CN110637208B - 用于对锚定件移动不敏感的传感器的锚定结构 - Google Patents

Abstract

MEMS传感器包括基板和MEMS层。MEMS层内的多个锚定点悬挂着悬挂的弹簧‑质块系统，该弹簧‑质块系统包括响应于诸如线性加速度、角速度、压力或磁场之类的感兴趣的力的活动微机械部件。弹簧和刚性质块将活动部件耦合到锚定点，使得锚定点的位移基本上不会导致MEMS层内的活动部件移出平面外。

Description

用于对锚定件移动不敏感的传感器的锚定结构

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年2月17日提交的美国临时申请No.62/460,397的权益，该美国临时申请在此通过引用整体并入本文。

背景技术

诸如智能电话、智能手表、平板电脑、汽车、空中无人机(aerial drone)、电器、飞行器、锻炼辅助设备和游戏控制器之类的许多物品在其操作期间可以利用运动传感器。在许多应用中，各种类型的传感器(诸如加速度计、陀螺仪、压力传感器和磁力计)可以被独立地或一起分析，以确定用于特定应用的各种信息。例如，陀螺仪和加速度计可以用在游戏应用(例如，智能电话或游戏控制器)中以捕获用户的复杂运动，无人机和其它飞行器可以基于陀螺仪测量(例如，滚动、俯仰(pitch)和偏航(yaw))来确定朝向，以及车辆可以利用测量确定方向(例如，用于航位推算(dead reckoning))和安全性(例如，识别打滑或翻滚状况)。

诸如加速度计、陀螺仪、压力传感器、磁力计和麦克风之类的许多传感器被实现为微机电系统(MEMS)传感器。传感器的微机械部件使用硅制造技术来形成，并且那些微机械部件基于特定微机械部件的设计响应于由传感器测量的某些外部刺激而做出响应(例如，移动)。可以测量微机械部件对外部刺激的响应，例如，通过测量移动的微机械部件和传感器的固定部件之间的相对距离。

可以使用半导体制造技术从多个层制造MEMS传感器。基于制造公差和类似因素，MEMS传感器的部件之间的相对距离可能针对不同的传感器而变化。另外，MEMS传感器可能以在MEMS传感器及其部件和层上引入应力和其它力的方式与其它部件封装在一起。环境条件和最终用途环境可能影响MEMS传感器的部件。这些和其它因素会使MEMS传感器内的部件以改变传感器部件之间的预期相对位置的方式移位，从而导致测量误差。

发明内容

在本公开的实施例中，示例性微机电(MEMS)传感器包括至少一个锚定部件和从至少一个锚定部件悬挂的弹簧-质块系统。弹簧-质块系统可以包括：至少一个检测质块，其中至少一个检测质块响应于感测到的惯性力而移动；以及通过至少一个锚定弹簧耦合到至少一个锚定部件的刚性质块，其中至少一个检测质块经由刚性质块和锚定弹簧耦合到至少一个锚定部件，并且其中刚性质块在MEMS传感器的操作期间并且响应于感测到的惯性力而基本上静止。

在本公开的实施例中，示例性微机电(MEMS)传感器包括基板和位于基板层上方的MEMS层。MEMS层可以包括锚定部件和刚性质块，其中锚定部件通过锚定弹簧耦合到锚定部件，并且其中锚定弹簧基本上顺应锚定部件的位移。MEMS层还可以包括通过至少一个弹簧耦合到刚性质块的活动质块，其中活动质块被配置为响应于施加到MEMS传感器的驱动力或感测力而移动，并且其中活动质块的下平面响应于锚定部件的位移而基本上平行于基板。

在本公开的实施例中，示例性微机电(MEMS)传感器包括基板和MEMS层。MEMS层可以包括多个锚定部件，其中多个锚定部件中的一个或多个相对于MEMS层的上平面或下平面成角度。MEMS层还可以包括多个活动质块，其中多个活动质块中的每一个被配置为响应于施加到MEMS传感器的驱动力或感测力而移动。MEMS层还可以包括多个刚性质块，其中多个刚性质块中的一个或多个通过锚定弹簧直接耦合到一个或多个锚定部件，其中多个刚性质块中的一个或多个通过弹簧直接耦合到活动质块中的一个或多个，其中没有活动质块直接耦合到多个锚定部件中的任何锚定部件，并且其中多个活动质块中的每一个包括面向基板并且基本上平行于基板的平面。

附图说明

结合附图考虑以下详细描述，本公开的上述和其它特征、其性质以及各种优点将变得更加清楚，其中：

图1示出了根据本公开的实施例的例示性运动处理系统；

图2示出了根据本公开的实施例的例示性传感器设计；

图3A-3C示出了根据本公开的实施例的图2的传感器的例示性前视图；

图4A-4B示出了根据本公开的实施例的图2的传感器的例示性侧视图；

图5示出了根据本公开的实施例的例示性传感器设计；

图6示出了根据本公开的一些实施例的例示性锚定配置；以及

图7示出了根据本公开的实施例的示例性平面外感测MEMS陀螺仪的例示性MEMS层。

具体实施方式

示例性MEMS传感器可以包括基板和MEMS层。电极可以形成在基板的表面上，并且MEMS层可以被设计为平行于基板和电极的顶表面定位。MEMS层包括诸如通过接合到MEMS层的框架或接合到基板和/或盖层而固定在MEMS传感器内的锚定器点。可以在MEMS层内图案化MEMS传感器的可移动部件以形成从锚定件悬挂的弹簧和质块。这些悬挂的部件可以共同形成悬挂的弹簧-质块系统。

悬挂的弹簧-质块系统的可移动部件的活动部件可以被设计为响应于施加的驱动力、感测力或两者而在平面内(例如，在MEMS层内)或在平面外(例如，在MEMS层之外，朝着或远离基板)移动。诸如线性加速度、角速度、压力或磁场之类的感测到的参数的测量可以基于这些活动部件在MEMS层内并且相对于MEMS传感器的其它部分(诸如位于基板上的电极)的适当移动。如果活动部件没有适当地位于MEMS层内，那么传感器可能无法正确地工作，并且感测到的值可能被不正确地缩放。

悬挂着悬挂的弹簧-质块系统的锚定件可能通过各种原因(诸如制造公差、具有其它部件的安装以及最终用途的物理和环境条件)而在MEMS层内移位。刚性质块通过锚定弹簧耦合到锚定件，并通过弹簧耦合到活动部件。与刚性质块相比，锚定弹簧对于一个或多个定向或扭转移动可以基本上更灵活。活动部件不直接耦合到锚定件。锚定件的任何位移都基本上被锚定弹簧吸收，并且不会被刚性质块传播到活动部件。虽然锚定件有位移，但活动部件可以在MEMS层内保持基本上静止。

图1描绘了根据本公开的一些实施例的示例性运动处理系统10。虽然图1中描绘了特定部件，但是应该理解的是，对于不同的应用和系统，可以根据需要使用传感器、处理部件、存储器和其它电路系统的任意合适组合。在如本文描述的实施例中，运动处理系统可以包括一个或多个传感器12和支持电路系统，诸如处理电路系统14和存储器16。在一些实施例中，一个或多个附加的传感器18(例如，附加的MEMS陀螺仪、MEMS加速度计、MEMS麦克风、MEMS压力传感器、MEMS磁力计等)可以被包括在运动处理系统100内，以提供集成的运动处理单元(“MPU”)(例如，包括MEMS轴陀螺仪感测的3个轴、MEMS加速度计感测的3个轴、麦克风、压力传感器和指南针)。

处理电路系统14可以包括基于运动处理系统10的要求来提供必要处理的一个或多个部件。在一些实施例中，处理电路系统14可以包括硬件控制逻辑，该硬件控制逻辑可以被集成在诸如传感器12的传感器的芯片内(例如，在MEMS传感器的基板或盖上，或在与传感器相邻的芯片的一部分上)，以控制传感器12的操作并执行传感器12的各方面的处理。在一些实施例中，传感器12可以包括允许硬件控制逻辑的操作的各方面被修改的一个或多个寄存器(例如，通过修改寄存器的值)。其它传感器18可以以类似的方式操作。在一些实施例中，处理电路系统14还可以包括处理器(诸如微处理器)，该处理器执行例如存储在存储器16中的软件指令。微处理器可以通过与硬件控制逻辑交互来控制传感器12的操作，并且处理从传感器12接收的测量信号。微处理器可以以类似的方式与其它传感器交互。

虽然在一些实施例(图1中未描绘)中，传感器12或其它传感器18可以直接与外部电路系统通信(例如，经由串行总线或到传感器输出和控制输入的直接连接)，但在一个实施例中，处理电路系统14可以处理从传感器12和其它传感器18接收的数据，并且经由通信接口20(例如，SPI或I2C总线，或者在汽车应用中是控制器局域网络(CAN)或本地互连网络(LIN)总线)与外部部件通信。处理电路系统14可以将从传感器12和其它传感器18接收到的信号转换成适当的测量单位(例如，基于由通过通信总线20通信的其它计算单元提供的设置)并且执行更复杂的处理，以确定诸如朝向或Euler角之类的测量，并且在一些实施例中，从传感器数据确定特定活动(例如，步行、跑步、刹车、打滑、滚动等等)是否正在发生。

在一些实施例中，可以在可以被称为传感器融合的处理中基于来自多个传感器的数据确定某些类型的信息。通过结合来自各种传感器的信息，可以能够准确地确定在各种应用(诸如图像稳定、导航系统、汽车控制和安全、航位推算、远程控制和游戏设备、活动传感器、三维相机、工业自动化以及众多其它应用)中有用的信息。

可以使用半导体制造工艺来制造示例性MEMS传感器(例如，传感器12和传感器18)。在一些实施例中，MEMS传感器可以包括多个半导体层，这些半导体层被形成为包括一个或多个MEMS传感器的单个功能单元(例如，MEMS芯片)。一些或所有层可以形成为包括机械和电气部件，诸如MEMS传感器的微机械部件、模拟和数字电路系统、信号迹线、电容器等。可以通过诸如半导体接合之类的合适工艺将层制造成单个功能单元。

在示例性实施例中，MEMS传感器可以由MEMS层构成，该MEMS层包括MEMS传感器(例如，加速度计、陀螺仪、压力传感器、磁力计和/或麦克风)的可移动微机械部件。MEMS传感器的可移动微机械部件可以被封在由接合到MEMS层的其它层和/或MEMS层的其它部分限定的体积内。在示例性实施例中，MEMS层的部分可以从基板层的上方和/或下方接合到盖层，以形成MEMS传感器芯片。在一些实施例中，盖和基板层中的一者或两者可以包括在其上和/或其中形成的电气部件，诸如电极、模拟和数字电路系统、信号迹线等。MEMS层的可移动微机械部件可以悬挂在MEMS层内的一个或多个锚定点处。MEMS层的每个锚定点可以是MEMS层的固定地附接到MEMS传感器的静止部分(诸如附接到从基板和盖层中的一个或两个延伸的一个或多个柱)的部分，或者可以是固定地附接(例如，通过接合)到盖和基板层中的一个或两个的MEMS层的框架。

MEMS层内的可移动微机械部件可以通过一个或多个质块从锚定件悬挂，所述一个或多个质块被图案化为沿着或围绕一个或多个轴(例如，在x-y-z方向中的一个或多个上或者扭转地围绕x-y-z轴中的一个或多个)至少部分地柔性(即，弹簧)。从锚定件悬挂的质块和弹簧形成悬挂的弹簧-质块系统并且被设计为响应于被测量的方向和参数(诸如线性加速度、角速度、压力或磁场)而具有主要移动。在一些实施例中，正在被测量的参数是基于悬挂的弹簧-质块系统的一个或多个质块与MEMS传感器的或者在MEMS层内或者在MEMS传感器的另一层上的一个或多个固定部分的绝对或相对距离来确定的。

在一些情况下，悬挂着悬挂的弹簧-质块系统的锚定件相对于系统的其它部件和层的相对位置可以偏离设计或预期的位置，例如，由于制造公差和差异、在设备中具有其它部件的安装、最终用途应用、环境条件、设备磨损和其它类似因素。这种产生的位移可能基于不正确的缩放因子和与质块的预期位置相关的其它假设而引起期望参数的测量中的误差。

在本公开的一些实施例中，可以在悬挂的弹簧-质块系统内采用锚定结构，以防止悬挂的弹簧-质块系统的不期望的位移。即使MEMS传感器的其它部件(例如，直接锚定的部件)可能经受不期望的力，悬挂的弹簧-质块系统内的功能性可移动部件也可以对不期望的力不敏感，使得它们在MEMS层内基本上保持在期望位置内(例如，使得可移动部件或其连接点经历比直接锚定的部件小至少一个数量级的位移)。虽然在本公开的一些实施例中，可以在本文中将陀螺仪描述为结合了不灵敏锚定的特定类型的MEMS传感器，但是应该理解的是，本文描述的原理和部件可以类似地应用于其它传感器类型，诸如加速度计、压力传感器、磁力计和麦克风。

MEMS陀螺仪通常可以具有多个微机械部件，这些微机械部件用于便测量绕轴的旋转(例如，俯仰、滚转和/或偏航)。微机械部件可以包括位于(例如，作为悬挂的弹簧-质块系统的)陀螺仪的MEMS设备平面中的多个质块、梳状部、电极、杠杆、臂、弹簧和其它类似部件。通常通过诸如驱动电极或驱动梳状部的静电驱动系统使微机械部件中的一个或多个振动。使部件(例如，驱动质块)在驱动轴上以驱动频率振动。虽然可以能够测量来自驱动质块的旋转，但是在许多陀螺仪中，多个质块(例如，Coriolis质块、检测质块等)通过常常基于弹簧设计(例如，弹簧刚度、扭转弹簧等)和放置限制质块在某些方向上的运动自由度的弹簧和质块(例如，杠杆臂、耦合质块等)彼此耦合。

悬挂的弹簧-质块系统的弹簧和质块的设计可以被配置为使得检测质块和其它部件被限制为主要仅在某些方向上移动。可以限制驱动质块以主要沿着MEMS设备平面内的驱动轴移动。在实施例中，可以使得检测质块通过驱动运动沿着感测驱动轴移动。在其中驱动检测质块沿着感测驱动轴在MEMS设备平面内移动的滚动或俯仰传感器的示例性实施例中，检测质块和与其耦合的其它部件(例如，如本文所述的杠杆臂)可以响应于围绕被测轴的旋转而移动出平面外(例如，响应于垂直于被测轴和感测驱动轴两者的Coriolis力、响应于围绕被测轴的旋转)。检测质块是否响应于围绕滚动轴/x轴(即，被测轴是x轴)或俯仰轴/y轴(即，被测轴是y轴)的旋转取决于传感器设计以及传感器相对于x和y轴的取向。

诸如感测电极之类的感测元件可以位于与MEMS设备平面平行的平面中，诸如位于由陀螺仪的下面的CMOS基板层形成的基板的表面上。每个检测质块及其相应的感测电极可以形成电容器，该电容器的电容基于每个检测质块和与其相关联的感测电极之间的相对距离而变化。在其中多个检测质块相对于感测电极差分地移动(例如，每个检测质块与一个或多个其它检测质块相关联，所述一个或多个其它检测质块响应于Coriolis力而相对于感测电极在相反的方向上移动)的悬挂的弹簧-质块系统中，检测质块中的一个将更靠近与其相关联的电极移动(导致电容增加)，而差分检测质块将从与其相关联的电极移开(导致电容减小)。基于角速度和被测的差分电容之间的已知缩放因子，可以比较和分析代表电容的信号以确定围绕被测的旋转轴的角速度。

图2示出了根据本公开的实施例的例示性陀螺仪设计。虽然图2的陀螺仪可以包括任何合适的部件，但是在示例性实施例中，图2的陀螺仪可以包括驱动质块202a、202b、202c和202d；杠杆锚定件208a、208b、208c和208d；杠杆臂212a、212b、212c和212d；检测质块216a、216b、216c和216d；驱动锚定件222a/b和222c/d；以及如本文所述的多个弹簧和致动器。这些部件中的每一个可以定位(例如，悬挂)在MEMS设备平面内，该MEMS设备平面限定平面中的x轴和y轴，以及垂直于平面的z轴。基板可以位于与MEMS设备平面平行的平面中(例如，在MEMS设备平面下方)，并且在一些实施例中，基板可以包括感测元件(例如，静电电极220a、220b、220c和220d)、基板层内的CMOS电路以及从基板延伸到MEMS设备平面中的各种被锚定部件，以提供锚定件、致动器和用于悬挂和操作MEMS陀螺仪的其它部件。

如本文所述，驱动质块202a、202b、202c和202d中的每一个可以具有在相应的驱动方向上施加在驱动质块上的相应驱动运动。虽然可以根据本公开使用任何合适的致动方法，但是在实施例中，可以通过相应的静电致动器204a、204b、204c和204d使得驱动质块在驱动方向上移动。在图2中描绘的示例性实施例中，静电致动器204a、204b、204c和204d可以锚定到基板并从那里延伸到MEMS设备平面中。静电致动器可以以使得引起驱动质块(其可在MEMS设备平面内移动)在沿着x轴的驱动方向上在MEMS设备平面内振荡这样的方式相对于驱动质块定位。虽然可以根据本公开使用任何合适的静电致动，但是在实施例中，每个驱动质块及其相关联的致动器可以形成梳状驱动器，其中相互交错的梳状指从每个驱动质块及其相关联的致动器延伸。驱动质块202a、202b、202c和202d可以各自通过相应的弹簧224a、224b、224c和224d从相应的锚定件222a/b和222c/d悬挂，相应的弹簧224a、224b、224c和224d沿着驱动轴(例如，x-轴)是顺应的并且沿着其它轴是刚性的，以便促进驱动质块沿着驱动轴的移动。

每个驱动质块可以经由相应的弹簧耦合到相应的杠杆臂(例如，使得驱动质块202a经由弹簧206a耦合到杠杆臂212a，驱动质块202b经由弹簧206b耦合到杠杆臂212b，驱动质块202c经由弹簧206c耦合到杠杆臂212c，并且驱动质块202d经由弹簧206d耦合到杠杆臂212d)。在实施例中，弹簧206a、206b、206c和206d中的每一个可以包括一个或多个弹簧和/或质块，所述一个或多个弹簧和/或质块耦合并配置为使得驱动质块的驱动运动引起相应杠杆臂的旋转。虽然弹簧206a、206b、206c和206d可以以各种方式执行这个功能，但是在实施例中，弹簧可以是扭转顺应的，以允许杠杆臂和检测质块响应于由于围绕被测的轴(例如，x轴)的旋转而产生的Coriolis力而在MEMS设备平面外移动(例如，在z轴方向)。在实施例中，虽然弹簧可以沿着驱动轴部分地顺应，但是弹簧可以具有足够的宽度(例如，沿着x轴)，使得每个杠杆臂响应于与其相关联的驱动质块的相应运动而沿着驱动轴被拉动。

在实施例中，每个杠杆臂可以通过以导致MEMS设备平面内的平面内旋转的方式被锚定和悬挂，而将沿着第一轴(例如，图2中的x轴)施加的驱动运动转变为沿着垂直轴的感测驱动运动。虽然合适的杠杆臂可以包括以适当的方式悬挂的多个互连的质块和弹簧以将驱动运动转变为垂直的感测驱动运动，但是在实施例中，每个杠杆臂可以通过在陀螺仪未被驱动时位于杠杆臂的大致中心并且沿着与耦合到驱动质块的相应弹簧的共用轴的弹簧从相应的锚定件悬挂(例如，如图2所描绘的)。因此，弹簧210a可以与弹簧206a共用轴并且将杠杆臂212a从锚定件208a悬挂，弹簧210b可以与弹簧206b共用轴并且将杠杆臂212b从锚定件208b悬挂，弹簧210c可以与弹簧206c共用轴并且将杠杆臂212c从锚定件208c悬挂，并且弹簧210d可以与弹簧206d共用轴并且将杠杆臂212d从锚定件208d悬挂。如本文所述，杠杆臂与弹簧和锚定件(经由弹簧)的相应耦合可以导致每个杠杆臂响应于由驱动质块经由弹簧施加的驱动运动而围绕其在MEMS设备平面中的锚定件旋转。每个杠杆臂围绕每个相应锚定件的旋转可以导致每个杠杆臂的端部处的运动，该运动沿着MEMS设备平面中的y轴。

每个杠杆臂可以经由一个或多个耦合器耦合到一个或多个检测质块。在实施例中，每个杠杆臂可以在杠杆臂的每个端部处耦合到检测质块，使得在图2的实施例中，杠杆臂212a经由检测质块弹簧214a耦合到检测质块216a并且经由检测质块弹簧214b耦合到检测质块216b，杠杆臂212b经由检测质块弹簧214a耦合到检测质块216a并经由检测质块弹簧214b耦合到检测质块216b，杠杆臂212c经由检测质块弹簧214c耦合到检测质块216c并经由检测质块弹簧214d耦合到检测质块216d，并且杠杆臂212d经由检测质块弹簧214c耦合到检测质块216c并经由检测质块弹簧214d耦合到检测质块216d。虽然来自每个驱动质块的每个驱动运动可以从其它驱动质块解耦，但是在实施例中，可以协调驱动运动，使得杠杆臂基于耦合到每个检测质块的每对杠杆臂是以顺时针还是逆时针方式共同旋转而共同使每个检测质块在正y方向或负y方向上移动。驱动质块可以以驱动频率被驱动，使得杠杆臂和检测质块被驱动为以驱动频率(对于杠杆臂旋转地，对于检测质块线性地)振荡。

当沿着y轴驱动检测质块时，检测质块可能由于传感器围绕垂直于感测驱动轴并且其中检测质块的移动被陀螺仪结构的配置允许的轴旋转而经历Coriolis力。在图2的示例性陀螺仪设计中，检测质块可以响应于围绕被测轴(例如，x轴)的旋转而经历平面外Coriolis力(例如，沿着z轴)，其中Coriolis力的方向基于感测驱动运动的方向(例如，y轴)和围绕被测轴(例如，x轴)的旋转方向。可以以任何合适的方式感测检测质块在MEMS设备平面外的移动，诸如静电、压电或光学感测。在如图2所描绘的静电感测的示例性实施例中，一个或多个电极可以与检测质块平行地定位(例如，在检测质块下方的基板上)，以与每个检测质块形成电容器(例如，电极220a与检测质块216a形成电容器，电极220b与检测质块216b形成电容器，电极220c与检测质块216c形成电容器，并且电极220d与检测质块216d形成电容器。每个检测质块的电容可以基于每个检测质块和与其相关联的感测电极之间的相对距离而改变。在图2的示例性实施例中，可以差分地感测电容的变化。如本文所述，基于本文所述的示例性陀螺仪的驱动模式和配置，一个或多个质块在平面外远离基板的移动可以与一个或多个检测质块中的另一个在平面外朝着基板的移动对应。

图2的示例性陀螺仪可以包括两个类似的陀螺仪部分，每个陀螺仪部分包括相似数量和构造的驱动质块、杠杆臂和检测质块。虽然在图2中描绘了两个驱动质块、杠杆臂和检测质块，但是应该理解的是，在其它实施例中，其它数量和构造的检测质块是可能的。在图2的示例性实施例中，每个陀螺仪部分包括相应的驱动系统(例如，包括两个驱动质块、两个第一弹簧、两个杠杆臂和两个附加弹簧)和相应的感测系统(例如，包括两个感测弹簧和两个检测质块)。耦合弹簧218可以将两个陀螺仪部分耦合在一起，使得陀螺仪部分的驱动感测运动和Coriolis响应耦合，从而导致检测质块216b和216c与检测质块216a和216d反相地一起移动。

如本文所述，驱动质块202a-202d可以被驱动以沿着x轴振荡，其中两个质块相对于另外两个质块反相移动。这种驱动运动导致杠杆臂202a和202b一致地顺时针和逆时针旋转，而杠杆臂202c和202d类似地一致地旋转。杠杆臂的这些旋转进而使得检测质块216a与检测质块216b反相地移动并且检测质块216c与检测质块216d反相地移动。只要悬挂的弹簧-质块系统平行于基板正确定位，所有驱动质块、杠杆臂和检测质块的运动就都在MEMS层内，使得这些部件中的任何一个都不会在操作期间在没有外力的情况下相对于基板或基板电极移动。示例性MEMS传感器的驱动和感测运动在2017年4月4日提交的标题为“OUT OFPLANE SENSING GYROSCOPE ROBUST TO EXTERNAL ACCELERATION AND ROTATION”的美国专利申请No.15/232,463中进一步详细描述，该美国专利申请通过引用整体并入本文。但是，如果悬挂的弹簧-质块系统相对于基板移位(即，使得悬挂的弹簧-质块系统的底平面不再平行于基板)，那么驱动运动或对外力的响应导致部件即使在没有外力的情况下也相对于基板移动。

图3A示出了根据本公开的实施例的图2的传感器的例示性前视图。在图3A的例示性前视图中，锚定件被描绘为具有对角线，而其它部件(例如，悬挂的弹簧-质块系统和电极)被描绘为没有对角线。为了便于说明，部件可能未按比例描绘。在图3A的示例性实施例中，锚定件和MEMS层可以基本上符合期望的位置和构造，使得MEMS层的悬挂的弹簧-质块系统的底平面平行于基板的上平面和位于其上的电极定位。

杠杆锚定件208b和208d可以从传感器的基板延伸到MEMS平面中，并且在图3A的实施例中，可以延伸使得锚定件208b和208d基本上垂直于基板和MEMS层中的每一个。杠杆臂212b通过弹簧210b直接从锚定件208b悬挂(图3A中不可见)，而杠杆臂212d通过弹簧210d直接从锚定件208d悬挂(图3A中不可见)。由于锚定件208b和208d与基板和MEMS层的垂直对准，因此悬挂的杠杆臂212b和212d的下平面垂直于基板的上平面。在图3A的示例性实施例中，锚定件208a和208c、弹簧210a和210c以及杠杆臂212a和212c可以类似地对准和定位。

驱动锚定件222a/b和222c/d可以从传感器的基板延伸到MEMS平面中，并且在图3A的实施例中，可以延伸使得锚定件222a/b和222c/d基本上垂直于基板和MEMS层中的每个。驱动质块202a和202b(图3A中不可见)分别通过弹簧224a和224b直接从锚定件222a/b悬挂，而驱动质块202c和202d(图3A中不可见)分别通过弹簧224c和224d直接从锚定件222c/d悬挂。由于锚定件222a/b和222c/d与基板和MEMS层的垂直对准，因此悬挂的驱动质块202a-d的下平面垂直于基板的上平面。用于静电致动器204b和204d的锚定件也在图3A中描绘并且与MEMS层内的驱动质块对准。

检测质块216a可以经由弹簧214a和214b从杠杆臂212a和212b悬挂，检测质块216b可以经由弹簧214a和214b从杠杆臂212a和212b悬挂，检测质块216c可以经由弹簧214c和214d从杠杆臂212c和212d悬挂，并且检测质块216d可以经由弹簧214c和214d从杠杆臂212c和212d悬挂。因为杠杆臂212a-212d中的每个平行于基板悬挂，所以检测质块216a-216d中的每个都悬挂在与其相关联的电极220a-220d上方并与之平行。

图3B示出了根据本公开的实施例的经受被测的角速度的图2和图3A的传感器的例示性前视图。如本文所述，当驱动质块202a-202d的反相x轴平移引起杠杆臂212a-212d的反相旋转和检测质块216a-216d的反相y轴平移时，检测质块216a-216d可以响应于围绕x轴的角速度而经历Coriolis力。

Coriolis力根据每个检测质块的y轴平移的当前方向和围绕x轴的旋转的方向在正z轴方向或负z轴方向上起作用。z轴平移的量值可以与围绕x轴的角速度对应。在图3B的示例性实施例中，检测质块216b和216c在负z方向上平移，而检测质块216a和216d在正z方向上平移。在图3B的示例性实施例中，相应检测质块216a-216d的移动被平衡，使得检测质块216a和216d与电极220a和220d远离相同的距离，并且检测质块216b和216c与电极220b和220c远离相同的距离。相对于图3A中所描绘的原始平行距离，检测质块216a和216d到电极220a和220d的距离的增加与检测质块216b和216c到电极220b和220c的距离的减小相同。

图3C示出了根据本公开的实施例的经受MEMS层内的锚定件相对于基板层的位移的图2和图3A的传感器的示例性前视图。如本文所述，各种原因可以导致MEMS传感器的一些或所有部分(诸如MEMS传感器中的MEMS层内的锚定件和接合的框架)的位移。在图3C的示例性实施例中，MEMS传感器的每个锚定件被移位，使得锚定件相对于MEMS层和基板层形成角度。虽然图3C的锚定件被描绘为以基本上均匀的方式移位，但是应该理解的是，锚定件可以以不均匀的方式移位。

杠杆锚定件208b和208d的相对位置和角位移可以使弹簧210b和210d在杠杆臂212b和212d上施加力。在图3C的示例性实施例中，这可以使杠杆臂212b相对于锚定件208b和弹簧210b经历沿着x轴的移动，并且可以使杠杆臂212d相对于锚定件208d和弹簧210d经历沿着x轴的移动。这种移动可以使杠杆臂部分地移位出平行的MEMS平面(图3C中未绘出)，使得杠杆臂中的每个的下平面与基板形成角度。当检测质块216a-216d在感测模式下以平面外移动来移动时，检测质块216a-216d可以响应于杠杆臂的移动或其它外力而移动得更靠近或更远离其相关联的电极。结果得到的正交(quadrature)会导致由于相位误差引起的角速度的测量误差(例如，偏移误差)，因为检测质块相对于电极的绝对和相对位置及移动可以显著偏离设计的参数。因为杠杆臂响应于驱动运动或其它力而至少部分地移出平面，所以结果得到的检测质块移动未被优化为以响应于围绕x轴的角速度而生成期望的Coriolis力。虽然图3C描绘了锚定件的均匀位移角，但是不同的杠杆臂可以通过不同的锚定件位移而不同地被影响，从而导致复杂的平面外运动和检测质块之间的耦合。

图4A示出了根据本公开的实施例的图2的传感器的例示性侧视图。在图4A的例示性侧视图中，锚定件被描绘为具有对角线，而其它部件(例如，悬挂的弹簧-质块系统和电极)被描绘为没有对角线。为了便于说明，部件可以不按比例描绘。在图4A的示例性实施例中，锚定件和MEMS层可以基本上符合期望的位置和配置，使得MEMS层的悬挂的弹簧-质块系统的底平面平行于基板的上平面及位于其上的电极定位。

杠杆锚定件208c和208d可以从传感器的基板延伸到MEMS平面中，并且在图4A的实施例中，可以延伸使得锚定件208c和208d基本上垂直于基板和MEMS层中的每一个。杠杆臂212c通过弹簧210c直接从锚定件208c悬挂，而杠杆臂212d通过弹簧210d直接从锚定件208d悬挂。由于锚定件208c和208d与基板和MEMS层的垂直对准，因此悬挂的杠杆臂212c和212d的下平面垂直于基板的上平面。在图4A的示例性实施例中，锚定件208a和208b、弹簧210a和210b以及杠杆臂212a和212b可以类似地对准和定位。

驱动锚定件222c/d可以从传感器的基板延伸到MEMS平面中，并且在图4A的实施例中，可以延伸使得锚定件222c/d基本上垂直于基板和MEMS层中的每一个。驱动质块202c和202d(图4A中不可见)分别通过弹簧224c和224d直接从锚定件222c/d悬挂。虽然未在图4A中绘出，但驱动锚定件222a/b可以类似地垂直于基板和MEMS层延伸，使得驱动质块202a和202d分别通过弹簧224a和224b直接从锚定件222a/b悬挂。由于锚定件222a/b和222c/d与基板和MEMS层的垂直对准，因此悬挂的驱动质块202a-d的下平面垂直于基板的上平面。用于静电致动器204c和204d的锚定件也在图4A中描绘并且与MEMS层内的驱动质块202c和202d对准。

如图4A中所描绘的，检测质块216d可以经由弹簧214d从杠杆臂212c和212d悬挂。虽然在图4A中不可见，但是检测质块216a可以经由弹簧214a从杠杆臂212a和212b悬挂，检测质块216b可以经由弹簧214b从杠杆臂212a和212b悬挂，并且检测质块216c可以经由弹簧214c从杠杆臂212c和212d悬挂。因为杠杆臂212a-212d中的每一个平行于基板悬挂，所以检测质块216a-216d中的每一个悬挂在与其相关联的电极220a-220d上方并与之平行，如图4A中针对检测质块216d和电极220d所描绘的。

如本文所述，当驱动质块202a-202d的反相x轴平移引起杠杆臂212a-212b的反相旋转和检测质块216a-216d的反相y轴平移时，检测质块216a-216d可以响应于围绕x轴的角速度而经历Coriolis力。Coriolis力根据每个检测质块的y轴平移的当前方向在正z轴方向或负z轴方向上起作用。z轴平移的量值可以与围绕x轴的角速度对应。在图4A的示例性实施例中，取决于检测质块216d的y轴驱动方向和围绕x轴的角速度的方向，检测质块216d可以移动得更靠近或更远离电极220d。其它检测质块216a-216c可以类似地相对于相应的电极220a-220c移动。

图4B示出了根据本公开的实施例的经受MEMS层内的锚定件相对于基板层的位移的图2和图4A的传感器的例示性侧视图。如本文所述，各种原因可以导致MEMS传感器的一些或所有部分(诸如MEMS传感器中的MEMS层内的锚定件和接合框架)的位移。在图4B的示例性实施例中，MEMS传感器的每个锚定件以类似的方式移位，使得锚定件相对于MEMS层和基板层形成角度。虽然图4B的锚定件被描绘为以基本上均匀的方式移位，但是应该理解的是，锚定件可以以不均匀的方式移位。

杠杆锚定件208c和208d的相对位置和角位移可以使弹簧210c和210d在杠杆臂212c和212d上施加力。在图4B的示例性实施例中，这可以使杠杆臂212c相对于锚208d和弹簧210d经历沿着y轴的移动，并且可以使杠杆臂212c相对于锚定件208c和弹簧210c经历沿着y轴的移动。这种移动可以使杠杆臂部分地移位出平行的MEMS平面(图4B中未绘出)，使得杠杆臂中的每个的下平面与基板形成角度。当检测质块216a-216d在感测模式下以平面外移动来移动时，检测质块216a-216d可以响应于杠杆臂的移动或其它外力而移动得更靠近或更远离与其相关联的电极。结果得到的正交可以导致由于相位误差引起的角速度的测量误差(例如，偏移误差)，因为检测质块相对于电极的绝对和相对的位置和移动可以显著偏离设计参数。因为杠杆臂响应于驱动运动或其它力而至少部分地移出平面，所以结果得到的检测质块移动未被优化为响应于围绕x轴的角速度而生成期望的Coriolis力。虽然图4B描绘了锚定件的均匀位移角，但是不同的杠杆臂可以通过不同的锚定件位移而不同地被影响，从而导致复杂的平面外运动和检测质块之间的耦合。

图5示出了根据本公开的实施例的例示性传感器设计。在图5的示例性实施例中，杠杆锚定件208a-208b、弹簧210a-210d、驱动锚定件222a/b和222c/d以及弹簧224a-224d的配置已被修改，以结合降低悬挂的弹簧-质块系统的活动部件(例如，驱动质块202a-202d、杠杆臂212a-212d和检测质块216a-216b)对导致MEMS传感器的锚定件的位移的条件的灵敏度的特征。图5的示例性MEMS传感器在正常条件下以与图2的MEMS传感器类似的方式操作。

在一些实施例中，锚定件中的一个或多个可以通过一个或多个刚性质块和附加的锚定件弹簧与活动MEMS部件解耦。刚性质块和锚定件弹簧可以以限制锚定件位移传播到悬挂的弹簧-质块系统的活动部件的可能性的方式被选择、连接和配置。在一些实施例中，最可能发生的可以是诸如剪切力和有角度的位移的某些类型的锚定件位移(例如，由于接合的层的剪切、制造公差、最终用途系统中的集成等)。如在本公开中所描述的，弹簧可以被选择用于定向和/或扭转柔性，而刚性质块与弹簧的柔性维度相比是刚性的(例如，以一个数量级或量级或更多)，以便维持在平行于基板的平面内的MEMS层的结构完整性。例如，如果已知特定锚定件可能经受可能引起悬挂的弹簧-质块系统的旋转移动的剪切应力，那么扭转顺应的弹簧可以耦合在一个或多个锚定件和介入其中的刚性质块之间，使得刚性质块基本上保持在MEMS层内(即，使得锚定件的任何平面外移动都被弹簧吸收，而刚性质块基本上保持在MEMS层内，如设计的那样)。弹簧也可以被设计为在特定方向上是柔性的(例如，在平面内的x或y方向或在平面外的z方向)以适应特定的预期锚定件位移，而刚性质块在作为非活动部件的MEMS层内提供结构稳定性。以这种方式，由锚定件上的任何应力引起的基本上所有变形都可以被耦合到锚定件的弹簧而不是刚性质块吸收。

虽然在一些实施例中，仅一些锚定件可以与从悬挂的弹簧-质块系统的活动部件解耦，但是在图5的示例性实施例中，所有的锚定件通过至少一个介于中间的刚性质块和多个锚定件弹簧与悬挂的弹簧-质块系统的活动部件解耦。

在图5的示例性实施例中，每个杠杆锚定件208a-208d由锚定系统代替，该锚定系统包括多个锚定件208a-208d、锚定件弹簧230a-230d和刚性质块232a-232d。在图5的实施例中，每个杠杆锚定件208a-208d可以由四个杠杆锚定件208a-208d代替，杠杆锚定件208a-208d中的每个通过相应的锚定件弹簧230a-230d耦合到两个相邻的刚性质块232a-232d中的一个。虽然图5的示例性实施例描绘了这些部件的特定数量、尺寸、位置和配置，但是应该理解的是，可以基于诸如传感器类型、传感器设计和可能的锚定件位移问题的因素来执行修改。例如，可以选择不同数量的锚定件和刚性质块(例如，锚定件与刚性质块的比例为1:1、4:3、3:2、3:1、1:3、2:3或3:4)，可以修改锚定件和刚性质块的放置(例如，将一些或全部刚性质块放置在锚定件之间)，可以实现锚定件和质块的各种图案和形状，并且可以在各个方向上实现多种弹簧类型以有助于所关注的锚定件位移。

在图5的杠杆锚定件208a部分的示例性实施例中，四个杠杆锚定件208a中的每一个与两个刚性质块232a中的一个相邻，使得杠杆锚定件208a位于两个刚性质块232a之间。每个杠杆锚定件208a通过锚定件弹簧230a直接耦合到其相邻的刚性质块232a，锚定件弹簧230a在杠杆锚定件208a和刚性质块232a之间沿着x轴延伸。其它杠杆锚定件部分(例如，杠杆锚定件208b/锚定件弹簧230b/刚性质块232b，杠杆锚定件208c/锚定件弹簧230c/刚性质块232c，以及杠杆锚定件208d/锚定件弹簧230d/刚性质块232d)以类似的方式构造。在实施例中，每个锚定件弹簧230a-230d绕x轴扭转地顺应，使得围绕x轴的杠杆锚定件位移基本上被弹簧230a-230d吸收。刚性质块232a-232d中的每一个经由T形弹簧210a-210b耦合到相关联的杠杆臂212a-212d。在图5的示例性实施例中，弹簧210a-210d围绕x轴和y轴两者扭转地顺应，使得没有基本上被锚定件弹簧230a-230d和刚性质块232a-232d吸收(例如，作为应变/应力释放结构)的围绕这些轴的杠杆锚定件位移被弹簧210a-210d吸收传播。

在图5的示例性实施例中，每个驱动锚定件222a/b和222c/d被替换为锚定系统，该锚定系统包括多个驱动锚定件222a-222d、锚定件弹簧228a-228d和刚性质块226a/b-226c/d。在图5的实施例中，驱动锚定件222a/b可以由两个驱动锚定件222a和222b代替，驱动锚定件222a和222b中的每一个通过两个相应的锚定件弹簧228a或228b耦合到相邻的刚性质块226a/b。驱动锚定件222c/d可以由两个驱动锚定件222c和222d代替，驱动锚定件222c和222d中的每一个通过两个相应的锚定件弹簧228c或228d耦合到相邻的刚性质块226c/d。虽然图5的示例性实施例描绘了这些部件的特定数量、尺寸、位置和构造，但是应该理解的是，可以基于诸如传感器类型、传感器设计和可能的锚定件位移问题的因素来执行修改。例如，可以选择不同数量的锚定件和刚性质块(例如，锚定件与刚性质块的比例为1:1、4:3、3:2、3:1、1:3、2:3或3:4)，可以修改锚定件和刚性质块的放置(例如，将一些或全部刚性质块放置在锚定件之间)，可以实现锚定件和质块的各种图案和形状，并且可以在各个方向上实现多种弹簧类型，以有助于所关注的锚定件位移。

在图5的示例性实施例中，两个驱动锚定件222a和222b与刚性质块226a/b相邻并部分地被刚性质块226a/b包围，并通过沿着x轴延伸的锚定件弹簧228a和228b与刚性质块226a/b耦合，而驱动锚定件222c和222d与刚性质块226c/d相邻并部分地被刚性质块226c/d包围，并通过沿着x轴延伸的锚定件弹簧228c和228d与刚性质块226c/d耦合。在实施例中，每个锚定件弹簧228绕x轴扭转地顺应，使得围绕x轴的杠杆锚定件位移基本上被弹簧228吸收。刚性质块226a/b可以通过一个或多个弹簧(诸如弹簧224a-224d)耦合到驱动质块。在图5的示例性实施例中，弹簧224a-224d绕y轴扭转地顺应，使得没有基本上被锚定件弹簧228和刚性质块226吸收(例如，作为应变/应力释放结构)的绕y轴的杠杆锚定件位移基本上被弹簧224吸收。

图6示出了根据本公开一些实施例的对锚定件位移不敏感的锚定系统的例示性锚定构造。如图6中的(a)-(g)所描绘的构造展示了锚定件(用对角线表示)、弹簧和刚性质块的数量、尺寸、形状和取向的示例性修改。应该理解的是，这些示例是以说明的方式和限制的目的提供的，并且图6中描绘的特定配置可以基于诸如预期的锚定件位移和经由刚性质块耦合到锚定件的活动部件(例如，旋转移动质块、线性平面内移动质块、平面外质块、杠杆臂、驱动质块、Coriolis质块、检测质块等)之类的因素以各种方式修改或组合以适应特定应用。弹簧可以被图案化(例如，宽度、长度、形状、折叠等)以适应期望的特征以及对不同的锚定件位移和不期望的MEMS层位移的其它原因的响应。

图7示出了根据本公开的实施例的示例性平面外感测MEMS陀螺仪的例示性MEMS层。虽然图7中的部件的编号一般可以符合图2-5中类似项的编号，但是应该理解的是，图7的部件可以根据本公开以各种不同的方式配置，并且对图7中描绘和描述的结构的合适的修改、添加或移除可以如本文所述或如本领域普通技术人员所理解的那样进行。

在实施例中，图7的MEMS陀螺仪可以包括多个固定的被锚定部分，用于经由杠杆臂和驱动质块悬挂悬挂的弹簧-质块系统，并提供MEMS层内的框架。在图7的示例性实施例中，固定的被锚定部分可以经由从MEMS传感器的盖和/或基板延伸的锚定件接合到盖和基板中的一个或两个上。在图7的实施例中，框架锚定件240a、240b、242a和242b可以沿着MEMS传感器的顶侧(在MEMS传感器的正y轴侧上的框架锚定件240a)、底侧(在MEMS传感器的负y轴侧上的框架锚定件240b)、左侧(在MEMS传感器的负x轴侧上的框架锚定件242a)和右侧(在MEMS传感器的正x轴侧上的框架锚定件242b)定位。在一些实施例中，框架锚定件可以用于限制可以在期望的(例如，驱动或感测)方向上产生对移动的阻力的气隙，可以限制可移动MEMS部件在期望的移动方向之外的移动，并且可以提供空间的填充物，使得蚀刻负载在芯片中变化不大。在图7的示例性实施例中，框架锚定件不耦合到悬挂的弹簧-质块系统的任何部件，但是在一些实施例中，框架锚定件中的一些或全部可以耦合到悬挂的弹簧-质块系统的部分(例如，经由一个或多个锚定件弹簧和/或刚性质块)。

在图7的示例性实施例中，MEMS传感器的悬挂的弹簧-质块系统的所有活动部件经由刚性质块和相关联的锚定件弹簧耦合到锚定件，使得每个活动部件与锚定件的位移解耦。虽然在不同的实施例中以及对于不同的传感器类型可以以不同的方式悬挂不同的部件，但是在图7的示例性实施例中，驱动质块经由刚性质块和相关联的锚定件弹簧的集合从驱动锚定件悬挂，杠杆臂经由刚性质块和相关联的锚定件弹簧的第二集合从杠杆锚定件悬挂，并且检测质块从杠杆臂悬挂。

在图7的实施例中，示例性杠杆锚定件208a接合到基板和盖中的一个或两个，以形成MEMS层的固定部分。外杠杆锚定件208a在两个刚性质块232a之间延伸，并且经由沿着x轴延伸的锚定件弹簧230a直接耦合到每个刚性质块232a。两个内杠杆锚定件208各自经由沿着x轴延伸的锚定件弹簧230a直接耦合到刚性质块232a中的一个。每个锚定件弹簧可以基本上是扭转顺应的，使得杠杆锚定件绕x轴的位移基本上被弹簧230a吸收。刚性质块232a可以经由在杠杆锚定件208a之间延伸的T形弹簧彼此耦合并耦合到杠杆臂212a。T形弹簧210a可以绕x轴和y轴两者扭转地顺应以限制到杠杆臂232a的锚定件位移的传播，并且可以基于弹簧210a的纵横比顺应z轴位移。弹簧210可以耦合到杠杆臂212a的中点，以提供让杠杆臂212a响应于驱动质块202a的x轴驱动运动而绕其旋转的枢转点。杠杆臂212b-212d可以类似地经由弹簧210a-210d耦合到刚性质块232b-232d，并且经由锚定件弹簧230b-230d耦合到杠杆锚定件208b-208d。

在图7的实施例中，示例性驱动锚定件222a和222b接合到基板和盖中的一个或两个，以形成MEMS层的固定部分。上驱动锚定件222a在三侧由刚性质块226a/b围绕，并且经由两个锚定件弹簧228a直接耦合到刚性质块226a/b，其中两个锚定件弹簧228a沿着x轴延伸到刚性质块226a/b。下驱动锚定件222b在三侧由刚性质块226a/b围绕，并且经由两个锚定件弹簧228b直接耦合到刚性质块226a/b，其中两个锚定件弹簧228b沿着x轴延伸到刚性质块226a/b。刚性质块226a/b从驱动锚定件222a和222b悬挂在MEMS层内。多个上弹簧224a将刚性质块226a/b耦合到驱动质块202a并将驱动质块202a悬挂在MEMS层内。在示例性实施例中，上弹簧224a是折叠弹簧，其有助于驱动质块202a的x轴驱动运动并且沿着y轴基本上是刚性的。多个下弹簧224b将刚性质块226a/b耦合到驱动质块202b并将驱动质块202b悬挂在MEMS层内。在示例性实施例中，下弹簧224b是折叠弹簧，其有助于驱动质块202b的x轴驱动运动并且沿着y轴基本上是刚性的。以这种方式，一般可以限制驱动质块在驱动轴以外的其它位置移动，从而防止驱动运动、感测驱动运动和感测运动的耦合。驱动质块202c-202d可以类似地经由弹簧224c-224d耦合到刚性质块226c/d，并且经由弹簧228c-228d耦合到驱动锚定件222c-222d。

在图6的示例性实施例中，驱动质块202a/202b/202c/202d中的每个具有形成在其中的两个腔，其中每个腔具有梳状部，用于与位于其中的梳状驱动静电致动器接口。例如，驱动质块202a具有在其中的两个腔，每个腔具有位于其中的多个被锚定的静电致动器204a，用于引起驱动质块202a在驱动质块202a的x轴驱动方向之一上的移动。当静电致动器204a引起驱动质块202a在第一驱动方向(例如，在负x方向)上的移动时，类似配置的静电致动器204b可以引起驱动质块202b在正x方向上的移动，类似配置的静电致动器204c可以引起驱动质块202c在正x方向上的移动，并且类似配置的静电致动器204d可以引起驱动质块202d在负x方向上的移动。当静电致动器204a引起驱动质块202a在第二驱动方向(例如，在正x方向)上的移动时，类似配置的静电致动器204b可以引起驱动质块202b在负x方向上的移动，类似配置的静电致动器204c可以引起驱动质块202c在负x方向上的移动，并且类似配置的静电致动器204d可以引起驱动质块202d在正x方向上的移动。

在图6的示例性实施例中，弹簧206a/206b/206c/206d可以将驱动质块202a/202b/202c/202d中的每一个连接到相关联的杠杆臂212a/212b/212c/212d。每个弹簧可以被配置为使得施加在驱动质块上的驱动运动被转移到杠杆臂，例如，通过在驱动方向上维持弹簧的足够的纵横比，使得驱动质块在驱动方向上高效地拉动杠杆臂。在实施例中，弹簧可以具有足够的扭转顺应，使得杠杆臂的任何平面外运动(例如，响应于施加在检测质块上的平面外Coriolis力)不耦合到驱动质块。以这种方式，驱动运动、感测驱动运动和感测运动可以保持解耦。

杠杆臂212a/212b/212c/212d中的每一个可以经由相应的t形弹簧210a/210b/210c/210d在杠杆臂的中点和与弹簧206a/206b/206c/206d共用的轴上耦合到刚性质块232a/232b/232c/232d。当相应的弹簧206a/206b/206c/206d沿着x轴驱动轴在一个方向上拉动杠杆臂时，使杠杆臂围绕MEMS设备平面内的锚定件旋转。可以协调驱动质块的相应移动方向，使得陀螺仪部分的驱动系统的每个驱动质块在相同(顺时针或逆时针)方向上旋转。例如，当弹簧206a在第一方向(例如，在负x方向)拉动杠杆臂212a时，杠杆臂212a将围绕锚定件208a以顺时针运动旋转。同时，弹簧206b在正x方向拉动杠杆臂212b，使杠杆臂212b顺时针旋转，弹簧206c在正x方向拉动杠杆臂212c，使杠杆臂212c逆时针旋转，并且弹簧206b在负x方向拉动杠杆臂212d，使杠杆臂212d逆时针旋转。类似地，当弹簧206a在第二方向(例如，在正x方向)拉动杠杆臂212a时，杠杆臂212a将围绕锚定件208a以逆时针运动旋转。同时，弹簧206b在负x方向拉动杠杆臂212b，使得杠杆臂212b逆时针旋转，弹簧206c在负x方向拉动杠杆臂212c，使得杠杆臂212c顺时针旋转，并且弹簧206b在正x方向拉动杠杆臂212d，使得杠杆臂212d顺时针旋转。除了基于控制每个驱动质块的驱动方向来协调杠杆臂的相对移动之外，这些运动还经由耦合弹簧218耦合，其中耦合弹簧218经由检测质块216b和216c连接两个陀螺仪部分。

杠杆臂212a/212b/212c/212d中的每一个经由两个检测质块弹簧连接到两个检测质块(例如，杠杆臂212a经由检测质块弹簧214a连接到检测质块216a并且经由检测质块弹簧214b连接到检测质块216b，杠杆臂212b经由检测质块弹簧214a连接到检测质块216a并且经由检测质块弹簧214b连接到检测质块216b，杠杆臂212c经由检测质块弹簧214c连接到检测质块216c并且经由检测质块弹簧214d连接到检测质块216d，并且杠杆臂212d经由检测质块弹簧214c连接到检测质块216c并且经由检测质块弹簧214d连接到检测质块216d)。每个检测质块弹簧在y方向上相对刚性，使得响应于杠杆臂的旋转而在每个杠杆臂的端部处的y轴运动导致检测质块在y方向上移动。因为每个检测质块在其每个端部处耦合到相应的杠杆臂，所以进一步限制了检测质块仅在y方向上移动。

在如本文所述的示例性实施例中，当杠杆臂212a和212b在顺时针方向上旋转时，这将使得检测质块216a在正y方向上移动并且检测质块216b在负y方向上移动。同时，杠杆臂212c和212d将在逆时针方向上旋转，使得检测质块216c在负y方向上移动并且检测质块216d在正y方向上移动。当杠杆臂212a和212b在逆时针方向上旋转时，这将使得检测质块216a在负y方向上移动并且检测质块216b在正y方向上移动。同时，杠杆臂212c和212d将在顺时针方向上旋转，使得检测质块216c在正y方向上移动并且检测质块216d在负y方向上移动。每个陀螺仪部分的检测质块的移动进一步受到耦合弹簧218的限制，耦合弹簧218被配置为在y方向上是刚性的，使得检测质块216b和216c一般应当一致地移动，这也影响检测质块216a和216d经由杠杆臂的移动。

检测质块216a/216b/216c/216d中的每一个可以形成具有相应平面内驱动感测电极240a/240b/240c/240d的感测电容器。虽然可以基于各种合适的部件(例如，杠杆臂212a/212b/212c/212d)的测得的运动以各种合适的方式(例如，压电感测、电容感测、光学感测等)执行驱动感测，但是在实施例中，驱动感测可以由相应的梳指形成，所述梳指沿着y轴(例如，在感测驱动方向上)从检测质块216a/216b/216c/216d延伸并且与被锚定的驱动感测电极240a/240b/240c/240d的互补梳状部相互交叉。当检测质块沿着y轴移动时，驱动传感电极的集合中的每个处的差分电容将以与检测质块沿着y轴的移动成比例的方式改变。可以在开环或闭环反馈系统中提供这些驱动感测信号，以调节提供给驱动电极204a/204b/204c/204d的信号，例如，以更好地平衡施加在驱动质块上的驱动运动或调节由驱动系统赋予的整体移动程度。

如本文所述，当检测质块在y轴上振荡时，围绕被测轴(例如，围绕x轴)的旋转可以沿着z轴产生Coriolis力。因为每个陀螺仪部分的两个检测质块总是在相反方向上移动，所以每个陀螺仪部分的检测质块之一将在正z方向上经历Coriolis力，而另一个检测质块将在负z方向上经历Coriolis力，其中Coriolis力的相应方向取决于检测质块的y轴运动方向和围绕轴的旋转方向。这将导致检测质块之一在正z方向上移出平面而另一个检测质块在负z方向上移出平面。这些力将经由附接到每个杠杆臂的弹簧和弹簧的扭转运动引起陀螺仪部分中的每个的杠杆臂围绕y轴的旋转。在陀螺仪部分和/或耦合弹簧的驱动运动连接陀螺仪部分的检测质块的实施例中，相应陀螺仪的杠杆臂应当绕y轴旋转，使得检测质块216a和216d在平面外一致地移动，并且使得检测质块216b和216c在平面外一致地移动。

图7还描绘了与相应的检测质块216a/216b/216c/216d相关联的感测电极220a/220b/220c/220d。每个感测电极可以固定在陀螺仪的另一个层上(例如，在位于检测质块下方的平行基板层上)。每个感测电极可以与其相关联的检测质块形成电容器，并且可以具有基于感测电极和相关联检测质块之间的z轴距离而改变的电容。可以确定在相应感测电极处感测到的电容的差分测量，并且基于已知的相关性和缩放因子，可以基于检测质块的移动来确定角速度。

前面的描述包括根据本公开的示例性实施例。提供这些示例仅用于说明的目的，而不是为了限制的目的。将理解的是，本公开可以以与本文明确描述和描绘的形式不同的形式来实现，并且本领域普通技术人员可以实现与以下权利要求一致的各种修改、优化和变化。

将理解的是，质块、弹簧、杠杆、锚定件、电极和类似部件的配置仅仅是示例性的，并且来自多个附图的各种配置可以以合适的方式组合。将进一步理解的是，其它合适的修改、添加、移除、优化或变化可以由本领域普通技术人员实现或如本文所述。

Claims (20)

1.一种微机电MEMS传感器，包括：

基板；

至少一个锚定系统，每个锚定系统包括：

锚定部件，

锚定弹簧，和

刚性质块，刚性质块通过锚定弹簧耦合到锚定部件；以及

至少一个检测质块，其中所述至少一个检测质块响应于感测到的惯性力而移动；

其中所述至少一个检测质块经由刚性质块和锚定弹簧耦合到锚定部件，并且其中锚定部件的任何位移基本上被锚定弹簧吸收，刚性质块在MEMS传感器的操作期间并且响应于感测到的惯性力而基本上静止，以限制锚定部件的位移传播到弹簧-质块系统的活动部件，其中活动部件包括所述检测质块，所述至少一个锚定部件和弹簧-质块系统位于所述MEMS传感器的微机电MEMS层内，并且其中所述基板位于所述MEMS层下方并且平行于所述MEMS层。

2.如权利要求1所述的MEMS传感器，其中刚性质块响应于所述至少一个锚定部件在MEMS层外的移动而在MEMS层内保持基本上静止。

3.如权利要求2所述的MEMS传感器，其中锚定弹簧扭转地顺应所述至少一个锚定部件在MEMS层外的移动。

4.如权利要求3所述的MEMS传感器，其中响应于所述至少一个锚定部件的移动，锚定弹簧在MEMS层内不移动。

5.如权利要求4所述的MEMS传感器，其中响应于所述至少一个锚定部件的移动，锚定弹簧不垂直于MEMS层移动。

6.如权利要求2所述的MEMS传感器，其中刚性质块响应于所述至少一个锚定部件的移动而基本上静止包括所述刚性质块在MEMS层外的至少比所述至少一个锚定部件在MEMS层外的移动小一个数量级的移动。

7.如权利要求1所述的MEMS传感器，其中刚性质块响应于感测到的惯性力而基本上静止包括所述刚性质块响应于感测到的惯性力的至少比所述至少一个检测质块响应于感测到的惯性力的移动小一个数量级的移动。

8.如权利要求1所述的MEMS传感器，其中弹簧-质块系统还包括至少一个驱动部件，其中所述至少一个驱动部件使驱动力被施加到弹簧-质块系统，并且其中刚性质块响应于驱动力而基本上静止。

9.如权利要求8所述的MEMS传感器，其中刚性质块响应于驱动力而基本上静止包括所述刚性质块响应于驱动力的至少比所述至少一个检测质块响应于驱动力的移动小一个数量级的移动。

10.如权利要求1所述的MEMS传感器，其中弹簧-质块系统还包括至少一个杠杆臂，并且其中所述至少一个杠杆臂经由刚性质块和锚定弹簧耦合到所述至少一个锚定部件。

11.如权利要求10所述的MEMS传感器，其中所述至少一个检测质块通过弹簧耦合到至少一个旋转质块。

12.如权利要求11所述的MEMS传感器，其中所述至少一个检测质块响应于所述至少一个杠杆臂的旋转而以线性运动移动。

13.如权利要求12所述的MEMS传感器，其中弹簧-质块系统和所述至少一个锚定部件位于MEMS传感器的MEMS层内，并且其中所述至少一个杠杆臂的旋转和所述至少一个检测质块的线性运动在MEMS层内。

14.如权利要求13所述的MEMS传感器，其中驱动力被施加到所述至少一个杠杆臂以引起所述至少一个杠杆臂的旋转。

15.如权利要求14所述的MEMS传感器，其中驱动力被施加到驱动质块，并且其中驱动质块通过驱动弹簧耦合到杠杆臂。

16.如权利要求15所述的MEMS传感器，还包括：

至少一个第二锚定部件，其中弹簧-质块系统从所述至少一个第二锚定部件悬挂，并且其中弹簧-质块系统还包括：

第二刚性质块，所述第二刚性质块通过至少一个第二锚定弹簧耦合到所述至少一个第二锚定部件，其中所述至少一个驱动质块经由第二刚性质块和第二锚定弹簧耦合到所述至少一个第二锚定部件，并且其中第二刚性质块在MEMS传感器的操作期间并且响应于感测到的惯性力而基本上静止。

17.如权利要求16所述的MEMS传感器，其中所述至少一个第二锚定部件和弹簧-质块系统位于MEMS传感器的MEMS层内，并且其中第二刚性质块响应于所述至少一个第二锚定部件在MEMS层外的移动而在MEMS层内保持基本上静止。

18.如权利要求13所述的MEMS传感器，其中检测质块响应于感测到的惯性力而垂直于MEMS层移动。

19.一种微机电MEMS传感器，包括：

基板；

微机电MEMS层，位于基板上方并且平行于所述基板，所述MEMS层包括：

锚定部件；

刚性质块，所述刚性质块通过锚定弹簧耦合到锚定部件；

活动质块，所述活动质块通过至少一个弹簧耦合到刚性质块，其中活动质块被配置为响应于施加到MEMS传感器的驱动力或感测力而移动，并且其中活动质块的下平面响应于锚定部件的位移而基本上平行于基板；

其中锚定弹簧基本上顺应锚定部件的位移以基本上吸收锚定部件的任何位移，所述刚性质块在MEMS传感器的操作期间并且响应于感测到的惯性力而基本上静止，以限制锚定部件的位移传播到所述活动质块。

20.一种微机电MEMS传感器，包括：

基板；

微机电MEMS层，位于基板上方并且平行于所述基板，所述MEMS层包括：

多个锚定部件，其中所述多个锚定部件中的一个或多个锚定部件相对于MEMS层的上平面或下平面成角度；

多个活动质块，其中所述多个活动质块中的每一个活动质块被配置为响应于施加到MEMS传感器的驱动力或感测力而移动；以及

多个刚性质块，其中所述多个刚性质块中的一个或多个刚性质块通过锚定弹簧直接耦合到一个或多个锚定部件，其中所述多个刚性质块中的一个或多个刚性质块通过弹簧直接耦合到活动质块中的一个或多个活动质块，其中所述多个锚定部件的任何位移基本上被锚定弹簧吸收，刚性质块在MEMS传感器的操作期间并且响应于感测到的惯性力而基本上静止，没有活动质块直接耦合到所述多个锚定部件中的任何锚定部件，以限制所述多个锚定部件的位移传播到所述多个活动质块，并且其中所述多个活动质块中的每一个活动质块包括面向基板并且基本上平行于基板的平面。

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