CN106370889A - 具有双重质量块和集成式阻尼结构的多轴惯性传感器 - Google Patents

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Abstract

一种惯性传感器包括从衬底悬置且通过横杆互连的第一可移动元件和第二可移动元件。第二可移动元件邻近于第一可移动元件横向放置，并且可移动元件中的每一个具有相对于旋转轴不对称的质量块。第一弹簧系统将第一可移动元件耦合到衬底并且第二弹簧系统将第二可移动元件耦合到衬底。弹簧系统和横杆使得可移动元件能够响应于施加在可移动元件上的力一起移动。具体地说，第一可移动元件和第二可移动元件可以响应于施加在感测方向上的例如加速度等力而经历平面内扭转运动。另外，阻尼结构可以集成到第一可移动元件和第二可移动元件中以有效地增大由平面内扭转运动引起的装置的阻尼比。

Description

具有双重质量块和集成式阻尼结构的多轴惯性传感器
技术领域
本发明大体上涉及微机电系统(Microelectromechanical system，MEMS)装置。更具体地说，本发明涉及例如三轴加速计等MEMS装置。
背景技术
近年来，微机电系统(Microelectromechanical system，MEMS)技术已经实现广泛普及，因为微机电系统提供了制造极小的机械结构并使用常规成批半导体处理技术将这些结构与电气装置集成在单个衬底上的方法。MEMS的一个常见应用是传感器装置的设计和制造。MEMS传感器广泛用于汽车、惯性导引系统、家用电器、游戏装置、用于各种装置的保护系统以及许多其它工业、科学和工程系统等应用。
MEMS传感器的一个例子是MEMS加速计。MEMS加速计对加速度或加速力敏感。这些力可能是类似恒定重力的静态力，或这些力可以是由移动或振动传感器引起的动态力。加速计可以感测沿一个、两个或三个轴或方向的加速力。从此信息中可以确定安装加速计的装置的移动或朝向。
通常，MEMS加速计通过电容的改变对加速度做出反应，这导致连接到传感器的带电电路的输出发生改变。MEMS加速计的一个常见形式使用在加速度下在衬底之上移动的一个或多个可移动结构。可移动结构的移动改变电容，并且连接到MEMS加速计结构的电路测量电容的改变以确定加速力。此类MEMS加速计广泛用于多种感测应用中。举例来说，车辆或汽车应用可使用MEMS加速计来确定何时展开车辆安全气囊或激活稳定性和/或牵引力控制系统。另外，例如视频游戏控制器、个人媒体播放器、蜂窝电话和数码相机等消费型电子装置也在多种应用中使用MEMS加速计来检测朝向和/或响应于装置的移动。
传统上，为了感测沿着多个轴的运动，已提供加速计，该加速计包括响应于加速度而独立于彼此移动的多个感测质量块。随着这些装置继续在大小上缩减，所希望的是减小这些感测质量块的整体大小。但是减小感测质量块的整体大小会使得提供所希望的灵敏度和可靠性变得越发困难。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种惯性传感器，包括：
衬底；
第一可移动元件，所述第一可移动元件从所述衬底悬置；
第二可移动元件，所述第二可移动元件从所述衬底悬置并且邻近于所述第一可移动元件横向放置，所述第一可移动元件和所述第二可移动元件中的每一个具有相对于旋转轴不对称的质量块；
第一弹簧系统，所述第一弹簧系统将所述第一可移动元件耦合到所述衬底；以及
第二弹簧系统，所述第二弹簧系统将所述第二可移动元件耦合到所述衬底，其中所述第一弹簧系统和所述第二弹簧系统使得所述第一可移动元件和所述第二可移动元件能够响应于在至少两个正交方向上施加于所述第一可移动元件和所述第二可移动元件上的力一起移动。
根据本发明的另一方面，一种惯性传感器，包括：
衬底；
第一可移动元件，所述第一可移动元件从所述衬底悬置；
第二可移动元件，所述第二可移动元件从所述衬底悬置并且邻近于所述第一可移动元件横向放置，所述第一可移动元件和所述第二可移动元件中的每一个具有相对于旋转轴不对称的质量块；
横杆，所述横杆在所述第一可移动元件与所述第二可移动元件之间互连；
第一弹簧系统，所述第一弹簧系统将所述第一可移动元件耦合到所述衬底，所述第一弹簧系统包括在所述旋转轴处耦合到所述衬底的第一锚定元件以及具有耦合到所述第一锚定元件的第一端和耦合到所述第一可移动元件的第二端的第一弹簧；以及
第二弹簧系统，所述第二弹簧系统将所述第二可移动元件耦合到所述衬底，所述第二弹簧系统包括在所述旋转轴处耦合到所述衬底的第二锚定元件以及具有耦合到所述第二锚定元件的第三端和耦合到所述第二可移动元件的第四端的第二弹簧，其中所述横杆以及所述第一弹簧系统和所述第二弹簧系统使得所述第一可移动元件和所述第二可移动元件能够响应于在至少两个正交方向上施加于所述第一可移动元件和所述第二可移动元件上的力一起移动。
根据本发明的另一个方面，提供一种惯性传感器，包括：
衬底；
第一可移动元件，所述第一可移动元件从所述衬底悬置；
第二可移动元件，所述第二可移动元件从所述衬底悬置并且邻近于所述第一可移动元件横向放置，所述第一可移动元件和所述第二可移动元件中的每一个具有相对于旋转轴不对称的质量块；
第一阻尼结构，所述第一阻尼结构从所述第一可移动元件的第一内部边缘朝向所述第二可移动元件延伸；
第二阻尼结构，所述第二阻尼结构从所述第二可移动元件的第二内部边缘朝向所述第一可移动元件延伸；
第一弹簧系统，所述第一弹簧系统将所述第一可移动元件耦合到所述衬底；以及
第二弹簧系统，所述第二弹簧系统将所述第二可移动元件耦合到所述衬底，所述第一弹簧系统和所述第二弹簧系统使得所述第一可移动元件和所述第二可移动元件能够一起移动，其中：
所述第一弹簧系统和所述第二弹簧系统促进所述第一可移动质量块和所述第二可移动质量块响应于在基本上平行于所述衬底的表面的第一方向上施加于所述第一可移动元件和所述第二可移动元件上的第一力进行平移运动；
所述第一弹簧系统和所述第二弹簧系统另外促进所述第一可移动质量块和所述第二可移动质量块响应于在基本上平行于所述衬底的所述表面的第二方向上施加于所述第一可移动元件和所述第二可移动元件上的第二力进行平面内扭转运动，所述第二方向基本上正交于所述第一方向；并且
所述第二阻尼结构与所述第一阻尼结构操作性耦合以衰减由所述平面内扭转运动引起的所述第一可移动质量块和所述第二可移动质量块的振荡响应。
附图说明
当结合附图考虑时，通过参考具体实施方式和权利要求书可以得到对本发明的更完整理解，其中相同的附图标记贯穿附图指代类似的项目，附图未必按比例绘制，并且：
图1示出了根据实施例的微机电系统(microelectromechanical system，MEMS)惯性传感器的俯视图；
图2示出了沿着图1中的剖面线2-2的MEMS惯性传感器的侧视图；
图3示出了MEMS惯性传感器的简化俯视图；
图4示出了经受第一方向上的加速力的MEMS惯性传感器的简化俯视图；
图5示出了经受第二方向上的加速力的MEMS惯性传感器的简化俯视图；
图6示出了经受第三方向上的加速力的惯性传感器装置的简化侧视图；
图7示出了图1的MEMS惯性传感器的局部俯视图，其中阻尼结构集成到该MEMS惯性传感器的双重可移动元件中；以及
图8示出了经历平面内扭转运动的图7的MEMS惯性传感器的局部俯视图。
具体实施方式
总的来说，本文中所公开的实施例需要在当前应用所希望的较小形状因数方面具有改进的灵敏度和可靠性的微机电系统(microelectromechanical systems，MEMS)装置。这些MEMS装置可以包括惯性传感器，例如，MEMS加速计，且具体地说，可以感测由三个轴(例如，X轴、Y轴和Z轴)限定的三个正交方向(例如，X方向、Y方向、Z方向)上的加速度的三轴MEMS加速计。一般而言，本文中描述的实施例可以通过促进用于在所有三个方向上进行感测的校验质量块的共享来提供具有改进的灵敏度和可靠性的相对较小的装置大小。更具体地说，MEMS惯性传感器包括双重校验质量块配置，该双重校验质量块配置可以承受在响应于施加在感测方向上的力的平面内扭转运动下的相对较大变形。此相对较大的变形可以在感测方向上提供改进的灵敏度。另外，阻尼结构可以集成到MEMS惯性传感器中以有效地实现针对平面内扭转运动的较大阻尼比，而对感测方向上的装置灵敏度具有可忽略的影响。双重校验质量块配置和阻尼结构可改进MEMS装置的平面内扭转运动的总体效率。虽然在本文中描述了采用加速计形式的MEMS惯性传感器，但是应理解，双重校验质量块配置和阻尼结构可以适用于在其它MEMS装置中用来实现灵敏度和/或可靠性的改进。
提供本发明以另外通过能够实现的方式对在应用时制造和使用根据本发明的各种实施例的最佳模式进行解释。另外提供本发明以加强对本发明的创造性原理及优点的理解和了解，而不是以任何方式限制本发明。本发明仅由所附权利要求书限定，包括在发布的本申请案和那些权利要求的所有等效物的未决期间进行的任何修正。
参考图1和2，图1示出了根据实施例的MEMS惯性传感器20的俯视图，而图2示出了沿着图1中的剖面线2-2的MEMS惯性传感器20的侧视图。MEMS惯性传感器20一般被配置成感测由三维坐标系中的三个轴(X轴22、Y轴24和Z轴26)限定的三个正交方向(例如，X方向、Y方向、Z方向)上的加速力。相应地，MEMS惯性传感器20在本文中被称作加速计20。按照惯例，加速计20被示出为在X-Y平面28内具有大体上平坦的结构，其中X轴22在页面上向右和向左指向，Y轴24在页面上向上和向下指向，并且Z轴26指向页面外(在图1中垂直于X-Y平面28)。相应地，在图2的侧视图图示中，呈现三维坐标系，其中Y轴24在页面上向右和向左指向，Z轴26在页面上向上和向下指向，并且X轴22指向页面外。
加速计20大体上包括两个可移动元件，在本文中被称作第一校验质量块30和第二校验质量块32，其中第二校验质量块32邻近于第一校验质量块30横向放置。加速计20另外包括两个悬浮弹簧系统，在本文中被称作第一弹簧系统34和第二弹簧系统36。第一弹簧系统34被配置成将第一校验质量块30可移动地耦合到衬底40的表面38。类似地，第二弹簧系统36被配置成将第二校验质量块32可移动地耦合到衬底40的表面38。应理解，本文中所使用的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等等并不是指加速计20的元件的顺序排序或优先排序。实际上，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等等是为了描述的清楚起见而用于区分各个元件。
在一个实施例中，第一弹簧系统34包括第一锚定元件42和第一弹簧44。第一锚定元件42在第一校验质量块30的旋转轴46(下文论述)处耦合到衬底40，并且第一弹簧44与第一锚定元件42和第一校验质量块30互连。类似地，第二弹簧系统36包括第二锚定元件48和第二弹簧50。第二锚定元件48在旋转轴46处耦合到衬底40，并且第二弹簧50与第二锚定元件48和第二校验质量块32互连。
第一弹簧系统34和第二弹簧系统36促进它们对应的第一校验质量块30和第二校验质量块32响应于在基本上平行于衬底40的表面38的第一方向上施加于第一校验质量块30和第二校验质量块32上的加速力进行平移运动。在所示的实施例中，加速力基本上平行于Y轴24。因此，加速力的方向在本文中被称作Y方向52。响应于Y方向52上的加速力，第一校验质量块30和第二校验质量块32将一起移动，两者都经历Y方向52上的平移运动。第一校验质量块30和第二校验质量块32的此平移运动用于检测在基本上平行于衬底40的表面38的Y方向52上的加速度。
在一个实施例中，第一校验质量块30和第二校验质量块32中的每一个具有相对于旋转轴46不对称的质量块。在所示的实施例中，旋转轴46基本上平行于X轴22。也就是说，第一校验质量块30包括放置在旋转轴46的第一侧面56上的第一部分54和放置在旋转轴46的第二侧面60上的第二部分58。类似地，第二校验质量块32包括放置在旋转轴46的第一侧面56上的第三部分62和放置在旋转轴46的第二侧面60上的第四部分64。因此，第一部分54和第三部分62在第一侧面56处邻近于彼此安置，并且第二部分58和第四部分64在旋转轴46的相对的第二侧面60处邻近于彼此安置。
第一部分54和第三部分62具有比第二部分58和第四部分64更大的质量。在一些实施例中，这可以通过使旋转轴46从第一校验质量块30和第二校验质量块32的几何中心偏移得以实现。由于第一弹簧系统34和第二弹簧系统36以及不对称质量块的配置，响应于在同样基本上平行于衬底40的表面38的第二方向上施加于第一校验质量块30和第二校验质量块32上的加速力，第一校验质量块30和第二校验质量块32可经历平面内扭转运动(即，围绕Z轴26的枢转运动)。在所示的实施例中，加速力基本上平行于X轴22。因此，加速力的方向在本文中被称作X方向66。响应于X方向66上的加速力，第一校验质量块30和第二校验质量块32将一起移动，两者都经历围绕基本上垂直于X-Y平面28的枢转轴(即，围绕Z轴26)的平面内扭转运动。
在一个实施例中，响应于X方向66上的加速力，第一校验质量块30将经历围绕第一枢转轴(在图1中由点65表示)的平面内扭转运动。第一枢转轴65大体上位于旋转轴46处并且相对于X轴22在第一校验质量块30上大致居中。类似地，响应于X方向66上的加速力，第二校验质量块32将经历围绕第二枢转轴(在图1中由点67表示)的平面内扭转运动。第二枢转轴67大体上位于旋转轴46处并且相对于X轴22在第二校验质量块32上大致居中。第一校验质量块30和第二校验质量块32的平面内扭转运动用于检测在基本上平行于衬底40的表面38且垂直于Y方向52的X方向66上的加速度。
应观察到，横杆68在第一校验质量块30与第二校验质量块32之间互连。具体地说，横杆68具有耦合到第一校验质量块30的第一部分54的第一外部边缘72的第一端70以及耦合到第二校验质量块32的第三部分62的第二外部边缘76的第二端74。第一外部边缘72和第二外部边缘76在安置于第一校验质量块30与第二校验质量块32之间的加速计20的中线78的远端。横杆68在平行于Z轴26的竖直方向上具有足够刚性，以在很大程度上防止第一校验质量块30和第二校验质量块32在平行于Z轴26的加速度下“摆动”运动。
此外，第一弹簧系统34和第二弹簧系统36另外促进第一校验质量块30和第二校验质量块32响应于在基本上平行于Z轴26的方向上的加速力而围绕旋转轴46进行平面外旋转运动。也就是说，第一弹簧系统34和第二弹簧系统36促进第一校验质量块30和第二校验质量块32围绕旋转轴46的类似跷跷板的旋转。围绕旋转轴46的不对称质量块和旋转使得第一校验质量块30和第二校验质量块32能够检测第三方向上的加速度，第三方向在本文中被称作Z方向80(图2)，该方向平行于Z轴26并且与衬底40的表面38正交。响应于Z方向80上的加速力，第一校验质量块30和第二校验质量块32将一起移动，两者都经历围绕旋转轴46的平面外旋转运动。因此，在所示的实施例中，加速计20是适用于检测沿着三个正交轴的加速力的多轴感测装置。
电极82、84、86、88被耦合到衬底40的表面38，并且可以安置在延伸穿过第一校验质量块30和第二校验质量块32这两者的开口中。电极82、84、86、88用于差分信号评估，以便随着电极82、84、86、88与第一校验质量块30和第二校验质量块32之间的电容改变感测在Y方向52和X方向66中的每一个方向上的加速度。电极82、84、86、88可以放置成尽可能接近旋转轴46(相对于Y方向52)，以便使在第一校验质量块30和第二校验质量块32围绕旋转轴46的旋转运动与由Y方向52和/或X方向66中的任一方向上的加速度引起的第一校验质量块30和第二校验质量块32的位移(平移运动或平面内旋转运动)之间的感测信号的交叉耦合降到最少。
用于检测平面内扭转运动的最有效位置是尽可能远离枢转轴。因此，典型配置可以具有单个校验质量块，该单个校验质量块具有放置在校验质量块的外侧位置处的电极(相对于X方向66)。加速计20的双重校验质量块配置使得电极能够布置在两个枢转轴65、67的两侧上(相对于X方向66)。相应地，对于第一校验质量块30，电极82、84靠近第一外部边缘72放置，并且电极86、88靠近第一校验质量块30的第一内部边缘90放置，其中第一内部边缘90比第一外部边缘72更接近加速计20的中线78。相反地，对于第二校验质量块32，电极82、84靠近第二校验质量块32的第二内部边缘92放置，并且电极86、88靠近第二外部边缘76放置，其中第二内部边缘100比第二外部边缘76更接近加速计20的中线78。通过每个校验质量块30、32围绕其相应的枢转轴65、67枢转且在平面内运动下的相对较大变形的位置处包含电极82、84、86、88，加速计20的双重校验质量块结构致使相对较高的电容改变，由此增强对在X方向66上的加速力(即，X轴加速度)的灵敏度。
同样，第一校验质量块30和第二校验质量块32的运动另外基于差分信号评估的操作的跷跷板原理，以便检测基本上平行于Z轴26的Z方向80上的加速度。相应地，电极94、96形成于衬底40的表面38上，在旋转轴46的相对侧面上的第一校验质量块30和第二校验质量块32中的每一个下方。对应的电极98、100形成于第一校验质量块30和第二校验质量块32的下侧面上或集成到第一校验质量块30和第二校验质量块32。出于说明性目的，电极98、100示出为从第一校验质量块30和第二校验质量块32的下侧面向外延伸，其中电极98面向电极94且电极100面向电极96。
电极94、96、98、100用于随电极94、96与第一校验质量块30和第二校验质量块32之间的电容改变检测Z方向80上的加速度。电极94、96、98、100可以尽可能远离旋转轴46(在图2中由点表示)放置，并且以等效距离远离旋转轴46移置。相对于更接近旋转轴46的位置，电极94、96、98、100的移置后的位置因第一校验质量块30和第二校验质量块32围绕旋转轴46枢转而导致更大的间隙宽度改变，以便产生相对较高的电容改变且由此增强灵敏度。
在多轴加速计中，难以匹配平面内扭转运动(例如，由X方向66上的加速力引起)与平面外感测运动(例如，由Z方向80上的加速力引起)的阻尼比。实际上，平面内扭转运动的阻尼比可以显著低于平面外感测运动的阻尼比。低阻尼比(即，弱阻尼装置)会引起可能潜在地损坏加速计的高振幅谐振峰值。另外，低阻尼比使得难以增大加速计的带宽。
在一些实施例中，加速计20可以包括阻尼系统以便有效地增大平面内扭转运动的阻尼比。因此，加速计20另外包括从第一校验质量块30的第一部分54的第一内部边缘90延伸的第一阻尼结构102。类似地，加速计20另外包括从第二校验质量块32的第三部分62的第二内部边缘92延伸且被引导朝向第一校验质量块30的第二阻尼结构104。因此，第一阻尼结构102和第二阻尼结构104在第一校验质量块30和第二校验质量块32的重端处位于远离旋转轴46。
第二阻尼结构104与第一阻尼结构102操作性耦合以衰减第一校验质量块30和第二校验质量块32的振荡响应。具体地说，第一阻尼结构102包括从第一校验质量块30延伸的多个第一指形件106，并且第二阻尼结构104包括从第二校验质量块32延伸的与第一指形件106交错的多个第二指形件108。如将结合图7和8论述的，第一阻尼结构102和第二阻尼结构104的交错指形件106、108协作用于衰减第一校验质量块30和第二校验质量块32由平面内扭转运动引起的振荡响应。
图3示出了MEMS惯性传感器(即，加速计20)的简化俯视图。在图3中，加速计20呈现为处于非活跃状态中，其中该加速计20当前并不经受待测量或检测的加速力。加速计20的简化俯视图包括经由横杆68互连的第一校验质量块30和第二校验质量块32。第一校验质量块30经由第一弹簧系统34悬置在衬底40的表面38上方，该第一弹簧系统34包括第一锚定元件42和第一弹簧44。类似地，第二校验质量块32经由第二弹簧系统36悬置在衬底的表面38上方，该第二弹簧系统36包括第二锚定元件48和第二弹簧50。为了说明的简单起见，在图3和随后的图4-6中未示出第一阻尼系统102和第二阻尼系统104(图1)。
为了说明的简单起见，电极82、84、86、88在第一校验质量块30和第二校验质量块32的它们的对应的四分体中整体由单个对应的电极82、84、86、88表示。另外，在图3中，电极82标记为“A”、电极84标记为“B”、电极86标记为“C”并且电极88标记为“D”。形成于衬底40的表面38上的电极94、96在图3的视图中被第一校验质量块30和第二校验质量块32遮挡，且因此以虚线形式示出。另外，在图3中电极94标记为“Z+”且电极96标记为“Z-”。
图4示出了经受第一方向上的加速力的图3的加速计20的简化俯视图。更具体地说，加速计20经受在基本上平行于Y轴24的Y方向52上的加速力110。因此，加速力110在本文中被称作Y轴加速度110并且在图4中标记为AY。第一弹簧系统34和第二弹簧系统36促进第一校验质量块30和第二校验质量块32响应于在基本上平行于衬底40的表面38的Y方向52上施加于第一校验质量块30和第二校验质量块32上的Y轴加速度110进行平移运动。借助于实例，如图4中所示，第一校验质量块30和第二校验质量块32已经在页面上基本上平行于Y轴24向上移动。因此，图4展示第一校验质量块30和第二校验质量块32响应于Y轴加速度110的平移运动112。
对于Y轴加速度(AY)，可以差分方式使用电极82、84、86、88与第一校验质量块30和第二校验质量块32之间的电容改变值(ΔC)，以确定指示Y轴加速度110的幅值的输出信号，如下：
Ay＝(ΔCA+ΔCC)-(ΔCB+ΔCD)
图5示出了经受第二方向上的加速力的图3的加速计20的简化俯视图。更具体地说，加速计20经受在基本上平行于X轴22的X方向66上的加速力114。因此，加速力114在本文中被称作X轴加速度114并且在图5中标记为AX。第一弹簧系统34和第二弹簧系统36促进第一校验质量块30和第二校验质量块32响应于在基本上平行于衬底40的表面38的X方向52上施加于第一校验质量块30和第二校验质量块32上的X轴加速度114进行平面内扭转运动。借助于实例，如图5中所示，第一校验质量块30已经围绕第一枢转轴65枢转并且第二校验质量块32已经围绕第二枢转轴67枢转。因此，图5展示第一校验质量块30和第二校验质量块32响应于X轴加速度114的平面内扭转运动116。
对于X轴加速度(AX)，可以差分方式使用电极82、84、86、88与第一校验质量块30和第二校验质量块32之间的电容改变值(ΔC)，以确定指示X轴加速度114的幅值的输出信号，如下：
AX＝(ΔCA+ΔCD)-(ΔCB+ΔCC)
图6示出了经受第三方向上的加速力的图3的加速计20的简化俯视图。更具体地说，加速计20经受在基本上平行于Z轴26的Z方向80上的加速力118。因此，加速力118在本文中被称作Z轴加速度118并且在图6中标记为AZ。第一弹簧系统34和第二弹簧系统36另外促进第一校验质量块30和第二校验质量块32响应于在基本上垂直于衬底40的表面38的Z方向80上施加于第一校验质量块30和第二校验质量块32上的Z轴加速度118而围绕旋转轴46进行平面外旋转运动。借助于实例，如图6中所示，第一校验质量块30和第二校验质量块32已经响应于Z轴加速度118以跷跷板方式围绕旋转轴46旋转。因此，图6展示第一校验质量块30和第二校验质量块32响应于Z轴加速度118的平面外旋转运动120。
对于Z轴加速度(AZ)，可以差分方式使用电极94、96与第一校验质量块30和第二校验质量块32之间的电容改变值(ΔC)，以确定指示Z轴加速度118的幅值的输出信号，如下：
AZ＝(ΔCZ+-ΔCZ-)
现在参考图7和8，图7示出了加速计20的局部俯视图，其中第一阻尼结构102和第二阻尼结构104集成到第一校验质量块30和第二校验质量块32中，而图8示出了经历平面内扭转运动116的图7的加速计20的局部俯视图。图7具体地展示了加速计20的非活跃状态，其中第一校验质量块30和第二校验质量块32未经受X轴加速度114。
图8示出了其中X轴加速度114引起第一校验质量块30和第二校验质量块32的平面内扭转运动116的情况。当第一校验质量块30和第二校验质量块32经历平面内扭转运动116时，交错的第一指形件106和第二指形件108垂直于指形件106、108的表面(即，纵向侧面)的运动使得挤压膜阻尼相对于不含此类阻尼结构的系统有效增大。此挤压膜阻尼的增大可以有利地衰减第一校验质量块30和第二校验质量块32的振荡响应，该振荡响应原本可能损坏加速计20。此外，通过有效地衰减振荡响应(即，增大阻尼比)，可以实现加速计20的带宽的改变。
总而言之，MEMS惯性传感器在较小形状因数方面具有改进的灵敏度和可靠性。惯性传感器的一个实施例包括：衬底；从衬底悬置的第一可移动元件；以及从衬底悬置并邻近于第一可移动元件横向放置的第二可移动元件。第一可移动元件和第二可移动元件中的每一个具有相对于旋转轴不对称的质量块。第一弹簧系统将第一可移动元件耦合到衬底并且第二弹簧系统将第二可移动元件耦合到衬底。第一弹簧系统和第二弹簧系统使得第一可移动元件和第二可移动元件能够响应于在至少两个正交方向上施加在第一可移动元件和第二可移动元件上的力一起移动。
惯性传感器的另一实施例包括：衬底；从衬底悬置的第一可移动元件；以及从衬底悬置并邻近于第一可移动元件横向放置的第二可移动元件。第一可移动元件和第二可移动元件中的每一个具有相对于旋转轴不对称的质量块。第一阻尼结构从第一可移动元件的第一内部边缘朝向第二可移动元件延伸，并且第二阻尼结构从第二可移动元件的第二内部边缘朝向第一可移动元件延伸。第一弹簧系统将第一可移动元件耦合到衬底并且第二弹簧系统将第二可移动元件耦合到衬底。第一弹簧系统和第二弹簧系统使得第一可移动元件和第二可移动元件能够一起移动。第一弹簧系统和第二弹簧系统促进第一可移动质量块和第二可移动质量块响应于在基本上平行于衬底的表面的第一方向上施加于第一可移动元件和第二可移动元件上的第一力进行平移运动。第一弹簧系统和第二弹簧系统另外促进第一可移动质量块和第二可移动质量块响应于在基本上平行于衬底的表面的第二方向上施加于第一可移动元件和第二可移动元件上的第二力进行平面内扭转运动，该第二方向基本上正交于该第一方向。第二阻尼结构与第一阻尼结构操作性耦合以衰减由平面内扭转运动引起的第一可移动质量块和第二可移动质量块的振荡响应。
本文中描述的实施例可以通过促进用于在所有三个方向上进行感测的校验质量块的共享来提供具有改进的灵敏度和可靠性的相对较小的装置大小。更具体地说，双重校验质量块配置可以承受在响应于施加在感测方向上的力的平面内扭转运动下的相对较大变形。此相对较大的变形可以在感测方向上提供改进的灵敏度。另外，阻尼结构可以集成到惯性传感器中以有效地实现针对平面内扭转运动的较大阻尼比，而对感测方向上的装置灵敏度具有可忽略的影响。双重校验质量块配置和阻尼结构可改进惯性传感器的平面内扭转运动的总体效率。
本发明旨在阐明设计和使用根据本发明的各种实施例的方式而非限制本发明的真实、既定和公平的范围及精神。以上描述并不意图是详尽的或将本发明限于所公开的确切形式。鉴于以上教示，可以进行许多修改或变化。选择和描述实施例是为了提供对本发明的原理和本发明的实际应用的最佳说明，并且使本领域的技术人员能够在各种实施例中并用适合于所预期特定用途的各种修改来利用本发明。当根据清楚地、合法地并且公正地赋予的权利的广度来解释时，所有这样的修改和变化及其所有等效物均处于如由所附权利要求书所确定的本发明的保护范围内，并且在本专利申请的未决期间可以修正。

Claims (20)

1.一种惯性传感器，其特征在于，包括：
衬底；
第一可移动元件，所述第一可移动元件从所述衬底悬置；
第二可移动元件，所述第二可移动元件从所述衬底悬置并且邻近于所述第一可移动元件横向放置，所述第一可移动元件和所述第二可移动元件中的每一个具有相对于旋转轴不对称的质量块；
第一弹簧系统，所述第一弹簧系统将所述第一可移动元件耦合到所述衬底；以及
第二弹簧系统，所述第二弹簧系统将所述第二可移动元件耦合到所述衬底，其中所述第一弹簧系统和所述第二弹簧系统使得所述第一可移动元件和所述第二可移动元件能够响应于在至少两个正交方向上施加于所述第一可移动元件和所述第二可移动元件上的力一起移动。
2.根据权利要求1所述的惯性传感器，其特征在于：
所述第一弹簧系统和所述第二弹簧系统促进所述第一可移动质量块和所述第二可移动质量块响应于在基本上平行于所述衬底的表面的第一方向上施加于所述第一可移动元件和所述第二可移动元件上的第一力进行平移运动；并且
所述第一弹簧系统和所述第二弹簧系统另外促进所述第一可移动质量块和所述第二可移动质量块响应于在基本上平行于所述衬底的所述表面的第二方向上施加于所述第一可移动元件和所述第二可移动元件上的第二力进行平面内扭转运动，所述第二方向基本上正交于所述第一方向。
3.根据权利要求2所述的惯性传感器，其特征在于，所述第一弹簧系统和所述第二弹簧系统另外促进所述第一可移动质量块和所述第二可移动质量块中的每一个响应于在基本上垂直于所述衬底的所述表面的第三方向上施加于所述第一可移动元件和所述第二可移动元件上的第三力而围绕所述旋转轴进行平面外旋转运动。
4.根据权利要求1所述的惯性传感器，其特征在于，另外包括在所述第一可移动元件与所述第二可移动元件之间互连的横杆。
5.根据权利要求4所述的惯性传感器，其特征在于：
所述第一可移动元件包括放置在所述旋转轴的第一侧面上的第一部分以及放置在所述旋转轴的第二侧面上的第二部分，所述第一部分具有比所述第二部分更大的质量；
所述第二可移动元件包括放置在所述旋转轴的所述第一侧面上的第三部分以及放置在所述旋转轴的所述第二侧面上的第四部分，所述第三部分具有比所述第四部分更大的质量；并且
所述横杆具有耦合到所述第一可移动元件的所述第一部分的第一外部边缘的第一端以及耦合到所述可移动元件的所述第三部分的第二外部边缘的第二端，所述第一外部边缘和所述第二外部边缘在安置于所述第一可移动元件与所述第二可移动元件之间的所述惯性传感器的中线的远端。
6.根据权利要求1所述的惯性传感器，其特征在于：
所述第一可移动元件和所述第二可移动元件安置在置于所述第一可移动元件与所述第二可移动元件之间的中线的相对侧面上，所述中线基本上平行于所述第一可移动元件和所述第二可移动元件的平移运动的方向朝向；并且
所述旋转轴基本上平行于所述衬底的表面并且基本上垂直于所述中线。
7.根据权利要求1所述的惯性传感器，其特征在于：
所述第一弹簧系统包括在所述旋转轴处耦合到所述衬底的第一锚定元件以及具有耦合到所述第一锚定元件的第一端和耦合到所述第一可移动元件的第二端的第一弹簧；并且
所述第二弹簧系统包括在所述旋转轴处耦合到所述衬底的第二锚定元件以及具有耦合到所述第二锚定元件的第三端和耦合到所述第二可移动元件的第四端的第二弹簧。
8.根据权利要求1所述的惯性传感器，其特征在于，另外包括耦合到所述衬底的表面的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，其中：
对于所述第一可移动元件，所述第一电极和所述第二电极靠近所述第一可移动元件的第一外部边缘放置，并且所述第三电极和所述第四电极靠近所述第一可移动元件的第一内部边缘放置；并且
对于所述第二可移动元件，所述第一电极和所述第二电极靠近所述第二可移动元件的第二内部边缘放置，并且所述第三电极和所述第四电极靠近所述第二可移动元件的第二外部边缘放置，所述第一内部边缘和所述第二内部边缘比所述第一外部边缘和所述第二外部边缘更接近于所述惯性传感器的中线放置。
9.根据权利要求1所述的惯性传感器，其特征在于，另外包括：
第一阻尼结构，所述第一阻尼结构从所述第一可移动元件的第一内部边缘延伸；以及
第二阻尼结构，所述第二阻尼结构从所述第二可移动元件的第二内部边缘朝向所述第一可移动元件延伸，所述第二阻尼结构与所述第一阻尼结构操作性耦合以衰减所述第一可移动元件和所述第二可移动元件的振荡响应。
10.根据权利要求9所述的惯性传感器，其特征在于：
所述第一弹簧系统和所述第二弹簧系统促进所述第一可移动元件和所述第二可移动元件响应于在基本上平行于所述衬底的所述表面的方向上施加于所述第一可移动元件和所述第二可移动元件上的力进行平面内扭转运动；并且
所述第一阻尼结构和所述第二阻尼结构衰减由所述平面内扭转运动引起的所述第一可移动元件和所述第二可移动元件的所述振荡响应。
11.根据权利要求9所述的惯性传感器，其特征在于：
所述第一可移动元件包括放置在所述旋转轴的第一侧面上的第一部分以及放置在所述旋转轴的第二侧面上的第二部分，所述第一部分具有比所述第二部分更大的质量；
所述第二可移动元件包括放置在所述旋转轴的所述第一侧面上的第三部分以及放置在所述旋转轴的所述第二侧面上的第四部分，所述第三部分具有比所述第四部分更大的质量；
所述第一阻尼结构从所述第一可移动元件的所述第一部分延伸；并且
所述第二阻尼结构从所述第二可移动元件的所述第三部分延伸。
12.根据权利要求9所述的惯性传感器，其特征在于：
所述第一阻尼结构包括从所述第一可移动元件延伸的多个第一指形件；并且
所述第二阻尼结构包括从所述第二可移动元件延伸并且与所述第一指形件交错的多个第二指形件。
13.一种惯性传感器，其特征在于，包括：
衬底；
第一可移动元件，所述第一可移动元件从所述衬底悬置；
第二可移动元件，所述第二可移动元件从所述衬底悬置并且邻近于所述第一可移动元件横向放置，所述第一可移动元件和所述第二可移动元件中的每一个具有相对于旋转轴不对称的质量块；
横杆，所述横杆在所述第一可移动元件与所述第二可移动元件之间互连；
第一弹簧系统，所述第一弹簧系统将所述第一可移动元件耦合到所述衬底，所述第一弹簧系统包括在所述旋转轴处耦合到所述衬底的第一锚定元件以及具有耦合到所述第一锚定元件的第一端和耦合到所述第一可移动元件的第二端的第一弹簧；以及
第二弹簧系统，所述第二弹簧系统将所述第二可移动元件耦合到所述衬底，所述第二弹簧系统包括在所述旋转轴处耦合到所述衬底的第二锚定元件以及具有耦合到所述第二锚定元件的第三端和耦合到所述第二可移动元件的第四端的第二弹簧，其中所述横杆以及所述第一弹簧系统和所述第二弹簧系统使得所述第一可移动元件和所述第二可移动元件能够响应于在至少两个正交方向上施加于所述第一可移动元件和所述第二可移动元件上的力一起移动。
14.根据权利要求13所述的惯性传感器，其特征在于：
所述第一弹簧系统和所述第二弹簧系统促进所述第一可移动质量块和所述第二可移动质量块响应于在基本上平行于所述衬底的表面的第一方向上施加于所述第一可移动元件和所述第二可移动元件上的第一力进行平移运动；
所述第一弹簧系统和所述第二弹簧系统促进所述第一可移动质量块和所述第二可移动质量块响应于在基本上平行于所述衬底的所述表面的第二方向上施加于所述第一可移动元件和所述第二可移动元件上的第二力进行平面内扭转运动，所述第二方向基本上正交于所述第一方向；并且
所述第一弹簧系统和所述第二弹簧系统促进所述第一可移动质量块和所述第二可移动质量块中的每一个响应于在基本上垂直于所述衬底的所述表面的第三方向上施加于所述第一可移动元件和所述第二可移动元件上的第三力而围绕所述旋转轴进行平面外旋转运动。
15.根据权利要求13所述的惯性传感器，其特征在于：
所述第一可移动元件包括放置在所述旋转轴的第一侧面上的第一部分以及放置在所述旋转轴的第二侧面上的第二部分，所述第一部分具有比所述第二部分更大的质量；
所述第二可移动元件包括放置在所述旋转轴的所述第一侧面上的第三部分以及放置在所述旋转轴的所述第二侧面上的第四部分，所述第三部分具有比所述第四部分更大的质量；并且
所述横杆具有耦合到所述第一可移动元件的所述第一部分的第一外部边缘的第一端以及耦合到所述可移动元件的所述第三部分的第二外部边缘的第二端，所述第一外部边缘和所述第二外部边缘在安置于所述第一可移动元件与所述第二可移动元件之间的所述惯性传感器的中线的远端。
16.根据权利要求13所述的惯性传感器，其特征在于，另外包括耦合到所述衬底的表面的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，其中：
对于所述第一可移动元件，所述第一电极和所述第二电极靠近所述第一可移动元件的第一外部边缘放置，并且所述第三电极和所述第四电极靠近所述第一可移动元件的第一内部边缘放置；并且
对于所述第二可移动元件，所述第一电极和所述第二电极靠近所述第二可移动元件的第二内部边缘放置，并且所述第三电极和所述第四电极靠近所述第二可移动元件的第二外部边缘放置，所述第一内部边缘和所述第二内部边缘比所述第一外部边缘和所述第二外部边缘更接近于所述惯性传感器的中线放置。
17.一种惯性传感器，其特征在于，包括：
衬底；
第一可移动元件，所述第一可移动元件从所述衬底悬置；
第二可移动元件，所述第二可移动元件从所述衬底悬置并且邻近于所述第一可移动元件横向放置，所述第一可移动元件和所述第二可移动元件中的每一个具有相对于旋转轴不对称的质量块；
第一阻尼结构，所述第一阻尼结构从所述第一可移动元件的第一内部边缘朝向所述第二可移动元件延伸；
第二阻尼结构，所述第二阻尼结构从所述第二可移动元件的第二内部边缘朝向所述第一可移动元件延伸；
第一弹簧系统，所述第一弹簧系统将所述第一可移动元件耦合到所述衬底；以及
第二弹簧系统，所述第二弹簧系统将所述第二可移动元件耦合到所述衬底，所述第一弹簧系统和所述第二弹簧系统使得所述第一可移动元件和所述第二可移动元件能够一起移动，其中：
所述第一弹簧系统和所述第二弹簧系统促进所述第一可移动质量块和所述第二可移动质量块响应于在基本上平行于所述衬底的表面的第一方向上施加于所述第一可移动元件和所述第二可移动元件上的第一力进行平移运动；
所述第一弹簧系统和所述第二弹簧系统另外促进所述第一可移动质量块和所述第二可移动质量块响应于在基本上平行于所述衬底的所述表面的第二方向上施加于所述第一可移动元件和所述第二可移动元件上的第二力进行平面内扭转运动，所述第二方向基本上正交于所述第一方向；并且
所述第二阻尼结构与所述第一阻尼结构操作性耦合以衰减由所述平面内扭转运动引起的所述第一可移动质量块和所述第二可移动质量块的振荡响应。
18.根据权利要求17所述的惯性传感器，其特征在于：
所述第一可移动元件包括放置在所述旋转轴的第一侧面上的第一部分以及放置在所述旋转轴的第二侧面上的第二部分，所述第一部分具有比所述第二部分更大的质量；
所述第二可移动元件包括放置在所述旋转轴的所述第一侧面上的第三部分以及放置在所述旋转轴的所述第二侧面上的第四部分，所述第三部分具有比所述第四部分更大的质量；并且
所述惯性传感器另外包括横杆，所述横杆具有耦合到所述第一可移动元件的所述第一部分的第一外部边缘的第一端以及耦合到所述可移动元件的所述第三部分的第二外部边缘的第二端，所述第一外部边缘和所述第二外部边缘在安置于所述第一可移动元件与所述第二可移动元件之间的所述惯性传感器的中线的远端。
19.根据权利要求17所述的惯性传感器，其特征在于：
所述第一可移动元件包括放置在所述旋转轴的第一侧面上的第一部分以及放置在所述旋转轴的第二侧面上的第二部分，所述第一部分具有比所述第二部分更大的质量；
所述第二可移动元件包括放置在所述旋转轴的所述第一侧面上的第三部分以及放置在所述旋转轴的所述第二侧面上的第四部分，所述第三部分具有比所述第四部分更大的质量；
所述第一阻尼结构从所述第一可移动元件的所述第一部分延伸；并且
所述第二阻尼结构从所述第二可移动元件的所述第三部分延伸。
20.根据权利要求17所述的惯性传感器，其特征在于；
所述第一阻尼结构包括从所述第一可移动元件延伸的多个第一指形件；并且
所述第二阻尼结构包括从所述第二可移动元件延伸并且与所述第一指形件交错的多个第二指形件。
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