CN116018498A - 各向同性衰减的运动陀螺仪 - Google Patents

Abstract

根据一些方面，提供了一种微机电系统(MEMS)装置，其中MEMS器件的一个或多个部件相对于一个或更多个其他移动部件表现出衰减的运动。MEMS器件可以包括：基板；检测质量块，耦合到所述基板并且被配置为沿着共振器轴移动；和第一梭，耦合到所述检测质量块，并且包括驱动结构或感测结构中的一个，所述驱动结构被配置为沿着所述共振器轴驱动所述检测质量块，所述感测结构被配置为响应于所述检测质量块沿所述共振器轴的运动而沿基本上垂直于所述共振器轴的第二轴移动，其中所述检测质量块的至少第一部分的位移相对于所述第一梭和/或所述检测质量块的第二部分的位移被衰减。

Description

各向同性衰减的运动陀螺仪

相关申请的交叉引用

本申请根据35 U.S.C.§120要求作为2021年8月23日提交的、发明名称为“等向衰减运动陀螺仪”、代理人案卷No.G0766.70329US01的美国专利申请序列No.17/409,291的连续部分申请的权益，其全部内容通过引用并入本文。

美国专利申请序列No.17/409,291根据35 U.S.C.§119(e)要求2020年8月24日提交的、发明名称为“各向同性衰减运动陀螺仪”、代理人案卷No.G0766.70329US00的美国临时专利申请序列No.63/069,685的权益，其全部内容通过引用并入本文。

本申请根据35 U.S.C.§120要求作为2021年8月23日提交的、发明名称为“各向同性衰减运动陀螺仪”、代理人案卷No.G0766.70329W000的PCT申请序列No.PCT/US2021/047132的连续部分申请的权益，其全部内容通过引用并入本文。

PCT申请No.PCT/US2021/047132根据35 U.S.C.§119(e)要求2020年8月24日提交的、发明名称为“各向同性衰减运动陀螺仪”、代理人案卷No.G0766.70329US00的美国临时专利申请序列No.63/069,685的权益，其全部内容通过引用并入本文。

本申请根据35 U.S.C.§119(e)要求2020年8月24日提交的、发明名称为“等向衰减运动陀螺仪”、代理人案卷No.G0766.70329US00的美国临时专利申请序列No.63/069,685的权益，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本申请涉及模式匹配微机电系统(MEMS)惯性传感器和相关方面。

背景技术

MEMS器件可以包括通过一个或多个耦合器耦合在一起的多个移动质量块。例如，陀螺仪(有时简称为“gyros”)是对旋转敏感的设备，因此可用于检测旋转。微机电系统(MEMS)陀螺仪通常包括可移动体，有时称为“检测质量块”，向其施加电信号以产生主要沿特定轴的运动。这被称为驱动检测质量块，并且检测质量块被驱动所沿的轴有时被称为驱动轴。当陀螺仪经历旋转时，检测质量块另外沿着不同于驱动轴的轴移动，有时称为感测轴。检测检测质量块沿感测轴的运动，从而提供陀螺仪所经历的旋转的指示。对于一些MEMS陀螺仪，驱动检测质量块可以包括使检测质量块在平面内运动。对于一些MEMS陀螺仪，可以通过感测检测质量块的平面外运动来检测旋转。

发明内容

根据一些方面，提供一种微机电系统(MEMS)装置，包括:基板；检测质量块，耦合到所述基板并且被配置为沿着共振器轴移动；包括驱动结构或感测结构之一的第一梭，其中：所述驱动结构被配置为沿着所述共振器轴驱动所述检测质量块；和所述感测结构被配置为响应于所述检测质量块沿着所述共振器轴的运动而沿着基本上垂直于所述共振器轴的第二轴移动；第一杠杆，在所述第一杠杆的第一端处耦合到所述第一梭，并且在所述第一杠杆的第二端处耦合到所述检测质量块；和锚，耦合到所述基板，其中所述第一杠杆在远离所述第一杠杆的第一端的第一距离和远离所述第一杠杆的第二端的第二距离的枢转点处耦合到所述锚，和其中所述第一距离大于所述第二距离，使得所述检测质量块的位移相对于所述第一梭的位移被衰减。

根据一些方面，提供一种微机电系统(MEMS)装置，包括:基板；检测质量块，耦合到所述基板并且被配置为沿着共振器轴移动；驱动结构，包括多个电极并且被配置为沿着所述共振器轴驱动所述检测质量块；第二多个电极，设置在所述检测质量块的开口中；第一杠杆，将所述驱动结构耦合到所述检测质量块；和锚，耦合到所述基板，其中所述第一杠杆在远离耦合到所述驱动结构的第一杠杆的第一端的第一距离和远离耦合到所述检测质量块的第一杠杆的第二端的第二距离的枢转点处耦合到所述锚，和其中所述第一距离大于所述第二距离，使得相对于所述驱动结构的位移，所述检测质量块沿共振器轴的位移被衰减。

根据一些方面，提供一种陀螺仪，包括：第一检测质量块，耦合到下面的基板并且被配置为沿着共振器轴移动；驱动结构，包括第一多个电极并且被配置为沿着所述共振器轴驱动所述第一检测质量块；感测结构，包括第二多个电极并且被配置为沿着垂直于所述共振器轴的第二轴移动；第一杠杆，在所述第一杠杆的第一端处耦合到所述驱动结构，并且在所述第二杠杆的第二端处耦合到所述第一检测质量块；和第二杠杆，在所述第二杠杆的第一端处耦合到所述驱动结构，并且在所述第二杠杆的第二端处耦合到所述第一检测质量块，其中所述第一和第二杠杆在各自的枢转点处耦合到所述下面的基板,所述各自的枢转点被设置为比所述第一和第二杠杆的各自的第一端更靠近所述第一和第二杠杆的各自的第二端，和施加到第一多个电极的电压的频率等于施加到第二多个电极的电压的频率。

一种微机电系统(MEMS)装置，包括:基板；检测质量块，耦合到所述基板并且被配置为沿着共振器轴移动；和包括驱动结构或感测结构之一的第一梭，其中：所述驱动结构被配置为沿着所述共振器轴驱动所述检测质量块；和所述感测结构被配置为响应于所述检测质量块沿着所述共振器轴的运动而沿着基本上垂直于所述共振器轴的第二轴移动，其中：检测质量块耦合到第一梭；和所述检测质量块的至少第一部分的位移相对于所述第一梭和/或所述检测质量块的第二部分的位移被衰减。

附图说明

将参考以下附图描述本申请的各个方面和实施例。应当理解，这些数字不一定按比例绘制。出现在多个图中的项目在其出现的所有图中用相同的参考编号表示。为清晰起见，并非每个图纸中都会标记每个组件。

图1示出了根据一些非限制性实施例的示例MEMS器件。

图2示出了根据一些非限制性实施例的图1的示例MEMS器件的运动。

图3A示出了根据一些非限制性实施例的图1的示例性MEMS器件的杠杆的部分之间的相对长度。

图3B示出了根据一些非限制性实施例的用于图1的示例MEMS器件的另一示例衰减机构。

图3C-3D示出了根据一些非限制性实施例的使用图3B的示例衰减机构的图1的MEMS器件的运动。

图3E示出了根据一些非限制性实施例的用于图1的示例MEMS器件的另一示例衰减机构。

图3F-3G示出了根据一些非限制性实施例的使用图3E的示例衰减机构的图1的MEMS器件的运动。

图3H示出了根据一些非限制性实施例的用于MEMS器件的另一示例衰减机构。

图3I示出了根据一些非限制性实施例的多质量块系统中的图3H的示例衰减机构。

图3J示出了根据一些非限制性实施例的耦合在一起的图3I的示例性多质量块系统的多个实例。

图3K示出了根据一些非限制性实施例的图3I的MEMS器件的替代实施例。

图3L示出了根据一些非限制性实施例的具有附加电极的图3K的示例MEMS器件。

图3M示出了根据一些非限制性实施例的耦合在一起的多个图3E的示例MEMS器件。

图3N示出了根据一些非限制性实施例的耦合在一起的多个图3M的示例MEMS器件。

图3O示出了根据一些非限制性实施例的利用一对电极实现的图3H的示例衰减机构。

图3P示出了根据一些非限制性实施例的多质量块系统中的图30的示例衰减机构。

图4A-4D示出了根据一些非限制性实施例的三杆枢转连接的示例。

图4E示出了根据一些非限制性实施例的处于正常操作模式的图4A-4D的示例性三杆枢转连接。

图4F示出了根据一些非限制性实施例的处于倾斜操作模式的图4A-4D的示例性三杆枢转连接。

图5A-5B示出了根据一些非限制性实施例的四杆枢转连接的示例。

图5C示出了根据一些非限制性实施例的处于正常操作模式的图5A-5B的示例性四杆枢转连接。

图5D示出了根据一些非限制性实施例的处于倾斜操作模式的图5A-5B的示例性四杆枢转连接。

图6示出了根据一些非限制性实施例的四杆枢转连接的另一示例。

图7示出了根据一些非限制性实施例的五杆枢转连接的示例。

图8A-8B示出了根据一些非限制性实施例的用于将检测质量块耦合到梭的示例性折叠弹簧。

图9是根据一些非限制性实施例的图1的示例MEMS器件的局部视图，示出了检测质量块中的开口。

图10A-10B示出了根据一些非限制性实施例的设置在示例MEMS器件的开口中的示例电极。

图11示出了根据一些非限制性实施例的设置在示例MEMS器件的开口中的电极的另一示例。

图12A示出了根据一些非限制性实施例的设置在示例MEMS器件的开口中的电极的又一示例。

图12B示出了根据一些非限制性实施例的设置在示例MEMS器件的开口中的图12A的示例电极中的多个。

图13A-13B示出了根据一些非限制性实施例的用于将梭耦合到锚的示例嵌套弹簧。

图13C示出了根据一些非限制性实施例的示例MEMS器件的示例嵌套弹簧。

图14示出了根据一些非限制性实施例的具有四个检测质量块的示例MEMS陀螺仪。

图15是示出根据一些非限制性实施例的包括MEMS陀螺仪的示例系统的框图。

图16是示出根据一些非限制性实施例的包括具有MEMS陀螺仪的示例系统的车辆的透视图。

具体实施方式

介绍

本公开的方面提供了表现出衰减运动的微机电系统(MEMS)器件。特别地，提供了一种陀螺仪，具有一个或多个部件(例如，检测质量块或其一部分)，所述部件经历位移，但其程度相对小于一个或更多个其他部件(例如一个或多个梭、检测质量块)。根据一些方面，陀螺仪的检测质量块的运动被衰减。根据一些方面，检测质量块的内部部分的运动被衰减，而检测质量块的其他部分的运动不被衰减。

根据进一步的方面，提供了一种MEMS陀螺仪，具有布置在MEMS器件的呈现衰减运动的部分中的正交微调电极。例如，正交微调电极可以设置在检测质量块的开口内。在一些实施例中，正交修整电极可以是对称的，并且独立于驱动运动的方向起作用。特别地，当驱动运动沿着x轴以及当驱动运动沿y轴时，正交微调电极操作。

根据一些方面，提供了一种MEMS陀螺仪，被配置为实现用于驱动和感测的相对大的运动以及围绕正交微调电极的相对小的运动。例如，在一些实施例中，MEMS陀螺仪的正交微调电极被设置在陀螺仪的检测质量块区域中，并且驱动和感测结构被设置在陀螺的梭区域中。检测质量块可以以杠杆比率耦合到梭，杠杆比率被配置为针对检测质量块的特定位移给出梭的更大位移。根据进一步的方面，衰减运动陀螺仪可以是各向同性的(例如，被配置为使得可以根据需要切换陀螺仪的驱动和感测模式)。

在一些实施例中，陀螺仪可以是模式匹配的。对于模式匹配陀螺仪，驱动模式和感测模式的频率(例如，施加到驱动电极和感测电极的电压的频率)基本相等。可以通过控制施加到驱动结构的驱动电极的电压来控制驱动模式的频率。频率调谐电极可以与一个或多个控制回路一起实现，用于主动地改变感测模式的频率。发明人已经认识到，配置具有匹配的驱动和感测模式频率的MEMS器件对MEMS器件的增益和信噪比具有有利的影响。例如，模式匹配可以增加MEMS器件的增益和信噪比。在一些实施例中，模式匹配陀螺仪的信噪比比模式分离MEMS器件的信噪比大1000倍。

根据本文描述的技术的一些方面，在不使用环设计的情况下实现模式匹配陀螺仪。例如，在一些实施例中，模式匹配陀螺仪可以被实现为具有四质量块结构。发明人已经认识到，虽然模式匹配对于环形陀螺仪是可能的，但是环形陀螺仪的运动幅度以及增益相对较小。相比之下，四质量块陀螺仪可以实现更大的运动幅度和更大的增益。

在一些实施例中，本文所述的MEMS陀螺仪可以提供检测质量块的运动的衰减。在一些实施方案中，MEMS陀螺仪可以通过使用本文所述多杆枢转连接来提高线性度，使得陀螺仪运动的频率独立且不受陀螺仪运动幅度的影响。在一些实施例中，提供了嵌套弹簧，用于将陀螺仪的梭耦合到下面基板的锚，嵌套弹簧提供了对由于封装变形而产生的应力的改善的释放。

下面进一步描述上述方面和实施例以及附加方面和实施方式。这些方面和/或实施例可以单独使用、一起使用或以任何组合使用，因为本技术在这方面不受限制。

器件综述

图1示出了根据一些非限制性实施例的示例MEMS器件。应当理解，为了说明的目的，图1和本文所示的一些后续图的方面已经被简化。MEMS器件100的部件的附加细节在随后的图中示出。此外，这里描述的MEMS器件可以具有在所示实施例中未示出的一个或多个附加特征。例如，如图14所示，示例性MEMS器件100可以包括较大MEMS器件的一部分。

MEMS器件100包括检测质量块102。检测质量块102可以悬挂在下面基板(未示出)上方并耦合到下面基板。MEMS器件100可以被配置为通过科里奥利力的检测来检测角速率。例如，检测质量块102可以被配置为沿着第一轴(例如，共振器轴，在所示实施例中，x轴)和基本上垂直于第一轴的第二轴(例如y轴)移动。在一些实施例中，检测质量块102可以被配置为在平面内和/或平面外移动。

具体地，图1示出了具有检测质量块102的MEMS器件100，该检测质量块102被配置为通过科里奥利力的检测来促进角速率的检测。科里奥利效应，以及科里奥利力，在以下情况下产生：(1)检测质量块振荡；以及(2)MEMS器件经受角运动。检测质量块可以悬挂在下面基板(未示出)上方。在图1-2所示的示例中，检测质量块102可以被驱动以沿着x轴振荡，并且当检测质量块102在页面的平面(例如，x-y平面，围绕穿过页面的轴)中经历角运动时，产生科里奥利力。科里奥利力可导致检测质量块102沿y轴移位。MEMS器件100可以被配置为感测检测质量块102的位移以测量旋转。在一些实施例中，例如如图14所示，可以提供一个或多个额外的检测质量块以感测围绕与检测质量块102相同或不同的轴的旋转。

尽管本文描述的MEMS器件100具有沿x轴的驱动模式，但该技术的一些方面提供了各向同性陀螺仪。因此，可以根据需要切换驱动轴和感测轴，而无需重新配置(例如，移动或重新定位)MEMS器件100的组件。因此，在一些实施例中，驱动运动可以沿着x轴，而感测可以沿着y轴。在其他实施例中，驱动运动可以沿着y轴，而感测可以沿着x轴。

MEMS器件100还包括驱动结构103(104A-B)和感测结构106(106A-B)。驱动结构是被配置为引起MEMS器件100的检测质量块的运动的结构。驱动结构104A-B可以包括驱动电容器，其中静电力用于引起检测质量块102的运动。例如，驱动结构104A、104B可以包括第一多个电极120，第一多个电极与耦合到下层基板的第二多个电极间隔一定距离。可以向第二多个电极施加电压，使得第一和第二多个电极之间的距离改变。因此，由于第一和第二多个电极之间的距离的变化，驱动结构可以响应于施加到第二多个电极的电压而振荡。驱动结构104A、104B的运动可以传递到检测质量块102，如本文进一步描述的。

感测结构是被配置为检测MEMS器件100的检测质量块的运动的结构。例如，感测结构106A-B可以感测由当检测质量块102经历角运动时产生的科里奥利力引起的检检测质量块102的运动。由科里奥利力引起的检测质量块102的运动可以被传递到感测结构106A-B，从而使感测结构如本文进一步描述的那样振荡。感测结构106A-B可以包括感测电容器122，其中当耦合到感测结构的电极和耦合到下面基板的电极之间的距离改变时，产生静电力。检测质量块102的科里奥利平移运动可以基于由于角旋转而产生的静电科里奥利力来确定。

在所示实施例中，检测质量块102包括两个驱动结构104A-B和两个感测结构106A-B。然而，任何合适数量的驱动结构和感测结构都可以被实现并耦合到检测质量块102。

如本文所述，运动可以在相应的驱动结构104A、104B或感测结构106A、106B与检测质量块102之间传递。例如，在本文进一步描述的驱动操作模式中，驱动结构104A、104B的运动可以被传递到检测质量块102，导致检测质量块102振荡。在感测操作模式中，由科里奥利力引起的检测质量块102的运动可以被传递到感测结构106A、106B。这种运动的传递可以通过检测质量块102和相应的驱动或感测结构之间的耦合器来促进。耦合器可以包括一对杠杆108。杠杆108可以耦合在一起。

每个杠杆108可以在第一端处耦合到梭(例如，驱动结构104A、104B或感测结构106A、106B)。这里进一步描述了杠杆108和梭之间的耦合方面。

每个杠杆108可以在第二端处耦合到检测质量块102。在一些实施例中，杠杆可通过弹簧110耦合到检测质量块。在一些实施例中，弹簧110可包括折叠弹簧(例如，单折叠弹簧、双折叠弹簧)，如本文所述。

每个杠杆108可以进一步耦合到锚112(例如，通过弹簧)，锚112在第一端和第二端之间耦合到下面基板。杠杆108可被配置为围绕杠杆108耦合到锚112的点枢转。枢转点在锚112处的定位可控制检测质量块102运动的衰减，如本文进一步描述的。

各个梭可以通过嵌套弹簧116连接到一个或多个锚114。这里描述了嵌套弹簧116的其他方面。

图2示出了根据一些非限制性实施例的图1的示例MEMS器件的运动。为了简单起见，图2中并未示出图1的MEMS器件100的所有方面。

图2示出了根据一些非限制性实施例的图1的示例MEMS器件100在感测模式下的运动。在所示实施例中，MEMS器件100的感测模式包括检测质量块102沿着y轴的运动。如本文所述，MEMS器件100可被配置为感测由科里奥利力引起的检测质量块102围绕平面外轴(例如，z轴)的旋转，以检测旋转。具体地，MEMS器件可以包括一个或多个感测结构106A、106B，被配置为感测检测质量块102沿着y轴的运动，以测量作用在检测质量块102上的科里奥利力。在图2所示的实施例中，MEMS器件包括两个感测结构106A、106B，耦合到检测质量块102并且基本上彼此相对地设置。

如本文所述，感测结构106A、106B的运动可以经由杠杆108耦合到检测质量块102。一对杠杆108可以耦合到相应的感测结构106A、106B。当检测质量块102振荡时，一对杠杆108可以枢转，如图2所示。在一些实施例中，每个杠杆108具有多个枢转点。

尽管在所示实施例中，驱动模式和感测模式分别沿着x轴和y轴，但是在其他实施例中驱动和感测运动可以沿着x轴、y轴和/或z轴的任意组合。

衰减运动方面

如本文所述，本技术的一些方面涉及相对于一个或多个梭(例如，一个或更多个驱动结构和/或一个或一个以上感测结构)的位移衰减检测质量块的位移。一些方面涉及衰减检测质量块的一部分(例如，内部质量块)相对于检测质量块的其他部分的位移。

发明人已经认识到，减小陀螺仪的电极(例如，用于执行正交微调和/或频率调谐的电极)之间的间隙可以提高电极性能的效率。如本文所述，陀螺仪的某些电极可以设置在检测质量块内。然而，由于检测质量块的运动通常在10微米量级，检测质量块中的电极的平行板之间的间距也需要为10微米或更大，以便将电极设置在检测质量块中，同时避免陀螺仪损坏。为了便于配置具有较小间距(例如，2微米或更小)的电极，发明人已经认识到，检测质量块或其一部分的运动可以被衰减，以防止否则可能由检测质量块的大位移导致的陀螺仪损坏。

因此，在一些实施例中，检测质量块的运动可以被衰减。例如，检测质量块的运动可以被衰减，使得检测质量块的移动相对小于梭的运动。在一些实施例中，检测质量块的运动可以衰减五倍，使得检测质量块运动和梭运动包括1:5的比例(例如检测质量块可以移动2微米，而梭移动10微米)。在一些实施例中，检测质量块运动和梭运动包括1:3的比例。通过使用运动学枢转连接和放置本文进一步描述的它们各自的枢轴(例如，参考图3A-7)，可以促进检测质量块的衰减。

为了便于检测质量块的衰减运动，杠杆可采用不等的杠杆臂比实现。图3A示出了根据一些非限制性实施例的图1的示例性MEMS器件100的杠杆108的部分之间的相对长度La、Lb。

如本文所述，杠杆108可在枢转点312处耦合到锚112。也就是说，杠杆108(例如，通过弹簧124)耦合到锚112，使得杆108可以围绕枢转点312枢转。La包括在枢转点312和杠杆108的第一端之间的杠杆108的一部分，杠杆108的第一端在点314处耦合到梭(部分示出)。La包括在枢转点312和杠杆108的第二端之间的杠杆108的一部分，该杠杆108(例如通过弹簧110)耦合到检测质量块102。

臂比La/Lb定义了衰减因子。臂比限定了MEMS器件100的什么部件被衰减。例如，当距离La大于距离Lb时，如所示实施例中所示，检测质量块102的运动相对于梭的运动衰减。臂比由枢转点312相对于杠杆108的位置限定。比率为1表示枢轴点112位于杠杆108的中间。臂比大于1意味着距离La大于距离Lb，并且检测质量块102的运动相对于梭的运动衰减。

例如，对于La＝750pm和Lb＝150pm，杠杆臂比为La/Lb＝5，这意味着检测质量块102的移动量比梭少五倍。如果最大允许的检测质量块102振幅为2pm，则往复运动将放大检测质量块102位移的5倍(即，杠杆臂比为5的10pm)。大于1的任何合适的杠杆臂比可用于衰减检测质量块相对于梭运动的运动(例如，2、3、4、5等)。

由于该运动在梭内部(例如，在驱动结构内部)被放大，所以根据臂杆定律，在驱动模式中需要较小的力来驱动检测质量块102的运动。因此，利用图3A所示和本文所述的杠杆臂比，可以实现更有效地使用梭区域内的驱动电极。在所示实施例中，驱动结构和感测结构分别包括用于驱动模式致动和感测模式检测的梳状指状电极。

在一些实施例中，检测质量块和梭的运动可以基本相等。例如，将连杆的枢轴点配置为朝向连杆的中心，将在梭的运动和检测质量块的运动之间提供基本相等的比率。

在一些实施例中，梭的运动可以相对于检测质量块的运动衰减。例如，将枢轴点远离检测质量块并靠近连接到梭的杠杆的一端，会导致检测质量块运动被放大，并且梭运动被衰减。

如本文所述，在一些实施例中，可以衰减检测质量块102的一部分的运动。也就是说，在一些实施例中，基于杠杆108上的枢转点的定位，检测质量块102的一些部分可经历与梭104基本相同的位移或更大的位移。检测质量块102的其他部分可以表现出相对较小的位移。

图3B示出了根据一些非限制性实施例的用于图1的示例MEMS器件的另一示例衰减机构。如图3B所示，内部质量块320可以设置在检测质量块102内。内部质量块320可以通过衰减机构被配置为经历与检测质量块102不同的位移量。在图3B所示的实施例中，内部质量块320被配置为比检测质量块102表现出更多的位移，使得检测质量块102的运动相对于内部质量块320的运动被衰减。

如图3B所示，检测质量块120通过弹簧322耦合到内部质量块320。至少一个电极350可以设置在内部质量块320的间隙g内。如本文所述，至少一个电极350可以被配置为执行正交微调。本文描述了当被配置为执行正交微调时电极350的其他方面。

检测质量块102或内部质量块320的衰减可以通过相对于将检测质量块102耦合到基板(未示出)的弹簧的刚度调节弹簧322的刚度来实现。例如，为了相对于内部质量块320的运动衰减检测质量块102的运动，弹簧322可以比将检测质量块102耦合到下面基板的弹簧相对更硬。

图3C-3D示出了根据一些非限制性实施例的使用图3B的示例衰减机构的图1的MEMS器件的运动。检测质量块102和内部质量块320都可以在两个自由度上自由移动。如图3C-3D所示，由于本文所述的弹簧322的刚度，内部质量块320的相对位移大于检测质量块102的位移。在所示实施例中，作为一个示例，内部质量块320的移动量是检测质量块102的移动量的四倍。可以实现内部质量块320和检测质量块102之间的任何位移比。

图3E示出了根据一些非限制性实施例的用于图1的示例MEMS器件的另一示例衰减机构。在图3E所示的实施例中，内部质量块320的运动相对于检测质量块102的运动被衰减。因此，弹簧322的刚度可以小于将检测质量块102耦合到下面基底的弹簧的刚度。

内部320的运动相对于检测质量块102的运动的衰减允许将一个或多个电极定位在内部质量块内，同时也允许一个或多个电极具有相对小的间隙，如本文所述。一个或多个电极可以包括平行板电极。

在一些实施例中，如图3E所示，内部质量块320的运动可以相对于检测质量块102的运动衰减，并且梭104的运动可以相对检测质量块104的运动衰减。例如，杠杆108的枢转点可以定位成比杠杆108的端部更靠近杠杆108的连接到梭104的端部，而不是杠杆108的一端连接到检测质量块102。检测质量块102的高位移对于高科里奥利加速度是有利的，而内部质量块320和梭104的较低位移允许实现具有小间隙的电极。

图3F-3G示出了根据一些非限制性实施例的使用图3E的示例衰减机构的图1的MEMS器件的运动。检测质量块102和内部质量块320都可以在两个自由度上自由移动。如图3F-3G所示，由于这里描述的弹簧322的刚度，内部质量块320的相对位移小于检测质量块102的位移。在所示实施例中，作为一个示例，检测质量块102的移动量是内部质量块320的移动量的三倍。可以实现内部质量块320和检测质量块102之间的任何位移比。

在一些实施例中，检测质量块102和内部质量块320的运动可以基本相等。例如，将检测质量块102耦合到下面基板和弹簧322的弹簧的刚度可以基本上相等，以实现检测质量块102和内部质量块320的相等运动。

图3H示出了根据一些非限制性实施例的用于MEMS器件的另一示例衰减机构。例如，图3H中所示的MEMS器件通常可以是图1中所示类型(例如，具有检测质量块102、杠杆108、驱动结构104和感测结构106)。在图3H所示的实施例中，当检测质量块102沿着x轴和y轴(0和90度轴)移动时，内部质量块320被限制为45度运动。

图3H所示的实施例包括耦合到检测质量块102的弹簧332。弹簧332耦合到锚330，锚330耦合到MEMS器件100的下面基板。检测质量块弹簧332的刚度由KPM表示。

弹簧338耦合到内部质量块320。弹簧338耦合到锚336，锚336耦合到MEMS器件100的下面基板。

检测质量块120通过弹簧334耦合到内部质量块320。将检测质量块102耦合到内部质量的弹簧334的刚度由KQ表示。

通过调节刚度KPM和KQ，检测质量块102的运动可以相对大于、相对小于或基本等于内部质量块320的运动。在一些实施例中，耦合到检测质量块102的弹簧332的刚度KPM大于耦合检测质量块102到内部质量块320的弹簧334的刚度KQ，并且内部质量块320相对于检测质量块102运动衰减。当KPM小于KQ时，检测质量块102的运动相对于内部质量块320的运动衰减。当KPM基本上等于KQ时，检测质量块102的运动基本上等于内部质量块320的运动。

因此，本文所描述的技术的方面有助于相对于MEMS器件100的一个或多个其他组件衰减MEMS器件100中的一个或者多个组件。

如图3H所示，至少一个电极350可以设置在内部质量块320的间隙g内。如本文所述，至少一个电极350可以被配置为执行正交微调。本文描述了当被配置为执行正交微调时电极350的其他方面。在图3H所示的实施例中，单个电极350设置在内部质量块320的间隙g内。

图3I示出了根据一些非限制性实施例的多质量块系统(例如，MEMS器件380)中的图3H的示例衰减机构。如图3H所示，两个检测质量块102A和102B通过耦合器360(例如，一个或多个弹簧)耦合在一起。尽管在所示实施例中示出了两个检测质量块耦合在一起，但是本文所述的衰减机构和电极设计可以在具有任何合适数量的检测质量块(例如，至少三个检测质量块、至少四个检测质量块、至少六个检测质量块、至少十二个检测质量块等)的多质量块系统中实现。

每个检测质量块102A、102B可以包括本文关于图3H描述的部件。例如，至少一个电极350可以设置在内部质量块320的间隙g内。在图3I所示的实施例中，每个内部质量块包括设置在各个间隙g中的单个电极350。第一电极350A设置在第一内部质量块350A的间隙g中，并且第二电极350B设置在第二内部质量块350B的间隙g。第一电极350A和第二电极350B可以具有相反的极性(例如，一个电极是负的，一个是正的)。例如，第一电极350A可以是正的，而第二电极350B可以是负的。如图3I所示，第二电极350B相对于第一电极350A旋转90度。

在一些实施例中，检测质量块102A、102B可以被配置为相对于彼此逆相移动。也就是说，检测质量块102A可以被配置为在驱动操作模式中相对于检测质量块102B沿着轴在相反方向上移动。在感测操作模式中，检测质量块102A可以被配置为沿着与驱动轴基本垂直的轴相对于检测质量块102B在相反方向上移动。耦合器360可以强制检测质量块102A和102B的逆相位运动。

图3J示出了根据一些非限制性实施例的耦合在一起的图3I的示例MEMS器件380的多个实例。例如，图3J的MEMS器件382包括通过耦合器362(例如，一个或多个弹簧)耦合在一起的两个MEMS器件380。因此，图3J中所示的MEMS器件382包括检测质量块102A-D。

示例性MEMS器件382中的检测质量块102A-D可以被配置为相对于相邻检测质量块逆相位移动。也就是说，检测质量块102可以被配置为在驱动模式中相对于垂直和水平地与检测质量块相邻的检测质量块的运动沿着第一轴在相反方向上移动，并且相对于对角地与检测质量块102相邻的检验质块的运动沿第一轴在相同方向上移动。在感测模式中，检测质量块102可以被配置为相对于垂直和水平地与检测质量块相邻的检测质量块的运动沿着基本上垂直于第一轴的第二轴在相反方向上移动，并且相对于对角地与检测质量块102相邻的检测质量块的运动在相同方向上沿着第二轴移动。

图3K示出了根据一些非限制性实施例的图3I的MEMS器件的替代实施例。在图3K所示的实施例中，MEMS器件380’包括单个检测质量块102。单个检测质量块102包括两个内部质量块320A、320B。单个电极350A、350B设置在内部质量块320A、320B的每个相应间隙中。各个电极350A、350B相对于彼此以90度角定向。

图3L示出了根据一些非限制性实施例的具有附加电极的图3K的示例MEMS器件。特别地，图3L中所示的MEMS器件380”包括具有四个内部质量块320A-D的单个检测质量块102。单个电极350A-D设置在四个内部质量块320A-D的每个相应开口中。各个电极350A-D相对于彼此以90度角定向。在一些实施例中，增加设置在单个检测质量块中的电极的数量可以减少制造缺陷的影响。

图3M示出了根据一些非限制性实施例的耦合在一起的图3E的多个示例MEMS器件380”。例如，图3M示出了通过耦合器384(例如，一个或多个弹簧)耦合在一起的两个MEMS器件380”。

图3N示出了根据一些非限制性实施例的耦合在一起的多个图3M的示例MEMS器件。例如，图3N示出了通过耦合器386(例如，一个或多个弹簧)耦合在一起的图3M的示例MEMS器件中的两个。因此，图3N包括耦合在一起的四个MEMS器件380”。

图3O示出了根据一些非限制性实施例的利用一对电极实现的图3H的示例衰减机构。在图3O所示的实施例中，内部质量块320包括多个间隙g0(具体地，两个间隙g0)。第一电极350A(用Qp表示)和第二电极350B(用Qn表示)设置在内部质量块320的各个间隙g0中。因此，使用一对电极350A、350B来实施图3O的实施例。

第一电极350A和第二电极350B可以具有相反的极性(例如，一个电极是负的，一个是正的)。例如，第一电极350A可以是正的，而第二电极350B可以是负的。如本文所述，电极350A、350B可以被配置为执行正交微调。

如本文所述，内部质量块320的运动可以相对于检测质量块102的运动衰减。在一些实施例中，内部质量块320可以被配置为沿着相对于x轴和y轴以45度角定向的轴移动。

应当理解，图3O所示的双电极设计可以代替本文所述的任何单电极设计(例如，关于图3B-3N)来实现。

图3P示出了根据一些非限制性实施例的多质量块系统中的图3O的示例衰减机构。如图3P所示，两个检测质量块102A和102B通过耦合器360(例如一个或多个弹簧)耦合在一起，本文描述的衰减机构和电极设计可以在具有任何合适数量的检测质量块(例如，至少三个检测质量块、至少四个检测质量块，至少六个检测质量块和至少十二个检测质量块等)的多质量块系统中实现。

每个检测质量块102A、102B可以包括本文中关于图3O描述的部件。例如，一对电极350A、350B可以设置在内部质量块320A、320B的相应间隙g0中。因此，在图3O所示的实施例中，一对电极350A、350B设置在每个内部质量块320A、320B的相应间隙g0中。如本文所述，第一电极350A和第二电极350B可以具有相反的极性(例如，一个电极是负的，一个是正的)。例如，第一电极350A可以是正的，而第二电极350B可以是负的。如图3P所示，第二电极350B相对于第一电极350A旋转90度。

再次参考图3A，杠杆108可以是线性的。当保持胡克定律F＝k*x时，杠杆108是线性的，其中F是施加的力，k是杠杆机构刚度，x是杠杆108的位移。相比之下，非线性系统可以被描述为F＝k*x+k3*x3，其中l<3是杠杆108的不期望的立方刚度。在线性系统中，物体的共振频率与运动幅度无关，而在非线性系统中，共振频率取决于检测质量块的位移。这种效应也被称为弹簧硬化，这意味着对于较高的运动幅度，共振频率较高。更高的谐振频率对于给定的位移需要更大的力，因此降低了MEMS器件的效率。

下面提供具有线性杠杆机构的示例运动学连杆。特别地，图4A-7示出了可以在MEMS器件100中实现的运动学枢转连接的示例。MEMS器件可包括一个或多个枢转连接，所述枢转连接被配置为在驱动和/或感测结构(例如梭)与检测质量块102之间传递运动。在一些实施例中，枢转连接可包括通过连接器耦合在一起的MEMS器件100的第一和第二杠杆108。在所示实施例中，运动学枢转连接包括至少三个杆。也就是说，运动学枢转连接的三个“杆”可以在枢轴点处耦合在一起，使得第一杆和第二杆在第一枢轴点处连接在一起，而第二杆和第三杆在第二枢轴点处耦合在一起。因此，运动学枢转连接的相应杆可以相对于运动学枢转杆的其他杆自由枢转。发明人已经认识到，具有至少三个杆的运动学枢转连接可以减少和/或完全消除当连接第一和第二杠杆的连接器弯曲时产生的立方刚度。

图4A-4D示出了根据一些非限制性实施例的三杆枢转连接的示例。三杆枢转连接包括相对于仅具有两个杆的枢转连接的附加自由度。图4A-4B示出了三杆枢转连接400A的第一实施例。图4C示出了三杆枢转连接400B的第二实施例。图4D示出了三杆枢转连接400C的第三实施例。

如图4A-4D所示，设置在杠杆108之间的连接器404不直接连接到杠杆108，而是通过弹簧406、插件408和连接器404的组合将杠杆108连接在一起。三杆连接400A、400B、400C相对于图4A-4B所示的两杆连接具有额外的自由度。特别地，当杠杆108的近端都沿相同方向移动(例如，通过沿相反方向旋转)时，如图4A所示，额外的自由度防止连接器弯曲，从而产生立方刚度，而不影响倾斜刚度比。特别地，当第一和第二杠杆108沿相反方向旋转时，防止连接器404相对于检测质量块102旋转。相反，弹簧406允许耦合到每个杠杆108的插件408移动。关于两杆连接所描述的正交的有益减少仍然通过三杆连接实现，同时也减少或防止了完全立方刚度。

三杆连接400A、400B、400C也可以从其枢轴的角度观察。例如，两个杠杆108中的第一个可以被认为是第一杆，两个杆108中的第二个可以被看作是第二杆，并且连接器404可以被看作第三杆。第一杆可以在三杆连接的第一端处(例如，通过弹簧)耦合到检测质量块102。第一端可以包括在第一杆连接到检测质量块102的点处的第一固定枢轴，其中第一杆耦合到检测质量块102，其中第一杆被配置为围绕第一固定枢轴枢转。第二杆可以在三杆连接的第二端处(例如，通过弹簧)耦合到检测质量块102。第二端可包括第二固定枢轴，其中第二杆被配置为围绕第二固定枢转。如本文所述，第一杆和第二杆以及第二杆和第三杆可以在各自的动态枢轴点处耦合在一起。枢轴可以是动态的，因为枢轴设置在配置为枢轴的两个组件之间。

本文所述的运动学枢转连接可以以任何合适的方式耦合到梭。在图4C中，三杆连接400B通过两个折叠弹簧耦合到驱动结构。在图4D中，三杆连接400C通过单个弹簧耦合到驱动结构。图4E示出了根据一些非限制性实施例的处于正常操作模式的图4A-4D的示例性三杆枢转连接。图4F示出了根据一些非限制性实施例的处于倾斜操作模式的图4A-4D的示例性三杆枢转连接。

图5A-5D示出了根据一些非限制性实施例的四杆枢转连接500A的示例。如图5A所示，四杆枢转连接500A可包括盒形弹簧402。相应的盒形弹簧可以通过相应的系绳506耦合到相应的杠杆108，并且通过连接器504彼此耦合。在所示实施例中，四杆连接500A通过单个T形连接504耦合到驱动结构104，然而，其他配置也是可能的。例如，在一些实施例中，四杆连接500A可以通过两个或更多个弹簧耦合到驱动结构104。如图5B所示，四杆连接500A每个杠杆108具有至少两个枢转点508。本发明人已经认识到，四杆连接有利于降低MEMS器件对剪切应力的敏感性。

图5C示出了根据一些非限制性实施例的处于正常操作模式的图5A-5B的示例性四杆枢转连接。图5E示出了根据一些非限制性实施例的处于倾斜操作模式的图5A-5B的示例性四杆枢转连接。如图5C-D所示，枢转连接的双盒弹簧元件在倾斜操作模式下表现为刚性杆，允许连杆作为三杆系统。

图6示出了根据一些非限制性实施例的四杆枢转连接600的另一示例。图6的枢转连接包括四个段，每个杠杆108具有两个段。在图6所示的实施例中，四杆连接通过驱动结构104将杠杆耦合在一起。具体地，各个杠杆108均耦合到驱动结构104(例如，通过弹簧)，而不直接耦合在一起。本发明人已经认识到，图6中所示的四杆连接设计对于降低MEMS器件100对法向应力和剪切应力的敏感性。

图7示出了根据一些非限制性实施例的五杆枢转连接700的示例。图7所示的五杆连接700结合了图5A-6所示的四杆枢转连接的各方面。例如，五杆枢转连接700包括耦合到相应杠杆108的相应的盒形弹簧702。此外，各个杠杆通过驱动结构耦合在一起，而不是通过连接器(例如，通过各个弹簧706)直接耦合在一起。相应的盒形弹簧702通过系绳704连接到弹簧706和杠杆108。发明人已经认识到，图7中所示的五杆连接设计对于减少剪切应力敏感性和由增加的立方刚度引起的非线性可能是有利的。

如本文所述，使用本文所述类型的枢轴连接(例如，具有至少三个杆的枢轴连接)可以通过防止陀螺仪中增加的立方刚度来增加陀螺仪的线性度。当陀螺仪的连接梁弯曲和拉伸时，就会产生立方刚度。结果，连接梁的硅硬化，导致连接梁的刚度增加。增加的刚度导致频率随着高振幅下的位移而改变和增加。

图8A-8B示出了根据一些非限制性实施例的用于将检测质量块102耦合到梭104A、104B、106A、106B的示例性折叠弹簧800A、800B。根据一些方面，检测质量块102可以耦合到梭，以减少MEMS器件100的立方刚度并增加其线性度。

在所示实施例中，如本文所述，检测质量块102通过杠杆108耦合到相应的梭。在一些实施例中，检测质量块102可以通过折叠弹簧耦合到相应的杠杆。在一些实施例中，折叠弹簧可包括双发夹弹簧800A，如图8A所示。在一些实施例中，折叠弹簧可包括单个发夹弹簧800B，如图8B所示。

电极设计

如本文所述，本技术的一些方面涉及新的电极设计。例如，在一些实施例中，一个或多个电极(例如，正交修整电极)可以设置在检测质量块的开口内。在一些实施方案中，一一个或更多个电极可以设置在相对于检测质量块的其他部分具有衰减运动的检测质量块的内部。如本文所述，正交修整电极可以是对称的并且独立于驱动运动的方向而起作用。在一些实施例中，除了正交微调之外，正交微调电极还可以执行频率调谐。

这里描述的一个或多个电极可以被配置为随着检测质量块的运动在平面内操作。也就是说，对于平行板电极，板之间的距离可以在沿着驱动轴的方向上延伸。如本文所述，一个或多个电极可以包括正交修整电极。因此，正交修整电极可以被配置为平行板电极，该平行板电极在平行板之间具有在沿着驱动轴的方向上延伸的间隙。

如本文所述，MEMS器件100可提供MEMS器件100的一部分(例如，检测质量块102、内部质量块320)的衰减运动，同时还通过减小和/或完全消除MEMS器件100弹簧连接的立方刚度来提供MEMS器件的最大线性度。可以使用本文描述的一个或多个衰减机构来促进MEMS器件运动的衰减。例如，将杠杆的枢轴点配置为远离联动装置的中心，可调整检测质量块和梭之间的运动比率。将枢转点移离梭并靠近与检测质量块耦合的杠杆的端部，导致梭的运动被放大，检测质量块的运动被衰减。在一些实施例中，例如，根据本文描述的技术，可以衰减一部分检测质量块(例如，本文描述的内部质量块320)的运动。

发明人已经认识到，正交修整电极可以有利地放置在具有衰减运动的MEMS器件的一部分中。在一些实施例中，正交修整电极设置在检测质量块的开口中，并且检测质量块的运动被衰减。在一些实施例中，只有一部分检测质量块呈现出衰减的运动，并且正交修整电极设置在检测质量块的呈现出衰减运动的部分中。本发明人已经认识到，在经历较少运动的MEMS器件的一部分中设置正交修整电极允许更有效地转换用于正交修整的静电电极(例如，平行板电极)。

图9是根据一些非限制性实施例的图1的示例MEMS器件100的局部视图。根据一些方面，检测质量块102设置有分布在检测质量块102的整个表面上的多个开口902。每个开口902可以具有设置在其中的电极，该电极被配置为执行MEMS器件102的正交修整。根据一些实施例，每个开口902可以包括电极对904的一半，相邻开口902包括电极对902的第二半。然而，应当理解，正交微调电极的其他配置也是可能的。

正交修整电极可以设置在MEMS器件的经历两个自由度运动的部分中(例如，沿着共振器轴线和沿着基本上垂直于共振器轴的第二轴)。在所示实施例中，正交修整电极设置在检测质量块中。在一些实施例中，正交修整电极是对称的，使得电极独立于驱动轴起作用，如本文进一步描述的。例如，正交微调电极在驱动运动沿x轴以及驱动运动沿y轴时工作，允许在驱动轴和感测轴之间切换，而无需重新配置(例如，重新定位组件、添加额外组件或重新布线组件)陀螺仪。

正交微调电极有助于减少正交。正交是检测质量块在与驱动运动正交的方向上的运动，理想情况下，该运动与科里奥利响应相差90°。通常，正交是不希望的，因为陀螺仪可能无法区分正交产生的电信号与旋转产生的电信信号，因此陀螺仪在检测旋转时的精度可能会受到正交的出现的负面影响。因此，通过向正交修整电极施加电信号以产生与正交力相反的力来减小正交的正交修整有利于陀螺仪的精度。

如本文所述，检测质量块的运动可以被衰减，以便允许具有小间隙(例如，大约2微米)的正交修整电极。对于各向同性陀螺仪，正交修整电极的效率基于正交修整电极和MEMS器件的相邻侧壁之间的间隙gl和g2的大小。在本文所述的正交修整电极的情况下，gl和g2由正交修整电极和检测质量块的相邻侧壁之间的距离限定，gl表示间隙902的最小尺寸，g2表示间隙904的最大尺寸。当最大间隙g2增加时，正交微调电极产生的力迅速下降。特别地，正交微调电极在与驱动方向正交的方向上产生的力与间隙平方的倒数成比例。因此，较大的间隙会降低陀螺仪的效率。

然而，为了防止MEMS器件的损坏，正交修整电极和检测质量块之间的间隙应至少与检测质量块的位移一样大，以允许设置在检测质量块的开口内的高效正交修整电极(例如具有小间隙)。

图10A-10B示出了根据一些非限制性实施例的设置在示例MEMS器件的开口中的示例电极904A、904B。如上所述，电极904A、904B设置在检测质量块102的开口(例如，间隙)902中。gl反映电极904A、904B与检测质量块之间的最小尺寸，g2反映电极902A、904与检测质量块102之间的最大尺寸，并且d表示检测质量块的最大位移。

如本文所述，电极904A、904B可以成对设置。例如，如图10A-10B所示，第一电极904A(表示为Qn)与第二电极904B(表示为Q p)成对作用以执行正交微调。如本文所述，一对电极904A、904B也可以作为一对来执行MEMS器件100的频率微调。

图10A示出了用于具有沿y轴的驱动模式的MEMS器件的正交修整电极的示例。图10B示出了用于具有沿x轴的驱动模式的MEMS器件的正交修整电极的示例。即，图10A的正交微调电极的最大尺寸g2沿着y轴，而图10A的垂直微调电极的最小尺寸gl沿着x轴。对于图10B的正交修整电极，最大尺寸g2沿着x轴，而最小尺寸gl沿着y轴。

对于各向同性MEMS陀螺仪，最大尺寸g2可以沿着x轴和y轴基本相等，从而可以根据需要切换驱动运动的方向。在一些实施例中，最大尺寸g2被配置为使得驱动模式方向可以被调整为沿着任何轴(包括相对于x轴和y轴成角度的轴，例如，与x轴成45度)。因此，各向同性陀螺仪可以被认为没有预定义的驱动模式方向。

没有预定义的运动意味着可以通过沿x轴和/或y轴施加力的组合以任何角度驱动陀螺仪。如果需要沿x轴运动，则通过驱动结构向检测质量块施加沿x轴的力，相反，对于y轴方向，仅向检测质量块施加沿y轴的力。如果需要沿与x轴或y轴成45度角的轴运动，那么可向检测质量块施加沿x和y轴的相等力。

在一个实施例中，如图9所示，正交修整电极适用于使用交替的x轴和y轴正交修整电极对的MEMS器件。特别地，图9示出了图10A-10B中所示的正交微调电极的交替对。

图11示出了根据一些非限制性实施例的设置在示例MEMS器件的开口中的电极的另一示例。如图11所示，图11的正交修整电极904A、904B设置在检测质量块102的开口902中，该开口902沿着x轴和y轴具有相等的最大尺寸g2。此外，图11中的开口902沿着x轴和y轴具有相等的最小尺寸gl。

图11中所示的开口902是非矩形的。此外，开口是对称的。特别地，开口902呈现180度旋转对称性，使得当旋转180度时开口是相同的。

图12A示出了根据一些非限制性实施例的设置在示例MEMS器件的开口中的电极的又一示例。如图12A所示，正交修整电极904A、904B成对地设置在检测质量块102的开口902中。

在图12A所示的实施例中，正交修整电极是相对于y轴成45度角设置的平行板电极。开口902同样相对于y轴以45度角设置。间隙902的形状允许正交修整电极独立于驱动运动的方向起作用。

图12B示出了根据一些非限制性实施例的设置在示例MEMS器件的开口中的图12A的示例电极中的多个。图12A示出了设置在检测质量块102的开口902中的电极904A、904B的阵列的示例。如本文先前所述，电极904A、904B成对地设置在检测质量块102的开口902中。

应当理解，如本文所述的设置在检测质量块的开口中的电极可以是设置在MEMS器件的梭中的多个电极的补充。例如，每个梭(驱动和/或感测结构)可以包括多个电极(在一些实施例中，其可以包括梳齿电极)。设置在MEMS器件的一个或多个驱动结构中的多个电极可以驱动检测质量块沿着共振器轴线的运动。设置在一个或多个感测结构中的多个电极可以检测检测质量块沿着共振器轴线的运动。此外，MEMS器件可以包括设置在检测质量块的开口中的多个电极，用于执行正交修整。设置在检测质量块中的多个电极可以包括平行板电极。

根据一些实施例，除了执行正交微调之外，正交微调电极还可以用作频率调谐电极。特别地，设置在检测质量块中的电极可以耦合到提供允许正交微调和频率调谐的电压的电路。特别地，施加到Qn和Qp电极对的差分电压使电极充当正交微调电极，而施加到Qp和Qn电极对的公共电压(例如，相同电压)使电极充当频率微调电极。发明人已经认识到，使用正交微调电极也执行频率调谐减少了MEMS器件中的部件数量，并减少了MEMS器件所需的空间量。

如本文所述，MEMS器件100可以是模式匹配的。也就是说，陀螺仪的驱动模式和感测模式的频率可以相等。可以通过控制施加到MEMS器件的驱动电极的电压的频率来控制驱动模式频率。可以通过使用调谐感测模式的频率的频率调谐电极来控制感测模式频率。根据，本文所述的两用正交微调和频率微调电极的使用有助于MEMS器件作为模式匹配陀螺仪的操作。

嵌套弹簧

图13A-13B示出了根据一些非限制性实施例的用于将梭耦合到锚114的示例性嵌套弹簧116。例如，在一些实施例中，提供嵌套弹簧116以将MEMS器件100的梭104耦合到下面基板的锚114。如图13A所示，嵌套弹簧是对称的，并且包含相对较小的面积。特别地，嵌套弹簧116可以被配置为在嵌套弹簧116的部分之间具有大约1-2微米的间隙。

嵌套弹簧116可以在正交方向上提供优良的刚度比以用于正交减小。在一些实施例中，嵌套弹簧116也可以具有用于正交减小的优异的角刚度。在一些实施例中，嵌套弹簧116可以减少刚度匹配对结构内蚀刻的随机变化的依赖性，从而进一步减少相对较小区域中的正交。在一些实施例中，嵌套弹簧可承受大变形(例如，10pm或更大)，而不经历诸如弹簧硬化的不利影响。

在一些实施例中，嵌套弹簧116可以用作应力释放机构。特别地，当锚114由于包装变形而移动时，嵌套弹簧116可以防止梭104移动。结果，锚114的运动不通过梭104耦合到检验质量块102中，而是嵌套弹簧116吸收锚114的任何变形。

嵌套弹簧116可以包括多个折叠，使得嵌套弹簧116具有多个折叠部分。嵌套弹簧116的每一半可包括多个折叠部分。嵌套弹簧116的折叠部分可以从嵌套弹簧的中心(例如，穿过锚114的中心轴线)向外延伸。

嵌套弹簧116可以是对称的，如本文所述。例如，如所示实施例中所示，嵌套弹簧可以呈现双侧对称性。也就是说，嵌套弹簧116可以通过穿过锚定件的中心轴线分成第一和第二半，并且嵌套弹簧116的第一和第二半可以是相同的。

图13B示出了当梭移位时的示例嵌套弹簧。图13A-13B的嵌套弹簧可以允许往复运动的高幅度位移，同时也在模具上占据很小的空间。

如图13B和图1所示，MEMS器件100可包括多个嵌套弹簧116。例如，梭可以在梭的每一侧上包括嵌套弹簧116，将梭耦合到MEMS器件100的相应锚。在一些实施例中，MEMS器件100的每个梭可以耦合到至少一个嵌套弹簧116(例如，如图1所示，每个梭的每一侧上的嵌套弹簧)。

应当理解，本文所述的嵌套弹簧可以应用于一个或多个其他装置，并且不限于用于MEMS陀螺仪。例如，图13C示出了根据一些非限制性实施例的示例MEMS器件的示例嵌套弹簧。如图13C所示，具有本文所述特性的嵌套弹簧116耦合到MEMS器件的部件1304。嵌套弹簧116可以耦合到MEMS器件的任何合适的部件1304(例如，如本文所述的梭、检验质量块等)。在一些实施例中，部件1304可以包括移动体，特别是相对于MEMS器件的其他部件的运动经历较大变形的部件。

示例MEMS器件

本文描述的技术的各方面可以在MEMS陀螺仪(例如，被配置为感测侧倾、俯仰和/或偏航旋转的MEMS陀螺仪)中实现。在一些实施例中，MEMS器件100可以形成更大的MEMS器件(例如，具有两个或更多检验质量的MEMS器件)的一部分。图14示出了根据一些非限制性实施例的具有四个检验质量块的示例MEMS陀螺仪(例如，四质量块陀螺仪)。在一些实施例中，图14的MEMS陀螺仪可以被配置为感测围绕两个或更多个轴的旋转。图14示出了具有四个象限1404的MEMS陀螺仪1400的示例，所述象限1404耦合在一起并以2x2的形式(例如阵列)布置。图14的MEMS陀螺仪的每个象限1404可以具有检验质量块1402。在一些实施例中，MEMS陀螺仪1402的检验质量块1402耦合在一起。图14的MEMS陀螺仪的每个象限可以具有包括本文所述技术的方面的检验质量块(例如，衰减运动、正交微调电极、用于增加线性度的枢转连杆、嵌套弹簧)。

各个象限中的检验质量块1402可以被配置为相对于相邻的检验质量块1402逆相位移动。也就是说，检验质量块1402可以被配置为在驱动模式中相对于垂直和水平地与检验质量块140相邻的检验质量块的运动沿着第一轴在相反方向上移动，并且相对于对角地与检测质量块1402相邻的检测质量块的运动沿第一轴在相同方向上移动。在感测模式中，检验质量块1402可以被配置为相对于与检验质量块140垂直和水平相邻的检验质量块的运动，沿着与第一轴基本垂直的第二轴在相反方向上移动，并且相对于与检测质量块1402对角相邻的检测质量块的运动沿着第二轴沿相同方向移动。

具有本文所述技术的方面的MEMS器件可以在各种设置中部署以检测角速率，包括运动、医疗保健、军事和工业应用等。MEMS器件(例如，MEMS惯性传感器，例如MEMS陀螺仪)可以安装为部署在监测与运动相关的身体活动和表现、患者健康、军事人员活动或用户感兴趣的其他应用中的可穿戴传感器。MEMS陀螺仪可以设置在智能手机中，并且可以被配置为感测侧倾、俯仰和/或偏航角速率。

图15是示出包括MEMS器件1502、电源单元1504、感测电路1506和输入/输出(VO)接口1508的系统1500的框图。MEMS器件1502可以包括本文所述的MEMS器件中的任何一个或其组合。在一些实施例中，MEMS器件可以包括被配置为感测侧倾、俯仰和/或偏航角速率的MEMS陀螺仪。

系统1500可以经由有线连接或无线地将表示感测角速率的数据周期性地发送到外部监控系统，例如计算机、智能手机、平板电脑、智能手表、智能眼镜或任何其他合适的接收设备。VO接口1508可以被配置为经由Wi-Fi、蓝牙、蓝牙低能量(BLE)、Zigbee、Thread、ANT、ANT+、IEEE 802.15.4、IEEE 802.15来发送和/或接收数据。或者任何其他合适的无线通信协议。备选地或附加地，VO接口1508可以被配置为使用专有连接协议来发送和/或接收数据。VO接口1508可以包括一个或多个天线，例如微带天线。在一些实施例中，VO接口1508可以连接到电缆，并且可以被配置为通过电缆发送和/或接收信号。

系统1500可以使用电源单元1504供电。电源单元1504可以被配置为向感测电路1506、VO接口1508和/或MEMS器件1502中的一些或全部供电。在一些实施例中，电源单元1504可以包括一个或多个电池。在至少一些实施例，系统1500可以消耗足够少的功率，以允许其仅基于电池功率的长时间运行。在一些实施例中，一个或多个电池可以是可再充电的。电源单元1504可以包括一个或多个锂离子电池、锂聚合物(LiPo)电池、基于超级电容器的电池、碱性电池、铝离子电池、汞电池、干电池、锌碳电池、镍镉电池、石墨烯电池或任何其他合适类型的电池。在一些实施例中，电源单元1504可以包括将AC功率转换成DC功率的电路。例如，电源单元1504可以例如经由VO接口1508从系统1500外部的电源接收AC电力，并且可以向系统1500的一些或所有组件提供DC电力。在这种情况下，电源单元1504可以包括整流器、电压调节器、DC-DC转换器或用于功率转换的任何其他合适的设备。

在一些实施例中，电源单元1504可以包括能量收集组件和/或能量存储组件。可以从周围环境中收集能量并存储能量以在需要时为系统1500供电，这可以包括周期性、随机性或连续供电。可以基于系统1500的预期环境来选择所实现的能量收集组件的类型，和/或系统可能暴露的温度。合适的能量采集技术的示例包括热电能量采集、磁振动采集、电过应力采集、光伏采集、射频采集和动能采集。在一些实施例中，能量存储部件可以包括超级电容器。

如上所述，本文所述类型的MEMS器件可以以各种设置来部署，例如，以检测角速率。一种这样的设置是在汽车或其他车辆中，例如船或飞机。图16示意性地示出了根据一些非限制性实施例的包括系统1500的汽车1600。系统1500可以设置在车辆1600的任何适当位置。在一些实施例中，系统1500可以包括附接到车辆1600的适当部分的封装或外壳，其中MEMS器件在内部。在一些实施例中，系统1500可以被配置为感测侧倾、俯仰和/或偏航角速率。系统1500可以被配置为使用VO接口1508向设置在车辆1600中的计算机系统和/或向设置在车辆1600外部的基站上的计算机系统提供感测的角速率。

可以使用具有本文所述类型的耦合器的MEMS器件的另一设置是用于运动应用的传感器装置，例如网球、游泳、跑步、棒球或曲棍球等。在一些实施例中，本文所述类型的MEMS器件可以是可穿戴健身设备。在其他实施例中，传感器可以是一件运动设备的一部分，例如是网球拍、棒球棒或曲棍球棒的一部分。来自传感器的感测数据可用于评估用户的性能。

备选方案和范围

本文描述的技术的各方面可以提供一个或多个益处，其中一些已经在前面描述过。应当理解，并非所有方面和实施例都必须提供本文描述的所有益处。此外，应当理解，这里描述的技术的方面可以为这里描述的那些提供额外的益处。

“基本上在一个方向上”和“基本上平行于一个方向”应在本文中解释为平行于该方向或相对于该方向成小于20°的角度，包括该范围内的任何值。

在一些实施例中，术语“近似”和“大约”可用于表示目标值的±20％，在一些实施方案中，其在目标值的±10％内，在某些实施方案中在目标值±5％内，而在一些实施方式中，其仍在目标值±2％内。术语“近似”和“大约”可包括目标值。

Claims (24)

1.一种微机电系统(MEMS)装置，包括：

基板；

检测质量块，耦合到所述基板并且被配置为沿着共振器轴移动；

包括驱动结构或感测结构之一的第一梭，其中：

所述驱动结构被配置为沿着所述共振器轴驱动所述检测质量块；和

所述感测结构被配置为响应于所述检测质量块沿着所述共振器轴的运动而沿着基本上垂直于所述共振器轴的第二轴移动；

第一杠杆，在所述第一杠杆的第一端处耦合到所述第一梭，并且在所述第一杠杆的第二端处耦合到所述检测质量块；和

锚，耦合到所述基板，其中所述第一杠杆在远离所述第一杠杆的第一端的第一距离和远离所述第一杠杆的第二端的第二距离的枢转点处耦合到所述锚，并且其中所述第一距离大于所述第二距离，使得所述检测质量块的位移相对于所述第一梭的位移被衰减。

2.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中所述第一梭包括所述驱动结构。

3.根据权利要求2所述的MEMS器件，进一步包括：

包括所述感测结构的第二梭；

第二杠杆，在所述第二杠杆的第一端处耦合到所述第二梭，并且在所述第二梭的第二端处耦合到所述检测质量块；和

耦合到所述基板的第二锚，其中所述第二杠杆在远离所述第二杠杆的第一端的第一距离和远离所述第二杠杆的第二端的第二距离的第二枢转点处耦合到所述第二锚，使得所述检测质量块的位移相对于所述第二梭的位移被衰减。

4.根据权利要求1或任何其他前述权利要求所述的MEMS器件，进一步包括：

第二杠杆，在所述第二杠杆的第一端处耦合到所述第一梭，并且在所述第二梭的第二端处耦合到检测质量块；和

耦合到所述基板的第二锚，其中所述第二杠杆在远离所述第二杠杆的第一端的第一距离和远离所述第二杠杆的第二端的第二距离的第二枢转点处耦合到所述第二锚。

5.根据权利要求1或任何其他前述权利要求所述的MEMS器件，其中：

所述驱动结构包括多个电极，所述多个电极被配置为沿着所述共振器轴驱动所述驱动机构；和

所述感测结构包括多个电极，所述多个电极被配置为检测所述检测质量块沿着所述共振器轴的运动。

6.根据权利要求5所述的MEMS器件，其中所述检测质量块包括多个开口，并且所述MEMS器件还包括设置在所述检测质量块的开口中的第二多个电极。

7.根据权利要求6所述的MEMS器件，其中所述多个开口中的各个开口是非矩形的。

8.根据权利要求6所述的MEMS器件，其中所述多个开口中的各个开口呈现旋转对称性。

9.根据权利要求6所述的MEMS器件，其中所述多个开口中的各个开口被成形为使得所述第二多个电极中的各个电极与所述检测质量块之间沿着所述共振器轴的最大尺寸等于所述各个电极和所述检测质量块之间沿着垂直于所述共振器轴的第二轴的最大尺寸。

10.根据权利要求6所述的MEMS器件，其中所述多个开口中的各个开口被成形为使得所述第二多个电极中的各个电极与所述检测质量块之间沿着所述共振器轴的最小尺寸等于所述各个电极和所述检测质量块之间沿着垂直于所述共振器轴的第二轴的最小尺度。

11.根据权利要求1或任何其他前述权利要求所述的MEMS器件，其中所述第二多个电极成对地设置在所述多个开口中的各个开口中。

12.一种微机电系统(MEMS)装置，包括:

基板；

检测质量块，耦合到所述基板并且被配置为沿着共振器轴移动；

驱动结构，包括多个电极并且被配置为沿着所述共振器轴驱动所述检测质量块；

第二多个电极，设置在所述检测质量块的开口中；

第一杠杆，将所述驱动结构耦合到所述检测质量块；和

锚，耦合到所述基板，其中所述第一杠杆在远离耦合到所述驱动结构的第一杠杆的第一端的第一距离和远离耦合到所述检测质量块的第一杠杆的第二端的第二距离的枢转点处耦合到所述锚，并且其中所述第一距离大于所述第二距离，使得相对于所述驱动结构的位移，所述检测质量块沿共振器轴的位移被衰减。

13.根据权利要求12所述的MEMS器件，进一步包括：

耦合到所述基板的第二锚；和

嵌套弹簧，将所述驱动结构耦合到所述第二锚，其中所述嵌套弹簧呈现双侧对称性。

14.根据权利要求13所述的MEMS器件，其中所述嵌套弹簧包括多个折叠部分。

15.根据权利要求14所述的MEMS器件，其中所述嵌套弹簧的每一半包括从所述嵌套弹簧的中心向外延伸的相应的多个折叠部分。

16.根据权利要求13所述的MEMS器件，进一步包括：

耦合到所述基板的第三锚；和

第二嵌套弹簧，将所述驱动结构耦合到所述第三锚，其中所述第二嵌套弹簧呈现双侧对称性并且包括多个折叠部分。

17.一种陀螺仪，包括：

第一检测质量块，耦合到下面的基板并且被配置为沿着共振器轴移动；

驱动结构，包括第一多个电极并且被配置为沿着所述共振器轴驱动所述第一检测质量块；

感测结构，包括第二多个电极并且被配置为沿着垂直于所述共振器轴的第二轴移动；

第一杠杆，在所述第一杠杆的第一端处耦合到所述驱动结构，并且在所述第二杠杆的第二端处耦合到所述第一检测质量块；和

第二杠杆，在所述第二杠杆的第一端处耦合到所述驱动结构，并且在所述第二杠杆的第二端处耦合到所述第一检测质量块，

其中所述第一和第二杠杆在各自的枢转点处耦合到所述下面的基板，所述各自的枢转点被设置为比所述第一和第二杠杆的各自的第一端更靠近所述第一和第二杠杆的各自的第二端，和

施加到第一多个电极的电压的频率等于施加到第二多个电极的电压的频率。

18.根据权利要求17所述的陀螺仪，进一步包括：

第二检测质量块；

第三检测质量块；和

第四检测质量块，其中：

第一检测质量块、第二检测质量块和第三检测质量块和第四检测质量块的表面是多边形的；和

所述第一检测质量块、第二检测质量块、第三检测质量块和第四检测质量块彼此耦合并且以二乘二阵列布置。

19.根据权利要求17或任何其他前述权利要求所述的陀螺仪，其中所述第一检测质量块包括多个开口，并且所述MEMS器件还包括设置在所述第一检测质量块的开口中的第三多个电极。

20.根据权利要求17或任何其他前述权利要求所述的陀螺仪，进一步包括：

耦合到所述基板的第二锚；和

嵌套弹簧，将所述驱动结构耦合到所述第二锚，其中所述嵌套弹簧呈现双侧对称性，并且所述嵌套弹簧的每一半包括多个折叠部分。

21.一种微机电系统(MEMS)装置，包括:

基板；

检测质量块，耦合到所述基板并且被配置为沿着共振器轴移动；和

第一梭，耦合到所述检测质量块，并且包括驱动结构或感测结构中的一个，所述驱动结构被配置为沿着所述共振器轴驱动所述检测质量块，所述感测结构被配置为响应于所述检测质量块沿所述共振器轴的运动而沿基本上垂直于所述共振器轴的第二轴移动，

其中所述检测质量块的至少第一部分的位移相对于所述第一梭和/或所述检测质量块的第二部分的位移被衰减。

22.根据权利要求21所述的MEMS器件，其中所述检测质量块的第一部分的位移相对于所述检测质量块的第二部分的位移被衰减。

23.根据权利要求22所述的MEMS器件，其中所述检测质量块的第二部分包括框架，并且所述检测质量块的第一部分包括耦合到所述框架并设置在所述框架内的质量块。

24.根据权利要求22所述的MEMS器件，其中：

所述检测质量块的第一部分通过至少一个第一弹簧耦合到所述检测质量块的第二部分；

所述检测质量块的第二部分通过至少一个第二弹簧耦合到所述基板；和

所述至少一个第二弹簧的刚度大于所述至少一个第一弹簧的刚度。

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