CN104422435B - 具有单驱动模式的多感测轴mems陀螺仪 - Google Patents

具有单驱动模式的多感测轴mems陀螺仪 Download PDF

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Abstract

本发明涉及具有单驱动模式的多感测轴MEMS陀螺仪。陀螺仪包括沿着第一轴被驱动进入第一驱动运动的第一驱动块，所述第一驱动运动响应于陀螺仪的旋转而生成了第一感测块的第一感测运动。所述陀螺仪还包括沿着横向于所述第一轴的第二轴被驱动进入第二驱动运动的第二驱动块。所述第二驱动运动响应于陀螺仪的旋转而生成了第二感测块的第二感测运动。驱动弹簧系统将所述两个驱动块互连以耦合第一驱动运动和第二驱动运动，使得可以实现单驱动模式。每个感测块的感测运动沿着第三轴，其中所述第三轴横向于其它轴。所述感测运动是平移运动，使得所述感测块保持平行于所述衬底的所述表面。

Description

具有单驱动模式的多感测轴MEMS陀螺仪
技术领域
本发明通常涉及微机电系统(MEMS)器件。更具体地说，本发明涉及使用单驱动模式致动的多感测轴MEMS陀螺仪。
背景技术
近年来，微机电系统(MEMS)技术已经取得了广泛的关注，因为它提供了制作非常小的机械结构的方法并且使用常规的批量半导体加工技术在单一衬底上将这些结构与电器件进行整合。MEMS的常见的应用是传感器器件的设计和制作。MEMS传感器器件被广泛用于诸如汽车、惯性制导系统、家用电器、游戏器件、各种器件的保护系统、以及许多其它的工业、科学、以及工程系统的应用中。MEMS传感器的一个例子是MEMS陀螺仪，也被称为角速率传感器。陀螺仪感测了绕一个或多个轴的角速度或角速率。
附图说明
当结合附图考虑时通过参阅详细说明书以及权利要求书，可以对本发明有比较完整的理解。其中在附图中，类似的参考符号表示相同的元件，附图不一定按比例绘制，以及：
图1示出了根据实施例的多感测轴微机电系统(MEMS)陀螺仪的顶视图；
图2示出了在MEMS陀螺仪中实现的梁弹簧的立体图；
图3示出了包括梁弹簧的MEMS陀螺仪的局部立体图；
图4示出了例证该器件的驱动模式的MEMS陀螺仪的顶视图；
图5示出了穿过图4的截面线5-5演示滚动感测的MEMS陀螺仪的简化侧视图；
图6示出了穿过图4的截面线6-6演示俯仰(pitch)感测的MEMS陀螺仪的简化侧视图；
图7示出了演示首摇(yaw)感测的MEMS陀螺仪的简化顶视图；以及
图8示出了包括MEMS陀螺仪的电子器件的简化框图。
具体实施方式
能够感测绕多个轴的角速度或角速率的MEMS陀螺仪非常适合于实现器件的多样性。MEMS陀螺仪通常是利用科里奥利加速度。也就是说，当以角速率(要被感测的值)的旋转被应用于以已知驱动速率被驱动的移动感测块的时候，感测块“感觉”到被称为“科里奥利力”的表观力。足够大小的科里奥利力在与驱动速率的方向垂直的方向上并且在与旋转所绕的轴垂直的方向上引起移动感测块的位移。该位移与旋转的角速率成比例，其可被检测为电容的变化。
MEMS陀螺仪包括驱动系统以便沿着特定驱动轴赋予感测块驱动速率。在一些配置中，与MEMS陀螺仪的驱动块相关联的驱动电极从电子驱动电路接收驱动信号。该驱动信号引起驱动块沿着特定驱动轴振荡，进而又引起关联的感测块振荡。当有角速率刺激的时候，感测块将在感测方向上移动，同时继续沿着驱动轴振荡。
具有多感测轴能力的MEMS陀螺仪的设计和实现相对于微机械元件以及关联的驱动系统尤其复杂。特别是，可能需要三个驱动系统和/或控制回路以驱动三-轴(三轴)感测陀螺仪的驱动块。不幸的是，单独的驱动信号可能导致MEMS陀螺仪的相互彼此影响的各个元件的移动，使得陀螺仪的测量不准确。而且，多个控制回路(每个驱动方向一个)在集成、多感测轴配置中仅包括高占用面积。
实施例包括在多感测轴配置中具有单驱动模式设计的微机电系统(MEMS)陀螺仪和一种制作该MEMS陀螺仪的方法。该单驱动模式可以降低多感测轴陀螺仪的足迹。此外，该单驱动模式可以降低包括电子驱动电路的关联专用集成电路(ASIC)的复杂性以产生较低功耗和较小的ASIC设计。而且，该单驱动模式设计本质上具有很小的阻尼，这可以产生对真空级有较低要求的高器件性能(较低粘结要求、无吸气剂等等)，从而简化了制作。该MEMS陀螺仪实现了与驱动弹簧系统组合的单驱动模式，这减少了功能元件之间的运动耦合以实现对外部扰乱不太敏感的强健器件。该MEMS陀螺仪还具有可以增加器件的敏感性，而没有增大器件的尺寸的更高效的感测能力。
图1示出了根据实施例的多感测轴微机电系统(MEMS)陀螺仪20的顶视图。MEMS陀螺仪20包括实现了单驱动模式以及实现感测多个元件绕三个互相正交轴的角速率的结构配置。
MEMS陀螺仪20包括驱动架，该驱动架包括悬浮在衬底32的表面30上并且绕着中央区域34均匀地排列的多个驱动块22、24、26和28。MEMS陀螺仪20还包括互连了相邻驱动块22、24、26和28的多个驱动弹簧系统36、38、40、42。更具体地说，驱动弹簧系统36将驱动块22与驱动块24互连，驱动弹簧系统38将驱动块24与驱动块26互连，驱动弹簧系统40将驱动块26与驱动块28互连，以及驱动弹簧系统42将驱动块28与驱动块22互连。
在实施例中，驱动弹簧系统36、38、40、42中的每个包括耦合到相邻驱动块22、24、26和28的弹簧元件44。通过举例的方式，驱动弹簧系统36的弹簧元件44耦合到驱动块22和24中的每个。驱动弹簧系统36、38、40、42中的每个还包括耦合到衬底32的锚元件46、互连在驱动块22、24、26和28与锚元件46之间的弹簧元件48、以及互连在驱动块22、24、26和28的相邻一个与锚元件46之间的另一个弹簧元件50。再一次相对于驱动弹簧系统36，弹簧元件48互连在驱动块22和锚元件46之间，而弹簧元件50互连在驱动块24和锚件46之间。
MEMS陀螺仪20还包括弹簧锚固52、54、56和58。弹簧锚固52、54、56和58中的每个耦合到驱动块22、24、26和28中的每一个的对应一。因此，驱动块22、24、26和28中的每个通过关联锚从衬底32的表面30间隔开，即，上述的悬浮。在例子中，驱动块22通过驱动弹簧系统36和42的锚元件46以及弹簧锚固52被锚定到衬底32。同样，驱动块24通过驱动弹簧系统36和38的锚元件46以及通过弹簧锚固54被锚定到衬底32。驱动块26通过驱动弹簧系统38和40的锚元件46以及通过弹簧锚固56被锚定到衬底32，以及驱动块28通过驱动弹簧系统40和42的锚元件46以及通过弹簧锚固58被锚定到衬底32。驱动块22、24、26和28经由驱动弹簧系统36、38、40、42和弹簧锚固52、54、56和58被悬浮，以启动驱动块22、24、26和28的平面内运动以及驱动块22、24、26和28的非常小的平面外运动。MEMS陀螺仪20的锚在本发明中通过由框构成的“X”表示以表示特定元件到衬底32的表面30的物理附着。
如图1所示，驱动块22、24、26和28中的每个是大致是“U”形或像反过来或倒置的“U”形，从而具有朝向中央区域34打开的开口60、62、64和66。感测块68、70、72和74分别被排列在开口60、62、64和66内以用于当MEMS陀螺仪被设置处于运动的时候感测角速率。多梁弹簧76、77将感测块68、70、72和74与其关联的驱动块22、24、26和28耦合。在实施例中，感测块68经由一对78梁弹簧76与驱动块22机械互连。感测块70经由一对80梁弹簧77与驱动块24机械互连。感测块72经由一对82梁弹簧76与驱动块26机械互连，以及感测块74经由一对84梁弹簧77与驱动块28机械互连。
通常，梁弹簧76对78、82在z-方向上，即平行于z-轴118给感测块68、72提供了顺应。梁弹簧77对80、84在z-方向上和X-方向上两者，即平行于X-轴100给感测块70、74提供了顺应。然而，梁弹簧76、77与驱动弹簧系统36、38、40、42的不同之处在于梁弹簧76、77在驱动块22、24、26和28和其关联的感测块68、70、72和74之间提供了刚性平面内耦合。相反，驱动弹簧系统36、38、40、42在平面外方向上，即z-方向上是刚性的。
锚系统86位于耦合到衬底32的中央区域34内，其中感测块68、70、72和74围绕锚系统86排列。顺应式构件88、90、92和94也位于中央区域34内。顺应式构件88互连在感测块68和锚系统86之间，并且顺应式构件92互连在感测块72和锚系统86之间。此外，大体上的刚性梁96经由顺应式构件90和94将感测块70与感测块74互连。也就是说，顺应式构件90互连在感测块74和梁96的一端之间，并且顺应式构件94互连在感测块74和梁96的相对端之间。然而，顺应式构件90和94也经由铰链系统(结合图7所讨论的)间接地互连到锚系统86。
MEMS陀螺仪20还包括与驱动块22和26相关联的驱动组件98。正如将要在下面更详细讨论的，驱动组件98被配置成引起沿着三维笛卡尔坐标系的X-轴100的基本上平行于衬底32的表面30的驱动运动。替代地，类似驱动组件(未示出)可与驱动块24和28相关联以引起沿着笛卡尔坐标系的Y-轴102的基本上平行于衬底32的表面30的驱动运动。
每个驱动组件98包括相对于被固定，即耦合到衬底32的表面30的固定驱动电极104和相对于被固定，即形成于驱动块22和26内的可移动驱动电极106。固定和可移动驱动电极104和106可被排列在梳齿配置中并且可彼此电容耦合，以便生成相互引力/斥力以引起驱动块22和26沿着X-轴100的振荡驱动运动。固定驱动电极104通过向右和向下方向的阴影线示出以将它们与MEMS陀螺仪20的周边元件区分开来。附加集合的电极107可关联于例如驱动块24和28形成以提供对驱动运动的反馈控制。在替代配置中，驱动电极104可与驱动块24、28相关联，并且反馈电极107可与驱动块22、26相关联。而在其它配置中，电极104和/或107可以被均匀地分布在驱动块22、24、26、28之间。
MEMS陀螺仪20另外包括多个感测电极。如上所述，MEMS陀螺仪20是能够感测绕三轴的旋转的三轴陀螺仪。在实施例中，MEMS陀螺仪20能够感测俯仰角速率108(在图1中标记为ΩX)，即MEMS陀螺仪20经由俯仰感测电极110绕X-轴100的旋转。俯仰感测电极110可以是在感测块70和74下面的衬底32上形成的平板电极。俯仰感测电极被图1的感测块70和74遮盖，因而用虚线表示。MEMS陀螺仪20还能够感测滚动角速率112(在图1中标记为ΩY)，即MEMS陀螺仪20经由滚动感测电极114绕Y-轴102的旋转。滚动感测电极114可以是在感测块68和72下面的衬底32上形成的平板电极。滚动感测电极114被图1的感测块68和72遮盖，因而用虚线表示。
而且，MEMS陀螺仪20能够感测首摇角速率116(在图1中标记为ΩZ)，即MEMS陀螺仪20绕与衬底32的表面30垂直的Z-轴118的旋转。在实施例中，感测块70和74被用于感测首摇角速率116。因此，感测块70和74中的每个包括电容耦合到相应固定首摇感测电极122的可移动首摇感测电极120。固定首摇感测电极122通过向右和向上方向的阴影线示出以将它们与MEMS陀螺仪20的周边元件区分开来。
下面将结合图5-8说明MEMS陀螺仪20的操作，包括响应于MEMS陀螺仪20的旋转而赋予驱动运动和所产生的感测运动。
现在参照图2和图3，图2示出了在MEMS陀螺仪20(图1)中实现的梁弹簧76的立体图，以及图3示出了包括致动梁弹簧76的MEMS陀螺仪20的放大局部立体图。在该例子中，梁弹簧76将结合感测块68与驱动块22的互连加以讨论。然而，下面的描述等同地适用于通过将感测块68、72中的每个与其关联驱动块22和26互连的任何梁弹簧76，被排列为梁弹簧76的对78、82(图1)。类似地，下面的描述等同地适用于将互连感测块70、74中的每个与其关联驱动块24、28互连的任何梁弹簧77，被排列为梁弹簧77的对80、84。
弹簧梁76包括顺应式端子123和124以及横跨在顺应式端子123和124之间的梁部125。在图3所示的所图示的示例性配置中，顺应式端子123可耦合到驱动块22，而顺应式端子124可耦合到感测块68。顺应式端子123和124中的每个被配置成变形、扭曲或以其它方式在与衬底32的表面30垂直的平面126外倾斜(在图2中用虚线表示)，并且梁部125相对于顺应式端子123和124是刚性的。顺应式端子123和124的倾斜变形在图2中通过双向箭头127表示，并且顺应式端子123和124的倾斜变形在图3中的MEMS陀螺仪20的放大局部立体图中是可见的。顺应式端子123和124的该倾斜变形允许感测块68相对于驱动块22移动。
结合图2和图3再次参照图1，在实施例中，每对78梁弹簧76都位于感测块68的相对边缘128，使得对78的梁部125的纵轴129彼此对齐。同样，梁弹簧76对80、82和84都位于其对应感测块70、72和74的相对边缘128，使得每对80、82和84梁弹簧76的梁部125的纵轴129也彼此对齐。
根据感测块68的重心，梁弹簧76对78和顺应式构件88的对齐处于平衡，使得与Z-轴118对齐的力(在图2中由箭头131表示)将引起感测块68在保持基本上平行于衬底32的表面30的同时沿着Z-轴118的移动或平移。即，力131导致感测块68的平移感测运动，使得随着感测块68沿着Z-轴118移动，而感测块68的平坦表面130保持基本上平行于底面20。类似地，根据感测块70的重心，梁弹簧76对80和顺应式构件90处于平衡，使得与Z-轴118对齐的力将引起感测块70经历平移感测运动，其中其平坦表面132保持基本上平行于衬底32的表面30。同样，梁弹簧76对82和顺应式构件92处于平衡以引起感测块72经历平移感测运动，其中其平坦表面134保持基本上平行于衬底32的表面30，以及梁弹簧76对84和顺应式构件96处于平衡以引起感测块74经历平移感测运动，其中其平坦表面136保持基本上平行于衬底32的表面30。
应当记得，俯仰感测电极110位于感测块70和74下面。因此，随着感测块70和74中的每个经历沿着Z-轴118的平移感测运动，感测块70和74的位移可被检测为在俯仰感测电极110处的电容变化。此外，滚动感测电极114位于感测块68和72下面，因此，随着感测块68和72中的每个经历沿着Z-轴118的平移感测运动感，感测块68和72的位移可被检测为在滚动感测电极114的电容变化。
图4示出了例证MEMS陀螺仪20驱动模式138的MEMS陀螺仪20的顶视图。在实施例中，驱动块22和26被配置成被驱动具有沿着X-轴100，由箭头140表示的驱动运动。即，驱动块22和26被适当有弹性地锚定到衬底32以沿着X-轴100与平移线性驱动运动140一起移动。感测块68和72机械地耦合到相应驱动块22和26，以便相对于驱动运动是刚性的。因此，感测块68和72与驱动块22和26一起进行，因而被驱动以便具有沿着X-轴100的平移线性驱动运动140。此外，驱动块22和26，连同感测块68和72一起，被驱动以相对于彼此反相移动。正如结合图5将讨论的，感测块68和72被用于感测MEMS陀螺仪20绕Y-轴102的滚动角速率112。因此，感测块68和72中的每个在图4中被标记为滚动以强调它们感测滚动角速率112的能力。
驱动块24和28被配置成被驱动具有沿着Y-轴102、由箭头142表示的驱动运动。即，驱动块24和28被适当有弹性地锚定到衬底32以沿着Y-轴102与平移线性驱动运动142一起移动。感测块70和74机械地耦合到相应驱动块24和28，以便相对于驱动运动是刚性的。因此，感测块70和74与驱动块24和28一起进行，以便具有沿着Y-轴102的平移线性驱动运动142。此外，驱动块24和28，连同感测块70和74一起，被驱动以相对于彼此反相移动。正如结合图6将讨论的，感测块70和74被用于感测MEMS陀螺仪20绕X-轴100的俯仰角速率108。而且，正如结合图7将讨论的，感测块70和74被用于感测MEMS陀螺仪20绕Z-轴116的首摇角速率116。因此，感测块70和74中的每个在图4中被标记为俯仰/首摇以强调它们感测俯仰角速率108和首摇角速率116的能力。
根据实施例，驱动弹簧系统36、38、40、42的弹簧元件44、48、50的配置导致驱动移动，其中当驱动块22、26(以及对应地感测块68、72)被驱动以沿着X-轴100朝向中央区域34移动，并因此朝向彼此反相运动，驱动块24、28(以及相应地感测块70、74)被同时驱动以沿着Y-轴102远离中央区域34移动，并因此远离彼此反相运动。当然，由于驱动运动的振荡性质，当驱动块22、26(以及相应地感测块68、72)被驱动以沿着X-轴100远离中央区域34移动的时候，并因此远离彼此反相运动，驱动块24、28(以及相应地感测块70、74)被同时驱动以沿着Y-轴102朝向中央区域34移动，并因此朝向彼此反相运动。从而当驱动块24、28向外运动的时候，驱动块22、26向内运动，反之亦然。
一些现有技术陀螺仪设计要求驱动移动，其中两对驱动块一起向内运动，然后一起向外运动。这些陀螺仪设计可能遭受压膜阻尼。当两个类似形状的表面彼此接近和靠拢，并且在它们之间有气体或液体的时候，气体或液体不得不流出。与该流相关联的是粘度，这意味着移动表面的某些动能被耗散掉。该粘度和后续动能的耗散被称为“阻尼”。术语“压膜阻尼”指的是与流体(气体或液体)层的“挤压”相关联的阻尼效果。当然，当两个表面离开的越远，流体必须冲进表面之间的拓展空间。压膜阻尼是高度非线性的，这是因为阻尼系数的变化取决于表面的接近程度和气体的可压缩性。因此，压膜阻尼可以导致需要驱动移动的陀螺仪设计的传感器不精确，其中两对驱动块在该驱动运动中一起向内运动，然后一起向外运动。
由于随着驱动块22、26向外运动，驱动块24、28向内运动，反之亦然，所以与驱动块24、28相反的驱动块22、26的驱动运动导致明显更小的压膜阻尼。因此，驱动块22、24、26、28之间的间隙大致保持相同，正如它们之间的流体(例如，气体)。减小阻尼源，即，压膜阻尼，可以帮助MEMS陀螺仪20实现对真空级有较低要求的高性能(较低粘结要求、无吸气剂等等)，从而降低了制作MEMS陀螺仪20的复杂性和成本。
而且，与驱动块24、28相反的驱动块22、26的驱动运动可以导致更少的潜在能量转换，因此，导致MEMS陀螺仪20的本质上稳定的驱动模式。此外，实现包括通过驱动弹簧系统36、38、40、42互连的解耦帧降低了MEMS陀螺仪20的功能元件之间的机械耦合，这实现了更清洁的方式频谱。因此，降低功能元件之间的运动耦合可以导致对外部干扰不太敏感的更强健的MEMS陀螺仪设计。
由于存在互连驱动块22、24、26、28的驱动弹簧系统36、38、40、42，所以单驱动运动足以将所有驱动块22、24、26、28以及关联的感测块68、70、72和74设置处于运动。单驱动模式可以为多轴，特别是三轴MEMS陀螺仪设计节省大小和复杂性。即，它可以足以将固定和可移动驱动电极104、106耦合到仅仅一对驱动块22、24、26、28，这是因为其它对驱动块22、24、26、28由于顺应式驱动弹簧系统36、38、40、42而被设置处于运动。
图5示出了穿过图4的截面线5-5演示滚动感测的MEMS陀螺仪20的简化侧视图。当驱动运动140被应用于驱动块22、26和感测块68、72的时候，驱动运动140响应于MEMS陀螺仪20绕Y-轴102的旋转而生成了感测块68、72沿着Z-轴118的感测运动144。由于感测块68、72反相被驱动，所以感测块68、72所得到的感测运动144也将是反相的。感测运动144横向于衬底32的表面30并且是平移的，使得平坦表面130和134保持基本上平行于衬底32的表面30。感测块68和72的位移可被检测为在滚动感测电极114处的电容变化。
概括地说，当感测块68、72被驱动沿着X-轴100反相运动并且MEMS陀螺仪20经历绕Y-轴102的滚动角速率112的时候，驱动运动140生成“科里奥利力”，即，感测运动144。足够幅度的感测运动144将引起感测块68和72在横向于驱动运动140的方向(例如，横向于X-轴100)上并且横向于绕其发生旋转的轴的方向(例如，横向于Y-轴102)上的位移。感测块68和72的位移与滚动角速率112成比例，其可被检测为在感测电极114处的电容变化。
图6示出了穿过图4的截面线6-6演示俯仰感测的MEMS陀螺仪20的简化侧视图。当驱动运动142被应用于驱动块24、28和感测块70、74的时候，驱动运动142响应于MEMS陀螺仪20绕X-轴100的旋转而生成了感测块70、74沿着Z-轴118的感测运动146。由于感测块70、74被驱动反相运动，所以感测块70、74的所得到的感测运动146也将是反相的。感测运动146横向于衬底32的表面30并且是平移的，使得平坦表面132和136保持基本上平行于衬底32的表面30。感测块70和74的位移可被检测为在俯仰感测电极110处的电容变化。
概括地说，当感测块70、74被驱动沿着Y-轴102反相运动，并且MEMS陀螺仪20经历绕X-轴100的俯仰角速率108的时候，驱动运动142生成科里奥利力，即，感测运动146。足够幅度的感测运动146引起感测块70和74在横向于驱动运动142的方向(例如，横向于Y-轴102)上并且横向于绕其发生旋转的轴的方向(例如，横向于X-轴100)上的位移。感测块70和74的位移与俯仰角速率108成比例，其可被检测为在感测电极110处的电容变化。
在现有技术陀螺仪设计中，感测块或一些感测块通常以跷跷板的方式绕旋转轴倾斜。相比于具有平行平板运动陀螺仪设计，倾斜感测块陀螺仪设计效率较低。为了在倾斜感测块陀螺仪中实现类似于平行平板运动陀螺仪的灵敏性，需要降低操作频率、较小的感测间隙、较小的驱动感测频率间隙、较大的感测面积或其某种组合。不幸的是，降低器件的操作频率增加了器件对诸如声学噪声的外部干扰的敏感性，并且由于较小的设计趋向于增加操作频率，所以限制了器件小型化的程度。较小的感测间隙在加工过程中可能引起问题，这是因为在加工过程中，倾斜感测块结构可能重复撞击底层电极。这可能导致磨损电极和/或因此能产生产量损失的倾斜感测块结构。此外，由于小感测间隙，相对较大的静电力可由倾斜感测块结构生成。相对较大的静电力可能导致更严重的频率调谐影响，这可能进而导致灵敏性改变。较小的驱动感测频率间隙可以添加到工艺困难和其它ASIC相关的问题，并且较大的感测面积会导致违背于小型化努力的更大设计。
在MEMS陀螺仪20中，由于梁弹簧76(图1)的实现，平行平面运动被产生，其中由于沿着Z-轴118位移，感测块68、70、72、74保持基本上平行于衬底30的表面32。相对于倾斜感测块结构，这种配置有利地产生了灵敏性改善，而不需要小间隙和与小感测间隙相关联的问题。因此，相比于现有技术倾斜运动结构，更有效的感测可以提高MEMS陀螺仪的灵敏性，而不增加MEMS陀螺仪的尺寸。而且，可以实现在加工过程中的产量损失的减少。
图7示出了演示首摇感测的MEMS陀螺仪20的简化顶视图。当驱动运动142被应用于驱动块24、28和感测块70、74的时候，驱动运动142响应于MEMS陀螺仪20绕Z-轴118的旋转而生成了感测块70、74沿着X-轴100的感测运动148。由于感测块70、74被驱动反相运动，所以感测块70、74的所生成的感测运动148也将是反相的。感测运动148大致平行于衬底32的表面30并且是平移的。感测块70和74的位移可被检测为可移动和固定首摇感测电极120和122之间的电容变化。
中央区域34包括锚系统86、顺应式构件88、90、92、94和刚性梁96，它们允许反相移动并抑制感测块对的同相移动，其中感测块68、72形成一对并且感测块70、74形成另一对。正如之前简述的，刚性梁96的一个端子经由顺应式构件90耦合到感测块70，而刚性梁96的相对端子经由顺应式构件94耦合到感测块74。刚性梁96经由铰链元件150被“铰接”到锚系统86，并因此铰接到衬底32。由于铰链元件150的适当配置，刚性梁96在由X-轴100和Y-轴102定义的XY平面内可以响应于绕Z-轴118的首摇角速率116而绕约束的中心点，即大约是刚性梁96的中央旋转。因此，感测块70、74可以沿着X-轴100反相平移。
概括地说，当感测块70、74被驱动以沿着Y-轴100反相运动并且MEMS陀螺仪20经历绕Z-轴118的首摇角速率116的时候，驱动运动142生成了科里奥利力，即，感测运动148。足够幅度的感测运动148引起了感测块70和74在横向于驱动运动142的方向(例如，横向于Y-轴102)上并且横向于绕其发生旋转的轴的方向(例如，横向于Z-轴118)上的位移。感测块70和74的位移与首摇角速率116成比例，其可被检测为可移动和固定首摇感测电极120和122之间的电容变化。
因此，正如结合图5-7说明的，MEMS陀螺仪20能够感测绕笛卡尔参考系统的三个轴的角速率，其中该笛卡尔参考系统相对于MEMS陀螺仪20被固定。
图8示出了包括MEMS陀螺仪20的电子器件152的简化框图。电子器件152可在多个电子系统中被实现，诸如惯性导航系统、汽车系统、或便携式设备，例如游戏控制器、蜂窝电话、便携式计算机、数字音频播放器、照相机等等。电子器件152可能能够处理、存储、传输和接收信号和信息。在说明性实施例中，电子器件包括被配置成赋予驱动块22、24、26、28驱动运动的驱动电路154。例如，驱动信号156可通过驱动电路154以已知方式被提供给固定驱动电极104以引起驱动块22、26的驱动运动140和驱动块24、28的驱动运动142。电子器件还可包括可操作地耦合到与感测块68、70、72、74相关联的感测电极110、114、122(图1)的检测电路158。检测电路158可被配置成检测感测块68、70、72、74的位移的幅度并确定俯仰、滚动和首摇角速率108、112、116，并随后输出俯仰、滚动和首摇角速率108、112、116。
根据上述的详细描述，MEMS陀螺仪的实施例，包括：被配置成沿着第一轴被驱动进入第一驱动运动的第一驱动块和被配置成沿着横向于所述第一轴的第二轴被驱动进入第二驱动运动的第二驱动块，所述第一轴和第二轴中的每个平行于衬底的表面。驱动弹簧系统将所述第一驱动块与所述第二驱动块互连以将所述第一驱动运动耦合到所述第二驱动运动。第一感测块耦合到所述第一驱动块，使得所述第一驱动运动响应于所述MEMS陀螺仪的旋转而沿着第三轴生成所述第一感测块的第一感测运动。所述第三轴横向于所述第一轴和第二轴中的每个，以及所述第一感测运动是平移运动，使得所述第一感测块的第一平坦表面保持基本上平行于所述衬底的所述表面。第二感测块耦合到所述第二驱动块，使得所述第二驱动运动响应于所述MEMS陀螺仪的旋转而沿着所述第三轴生成所述第二感测块的第二感测运动。所述第二感测运动是平移运动，使得所述第一感测块的第二平坦表面保持基本上平行于所述衬底的所述表面。
此外，一种形成MEMS陀螺仪的方法的实施例，包括：形成第一驱动块和耦合到所述第一驱动块的第一感测块，所述第一驱动块被配置成沿着第一轴被驱动进入第一驱动运动。所述方法还包括形成第二驱动块和耦合到所述第二驱动块的第二感测块，所述第二驱动块被配置成沿着横向于所述第一轴的第二轴被驱动进入第二驱动运动，所述第一轴和第二轴平行于衬底的表面。形成驱动弹簧系统，所述驱动弹簧系统将所述第一驱动块与所述第二驱动块互连以将所述第一驱动运动耦合到所述第二驱动运动的。所述第一驱动运动响应于所述MEMS陀螺仪的旋转而沿着第三轴生成所述第一感测块的第一感测运动，所述第三轴横向于所述第一轴和第二轴中的每个，所述第一感测运动是平移运动，使得所述第一感测块的第一平坦表面保持基本上平行于所述衬底的所述表面。所述第二驱动运动响应于所述MEMS陀螺仪的旋转而沿着所述第三轴生成所述第二感测块的第二感测运动，所述第二感测运动是平移运动，使得所述第二感测块的第二平坦表面保持基本上平行于所述衬底的所述表面。
本发明所描述的实施例包括在多感测轴配置中具有单驱动模式的微机电系统(MEMS)陀螺仪和制作该MEMS陀螺仪的方法。该单驱动模式可以降低包括电子驱动电路的专用集成电路(ASIC)的复杂性以产生较低功耗和较小的ASIC设计。而且，该单驱动模式设计本质上具有很小的阻尼，其可以产生对真空级有较低要求的高器件性能(较低粘结要求、无吸气剂等等)，从而简化了制作。该MEMS陀螺仪实现了结合驱动弹簧系统的单驱动模式，其减少了功能元件之间的运动耦合以实现对外部干扰不太敏感的强健器件。而且，该MEMS陀螺仪具有可以增加器件的敏感性，而没有增大器件的尺寸的更高效的感测能力。该MEMS陀螺仪还具有可以增加器件的敏感性，而没有增大器件的尺寸的更高效的感测能力。
对特定实施例的上述描述充分揭示了本发明的一般特性，其他人可以通过运用当前知识，在不脱离一般概念的情况下很容易地对其进行修改和/或调整以适合各种应用。因此，这些调整和修改是在本发明实施例的意图和等同物范围中进行的。本发明主题包含所有这些替代物、修改、等同物、以及在所附权利要求的精神和宽范中的变化。例如，驱动块和/或感测块可以具有不同形状，例如圆环、圆盘、矩形等等。此外，驱动块和感测块的排列可不同于所示出的。此外，驱动电机可与驱动块对和/或固定感测电极对相关联，因为首摇角速率感测可与驱动块对相关联。因此，应了解，示例实施例仅仅是例子，它们并不旨在限制本发明的范围、适用性或配置。

Claims (19)

1.一种MEMS陀螺仪，包括：
第一驱动块，所述第一驱动块被配置成沿着第一轴被驱动进入第一驱动运动；
第二驱动块，所述第二驱动块被配置成沿着横向于所述第一轴的第二轴被驱动进入第二驱动运动，所述第一轴和第二轴中的每个平行于衬底的表面；
驱动弹簧系统，所述驱动弹簧系统将所述第一驱动块与所述第二驱动块互连以将所述第一驱动运动耦合到所述第二驱动运动；
第一感测块，所述第一感测块耦合到所述第一驱动块，使得所述第一驱动运动响应于所述MEMS陀螺仪的旋转而沿着第三轴生成所述第一感测块的第一感测运动，所述第三轴横向于所述第一轴和第二轴中的每个，所述第一感测运动是平移运动，使得所述第一感测块的第一平坦表面保持基本上平行于所述衬底的所述表面；以及
第二感测块，所述第二感测块耦合到所述第二驱动块，使得所述第二驱动运动响应于所述MEMS陀螺仪的旋转而沿着所述第三轴生成所述第二感测块的第二感测运动，所述第二感测运动是平移运动，使得所述第一感测块的第二平坦表面保持基本上平行于所述衬底的所述表面；
其中所述驱动弹簧系统包括：
第一弹簧元件，所述第一弹簧元件耦合到所述第一驱动块和所述第二驱动块中的每个；
锚元件，所述锚元件耦合到所述衬底；
第二弹簧元件，所述第二弹簧元件互连在所述第一驱动块和所述锚元件之间；以及
第三弹簧元件，所述第三弹簧元件互连在所述第二驱动块和所述锚元件之间；
其中所述第一弹簧元件不需要与所述第二弹簧元件和所述第三弹簧元件互连。
2.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪，其中所述驱动弹簧系统是第一驱动弹簧系统，并且所述MEMS陀螺仪还包括：
第三驱动块，所述第三驱动块被配置成沿着所述第一轴被驱动进入所述第一驱动运动；
第四驱动块，所述第四驱动块被配置成沿着所述第二轴被驱动进入所述第二驱动运动；
第二驱动弹簧系统，所述第二驱动弹簧系统将所述第二驱动块与所述第三驱动块互连；
第三驱动弹簧系统，所述第三驱动弹簧系统将所述第三驱动块与所述第四驱动块互连；
第四驱动弹簧系统，所述第四驱动弹簧系统将所述第四驱动块与所述第一驱动块互连。
3.根据权利要求2所述的MEMS陀螺仪，其中：
所述第一驱动块、第二驱动块、第三驱动块和第四驱动块围绕中央区域均匀地排列；以及
所述MEMS陀螺仪还包括被配置成将所述第一驱动运动赋予所述第一驱动块的驱动组件，使得当所述第一驱动块和第三驱动块被驱动沿着所述第一轴朝向所述中央区域移动的时候，所述第二驱动块和第四驱动块同时沿着所述第二轴远离所述中央区域移动。
4.根据权利要求2所述的MEMS陀螺仪，还包括：
第三感测块，所述第三感测块耦合到所述第三驱动块，使得所述第一驱动运动响应于所述MEMS陀螺仪的旋转而沿着所述第三轴生成所述第三感测块的所述第一感测运动；
第四感测块，所述第四感测块耦合到所述第四驱动块，使得所述第二驱动运动响应于所述MEMS陀螺仪的旋转而沿着所述第三轴生成所述第四感测块的所述第二感测运动；
锚系统，所述锚系统耦合到所述衬底，其中所述第一感测块、第二感测块、第三感测块和第四感测块围绕所述锚系统被排列；以及
顺应式构件，其中所述第一感测块、第二感测块、第三感测块和第四感测块中的每个经由所述顺应式构件耦合到所述锚系统。
5.根据权利要求4所述的MEMS陀螺仪器件，其中：
所述顺应式构件中的第一顺应式构件互连在所述第一感测块和第三感测块中的每个与所述锚系统之间，所述顺应式构件的所述第一顺应式构件启动了所述第一感测块和第三感测块在反相的所述第一感测运动；以及
所述顺应式构件的第二顺应式构件互连在所述第二感测块和第四感测块中的每个与所述锚系统之间，所述顺应式构件的所述第二顺应式构件启动了所述第二感测块和第四感测块在所述反相的所述第二感测运动。
6.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪，还包括多梁弹簧，其中第一对所述梁弹簧将所述第一感测块与所述第一驱动块互连，以及第二对所述梁弹簧将所述第二感测块与所述第二驱动块互连。
7.根据权利要求6所述的MEMS陀螺仪，其中所述多梁弹簧中的每个包括：
第一顺应式端子；
第二顺应式端子，所述第一顺应式端子和第二顺应式端子中的每个被配置成在与所述衬底的所述表面垂直的平面外倾斜；以及
梁部，所述梁部横跨在所述第一顺应式端子和第二顺应式端子之间，所述梁部相对于所述第一顺应式端子和第二顺应式端子是刚性的。
8.根据权利要求6所述的MEMS陀螺仪，其中：
所述梁弹簧中的每个包括具有纵轴的梁部；
所述第一对所述梁弹簧的所述梁弹簧位于所述第一感测块的相对边缘，其中所述第一对的所述每个梁弹簧的每个所述梁部的所述纵轴彼此对齐；以及
所述第二对所述梁弹簧的所述梁弹簧位于所述第二感测块的相对边缘，其中所述第二对的所述每个梁弹簧的每个所述梁部的所述纵轴彼此对齐。
9.根据权利要求6所述的MEMS陀螺仪，其中：
所述第一对所述梁弹簧的所述梁弹簧被定位成在所述第一感测块的第一重心合作地保持所述第一感测块处于平衡；以及
所述第二对所述梁弹簧的所述梁弹簧被定位成在所述第二感测块的第二重心合作地保持所述第二感测块处于平衡。
10.根据权利要求9所述的MEMS陀螺仪，还包括：
锚系统，所述锚系统耦合到所述衬底的所述表面；
第一顺应式构件，所述第一顺应式构件互连在所述第一感测块和所述锚系统之间，其中所述第一顺应式构件连同所述第一对所述梁弹簧的所述梁弹簧被定位成在所述第一重心保持所述第一感测块处于所述平衡；以及
第二顺应式构件，所述第二顺应式构件互连在所述第二感测块和所述锚系统之间，其中所述第二顺应式构件连同所述第二对所述梁弹簧的所述梁弹簧被定位成在所述第二重心保持所述第二感测块处于所述平衡。
11.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪，其中：
所述第一驱动运动被配置成响应于所述MEMS陀螺仪绕所述第二轴的旋转而沿着所述第三轴生成所述第一感测运动；
所述第二驱动运动被配置成响应于所述MEMS陀螺仪绕所述第一轴的旋转而沿着所述第三轴生成所述第二感测运动；以及
所述第一驱动运动被配置成响应于所述MEMS陀螺仪绕所述第三轴的旋转而生成所述第一感测块和第二感测块之一的第三感测运动。
12.一种MEMS陀螺仪，包括：
第一驱动块，所述第一驱动块被配置成沿着第一轴被驱动进入第一驱动运动；
第二驱动块，所述第二驱动块被配置成沿着横向于所述第一轴的第二轴被驱动进入第二驱动运动，所述第一轴和第二轴中的每个平行于衬底的表面；
驱动弹簧系统，所述驱动弹簧系统将所述第一驱动块与所述第二驱动块互连以将所述第一驱动运动耦合到所述第二驱动运动，所述驱动弹簧系统包括耦合到所述第一驱动块和所述第二驱动块中的每个的第一弹簧元件、耦合到所述衬底的锚元件、互连在所述第一驱动块和所述锚元件之间的第二弹簧元件、以及互连在所述第二驱动块和所述锚元件之间的第三弹簧元件，其中所述第一弹簧元件直接耦合到第一驱动块和第二驱动块中的每一个而不需要与所述第二弹簧元件和所述第三弹簧元件互连；
第一感测块；
第二感测块；
第一对梁弹簧，所述第一对梁弹簧将所述第一感测块耦合到所述第二驱动块，使得所述第一驱动运动响应于所述MEMS陀螺仪的旋转而沿着第三轴生成所述第一感测块的第一感测运动，所述第三轴横向于所述第一轴和第二轴中的每个，所述第一感测运动是平移运动，使得所述第一感测块的第一平坦表面保持基本上平行于所述衬底的所述表面；以及
第二对梁弹簧，所述第二对梁弹簧将所述第二感测块耦合到所述第二驱动块，使得所述第二驱动运动响应于所述MEMS陀螺仪的旋转而沿着所述第三轴生成所述第二感测块的所述第二感测运动，所述第二感测运动是平移运动，使得所述第二感测块的第二平坦表面保持基本上平行于所述衬底的所述表面。
13.根据权利要求12所述的MEMS陀螺仪，其中所述第一对梁弹簧和第二对梁弹簧中的每个所述梁弹簧包括：
第一顺应式端子；
第二顺应式端子，所述第一顺应式端子和第二顺应式端子中的每个被配置成在与所述衬底的所述表面垂直的平面外倾斜；以及
梁部，所述梁部横跨在所述第一顺应式端子和第二顺应式端子之间，所述梁部相对于所述第一顺应式端子和第二顺应式端子是刚性的。
14.根据权利要求12所述的MEMS陀螺仪，其中：
所述第一对所述梁弹簧的所述梁弹簧被定位成在所述第一感测块的第一重心合作地保持所述第一感测块处于平衡；以及
所述第二对所述梁弹簧的所述梁弹簧被定位成在所述第二感测块的第二重心合作地保持所述第二感测块处于平衡。
15.根据权利要求12所述的MEMS陀螺仪，其中所述驱动弹簧系统是第一驱动弹簧系统，并且所述MEMS陀螺仪还包括：
第三驱动块，所述第三驱动块被配置成沿着所述第一轴被驱动进入所述第一驱动运动；
第四驱动块，所述第四驱动块被配置成沿着所述第二轴被驱动进入所述第二驱动运动；
第二驱动弹簧系统，所述第二驱动弹簧系统将所述第二驱动块与所述第三驱动块互连；
第三驱动弹簧系统，所述第三驱动弹簧系统将所述第三驱动块与所述第四驱动块互连；
第四驱动弹簧系统，所述第四驱动弹簧系统将所述第四驱动块与所述第一驱动块互连。
16.一种形成MEMS陀螺仪的方法，包括：
形成第一驱动块和耦合到所述第一驱动块的第一感测块，所述第一驱动块被配置成沿着第一轴被驱动进入第一驱动运动；
形成第二驱动块和耦合到所述第二驱动块的第二感测块，所述第二驱动块被配置成沿着横向于所述第一轴的第二轴被驱动进入第二驱动运动，所述第一轴和第二轴平行于衬底的表面；
形成驱动弹簧系统，所述驱动弹簧系统将所述第一驱动块与所述第二驱动块互连以将所述第一驱动运动耦合到所述第二驱动运动，所述驱动弹簧系统包括：第一弹簧元件，所述第一弹簧元件耦合到所述第一驱动块和所述第二驱动块中的每个；锚元件，所述锚元件耦合到所述衬底；第二弹簧元件，所述第二弹簧元件互连在所述第一驱动块和所述锚元件之间；以及第三弹簧元件，所述第三弹簧元件互连在所述第二驱动块和所述锚元件之间，其中所述第一弹簧元件不需要与所述第二弹簧元件和所述第三弹簧元件互连；
其中：
所述第一驱动运动响应于所述MEMS陀螺仪的旋转而沿着第三轴生成所述第一感测块的第一感测运动，所述第三轴横向于所述第一轴和第二轴中的每个，所述第一感测运动是平移运动，使得所述第一感测块的第一平坦表面保持基本上平行于所述衬底的所述表面；以及
所述第二驱动运动响应于所述MEMS陀螺仪的旋转而沿着所述第三轴生成所述第二感测块的第二感测运动，所述第二感测运动是平移运动，使得所述第二感测块的第二平坦表面保持基本上平行于所述衬底的所述表面。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述驱动弹簧系统是第一驱动弹簧系统，并且所述方法还包括：
形成第三驱动块和耦合到所述第三驱动块的第三感测块，所述第三驱动块被配置成沿着所述第一轴被驱动进入所述第一驱动运动；
形成第四驱动块和耦合到所述第四驱动块的第四感测块，所述第四驱动块被配置成沿着所述第二轴被驱动进入所述第二驱动运动；
形成第二驱动弹簧系统，所述第二驱动弹簧系统将所述第二驱动块与所述第三驱动块互连；
形成第三驱动弹簧系统，所述第三驱动弹簧系统将所述第三驱动块与所述第四驱动块互连；以及
形成第四驱动弹簧系统，所述第四驱动弹簧系统将所述第四驱动块与所述第一驱动块互连，其中：
所述第一驱动运动响应于所述MEMS陀螺仪的旋转而沿着所述第三轴附加地生成所述第三感测块的所述第一感测运动；以及
所述第二驱动运动响应于所述MEMS陀螺仪的旋转而沿着所述第三轴附加地生成所述第四感测块的所述第二感测运动。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括：
将所述第一驱动块、第二驱动块、第三驱动块和第四驱动块围绕中央区域均匀地排列；
形成被配置成将所述第一驱动运动赋予所述第一驱动块的驱动组件，使得当所述第一驱动块和第三驱动块被驱动沿着所述第一轴朝向所述中央区域移动的时候，所述第二驱动块和第四驱动块同时沿着所述第二轴远离所述中央区域移动。
19.根据权利要求16所述的方法，其中：
所述第一驱动运动被配置成响应于所述MEMS陀螺仪绕所述第二轴的旋转而沿着所述第三轴生成所述第一感测运动；
所述第二驱动运动被配置成响应于所述MEMS陀螺仪绕所述第一轴的旋转而沿着所述第三轴生成所述第二感测运动；以及
所述第一驱动运动被配置成响应于所述MEMS陀螺仪绕所述第三轴的旋转而生成所述第一感测块和第二感测块的第三感测运动。
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