CN1826532A - 灵活振动的微机电设备 - Google Patents

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CN1826532A CNA2004800213657A CN200480021365A CN1826532A CN 1826532 A CN1826532 A CN 1826532A CN A2004800213657 A CNA2004800213657 A CN A2004800213657A CN 200480021365 A CN200480021365 A CN 200480021365A CN 1826532 A CN1826532 A CN 1826532A
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Abstract

存在用于电子传感器设备(20)的传感器部件(24)。该传感器部件(24)可以具有衬底(43)、一对标准质量(34a，34b)、一组驱动横梁(44)和至少一个底部横梁(46)。该对标准质量(34a，34b)被悬挂在该衬底(43)之上，并且在固定的固定点(50)上附着于该衬底(43)。该组驱动横梁(44)被放置在该标准质量(34a，34b)和该固定点(50)之间。每个驱动横梁(44)具有在第一方向延伸的第一纵向的主体部分(62)，和沿着第二方向延伸的第一可弯曲的弹簧构件(64)。该底部横梁(46)相互连接该组驱动横梁(44)，并且具有第二纵向的主体部分(72)和第二可弯曲的弹簧构件(74)。该第二纵向的主体部分(72)沿着第二方向延伸，并且该第二可弯曲的弹簧构件(74)沿着第一方向延伸。该第一和第二可弯曲的弹簧构件(64，74)可能在形状上是螺旋形的，诸如折叠起来的梁柱或者折叠弹簧。

Description

灵活振动的微机电设备
技术领域
本发明通常涉及在诸如陀螺仪的传感器中的微机电系统(MEMS)，尤其是，涉及在该设备中灵活振动的元件的使用。
背景技术
通过MEMS技术制造的电子传感器设备在许多的领域中起关键作用。例如，微机械陀螺仪在运输和商业应用中已经实现若干重要的控制系统。在许多的领域中还使用其它的微装置，诸如通过MEMS技术制造的压力传感器、加速度计、致动器和谐振器。
一种类型的微陀螺仪包含二个可活动的标准质量。该标准质量通过支撑结构悬挂在衬底之上。该标准质量在该陀螺仪中通过电动机在相同的平面(在平面上)上以预定的频率振动。该电动机包括以振动的方式在同一平面中驱动该标准质量的电极。该标准质量的振动被控制到接近该标准质量的谐振频率的频率。
除了一组标准质量和驱动电极之外，该陀螺仪还包含围绕该标准质量的检测电极，其报告表示每个标准质量的运动的信号。具体地，某些电极检测该标准质量在平面上的运动。其它的电极检测该标准质量的平面外的运动。借助于适当的信号处理和提取电路，角速度分量可以从检测该标准质量的平面外的运动的电极的报告信号中恢复。
在常规的陀螺仪中，该标准质量和支撑结构是非常薄的。在该支撑结构中，横梁的厚度已知的是低于10μm，并且该横梁的宽度低于5μm，具有非常严格的工艺公差。存在使该标准质量变厚以在批量生产中提高产量的需要，并且存在放宽工艺公差的需要。在用于车辆应用的低成本陀螺仪设备中，这是特别地重要的。但是，使该标准质量变厚产生其它的问题。例如，各种各样的振动模式的某些频率变为是不合需要的，并且对于信号噪声可能变得更加敏感。
存在用于改善结构以重新排列陀螺仪的不同的振动模式的频率的需要，该陀螺仪使用可活动的标准质量。该结构将允许该传感器设备使用更厚的可活动的标准质量和支撑结构，其在批量生产应用中提高产量。因此，所希望的是在传感器中提供一种改善的结构，以克服先前的问题的大部分，甚至全部的问题。
附图说明
图1是本发明的电子传感器的一个实施例的高级的方框图；
图2是本发明的传感器部件的一个实施例的俯视图；
图3A-3B是本发明一个实施例的俯视图，其中，该传感器部件中的一组标准质量以驱动方式运动(标准质量在该X轴中以相反的方向运动)；
图4A-4B是本发明一个实施例的透视图，其中，该传感器部件中的一组标准质量以检测方式运动(标准质量在该Z轴中以相反的方向运动)；
图5A-5B是本发明一个实施例的俯视图，其中，该传感器部件中的一组标准质量以草裙舞方式运动(标准质量在该X轴方向共同运动)；
图6A-6B是本发明一个实施例的透视图，其中，该传感器部件中的一组标准质量以蹦床方式运动(标准质量在该Z轴方向共同运动)；
图7A-7B是本发明一个实施例的透视图，其中，该传感器部件中的一组标准质量以扭曲方式运动(标准质量在该Y轴平面中扭曲)；
图8A-8B是本发明一个实施例的透视图，其中，该传感器部件中的一组标准质量以后滚翻方式运动(标准质量围绕该Y轴扭曲)；和
图9和10是举例说明通过使用本发明的各种各样的实施例可以获得的相应的频率的示意图。
虽然本发明容许各种各样的修改和替换形式，特定的实施例已经在附图中通过例子示出，并且将在此处详细描述。但是，应该明白，本发明不意欲局限于该公开的特定的形式。相反，本发明要覆盖落在如由所附的权利要求限定的本发明的范围之内的所有的改进、等效和替换。
详细说明
所描述的是在电子传感器设备的传感器部件中改进的机制和结构，其允许以各种各样的振动模式重新排列相应的频率。这允许该传感器设备去使用更厚的可活动的标准质量，其在批量生产应用中改善产量，并且允许放宽工艺公差。为此，在一个实施例中，存在用于传感器设备的传感器部件，包括衬底、一对标准质量和一组驱动横梁。该对标准质量悬挂在该衬底之上，并且在固定的固定点上附着于该衬底。该组驱动横梁被放置在该标准质量和该固定点之间。该驱动横梁具有沿着第一方向延伸的纵向的主体部分，和沿着第二方向延伸的可弯曲的弹簧构件。第二方向可能是垂直于第一方向，并且该可弯曲的弹簧构件可能在形状上是螺旋形的，诸如折叠起来的梁柱或者折叠弹簧。
该传感器部件可以进一步包括至少一个底部横梁，其相互连接该组驱动横梁。该底部横梁可以具有沿着第二方向延伸的其自己的纵向的主体部分，和沿着第一方向延伸的可弯曲的弹簧构件。该底部横梁的可弯曲的弹簧构件也可能在形状上是螺旋形的，诸如折叠起来的梁柱或者折叠弹簧。该传感器部件可以进一步包括第一对电极梳，其在第一平面中驱动该标准质量。该传感器部件还可以包括第二对电极梳和一对平面外的电极。第二对电极梳将能够检测该标准质量在第一平面中的运动。该对平面外的电极将能够检测在第二平面中该标准质量的运动，这里第二平面不同于第一平面。
在另一个实施例中，存在用于传感设备的传感器部件，包括衬底、一对标准质量、一组驱动横梁和至少一个底部横梁。该对标准质量悬挂在该衬底之上，并且在固定的固定点上附着于该衬底。该组驱动横梁被放置在该标准质量和该固定点之间。每个驱动横梁具有在第一方向延伸的第一纵向的主体部分，和沿着第二方向延伸的第一可弯曲的弹簧构件。该底部横梁相互连接该组驱动横梁，并且具有第二纵向的主体部分和第二可弯曲的弹簧构件。该第二纵向的主体部分沿着第二方向延伸，并且该第二可弯曲的弹簧构件沿着第一方向延伸。在这里，该第一和第二可弯曲的弹簧构件可能在形状上是螺旋形的，诸如折叠起来的梁柱或者折叠弹簧。
还存在一个电子传感器，其包括数字处理单元和传感器部件。该传感器部件可以包括衬底、一对标准质量、一组驱动横梁和至少一个底部横梁。该对标准质量悬挂在该衬底之上，并且在固定的固定点上附着于该衬底。该组驱动横梁被放置在该标准质量和该固定点之间。每个驱动横梁具有在第一方向延伸的第一纵向的主体部分，和沿着第二方向延伸的第一可弯曲的弹簧构件。该底部横梁相互连接该组驱动横梁，并且具有第二纵向的主体部分和第二可弯曲的弹簧构件。该第二纵向的主体部分沿着第二方向延伸，并且该第二可弯曲的弹簧构件沿着第一方向延伸。
该传感器部件可以进一步包括第一对电极梳，其在第一平面中驱动该标准质量。该第一对电极梳可以被配置从该数字处理单元接收信号。该传感器部件可以进一步包括第二对电极梳和一对平面外的电极。该第二对电极梳可以能够检测该标准质量在第一平面中的运动，然后发送信号给该数字处理单元。该对平面外的电极可以能够检测该标准质量在另一个平面中的运动，然后发送另一个信号给该数字处理单元。报告给该数字处理单元的该信号可以由该设备使用，以提取角速度的角速度分量，该分量反映出从外部对于该设备引起的角速度。
现在转向该附图，图1举例说明一个具有数字处理单元22和传感器部件24的电子传感器20的实施例。为了举例说明本发明，微陀螺仪传感器将被用作该电子传感器20的一个示范的实施例。
在一个实施例中，该数字处理单元22可以在数字信号处理器(DSP)控制器中实现，该数字信号处理器(DSP)控制器包括许多的功能块，诸如在由Stephen J.Rober于2003年10月18日申请的，通常地转让给本申请的受让人，称作“Method and Apparatus for Signal Extraction in anElectronic Sensor”的专利申请中描述的那些，并且作为参考资料其整体结合在此处。通常地，在一个实施例中，该数字处理单元22可以通过发送一个电机驱动信号26给该传感器部件24来控制该传感器部件24的标准质量在一个平面中的运动。做为选择，如那些本领域普通的技术人员已知的，独立的模拟系统可用于控制该传感器部件24的标准质量的运动。该数字处理单元22还可以提取和报告一个角速度28，该角速度28反映从外部对于该传感器部件24引起的角速度。为了提取和报告该角速度28，本发明使用该数字处理单元22从该传感器部件24接收第一信号30和第二信号32。如将在下面进一步描述的，从在与该标准质量相同的平面中的检测电极报告第一信号30。从与该标准质量不在相同的平面中的检测电极报告第二信号32。
参考图2，该传感器部件24通常包括一对可活动的标准质量34a、34b，一对外部梳36a、36b，一对内部梳38a、38b，一对平面外的检测电极40a、40b，和支撑结构42。该支撑结构42附着在可活动的标准质量和打底的衬底43之间。在一个实施例中，该打底的衬底43用玻璃制成，并且该标准质量34a、34b和支撑结构42用硅制成。
在本发明的一个实施例中，如图2所示，该支撑结构42包括一系列的驱动横梁44、底部横梁46和扭梁48。该传感器部件24的分量被经由该支撑结构42在固定的固定点50上安装于该衬底43。该传感器部件24的部件最好是被容纳在真空密封空腔内。
该标准质量34a、34b被悬挂在该衬底43之上。如在下面更详细地描述的，该支撑结构43的横梁44、46、48容许该标准质量34a、34b去相对于一系列的固定点50运动。该固定点50被牢固地附着于该衬底43。该标准质量34a、34b被允许在不同的平面中运动。该第一平面(平面内)是由如图2所示的X轴限定的。其它平面(平面外)是由Y轴和Z轴限定的。
该对外部梳36a、36b是在由X轴限定的第一平面中驱动该标准质量34a、34b的电极。这个运动(驱动模式)的放大的视图在图3A和3B中示出。在该驱动模式中，该运动是由该电极驱动，以在该标准质量34a、34b上生成科里奥利(Coriolis)力。该对外部梳36a、36b可以安装于该衬底，并且以变化的输入电压提供静电力以驱动该标准质量。
该对内部梳38a、38b是在与该标准质量34a、34b相同的平面中。该对内部梳38a、38b可以安装于该衬底。该对内部梳38a、38b可以是检测该标准质量34a、34b在X轴中的运动的电极。该对内部梳38a、38b被用于将第一信号30报告给该数字处理单元22。
该对平面外的检测电极40a、40b检测该标准质量34a、34b的平面外的运动。例如，平面外的运动(检测模式)的一个主要类型的放大的视图在图4A和4B中示出。这是该标准质量34a、34b在Z轴方向彼此相对运动时的情形。该对平面外的检测电极40a、40b可以被放置在该对标准质量34a、34b的下方。该对平面外的检测电极40a、40b被用于将第二信号32报告给该数字处理单元22。该第二信号32包含反映从外部向由该传感器部件24引起的该角速度的角速度分量。该数字处理单元22接收第二信号32并且提取该角速度分量以报告该角速度28。
如上所述，图3A、3B、4A、4B示出该标准质量34a、34b对于驱动模式(图3A和3B)和检测模式(图4A和4B)的振荡运动的放大的视图。该标准质量34a、34b的振荡频率需要彼此靠近以避免其它的振动模式和信号噪声。当前，已经知道借助于非常有限的工艺厚度范围，使用非常薄的标准质量和支撑结构，以保持这二种模式的频率彼此接近。薄的结构和有限的工艺公差的使用在制造过程中产生较低的产量。使用较厚的标准质量以在批量生产中提供产量和放宽工艺公差将是有益的。
但是，较厚的标准质量的使用产生其它的问题。例如，在该驱动模式(图3A和3B中示出的)和检测模式(在图4A和4B中示出的)中的振荡频率将变得彼此非常远离。此外，可以导致其它的不想要的振动模式，诸如在下面进行描述的那个。如果没有在本发明中描述的结构，这些其它的振动模式可以隔离该驱动模式和检测模式的频率，并且该设备不会正确地起作用。
例如，当使用较厚的结构的时候，可能出现的一种振动模式是我们将称作草裙舞模式的振动模式。该标准质量34a、34b以草裙舞模式运动的放大的视图在图5A和5B中示出。在这里，该标准质量34a、34b可以在X轴方向中在相同的方向运动。可以出现的另一种振动模式是我们称为蹦床模式的振动模式。该标准质量34a、34b以蹦床模式运动的放大的视图在图6A和6B中示出。在这里，该标准质量34a、34b可以一起在Z轴方向中运动。可以出现的另一种振动模式是我们称为扭曲模式的振动模式。该标准质量34a、34b以扭曲模式运动的放大的视图在图7A和7B中示出。在这里，该标准质量34a、34b可以在Y轴平面中扭曲和围绕Z轴转动。可以出现的又一种振动模式是我们称为后滚翻模式的振动模式。该标准质量34a、34b以后滚翻模式运动的放大的视图在图8A和8B中示出。在这里，该标准质量34a、34b可以围绕Y轴转动。
为了允许较厚的结构用于该检测部件24，本发明有利地包括如在下面进行描述的结构。具体地，该支撑结构42具有一组驱动横梁44，其被放置在该标准质量34a、34b和固定点50之间。每个驱动横梁44具有沿着第一方向延伸的纵向的主体部分62，和沿着第二方向延伸的可弯曲的弹簧构件64。在图3-8中示出的实施例中，该第一方向是沿着Y轴的方向，并且第二方向是沿着X轴的方向。本领域技术人员借助于本公开的受益将认识到，该轴的实际的定义与实现有关。但是，第一方向应该不同于第二方向。在图3-8中示出的实施例示出第二方向垂直于第一方向。此外，在一个实施例中，该可弯曲的弹簧构件64被以螺旋形的形状，或者折叠起来的梁柱或者折叠弹簧形成，并且沿着该纵向的主体部分62的一部分均匀。
使用比在常规的设备中具有的更厚的标准质量，图9示出对于本发明的一个实施例的该各种各样的振动模式的相应的频率。该虚线方框示出在驱动横梁44上使用可弯曲的弹簧构件64的各种各样的振动模式的相应的频率。该实线方框反映没有该可弯曲的弹簧构件64的各种各样的振动模式的相应的频率。人们注意到，在该驱动横梁44上使用可弯曲的弹簧构件64将允许驱动模式和检测模式的相应的频率被更加接近地对准。此外，在另一个实施例中，该支撑结构42的底部横梁46被用于相互连接该驱动横梁44。该底部横梁46具有沿着第二方向延伸的纵向的主体部分72，和沿着第一方向延伸的可弯曲的弹簧构件74。如上所述，第二方向沿着X轴的方向，并且第一方向沿着Y轴的方向。同样，本领域技术人员借助于本公开的受益将认识到，该轴的实际的定义与实现有关。但是，第一方向应该不同于第二方向。在图3-8中示出的实施例示出第二方向垂直于第一方向。在这个实施例中，该可弯曲的弹簧构件74被以螺旋形的形状，或者折叠起来的梁柱或者折叠弹簧形成，并且沿着该纵向的主体部分72的一部分均匀。
使用比在常规的设备中具有的更厚的标准质量，图10示出对于一个实施例的各种各样的振动模式的相应的频率，该实施例既在驱动横梁44中使用可弯曲的弹簧构件64，又在底部横梁46中使用可弯曲的弹簧构件74。具体地，该虚线方框示出使用两个可弯曲的弹簧构件64、74的各种各样的振动模式的相应的频率。实际上，该可弯曲的弹簧构件74的使用将使该检测模式的频率移动到更靠近于该驱动模式的频率。该虚线方框仅仅借助于在驱动横梁44中的该可弯曲的弹簧构件64反映各种各样的振动模式的相应的频率。人们注意到，借助于该可弯曲的弹簧构件64、74对现有的设备提供进一步改善，并且允许该驱动模式和检测模式的相应的频率被更加接近地对准。
已经描述的是在传感器部件中改进机制和结构，其允许以各种各样的振动模式重新排列相应的频率。这允许该传感器设备去使用更厚的可活动的标准质量和结构，其在批量生产应用中提高产量，并且允许放宽工艺公差。因此，本发明对于传感器设备具有降低制造成本的好处。该机制和结构通过使用螺旋形的，或者折叠起来的梁柱或者折叠弹簧允许更多的灵活性，以更加接近地对准用于该驱动模式和检测模式的频率，而没有其它的不需要的振动模式的干扰。该机制通过允许螺旋形的环的数目、环的宽度，以及在环之间的缝隙被调整以精密调校该刚性和调整该结构的整个频率来给设计者提供灵活性。
本发明以上的描述仅仅意欲是示范性的，并且不意欲限制从本申请发布的任何专利的范围。本发明意欲仅仅由以下的权利要求的范围来限制。
权利要求书
(按照条约第19条的修改)
1.一种用于传感器设备的传感器部件，该传感器部件包括：
衬底；
一对标准质量，在固定的固定点上附着于该衬底，该对标准质量悬挂在该衬底之上；和
一组放置在该标准质量和该固定点之间的驱动横梁，该驱动横梁具有包括沿着第一方向延伸的第一可弯曲的弹簧构件的第一主体部分，和包括沿着第二方向延伸的可弯曲的弹簧构件的第二主体部分，该第二方向垂直于第一方向，该第一和第二可弯曲的弹簧构件被配置为使得该标准质量的驱动频率和检测频率大体上被对准。
2.根据权利要求1的传感器部件，进一步包括：至少一个相互连接该组驱动横梁的底部横梁，该底部横梁具有包括沿着第二方向延伸的第一可弯曲的弹簧构件的第一纵向的主体部分，和包括沿着第一方向延伸的可弯曲的弹簧构件的第二主体部分。
3.根据权利要求1的传感器部件，其中该可弯曲的弹簧构件在形状上是螺旋形的。
4.根据权利要求1的传感器部件，其中该衬底是用玻璃制成的，并且该标准质量和驱动横梁是用硅制成的。
5.根据权利要求1的传感器部件，其中该传感器部件用于检测陀螺仪中外部引起的角速度。
6.根据权利要求1的传感器部件，进一步包括：第一对电极梳，其在第一平面的第一方向上以该驱动频率驱动该标准质量。
7.根据权利要求6的传感器部件，进一步包括：第二对电极梳和一对平面外的电极，该第二对电极梳能够检测该标准质量在第一平面中的运动，该对平面外的电极能够检测在第二平面中该标准质量以该检测频率的运动，该第二平面不同于该第一平面。
8.一种电子传感器，包括：
数字处理单元；和
传感器部件，该传感器部件包括：
衬底；
一对在固定的固定点上附着于该衬底的标准质量，该对标准质量悬挂在该衬底之上；
一组放置在该标准质量和该固定点之间的驱动横梁，每个驱动横梁具有在平面中沿着第一方向延伸的第一纵向的主体部分，和在其中第一可弯曲的弹簧构件，以及包括在该平面中沿着第二方向延伸的第二可弯曲的弹簧构件的第二主体部分，该第二方向垂直于第一方向，该第一和第二可弯曲的弹簧构件被配置为使得，在该平面的第一方向上该标准质量的驱动频率和在该平面之外的该标准质量的检测频率，大体上一起对准，并且不与在该平面中第二方向上的至少一个振动频率对准；和
至少一个相互连接该组驱动横梁的底部横梁，该底部横梁具有包括沿着第二方向延伸的第一可弯曲的弹簧构件的第二纵向主体部分，和包括沿着第一方向延伸的第二可弯曲的弹簧构件的第二主体部分。
9.根据权利要求8的电子传感器，其中该可弯曲的弹簧构件在形状上是螺旋形的。
10.根据权利要求8的电子传感器，其中该传感器部件进一步包括第一对电极梳，其在第一平面的第一方向上以该驱动频率驱动该标准质量，该第一对电极梳从该数字处理单元接收信号，其中该传感器部件进一步包括第二对电极梳和一对平面外的电极，该第二对电极梳能够检测该标准质量在第一平面中的运动，该对平面外的电极能够检测在第二平面中该标准质量的在检测频率上的运动，该第二平面不同于该第一平面，该第二对电极梳和该对平面外的电极进一步能够发送信号给该数字处理单元。

Claims (10)

1.一种用于传感器设备的传感器部件，该传感器部件包括：
衬底；
一对标准质量，在固定的固定点上附着于该衬底，该对标准质量悬挂在该衬底之上；和
一组放置在该标准质量和该固定点之间的驱动横梁，该驱动横梁具有沿着第一方向延伸的纵向的主体部分，和沿着第二方向延伸的可弯曲的弹簧构件，该第二方向垂直于第一方向；
其中该驱动横梁的可弯曲的弹簧构件在形状上是螺旋形的。
2.根据权利要求1的传感器部件，进一步包括：至少一个相互连接该组驱动横梁的底部横梁，该底部横梁具有沿着第二方向延伸的第二纵向的主体部分，和沿着第一方向延伸的第二可弯曲的弹簧构件。
3.根据权利要求2的传感器部件，其中该底部横梁的第二可弯曲的弹簧构件在形状上是螺旋形的。
4.根据权利要求1的传感器部件，其中该衬底是用玻璃制成的，并且该标准质量和驱动横梁是用硅制成的。
5.根据权利要求1的传感器部件，其中该传感器部件用于检测在陀螺仪中外部引起的角速度。
6.根据权利要求1的传感器部件，进一步包括：第一对电极梳，其在第一平面中驱动该标准质量。
7.根据权利要求6的传感器部件，进一步包括：第二对电极梳和一对平面外的电极，该第二对电极梳能够检测该标准质量在第一平面中的运动，该对平面外的电极能够检测该标准质量在第二平面中的运动，该第二平面不同于该第一平面。
8.一种电子传感器，包括：
数字处理单元；和
传感器部件，该传感器部件包括：
衬底；
一对在固定的固定点上附着于该衬底的标准质量，该对标准质量悬挂在该衬底之上；
一组放置在该标准质量和该固定点之间的驱动横梁，每个驱动横梁具有沿着第一方向延伸的第一纵向的主体部分，和沿着第二方向延伸的第一可弯曲的弹簧构件，该第二方向垂直于第一方向；和
至少一个相互连接该组驱动横梁的底部横梁，该底部横梁具有沿着第二方向延伸的第二纵向的主体部分，和沿着第一方向延伸的第二可弯曲的弹簧构件。
9.根据权利要求8的电子传感器，其中该驱动横梁的第一和第二可弯曲的弹簧构件的至少一个在形状上是螺旋形的。
10.根据权利要求8的电子传感器，其中该传感器部件进一步包括第一对电极梳，其在第一平面中驱动该标准质量，该第一对电极梳从该数字处理单元接收信号，其中该传感器部件进一步包括第二对电极梳和一对平面外的电极，该第二对电极梳能够检测该标准质量在第一平面中的运动，该对平面外的电极能够检测该标准质量在第二平面中的运动，该第二平面不同于该第一平面，该第二对电极梳和该对平面外的电极进一步能够发送信号给该数字处理单元。
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PB01 Publication
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