CN109520489B - 用于减小非线性运动的构型 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及用于减小非线性运动的构型。其中，披露了用于修改弹簧质量构型的多个实施例，这些实施例将不想要的非线性运动对MEMS传感器的影响最小化。这些修改包括以下任何各项中的任一项或任何组合：在该弹簧质量构型的多个旋转结构之间提供一个刚性元件、在这些旋转结构之间调谐一个弹簧系统并且将一个电消除系统联接至这些旋转结构上。在进行这样不想要的线性运动时，将例如不想要的二阶谐振运动最小化。

Description

用于减小非线性运动的构型
本申请是申请日为2015年1月21日，申请号为201510030426.6，发明名称为“用于减小非线性运动的构型”的申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请根据美国法典第35卷第119条第(e)款要求于2014年1月21日提交的题目为“3轴框架微陀螺仪的性能改进(PERFORMANCE IMPROVEMENTS ON 3-AXIS FRAME MICROGYROSCOPES)”美国临时专利申请号61/929,838的权益，该申请通过引用以其全部内容结合在此。
发明领域
本发明总体上涉及角速度传感器并且更具体地涉及包括被引导质量系统的角速度传感器。
背景
角速度的感测通常是通过使用振荡式速率陀螺仪来进行的。振荡式速率陀螺仪广泛地通过驱动传感器进行第一运动并且测量传感器响应于该第一运动和有待感测的角速度进行的第二运动来起作用。
通常，传感器内的一个质量(通常被称为检测质量)被一个致动器驱动而进行振荡。传感器的旋转对该振荡质量施加了一个科里奥利力，这个力是与角速度(或转速)成正比的并且取决于角速度矢量相对于该检测质量的速度矢量的取向。科里奥利力、角速度矢量以及该检测质量的速度矢量是相互正交的。例如，在围绕Y轴旋转的一个传感器中沿X方向运动的一个检测质量受到Z指向的科里奥利力。类似地，在围绕Z轴旋转的一个传感器中沿X方向运动的一个检测质量受到Y指向的科里奥利力。最后，在围绕X轴旋转的一个传感器中沿X方向运动的一个检测质量不受科里奥利力。被施加至该检测质量的这些科里奥利力通常是通过测量该传感器中响应于这些科里奥利力而得到的多个运动来间接感测的。
用于感测围绕一条平面内轴线(即X轴或Y轴)的角速度的传统陀螺仪可以是平面外驱动的，并且科里奥利响应是在平面内感测的或者反之亦然。平面外驱动与平面内驱动相比趋向于是更低效的、需要额外制造步骤、并且受到非线性特性的限制。例如，平面外驱动该检测质量可能在该检测质量下面需要一个大的竖直空隙或一个空腔以便提供足够的空间来供该检测质量振荡。在该检测质量之下形成一个空腔需要额外制造步骤并且增加成本。典型地，使用平行板式静电致动器来在平面外驱动该检测质量。这些致动器被形成在该检测质量与基板之间。静电力取决于该检测质量与该基板之间的空隙。因为这个检测质量在平面外振荡，静电力是非线性的，这趋向于限制装置性能。另外，由于在该检测质量之下需要具有大的竖直空隙或一个空腔，这个静电力被减小。实现大幅度振荡需要大的力并且可能需要高电压致动。增加高电压致动增大了集成电路的制造成本和复杂性。
此外，传统的多轴陀螺仪可能使用以独立频率振荡的多个结构来感测角速率。每个结构都需要一个单独的驱动电路来使对应的检测质量振荡。具有不止一个驱动电路使成本和功率消耗增大。
相应地，所希望的是提供一种克服了以上问题的系统和方法。
概述
本发明解决了这样的需要。
披露了用于修改弹簧质量构型的多个实施例，这些实施例将不想要的非线性运动对微电子机械系统(MEMS)传感器的影响最小化。这些修改包括以下各项中的任何一项或任何组合：在该弹簧质量构型的多个旋转结构之间提供一个刚性元件、在这些旋转结构之间调谐一个弹簧系统并且将一个电消除系统联接至这些旋转结构上。在进行这样不想要的线性运动时，将例如不想要的二阶谐振运动最小化。
本公开的实施例涉及以下方面：
(1)在一方面，披露了MEMS传感器。该MEMS传感器包括第一和第二旋转臂。该第一和第二旋转臂彼此联接并且该第一和第二旋转臂被配置成用于在被驱动进行振荡时逆向旋转。该MEMS传感器还包括至少一个前进系统。该至少一个前进系统联接至该第一和第二旋转臂上。最后，该MEMS传感器包括用于驱动该至少一个前进系统进行振荡的至少一个致动器。该至少一个前进系统在被驱动进行振荡时在第一方向上移动。
(2)如(1)所述的MEMS传感器，其中该前进系统在一个平行于该基板的平面中移动。
(3)如(1)所述的MEMS传感器，其中该第一和第二旋转臂通过一组柔性元件而联接至该基板上的一个锚定件上。
(4)如(1)所述的MEMS传感器，其中该至少一个前进系统包括至少一个前进质量和至少一个柔性元件。
(5)如(1)所述的MEMS传感器，进一步包括用于感测该至少一个前进系统的一部分的运动的至少一个换能器。
(6)如(5)所述的MEMS传感器，其中该至少一个换能器可以是电容式换能器或光学式换能器或压电式换能器中的任何一种。
(7)如(5)所述的MEMS传感器，其中该至少一个换能器感测该前进系统的一部分在与该第一方向共面且正交的一个第二方向上的运动。
(8)如(7)所述的MEMS传感器，其中该至少一个前进系统通过一个第一柔性元件联接至该第一旋转臂上并且该前进系统通过一个第二柔性元件联接至该第二旋转臂上。
(9)如(7)所述的MEMS传感器，其中该至少一个前进系统包括彼此相联接的至少一个前进质量和至少一个检测质量；
其中该至少一个前进质量和该至少一个检测质量被驱动进行振荡时在该第一方向上移动。
(10)如(9)所述的MEMS传感器，其中该至少一个检测质量旋转小于该旋转臂。
(11)如(8)所述的MEMS传感器，其中该第一和第二柔性元件对于平面内旋转是顺应性的。
(12)如(8)所述的MEMS传感器，其中该前进系统包括一个前进质量并且该前进质量联接至该第一和第二柔性元件上。
(13)如(4)所述的MEMS传感器，其中至少一个检测质量柔性地联接至该前进质量上并且可以相对于该前进质量在该第二方向上移动。
(14)如(12)所述的MEMS传感器，其中该第一和第二旋转臂是相对于该前进系统而对称地布置的。
(15)如(1)所述的MEMS传感器，其中该前进系统包括一个第一前进质量以及一个第二前进质量，其中该第一前进质量通过该第一柔性元件联接至该第一旋转臂上并且该第二前进质量提供该第二柔性元件联接至该第二旋转臂上；其中第一和第二前进质量通过一个第三柔性元件彼此相联接。
(16)如(15)所述的MEMS传感器，其中该第一前进质量柔性地联接至至少一个检测质量上，并且该至少一个检测质量能够在该第二方向上相对于该前进质量移动。
(17)如(15)所述的MEMS传感器，其中该第一前进质量柔性地联接至至少一个第一检测质量上，其中该第二前进质量柔性地联接至至少一个第二检测质量上；至少一个第一检测质量和至少一个第二检测质量能够在该第二方向上分别相对于该第一前进质量和该第二前进质量移动。
(18)如(15)所述的MEMS传感器，其中一个第一换能器感测该第一前进质量的一部分在该第二方向上的运动并且一个第二换能器感测该第二前进质量的一部分在该第二方向上的运动。
(19)如(15)所述的MEMS传感器，其中一个第一换能器感测该至少一个第一检测质量的一部分在该第二方向上的运动，其中一个第二换能器感测该至少一个第二检测质量的一部分在该第二方向上的运动。
(20)如(9)所述的MEMS传感器，包括用于检测该至少一个检测质量的至少一部分响应于角速度的运动的至少一个换能器。
附图说明
图1分别展示了四个不同的弹簧质量构型10、11、12和13。
图2A和图2B展示了包括一个被引导质量系统的一个单轴陀螺仪的实施例。
图3展示了根据本发明包括被引导质量系统的一个单轴陀螺仪的实施例。
图4展示了被引导质量系统的修改以消除该驱动运动的二阶谐振分量。
图5展示了根据本发明的一个实施例包括一个平衡的被引导质量系统的一个单轴陀螺仪的另一个实施例。
图6a和图6b展示了根据本发明包括多重被引导质量系统的一个三轴陀螺仪的实施例。
详细描述
本发明总体上涉及角速度传感器并且更具体地涉及包括被引导质量系统的角速度传感器。以下描述是为了使本领域普通技术人员能够制造和使用本发明而提出的并且是在专利申请及其要求的上下文中提供的。对优选实施例的各种修改和在此描述的一般原理及特征对本领域普通技术人员非常明显。因此，本发明不旨在局限于所示出的实施例而是旨在符合与在此描述的原理和特征一致的最广泛范围。
微电子机械系统(MEMS)是指通过使用类半导体工艺而制成的并且展现出机械特性例如移动或变形能力的一类装置。MEMS通常但不总是与电信号相互作用。MEMS装置可以指代作为微电子机械系统来实现的一个半导体装置。MEMS装置包括多个机械元件并且任选地包括进行感测的多个电子器件。MEMS装置包括但不限于陀螺仪、加速计、磁力计、以及压力传感器。
图1分别展示了可以用于MEMS传感器中的四个不同的弹簧质量构型10、11、12和13。一个第一弹簧质量构型10包括一个弹簧质量系统10A。弹簧质量系统10A包括一个杠杆臂20A、一个检测质量30A、一个线性弹簧40A以及附接到一个稳定点60A上的一个铰链50A。弹簧质量系统10A中的检测质量30A具有三个自由度。检测质量30A可以围绕从铰链50A的中心经过并且垂直于第一平面(在本实施例中为XY平面)的一条轴线旋转一个角度θ，并且当它在X-Y平面中旋转时可以在X和Y方向上平移。虽然图1中未详细示出，但是铰链50A具有有限的平移顺应性，并且线性弹簧40A具有有限的旋转顺应性。如果假设弹簧40A的长度是可忽略的并且杠杆臂20A的长度是L。则质量30A的X方向运动通过以下等式给出：
Xd＝Lsin(θ)≈Lθ (等式-1)
其中Xd是检测质量30A的X方向平移运动。由于检测质量30A的运动是旋转式的，则检测质量30A的运动还存在Y方向分量，可以用以下给定等式来表示：
Figure BDA0001827207720000061
其中Yd是检测质量的Y方向平移运动。
如果质量30A以一个频率ωd(称为驱动频率)被驱动，其中该驱动频率可以是该弹簧质量系统10A的自然频率，则用于质量30A的旋转驱动运动的等式可以这样给出：
θ＝|θ|sin(ωdt) (等式3)
接着检测质量30A以该驱动频率的X方向运动可以这样给出：
Xd≈L|θ|sin(ωdt) (等式4)
检测质量30A的Y方向运动可以通过以下等式来表示：
Figure BDA0001827207720000071
如在等式4和5中可以看到，检测质量30A的Y方向运动是该驱动频率的两倍。这个行为是由于检测质量30A的旋转移动的非线性。如果通过杠杆臂20A以该驱动频率来在X方向驱动该质量，则总是存在为该驱动频率两倍的Y方向振荡，被称为二阶谐振。
二阶谐振对在一个方向上被驱动的MEMS传感器而言可能是不理想的并且感测运动是与该驱动方向共面且正交的。作为一个示例，如果X方向是该驱动方向并且感测方向是Y方向，则这些杠杆臂的非线性运动产生了在Y方向上具有为该驱动频率两倍的频率的错误信号。因此，对这些情况而言，需要通过使用可以添加至弹簧质量系统10A的特定的结构和元件来消除该非线性运动的Y方向分量。为了描述与被引导质量构型10相关的问题，现在结合附图进行如下讨论。
图2A展示了包括一个被引导质量系统500的一个单轴陀螺仪的实施例。被引导质量系统500被布置在平行于基板101的X-Y平面中并且包括连接至偏摆检测质量518a上的一个被引导质量系统100。被引导质量系统100包括引导臂104a和104b，这两个引导臂通过至少一个锚固点106a经由弹簧108a和108b而柔性地联接至基板101上。这两个引导臂104a和104b经由弹簧103a和103b而柔性地联接至一个检测质量102a上。偏摆检测质量518a经由偏摆弹簧520a-520d而柔性地连接至检测质量102a上。
检测质量102a和偏摆检测质量518a、引导臂104a和104b、锚固点106a、以及弹簧103a、103b、108a和108b形成了一个平坦的四杆联动系统。弹簧103a、103b、108a和108b围绕Z方向上的轴线是平面内顺应性的而使得每个引导臂104a和104b可以进行平面内旋转而检测质量102a在X方向上平移，如图2B所示。偏摆弹簧520a-520d在X方向上是刚性的而使得当被引导质量系统100在X方向上平移时，偏摆检测质量518a还随着检测质量102a平移。
静电致动器(例如梳状驱动器109a和109b)连接至检测质量102a上以便驱动该被引导质量系统100。在本实施例中，使用了两个静电致动器。
然而，本领域普通技术人员容易认识到可以提供一个静电致动器并且使用一个静电致动器是位于本发明的精神和范围内。另外，虽然将贯穿本说明书将静电致动器描述为用于驱动这些被引导质量系统的致动器，但是本领域普通技术人员应认识到对于这个功能可以使用各种不同的致动器并且这种使用是位于本发明的精神和范围内。例如，这些致动器可以是压电式、热式或电磁式等。
被引导质量系统500可以连接至致动器109a和109b上的单个驱动电路以驱动频率驱动。该驱动频率可以是被引导质量系统500的共振频率。当被引导质量系统500被驱动时，引导臂104a和104b在平面内旋转并且检测质量102a和偏摆检测质量518a在平面内在X方向上平移。
围绕Z方向上的偏摆输入轴线的角速度使得将导致一个科里奥利力在Y方向上作用在偏摆检测质量518a上，从而导致偏摆检测质量518a在Y方向上运动。使用一个电容式电极522a来感测偏摆检测质量518a在Y方向上的运动，这提供了对围绕该偏摆输入轴线的角速度的测量。
在根据本发明的系统和方法中可以使用各种类型的换能器。例如，代替使用电容式电极522a，还可以使用压电式或光学式等换能器并且其使用是位于本发明的精神和范围内。
被引导质量系统500可以简单地由图1所示的弹簧质量系统10A表示。杠杆臂104a-104b类似于杠杆臂20A，被引导质量系统500的这些弹簧103a-103b、108a-108b以及520a-520d在Y方向上是顺应性的。因此，弹簧40A可以是这些弹簧103a-103b、108a-108b以及520a-520d在y方向上的顺应性的代表。当检测质量30A附接至弹簧40A上时，检测质量102a和偏摆检测质量518a分别附接至弹簧103a-103b和520a-520d上。最后，附接至锚固件106a上的弹簧108a-108b的平面内旋转顺应性可以由铰链50A和稳定点60A来表示。
如图2B所示，检测质量102a的中心的运动具有非线性运动。当检测质量102a和偏摆检测质量518a在X方向上被驱动时，在Y方向上还存在为该驱动频率两倍的运动，这是因为该驱动运动的非线性特性，如已经在图1中针对弹簧质量构型10进行解释的。以该驱动频率的两倍的运动还可以称为被引导质量系统500的二阶谐振运动。在图2A所示的单轴陀螺仪中，二阶谐振运动由电容式电极522a作为一个错误信号所感测，并且其可以误导读数或使前端电子器件饱和。
在某些条件下，被引导质量系统500也可以用作一个双轴陀螺仪。如果弹簧108a和108b在X方向上围绕第一横摇感测轴线是顺应性的，那么引导臂104a和104b可以进行平面外旋转，由此引导臂104a和104b的平面外旋转导致检测质量102a和偏摆检测质量518a随着引导臂104a和104b进行平面外移动。
在被引导质量系统500被驱动时，在Y方向上(是在该基板的平面中并且与X方向正交)围绕一个横摇输入轴线的角速度导致一个科里奥利力在Z方向上作用在检测质量102a和偏摆检测质量518a上。该科里奥利力致使被引导质量系统500围绕第一横摇输入轴线进行平面外旋转。当被引导质量系统500进行平面外旋转时，引导臂104a和104b以及检测质量102a和偏摆检测质量518a围绕该第一横摇感测轴线进行平面外旋转。被引导质量系统500的旋转幅度是与围绕该横摇输入轴线的角速度成比例的。
使用检测质量102a下方的电容式电极112a来检测被引导质量系统500围绕该第一横摇感测轴线的旋转。该旋转提供了对围绕该横摇输入轴线的角速度的测量。本发明中可以使用各种不同类型的换能器。例如，电容式电极112a也可以是压电式或光学式等并且其使用是位于本发明的精神和范围内。
通过使用引入图1所示的弹簧质量构型11、12和13的一个或多个中的方法可以修改图2A的被引导质量系统500以用于消除二阶谐振运动。为了更详细地描述这些构型和方法，现在结合附图进行如下描述。
图1示出了具有类似于弹簧质量构型10的部件的一个第二弹簧质量构型11。弹簧质量构型11包括两个弹簧质量系统11A-11B。这两个弹簧质量系统11A-11B各自包括杠杆臂21A-21B以及前进系统101A，该前进系统包括前进质量31A-31B以及连接元件21、线性弹簧41A-41B、附接至稳定点61A-61B上的铰链51A-51B。
弹簧质量构型11与弹簧质量构型10之间的差异是将两个弹簧质量系统11A和11B相连接的连接元件21。在弹簧质量构型11中，虽然两个弹簧质量系统11A-11B是串联操作的，但是它们也通过连接元件21相连接。在驱动操作过程中11A和11B两者在相同的X方向上移动。但是11A和11B的Y方向运动是彼此相反的。如果这两个弹簧质量系统11A和11B通过连接元件21刚性地连接，则弹簧元件41A和41B在相反方向上拉伸以适应由于杠杆臂21A和21B的旋转而产生的非线性运动。由于弹簧元件41A和41B对二阶谐振运动的补偿，前进质量31A和31B在Y方向上的净运动变为零。相反，通过消除不希望的二阶谐振Y方向运动，可以限制前进质量31A和31B仅在x方向上移动。
弹簧质量构型12包括两个弹簧质量系统12A-12B，这两个弹簧质量系统包括杠杆臂22A-22B、一个前进系统101B(该前进系统包括前进质量32A-32B和弹簧元件22)、线性弹簧42A-42B以及附接至稳定点62A-62B上的铰链52A-52B。与弹簧质量构型元件10相反，弹簧42A和42B具有不同的弹簧刚度值。另外，与弹簧质量构型10相比，弹簧质量构型12的额外部件是联接在前进质量32A与32B之间的弹簧元件22。使用弹簧元件22来消除前进质量32A或32B的不希望的二阶谐振Y方向运动。弹簧22的顺应性可以按一种方式设计成使得可以使用一个弹簧质量系统12B的二阶谐振运动来补偿另一个弹簧质量系统12A的二阶谐振运动，反之亦然。例如，通过确保弹簧42B的弹簧刚度与弹簧22和弹簧42A的组合刚度相同，由于弹簧质量构型11中的相反力的平衡，可以消除前进质量32A的二阶谐振运动。在这个场景中，前进质量32B仍具有不希望的二阶谐振运动。
对弹簧质量构型10的第三种修改被示为弹簧质量构型13。弹簧质量构型13包括两个弹簧质量系统13A-13B(由杠杆臂23A-23B构成)以及一个前进系统101C，该前进系统包括前进质量33A-33B、弹簧元件23、换能器73A-73B和74A-74B、线性弹簧43A-43B以及附接至稳定点63A-63B上的铰链53A-53B。
与弹簧质量构型10相比，弹簧质量构型13的额外部件是弹簧元件23以及换能器73A-73B和74A-74B。通过联接这两个弹簧质量系统13A和13B，这两个前进质量33A和33B均可以在驱动方向上以自然的驱动频率进行共振。另外，通过使用弹簧23来联接前进质量33A和33B，检测质量33A和33B还可以以另一个自然频率在Y方向上进行共振。使用换能器73A-73B和74A-74B来感测前进质量33A-33B在Y方向上的运动。在一个实施例中，换能器可以是电容式、压电式等，但是本领域普通技术人员容易认识到换能器可以具有各种类型并且这是位于本发明的精神和范围内的。
可以选择换能器73A-73B和74A-74B的感测方向，其方式为使得可以拒绝该驱动运动在Y方向上的二阶谐振分量，但是可以保存有用的信号。作为一个示例，在弹簧质量构型13中，如果假设Y方向上的共模运动是传感器响应，如在偏摆陀螺仪经历Z轴旋转的情况下，拒绝Y方向二阶谐振运动，因为这些电极取消了Y方向上的相反(差分)运动。
作为电取消Y方向上的不希望的二阶谐振运动的一个示例给出了弹簧质量构型13，但是换能器可以具有不同的感测和拒绝方案，这取决于检测质量和电极构型。在其他构型中，可以拒绝常见的模式运动但是可以检测差分运动。
以下描述将描述结合了以上所描述的弹簧质量构型11-14中的一者或多者的不同的被引导质量系统。
图3展示了根据本发明包括被引导质量系统的一个单轴陀螺仪的实施例。被引导质量系统600被布置在X-Y平面中。被引导质量系统600包括引导臂104a、104b、104c和104d，这些引导臂通过锚固点106a和106b经由弹簧108a、108b、108c和108d而柔性地联接至基板100上。四个引导臂104a、104b、104c和104d经由弹簧103a、103b、103c和103d而柔性地连接至一个前进质量105上。
每个弹簧103a-103d、108a-108d在平面内围绕在Z方向上的一条轴线顺应性的，这样使得在前进质量105在X方向上平移时每个引导臂104a-104b和104c-104d可以在该平面中逆相旋转。偏摆检测质量518a和518b分别经由偏摆弹簧520a-520d和520e-520h而柔性地连接至前进质量105上。被引导质量系统600可以连接至致动器109a-109d上的单个驱动电路以驱动频率驱动。该驱动频率可以是被引导质量系统600的共振频率。当被引导质量系统600被驱动时，引导臂104a-104b和104c-104d进行平面内逆相旋转并且前进质量105在平面内在X方向上平移。偏摆弹簧520a-520d和520e-520h在X方向上是刚性的，这样使得在驱动该被引导质量系统时，偏摆检测质量518a-b还随着前进质量105在X方向上平移。
在Z方向上围绕偏摆输入轴线的角速度将导致一个科里奥利力在Y方向上作用在偏摆检测质量518a-518b上，从而导致偏摆检测质量518a和518b的共模运动。使用电容式电极522a和522b来感测偏摆检测质量518a和518b在Y方向上的运动，这提供了对围绕该偏摆输入轴线的角速度的测量。
图3所示的构型可以表示为图1的弹簧质量构型11。如在弹簧质量构型11中，被引导质量系统600通过一个刚性前进质量105将两个被引导质量系统进行组合来消除二阶谐振运动。由于杠杆臂104a-104b和104c-104d的运动是相对于彼此逆相的，连接至杠杆臂104a-104d上的前进质量105平衡了相反的二阶谐振运动并且消除了该驱动运动的不希望的非线性分量，并且弹簧元件108a-108b、103a-103b和108c-108d、103c-103d的y方向顺应性类似于弹簧质量构型12通过在y方向上的拉伸而适应二阶谐振运动。
在某些条件下，被引导质量系统500也可以用作一个双轴陀螺仪。如果假设弹簧108a-108b和108c-108d分别是围绕第一和第二横摇感测轴线为顺应性的，其中该第一和第二横摇感测轴线彼此平行并且处于X方向上，则引导臂104a-104b和104c-104d可以进行平面外逆相旋转，由此引导臂104a-104d的平面外旋转致使前进质量105随着引导臂104a-104d进行平面外移动。
在Y方向上(是在该基板的平面中并且与X方向正交)围绕横摇输入轴线的角速度导致一个科里奥利力在Z方向上作用在前进质量105上。该科里奥利力致使杠杆臂104a-104b和杠杆臂104c-104d围绕第一和第二横摇感测轴线在平面外逆相旋转并且前进质量105在Z方向上移动。横摇前进质量系统105的运动幅度是与围绕该横摇输入轴线的角速度成比例的。使用前进质量105下方的电容式电极112a来检测该检测质量的运动。这个运动提供了对围绕该横摇输入轴线的角速度的测量。
图4展示了根据本发明包括一个被引导质量系统700的一个单轴陀螺仪的第二实施例，该被引导质量系统将该驱动运动的二阶谐振分量最小化。
被引导质量系统700包括与被引导质量系统500相同的两个被引导质量系统700A和700B。检测质量102a和102b、因此两个被引导质量系统700A和700B是通过一个联接弹簧151而连接的。偏摆检测质量518a和518b分别柔性地连接至检测质量102a和102b上。联接弹簧151在X方向上围绕一条轴线是在扭转意义上顺应性的，而使得对称的被引导质量系统700A和700B可以围绕该第一和第二横摇感测轴线在平面外逆相旋转。联接弹簧151在Z方向上是刚性的，这防止被引导质量系统700A和700B在平面外同相旋转。
联接弹簧151在X方向上是刚性的而使得检测质量102a和102b一起在X方向上移动。以此方式，这两个被引导质量系统700A和700B一起连接至致动器109a-109d上的单个驱动电路以驱动频率驱动。
图4所给出的构型可以用图1给出的弹簧质量构型13来表示。如在弹簧质量构型13中，两个被引导质量系统700A和700B通过一个联接弹簧151连接，这样使得检测质量102a-102b和518a-518b也可以在Y方向上以某个自然频率进行共振。使用电容式电极522a和522b分别来感测检测质量518a和518b在Y方向上的运动。可以选择电容式电极522a-522b的感应方向，其方式使得Y方向上的二阶谐振运动被拒绝，但是检测Y方向上的科里奥利运动。
在被引导质量系统700中，检测质量518a和518b在相同方向上以驱动运动而移动。因此，在Z方向上围绕偏摆输入轴线的角速度在相同的Y方向上在偏摆检测质量518a-b上施加一个科里奥利力(共模运动)。
由于电极522a和522b放置在被引导质量系统700中，电极522a和522b的电容在相反方向上改变，而检测质量518a-518b在相同方向上移动。
如果这些电极上的电容改变彼此相减，则能够检测到检测质量518a和518b的共模科里奥利响应。
另一方面，检测质量518a-518b在Y方向上的二阶谐振运动是在相反的方向上，因为引导臂104a-104b和104c-104d围绕相反的方向进行旋转。相反，由于电极522a和522b的构型，检测质量518a-518b的二阶谐振运动将被取消。
图5展示了根据本发明的一个实施例包括一个平衡的被引导质量系统1000的一个单轴陀螺仪的另一个实施例。被引导质量系统1000包括通过一个联接弹簧302连接的两个对称的被引导质量系统900a和900b。然而，这两个被引导质量系统900a与900b之间的联接不是必须仅为单个联接弹簧302，该联接可以包括各种弹簧和弹簧质量系统。
这两个对称的被引导质量系统900a和900b被安排成使得检测质量102a-102d都在X方向上移动。因此，这两个对称的被引导质量系统900a和900b一起连接至致动器109a-109h上的单个驱动电路以驱动频率驱动。
在被引导质量系统1000的驱动运动中，检测质量102b和102c一起在相同的X方向上移动，因为联接弹簧302在X方向上是刚性的。另一方面，与检测质量102b和102c相比，检测质量102a和102d在相反的X方向上移动。
围绕偏摆输入轴线的角速度将导致科里奥利力作用在偏摆检测质量518a-518d上，从而导致偏摆检测质量518a-518d沿着Y方向上运动。偏摆检测质量518a-518d的运动幅度是与围绕该偏摆输入轴线的角速度成比例的。
图5中所提供的示意图是图1所示出的弹簧质量构型13的一个不同的实施例。平衡的被引导质量系统1000通过电取消而消除了偏摆检测质量518a-518d的不希望的二阶谐振运动。
由于以上所解释的驱动运动的性质，所施加在检测质量518a和518d上的科里奥利力是在被施加到检测质量518a和518d上的科里奥利力的相反方向上。换言之，检测质量518b和518c与检测质量518a和518d的科里奥利响应运动是不同的。为了有效地检测图5中的给定电极位置内的不同运动，由于检测质量518a-518b的科里奥利运动，电极522a和522b的电容改变而可以相加。电极522c和522d的电容变化也可以相加。此外，所检测的从电极对522c-522d的电容变化可以与电极对522a-522b的所检测电容变化相减。由于该电极构型，检测了该科里奥利运动。
每个检测质量518a-518d的二阶谐振运动方向是用箭头541a-541d表示的，这些箭头通过箭头540a-540d并排示出，示出了检测质量518a-518d的科里奥利力方向。给定的箭头构型示出了，科里奥利力和二阶谐振运动对于被引导质量系统900b是在相同方向上，但是对于被引导质量系统900a是在相反方向上。因此，由于以上给出的电极示意图，二阶谐振运动将被取消。
平衡的被引导质量系统1000也可以用作一个双轴陀螺仪，条件是其中对称的被引导质量系统900a能够围绕第一横摇感测轴线进行平面外旋转并且该对称的被引导质量系统900b能够围绕与该第一横摇感测轴线共面且平行的第二横摇感测轴线进行平面外旋转。
联接弹簧302连接至检测质量102b和102c上。联接弹簧302在X方向上围绕一条轴线是在扭转意义上顺应性的，而使得对称的被引导质量系统900a和900b可以围绕该第一和第二横摇感测轴线在平面外逆相旋转。联接弹簧302在Z方向上是刚性的，这防止对称的被引导质量系统900a和900b在平面外逆向旋转。
围绕横摇输入轴线的角速度将致使科里奥利力在Z方向上作用在检测质量102a-102d上。该科里奥利力致使对称的被引导质量系统900a和900b围绕第一和第二横摇感测轴线进行平面外逆相旋转。对称的被引导质量系统900a和900b的旋转幅度是与该角速度成比例的。使用检测质量102a-102d下方的电容式电极112a-112c来检测对称的被引导质量系统900a和900b的旋转。
图6a展示了根据本发明包括多重被引导质量系统1100的一个三轴陀螺仪的实施例。多重被引导质量系统1100包括分别通过联接弹簧302a和302b而联接至被引导质量系统800上的两个被引导质量系统500a和500b。
被引导质量系统500a、500b和800被安排成使得联接至横摇检测质量102a-102d上的偏摆检测质量518a和518b都在X方向上逆相移动，纵摇检测质量650a围绕一条轴线在Z方向上进行旋转。被引导质量系统500a围绕第一横摇感测轴线进行平面外旋转。对称的被引导质量系统800围绕平行于该第一横摇感测轴线的第二横摇感测轴线进行平面外旋转。被引导质量系统500b围绕平行于该第一和第二横摇感测轴线的第三横摇感测轴线进行平面外旋转。第一联接弹簧302a连接至检测质量102a和102b上。联接弹簧302a在X方向上是刚性的而使得检测质量102a和102b在X方向上一起移动。第二联接弹簧302b连接至检测质量102c和102d上。联接弹簧302a在X方向上是刚性的而使得检测质量102c和102d在X方向上一起移动。以此方式，被引导质量系统500a、500b和800以驱动频率通过连接至致动器109a-109h上的单个驱动电路而一起驱动。此外，如在图6a中可以看到，折叠的弯曲部用作联接弹簧302a-b。
联接弹簧302a在X方向上围绕一条轴线是在扭转意义上顺应性的，而使得对称的被引导质量系统500a和800可以围绕该第一和第二横摇感测轴线在平面外异相旋转。联接弹簧302a防止对称的被引导质量系统500a和800在平面外同相地旋转。
联接弹簧302b还围绕一条轴线在X方向上是在扭转意义上顺应性，这样使得被引导质量系统500b和800可以围绕第二和第三横摇感测轴线异相地旋转。联接弹簧302b防止对称的被引导质量系统500b和800在平面外同相地旋转。
围绕该纵摇输入轴线的角速度导致科里奥利力作用在纵摇检测质量650a上，从而产生一个扭矩，该扭矩使该纵摇检测质量650a围绕该纵摇感测轴线旋转。纵摇检测质量650a的旋转幅度是与围绕该纵摇输入轴线的角速度成比例的。电容式电极660a和660b沿着X方向在纵摇检测质量650a下方被布置在相反侧上并且检测该纵摇检测质量围绕该纵摇感测轴线的旋转。该旋转提供了该角速度围绕该纵摇输入轴线的测量。
围绕该横摇输入轴线的角速度导致科里奥利力在Z方向上作用在检测质量102a和102b上并且在相反的Z方向上作用在检测质量102c和102d上。科里奥利力致使被引导质量系统500a、800和500b分别围绕第一、第二和第三横摇感测轴线进行平面外旋转。使用检测质量102a和102b下方的电容式电极112b和检测质量102c和102d下方的电容式电极112a来检测被引导质量系统1100的旋转。这个旋转提供了该角速度围绕该横摇输入轴线的测量。
围绕偏摆输入轴线的角速度将导致科里奥利力作用在偏摆检测质量518a-518b上，从而导致偏摆检测质量518a和518b沿着Y方向逆相运动。偏摆检测质量沿着Y方向的运动幅度是与该角速度成比例的。使用电容式电极522a和522b来感测沿着Y方向的对应偏离的检测质量518a和518b的运动。
图6a的多重被引导质量系统1100可以用图1示出的弹簧质量构型12来表示。弹簧质量系统12A表示被引导质量系统500a或500b中的一个，并且弹簧质量系统12B表示被引导质量系统800。
弹簧103c-103f和108c-108d在y方向上是顺应性的并且其顺应性可以通过等效弹簧42B来模制，该弹簧在图1的弹簧质量系统构型12中给出。在被引导质量系统500a中，弹簧108a-108b、103g-103h和520a-520d可以被模制成弹簧42A。连接500a和800的联接弹簧302a可以被模制成弹簧22。杠杆臂104c-104d可以被模制成杠杆臂22B，并且杠杆臂104a-104b可以表示为22A。
被引导质量系统800的Y方向弹簧刚度比被引导质量系统500a或500b的y方向弹簧刚度高得多。这是因为弹簧组103c-103d和103e-103f已经在被引导质量系统800中相同地展开，并且弹簧652a和652b在Y方向上也是非常刚性的。
通过使用图1的弹簧质量构型12所表示的相同的二阶谐振运动消除，弹簧103c-103f、108c-108d和652a-652b的y方向弹簧刚度可以等于联接弹簧302a和弹簧108a-108b、103g-103h和520a-520d的弹簧刚度的总和。因此，偏摆检测质量518a-518b的y方向上的非线性运动可以借助于y方向上的相反力的平衡来消除。正如之前所提到的，将折叠的弯曲部用作联接弹簧302a。使用折叠的弯曲部的主要优点是增大联接弹簧302a的y方向平移刚度，同时保持其在给定区域内在平面外的扭转一致性。虽然，在实施例1100中使用了两次折叠的折叠弯曲部，但是还可以使用具有许多折痕的折叠的弯曲部来增大y方向平移刚度。
图6b展示了根据本发明包括多重被引导质量系统1110的一个三轴陀螺仪的另一个实施例。多重被引导质量系统与多重被引导质量系统1100相同，但是新的联接弹簧303a和303b分别被添加在检测质量102a-b与102c-d之间。添加到多重被引导系统1110的弹簧303a和303b的主要优点是增大y方向平移刚度。此外，弹簧303a-b提高了x方向刚度。因此，多重被引导质量系统1110在驱动运动过程中的刚性增大并且检测质量102a-b和102c-d在x方向上一起移动。
披露了用于修改弹簧质量构型的多个实施例，该构型将不想要的非线性运动对MEMS传感器的影响最小化。这些修改包括以下任何或任何组合：在该弹簧质量构型的旋转结构之间提供一个刚性元件、在这些旋转结构之间调谐一个弹簧系统并且将一个电消除系统联接至这些旋转结构上。在进行这样不想要的线性运动时，将例如不想要的二阶谐振运动最小化。
虽然已经根据所示实施例描述了本发明述，本领域普通技术人员将容易地认识到可以对实施例做出改变并且这些改变将在本发明的精神和范围之内。因此，本领域普通技术人员可在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出许多修改。

Claims (22)

1.一种微电子机械系统MEMS传感器，包括：
第一旋转臂和第二旋转臂，其中该第一旋转臂和该第二旋转臂彼此联接并且该第一旋转臂和该第二旋转臂被配置成用于在被驱动进行振荡时逆向旋转；
第一前进系统，其包括彼此联接的第一前进质量和第一检测质量；
第二前进系统，其包括彼此联接的第二前进质量和第二检测质量；
多个致动器，用于驱动该第一前进系统和该第二前进系统在第一方向上进行振荡，并且导致该第一旋转臂和该第二旋转臂在包括该第一方向的平面中逆向旋转；
其中该第一前进系统通过第一柔性元件系统联接到该第一旋转臂，并且该第二前进系统通过第二柔性元件系统联接到该第二旋转臂，并且其中该第一前进质量通过第三柔性元件系统联接到该第二前进质量；
第一多个换能器，其与该第一前进系统相关联并且被配置成感测与该第一前进系统的至少一部分相关联的第一运动，而且与该第二前进系统相关联并且被配置成感测与该第二前进系统的至少一部分相关联的第二运动；
其中该第一运动和该第二运动各包括在第二方向上的第一运动分量和在该第二方向上的第二运动分量，该第二方向是与该第一方向共面且正交的，并且其中由于施加到该MEMS传感器的与该第一方向和该第二方向正交的角速度，该第一运动分量包括科里奥利运动，并且该第二运动分量包括二阶谐振运动；以及
其中该第一多个换能器电联接，使得对于与该第一运动和该第二运动相关联的信号的组合，当组合时，从信号的该组合中取消与该二阶谐振运动相关联的信号。
2.如权利要求1所述的MEMS传感器，其中该第一前进系统和该第二前进系统在平行于基板的平面中移动。
3.如权利要求2所述的MEMS传感器，其中该第一旋转臂和该第二旋转臂通过一组柔性元件而联接至该基板上的一个锚定件系统上。
4.如权利要求1所述的MEMS传感器，其中该第一多个换能器还被配置成感测该第一运动和该第二运动，该第二运动与该第一检测质量和该第二检测质量中的每个的至少一部分相关联。
5.如权利要求1所述的MEMS传感器，还包括：
该第一前进系统包括彼此联接的第一对前进质量和第一对检测质量；
该第二前进系统包括彼此联接的第二对前进质量和第二对检测质量；
其中包括该第一前进质量的该第一对前进质量中的一个通过该第三柔性元件系统联接到包括该第二前进质量的该第二对前进质量中的一个；
其中在被驱动进行振荡时，该第一对前进质量中的一个和该第一对检测质量中的一个在与该第一方向平行的相反方向上移动，并且其中该第二对前进质量中的一个和该第二对检测质量中的一个在与该第一方向平行的相反方向上移动；以及
其中在被驱动进行振荡时，并且由于施加到该MEMS传感器的与该第一方向和该第二方向正交的角速度，该第一对检测质量中的一个在与该第二方向平行的相反方向上移动，该第二方向与该第一方向正交，并且其中该第二对检测质量中的一个在与该第二方向平行的相反方向上移动。
6.如权利要求5所述的MEMS传感器，还包括：
第二多个换能器，其被配置成感测该第一对检测质量或该第二对检测质量中的至少一个的至少一部分的运动。
7.如权利要求6所述的MEMS传感器，其中该第二多个换能器被配置成感测该第一前进系统和该第二前进系统的至少另一部分在该第二方向上的运动。
8.如权利要求6所述的MEMS传感器，其中该第二多个换能器还被配置成提供与该第一对检测质量的运动相关联的第一组差分信号，并且被配置成提供与该第二对检测质量的运动相关联的第二组差分信号。
9.如权利要求8所述的MEMS传感器，其中，由于该第一对检测质量和该第二对检测质量的运动与该第二方向平行，该第一组差分信号和该第二组差分信号由该第二多个换能器提供。
10.如权利要求6所述的MEMS传感器，其中该第一前进系统和该第二前进系统中的每个的至少一部分被配置成允许该第一前进系统和该第二前进系统中的每个的该至少一部分围绕与该第一方向共面且正交的横摇轴线的平面外旋转。
11.如权利要求10所述的MEMS传感器，其中该第二多个换能器还被配置成感测该第一前进系统和该第二前进系统中的每个的该至少一部分的该平面外旋转的至少一部分。
12.如权利要求10所述的MEMS传感器，其中该第三柔性元件系统被配置成允许该第一前进系统和该第二前进系统中的每个的该至少一部分的该平面外旋转。
13.如权利要求10所述的MEMS传感器，其中，该第三柔性元件系统围绕平行于该第一方向的轴线是在扭转意义上顺应性的，以允许该第一前进系统和该第二前进系统中的每个的该至少一部分的该平面外旋转是逆相的。
14.如权利要求5所述的MEMS传感器，还包括：
第一对换能器，其被配置成感测该第一对检测质量中的一个的第一差分运动；以及
第二对换能器，其被配置成感测该第二对检测质量中的一个的第二差分运动。
15.如权利要求14所述的MEMS传感器，还包括：
另一组换能器，其被配置成感测与第一对前进质量的一个和第二对前进质量中的一个相关联的差分旋转。
16.如权利要求1所述的MEMS传感器，其中该第一多个换能器包括至少第一电极和至少第二电极，该第一电极与该第一前进系统相关联并且被配置成感测与该第一前进系统的该至少一部分相关联的该第一运动，该第二电极与该第二前进系统相关联并且被配置成感测与该第二前进系统的该至少一部分相关联的该第二运动。
17.如权利要求1所述的MEMS传感器，其中该第一多个换能器包括电容式换能器、光学式换能器或压电式换能器中的至少一个。
18.如权利要求1所述的MEMS传感器，其中该第一柔性元件系统、该第二柔性元件系统和该第三柔性元件系统被配置成允许该第一旋转臂和该第二旋转臂的旋转是与该第一方向共面且正交的。
19.如权利要求1所述的MEMS传感器，其中该第三柔性元件系统包括折叠的弹簧。
20.如权利要求19所述的MEMS传感器，其中，该第三柔性元件系统至少包括该折叠的弹簧和另一折叠的弹簧、另一个检测质量或刚性联接元件中的至少一个。
21.如权利要求5所述的MEMS传感器，其中该MEMS传感器被配置成响应于施加到该MEMS传感器的围绕与该第一方向和该第二方向正交的偏摆输入轴线的角速度，感测施加在该第一对检测质量和该第二对检测质量上的力。
22.如权利要求21所述的MEMS传感器，其中该MEMS传感器被配置成响应于施加到该MEMS传感器的围绕与该第一方向共面且正交的横摇输入轴线以及该偏摆输入轴线的另一角速度，感测施加在该第一对前进质量和该第二对前进质量上的旋转力。
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