CN110426534B - 具有单个检验质量块和多感测轴能力的惯性传感器 - Google Patents

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Abstract

一种惯性传感器包括：可移动元件，其具有相对于旋转轴不对称的质量块；和锚定件，其附接到基板。第一弹簧系统和第二弹簧系统与所述基板的表面间隔开。所述第一弹簧系统和所述第二弹簧系统中的每一个包括一对梁、插入于所述梁之间的中心弯曲部和一对末端弯曲部。所述末端弯曲部中的一个末端弯曲部互连在所述梁中的一个梁与所述锚定件中的一个锚定件之间，且另一末端弯曲部互连在所述梁中的一个梁与所述可移动元件之间。所述梁相对于所述中心弯曲部和所述末端弯曲部抗变形。所述第一弹簧系统和所述第二弹簧系统有助于所述可移动元件围绕所述旋转轴的旋转运动，且所述弹簧系统有助于所述可移动元件基本上平行于所述基板的所述表面的平移运动。

Description

具有单个检验质量块和多感测轴能力的惯性传感器
技术领域
本发明大体上涉及微机电系统(MEMS)装置。更具体地说，本发明涉及一种具有单个检验质量块的三轴MEMS加速计。
背景技术
微机电系统(MEMS)技术提供了一种使用常规批次半导体处理技术来使机械结构极小化且将这些结构与电气装置集成在单个基板上的方法。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惯性传感器的一个例子是MEMS加速计。MEMS加速计对加速度敏感且可被配置成感测沿着一个、两个或三个轴或方向的加速力。MEMS加速计的一个常见形式使用以加速度在基板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，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。
为了感测沿着多个轴的运动，MEMS加速计可包括加速度彼此独立地移动的多个可移动结构。随着这些装置继续在大小上缩减，合乎期望的是减小这些可移动结构的集体大小。但减小可移动结构的集体大小可能会使得越来越难以满足预先确定的灵敏性、线性和可靠性要求。另外，由于可移动结构的更小大小和行进距离，一些MEMS加速计可具有不充分的恢复力且因此可能由于高冲击负载而易于损坏。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种惯性传感器，包括：
可移动元件，其与基板的表面间隔开；
锚定件，其附接到所述基板；和
弹簧系统，其与所述基板的所述表面间隔开且被配置成将所述可移动元件可移动地耦合到所述基板，所述弹簧系统包括：
第一梁；
第二梁；
中心弯曲部，其插入于所述第一梁与所述第二梁之间；
第一末端弯曲部，其互连在所述第一梁的第一末端与所述锚定件之间；和
第二末端弯曲部，其互连在所述第二梁的第二末端与所述可移动元件的边缘之间，其中所述第一梁和所述第二梁相对于所述中心弯曲部以及所述第一末端弯曲部和所述第二末端弯曲部抗变形。
在一个或多个实施例中，所述可移动元件具有相对于旋转轴不对称的质量块；
所述弹簧系统被配置成有助于所述可移动元件围绕所述旋转轴的旋转运动；和
所述弹簧系统被进一步配置成有助于所述可移动元件基本上平行于所述基板的所述表面的平移运动。
在一个或多个实施例中，所述可移动元件相对于所述基板的所述平移运动响应于平行于第一轴的第一力在平行于所述第一轴的第一方向上且响应于平行于第二轴的第二力在平行于所述第二轴的第二方向上，所述第一轴和所述第二轴基本上平行于所述基板的所述表面，且所述第二轴与所述第一轴基本上正交；
所述可移动元件围绕所述旋转轴的所述旋转运动响应于沿着垂直于所述基板的所述表面的第三轴的第三力；和
所述可移动元件围绕所述旋转轴的所述旋转运动包括围绕所述第一轴的旋转。
在一个或多个实施例中，所述中心弯曲部在所述第一方向上是柔性的以实现所述可移动元件响应于所述第一力在所述第一方向上的所述平移运动。
在一个或多个实施例中，所述第一梁和所述第二梁以及所述第一末端弯曲部和所述第二末端弯曲部相对于所述中心弯曲部在所述第一方向上是坚硬的。
在一个或多个实施例中，所述第一末端弯曲部和所述第二末端弯曲部在所述第二方向上是柔性的以实现所述可移动元件响应于所述第二力在所述第二方向上的所述平移运动。
在一个或多个实施例中，所述第一梁和所述第二梁以及所述中心弯曲部相对于所述第一末端弯曲部和所述第二末端弯曲部在所述第二方向上是坚硬的。
在一个或多个实施例中，所述第一末端弯曲部和所述第二末端弯曲部被配置成有助于所述可移动元件响应于所述第三力围绕所述旋转轴的所述旋转运动。
在一个或多个实施例中，所述第一梁和所述第二梁以及所述中心弯曲部相对于所述第一末端弯曲部和所述第二末端弯曲部围绕所述旋转轴抗变形。
在一个或多个实施例中，所述弹簧系统被配置成有助于所述可移动元件响应于垂直于所述基板的表面的力围绕所述旋转轴的旋转运动，且所述弹簧系统的所述第一梁和所述第二梁定位在所述旋转轴处，其中第一刚性梁和第二刚性梁的纵向尺寸与所述旋转轴对齐。
在一个或多个实施例中，所述弹簧系统是第一弹簧系统，且所述惯性传感器进一步包括第二弹簧系统，所述第二弹簧系统被配置成将所述可移动元件可移动地耦合到所述基板，所述第二弹簧系统包括：
第三梁；
第四梁；
第二中心弯曲部，其插入于所述第三梁与所述第四梁之间；
第三末端弯曲部，其互连在所述第三梁的第三末端与附接到所述基板的第二锚定件之间；和
第四末端弯曲部，其互连在所述第四梁的第四末端与所述可移动元件的第二边缘之间，其中所述第三梁和所述第四梁相对于所述第二中心弯曲部以及所述第三末端弯曲部和所述第四末端弯曲部抗变形，且所述第三梁和所述第四梁定位在所述旋转轴处，其中第三刚性梁和第四刚性梁的纵向尺寸与所述旋转轴对齐。
在一个或多个实施例中，所述第一弹簧系统和所述第二弹簧系统侧向安置在所述旋转轴的中心点的相对侧上、与所述中心点相距相等距离。
在一个或多个实施例中，所述锚定件是第一锚定件，且所述惯性传感器进一步包括：
第二锚定件，其附接到所述基板；和
第一互连梁，其悬挂在所述基板的所述表面上方且耦合到所述第一锚定件和所述第二锚定件中的每一个锚定件，所述第一互连梁被布置成与所述第一梁正交，且所述第一末端弯曲部耦合到所述第一梁的所述第一末端和所述第一互连梁，使得所述第一末端弯曲部经由所述第一互连梁互连到所述第一锚定件和所述第二锚定件中的每一个锚定件。
根据本发明的第二方面，提供一种惯性传感器，包括：
可移动元件，其与基板的表面间隔开，所述可移动质量块具有相对于旋转轴不对称的质量块；
锚定件，其附接到所述基板；和
弹簧系统，其与所述基板的所述表面间隔开且被配置成将所述可移动元件可移动地耦合到所述基板，所述弹簧系统包括第一梁、第二梁、插入于所述第一梁与所述第二梁之间的中心弯曲部、互连在所述第一梁的第一末端与所述锚定件之间的第一末端弯曲部以及互连在所述第二梁的第二末端与所述可移动元件的边缘之间的第二末端弯曲部，其中：
所述第一梁和所述第二梁定位在所述旋转轴处，其中第一刚性梁和第二刚性梁的纵向尺寸与所述旋转轴对齐；
所述第一梁和所述第二梁相对于所述中心弯曲部以及所述第一末端弯曲部和所述第二末端弯曲部抗变形；
所述弹簧系统被配置成有助于响应于平行于第一轴的第一力相对于所述基板在平行于所述第一轴的第一方向上的平移运动，和响应于平行于第二轴的第二力在平行于所述第二轴的第二方向上的平移运动，所述第一轴和所述第二轴基本上平行于所述基板的所述表面，且所述第二轴与所述第一轴基本上正交；
所述弹簧系统被配置成有助于所述可移动元件响应于沿着垂直于所述基板的表面的第三轴的第三力围绕所述旋转轴的旋转运动；和
所述可移动元件围绕所述旋转轴的所述旋转运动包括围绕所述第一轴的旋转。
在一个或多个实施例中，所述中心弯曲部在所述第一方向上是柔性的以实现所述可移动元件响应于所述第一力在所述第一方向上的所述平移运动；和
所述第一梁和所述第二梁以及所述第一末端弯曲部和所述第二末端弯曲部相对于所述中心弯曲部在所述第一方向上是坚硬的。
在一个或多个实施例中，所述第一末端弯曲部和所述第二末端弯曲部在所述第二方向上是柔性的以实现所述可移动元件响应于所述第二力在所述第二方向上的所述平移运动；和
所述第一梁和所述第二梁以及所述中心弯曲部相对于所述第一末端弯曲部和所述第二末端弯曲部在所述第二方向上是坚硬的。
在一个或多个实施例中，所述第一末端弯曲部和所述第二末端弯曲部被配置成有助于所述可移动元件响应于所述第三力围绕所述旋转轴的所述旋转运动；和
所述第一梁和所述第二梁以及所述中心弯曲部相对于所述第一末端弯曲部和所述第二末端弯曲部围绕所述旋转轴抗变形。
根据本发明的第三方面，提供一种惯性传感器，包括：
可移动元件，其与基板的表面间隔开，所述可移动质量块具有相对于旋转轴不对称的质量块；
第一锚定件，其附接到所述基板；
第二锚定件，其附接到所述基板；
第一弹簧系统，其与所述基板的所述表面间隔开，所述第一弹簧系统包括第一梁、第二梁、插入于所述第一梁与所述第二梁之间的第一中心弯曲部、互连在所述第一梁的第一末端与所述锚定件之间的第一末端弯曲部以及互连在所述第二梁的第二末端与所述可移动元件的第一边缘之间的第二末端弯曲部，其中所述第一梁和所述第二梁相对于所述第一中心弯曲部以及所述第一末端弯曲部和所述第二末端弯曲部抗变形；和
第二弹簧系统，其与所述基板的所述表面间隔开，所述第二弹簧系统包括第三梁、第四梁、插入于所述第三梁与所述第四梁之间的第二中心弯曲部、互连在所述第三梁的第三末端与所述第二锚定件之间的第三末端弯曲部以及互连在所述第四梁的第四末端与所述可移动元件的第二边缘之间的第四末端弯曲部，其中所述第三梁和所述第四梁相对于所述第二中心弯曲部以及所述第三末端弯曲部和所述第四末端弯曲部抗变形，且所述第三梁和所述第四梁定位在所述旋转轴处，其中第三刚性梁和第四刚性梁的纵向尺寸与所述旋转轴对齐，其中所述第一弹簧系统和所述第二弹簧系统被配置成有助于所述可移动元件围绕所述旋转轴的旋转运动且所述第一弹簧系统和所述第二弹簧系统被进一步配置成有助于所述可移动元件基本上平行于所述基板的所述表面的平移运动。
在一个或多个实施例中，所述可移动元件相对于所述基板的所述平移运动响应于平行于第一轴的第一力在平行于所述第一轴的第一方向上且响应于平行于第二轴的第二力在平行于所述第二轴的第二方向上，所述第一轴和所述第二轴基本上平行于所述基板的所述表面，且所述第二轴与所述第一轴基本上正交；
所述可移动元件围绕所述旋转轴的所述旋转运动响应于沿着垂直于所述基板的所述表面的第三轴的第三力；和
所述可移动元件围绕所述旋转轴的所述旋转运动包括围绕所述第一轴的旋转。
在一个或多个实施例中，所述惯性传感器进一步包括：
第三锚定件，其附接到所述基板；
第四锚定件，其附接到所述基板；
第一互连梁，其悬挂在所述基板的所述表面上方且耦合到所述第一锚定件和所述第三锚定件中的每一个锚定件，所述第一互连梁被布置成与所述第一梁正交，且所述第一末端弯曲部耦合到所述第一梁的所述第一末端和所述第一互连梁，使得所述第一末端弯曲部经由所述第一互连梁互连到所述第一锚定件和所述第三锚定件中的每一个锚定件；和
第二互连梁，其悬挂在所述基板的所述表面上方且耦合到所述第二锚定件和所述第四锚定件中的每一个锚定件，所述第二互连梁被布置成与所述第三梁正交，且所述第三末端弯曲部耦合到所述第三梁的所述第三末端和所述第二互连梁，使得所述第三末端弯曲部经由所述第二互连梁互连到所述第二锚定件和所述第四锚定件中的每一个锚定件。
本发明的这些和其它方面将根据下文中所描述的实施例显而易见，且参考这些实施例予以阐明。
附图说明
附图用来另外示出各种实施例且解释根据本发明的所有各种原理和优点，在附图中类似附图标记贯穿不同的视图指代相同的或功能类似的元件，各图未必按比例绘制，附图与下文的具体实施方式一起并入本说明书且形成本说明书的部分。
图1示出根据示例性实施例的微机电系统(MEMS)惯性传感器的示意性俯视图；
图2示出沿着图1的剖面线2-2的MEMS惯性传感器的横截面侧视图；
图3示出在图1的MEMS惯性传感器内实施的弹簧系统的放大俯视图；
图4示出响应于在第一方向上的加速力的图3的弹簧系统的代表性俯视图；
图5示出响应于在第二方向上的加速力的图3的弹簧系统的代表性俯视图；
图6示出响应于在第三方向上的加速力的图3的弹簧系统的代表性俯视图；
图7示出响应于在第三方向上的加速力的图3的弹簧系统的代表性侧视图；且
图8示出根据另一实施例的MEMS惯性传感器的示意性俯视图。
具体实施方式
本发明的实施例需要具有小形状因数、增强可靠性和/或提高线性的微机电系统(MEMS)惯性传感器装置。这些MEMS惯性传感器装置可包括换能器，例如MEMS加速计。更具体地说，本文中所描述的实施例需要能够感测在由三个正交轴(例如，X轴、Y轴和Z轴)限定的三个正交方向(例如，X方向、Y方向和Z方向)上的加速度的MEMS加速计装置。一般来说，本文中所描述的实施例可通过有助于共享单个检验质量块以便于在所有三个方向上感测而提供相对小的装置大小。此外，本文中所描述的实施例可提供此相对小的装置大小，同时当经受高冲击负载时仍得到线性和恢复力提高。可通过使用弹簧系统实现这些提高，所述弹簧系统在三个正交方向中的每一个上具有有用弹簧常数且具有增强的Z轴平移刚度。
提供本公开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。另外提供本公开以加强对本发明的创造性原理和优点的理解和了解，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，所附权利要求书包括在发布的本申请和那些权利要求书的所有等效物的未决期间所作出的任何修正。
应理解，例如第一和第二、顶部和底部等相关术语(如果存在的话)的使用仅用于区分实体或动作，而不必要求或意指在此类实体或动作之间的任何实际此种关系或次序。此外，图中的一些可通过使用各种底纹和/或阴影线来示出以区分在各个结构层内产生的不同元件。可利用当前和未来的沉积、图案化、蚀刻等微型制造技术来产生结构层内的这些不同元件。因此，尽管在图示中利用了不同底纹和/或阴影线，但结构层内的不同元件可由相同材料形成。
参考图1和2，图1示出根据示例性实施例的MEMS惯性传感器20的示意性俯视图且图2示出沿着图1的剖面线2-2的惯性传感器20的横截面侧视图。MEMS惯性传感器20大体上包括：可移动元件，其在本文中被称为检验质量块22；以及第一弹簧系统24和第二弹簧系统26，其被间隔开且被配置成将检验质量块22可移动地耦合到基板28的表面27。
在图1的俯视图图示中，表示三维坐标系，其中X轴30在页面上向右和向左引导，Y轴32在页面上向上和向下引导，且Z轴34引导到页面中。对应地，在图2的侧视图图示中，表示三维坐标系，其中X轴30引导到页面中，Y轴32在页面上向右和向左引导，且Z轴34在页面上向上和向下引导。X轴28和Y轴30一起限定X-Y平面36，且基板28的表面27大体上平行于X-Y平面36。
如以下将显著更详细地论述，第一弹簧系统24和第二弹簧系统26实现检验质量块22响应于在基本上平行于X轴30和Y轴32中的任一个的方向上的加速力的平移运动。另外，检验质量块22相对于旋转轴38具有不对称质量块。也就是说，检验质量块22的第一部分40和第二部分42安置在旋转轴38的相对侧上。在所示出的实施例中，检验质量块22的第一部分40比第二部分42具有更大质量块。在一些实施例中，这可通过使旋转轴38远离检验质量块22的几何中心偏移来实现。因此，第一弹簧系统24和第二弹簧系统26另外实现检验质量块22响应于在基本上平行于Z轴34的方向上的加速力围绕旋转轴38的旋转运动。
第一弹簧系统24包括第一梁44、第二梁46、第一中心弯曲部48、第一末端弯曲部50和第二末端弯曲部52。第一中心弯曲部48插入于第一梁44与第二梁46之间且连接到第一梁44和第二梁46中的每一个。在一实施例中，第一弹簧系统24的第一梁44和第二梁46相对于第一中心弯曲部48且相对于第一末端弯曲部50和第二末端弯曲部52抗变形。同样地，第二弹簧系统26包括第三梁54、第四梁56、第二中心弯曲部58、第三末端弯曲部60和第四末端弯曲部62。第二弹簧系统26的第三梁54和第四梁56也相对于第二中心弯曲部58和相对于第三末端弯曲部60和第四末端弯曲部62抗变形。本文中所使用的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等并不指代MEMS惯性传感器20的元件的依序次序或优先排序。实际上，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等用于为了描述清晰起见在各种元件之间进行区分。
惯性传感器20另外包括分别附接到基板28的第一锚定件64和第二锚定件66。更具体地说，第一锚定件64和第二锚定件66在用于检验质量块22的旋转轴38处耦合到基板28。第一弹簧系统24的第一末端弯曲部50互连在第一梁44的第一梁末端68与第一锚定件64之间，且第二末端弯曲部52互连在第二梁46的第二梁末端70与检验质量块22的第一边缘72之间。另外，第二弹簧系统26的第三末端弯曲部60互连在第三梁54的第三梁末端74与第二锚定件66之间，且第四末端弯曲部62互连在第四梁56的第四梁末端76与检验质量块22的第二边缘78之间。
在所示出的配置中，第一开口80延伸通过检验质量块22，第一弹簧系统24定位在所述第一开口80中，且第二开口82延伸通过检验质量块22，第二弹簧系统26定位在所述第二开口82中。因此，检验质量块22的第一边缘72在第一开口80的周边处且检验质量块22的第二边缘78在第二开口82的周边处。另外，第一弹簧系统24和第二弹簧系统26可在检验质量块22的相应第一开口80和第二开口82内相对于彼此成镜像对称定向。此外，第一弹簧系统24和第二弹簧系统26可侧向安置在检验质量块22的中线84的相对侧上(其中中线84平行于Y轴32)、与所述中线84相距相等距离86。再另外，第一弹簧系统24的第一梁44和第二梁46以及第二弹簧系统26的第三梁54和第四梁56定位在旋转轴38处，其中第一44、第二梁46、第三梁54和第四梁56中的每一个的纵向尺寸88与旋转轴38对齐且因此平行于X轴30。
如下文将更详细地论述，第一弹簧系统24和第二弹簧系统26有助于检验质量块22的平移运动。此平移运动包括：在第一方向上的运动，在本文中被称为平行于X轴30的X方向90；和在第二方向上的运动，在本文中被称为平行于Y轴32的Y方向92。检验质量块22的此平移运动用于在基本上平行于基板28的表面27的对应X方向90和Y方向92上检测加速度。第一弹簧系统24和第二弹簧系统26另外有助于检验质量块22围绕旋转轴38的跷跷板样旋转。不对称质量块和围绕旋转轴38的旋转使得检验质量块22能够在第三方向上检测加速度，所述第三方向在本文中被称为平行于Z轴34且与基板28的表面27正交的Z方向94。
MEMS惯性传感器20另外包括第一电极96、第二电极98和第三电极100。如先前所提及，MEMS装置20被配置成确定由在三个正交方向(即，如由对应X轴30、Y轴32和Z轴34限定的X方向90、Y方向92和Z方向94)中的任一个上的加速度施加的力。第一电极96和第二电极98分别耦合到基板28的表面27且可安置在延伸通过检验质量块22的开口中。第一电极96用于根据第一电极96与检验质量块22之间的电容改变检测在X方向90上的加速度。类似地，第二电极98用于根据第二电极98与检验质量块22之间的电容改变检测在Y方向92上的加速度。第一电极96和第二电极98可尽可能接近旋转轴38定位以便最小化感测信号在检验质量块22的旋转运动与检验质量块22在X方向90和/或Y方向92上的位移之间的交叉耦合。
同样，检验质量块22的运动另外基于用于差分信号评估的操作的跷跷板原理以便检测在基本上平行于Z轴34的Z方向94上的加速度。因此，第三电极100形成在基板28的下伏于旋转轴38的相对侧上的检验质量块22的表面27上。第三电极100用于根据第三电极100与检验质量块22之间的电容改变检测在Z方向94上的加速度。第三电极100可尽可能远离旋转轴38定位，且可远离旋转轴38移位相等距离。第三电极100相对于更接近旋转轴38的位置的所移位位置可在检验质量块22旋转时导致更大间隙宽度改变，以便得到相对高电容改变和由此增强的灵敏性。
图3示出在MEMS惯性传感器20(图1)内实施的第一弹簧系统24的放大俯视图。以下论述结合第一弹簧系统24提供。然而，应理解，以下论述相等地应用到第二弹簧系统26，其中第三梁54与第一梁44对应，第四梁56与第二梁46对应，第二中心弯曲部58与第一中心弯曲部48对应，第三末端弯曲部60与第一末端弯曲部50对应，且第四末端弯曲部62与第二末端弯曲部52对应。
第一中心弯曲部48插入于第一梁44与第二梁46之间，其中第一梁44和第二梁46具有基本上相同的纵向尺寸88。第一梁44和第二梁46具有相同长度且第一末端弯曲部50和第二末端弯曲部52大体上相同的配置将第一中心弯曲部48居中放置在第一锚定件64与检验质量块22的第一边缘72之间。在此中心位置处，在Y方向92和Z方向94中的任一个上的负载下存在很少弯曲力矩到不存在弯曲力矩。也就是说，通过将第一中心弯曲部48放置在此中心位置处，第一中心弯曲部48在Y方向92和Z方向94中的任一个上的装载下存在极少变形。此配置得到沿着Z轴34的高弹簧常数以防止或基本上限制在Z方向94上的共模“下垂”，所述共模“下垂”否则可能会对非线性产生不利影响且减小恢复力。
第一末端弯曲部50互连在第一梁44的第一梁末端68与第一锚定件64之间且第二末端弯曲部52互连在第二梁46的第二梁末端70与检验质量块22之间。在所示出的配置中，第一中心弯曲部48可为具有第一梁宽度102和弹簧长度104的折叠梁(例如，弹簧元件)。类似地，第一末端弯曲部50和第二末端弯曲部52中的每一个可为具有第二梁宽度106的折叠梁(例如，弹簧元件)。第一梁44和第二梁46是大体上笔直的梁且具有第三梁宽度108。第三梁宽度108大于第一梁宽度104和第二梁宽度106。因此，第一梁44和第二梁46相对于第一末端弯曲部50和第二末端弯曲部52以及第一中心弯曲部48是刚性的，使得它们在经受在三个正交方向中的任一个上的加速力时极少发生变形。
现在参考图4，图4示出响应于在X方向90上的标注为AX的第一加速力110的第一弹簧系统24的代表性俯视图。同样，以下论述相等地应用到第二弹簧系统26(图1)。图4示出第一弹簧系统24的不经受第一加速力110的第一代表性模型112和第一弹簧系统24的经受在X方向90上的第一加速力110的第二代表性模型114。在图4的图像中，第一末端弯曲部50和第二末端弯曲部52(图3)由简单梁模型表示且第一中心弯曲部48由简单张力/扩展弹簧模型表示。
第一弹簧系统24被配置成有助于由箭头116表示的检验质量块22相对于第一锚定件64且基本上平行于基板28(图3)的表面27(图3)的平移运动以便感测在X方向90上的第一加速力110。第一中心弯曲部48的第一梁宽度102(图3)和弹簧长度104(图3)可提供合适的灵活性以便于响应于在X方向90上的第一加速力110而平移运动116。此平移运动因此在下文中被称为X轴平移运动116。如第二代表性模型114中所示出，第一中心弯曲部48在X方向90上是柔性的以使得检验质量块22能够响应于第一加速力110在X方向90上进行X轴平移运动114。然而，第一梁44和第二梁46以及第一末端弯曲部50和第二末端弯曲部52相对于第一中心弯曲部48在X方向90上是坚硬的。因此，在X方向90上的几乎所有兼容由第一中心弯曲部48提供。在一个例子中，第一梁宽度102可大约为2微米且弹簧长度104可大约为150微米以得到第一中心弯曲部48的8N/m(牛顿/米)弹簧常数KX。然而，替代实施例可实施不同梁宽度102和弹簧长度104以及更多或更少褶皱的折叠梁结构以得到在X方向90上的所要兼容。
图5示出响应于在Y方向92上的标注为AY的第二加速力118的第一弹簧系统24(图3)的代表性俯视图。同样，以下论述相等地应用到第二弹簧系统26。图5示出第一弹簧系统24的不经受第二加速力118的第一代表性模型120和第一弹簧系统24的经受在Y方向92上的第二加速力118的第二代表性模型122。在图5的图像中，第一末端弯曲部50和第二末端弯曲部52(图3)由简单扭转模型表示且第一中心弯曲部48由简单梁模型表示。
第一弹簧系统24被配置成有助于由箭头124表示的检验质量块22相对于第一锚定件64且基本上平行于基板28(图3)的表面27(图3)的平移运动以便感测在Y方向92上的第二加速力118。更具体地说，第一弹簧系统24和第二弹簧系统26的组合功能实现响应于第二加速力118相对于相应第一锚定件64和第二锚定件66(图1)在Y方向92上的平移运动。第一末端弯曲部50和第二末端弯曲部52以及第一锚定件64与检验质量块22之间的梁长度126(参见图3)可提供合适的灵活性以便于响应于在Y方向92上的第二加速力118的平移运动124。此平移运动因此在下文中被称为Y轴平移运动124。如第二代表性模型122中所示出，第一末端弯曲部50和第二末端弯曲部52实现平面内(Z轴)旋转弯曲，使得第一末端弯曲部50和第二末端弯曲部52中的每一个围绕垂直于基板28(图3)的表面27(图3)的旋转轴128旋转。
第一梁44和第二梁46不会响应于第二加速力118显著弯折。第一中心弯曲部48在X方向90上是顺应性的，如结合图4所论述，但具有几乎零弯曲力矩。因此，第一梁44和第二梁46以及第一中心弯曲部48不会显著有助于第一弹簧系统24响应于在Y方向92上的第二加速力118的灵活性。因此，在Y方向92上的弹簧常数KY大约与围绕第一末端弯曲部50和第二末端弯曲部52的旋转轴128的Z轴旋转刚度KRZ成正比且与梁长度126LB的平方成反比，如下：
Figure BDA0002040749060000141
在一个例子中，弹簧常数KY可大约为8N/m。然而，替代实施例可实施不同梁宽度106(图3)以及第一末端弯曲部50和第二末端弯曲部52的更多或更少褶皱的折叠梁结构以得到在Y方向92上的所要兼容。
参考图6和7，图6示出响应于第三加速力的第一弹簧系统24(图3)的代表性俯视图且图7示出响应于在Z方向94上的标注为AZ的第三加速力130的惯性传感器20的代表性侧视图。同样，以下论述相等地应用到第二弹簧系统26(图1)。图6示出第一弹簧系统24的经受在Z方向94上的第三加速力130的代表性模型132且图7展示检验质量块22响应于第三加速力130围绕旋转轴38的旋转运动。在图5的图像中，第一中心弯曲部48由简单梁模型表示。
第一弹簧系统24被另外配置成有助于由图6和7中的弯曲箭头134表示的检验质量块22响应于在Z方向94上的第三加速力130围绕旋转轴38的旋转运动。扭转灵活性主要发生在第一末端弯曲部50和第二末端弯曲部52处，从而使得第一末端弯曲部50和第二末端弯曲部52有助于检验质量块22围绕旋转轴38的旋转(例如，跷跷板)运动以便感测第三加速力130。第一梁40和第二梁42以及第一中心弯曲部48抗相对于第一末端弯曲部50和第二末端弯曲部52围绕旋转轴38的扭转变形。因此，第一梁40和第二梁42以及第一中心弯曲部48不会显著有助于第一弹簧系统24响应于在Z方向94上的第三加速力130的灵活性。在一个例子中，X轴旋转弹簧常数(例如，围绕与X轴30对齐的旋转轴38)可大约为2.7E-7N*m/弧度。然而，替代实施例可实施不同梁宽度106(图6)以及第一末端弯曲部50和第二末端弯曲部52的更多或更少褶皱的折叠梁结构以得到响应于在Z方向94上的加速力130围绕旋转轴38的所要兼容。
因此，第一弹簧系统24和第二弹簧系统26的设计可提供用于使用单个检验质量块感测在三个正交方向中的每一个上的加速力的有用弹簧常数。此外，可实现所要弹簧常数，同时与现有技术设计相比大大增加沿着Z轴的刚度。沿着Z轴增加的刚度提高了线性和恢复力。再另外，第一弹簧系统24和第二弹簧系统26的配置实现两个弹簧系统的实施方案代替现有技术四个弹簧系统，由此相对于现有技术设计实现这种MEMS惯性传感器的面积减小。
现在参考图8，图8示出根据另一实施例的MEMS惯性传感器136的示意性俯视图。MEMS惯性传感器136具有与图1的MEMS惯性传感器20相同的结构中的许多结构。因此，针对同样在惯性传感器20中的相同结构，相同附图标记将与惯性传感器136结合使用。惯性传感器136大体上包括检验质量块22以及第一弹簧系统24和第二弹簧系统26，所述第一弹簧系统24和第二弹簧系统26被间隔开且被配置成将检验质量块22可移动地耦合到基板28的表面27。
惯性传感器136另外包括附接到基板28的表面27的第一锚定件138和第二锚定件140。第一互连梁142悬挂在基板28的表面27上方且耦合到第一锚定件138和第二锚定件140中的每一个。第一互连梁142被布置成与第一弹簧系统24的第一梁44正交且第一弹簧系统24的第一末端弯曲部50耦合到第一梁44的第一末端68和第一互连梁142。另外，惯性传感器136包括附接到基板28的表面27的第三锚定件144和第四锚定件146。第二互连梁148悬挂在基板28的表面27上方且耦合到第三锚定件138和第四锚定件140中的每一个。第二互连梁148被布置成与第二弹簧系统26的第三梁54正交且第二弹簧系统26的第三末端弯曲部60耦合到第三梁54的第三末端74和第二互连梁148。
因此，第一弹簧系统24和第二弹簧系统26中的每一个经由两个锚定件(例如，用于第一弹簧系统24的第一锚定件138和第二锚定件140以及用于第二弹簧系统26的第三锚定件144和第四锚定件146)悬挂在基板28的表面27上方。由于由热膨胀产生的内应力，惯性传感器136的锚定件配置可得到系统性能提高，同时仍提供有用弹簧常数、沿着Z轴增加的刚度从而实现提高的线性和恢复力、以及MEMS惯性传感器的面积减小。
本文中所描述的实施例需要微机电系统(MEMS)惯性传感器装置。惯性传感器的实施例包括：可移动元件，其与基板的表面间隔开；锚定件，其附接到基板；和弹簧系统，其与基板的表面间隔开且被配置成将可移动元件可移动地耦合到基板。弹簧系统包括第一梁、第二梁、插入于第一梁与第二梁之间的中心弯曲部、互连在第一梁的第一末端与锚定件之间的第一末端弯曲部以及互连在第二梁的第二末端与可移动元件的边缘之间的第二末端弯曲部，其中所述第一梁和所述第二梁相对于中心弯曲部以及第一末端弯曲部和第二末端弯曲部抗变形。
惯性传感器的另一实施例包括：可移动元件，其与基板的表面间隔开，所述可移动质量块具有相对于旋转轴不对称的质量块；锚定件，其附接到基板；和弹簧系统，其与基板的表面间隔开且被配置成将可移动元件可移动地耦合到基板。弹簧系统包括第一梁、第二梁、插入于第一梁与第二梁之间的中心弯曲部、互连在第一梁的第一末端与锚定件之间的第一末端弯曲部以及互连在第二梁的第二末端与可移动元件的边缘之间的第二末端弯曲部。第一梁和第二梁定位在旋转轴处，其中第一刚性梁和第二刚性梁的纵向尺寸与旋转轴对齐。第一梁和第二梁相对于中心弯曲部以及第一末端弯曲部和第二末端弯曲部抗变形。弹簧系统被配置成有助于响应于平行于第一轴的第一力相对于基板在平行于第一轴的第一方向上的平移运动，和响应于平行于第二轴的第二力在平行于第二轴的第二方向上的平移运动，所述第一轴和所述第二轴基本上平行于基板的表面，且所述第二轴与所述第一轴基本上正交。弹簧系统被配置成有助于可移动元件响应于沿着垂直于基板的表面的第三轴的第三力围绕旋转轴的旋转运动，且可移动元件围绕旋转轴的旋转运动包括围绕第一轴的旋转。
惯性传感器的另一实施例包括：可移动元件，其与基板的表面间隔开，所述可移动质量块具有相对于旋转轴不对称的质量块；第一锚定件，其附接到基板；和第二锚定件，其附接到基板。第一弹簧系统与基板的表面间隔开。第一弹簧系统包括第一梁、第二梁、插入于第一梁与第二梁之间的第一中心弯曲部、互连在第一梁的第一末端与锚定件之间的第一末端弯曲部以及互连在第二梁的第二末端与可移动元件的第一边缘之间的第二末端弯曲部，其中所述第一梁和所述第二梁相对于第一中心弯曲部以及第一末端弯曲部和第二末端弯曲部抗变形。第二弹簧系统与基板的表面间隔开。第二弹簧系统包括第三梁、第四梁、插入于第三梁与第四梁之间的第二中心弯曲部、互连在第三梁的第三末端与第二锚定件之间的第三末端弯曲部以及互连在第四梁的第四末端与可移动元件的第二边缘之间的第四末端弯曲部，其中所述第三梁和所述第四梁相对于第二中心弯曲部以及第三末端弯曲部和所述第四末端弯曲部抗变形，且所述第三梁和所述第四梁定位在旋转轴处，其中第三刚性梁和第四刚性梁的纵向尺寸与旋转轴对齐。第一弹簧系统和第二弹簧系统被配置成有助于可移动元件围绕旋转轴的旋转运动且第一弹簧系统和第二弹簧系统被另外配置成有助于可移动元件基本上平行于基板的表面的平移运动。
MEMS惯性传感器装置可包括MEMS加速计装置，所述MEMS加速计装置能够感测在由三个正交轴(例如，X轴、Y轴和Z轴)限定的三个正交方向(例如，X方向、Y方向和Z方向)上的加速度。一般来说，惯性传感器可通过有助于共享单个检验质量块以便于在所有三个方向上感测而提供相对小的装置大小。此外，惯性传感器可提供此相对小的装置大小，同时当经受高冲击负载时仍得到线性和恢复力提高。可通过使用两个弹簧系统实现这些提高，所述两个弹簧系统在三个正交方向中的每一个上具有有用弹簧常数且具有增强的Z轴平移刚度。
本公开意图阐明使用根据本发明的各种实施例的方式而非限制根据本发明的各种实施例的真实、既定和公平的范围和精神。以上描述并不意图是穷尽性的或将本发明限于所公开的确切形式。鉴于以上教示，可能有许多修改或变型。选择和描述实施例以提供对本发明的原理和其实际应用的最佳说明，以及使得本领域的技术人员能够在各种实施例中且利用适合于预期的特定用途的各种修改来利用本发明。当根据清楚地、合法地且公正地赋予的权利的宽度来解释时，所有此类修改和变型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，且在本专利申请未决期间可修正。

Claims (9)

1.一种惯性传感器，其特征在于，包括：
可移动元件，其与基板的表面间隔开；
锚定件，其附接到所述基板；和
弹簧系统，其与所述基板的所述表面间隔开且被配置成将所述可移动元件可移动地耦合到所述基板，所述弹簧系统包括：
第一梁；
第二梁；
中心弯曲部，其插入于所述第一梁与所述第二梁之间；
第一末端弯曲部，其互连在所述第一梁的第一末端与所述锚定件之间；和
第二末端弯曲部，其互连在所述第二梁的第二末端与所述可移动元件的边缘之间，其中所述第一梁和所述第二梁相对于所述中心弯曲部以及所述第一末端弯曲部和所述第二末端弯曲部抗变形；所述可移动元件具有相对于旋转轴不对称的质量块；
所述弹簧系统被配置成有助于所述可移动元件围绕所述旋转轴的旋转运动；和
所述弹簧系统被进一步配置成有助于所述可移动元件基本上平行于所述基板的所述表面的平移运动。
2.根据权利要求1所述的惯性传感器，其特征在于：
所述可移动元件相对于所述基板的所述平移运动响应于平行于第一轴的第一力在平行于所述第一轴的第一方向上且响应于平行于第二轴的第二力在平行于所述第二轴的第二方向上，所述第一轴和所述第二轴基本上平行于所述基板的所述表面，且所述第二轴与所述第一轴基本上正交；
所述可移动元件围绕所述旋转轴的所述旋转运动响应于沿着垂直于所述基板的所述表面的第三轴的第三力；和
所述可移动元件围绕所述旋转轴的所述旋转运动包括围绕所述第一轴的旋转。
3.根据权利要求2所述的惯性传感器，其特征在于，所述中心弯曲部在所述第一方向上是柔性的以实现所述可移动元件响应于所述第一力在所述第一方向上的所述平移运动。
4.根据权利要求2所述的惯性传感器，其特征在于，所述第一末端弯曲部和所述第二末端弯曲部在所述第二方向上是柔性的以实现所述可移动元件响应于所述第二力在所述第二方向上的所述平移运动。
5.根据权利要求2所述的惯性传感器，其特征在于，所述第一末端弯曲部和所述第二末端弯曲部被配置成有助于所述可移动元件响应于所述第三力围绕所述旋转轴的所述旋转运动。
6.根据权利要求1所述的惯性传感器，其特征在于，所述弹簧系统被配置成有助于所述可移动元件响应于垂直于所述基板的表面的力围绕旋转轴的旋转运动，且所述弹簧系统的所述第一梁和所述第二梁定位在所述旋转轴处，其中所述第一梁和所述第二梁的纵向尺寸与所述旋转轴对齐。
7.根据权利要求1所述的惯性传感器，其特征在于，所述锚定件是第一锚定件，且所述惯性传感器进一步包括：
第二锚定件，其附接到所述基板；和
第一互连梁，其悬挂在所述基板的所述表面上方且耦合到所述第一锚定件和所述第二锚定件中的每一个锚定件，所述第一互连梁被布置成与所述第一梁正交，且所述第一末端弯曲部耦合到所述第一梁的所述第一末端和所述第一互连梁，使得所述第一末端弯曲部经由所述第一互连梁互连到所述第一锚定件和所述第二锚定件中的每一个锚定件。
8.一种惯性传感器，其特征在于，包括：
可移动元件，其与基板的表面间隔开，所述可移动元件具有相对于旋转轴不对称的质量块；
锚定件，其附接到所述基板；和
弹簧系统，其与所述基板的所述表面间隔开且被配置成将所述可移动元件可移动地耦合到所述基板，所述弹簧系统包括第一梁、第二梁、插入于所述第一梁与所述第二梁之间的中心弯曲部、互连在所述第一梁的第一末端与所述锚定件之间的第一末端弯曲部以及互连在所述第二梁的第二末端与所述可移动元件的边缘之间的第二末端弯曲部，其中：
所述第一梁和所述第二梁定位在所述旋转轴处，其中第一刚性梁和第二刚性梁的纵向尺寸与所述旋转轴对齐；
所述第一梁和所述第二梁相对于所述中心弯曲部以及所述第一末端弯曲部和所述第二末端弯曲部抗变形；
所述弹簧系统被配置成有助于响应于平行于第一轴的第一力相对于所述基板在平行于所述第一轴的第一方向上的平移运动，和响应于平行于第二轴的第二力在平行于所述第二轴的第二方向上的平移运动，所述第一轴和所述第二轴基本上平行于所述基板的所述表面，且所述第二轴与所述第一轴基本上正交；
所述弹簧系统被配置成有助于所述可移动元件响应于沿着垂直于所述基板的表面的第三轴的第三力围绕所述旋转轴的旋转运动；和
所述可移动元件围绕所述旋转轴的所述旋转运动包括围绕所述第一轴的旋转。
9.一种惯性传感器，其特征在于，包括：
可移动元件，其与基板的表面间隔开，所述可移动元件具有相对于旋转轴不对称的质量块；
第一锚定件，其附接到所述基板；
第二锚定件，其附接到所述基板；
第一弹簧系统，其与所述基板的所述表面间隔开，所述第一弹簧系统包括第一梁、第二梁、插入于所述第一梁与所述第二梁之间的第一中心弯曲部、互连在所述第一梁的第一末端与所述锚定件之间的第一末端弯曲部以及互连在所述第二梁的第二末端与所述可移动元件的第一边缘之间的第二末端弯曲部，其中所述第一梁和所述第二梁相对于所述第一中心弯曲部以及所述第一末端弯曲部和所述第二末端弯曲部抗变形；和
第二弹簧系统，其与所述基板的所述表面间隔开，所述第二弹簧系统包括第三梁、第四梁、插入于所述第三梁与所述第四梁之间的第二中心弯曲部、互连在所述第三梁的第三末端与所述第二锚定件之间的第三末端弯曲部以及互连在所述第四梁的第四末端与所述可移动元件的第二边缘之间的第四末端弯曲部，其中所述第三梁和所述第四梁相对于所述第二中心弯曲部以及所述第三末端弯曲部和所述第四末端弯曲部抗变形，且所述第三梁和所述第四梁定位在所述旋转轴处，其中第三刚性梁和第四刚性梁的纵向尺寸与所述旋转轴对齐，其中所述第一弹簧系统和所述第二弹簧系统被配置成有助于所述可移动元件围绕所述旋转轴的旋转运动且所述第一弹簧系统和所述第二弹簧系统被进一步配置成有助于所述可移动元件基本上平行于所述基板的所述表面的平移运动。
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