CN103226017B - 耐振动的x轴环形陀螺仪换能器 - Google Patents

Abstract

提供耐振动的X轴环形陀螺仪换能器。一种微机电系统（MEMS）换能器（100、700）适用于使用横轴振动来响应于换能器绕旋转轴（170、770）的旋转运动在一对跷跷板感测质体结构（120/140、720/730）中生成非平面振荡，感测电极被连接以将来自该对感测质体结构的拾取信号（例如，102/107、802/807）对角地相加以抵销与旋转振动相关联的信号。

Description

耐振动的X轴环形陀螺仪换能器

技术领域

本发明总体上涉及微机电系统（MEMS）领域。在一方面中，本发明涉及MEMS惯性传感器器件及其操作方法。

背景技术

微机电系统技术逐渐用于使用常规批量半导体加工技术将机械元件、传感器、致动器以及电子器件集成到非常小的机械结构上。例如，惯性传感器可以用MEMS器件形成在集成电路晶片衬底上以形成各种应用，诸如用于检测角速度的MEMS陀螺仪。然而，常规MEMS陀螺仪有由各种设计和制造缺陷引起的性能限制。

因此，需要一种解决本领域各种问题的改进的MEMS陀螺仪装置、系统以及操作方法，其中在参照下面的附图和详细说明阅读本申请的剩余部分之后，常规方案和技术的各种限制和缺点将对本领域技术人员变得明显，但是应理解，本背景技术部分的描述不旨在用于承认所描述的主题是现有技术。

发明内容

示范性实施例提供一种MEMS传感器，包括：衬底；第一和第二电极对，关于中心线轴定位；以及第一和第二陀螺仪传感器，沿所述中心线轴设置且以间隔开的关系定位在所述衬底的表面之上，所述第一和第二陀螺仪传感器包括分别位于所述第一和第二电极对之上的第一和第二感测质体元件，其中，所述第一和第二感测质体元件适用于响应于所述传感器绕所述中心线轴的旋转加速度绕所述中心线轴一起同相地同步振荡，且适用于响应于所述传感器绕所述中心线轴的旋转速度绕所述中心线轴彼此逆相地同步振荡。

示范性实施例还提供一种传感器，包括：衬底；第一和第二电极对，关于中心线轴对称地定位；以及第一和第二对称质体换能器，沿所述中心线轴并排对称设置且配置为用于彼此相反的同步面内振荡，其中，所述第一和第二对称质体换能器适用于响应于所述传感器绕所述中心线轴的旋转运动关于所述中心线轴的共旋运动，且适用于响应于绕所述中心线轴的旋转加速力关于所述中心线轴的相反旋转运动。

示范性实施例还提供一种感测横轴传感器绕旋转感测轴的旋转运动的方法，包括：赋予沿所述旋转感测轴并排对称设置的第一和第二对称质体换能器同步面内振荡运动从而所述第一和第二对称质体换能器彼此相反地振荡；使用位于所述第一和第二对称质体换能器下面且关于旋转感测轴对称地定位的第一和第二电极对测量所述横轴传感器绕所述旋转感测轴的旋转运动，其中所述第一和第二对称质体换能器适用于响应于所述传感器绕所述旋转感测轴的旋转运动关于所述旋转感测轴的共旋运动，且适用于响应于绕所述旋转感测轴的旋转加速力关于所述旋转感测轴的相反旋转运动。

附图说明

当结合幅图考虑以下详细说明时，可以理解本发明及其诸多目的、特征和所获得的优点，附图中：

图1绘示了用于感测绕旋转轴的旋转加速度的跷跷板型振动陀螺仪的示意性简化侧视图；

图2绘示了驱动质体谐振频率、与振动噪声相关联的注入角加速度以及换能器速率输出信号的信号波形；

图3示出根据选定实施例的使用一对同步谐振陀螺仪结构的横轴MEMS陀螺仪传感器的平面图；

图4绘示了图3所示的横轴MEMS陀螺仪传感器的透视图；

图5绘示了在存在旋转时在一对同步谐振陀螺仪结构处测量的科里奥利力以及所产生的换能器速率输出信号的信号波形；

图6绘示了在存在旋转加速度时在一对同步谐振陀螺仪结构处测量的加速力以及所产生的换能器速率输出信号的信号波形；

图7示出根据选定实施例的使用一对同步谐振陀螺仪环形结构的横轴MEMS陀螺仪传感器的平面图；

图8绘示了图7所示的横轴MEMS陀螺仪传感器的透视图；

图9绘示了在存在旋转时在一对同步谐振陀螺仪环形结构处测量的科里奥利力以及所生成的换能器速率输出信号的信号波形；以及

图10绘示了在存在旋转加速度时在一对同步谐振陀螺仪环形结构处测量的加速力以及所产生的换能器速率输出信号的信号波形。

具体实施方式

描述了横轴陀螺仪传感器和相关联的操作方法，其中一对对称的质体换能器被配置为彼此相反地同步振动以抵销或减小所检测到的旋转加速力或振动力，从而提供耐振动的感测。根据振动质体换能器的形状，该对对称的质体换能器能从所检测到的科里奥利力测量旋转速率，同时实现对注入振动转矩的补偿以使传感器设计对于边界条件的变化而言是健壮的。在选定实施例中，陀螺仪传感器包括一对对称设计且同步的陀螺仪结构，每个结构包括带有相反驱动元件的感测元件。对于包括通过扭转弹簧锚定到衬底且经由线性弹簧连接到一对相反驱动质体的四边形感测质体的每个陀螺仪结构，第一陀螺仪结构中的该对相反驱动质体被谐振但与第二陀螺仪结构中的相反驱动质体反相位地驱动。采用该布置，在该对对称设计的陀螺仪结构处测量的任何旋转加速力（例如，源自振动）被抵销或抑制。在其它实施例中，陀螺仪传感器包括一对对称设计的陀螺仪环形结构，所述陀螺仪环形结构通过扭转弹簧锚定到衬底并且连接到公共驱动质体，公共驱动质体使陀螺仪环形结构以相反的旋转动作振动从而在该对对称设计的陀螺仪环形结构处测量的任何旋转加速力（例如，源自振动）被抵销或抑制。

现在将参照附图详细描述本发明的各种示范性实施例，附图示出横轴陀螺仪传感器系统的不同视图，横轴陀螺仪传感器系统使用一对同步的谐振陀螺仪换能器结构来抵销或减小所检测到的旋转加速度或振动。应理解，横轴陀螺仪传感器可以由与这里阐述的不同的材料和/或形状形成。为了简洁，这里未描述涉及半导体加工、MEMS加工以及传感器技术的传统技术。虽然下面的说明中阐述了各种细节，但是应理解，本发明可以在没有这些特定细节的情况下实施，并且许多因实施而异的决定可以对这里描述的本发明做出以实现器件设计者的特定目标，例如顺应工艺技术或设计相关的限制，这将因实施而变化。虽然这种开发努力可能是复杂且费时的，但是对于受益于本公开的本领域普通技术人员来说这仍是例行任务。例如，参照集成电路器件的简化平面图和截面图描述了选定方面，而不包括每个器件特征或几何构型以避免限制或模糊本发明。此外，电路细节，例如驱动和感测信号电路未更详细地进行说明，因为这些细节是众所周知的并且在教导本领域技术人员如何制作或使用本发明的方面并不认为是必需的。这样的描述和表征被本领域技术人员所使用以向本领域其他技术人员描述和传达他们工作的实质。

对于传统MEMS陀螺仪传感器，有与传感器设计和制造中不可避免的制造缺陷中存在的各种不完美相关联的性能限制。例如，存在与具有盘形或环形换能器设计的传统振动陀螺仪设计相关联的性能问题，盘形或环形换能器设计对接近驱动质体谐振频率的旋转振动非常敏感。这种对振动噪声的敏感性可能错误地生成不能从真实的角速率信号区分的虚假输出信号。例如，带有注入振动转矩噪声的换能器易受边界条件变化的影响，边界条件变化能负面影响相对于温度和主机系统PCB变化的零速率稳定性。为了减小错误信号的概率，换能器通常设计为使用高的驱动质体谐振频率以避免高振动幅度的环境谱区，但是该方案不能作为汽车安全系统诸如电子稳定程序（ESP）的解决方案，其需要正确测量车辆的动态行为。

为了说明旋转振动加速度强加给陀螺仪换能器的挑战，现在参照图1，其绘示了跷跷板型陀螺仪传感器10的示意性简化侧视图。所绘示的陀螺仪传感器10包括“跷跷板”感测质体元件12，其是活动感测结构，其相对于衬底的位置用形成在感测质体元件下面的衬底电容器板（未示出）检测。通过横向弹簧连接到振动驱动质体结构（未显示），感测质体元件12配置为响应于绕旋转轴16的旋转进行绕旋转轴16的旋转运动。当存在固定转速时，传感器10检测到所产生的与旋转速率成比例的科里奥利力。然而，如果旋转振动产生与驱动质体结构的谐振频率接近的绕旋转轴16的角加速度18，那么传感器10可能生成不能从有效数据区分开的虚假输出信号。这种困难示于图2中，图2绘示了不发生旋转运动的传感器10的信号波形。如所示，顶部波形22是振动驱动质体的谐振频率。在中间波形24中，示出从振动噪声强加在感测质体元件12上的注入角加速度波形24。在例如这种源自振动的旋转加速度接近驱动质体的谐振频率的情况下，当实际上没有旋转运动时，来自传感器10的速率输出信号26看起来像是有效的旋转测量。

图3示出根据本公开的选定实施例的示例性角速率传感器100的平面图，传感器100实现为MEMS型振动陀螺仪（以非限制性方式，也称为“陀螺仪”或简称为“陀螺”）。所示的横轴MEMS陀螺仪传感器100包括一对同步的谐振陀螺仪结构110、130，其形成为沿旋转轴170对准设置的一对对称或平行的结构。这里使用时，同步振荡运动指的是两个元件的同步运动，其可以是彼此同相或逆相的，但是其具有相同频率或周期。每个陀螺仪结构包括一对驱动质体元件111/112、131/132，其配置为关于沿旋转轴170居中的“跷跷板”感测质体元件120、140沿驱动方向（例如，y轴）进行面内振荡线性运动。通过这种配置，每个感测质体元件120、140配置为响应于传感器100绕面内轴170的旋转移动进行绕旋转轴170的旋转运动。

为了连接驱动和感测质体，配置线性链接弹簧部件115-118、135-138从而每个感测质体相对于其对应的驱动质体元件的相反振荡线性运动基本从驱动质体元件去耦，且从而每个感测质体耦合到驱动质体元件111/112、131/132的任何离面振荡运动。在第一陀螺仪结构110的例子中，链接弹簧部件115-116连接驱动质体111到感测质体120的第一部分121，同时链接弹簧部件117-118连接驱动质体112到感测质体120的第二部分122，从而感测质体120从驱动质体111、112的相反振荡线性运动去耦且同时耦合到驱动质体元件111/112的任何离面振荡运动。当然应理解，许多柔性件、铰链和其它旋转机构可以用于实现感测质体元件120、140响应于科里奥利效应绕旋转轴170的枢转运动。因此，各种机械链接弹簧115-118、135-138的形状、尺寸、材料以及弹簧常数可以根据已知机械设计原理来选择以实现x陀螺仪100所需的灵敏度、稳定性以及范围。实际上，利用本领域已知的标准机械方法（例如，经验法、有限元模拟、闭型计算等）给出各种组元层，可以容易地指定作为一个整体的陀螺仪器件100的静态和动态属性。在所示实施例中，x陀螺仪100使用常规MEMS技术和材料（例如，二氧化硅、单晶硅、多晶硅等）制造。

在图3所示的例子中，角速率传感器100是一般配置为感测绕旋转轴170的角运动的x陀螺仪器件。按惯例，x陀螺仪100示为具有在x-y平面（如x-y-z参考坐标线所参考的）内的大致平面结构，其中z-轴向上延伸且垂直于x-y平面。如图4的图3所示的横轴MEMS陀螺仪传感器的分解透视图200所示，x陀螺仪包括参考框架或衬底结构101，其上形成一对锚固结构104、108用于支承同步谐振陀螺仪结构110、130。根据特定实施例，第一陀螺仪结构110包括一对驱动质体111和112、感测质体120以及设置在其间的各种机械链接件115-118。第二陀螺仪结构130对称地设置在衬底101上且包括一对驱动质体131和132、感测质体140以及设置在其间的各种机械链接件135-138。对于构造为以驱动质体的相反对111/112、131/132为框架的铰链连接的或跷跷板型检测质体（proof mass）的每个感测质体120、140，机械链接件可包括一个或多个转矩弹簧或旋转柔性件125、145，其连接到衬底锚固件104、108以柔性悬吊感测质体120、140，用于绕旋转轴170的枢转或旋转运动。此外，链接弹簧115-118、135-138可以设置为一个或多个耦合弹簧，其将每对相反驱动质体111/112、131/132接合到各自的感测质体120、140。将理解，弹簧115-118、135-138可以是允许驱动质体111/112、131/132沿y轴进行相反运动并且仍足够刚性以沿z轴传输科里奥利力至感测质体120、124的任何便利的形状。换言之，配置驱动质体和感测质体之间的链接件从而每个感测质体120、140相对未受驱动质体111/112、131/132的面内运动的影响，但是当驱动质体111/112、131/132在x陀螺仪100的旋转期间发生离面运动（例如，z轴运动）时链接到驱动质体111/112、131/132。

用这种耦合，驱动质体111/112、131/132配置为发生在平面（例如，x-y平面）内的相反振荡线性运动，其中该运动的方向可根据实施例而改变。在每个陀螺仪结构110、120中，驱动质体的线性振动运动可以通过给在驱动质体末端的驱动电极（未显示）施加驱动电压以产生使驱动质体以线性振荡运动移动的静电力而被控制。通过施加第一时变电压驱动信号以在驱动质体111-112的相反末端上的驱动电极处生成交替的电荷，驱动质体111始终沿与驱动质体112相反的方向移动，从而在参考衬底101上以振动方式来回振荡。同时，第二互补的时变电压驱动信号被施加以在驱动质体131、132的相反末端上的驱动电极处生成交替的电荷，从而驱动质体131始终沿与驱动质体132相反的方向移动，由此在参考衬底101上以振动方式来回振荡。作为施加第一和第二互补的时变电压驱动信号的结果，第一对驱动质体元件111-112具有沿水平（例如，y-轴）方向的振荡运动，其是与第二对驱动质体元件131-132的振荡运动谐振的，但是有180度相位差。虽然未明确地显示，但是还可以有额外的耦合弹簧耦合在驱动质体111/112、131/132之间，其有助于同步驱动质体的相反振荡运动，从而驱动质体111、132同步地振动，同时驱动质体112、131也同步地振动，但是与驱动质体111、132处于相反的相位。以这种方式，第一陀螺仪结构110的驱动质体111/112朝向感测质体120移动，同时第二陀螺仪结构120的驱动质体131/132从感测质体140向外移动。

在旋转轴170沿x轴方向的所示实施例中，驱动质体111/112、131/132发生基本平行于y轴的振荡线性运动。当参考衬底101受到产生绕轴170的角运动的力时，使用形成于感测质体元件120、140下面的衬底101（如阴影线105、109所示）上的感测测量电极102-103、106-107感测该角运动，以感测感测元件120、140的离面跷跷板运动。感测电极可以通过在衬底上沉积、图案化和蚀刻静电导电层以形成至少两对电隔离的电极或板102-103、106-107而形成，其中每对对称地设置在旋转轴170的每侧。电极或板102-103、106-107通过衬底101中的一个或多个导电通路和接触层（未显示）连接到电容信号感测电路，该电路评估与每个电极/板102-103、106-107相关联的不同电容值。虽然为了说明的简单起见图4仅示出两组电极对102-103、106-107，但是应理解，横轴MEMS陀螺仪传感器100可包括不同数量和/或不同配置的电极元件。

当科里奥利力通过陀螺仪100的旋转而生成时，它们使驱动质体111/112、131/132发生沿z轴的离面振荡运动（即，离开x-y平面），其是x陀螺仪100绕旋转轴170的角速率的函数。驱动质体111/112、131/132的z轴移动通过链接弹簧部件115-118、131-138传输到感测质体元件120、140。为了感测离面运动，参考衬底101可包括第一对感测测量电极103、104和第二对感测测量电极106、107，第一对感测测量电极103、104位于第一陀螺仪结构110的感测质体120下面，第二对感测测量电极106、107位于第二陀螺仪结构120的感测质体140下面。感测测量电极102-103、106-107作为感测系统的一部分提供以检测和测量陀螺仪绕输入轴170的移动引起的感测质体120、140沿感测运动方向（z轴方向）的离面偏转。特别地，当驱动质体111/112、131/132发生传输到跷跷板型感测质体元件120、140的振荡离面运动时，通过感测测量电极102-103、106-107感测位置的变化。虽然未显示，但是还可以有形成在感测质体元件120、140上方的附加感测测量电极。无论在何种配置中，感测电极被定位且用于检测操作期间由感测质体元件120、140相对于参考衬底101的旋转移动导致的电容变化。参考衬底还可包括力反馈电极（未显示），其用于施加使感测质体元件120、140移动或振荡的静电力，或另外地调节感测质体元件120、140的移动或振荡。

在绕轴170的固定旋转ω施加给x陀螺仪100的情况下（例如，没有旋转加速度），所产生的科里奥利力（Fco）使感测质体120、140绕旋转轴170彼此异相地做跷跷板运动。通过在具有同步的、互补相位的振动振荡的谐振陀螺仪结构110、130的感测质体元件120、140下面设置和连接感测测量电极102-103、106-107，可以在感测节点151-152、161-162处测量质体120、140的相反旋转运动。在一示例性实施中，感测电极102和107处的电容信号可以结合以在感测节点151和162处测量2×Fco（例如，沿负z轴方向）。类似地，感测电极103和106处的电容信号可以结合以在感测节点152和161处测量-2×Fco（例如，沿正z轴方向）。为了说明如何从x轴陀螺仪100测量科里奥利力和组合科里奥利力，现在参照图5，其绘示了当存在绕轴170的旋转ω时，在一对同步谐振陀螺仪结构110、130处测量的科里奥利力的信号波形50。在上面的曲线图中，在感测节点S1.2151和S2.1162处测量的科里奥利力分别示为波形51和52，这些测量的力的总和（S1.2+S2.1）示为波形53。中间的曲线图分别以波形54和55示出在感测节点S1.1152和S2.2161处测量的科里奥利力，这些测量的力的总和（S1.1+S2.2）示为波形56。在下面的曲线图中，组合差分信号—（S1.2+S2.1）减去（S1.1+S2.2）—示为波形57。信号检测电路处理组合差分信号57以生成测量绕轴170的旋转ω的解调输出信号58。

在绕轴170的旋转振动ω'被施加给x陀螺仪100（例如，没有固定旋转ω）的情况下，所产生的加速力（Fac）使感测质体120、140绕旋转轴170彼此同相地做跷跷板运动。当在感测节点151-152、161-162处测量感测质体120、140的这种同步旋转运动时，感测电极102和107处的电容信号可以组合或相加以实质地减小或消除在感测节点151和162处测量的加速力Fac，因为它们彼此相反。类似地，感测电极103和106处的电容信号可以组合以实质地减小或消除在感测节点152和161处测量的加速力Fac。为了说明来自旋转振动的加速力如何被抵销或抑制，现在参照图6，其绘示了当存在绕轴170的旋转振动ω'时在一对同步谐振陀螺仪结构110、130处测量的加速力的信号波形60。在上面的曲线图中，在感测节点S1.2151和S2.1162处测量的加速力分别示为波形61和62，这些测量的力的抵销和（S1.2+S2.1）示为波形63。中间的曲线图分别以波形64和65显示了在感测节点S1.1152和S2.2161处测量的加速力，这些测量的力的抵销和（S1.1+S2.2）示为波形66。在底部的曲线图中，组合差分信号—（S1.2+S2.1）减去（S1.1+S2.2）—有效地抵销了所检测到的加速力，且通过信号检测电路被处理以生成显示没有绕轴170的旋转加速力的解调输出信号67。

将理解，用于制造传感器100的制造过程可能导致陀螺仪中的缺陷，例如不对称的结构和其它非理想状况。这些缺陷可导致每个感测质体象限121-122、141-142的质心的偏差。中心未对准时，感测质体元件120、140的所得振荡可能减小传感器100抵销加速力的能力。但是即使带有源自制造工艺的典型变化，传感器100也可以实现振动噪声的实质性抑制。即使带有典型制造变化，对于使用四边形感测质体元件的传感器，可以实现高达40dB的振动干扰抑制。

为了改进振动噪声消除功能，其它结构配置可以用于陀螺仪的同步谐振陀螺仪结构。例如，图7示出使用一对同步谐振陀螺仪环形结构720、730的横轴MEMS陀螺仪传感器700的平面图，环形结构720、730每个关于各自的中心旋转地锚固到衬底，且通过公共驱动或驱动机构750被同时驱动以沿相反方向同步地旋转。所绘示的横轴MEMS陀螺仪传感器700包括一对同步谐振陀螺仪环形结构720、730，其形成为沿旋转轴770对准地设置的一对对称的环。每个陀螺仪环形结构720、730沿旋转轴770居中且通过一个或多个弹簧部件结构723-728、733-738连接到衬底锚固结构704、708以进行沿驱动方向的面内振荡旋转运动（例如，绕z轴旋转），且响应于传感器700绕面内轴770的旋转移动进行绕旋转轴770的旋转运动。

在选定实施例中，使用驱动质体元件752、754、758，驱动机构750可提供为H形驱动质体，驱动质体元件752、754、758连接到一起且通过线性弹簧元件751、753、757、759分别连接到下面的衬底锚固件710-713。此外，中心x轴弹簧755、756将公共驱动机构750耦合到环形感测质体结构720、730以允许环形感测质体结构720、730的相反振荡旋转。弹簧元件751、753、757、759、755-756一起设计为提供驱动机构750沿y轴的振荡线性运动。通过将相反驱动电极762-765、766-769定位在驱动机构750的相反末端上而产生线性运动。通过向驱动电极762-765、766-769施加适当的电驱动信号，公共驱动机构750发生x-y平面内的振荡线性运动。例如，线性y轴运动可以使用与驱动机构750的相反侧面相邻地形成的且被驱动信号所驱动的电导体或梳齿760、761赋予给驱动机构750。如图7所示，H形驱动机构750的每个锚固侧面可包括电导体或梳齿，其定位为被形成在驱动电极中的电导体或梳齿所驱动。将理解，可以使用驱动机构750的其它结构配置，例如T形或I形驱动质体元件。此外，可以使用一个或多个驱动电极762-765、766-769以感测驱动运动。

响应于驱动机构750的线性运动，谐振陀螺仪环形结构720、730由于通过一个或多个弹簧部件结构723-728、733-738连接到衬底锚固结构704、708而被驱动到绕它们各自的中心z轴的相反方向旋转振动。将理解，弹簧部件结构723-728、733-738可以是任何便利形状或配置，该形状或配置允许环形感测质体结构720、730绕它们各自的中心z轴的相反旋转运动，且仍足够刚性以传输科里奥利力至环形感测质体结构720、730以用于绕x轴的跷跷板旋转。换言之，配置驱动和环形感测质体之间的链接件从而感测质体720、730响应于驱动机构750的面内运动发生面内相反旋转，且在x陀螺仪700绕旋转轴770的旋转期间发生离面跷跷板运动。在任何情况下，应理解，许多柔性件、铰链以及其它旋转机构可用于实现环形感测质体结构720、730响应于科里奥利效应绕旋转轴770的枢转移动。在一示例性配置中，第一陀螺仪环形结构720通过一个或多个对称布置的线性弹簧元件725-728连接到内部框架构件724。内部框架构件724又通过一个或多个扭转弹簧或旋转柔性件723连接到衬底锚固结构704，扭转弹簧或旋转柔性件723连接到衬底锚固件704从而柔性地悬吊陀螺仪环形结构以用于绕旋转轴770枢转或旋转运动。类似地，第二陀螺仪环形结构730可通过一个或多个对称布置的线性弹簧元件735-738连接到内部框架构件734，内部框架构件734又通过一个或多个扭转弹簧或旋转柔性件733连接到衬底锚固结构708从而柔性地悬吊陀螺仪环形结构730以用于绕旋转轴770的枢转或旋转运动。

对于所述横轴MEMS陀螺仪传感器700，驱动机构750的谐振频率主要由线性弹簧常数和环形结构720、730的质量定义。通过对称地设置陀螺仪环形结构720、723以耦合到公共驱动机构750，该对谐振陀螺仪环形结构720、730实现了具有相等幅度和互补相位的相反旋转。通过使用扭转弹簧或旋转柔性件723、733锚固每个陀螺仪环形结构720、730，每个陀螺仪环形结构720、730可进入绕旋转轴770的第二或感测谐振模式。该“感测谐振”由扭转弹簧723、733的弹簧常数和相关联的环形结构720、730的质量定义，且应接近或等于闭环系统的驱动频率。

在旋转轴770沿x轴方向的所示实施例中，环形感测质体结构720、730发生实质上平行于x-y平面的振荡相反旋转运动。如图8的图7所示的横轴MEMS陀螺仪传感器的分解透视图800所示，x陀螺仪包括参考框架或衬底结构801，其上形成一对锚固结构804、808以用于支承环形感测质体结构720、730。此外，驱动质体锚固结构810-813形成在衬底801上以用于支承驱动机构750。当参考衬底801受到生成绕轴770的角运动的力时，使用形成于环形感测质体结构720、730下面的衬底801上（如阴影线805、809所示）的感测测量电极802-803、806-807感测该角运动，以感测环形感测质体结构720、730的离面跷跷板运动。特别地，科里奥利力导致相反旋转的环形感测质体结构720、730发生沿z轴的离面振荡运动（即，离开x-y平面），其是x陀螺仪700绕旋转轴770的角速率的函数。为了感测离面运动，参考衬底801可包括设置在环形感测质体720下面的第一对感测测量电极803、804和设置在环形感测质体730下面的第二对感测测量电极806、807。感测测量电极802-803、806-807作为感测系统的一部分被提供以检测和测量作为绕输入轴770的陀螺运动的结果的、环形感测质体720、730沿感测运动方向（z轴方向）的离面偏转。虽然未显示，但是还可以有形成在环形感测质体720、730上方的附加感测测量电极。无论在何种配置中，感测电极被定位且用于检测操作期间的电容改变，该电容变化由环形感测质体720、730关于参考衬底801的旋转运动导致。

在绕轴770的固定旋转ω施加到x陀螺仪700的情况下（例如，没有旋转加速度），产生科里奥利力（Fco），其导致环形感测质体720、730彼此异相地绕旋转轴770做跷跷板运动。在该异相旋转中，环形感测质体720、730的相反部分721、732一起上升和下降，而环形感测质体720、730的相反部分722、731同时地一起上升和下降。通过在具有同步相反旋转振荡的谐振陀螺仪环形结构720、730下面设置和连接感测测量电极802-803、806-807，可以在感测节点771-772、781-782处测量环形感测质体720、730的相反旋转运动。在示例性实施中，感测电极802和807处的电容信号可以组合以在感测节点771和782处测量2×Fco（例如，沿负z轴方向）。类似地，在感测电极803和806处的电容信号可以组合以在感测节点772和781处测量-2×Fco（例如，沿正z轴方向）。

为了说明如何从x轴陀螺仪700测量科里奥利力以及组合科里奥利力，现在参照图9，其绘示了当存在绕轴770的旋转ω时在一对同步谐振陀螺仪环形结构720、730处测量的科里奥利力的信号波形90。在上面的曲线图中，分别以波形91和92示出在感测节点S1.2771和S2.1782处测量的科里奥利力，这些测量的力的总和（S1.2+S2.1）示为波形93。中间的曲线图以波形94和95分别显示了在感测节点S1.1772和S2.2781处测量的科里奥利力，这些测量的力的总和（S1.1+S2.2）示为波形96。在底部的曲线图中，组合差分信号—（S1.2+S2.1）减去（S1.1+S2.2）—示为波形97。信号检测电路处理组合差分信号97以生成测量绕轴770的旋转ω的解调输出信号98。

在绕x陀螺仪700的旋转轴770施加旋转振动ω'的情况下（例如，没有固定旋转ω），所产生的加速力（Fac）使相反旋转的陀螺仪环形结构720、730彼此同相地绕旋转轴770做跷跷板运动。在陀螺仪环形结构720、730的这种同步旋转运动期间，在轴770一侧的环形感测质体720、730的相邻部分721、731一起上升和下降，而在轴770另一侧的环形感测质体720、730的相邻部分722、732同时一起下降和上升。当在感测节点771-772、781-782处测量陀螺仪环形结构720、730的这种同步旋转运动时，在感测电极802和807处捕获的电容信号可以组合或相加以实质地减小或消除在感测节点771和782处测量的加速力Fac，因为它们彼此相反。类似地，在感测电极803和806处捕获的电容信号可以组合以实质地减小或消除在感测节点722和731处测量的加速力Fac。为了说明来自旋转振动的加速力如何被抵销或抑制，现在参照图10，其绘示了当存在绕轴770的旋转振动ω'时，在一对同步谐振陀螺仪环形结构720、730处测量的加速力的信号波形1000。在上面的曲线图中，在感测节点S1.2771和S2.1782处测量的加速力分别示为波形1001和1002，这些测量的力的抵销和（S1.2+S2.1）示为波形1003。中间的曲线图以波形1004和1005分别示出在感测节点S1.1772和S2.2781处测量的加速力，这些测量的力的抵销和（S1.1+S2.2）示为波形1006。在底部的曲线图中，组合差分信号—（S1.2+S2.1）减去（S1.1+S2.2）—有效地抵销了所检测到的加速力，且被信号检测电路处理以生成显示没有绕轴770的旋转加速度的解调输出信号1007。

从前述实施例可以看出，提供一种横轴MEMS陀螺仪传感器，其中一对单个两质体传感器包括对称的跷跷板型感测质体结构以用于感测绕旋转轴的旋转加速度，该旋转加速度通过对称感测质体结构下面的电容电极检测为电容差异信号，每个传感器包括机械去耦的驱动和感测质体，感测质体采用对称设计以抑制不期望的模式。根据选定实施例，所公开的横轴MEMS陀螺仪传感器检测器件通过仅使用单个处理掩模组形成驱动和感测质体来制造。在陀螺仪传感器包括配置且驱动为彼此相反地同步振动的一对对称质体换能器的实施例中，旋转运动可以被检测，而同时抵销或减小所检测到的旋转加速度或振动力，由此提供耐振动的感测。对称的质体换能器可以用一对四边形感测质体实现，四边形感测质体每个都通过扭转弹簧锚固到衬底且经由线性弹簧连接到一对相反驱动质体从而在这对对称设计的陀螺仪结构处测量的任何旋转加速力（例如，来自于振动）被抵销或抑制。在其它实施例中，陀螺仪传感器包括一对对称设计的陀螺仪环形结构，其通过扭转弹簧锚固到衬底且被连接到公共驱动质体，所述公共驱动质体使陀螺仪环形结构以相反旋转运动振动从而在这对对称设计的陀螺仪环形结构处测量的任何旋转加速力（例如，来自于振动）被抵销或抑制。

到目前为止应理解，这里提供一种耐振动的横轴MEMS传感器和相关联的操作方法，该传感器用于测量绕中心线轴的旋转运动。所公开的传感器包括具有关于中心线轴对称地定位的第一和第二电极对的衬底。此外，提供第一和第二陀螺仪传感器，其沿中心线轴对称设置且以间隔开的关系定位在衬底的表面之上。陀螺仪传感器包括质体，所述质体反相地同步振动从而例如质体驱动基本彼此180度异相的振荡运动。例如，陀螺仪传感器可包括分别位于第一和第二电极对之上的第一和第二感测质体元件，其中感测质体元件适用于响应于传感器绕中心线轴的旋转加速度绕中心线轴一起同相地同步振荡，且适用于响应于传感器绕中心线轴的旋转速度绕中心线轴彼此逆相地同步振荡。在选定实施例中，陀螺仪传感器包括形成于第一层中并且关于中心线轴对称设置的一对驱动质体，其中该对驱动质体通过弹簧系统耦合到对应的对称感测质体元件，其也形成于第一层中并且响应于传感器绕中心线轴的角旋转发生离面振荡运动。例如，每个对称感测质体元件可以是四边形感测质体，其通过一个或多个扭转弹簧以及锚固系统耦合到衬底以响应于传感器绕中心线轴的角旋转发生绕中心线轴的跷跷板旋转。在其它实施例中，陀螺仪传感器包括形成于第一层中并且沿中心线轴对称设置的一对圆形感测质体结构，其中这对圆形感测质体结构通过弹簧系统耦合到驱动器，该驱动器赋予这对圆形感测质体结构相反旋转振荡面内运动从而这对圆形感测质体结构响应于传感器绕中心线轴的角旋转发生离面振荡运动。例如，每个圆形感测质体结构可以是环形感测质体结构，其通过一个或多个弹簧以及锚固系统耦合到衬底以响应于传感器绕中心线轴的角旋转发生绕中心线轴的跷跷板旋转。通过连接第一和第二电极对以将在位于中心线轴一侧的陀螺仪传感器下面的第一电极处捕获的第一电容信号相加到在位于中心线轴另一侧的陀螺仪传感器下面的第二电极处捕获的第二电容信号，与传感器绕中心线轴的旋转加速度相关联的第一和第二电容信号实质上彼此抵销。

以另一种形式，提供一种耐振动的横轴传感器，具有形成在衬底之上的单个层中的第一和第二对称质体换能器。在衬底之上，第一和第二对称质体换能器沿中心线轴并排对称设置且配置为彼此相反地同步面内振荡。如所形成的那样，第一和第二对称质体换能器适合于响应于传感器绕中心线轴的旋转运动相对于中心线轴共旋运动，且适合于响应于绕中心线轴的旋转加速力相对于中心线轴的相反旋转运动。在衬底上，第一和第二电极对对称定位以通过实质上抵销在第一和第二电极对处检测到的任何旋转加速力来检测传感器的旋转运动。在选定实施例中，电极对包括第一电极对和第二电极对，第一电极对形成有设置在中心线轴的第一侧的第一对称质体换能器下面的第一电极和设置在中心线轴的相反的第二侧的第二对称质体换能器下面的第二电极，第二电极对形成有设置在中心线轴的第一侧的第二对称质体换能器下面的第三电极和设置在中心线轴的相反的第二侧的第一对称质体换能器下面的第四电极。对称质体换能器可每个都包括被驱动到彼此反相的同步线性或旋转面内振荡的第一和第二质体，并且还可包括形成于第一层中且关于中心线轴对称设置的对称感测质体元件，其中对称感测质体元件适合于响应于传感器绕中心线轴的角旋转发生离面振荡运动。在选定实施例中，对称质体换能器包括形成于第一层中且关于中心线轴对称设置的一对驱动质体，其中每对驱动质体被耦合为赋予对应的对称四边形感测质体结构线性面内振荡。在其它实施例中，对称质体换能器包括驱动机构，其耦合为赋予第一和第二对称环形感测质体结构同步面内旋转振荡运动以彼此反相位地振荡。

以另一种形式，提供一种耐振动的感测横轴传感器绕旋转感测轴的旋转运动的方法。在所公开的方法中，同步面内振荡运动被赋予给沿旋转感测轴并排对称设置的第一和第二对称质体换能器从而第一和第二对称质体换能器彼此相反地振荡。在选定实施例中，通过将一对驱动质体驱动到线性面内同步逆相振荡运动而将同步面内振荡运动赋予给第一和第二对称质体换能器中的每个，其中这对驱动质体对称设置在感测质体元件的相反末端。在其它实施例中，同步面内振荡运动通过将一对环形感测质体结构驱动到旋转面内同步逆相振荡运动而被赋予。采用彼此相反地振荡的对称质体换能器，第一和第二电极对通过将第一和第二对称质体换能器下面的电极对定位成关于旋转感测轴对称地定位而用于测量横轴传感器绕旋转感测轴的旋转运动。以这种方式，第一和第二对称质体换能器适合于响应于传感器绕旋转感测轴的旋转运动关于旋转感测轴的共旋运动（co-rotationalmotion），并且适合于响应于绕旋转感测轴的旋转加速力关于旋转感测轴的相反旋转运动。旋转运动通过对角地相加来自第一和第二电极对的拾取信号使得绕旋转感测轴的旋转振动被抵销而被测量。旋转运动可通过将与横轴传感器绕旋转感测轴的旋转加速度相关联的第一和第二电容信号相加以基本彼此抵销来测量，其中第一电容信号在位于旋转感测轴一侧的第一对称质体换能器下面的第一电极处捕获，第二电容信号在位于旋转感测轴另一侧的第二对称质体换能器下面的第二电极处捕获。

虽然这里公开的所述示范性实施例涉及各种横轴MEMS陀螺仪传感器结构及其制作方法，但是本发明不一定局限于示范性实施例，示范性实施例示范了本发明的发明性方面，其可应用到宽范围的MEMS传感器器件、制造方法以及操作方法。虽然所公开的MEMS器件可以实现为陀螺仪，但是这里描述的制造工艺不限于陀螺仪或任何其它类型的传感器，而是还可应用于包括某些类型的结构的诸多MEMS器件中的任何一种，所述结构通过一个或多个弹簧可动地悬吊且通过将活动晶片接合到参考晶片来形成。这种器件的非限制性例子包括各种类型的加速计和开关、光学MEMS系统部件以及使用驱动和感测电极的其他MEMS系统器件。因此，以上公开的特定实施例仅是示范性的，不应作为对本发明的限制，因为本发明可以被修改和以不同但等价的方式实施，这对受益于这里的教导的本领域技术人员而言是显然的。例如，可以使用这里明确阐述的以外的驱动质体和感测质体结构来应用本发明的方法。因此，前面的描述无意将本发明限制到这里阐述的特定形式，相反，旨在涵盖可包括在所附权利要求定义的本发明的思想和范围内的这些替代、修改以及等价，从而本领域技术人员应理解，它们可以进行各种改变、替代和变换而不偏离本发明最广形式的思想和范围。

上面已经关于特定实施例描述了益处、其他优点以及对问题的解决方案。然而，益处、优点和问题解决方案以及可导致益处、优点或解决方案发生或变得更突出的任何元素（或多个元素）将不被解释为任何或全部权利要求的关键、必需或必要特征或元素。术语“耦合”在这里使用时无意限制到直接耦合或机械耦合。这里使用时，术语“包括”或其任何变体旨在涵盖非排除性的包括，从而包括一系列元素的工艺、方法、物件或装置不是仅包括那些元素，而是还可以包括未明确列出或者这些工艺、方法、物件或装置固有的其他元素。

Claims (25)

1.一种MEMS传感器，包括：

衬底；

第一和第二电极对，关于中心线轴定位；以及

第一和第二陀螺仪传感器，沿所述中心线轴设置且以间隔开的关系定位在所述衬底的表面之上，所述第一和第二陀螺仪传感器包括分别位于所述第一和第二电极对之上的第一和第二感测质体元件，其中，所述第一和第二感测质体元件适用于响应于所述传感器绕所述中心线轴的旋转加速度绕所述中心线轴一起同相地同步振荡，且适用于响应于所述传感器绕所述中心线轴的旋转速度绕所述中心线轴彼此逆相地同步振荡。

2.根据权利要求1所述的MEMS传感器，其中，所述第一和第二陀螺仪传感器包括彼此反相同步振荡的质体。

3.根据权利要求1所述的MEMS传感器，其中，所述第一和第二陀螺仪传感器包括驱动彼此基本180度异相的振荡运动的质体。

4.根据权利要求1所述的MEMS传感器，其中，所述第一和第二电极对每个被连接以将（1）在位于所述中心线轴的第一侧的第一陀螺仪传感器下面的第一电极处捕获的第一电容信号和（2）在位于所述中心线轴的相反的第二侧的第二陀螺仪传感器下面的第二电极处捕获的第二电容信号相加。

5.根据权利要求4所述的MEMS传感器，其中，所述第一和第二电极对每个被连接以将（1）在位于所述中心线轴的所述相反的第二侧的所述第一陀螺仪传感器下面的第三电极处捕获的第三电容信号和（2）在位于所述中心线轴的所述第一侧的所述第二陀螺仪传感器下面的第四电极处捕获的第四电容信号相加从而与所述传感器绕所述中心线轴的旋转加速度相关联的第一和第二电容信号实质上彼此抵销。

6.根据权利要求1所述的MEMS传感器，其中，所述第一和第二陀螺仪传感器中的每个包括形成在第一层中且关于所述中心线轴对称设置的一对驱动质体，其中该对驱动质体通过弹簧系统耦合到对应的对称感测质体元件，该对称感测质体元件也形成在所述第一层中且响应于所述传感器绕所述中心线轴的角旋转进行离面振荡运动。

7.根据权利要求6所述的MEMS传感器，其中，所述对称感测质体元件包括形成在所述第一层中且关于所述中心线轴对称设置的四边形感测质体，其中所述感测质体通过一个或多个扭转弹簧以及锚固系统耦合到所述衬底，从而响应于所述传感器绕所述中心线轴的角旋转进行绕所述中心线轴的跷跷板旋转。

8.根据权利要求1所述的MEMS传感器，其中，所述第一和第二陀螺仪传感器中的每个包括形成于第一层中且沿所述中心线轴对称设置的一对圆形感测质体结构，其中该对圆形感测质体结构通过弹簧系统耦合到驱动器，该驱动器赋予该对圆形感测质体结构相反旋转振荡运动，从而该对圆形感测质体结构响应于所述传感器绕所述中心线轴的角旋转进行离面振荡运动。

9.根据权利要求8所述的MEMS传感器，其中，每个圆形感测质体结构包括环形感测质体结构，该环形感测质体结构形成于所述第一层中且通过一个或多个弹簧以及锚固系统耦合到所述衬底，从而响应于所述传感器绕所述中心线轴的角旋转进行绕所述中心线轴的跷跷板旋转。

10.一种传感器，包括：

衬底；

第一和第二电极对，关于中心线轴对称地定位；以及

第一和第二对称质体换能器，沿所述中心线轴并排对称设置且配置为用于彼此相反的同步面内振荡，其中，所述第一和第二对称质体换能器适用于响应于所述传感器绕所述中心线轴的旋转运动关于所述中心线轴的共旋运动，且适用于响应于绕所述中心线轴的旋转加速力关于所述中心线轴的相反旋转运动。

11.根据权利要求10所述的传感器，其中，所述第一和第二电极对被连接为将来自所述第一和第二电极对的拾取信号对角地相加以实质上抵销在所述第一和第二电极对处检测到的任何旋转加速力。

12.根据权利要求10所述的传感器，其中，所述第一和第二电极对包括：

第一电极对，包括设置在所述中心线轴的第一侧的所述第一对称质体换能器下面的第一电极和设置在所述中心线轴的相反的第二侧的所述第二对称质体换能器下面的第二电极；以及

第二电极对，包括设置在所述中心线轴的所述第一侧的所述第二对称质体换能器下面的第三电极以及设置在所述中心线轴的所述相反的第二侧的所述第一对称质体换能器下面的第四电极。

13.根据权利要求12所述的传感器，其中，所述第一和第二电极被连接以将分别在所述第一和第二电极处捕获的第一和第二电容信号相加，所述第三和第四电极被连接以将分别在所述第三和第四电极处捕获的第三和第四电容信号相加，从而与所述传感器绕所述中心线轴的旋转加速度相关联的电容信号实质上彼此抵销。

14.根据权利要求10所述的传感器，其中，所述第一和第二对称质体换能器包括被驱动到彼此反相的线性面内同步振荡的第一和第二质体。

15.根据权利要求10所述的传感器，其中，所述第一和第二对称质体换能器包括被驱动到彼此反相的面内旋转同步振荡的第一和第二质体。

16.根据权利要求10所述的传感器，其中，所述第一和第二对称质体换能器每个都包括形成于第一层中且关于所述中心线轴对称设置的对称感测质体元件，其中所述对称感测质体元件适用于响应于所述传感器绕所述中心线轴的角旋转进行离面振荡运动。

17.根据权利要求16所述的传感器，其中，所述第一和第二对称质体换能器每个都包括形成于所述第一层中且关于所述中心线轴对称设置的一对驱动质体，其中每对驱动质体被耦合为赋予对应的对称感测质体元件线性面内振荡。

18.根据权利要求16所述的传感器，其中，每个对称感测质体元件包括四边形感测质体结构。

19.根据权利要求16所述的传感器，还包括驱动机构，该驱动机构耦合为赋予所述第一和第二对称质体换能器同步面内旋转振荡运动以彼此反相地振荡。

20.根据权利要求16所述的传感器，其中，每个对称感测质体元件包括环形感测质体结构。

21.一种感测横轴传感器绕旋转感测轴的旋转运动的方法，包括：

赋予沿所述旋转感测轴并排对称设置的第一和第二对称质体换能器同步面内振荡运动，从而所述第一和第二对称质体换能器彼此相反地振荡；

使用位于所述第一和第二对称质体换能器下面且关于旋转感测轴对称地定位的第一和第二电极对测量所述横轴传感器绕所述旋转感测轴的旋转运动，其中所述第一和第二对称质体换能器适用于响应于所述传感器绕所述旋转感测轴的旋转运动关于所述旋转感测轴的共旋运动，且适用于响应于绕所述旋转感测轴的旋转加速力关于所述旋转感测轴的相反旋转运动。

22.根据权利要求21所述的方法，其中，测量旋转运动包括对角地相加来自于所述第一和第二电极对的拾取信号，从而绕所述旋转感测轴的旋转振动被抵销。

23.根据权利要求21所述的方法，其中，测量旋转运动包括将与所述横轴传感器绕所述旋转感测轴的旋转加速度相关联的第一和第二电容信号相加实质上抵销了彼此，其中所述第一电容信号在位于所述旋转感测轴一侧的所述第一对称质体换能器下面的第一电极处捕获，所述第二电容信号在位于所述旋转感测轴的另一侧的所述第二对称质体换能器下面的第二电极处捕获。

24.根据权利要求21所述的方法，其中，赋予同步面内振荡运动包括对于所述第一和第二对称质体换能器中的每个，赋予对称设置在感测质体元件的相反末端的一对驱动质体线性面内同步逆相振荡运动。

25.根据权利要求21所述的方法，其中，赋予同步面内振荡运动包括将一对环形感测质体结构驱动到旋转面内同步逆相振荡运动。