所述悬挂柔性件包括至少一个细长构件和至少一个较短构件，并且其中所述悬挂柔性件被布置为使得所述细长构件平行于所述倾斜轴线。
21.根据权利要求20所述的MEMS陀螺仪，进一步包括：
一组科里奥利感测电极，所述一组科里奥利感测电极在所述梭子下面并且沿着垂直于所述倾斜轴线的轴线定位以感测所述梭子围绕所述倾斜轴线的倾斜。
22.一种MEMS陀螺仪，包括：
第一共振器，所述第一共振器被配置成在器件平面中共振并且感测围绕所述器件平面中的第一轴线的旋转；
第二共振器，所述第二共振器被配置成在所述器件平面中共振并且感测在所述器件平面中围绕垂直于所述第一轴线的第二轴线的旋转；和
将所述第一和第二共振器相互连接的至少一个耦合件，所述至少一个耦合件被配置为锁定所述第一和第二共振器的共振并且基本上防止每一个共振器的面外运动转移到另一个共振器。
23.根据权利要求22所述的MEMS陀螺仪，其中每一个共振器均包括被叉子相互连接的两个梭子，并且其中所述至少一个耦合件将所述叉子相互连接。
24.根据权利要求22所述的MEMS陀螺仪，其中每一个共振器均包括被叉子相互连接的两个梭子，并且其中所述至少一个耦合件包括：
连接所述第一共振器的第一梭子和所述第二共振器的第一梭子的第一耦合件；和
连接所述第一共振器的第二梭子和所述第二共振器的第二梭子的第二耦合件。
25.根据权利要求22所述的MEMS陀螺仪，其中所述共振器相互同相地操作，并且其中所述至少一个耦合件是同相耦合件。
26.根据权利要求25所述的MEMS陀螺仪，其中所述同相耦合件包括细长杆，所述细长杆不顺从于所述器件平面中的弯曲从而耦合沿着它的长度的平移，并且顺从于面外的弯曲从而每一个共振器的倾斜运动并不有效地耦合到其它的之中。
27.根据权利要求22所述的MEMS陀螺仪，其中所述共振器相互反相地操作，并且其中所述耦合件是反相耦合件。
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| CB02 | Change of applicant information |
Address after: Massachusetts, USA Applicant after: ANALOG DEVICES, Inc. Address before: Massachusetts, USA Applicant before: ANALOG DEVICES, Inc. |
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Free format text: CORRECT: APPLICANT; FROM: ANALOG DEVICES INC. TO: AMERICA ANALOG DEVICE INC. |
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Granted publication date: 20160106 |