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六自由度微机械多传感器

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CN1813192B
CN1813192B CN 200480018294 CN200480018294A CN1813192B CN 1813192 B CN1813192 B CN 1813192B CN 200480018294 CN200480018294 CN 200480018294 CN 200480018294 A CN200480018294 A CN 200480018294A CN 1813192 B CN1813192 B CN 1813192B
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约翰·A·吉恩
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Abstract

一种六自由度微机械多传感器(100),其在单个多传感器设备中提供3个加速度感测轴和3个角速度感测轴。该六自由度微机械多传感器设备包括:提供2个加速度感测轴和1个角速度感测轴的第一多传感器子结构(103);以及提供第三加速度感测轴以及第二和第三角速度感测轴的第二多传感器子结构(105)。该第一和第二多传感器子结构在六自由度的多传感器设备内的不同衬底上实现。

Description

六自由度微机械多传感器

[0001] 相关申请的交错引用

[0002] 本申请要求2003年4月28日提交的、题目为“SIXDEGREE-OF-FRREEDOM MICRO-MACHINED MULT I-SENSOR (六自由度微机械多传感器)”的美国临时专利申请 No. 60/466,083 的优先权。

[0003] 关于联邦资助研究或者开发的声明

[0004] N/A

技术领域

[0005] 本发明一般涉及集成的角速度和加速度传感器(“多传感器”),以及更具体地涉 及六自由度的微机械多传感器设备,它能够提供三个加速度感测轴和三个角速度感测轴。

背景技术

[0006] 已经熟知的是,微机械多传感器包括至少一个加速度计,用于在单个多传感 器设备中提供加速度感测和角速度感测的指示。在1995年2月28日发布的、题目为 "MICRO-MACHINED ACCELER0METERGYR0SC0PE (微机械加速度计陀螺仪)”的美国专利 No. 5,392,650中描述了一种传统的微机械多传感器,该微机械多传感器包括一对加速度 计,其中每个加速度计包括:固定到衬底上的刚性加速度计框,以及利用多个弯曲部分自刚 性框悬挂下来的检验块。微机械多传感器通常具有单加速度感测轴和与其相关联的垂直于 加速度轴的单旋转感测轴。此外,微机械多传感器通常被配置为沿振动轴同时反相振动所 述检验块,其中该振动轴垂直于加速度轴和旋转轴。

[0007] 在当传统的微机械多传感器经历线性和旋转运动时以反相方式同时振动所述检 验块的情况下,产生线性以及科里奥利加速度力,该线性以及科里奥利加速度力相对于衬 底偏转所述检验块。多传感器被配置为感测各个检验块的偏转,并且产生相应的加速度感 测信号,该相应的加速度感测信号的值与偏转幅度成正比。因为振动的检验块对线性加速 度的响应是同相的,而检验块对科里奥利加速度的响应是反相的,所以可以通过分别将所 述信号进行合适的相加或相减以抵消旋转或线性分量,从而分离线性加速度分量(包含加 速度感测信息)以及旋转加速度分量(包含角速度感测信息)。

[0008] 上述传统的微机械多传感器的一个缺点在于:它通常提供仅仅1个角速度感测轴 以及仅仅1个加速度感测轴,然而,通常在单个微机械多传感器设备中提供多于1个加速度 感测和/或角速度感测轴是有利的。

[0009] 1999 年2 月 9 日发布的、题目为 “MICRO-MACHINED DEVICEffITH TOTATIONALLY VIBRATED MASSES (具有旋转振动块的微机械设备)”的美国专利No. 5,869,760描述了第二 种传统的微机械传感器,它能够相对于两个旋转感测轴来测量旋转速度。该微机械传感器 包括一对加速度计,其中每个加速度计包括其形式为通过多个弯曲部分悬挂在衬底上方的 圆梁的块,以及相邻的一对加速度感测电极。与微机械传感器相关的两个旋转感测轴处于 衬底的平面上。此外,微机械传感器被配置为以反相方式可旋转地振动圆梁,也就是,顺时针方向/逆时针方向交替地旋转一个圆梁,而同时在相反的方向上以基本上相同的量旋转 另一个横梁。

[0010] 在当第二传统微机械传感器经历线性和旋转运动时同时反相地旋转圆梁的情况 下,产生线性以及科里奥利加速度力,该线性以及科里奥利加速度力相对于衬底偏转横梁。 加速度感测电极感测各个横梁的偏转,并且产生相应的加速度感测信号,该相应的加速度 感测信号与偏转的大小以及相对于旋转感测轴的旋转速度成正比。因为感测信号的旋转加 速度分量(包含角速度感测信息)的符号对应于圆梁的旋转方向,所以通过合适地将信号 相减以抵消线性分量,可以分离感测信号的旋转分量与线性加速度分量。然而,虽然该微机 械传感器能够提供多于1个角速度感测轴,但是它缺点在于:它通常没有提供加速度感测 fn息ο

[0011] 因此,希望有一种微机械多传感器,它在单个多传感设备中提供多于1个加速度 感测轴以及多于1个角速度感测轴。这种微机械多传感设备将避免上述传统的微机械传感 器设备的缺陷。

发明内容

[0012] 根据本发明,公开了一种六自由度的微机械多传感器,该六自由度的微机械多传 感器在单个多传感器设备中提供3个加速度感测轴以及3个角速度感测轴。当前公开的微 机械多传感器设备包括两个多传感器子结构,其中每个子结构提供3个加速度感测轴和角 速度感测轴。

[0013] 根据本发明的第一方面,提供了一种六自由度多传感器,包括:第一衬底;第二衬 底;在所述第一衬底上制造的第一多传感器子结构,所述第一多传感器子结构用于提供第 一多个感测信号,所述第一多个感测信号指示相对于在所述第一衬底的平面中的相互正交 的第一和第二轴的加速度感测,以及指示相对于与所述第一和第二轴垂直的第三轴的角速 度感测,以及在所述第二衬底上制造的第二多传感器子结构,所述第二多传感器子结构用 于提供第二多个感测信号,所述第二多个感测信号指示相对于在所述第二衬底的平面中的 相互正交的第四和第五轴的角速度感测,以及指示相对于与所述第四和第五轴垂直的第六 轴的加速度感测,其中所述第一多传感器子结构包括:基本上平坦的加速计框;耦合到该 框的第一检验块;耦合到该框的第二检验块;第一对完全相对的加速度感测电极结构,其 耦合到该框并且沿所述第一轴安置;以及第二对完全相对的加速度感测电极结构,其耦合 到该框并且沿所述第二轴安置;其中,所述第一和第二检验块被配置为沿振动轴反相地振 动,所述振动轴处于由所述第一和第二轴定义的平面中,以及其中,每个加速度感测电极结 构被配置来产生所述第一多个感测信号中的相应的一个,每个感测信号在电性上独立于其 余感测信号。

[0014] 根据本发明的第二方面,提供了一种操作六自由度多传感器的方法,包括步骤:利 用第一多传感器子结构,提供第一多个感测信号,所述第一多个感测信号指示相对于在第 一衬底的平面中的相互正交的第一和第二轴的加速度感测,以及指示相对于与所述第一和 第二轴垂直的第三轴的角速度感测,所述第一多传感器子结构在所述第一衬底上实现;以 及利用第二多传感器子结构,提供第二多个感测信号,所述第二多个感测信号指示相对于 在第二衬底的平面中的相互正交的第四和第五轴的角速度感测,以及指示相对于与所述第

6四和第五轴垂直的第六轴的加速度感测,所述第二多传感器子结构在所述第二衬底上实 现;利用驱动电极结构,沿振动轴反相地振动第一检验块和第二检验块,所述第一检验块耦 合到加速计框,并且所述第二检验块耦合到该加速计框;在第一产生步骤中,由耦合到所述 框并且沿所述第一轴安置的第一对完全相对的加速度感测电极结构产生各自的第一加速 度计感测信号;以及在第二产生步骤中,由耦合到所述框并且沿所述第二轴安置的第二对 完全相对的加速度感测电极结构产生各自的第二加速度计感测信号,所述第一和第二检验 块、所述驱动电极结构、以及所述第一和第二对加速度感测电极结构被包括在所述第一多 传感器子结构中,其中,在所述第一和第二产生步骤中产生的每个感测信号在电性上独立 于其余感测信号。

[0015] 在一个实施例中,所述六自由度的微机械多传感器设备包括第一多传感器子结构 以及第二多传感器子结构。所述第一多传感器子结构包括刚性加速度计框、第一检验块、以 及第二检验块,每个都形成在第一硅衬底上。所述第一子结构具有所述第一衬底的平面中 的相互正交的第一和第二加速度感测轴,以及与所述第一和第二加速度轴垂直的相关联的 第一旋转感测轴。第一和第二检验块沿振动轴具有公共对称轴,其与第一旋转轴垂直。此 外,所述第一和第二检验块都沿振动轴相互弹性地耦合。所述第一和第二检验块通过各自 的多个弯曲部分自刚性框悬挂下来,所述刚性框由多个弯曲部分固定到所述第一衬底上。 所述多个弯曲部分都配置为将所述第一和第二检验块限制为使其更容易在振动轴的线性 方向上相对于所述刚性框移动,以及将刚性框限制为使其基本上仅仅以旋转的方式相对于 所述第一衬底移动。

[0016] 在当前描述的实施例中,所述第一多传感器子结构包括驱动电极结构,该驱动电 极结构被配置为使所述第一和第二检验块沿振动轴反相线性地振动。所述第一子结构还包 括第一对加速度感测电极结构和第二对加速度感测电极结构,其中所述第一对加速度感测 电极结构耦合到所述刚性框并且沿所述第一加速度轴完全相对地安置,第二对加速度感测 电极结构耦合到所述刚性框并且沿所述第二加速度轴完全相对地安置。所述第一多传感器 子结构被配置为:(1)将由第一加速度感测电极对提供的感测信号相加,以提取与沿所述 第一加速度轴的加速度感测有关的信息,⑵将由第二加速度感测电极对提供的感测信号 相加,以提取与沿所述第二加速度轴的加速度感测有关的信息,以及(3)将由第一加速度 感测电极对提供的感测信号之差与由第二加速度感测电极对提供的感测信号之差相加,以 提取与相对于六自由度的多传感器设备的第一旋转轴的角速度感测有关的信息。

[0017] 第二多传感器子结构包括在第二硅衬底上形成的第三检验块和第四检验块。通过 各自的多个弯曲部分将所述第三和第四检验块悬挂在第二衬底上方并且固定到第二衬底 上。所述第二子结构具有所述第二衬底的平面上的相互正交的第二和第三旋转感测轴,以 及与所述第二和第三旋转感测轴垂直的相关联的第三加速度感测轴。此外,第三和第四检 验块具有横对称轴和纵对称轴,以及与横轴和纵轴垂直的相关联的驱动旋转轴。沿着相应 的第三和第四检验块的横轴以及纵轴安置相应的第三对加速度感测电极结构以及相应的 第四对加速度感测电极结构。第二子结构还包括叉形部件,该叉形部件被配置来耦合第三 和第四检验块,以允许所述块相对反相移动,并且阻止所述块同相移动。将第三和第四检验 块固定到第二衬底的多个弯曲部分被配置为将所述块限制为使其基本上仅仅以旋转的方 式相对于第二衬底移动。[0018] 在当前公开的实施例中,第二多传感器子结构包括驱动电极结构,该驱动电极结 构被配置来反相可旋转地振动第三和第四检验块,也就是,绕着它的旋转轴,以顺时针方向 /逆时针方向交替旋转一个块,而同时在相反的方向上绕着另一个块的旋转轴以基本上相 同的量旋转该另一个块。在具有可旋转地振动的块的第二多传感器子结构经历线性和/或 者旋转运动的情况下,第三和第四对加速度感测电极根据施加在第三和第四检验块上的线 性和科里奥利加速度力,产生在电性上独立的加速度感测信号。第二子结构被配置为(1) 将由与第三检验块相关联的第三对加速度感测电极感测的加速度之差与由与第四检验块 相关联的第三对加速度感测电极感测的加速度之差相加,以获得与相对于第二旋转轴的角 速度感测有关的信息,⑵将由与第三检验块相关联的第四对加速度感测电极感测的加速 度之差与由与第四检验块相关联的第四对加速度感测电极感测的加速度之差相加,以获得 与相对于第三旋转轴的角速度感测有关的信息,以及(3)将由与第三检验块相关联的第三 对加速度感测电极感测的加速度之和、由与第四检验块相关联的第三对加速度感测电极感 测的加速度之和、由与第三检验块相关联的第四对加速度感测电极感测的加速度之和、以 及由与第四检验块相关联的第四对加速度感测电极感测的加速度之和相加,以获得与相对 于六自由度的多传感器设备的第三加速度轴的加速度感测有关的信息。

[0019] 通过提供微机械多传感器,可以在单个多传感器设备中获得3个加速度感测轴和 3个角速度感测轴,其中该微机械多传感器包括第一多传感器子结构和第二多传感器子结 构,其中第一多传感器子结构提供2个加速度感测轴和1个角速度感测轴,第二多传感器子 结构提供第三加速度感测轴以及第二和第三角速度感测轴。

[0020] 通过以下本发明的详细描述,本发明的其它特征、功能以及方面将变得很清楚。 附图说明

[0021] 通过参考结合附图的以下详细说明,将会更充分地理解本发明,在附图中,

[0022] 图1是根据本发明的硅微机械多传感器设备的示意透视图;

[0023] 图2是在图1的硅微机械多传感器中包括的第一多传感器子结构的平面图;

[0024] 图3是图2的第一多传感器子结构的示意图;

[0025] 图4是图2的第一多传感器子结构的操作方法的流程图;

[0026] 图5是在图1的硅微机械多传感器中包括的第二多传感器子结构的方框图;

[0027] 图6是图5的第二多传感器子结构的详细平面图;

[0028] 图7是用于图5的第二多传感器子结构的加速度感测信号处理电路的示意图;

[0029] 图8是图5的第二多传感器子结构的可替换实施例的方框图;

[0030] 图9是图8的第二多传感器子结构的可替换实施例的详细平面图;和

[0031] 图10是图5的第二多传感器子结构的操作方法的流程图。

具体实施方式

[0032] 在此将2003年4月28日提交的、题目为“SIXDEGREE-OF-FRREEDOM MICRO-MACHINED MULT I-SENSOR (六自由度的微机械多传感器),,的美国临时专利申请 No. 60/466, 083引入,作为参考。

[0033] 公开了一种六自由度的微机械多传感器,该六自由度的微机械多传感器在单个多传感器设备中提供3个加速度感测轴和3个角速度感测轴。当前公开的微机械多传感器包 括两个三自由度的多传感器子结构,它们的每一个可以对称地布置在各自的模片上,以提 高产量以及整个多传感器设备的性能。

[0034] 图1描述了根据本发明的六自由度的微机械多传感器100的示意图。当前公开 的六自由度的多传感器100包含:包括衬底102的第一三自由度的多传感器子结构103、以 及包括衬底108的第二三自由度的多传感器子结构105。衬底102和108中的每个可以包 括硅衬底,使硅衬底经历任何合适的体微机械处理,以形成微机电系统(MEMS)多传感器设备。

[0035] 如图1所示,MEMS子结构103包括传感器101,传感器101具有在衬底102的平面 中安置的相互正交的两个相关联的加速度感测轴Xa和\,以及与加速度轴Xa和Ya垂直的 一个相关联的旋转感测轴ZK。MEMS子结构103被配置来提供两个沿加速度轴Xa和Ya的加 速度感测的指示,以及一个相对于旋转轴Zk的角速度感测的指示。而且,MEMS子结构105 包括传感器104,传感器104具有在衬底108的平面中安置的相互正交的两个相关联的旋转 感测轴Xk和Υκ,以及与旋转轴Xk和Yk垂直的一个相关联的加速度感测轴ZA。MEMS子结构 105被配置来提供两个相对于旋转轴Xk和Yr的角速度感测的指示,以及一个相对于加速度 轴Za的加速度感测的指示。

[0036] 应当明白的是,整个六自由度的多传感器设备100有效地具有在设备的平面中的 相互正交的两个相关联的X和Y轴(没有示出),以及与X和Y轴垂直的一个相关联的Z轴 (没有示出)。例如,衬底102和108可以是共平面的,并且X和Y轴可以在衬底102和108 的平面中。此外,六自由度的多传感器设备100被配置来提供相对于三个轴X、Y和Z中的 每个的加速度感测的指示以及角速度感测的指示。为了讨论清楚起见,在多传感器100中 包括的MEMS子结构103和105被描述为分别具有两组轴ΧΑ、\、Ze和Χκ、Υκ、ΖΑ。

[0037] 图2描述了在MEMS子结构103(见图1)中包括的传感器101的例示性实施例 201。在所述例示的实施例中,传感器201包括在衬底202上形成的刚性加速度计框230以 及检验块232. 1-232. 2和234. 1-234. 2。分别通过谐振器弯曲部分236. 1-236. 2,检验块 232. 1-232. 2自刚性框230悬挂下来,以及分别通过谐振器弯曲部分238. 1-238. 2,检验块 234. 1-234. 2自刚性框悬挂下来。而且,利用加速度计弯曲部分244. 1-244. 4,将刚性框230 固定到衬底,其中加速度计弯曲部分244. 1-244. 4被对角地安置在衬底202上。

[0038] 传感器201还包括驱动电极结构246. 1-246. 2、248. 1-248. 2以及加速度感测电极 结构A-D。如图2所示,驱动电极结构246. 1-246. 2以及248. 1-248. 2包括各自的多个驱动 电极(“指针(finger) ”),它们相互平行并且互相交错。驱动电极结构246. 1-246. 2被配 置为响应于包括交流电压的驱动信号(没有示出)而分别向检验块232. 1 = 232. 2施加静 电力,以及驱动电极结构248. 1-248. 2被配置为响应于包括交流电压的驱动信号(没有示 出)而分别向检验块234. 1-234. 2施加静电力。应当理解的是,驱动电极结构246. 1-246. 2 和248. 1-248. 2可以替换地包括电磁驱动结构,该电磁驱动结构被配置为分别响应于交流 电流信号而向检验块232. 1-232. 2和234. 1-234. 2施加电磁力。还应当理解的是,一些驱 动电极可以被替换使用来提供速度信号和科里奥利信号处理的基准,其中速度信号为驱动 电子设备提供反馈。

[0039] 进一步如图2所示,加速度感测电极结构A-D包括各自的多个感测电极(“指针”),它们相互平行并且互相交错。具体地,感测电极结构A、B、C和D包括各自的第一组感测指 针以及相应的第二组感测指针,其中第一组感测指针整体地耦合到刚性框230,第二组感测 指针固定于衬底202上。例如,在传感器202经历线形和/或旋转运动的情况下,响应于产 生的线形加速度和/或科里奥利力,刚性框230相对于衬底202偏转。因为当刚性框230偏 转时刚性框230和与感测电极结构A-D相关联的第一组感测指针(例如,见与感测电极结 构B相关联的感测指针250) —起移动,而第二组感测指针(例如,见与感测电极结构B相 关联的感测指针252)保持固定于衬底202上,所以感测电极结构A-D通过感测第一和第二 组感测指针的相对运动来感测框230的偏转,并且产生其大小与偏转的幅度成正比的感测 信号A’-D’(见图3)。应当明白的是,感测电极结构A、C和D具有与感测电极结构B的指 针结构类型类似的感测指针结构。

[0040] 传感器201还包括多个自刚性框230悬挂下来的支杆240. 1-240. 4,以及用于支 杆240. 1-240. 4的驱动电极结构240. 5-240. 6。具体而言,支杆240. 1弹性地耦合在检验 块232. 1和支杆240. 3之间,支杆240. 2弹性地耦合在检验块232. 2和支杆240. 4之间,支 杆240. 3弹性地耦合在检验块234. 1和支杆240. 1之间,以及支杆240. 4弹性地耦合在检 验块234. 2和支杆240. 2之间。支杆240. 1-240. 4的目的在于耦合检验块的运动,使得它 们作为单个谐振振荡。此外,驱动电极结构240. 5-240. 6包括各自的多个驱动指针,它们被 安置为相互平行并且彼此互相交错。该驱动电极结构240. 5被配置为将静电力施加到支杆 240. 1和240. 3上,以及驱动电极结构240. 6被配置为将静电力施加到支杆240. 2和240. 4 上。应当理解的是,驱动电极结构240. 5-240. 6可以替换地包括各自的电磁驱动结构。

[0041] 应该注意的是,检验块232. 1机械地耦合到检验块232. 2,使得检验块 232. 1-232. 2基本上作为单个块一起移动。同样,检验块234. 1机械地耦合到检验块234. 2, 使得检验块234. 1-234. 2基本上作为单个块一起移动。此外,将检验块232. 1-232. 2自刚 性框230悬挂的弯曲部分236. 1-236. 2被配置为将检验块232. 1-232. 2限制为基本上仅仅 在轴Xa方向上相对于框230移动。同样,将检验块234. 1-234. 2自刚性框230悬挂的弯曲 部分238. 1-238. 2被配置为将检验块234. 1-234. 2限制为基本上仅仅在轴Xa方向上相对 于框230移动。将刚性框230固定到衬底202上的弯曲部分244. 1-244. 2被配置为将刚性 框230限制为允许框230相对于衬底202旋转运动,以用于科里奥利感测。

[0042] 对角弯曲部分244. 1-244. 4形成折叠对,使得它们允许一些平移运动,不像被安 排为对角辐条的单个弯曲部分。这减少了用于表面微机械的淀积膜中的应力,并且允许沿 Xa和Ya轴的线性加速度感测。科里奥利加速度通常远小于将要感测的线性加速度,于是希 望使弯曲部分244. 1-244. 2对于旋转运动比沿着Xa和Ya轴更具柔性。通过使用合适的弯 曲长度与折叠间隔的比率来产生期望的柔性比率。

[0043] 还应当注意的是,在传感器201的横对称轴的每一侧上和垂直对称轴的每一侧 上,以镜像的方式安置刚性框230、检验块232. 1-232. 2和234. 1-234. 2、驱动电极结构 246. 1-246. 2,248. 1-248. 2 和 240. 5-240. 6、加速度感测电极结构 A-D、支杆 240. 1-240. 4 以 及弯曲部分236. 1-236. 2,238. 1-238. 2以及244. 1-244.4。因而,传感器201具有两个正交 的镜面对称,并且可以对称地将中心定位于模片(没有示出)上,以减少模片表面区域变形 和梯度对传感器性能的不利影响。

[0044] 图3描述了图1的MEMS子结构103的例示性实施例的示意图。在该例示性实施例中,MEMS子结构303包括:传感器301、跨阻放大器304、多个差分放大器306、308、310、 312、316和320、多个求和放大器314、318和322、以及相位解调器324。如上所述,检验块 232. 1-232. 2(见图2)被耦合在一起作为单个块来运动,以及检验块234. 1-234. 2(见图 2)也类似地被耦合在一起作为单个块来运动。因而,传感器301包括:代表刚性框230(见 图2)的刚性加速度计框330、代表检验块232. 1-232. 2的第一检验块332、以及代表检验块 234. 1-234. 2 的第二检验块 334。

[0045] 具体而言,第一检验块332通过谐振器弯曲部分336自刚性框330悬下,其中谐振 器弯曲部分336代表弯曲部分236. 1-236. 2 (见图2),以及第二检验块334通过谐振器弯 曲部分338自刚性框330悬下,其中谐振器弯曲部分338代表弯曲部分238. 1-238. 2 (见图 2)。此外,刚性框330通过多个加速度计弯曲部分(例如弯曲部分244. 1-224. 4,见图2)固 定到衬底(例如,衬底202,见图2)上。

[0046] 传感器301(见图3)还包括代表支杆的弹性部件340和驱动电极结构 240. 1-240. 6 (见图2)。弹性部件340弹性地互连第一检验块332和第二检验块334。此 外,传感器301包括用于振动检验块332和334的驱动电极结构(例如驱动电极结构 246. 1-246. 2和248,1-248. 2,见图2),以及代表图2的感测电极结构A-D的加速度感测电 极结构A、B、C和D。

[0047] 具体而言,驱动电极结构被配置为以机械谐振来同时振动相应的第一和第二检验 块332和334,并且弹性部件340被配置为沿振动轴反相(也就是,相差180° )移动检验块 332和334,其中在当前公开的实施例中振动轴平行于加速度轴XA。完全相对的加速度感测 电极结构A-B沿加速度轴Ya安置并且耦合到刚性框330,完全相对的加速度感测电极结构 C-D沿加速度轴Xa安置并且耦合到刚性框330。相应的感测电极结构A-D被配置为分别产 生电性上独立的感测信号A’、B’、C’和D’。或者,来自用于将框附着到衬底上的弯曲部分 244. 1-244. 4的偏转的弹簧力可以用于平衡科里奥利力和用来感测这些偏转的结构A、B、C 和D。如果用于表面微机械的结构膜是多晶硅,则弯曲部分的偏转与这些力非常线性相关, 从而使得引入电恢复力的复杂性是不经济的。

[0048] 本领域的普通技术人员应该明白,由于检验块332和334沿振动轴振动,同时刚性 框330围绕旋转轴Zk旋转,所以检验块332和334的每一个在由加速度轴Xa和Ya定义的平 面内经历科里奥利加速度。此外,因为检验块332和334反相振动,所以相应的检验块332 和334在相反的方向上经历科里奥利加速度。因此,视在的科里奥利力被施加到检验块332 和334,在加速度轴Xa和Ya的平面内,在相反的方向上偏转检验块332和334。

[0049] 因而,检验块332和334对相对于旋转轴Zk的科里奥利加速度的响应是反相的,而 检验块332和334对相对于加速度轴Xa和Ya的线形加速度的响应是同相的。因此,合适地 相加和/相减电性上独立的加速度感测信号A’、B’、C’和D’,以提取与线性加速度对应的 信息(例如加速度感测信息),以及提取与科里奥利加速度对应的信息(例如角速度感测信 息)。例如,第一组电恢复力(没有示出)可以被采用来平衡线性加速度力,以及第二组电 恢复力(没有示出)可以被用来平衡科里奥利加速度力。此外,相应的感测电极结构A、B、 C和D可以被配置来根据电恢复力的大小产生电性上独立的加速度感测信号A’、B’、C’和 D,。

[0050] 具体而言,差分放大器306被配置来从感测电极结构B接收差分感测信号B’,并

11且将相应的感测信号b提供给求和放大器314和差分放大器316。类似地,差分放大器308 被配置为从感测电极结构A接收差分感测信号A’,并且将相应的感测信号a提供给求和放 大器314和差分放大器316。此外,差分放大器310被配置为从感测电极结构D接收差分感 测信号D’,并且将相应的感测信号d提供给求和放大器318和差分放大器320,以及差分放 大器312被配置为从感测电极结构C接收差分感测信号C’,并且将相应的感测信号c提供 给求和放大器318和差分放大器320。

[0051] 求和放大器314被配置为将感测信号a和b相加,并且产生感测信号和a+b,该感 测信号和a+b包含与沿加速度轴Xa的加速度感测有关的信息(“X-加速度”)。同样,求和 放大器318被配置为将感测信号c和d相加,并且产生感测信号和c+d,该感测信号和c+d 包含与沿加速度轴Ya的加速度感测有关的信息(“Y-加速度”)。本领域技术人员应该理 解的是,可以要求附加的锁相载波来提取加速度感测信息。

[0052] 差分放大器316被配置为将感测信号a和b相减,并且将感测信号差a_b提供给 求和放大器322。同样,差分放大器320被配置为将感测信号c和d相减,并且将感测信号 差c-d提供给求和放大器322。此外,求和放大器322被配置为将感测信号a_b和c_d相 加,并且将和a+c-b-d提供给相位解调器324。感测信号a+c-b-d包括与相对于旋转轴Zk 的角速度感测有关的信息(“Z-角速度”)。但是,应该注意的是,感测信号a+c-b-d也可以 包括至少一些与沿着加速度轴Xa和Ya的中一个或者两者的加速度感测有关的信息。因而, 相位解调器324被配置为抑制陀螺感测信号a+c-b-d中的加速度信息。

[0053] 具体而言,相位解调器324针对速度感测信号V来解调陀螺感测信号a+c-b-d,其 中速度感测信号V与检验块332和334的振动速度同相,而与检验块加速度异步。如图3 所示,传感器301包括速度感测电极结构342,被配置为将速度感测信号V (电流信号)提供 给跨阻放大器304,该跨阻放大器304将电流信号转化为相应的电压信号ν。通过感测耦合 到检验块332和334的电极与固定到衬底上的电极的相对运动,速度感测电极结构342感 测检验块332和334的振动速度,并且产生速度感测信号V,该速度感测信号V与振动速度 同相。接着,跨阻放大器304将电压信号ν作为相位基准提供给相位解调器324。因为速度 感测信号V与加速度信号a+b和c+d异步,所以通过相位解调器324抑制了在求和放大器 322的输出处的加速度信息,由此在相位解调器的输出处增加了陀螺的信噪比(SNR)。

[0054] 可以明白的是,为了利用差分电容器感测加速度计电极A、B、C和D的静态偏转,必 须向框330提供交流电压,并且针对该电压同步地解调信号。可以在差分放大器306、308、 310和312或者求和放大器314、316、318和322中执行该种解调。为了提高灵敏度,交流电 压的频率应该如实际中一样高。为了阻止来自相对频率漂移的误差,应当使用锁相环使交 流电压与速度信号相关,锁相环是本领域技术人员公知的。还应当注意的是:在此为了容易 解释而分开示出的各种放大器可以组合为一个集成电路中的晶体管的更有效配置,以及然 后可以不遵守精确的操作顺序,但保留整个功能。特别地,如果选择连续时间(例如基于放 大器)实现,则通过维持直到相位解调器的差分信号路径,来最佳地保留过程的完整性。如 果使用离散时间(例如数字化的)实现,则合并加法、减法、解调和/或过滤操作常常是有 效的。

[0055] 参考图4描述当前公开的多传感器子结构303 (见图3)的操作方法。如步骤402 中所述,在多传感器子结构303中包括的两个检验块沿振动轴反相地振动,同时多传感器围绕旋转轴Zk旋转。应该理解的是,振动轴在多传感器的衬底平面上(例如,平行于加速 度轴Xa),以及旋转Zk与振动轴和多传感器的衬底垂直。接着,如步骤404中所述,将多传 感器的加速度感测电极结构A和B产生的差分感测信号A’和B’分别转化为感测信号a和 b。同样,如步骤406中所述,将加速度感测电极结构C和D产生的差分感测信号C’和D’ 分别转化为感测信号c和d。加速度感测电极结构A和B沿加速度轴Xa安置。此外,加速 度电极结构C和D沿加速度轴Ya安置,其中加速度轴Ya处于衬底的平面上并且垂直于加速 度轴XA。然后,如步骤408中所述,将感测信号a和b相加,以产生感测信号之和a+b,该感 测信号之和a+b包含与沿加速度轴Xa的加速度感测有关的信息(X-加速度)。同样,如步 骤410中所述,将感测信号c和d相加,以产生感测信号之和c+d,该感测信号之和c+d包 含与沿加速度轴Ya的加速度感测有关的信息(Y-加速度)。接着,如步骤412中所述,将感 测信号a和b相减,以产生感测信号之差a_b。同样,如步骤414中所述,将感测信号c和d 相减,以产生感测信号之差c-d。然后,如步骤416中所述,将感测信号a_b和c-d相加,以 产生感测信号之和(a-b) + (c_d),该感测信号之和(a-b) + (c-d)包含与相对于旋转轴Zk的 角速度感测有关的信息(Z-角速度)。最后,如步骤418中所述,最优化地抑制在陀螺感测 信号a+c-b-d中可能包括的加速度信息,以增加陀螺的SNR。信号处理领域的技术人员应该 理解,图4的示意性算法不是仅有的产生期望最终结果的算法,其它离散时间实现在功能 上是等效的。例如,可以合适地互换或者合并加法、减法和解调的顺序。

[0056] 图5描述了在MEMS子结构105(见图1)中包括的传感器104的例示性实施例504。 在该例示性实施例中,传感器504包括一对加速度计505-506。加速度计505-506分别包 括块509和507,块509和507的每一个基本上是圆形的。应当理解的是,可替换地,块507 和509可以基本上为正方形、六边形、八边形或者任何其他合适的几何形状。通过多个弯曲 部分(没有示出)将圆形块507和509固定到衬底508并且悬挂于衬底508的上方。传感 器504还包括叉形部件510,该叉形部件510被配置为耦合圆形块507和508,以允许所述 块相对反相移动,并且阻止所述块同相移动。固定圆形块507和509并将它们悬挂在衬底 508上方的多个弯曲部分被配置为将所述块限制为在平行于衬底的平面上基本上仅仅以旋 转方式移动,以及在与衬底508垂直的平面上基本上仅仅以倾斜或者平移方式移动。

[0057] 例如,衬底508可以包括硅衬底,或者任何其它合适类型的衬底。此外,可以使衬 底508经历任何合适的体微机械加工处理,以形成微机电系统(MEMS)多传感器设备。可以 经由现有技术中任何合适的处理来形成传感器504的圆形块507和509以及耦合叉形部件 510。

[0058] 如图5所示,传感器504具有在衬底508平面内的相互正交的两个相关联的旋转 感测轴Xk和Υκ,以及与旋转感测轴Xk和Yk垂直(例如垂直于衬底508)的一个相关联的加 速度感测轴ΖΑ。传感器504被配置为提供两个相对于旋转轴Xk和Yr的角速度感测的指示 以及一个相对于加速度轴Za的加速度感测的指示。此外,圆形块507和509的每一个具有 横向和纵向对称轴(没有标出),以及与其相关联的垂直于横轴和纵轴的旋转轴(例如分别 为旋转轴582和584)。

[0059] 传感器504还包括沿各个圆形块507和509的纵轴和横轴安置的加速感测电极结 构512-519。具体而言,加速度感测电极结构512-513和516-517分别沿着圆形块507的纵 轴和横轴彼此完全相对,以及加速度感测电极结构514-515和518-519分别沿着圆形块509的纵轴和横轴彼此完全相对。加速度感测电极结构512-519的每一个包括在相应的圆形块 的表面上安置的第一电极和在与第一电极相对的衬底508的表面上安置的第二电极,形成 差分电容器,该差分电容器的电容值基于第一和第二电极之间的距离而增加/减小。传感 器504包括电路,该电路被配置来感测电容值的变化,并且提供电性上独立的加速度感测 信号,这些加速度感测信号包括与分别相对于旋转轴XK、Ye和加速度轴Za的角速度感测和 加速度感测有关的信息。例如,加速度感测电极结构512-519的第一和第二电极的每一个 可以由多晶硅(“多晶硅”)、扩散区域、金属或者任何其它合适的材料制成。

[0060] 图6描述了传感器104(见图1)的详细平面图604。如图6所示,微机械多传感 器604包括一对加速度计605-606。加速度计605-606分别包括基本上为圆形的块609和 607,其中圆形块609和607通过多个弯曲结构固定到衬底608并且悬挂在衬底608的上方, 衬底608例如为硅衬底。具体而言,固定和悬挂圆形块607的弯曲结构的每一个包括固定 部分670和应力释放部件660,以及固定和悬挂圆形块609的每个弯曲结构包括固定部分 672和应力释放部件662。在所述例示性的实施例中,应力释放部件660和662在中心自由 对折,以释放应力。因为这种结构可以引起恢复力和力矩的一些局部不对称,所以折叠部件 660和662成对地安置,以维持平衡(见图6)。

[0061] 传感器604还包括叉形部件610,以及加速度感测电极结构612-619。叉形部件 610被配置为耦合两个圆形块607和609,以允许所述块相对反相旋转移动,并且阻止所述 块同相旋转移动,如现有技术中所知。加速度感测电极结构612-619沿着各个圆形块607 和609的纵轴和横轴安置。

[0062] 应该注意的是,圆形块607和609、叉形部件610以及加速度感测电极结构 612-619基本上分别等效于传感器504 (见图5)的圆形块507和509、叉形部件510和加速 度感测电极结构512-519。此外,如图6所述的旋转感测轴Xk和Yk和加速度感测轴Za对应 于参考图5描述的旋转感测轴Xk和Yr和加速度感测轴ΖΑ。

[0063] 如图6所示,传感器604包括多个驱动电极结构640和642,它们固定于衬底608 上,并且被配置来反相可旋转地振动圆形块607和609,也就是,围绕其旋转轴以顺时针方 向/逆时针方向交替地旋转一个块,而同时在相反的方向上围绕另一个块的旋转轴以基本 上相同的量旋转该另一块。具体而言,驱动电极结构640被用来围绕旋转轴682可旋转地振 动圆形块607,以及驱动电极结构642被用来围绕旋转轴684可旋转地振动圆形块609。在 当前公开的实施例中,驱动电极结构640和642分别沿着圆形块607和609的径向轴安置。 此外,每个驱动电极结构640和642包括多个电极(“指针”),它们分别与从圆形块607和 609的至少一个径向边缘延伸的相应的多个指针互相交错。驱动电极结构640和642被耦 合到用于产生驱动信号的信号源(没有示出),该驱动信号用于以振动的方式反相可旋转 地振动块607和609,如方向箭头680所示。

[0064] 应该注意的是,圆形几何形状的主要目的在于提供枢轴和支杆,以将完全相对的 块分段的非平行线性运动转换为适合与叉形部件耦合的运动。因而,在产生科里奥利力时 的块分段的有用运动是主要的线性分量,而不是旋转分量。

[0065] 所述传感器604还包括多个速度感测电极结构650和652,该多个速度感测电极结 构650和652固定于所述衬底608上且被配置来分别感测圆形块607和609的振动速度。 在当前公开的实施例中,所述速度感测电极结构650和652分别沿着圆形块607和609的

14径向轴安置。此外,所述速度感测电极结构650和652中的每个包括多个指针,该电极与分 别从圆形块607和609的径向边缘延伸出去的相应的多个指针互相交错在一起。所述速度 感测电极结构650和652的所述互相交错的指针形成差分电容器,该电容器的电容值基于 所述圆形块607和609是否沿顺时针或逆时针旋转而增加/减少。所述传感器604包括电 路(未示出),该电路被配置来感测电容值中的变化,以及基于所述改变的电容值提供指示 圆形块607和609的振动速度的速度感测。

[0066] 本领域中的普通技术人员应该明白的是,由于圆形块607和609分别绕着所述旋 转轴682和684振动,而所述传感器604绕着圆形块607和609的径向轴(未标识)旋转, 所以所述圆形块607和609经历了科里奥利加速度。此外,由于所述圆形块607和609反 相振动,所以所述科里奥利加速度被按照相反的方向施加到各个圆形块上。结果是,视在的 科里奥利力被施加到圆形块607和609上,并且相对于所述衬底608,按照相反的方向偏转 所述圆形块607和609。

[0067] 例如,在图6中使用符号“ + ”和“_”来表示由于所施加的科里奥利力造成的圆形块 607和609的偏转的相对方向。如图6中所示,圆形块607的加速度感测电极结构612_613和 616-617分别被标识为-,+,_和+ ;圆形块609的加速度感测电极结构614-615和618-619 分别被标识为+,_,+和_ ;以指示所述施加的科里奥利力相对于所述衬底608按照相反的 方向偏转所述圆形块607和609的这些相应区域。

[0068] 应该注意的是,分别利用相反的符号-和+来标识圆形块607的沿着纵轴的加速 度感测电极结构612-613以及沿着横轴的加速度感测电极结构616-617。同样,分别利用相 反的符号+和-来标识圆形块609的沿着纵轴的加速度感测电极结构614-615以及沿着横 轴的加速度感测电极结构618-619。这是因为,在所述公开的实施例中,所述圆形块607和 609是刚性结构,其被配置来响应于所述施加的科里奥利力来相对于所述衬底608倾斜。

[0069] 而且,由于所述施加的科里奥利力按照相反的方向偏转所述圆形块607和609,所 述圆形块607和609对相对于旋转轴Xk和Yr的科里奥利加速度的响应是反相的,而所述圆 形块607和609对相对于加速度轴Za的线形加速度的响应是同相的。因此,经由所述加速 度感测电极结构612-619提供的电性上独立的感测信号可以被相加和/或相减来从所述感 测信号提取与所述线性加速度对应的信息(也就是,加速度感测信息),以及从所述感测信 号中提取与所述科里奥利加速度对应的信息(也就是,所述角速度感测信息)。

[0070] 图7描述了加速度感测信号处理电路700的例示实施例,该信号处理电路被配置 来从加速度感测电极结构612-619(见图6)提供的加速度感测信号中提取所述加速度感 测信息和所述角速度感测信息。例如,所述信号处理电路700可以在与传感器604相同的 一个衬底上实现。在所述例示的实施例中,所述感测信号处理电路700包括多个求和放 大器702-706以及多个差分放大器708-709,其用于相加/相减所述加速度感测电极结构 612-619感测的加速度,以提取所述加速度感测信息和所述角速度感测信息。

[0071] 具体而言,所述加速度感测电极结构612-613感测的加速度包括相对于加速度轴 Za的线形分量Az和相对于所述旋转轴Yr的时变旋转分量ay (w),而所述加速度感测电极结 构614-615感测的加速度包括相对于加速度轴Za的线形分量Bz和相对于所述旋转轴Yr的 时变旋转分量by (W)。应该注意的是,所述旋转分量ay (w)和by(w)按照角速度振动频率w 改变,并且与绕着与所述振动速度矢量垂直的径向轴旋转的速度成正比。由于圆形块607和609的振动速度相反,并且加速度感测电极结构612-613感测的加速度分别为Az+ay (w) 和Az-ay (w),而加速度感测电极结构614-615感测的加速度分别为Bz+by (w)和Bz_by (w)。 同样,加速度感测电极结构616-617感测的加速度分别为Az+aX(w)和Az-ax(w);而加速度 感测电极结构618-619感测的加速度分别为Bz+bx(w)和BZ-bx(w)。

[0072] 如上所述,所述圆形块607和609 (见图6)对相对于旋转轴Xk和Yk的科里奥利 加速度的响应是反相的,而所述圆形块607和609对相对于加速度轴Za的线性加速度的响 应是同相的。因此,所述圆形块607和609(见图6)对由加速度ay(w)和-ay(w),by(w) 和-by (w),ax (w)和-ax (w),bx (w)和-bx (w)表示的相对于旋转轴Xe和Ye的科里奥利加 速度的响应是反相的,而所述圆形块607和609对由加速度Az和Bz表示的相对于加速度 轴Za的线性加速度的响应是同相的。

[0073] 如图7中所示,表示由电极结构616和618感测的加速度Az+ax(w)和Bz+bx(w) 的信号被分别施加于所述求和放大器702,该求和放大器702被配置为相加这些加速度。 同样,表示由电极结构617和619感测的加速度Az-ax (w)和BZ-bx(w)的信号被分别施 加于所述求和放大器703,该求和放大器703被配置为相加这些加速度。接着,所述求和 放大器702-703将所述在其各自的输出端得到的信号施加给差分放大器708,所述放大器 708将向其提供的各个信号和相减,并且产生指示相对于旋转轴Xk的角速度感测的信号 2ax(w)+2bx(w) ( “X-角速度”)。

[0074] 此外,表示电极结构612和614感测的加速度Az+ay(W)和Bz+by (w)的信号被分 别施加给求和放大器704,该求和放大器704被配置为相加这些加速度。表示由电极结构 613和615感测的加速度Az-ay (w)和Bz_by (w)的信号被分别施加于所述求和放大器705, 该求和放大器705被配置为相加这些加速度。接着,所述求和放大器704-705将所述在其 各自的输出端得到的信号施加给差分放大器709所述放大器709将向其提供的各个信号和 相减,并且产生指示相对于旋转轴Yk的角速度感测的信号2ay (w) +2by (w) ( “Y-角速度”)。

[0075] 而且,所述求和放大器702-705将其各自的信号输出上得到的信号提供给所述求 和放大器706,该求和放大器706被配置来相加这些信号来抵消所述旋转分量\ (w)、bx(w)、 ay(w)和by(w),留下指示相对于加速度轴Z的加速度感测的线形分量4Αζ+4Βζ( “Ζ-加速 度”)。

[0076] 图8描述了根据本发明的传感器104(见图1)的第二例示实施例804。在所述例 示的实施例中,所述传感器804包括加速度计801、802、891和892,其被安置为形成一个方 阵。所述加速度计801、802、891和892分别包括块803、805、807和809,每个块基本上为正 方形。然而,应该理解的是,可选择地,所述块803、805、807和809可以是基本上为圆形、六 边形、八边形或任何其他合适的几何形状。

[0077] 利用多个弯曲部分(未示出)将所述正方形块803、805、807和809悬挂在衬底 808上方且固定在所述衬底808上。所述传感器804还包括耦合邻近块803和805的叉形 部件810、耦合邻近块803和807的叉形部件812,耦合邻近块807和809的叉形部件814, 以及耦合邻近块805和809的叉形部件816。所述叉形部件810、812、814和816被配置来 耦合所述块803、805、807和809,以允许所述邻近块绕旋转轴852、854、856和858相对反相 地旋转移动,并且阻止所述邻近块绕旋转轴852、854、856和858同相旋转移动。

[0078] 类似于所述传感器604的衬底608 (见图6),所述传感器804的所述衬底808 (见图8)包括硅衬底,或任何其他合适类型的衬底。此外,使衬底808经受任何合适的体微机 械处理来形成微机电系统(MEMS)多传感器设备。

[0079] 如图8中所示,传感器804在衬底808的平面上具有两个关联的相互正交的旋转 感测轴Xk和Υκ,以及与所述旋转轴Xk和Yk垂直的一个关联的加速度感测轴ΖΑ。类似于所 述传感器604 (见图6),所述传感器804提供两个相对于旋转轴Xk和Yr的角速度感测的指 示,以及一个相对于所述加速度轴Za的加速度感测的指示。

[0080] 所述传感器804还包括加速度感测电极结构818-821、826-829和822-825、 830-833,所述加速度感测电极结构818-821、826-829和822-825、830-833沿着所述块803、 805、807和809的所述纵轴和横轴彼此完全相对地安置。所述加速度感测电极结构818-833 中的每个包括安置在各个块的表面上的第一电极,以及安置在与第一电极相对的衬底808 的表面上的第二电极,由此形成其电容值基于第一和第二电极之间的距离而增加/减少的 差分电容器。该电容值被用来提供电性上独立的加速度感测信号,该加速度感测信号包括 与分别相对于旋转轴XK、Yk和加速度轴Za的角速度感测和加速度感测有关的信息。

[0081] 例如,所述加速度感测电极结构818-819、820-821、826-827和828-829分别被使 用来提供加速度 Az+ay (w)和 Az_ay (w)、Bz+by (w)和 Bz-by (w),Cz+cy (w)和 Cz_cy (w),以 及Dz+dy (w)和Dz-dy (w)的指示,其中,Az、Bz、Cz和Dz是相对于加速度轴Za的线性加速度 分量,而ay (w)、by (w)、cy (w)和dy (w)是相对于所述旋转轴Yr的时变旋转加速度分量。此 外,所述加速度感测电极结构822-823、830-831、824-825和832-833分别被使用来提供加 速度 Az+ax (w)禾口 Az-ax (w)、Bz+bx (w)禾口 Bz_bx (w), Cz+cx (w)禾口 Cz_cx (w),以及 Dz+dx (w) 和Dz-dx (w),其中,ax (w)、bx (w)、cx (w)和dx (w)是相对于所述旋转轴Xk的时变旋转加速 度分量。通过合适地相减各个加速度,所述线形分量抵消,留下包括与相对于所述旋转轴Xk 和Yk的角速度感测有关的信息的旋转分量。而且,通过合适地相加各个加速度,所述旋转 分量抵消,留下包括与相对于所述加速度轴Za的加速度感测有关的信息的线形分量。

[0082] 图9描述了微机械多传感器804 (见图8)的详细平面视图904。如图9所示,传感 器904包括加速度计901、902、991和992。加速度计901、902、991和992分别包括基本上 为正方形的块903、905、907和909,利用多个弯曲部分将该正方形块903、905、907和909固 定于衬底908上,并且悬挂在所述衬底908上方。具体而言,固定所述块903并且悬挂所述 块903的多个弯曲部分中的每个包括固定部分(比如固定部分970)和应力释放部件(比 如应力释放部件960),固定所述块905并且悬挂所述块905的多个弯曲部分中的每个包括 固定部分(比如固定部分972)和应力释放部件(比如应力释放部件962)。固定所述块907 并且悬挂所述块907的多个弯曲部分中的每个包括固定部分(比如固定部分974)和应力 释放部件(比如应力释放部件964)。固定所述块909并且悬挂所述块909的多个弯曲部分 中的每个包括固定部分(比如固定部分976)和应力释放部件(比如应力释放部件966)。 应该注意的是,所述固定/压力释放部件对沿着各个块903、905、907和909的纵轴和横轴 安置。所述传感器904还包括叉形部件910、912、914和916。该叉形部件910、912、914和 916被配置来耦合所述邻近块,以允许所述块相对地反相旋转移动,并且阻止所述块同相旋 转移动,如同现有技术中所述。

[0083] 应该注意的是,所述块903、905、907和909以及叉形部件910、912、914和916分 别基本上等同于传感器804 (见图8)的块803、805、807和809以及叉形部件810、812、814和816。此外,如图9所述的旋转感测轴Xk和Yk以及加速度轴Za对应于参考图8在上面描 述的旋转感测轴Xk和Yk以及加速度感测轴ZA。

[0084] 所述传感器904(见图9)包括多个驱动电极结构940、942、944和946,该多个驱 动电极结构940、942、944和946固定于衬底908上,且被配置为分别可旋转地振动所述块 903、905、907和909,使得邻近块反相振动。驱动电极结构940、942、944和946中的每个包 括多个指针,该指针沿着所述块的径向安置,且与从所述块的至少一个径向边缘延伸出去 的相应多个指针互相交错在一起。在优选实施例中,所述驱动电极结构940、942、944和946 分别被对角地安置在所述块903、905、907和909上。

[0085] 所述传感器904还包括多个速度感测电极结构950、952、954和956,该多个速度感 测电极结构950、952、954和956固定于所述衬底908上且被配置来分别感测块903、905、 907和909的振动速度。类似于驱动电极结构940、942、944和946,速度感测电极结构950、 952,954和956中的每个包括沿着所述块的径向轴安置的多个指针,该指针与从所述块的 至少一个径向边缘延伸出去的相应多个指针互相交错在一起。在所述例示的实施例中,所 述速度感测电极结构950、952、954和956分别沿着块903、905、907和909的横轴安置。应 该注意的是,在所述传感器904绕所述块的径向轴(未标识)旋转时,在图9中使用符号 “ + ”和“-”来指示由于给其施加的科里奥利力造成的振动块903、905、907和909的偏转的 相对方向。

[0086] 应该明白的是,所述加速度计901、902、991和992以及叉形部件910、912、914和

916被按照镜像方式安置在所述传感器904的对称的横轴的每侧上以及对称的纵轴的每侧 上。因此,所述传感器904可以对称地将中心定位于所述模片(未示出)上,以减少模片表 面区域变形以及梯度对所述传感器的性能造成的不利影响。

[0087] 参考图10来描述当前公开的包括传感器604 (见图6)的多传感器子结构105 (见 图1)的操作方法。如步骤1002中所述,所述块607和609分别绕着所述转动轴682、684反 相可旋转地振动,而所述传感器604经历线性/旋转运动。应该理解的是,所述旋转轴Xk和 Yk处于所述传感器衬底608的平面中,并且线性加速度轴Za垂直于所述旋转轴。接着,如 步骤1004中所述,将分别由加速度感测电极结构612-613产生的加速度感测信号Az+ay (w) 和Az-ay(W)相减,以产生所述感测信号之差2ay(w),同样,如步骤1004中所述,将分别由 加速度感测电极结构614-615产生的加速度感测信号Bz+by(w)和Bz-by(w)相减,以产生 所述感测信号之差2by(w)。随后,如步骤1006中所示,将信号2ay(w)和2by(w)相加,以 产生信号和2ay (w)+2by (w),该信号和包括与相对于旋转轴Yr的角速度感测有关的信息 (Y-角速度)。接着,如步骤1008中所述,将分别由加速度感测电极结构616-617产生的加 速度感测信号Az+ax (w)和Az-ax (w)相减,以产生所述感测信号之差2ax (w),同样,如步骤 1008中所述,将分别由加速度感测电极结构618-619产生的加速度感测信号Bz+bx(w)和 Bz-bx (w)相减,以产生所述感测信号之差2bx (w)。随后,如步骤1010中所示,将信号2ax (w) 和2bx(w)相加,以产生信号和2aX(W)+2bX(W),该信号和包括与相对于旋转轴χ的角速度 感测有关的信息(Χ-角速度)。最后,如步骤1012中所述,将信号Az+ay (w)、Az-ay (W)、 Bz+by (w)、Bz_by(w) > Az+ax (w)、Az_ax(w)、Bz+bx(w)、Bz_bx(w)相力口,以产生禾口 4Az+4Bz,该 和包括与相对于加速度轴Z的加速度感测有关的信息(Z-加速度)。

[0088] 如上所述,传感器201 (见图2)和传感器904 (见图9)可以对称地将中心定位于不同模片(未示出)上,以减小模片表面变形和梯度对传感器性能的不利影响。应该明白 的是,由于传感器201和传感器904可以在六自由度的微机械多传感器设备100 (见图)内 的不同衬底上实现,所以可以增加产量,并且减少传感器之间的陀螺干扰。 [0089] 本领域普通技术人员还应该明白的是,可以对六自由度的微机械多传感器进行修 改和变化。例如,参考图1描述,衬底102和108可以是共平面的,且X和Y轴位于衬底102 和108的平面内。还可以合并衬底102和108,使得与此对应的各个传感器具有对称四边 形。更为具体地,传感器201 (见图2)和传感器904(见图9)可以位于截开模片的轴上,使 得表面应力效应消除,即使没有以传感器结构为中心。而且,应力隔离器(未示出)可以被 合适地配置来减弱对称性要求。在不背离这里公开的本发明的原理的情况下,可以对上述 多传感器进行进一步的修改和变化。因此,本发明应该被认为仅由所附权利要求的范围和 精神所限定。

Claims (15)

  1. 一种六自由度多传感器,包括:第一衬底;第二衬底;在所述第一衬底上制造的第一多传感器子结构,所述第一多传感器子结构用于提供第一多个感测信号,所述第一多个感测信号指示相对于在所述第一衬底的平面中的相互正交的第一和第二轴的加速度感测,以及指示相对于与所述第一和第二轴垂直的第三轴的角速度感测,以及在所述第二衬底上制造的第二多传感器子结构,所述第二多传感器子结构用于提供第二多个感测信号,所述第二多个感测信号指示相对于在所述第二衬底的平面中的相互正交的第四和第五轴的角速度感测,以及指示相对于与所述第四和第五轴垂直的第六轴的加速度感测,其中所述第一多传感器子结构包括:基本上平坦的加速计框;耦合到该框的第一检验块;耦合到该框的第二检验块;第一对完全相对的加速度感测电极结构,其耦合到该框并且沿所述第一轴安置;以及第二对完全相对的加速度感测电极结构,其耦合到该框并且沿所述第二轴安置;其中,所述第一和第二检验块被配置为沿振动轴反相地振动,所述振动轴处于由所述第一和第二轴定义的平面中,以及其中,每个加速度感测电极结构被配置来产生所述第一多个感测信号中的相应的一个,每个感测信号在电性上独立于其余感测信号。
  2. 2.根据权利要求1的六自由度多传感器,还包括信号处理单元,该信号处理单元被配 置来提取与沿所述第一和第二轴的加速度感测有关的信息,以及提取与相对于所述第三轴 的角速度感测有关的信息。
  3. 3.根据权利要求1的六自由度多传感器,还包括弹性部件,用于弹性地耦合所述第一 检验块和所述第二检验块。
  4. 4.根据权利要求1的六自由度多传感器,还包括:第一放大器,其被配置为从所述第一 对加速度感测电极结构中的一个接收差分感测信号,并且产生第一感测信号;以及第二放 大器,其被配置为从所述第一对加速度感测电极结构中的另一个接收差分感测信号,并且 产生第二感测信号。
  5. 5.根据权利要求4的六自由度多传感器,还包括第三放大器,其被配置为接收所述第 一和第二感测信号,并且产生包括所述第一和第二感测信号之和的第三感测信号,所述第 三感测信号指示沿所述第一轴的加速度感测。
  6. 6.根据权利要求1的六自由度多传感器,还包括:第一放大器,其被配置为从所述第二 对加速度感测电极结构中的一个接收差分感测信号,并且产生第一感测信号;以及第二放 大器,其被配置为从所述第二对加速度感测电极结构中的另一个接收差分感测信号,并且 产生第二感测信号。
  7. 7.根据权利要求6的六自由度多传感器,还包括第三放大器,其被配置为接收所述第 一和第二感测信号,并且产生包括所述第一和第二感测信号之和的第三感测信号,所述第三感测信号指示沿所述第二轴的加速度感测。
  8. 8.根据权利要求1的六自由度多传感器,还包括:第一放大器,其被配置为从所述第一 对加速度感测电极结构中的一个接收差分感测信号,并且产生第一感测信号;第二放大器, 其被配置为从所述第一对加速度感测电极结构中的另一个接收差分感测信号,并且产生第 二感测信号;第三放大器,其被配置为从所述第二对加速度感测电极结构中的一个接收差 分感测信号,并且产生第三感测信号;以及第四放大器,其被配置为从所述第二对加速度感 测电极结构中的另一个接收差分感测信号,并且产生第四感测信号。
  9. 9.根据权利要求8的六自由度多传感器,还包括:第五放大器,其被配置为接收所述第 一和第二感测信号,并且产生包括所述第一和第二感测信号之差的第五感测信号;以及第 六放大器,其被配置为接收所述第三和第四感测信号,并且产生包括所述第三和第四感测 信号之差的第六感测信号。
  10. 10.根据权利要求9的六自由度多传感器,还包括第七放大器,其被配置为接收所述第 五和第六感测信号,并且产生包括所述第五和第六感测信号之和的第七感测信号,所述第 七感测信号指示相对于所述第三轴的角速度感测。
  11. 11.根据权利要求10的六自由度多传感器,还包括速度感测电极结构,其被配置为产 生速度感测信号,所述速度感测信号与所述第一和第二检验块的振动速度同相,并且与所 述第一和第二检验块的线性加速度异步。
  12. 12.根据权利要求11的六自由度多传感器,还包括相位解调器,其被配置为接收所述 第七感测信号和所述速度感测信号,并且产生第八感测信号,所述第八感测信号指示相对 于所述第三轴的角速度感测。
  13. 13.根据权利要求1的六自由度多传感器,其中所述第一和第二衬底被合并以使在所 述第一衬底上制造的第一多传感器子结构和在所述第二衬底上制造的第二多传感器子结 构具有四边形对称结构。
  14. 14. 一种操作六自由度多传感器的方法,包括步骤:利用第一多传感器子结构,提供第一多个感测信号,所述第一多个感测信号指示相对 于在第一衬底的平面中的相互正交的第一和第二轴的加速度感测,以及指示相对于与所述 第一和第二轴垂直的第三轴的角速度感测,所述第一多传感器子结构在所述第一衬底上实 现;以及利用第二多传感器子结构,提供第二多个感测信号,所述第二多个感测信号指示相对 于在第二衬底的平面中的相互正交的第四和第五轴的角速度感测,以及指示相对于与所述 第四和第五轴垂直的第六轴的加速度感测,所述第二多传感器子结构在所述第二衬底上实 现;利用驱动电极结构,沿振动轴反相地振动第一检验块和第二检验块,所述第一检验块 耦合到加速计框,并且所述第二检验块耦合到该加速计框;在第一产生步骤中,由耦合到所述框并且沿所述第一轴安置的第一对完全相对的加速 度感测电极结构产生各自的第一加速度计感测信号;以及在第二产生步骤中,由耦合到所述框并且沿所述第二轴安置的第二对完全相对的加 速度感测电极结构产生各自的第二加速度计感测信号,所述第一和第二检验块、所述驱动 电极结构、以及所述第一和第二对加速度感测电极结构被包括在所述第一多传感器子结构中,其中,在所述第一和第二产生步骤中产生的每个感测信号在电性上独立于其余感测信号。
  15. 15.根据权利要求14的方法,还包括步骤:利用信号处理单元,提取与沿所述第一和第 二轴的加速度感测有关的信息,以及提取与相对于所述第三轴的角速度感测有关的信息。
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