TWI589840B - 角速度之振動微機械感測器 - Google Patents

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Description

角速度之振動微機械感測器
本發明係關於在量測角速度時使用之量測裝置，且特別地，係關於如在申請專利範圍獨立項1之前序中所定義的角速度之振動感測器。本發明進一步係關於一種微機械迴轉儀元件，且更特定言之，係關於一種具有兩個或三個自由度之能夠量測角速度的迴轉儀元件。本發明亦係關於一種如在申請專利範圍獨立項11之前序中所定義的用於操作角速度之振動感測器之方法。
國際專利申請公開案WO2009/127782呈現用於量測關於兩個或三個軸之角速度的微機電MEMS感測器。該微機電MEMS感測器具有三個塊體：轉子塊體及兩個線性震動塊體。線性震動塊體經由撓性彈簧耦接至轉子塊體。線性震動塊體經激勵而振動，且轉子塊體遵循該等線性震動塊體之方向，使得源自轉子塊體及源自兩個線性塊體之角動量總是具有彼此相同之方向，在順時針與逆時針之間變更。
術語以線性方式移動之塊體、線性移動塊體或簡稱線性塊體係指塊體之預期線性初級移動，而非塊體之形式或形狀。預期以線性方式移動之塊體將被激勵為進行沿著軸之線性初級振盪運動，而非被激勵為進行繞旋轉軸之旋轉初級運動。
用角速度之振動感測器量測角速度或角速率(角速度向量之絕對值)已知為簡單且可靠概念。在角速度之振動感測器中，在感測器中產生且維持一或多個振動塊體之初級運動。接著，待量測之運動將被偵測作為與初級運動之偏差。
在MEMS迴轉儀中，機械振盪用作初級運動，亦稱為初級運動或初級模式。當振盪迴轉儀經受正交於初級運動之方向的角運動時，產生波狀科氏力。此產生正交於初級運動及/或正交於角運動之軸且在初級振盪之頻率下之次級振盪(亦稱為感測模式)。此經耦合振盪之振幅可用作角速率(亦即，角速度之絕對值)之度量。
在迴轉儀裝置中，多個移動塊體之組合除了總線性動量以外亦可導致總角動量，總線性動量與總角動量可在迴轉儀裝置中導致一些問題。舉例而言，除了在起動時間期間導致之問題以外，非零總動量亦可導致速率偏移之不穩定性、速率信號雜訊、對外部機械衝擊及振動之易感性及/或受外部機械衝擊及振動干擾，稍後將進行更詳細描述。
本發明之一目標為提供一種方法及設備以便解決先前技術缺點，且具體言之，減少由非零總角動量導致之問題。本發明之目標係藉由根據申請專利範圍第1項之特徵部分的設備實現。本發明之目標進一步藉由根據申請專利範圍第11項之特徵部分的方法實現。
在申請專利範圍附屬項中揭示本發明之較佳具體實例。
本發明之具體實例具有以下優點，根據申請專利範圍之感測器元件實現對角速度之可靠量測及良好效能。所呈現之感測器元件結構具 有具低標稱頻率及極低總角動量的反相初級模式。低標稱頻率促進整個感測器裝置之機械穩固性。低總角動量減少感測器元件之可偵測振動。因此，無振動能量或極少振動能量洩漏至感測器元件外部，此改進感測器裝置Q值之穩定性。
根據第一態樣，提供一種用於角速度之振動感測器的結構，該感測器包括至少一轉子塊體及兩個以線性方式移動之塊體。該結構包括各自藉由撓性彈簧耦接至該兩個以線性方式移動之塊體且耦接至該轉子塊體的兩個T型桿。該等T型桿使得該轉子塊體與該兩個以線性方式移動之塊體能夠被激勵至一反相初級模式中，其中該轉子塊體關於該結構之一幾何中心之角動量的一方向與該等以線性方式移動之塊體之角動量的一方向相反。
根據第二態樣，該兩個T型桿對稱地位於該轉子塊體之第一相對側。
根據第三態樣，該等以線性方式移動之塊體對稱地位於該轉子塊體之第二相對側。
根據第四態樣，該感測器進一步包括用於將該兩個以線性方式移動之塊體激勵至進行在裝置之一平面內之一線性初級振盪運動的激勵構件，且該兩個T型桿經配置以將該兩個以線性方式移動之塊體之該線性初級振盪運動傳達成該轉子塊體之一旋轉初級運動，該旋轉初級運動在該裝置之該平面內發生。
根據第五態樣，該線性初級振盪運動經配置以分別地沿著兩個平行第一軸發生，其中該兩個以線性方式移動之塊體經配置以依相反相 位移動，且該兩個平行第一軸間隔一非零距離，且該轉子塊體之該旋轉初級運動經配置以繞垂直於該裝置之該平面之一第二軸發生。
根據第六態樣，耦接至該轉子塊體且耦接至該等以線性方式移動之塊體的該等T型桿之端部形成一等腰三角形，且每一T型桿包括大致地在一第一桿之長度的中間附接至該第一桿的一第二桿；且/或該第二桿與該第一桿以一90度角附接。
根據第七態樣，該等T型桿進一步使該轉子塊體及該兩個以線性方式移動之塊體能夠被激勵至一平行相位初級模式中，其中該轉子塊體之角動量的方向與該等以線性方式移動之塊體之角動量的方向相同。
根據第八態樣，該反相初級模式之一標稱頻率低於該平行相位初級模式之一標稱頻率。
根據第九態樣，該反相初級模式具有小於該轉子塊體與該兩個以線性方式移動之塊體之角動量的絕對值之一總和之5%的總角動量。
根據第十態樣，該結構進一步包括兩個支撐框架，其中該兩個支撐框架中之每一者以非撓性方式耦接至一第一懸置結構，且該兩個支撐框架中之每一者藉由撓性彈簧耦接至至少兩個第二懸置結構。兩個支撐桿中之每一者藉由至少兩個撓性彈簧耦接至該等以線性方式移動之塊體中之一者。
根據用於操作一角速度之振動感測器的第一方法態樣，該感測器包括至少一轉子塊體及兩個以線性方式移動之塊體，該方法包含將該轉子塊體及該兩個以線性方式移動之塊體設定至一反相初級模式中，其中該轉子塊體關於該結構之一幾何中心之角動量的一方向與該等以線性方式 移動之塊體之角動量的一方向相反。
根據第二方法態樣，該方法包括使用兩個T型桿將該轉子塊體與該兩個以線性方式移動之塊體設定至該反相初級模式中，其中每一T型桿藉由撓性彈簧耦接至該兩個以線性方式移動之塊體且耦接至該轉子塊體。
根據第三方法態樣，該將該轉子塊體及該兩個以線性方式移動之塊體設定至該反相初級模式中包括：將該兩個以線性方式移動之塊體激勵至進行在裝置之平面內之一線性初級振盪運動；及使用該兩個T型桿將該兩個以線性方式移動之塊體之該線性初級振盪運動傳達成該轉子塊體之一旋轉初級運動，該旋轉初級運動在該裝置之一平面內發生。
根據第四方法態樣，該線性初級振盪運動沿著兩個平行第一軸發生，其中該兩個以線性方式移動之塊體以相反相位振盪，且其中該兩個平行第一軸彼此相距一非零距離，且該旋轉初級運動繞垂直於該裝置之該平面之一第二軸發生。
根據第五方法態樣，該兩個T型桿對稱地位於該轉子塊體之第一相對側。
根據第六方法態樣，該兩個以線性方式移動之塊體對稱地位於該轉子塊體之第二相對側。
根據第七方法態樣，該反相初級模式具有小於該轉子塊體與該兩個以線性方式移動之塊體之角動量的絕對值之一總和之5%的總角動量。
根據第九方法態樣，該等T型桿進一步使該轉子塊體及該 兩個以線性方式移動之塊體能夠被激勵至一平行相位初級模式中，其中該轉子塊體之角動量的一方向與該等以線性方式移動之塊體之角動量的一方向相同。
根據第十方法態樣，該反相初級模式之一標稱頻率低於該平行相位初級模式之一標稱頻率。
根據第十一方法態樣，兩個支撐框架進一步支撐該兩個以線性方式移動之塊體，該等支撐框架減小在該線性初級振盪運動期間該兩個以線性方式移動之塊體在該裝置之該平面之外的移動。
101‧‧‧以線性方式移動之塊體
101f‧‧‧外塊體
101m‧‧‧內塊體
102‧‧‧以線性方式移動之塊體
102f‧‧‧外塊體
102m‧‧‧內塊體
103‧‧‧轉子塊體
106‧‧‧懸置結構
107‧‧‧懸置結構
110‧‧‧第一桿
112‧‧‧第一桿
114‧‧‧第二桿
115‧‧‧撓性彈簧
116‧‧‧第二桿
117‧‧‧撓性彈簧
118‧‧‧撓性彈簧
120‧‧‧撓性彈簧
121‧‧‧撓性彈簧
122‧‧‧撓性彈簧
123‧‧‧撓性彈簧
218‧‧‧T型桿
219‧‧‧T型桿
301‧‧‧感測器元件
302‧‧‧黏著劑
303‧‧‧罩殼
304‧‧‧封蓋
305‧‧‧感測器裝置
430‧‧‧支撐框架結構
432‧‧‧支撐框架結構
433‧‧‧主要錨定件
434‧‧‧主要錨定件
435‧‧‧彈簧
436‧‧‧彈簧
437‧‧‧彈簧
438‧‧‧彈簧
440‧‧‧子錨定件
441‧‧‧子錨定件
442‧‧‧子錨定件
443‧‧‧子錨定件
450‧‧‧彈簧
451‧‧‧彈簧
452‧‧‧彈簧
453‧‧‧彈簧
在下文中，將參考附圖，結合較佳具體實例更詳細地描述本發明，其中圖1a係感測器元件之主要結構部件之示意性呈現。
圖1b呈現感測器元件之一具體實例。
圖2a示意性地呈現振盪之第一初級模式。
圖2b呈現具有振盪之第一初級模式之MEMS具體實例。
圖2c示意性地呈現振盪之第二初級模式。
圖2d呈現具有振盪之第二初級模式之MEMS具體實例。
圖3示意性地呈現感測器裝置。
圖4呈現感測器元件之替代具體實例。
「裝置之平面」、「結構之平面」、「感測器之平面」、「塊體之平面」或「轉子塊體之平面」意謂由感測器裝置之慣性塊體在其初始位置 中在不經激勵為任何移動時形成之平面。在本文獻之諸圖之座標中，此平面對應於xy平面。實體裝置之慣性塊體具有沿Z軸方向之非零厚度。此些塊體之該平面應理解為包括包括在各別所提及之結構元件之厚度內的平坦平面。
術語「以線性方式移動之塊體」係指預期具有線性初級振盪運動(亦即，沿著給定軸之縱向振盪)之震動塊體，以區分預期具有此線性初級振盪運動之震動塊體與預期具有旋轉初級運動之震動塊體。以線性方式移動之塊體可具有根據感測器裝置之設計及預期使用之不同次級感測運動模式。
術語「轉子塊體」係指預期具有旋轉初級運動且能夠及被預期繞一個、兩個或三個自由度軸旋轉之震動塊體，其中繞一個特定軸之旋轉運動係繞初級模式之一部分，且繞一個或兩個其他軸之旋轉運動可用於次級感測運動。儘管「線性初級振盪運動」係指以線性方式移動之塊體之運動，且「旋轉初級運動」係指轉子塊體之運動，但「初級模式」代表在經激勵為進行初級運動時感測器元件之所有慣性部件之移動的組合。
在慣性MEMS裝置中，彈簧結構係由通常具有均勻橫截面之樑製成。儘管MEMS技術性質上係平面的，但樑之尺寸尤其在z軸維度或厚度上係受限的。因此，MEMS裝置之可移動部件可被視為形成xy平面中之實質上平面結構。樑之長度及寬度以及形狀可變化。在此描述中，術語「彈簧」用於預期充當撓性彈簧之任何種類之直式、摺疊式或彎曲式樑結構。舉例而言，彈簧可為其中窄樑已經摺疊一或多次以允許沿至少一個方向之撓性移動的結構。直樑可在其剛度較低以允許該樑扭曲或彎曲或扭 轉移動時充當彈簧。術語「桿」係指意欲為剛性(亦即，不像彈簧一樣為撓性的)之結構。此等可形成為樑或一個以上樑的組合，或其可包括更複雜結構。
圖1a示意性地繪示感測器元件之主要結構部件。圖1b以更多的一些實施細節展示同一元件之例示性具體實例。此處並行地描述該等圖，且共同結構元件在可見時具有相同元件符號。儘管此圖式旨在解釋感測器元件內之慣性移動元件之性質及功能性，但在此等圖中不展示感測器元件之支撐本體。感測器之支撐本體可包含在裝置層下面之處置晶圓，該裝置層懸置於該處置晶圓上方。裝置層包含感測器之所有慣性及可移動部件，包含此處所描述之結構部件。
根據圖1a及圖1b之感測器元件具有至少兩個以線性方式移動之塊體(101、102)，以及轉子塊體(103)。以線性方式移動之塊體(101、102)經激勵為進行平面內之初級運動，且其可用以感測繞z軸之角速度。更特定而言，以線性方式移動之塊體經激勵至進行在塊體之平面中沿x軸之方向發生之線性初級振盪運動。x軸之方向意謂預期運動主要沿x軸之方向發生，儘管可發生此方向之一些偏差(亦即，歸因於實體裝置之非理想性)。在不背離範圍之情況下允許在正常工作容許度內之與精確預期方向之偏差。當繞z軸之角速度影響振盪的以線性方式移動之塊體(101、102)時，導致沿y軸方向之科氏力，且以線性方式移動之塊體(101、102)可開始沿y軸方向之偵測運動。轉子塊體(103)經激勵至進行繞垂直於塊體之平面之z軸的旋轉初級運動，且其可用以偵測平面內角速度。以線性方式移動之塊體的結構可變化。其可各自包括僅單個移動塊體，或其可各自包括至 少兩個移動塊體。舉例而言，每一以線性方式移動之塊體可包括內移動塊體以及外移動塊體(亦被稱作框架)。在又進一步替代方案中，每一以線性方式移動之塊體可包括在該框架內部之一個以上移動塊體。不同移動塊體之目的係為塊體提供用於初級模式及次級感測運動(感測模式)之必需自由度。以線性方式移動之塊體之結構的細節係熟習振動微機械感測器者已知的，且為簡單起見在此處不進行詳細描述。以下實例將展示數個例示性具體實例。
轉子塊體(103)通常經支撐至感測器元件之本體，至基本上在轉子塊體(103)中間的懸置結構(106)(有時被稱作錨定件)，該支撐使用在懸置結構(106)與轉子塊體(103)之間的允許轉子塊體(103)繞轉子塊體(103)結構之中心旋轉的撓性彈簧(118，為清楚起見而未在圖1a中展示)。在此配置中，在轉子塊體(103)之平面中(在xy平面中)繞穿過感測器元件及轉子塊體(103)之幾何中心之z軸發生轉子塊體(103)之初級旋轉。轉子塊體(103)之平面或感測器元件之平面意謂在感測器元件處於靜止中時(亦即，在未經激勵以進行任何移動時)由感測器元件形成之平面。
可藉由配置於以線性方式移動之塊體端部之激勵梳狀物(未示出)激勵感測器元件，但可使用如熟習此項技術者已知的用於激勵該裝置之任何其他方法及結構。舉例而言，可替代地使用壓電激勵。關於圖2a至圖2d進一步解釋初級振盪移動及初級模式。
為了將轉子塊體(103)激勵至進行所需旋轉初級運動，該裝置具有接下來將解釋之樑及彈簧配置。兩個以線性方式移動之塊體 (101、102)藉由係剛性(亦即，不允許任何顯著的彎曲或扭轉)之第一桿(110、112)耦接至彼此。此等第一桿(110、112)藉由撓性彈簧(120、121、122、123)耦接至兩個以線性方式移動之塊體(101、102)。若以線性方式移動之塊體(101、102)將僅由一整體件製成，則撓性彈簧將耦接至塊體本身。在以線性方式移動之塊體(101、102)將具有內塊體及外塊體之情形下，撓性彈簧將自然地耦接至外塊體(亦即，框架)。藉由添加各自分別經由撓性彈簧(115、117)將兩個第一桿(110、112)中之一者耦接至轉子塊體(103)之另外的第二桿(114、116)，將每一第一桿結構進一步增強為桿T型桿結構。第一桿(110)與第二桿(114)一起形成基本上類似於由第一桿(112)與第二桿(116)形成之T型桿的T型桿，該等T型桿位於轉子塊體(103)之相對側上。形成T型桿之此等不同樑結構較佳地在相同製造步驟期間製造，亦即，該等樑無需進行特定的「耦接」、「附接」或「連接」，而是可經由圖案化程序(諸如在單個矽晶圓上之遮蔽及蝕刻程序)形成其，其中所有感測器結構可使用至少一些共同製造程序步驟而形成。
當該裝置處於靜止中時，兩個T型桿結構較佳地位於對稱位置中，使得第二桿(114、116)耦接至在其之間的轉子塊體(103)，且T型桿以彼此相對方式置放於轉子塊體(103)之兩個相對側上，且包括轉子塊體(103)以及將其耦接至懸置結構(106)之彈簧的轉子系統關於穿過轉子塊體(103)之中心的至少一個軸對稱。在此實例中，該系統關於x軸且關於y軸兩者對稱。在當前實例中，轉子塊體(103)係四邊形，且T型桿係在不同於以線性方式移動之塊體(101、102)之相對側上，使得以線性方式移動之塊體(101、102)或T型桿存在於轉子塊體(103)之每一側上。 可在罩殼中基本上在轉子塊體(103)中間存在懸置結構(106)，其將轉子懸置至裝置本體。在此圖中不展示裝置本體，但其可被理解為存在(亦即，在所呈現感測器元件下方或頂部)。可藉由彈簧(118)用懸置結構(106)將轉子塊體(103)懸置於轉子塊體(103)之平面中，從而允許轉子塊體(103)沿至少一個方向(亦即，繞至少一個軸)旋轉。在當前實例中，將轉子塊體(103)耦接至懸置結構(106)之彈簧結構(118)可允許轉子塊體(103)繞所有三個軸(x、y、z)旋轉。除了在罩殼內基本上在轉子塊體(103)中間之懸置結構(106)以外，亦可存在數個另外的懸置結構(107)以用於在處於靜止中時及/或在經激勵至在塊體之平面中發生之初級模式中時將感測器元件懸置於在處置晶圓上方的塊體之預期平面中之目的。彈簧配置允許轉子塊體(103)及以線性方式移動之塊體(101、102)相對於懸置結構(106、107)移動。感測器元件可包括另外的結構部件，諸如驅動及偵測梳狀物及/或彈簧或其他驅動元件、額外懸置結構等。未在圖1a及圖1b之示意性呈現中展示所有此等結構及元件，而是僅展示理解所主張之本發明所必需之部件。
儘管將第一桿(110或112)與第二桿(分別地，114或116)的建構描述為T型桿，但應理解，該結構可在不背離本發明之情況下具有一些變化。變化可起因於製造程序中之一些非理想性，或該等變化可為有意的。第二桿(114、116)較佳地以90度之角度附接至各別第一桿(110、112)，但該角度可在不顯著地改變T型桿之功能性的情況下略微變化。類似地，第二桿(114、116)之位置可不在各別第一桿(110、112)之絕對中間，而是可略微偏向旁邊。桿之間的頂點或樑/彈簧之彎曲部中之任何拐角 可並非銳角的，而是可在頂點中存在一定圓化(亦即，圓角)。在製造程序中，一些銳角拐角甚至可在無任何設計措施之情況下藉由圓角變得略微平滑。另一方面，出於緩解頂點區中之應力的目的，甚至可在頂點中設計圓角。可在頂點區中存在某一有意添加之材料，亦即，以用於應力緩解或用於增加T型桿之剛度。更進一步地，剛性桿可包括橫截面不均勻之樑。形成T型之第一桿及/或第二桿甚至可為曲面的或包括曲面或彎曲區段。只要耦接至震動塊體(即，以線性方式移動之塊體101與102及轉子塊體103)之T型桿之三個端部形成等腰三角形，使得第一桿(110或112)之每一端部與第二桿(分別地，114或116)之端部之間的距離基本上相等，T型桿之任何變化便在範圍內。
圖2a、圖2b、圖2c及圖2d描述由對應於圖1a及圖1b中的第一桿(110、112)與第二桿(分別地，114、116)之組合的T型桿結構(218、219)實現之數個可能運動模式的兩個實例。圖2a及圖2b係第一初級模式之呈現，圖2a係更一般性示意圖，且圖2b呈現具有如實施於MEMS裝置中之更多結構細節之第一初級模式的具體實例。圖2c及圖2d呈現不同於第一初級模式之第二初級模式，圖2c係一般性示意圖，且圖2d呈現具有如實施於MEMS裝置中之更多結構細節之第二初級模式的例示性具體實例。耦接以線性方式移動之塊體(101、102)與轉子塊體(103)之T型桿(218、219)允許實現彼此顯著不同的至少兩個移動模式，其不同不僅表現在不同結構部件之相對移動方向上而且表現在不同移動模式之標稱頻率上。
較佳地藉由導致兩個以線性方式移動之塊體(101、102)在裝置之平面內以線性初級振盪運動方式(沿x軸之方向振盪)移動而激勵 該系統。每一以線性方式移動之塊體(101、102)沿著平行於x軸且距離x軸及距離彼此非零距離之不同軸移動。當該結構不受外部力激勵時，其保持於可稱為平衡狀態之位置中。以線性方式移動之塊體(101、102)可被激勵至進行具有給定頻率之振盪，其中以線性方式移動之塊體(101、102)首先移動遠離平衡狀態直至其達到距離平衡狀態之設定位移為止，且接著向平衡狀態移動回，且進一步繼續反方向移動至設定位移，且接著移動方向再度改變以返回至平衡狀態。例如，在圖2a、圖2b、圖2c及圖2d中，上部以線性方式移動之塊體(101)已移動至右邊，且下部以線性方式移動之塊體(102)已移動至左邊。因此，兩個以線性方式移動之塊體(101、102)沿著其距離彼此非零距離之平行定位之各別軸沿相反方向移動。亦可將兩個以線性方式移動之塊體之線性初級振盪運動的相位稱為係相反的。在示意性呈現中以虛線箭頭指示使以線性方式移動之塊體(101、102)達到其當前位置之移動方向。在所有圖2a、圖2b、圖2c及圖2d中，亦可注意到，為了在首先處於平衡狀態中之後到達以線性方式移動之塊體(101、102)之當前位置，以線性方式移動之塊體(101、102)已移動至具有繞旋轉軸(z軸)的沿順時針方向的角動量的方向，該旋轉軸定位於轉子塊體(103)及整個感測器結構之幾何中心。在下一個振盪循環中，以線性方式移動之塊體(101、102)具有沿逆時針方向之總角動量，到達在關於y軸成鏡像時可描述為圖2a至圖2d之鏡像的位置。該循環繼續朝如圖2a、圖2b、圖2c及圖2d中所展示之位置返回，其中以線性方式移動之塊體(101、102)具有繞旋轉軸(z軸)之沿順時針方向的角動量。在線性初級振盪運動期間，除了預期線性初級振盪運動以外，以線性方式移動之塊體(101、102)之移動 可甚至具有一些其他移動分量，諸如非想要之正交移動。可藉由熟習此項技術者已知之任何方法減小正交移動。鑒於本發明旨在實現改進的初級模式，關於以線性方式移動之塊體(101、102)之主要關注點係線性初級振盪運動及由初級模式中之上述線性運動導致之角動量，其中兩個以線性方式移動之塊體(101、102)在相反相位中振盪且導致關於轉子塊體(103)之幾何中心(亦係整個感測器結構之幾何中心)中之共同旋轉軸(z軸)之淨(合計)角動量。
以線性方式移動之塊體(101、102)之線性初級振盪運動導致轉子塊體(103)繞轉子塊體(103)之中心旋轉。此運動被稱作轉子塊體(103)之旋轉初級運動。線性振盪運動由T型桿(218、219)朝向轉子塊體(103)傳送，導致轉子塊體(103)開始其自身的特性初級移動。將兩個以線性方式移動之塊體(101、102)與轉子塊體(103)組合在一起之撓性彈簧及T型桿結構(218、219)導致影響轉子塊體(103)之力，且其開始頻率由以線性方式移動之塊體(101、102)之線性初級振盪運動設定之振盪旋轉運動。
剛性T型桿(218、219)在藉由撓性彈簧(諸如直樑、摺疊樑、U形或蛇形彈簧)耦接至三個移動塊體時允許實現轉子塊體(103)沿所需方向之旋轉自由。此旋轉自由為感測器元件提供進行數個不同模式之初級振盪的能力，接下來將更詳細地解釋其中兩個例示性振盪模式。
圖2a及圖2b呈現第一初級模式，其中以線性方式移動之塊體(101、102)及轉子塊體(103)以稱作反相初級模式之方式移動。在此模式中，轉子塊體(103)在與以線性方式移動之塊體(101、102)之相位 相反之相位中旋轉。當以線性方式移動之塊體(101、102)在沿導致以線性方式移動之塊體(101、102)具有沿順時針方向之角動量的方向移動之後達到到達峰值位置的位置時，轉子塊體(103)在旋轉至逆時針方向中之後到達其峰值位置。在朝向此峰值位置移動期間，轉子塊體(103)具有繞定位於轉子塊體(103)之中心之旋轉軸(z軸)的角動量，該角動量沿與由以線性方式移動之塊體(101、102)之移動導致之角動量相反的方向。由虛線箭頭展示不同元件之移動及動量之方向。當振盪轉至下一個旋轉相位時，動量之類似情境及相對方向繼續。以線性方式移動之塊體(101、102)具有關於定位於原點(亦即，轉子塊體(103)之幾何中心)中之旋轉軸(z軸)之沿逆時針方向之經組合角動量，而轉子塊體(103)具有關於同一旋轉軸(z軸)之沿順時針方向之角動量。基於三個塊體、T型桿、彈簧及整個系統結構之設計及慣性，當系統到達此穩定反相振盪運動時存在特定頻率。該頻率可被稱作反相驅動模式之標稱頻率。當以線性方式移動之塊體(101、102)及轉子塊體(103)已經恰當地設計時，以線性方式移動之塊體(101、102)之角動量之總和與轉子塊體(103)之角動量相反且在強度上幾乎相等，使得該等角動量在很大程度上彼此抵消，且振盪系統之剩餘總角動量與對於此種類之系統可能之幾乎任何其他模式之旋轉相比係極低的。亦可注意到，甚至T型桿(218、219)亦沿與轉子塊體(103)之旋轉相反之方向旋轉。儘管T型桿(218、219)不固定至任何旋轉中心，但其可具有相對於轉子塊體(103)之旋轉軸之某一角動量。當設計具有最小總角動量之系統時，甚至可考慮由T型桿(218、219)(其本身實際上具有某一質量)導致之角動量，但為簡單起見此處省略此情形。
系統中之移動塊體之剩餘總角動量的比率可描述為：
其中LRlinear1及Llinear2分別代表以線性方式移動之塊體(101、102)之角動量，且Lcenter代表轉子塊體(103)之角動量。以線性方式移動之塊體(101、102)之角動量LRlinear1、Llinear2應理解為包括以線性方式移動之塊體(101、102)之總動量之分量，該分量具有在任何時刻自轉子塊體(103)之中心引出之半徑之切線的方向。儘管以線性方式移動之塊體(101、102)移動並非旋轉的，但當以線性方式移動之塊體(101、102)處於線性初級振盪運動中時，轉子塊體(103)之中心與以線性方式移動之塊體(101、102)中之每一者之重心之間的半徑隨時間略微改變。當以線性方式移動之塊體(101、102)之振盪頻率較佳地低於下文將描述之第二初級模式中之振盪頻率時，圖2a之反相初級模式發生。此兩個標稱振盪頻率之顯著差促進裝置之穩固性。藉由適合設定轉子塊體(103)及以線性方式移動之塊體(101、102)(以及視情況地亦T型桿(218、219))之尺寸，此第一初級模式中的系統之剩餘總動量Lremaining可為此等塊體之角動量之絕對值總和的5%或更低。舉例而言，已經在模擬中達成為角動量之絕對值總和之4%的總角動量值。
圖2c及圖2d描述可被稱作平行相位初級模式或寄生模式之第二初級模式。當以線性方式移動之塊體(101、102)之激勵頻率經恰當地設定時，塊體系統具有另一振盪平衡狀態，其中轉子塊體(103)總是具有與以線性方式移動之塊體(101、102)導致之角動量在相同方向上之角動量。再一次，由虛線箭頭標示每一部分中之移動方向。由於裝置之所有主要慣 性塊體具有沿同一方向之角動量，使得該等動量將加總，因此此模式導致系統之相當高總角動量。此模式中之總角動量對應於方程式[1]之分母。換言之，平行相位初級模式之總角動量具有對應於以線性方式移動之塊體(101、102)以及轉子塊體(103)之動量絕對值之總和的總動量。此外，甚至T型桿(218、219)之角動量亦具有相同方向且添加至角動量之總和。在設計中甚至可考慮由T型桿(218、219)導致之此額外角動量，但此處為簡單起見省略。
平行相位初級模式之振盪具有明顯高於反相初級模式之振盪的標稱頻率。儘管兩種振盪在頻率上有明顯差異，但感測器結構可被以高可靠性激勵至想要的反相初級模式振盪。在例示性系統中，反相初級模式具有約8kHz之標稱頻率，而平行相位初級模式具有約18kHz之雙倍以上標稱頻率。使低標稱頻率能夠用於較佳初級模式為感測器元件提供益處。當反相初級模式(第一初級模式)被設定為最低標稱頻率模式時，促進了感測器元件之機械穩固性。
如此處所描述之具有多個移動震動部件之感測器元件可具有一或多個另外的初級模式。當已經描述之第一初級模式(反相初級模式)可為較佳初級模式時，可將所有其他初級模式稱作寄生模式。圖2c及圖2d描述一個例示性寄生模式，將其稱作第二初級模式。較佳操作模式(第一、反相初級模式)與任何寄生操作模式(亦即，第二、平行初級模式)之間的明確標稱頻率間隔亦改進較佳初級模式之穩定性。因此，若感測器元件之設計促成標稱頻率儘可能地遠離較佳初級模式之寄生模式，則為有益的。當第一初級模式具有低標稱頻率時，此暗示寄生操作模式應較佳地具 有明顯高於第一初級模式之標稱頻率的標稱頻率。
圖3示意性地呈現感測器裝置(305)，其中感測器元件(301)包括與圖1a、圖1b、圖2a、圖2b、圖2c、圖2d、圖4a及圖4b中描述之慣性元件相同的慣性元件以及支撐該等慣性元件之裝置本體，感測器元件(301)置放於罩殼(303)內部，罩殼(303)可包括由塑膠材料製成之預模製或包覆模製之封裝、陶瓷封裝或晶片大小封裝。感測器元件(301)置放於罩殼(303)內部，且藉由黏著劑(302)附接至罩殼。用封蓋(304)遮蓋罩殼，封蓋(304)可(亦即)由諸如鎳鐵合金之金屬或由塑膠材料製成。
使系統具有低總動量提供大量益處。當感測器元件(301)之總動量接近零時，感測器裝置(305)不對其環境造成任何振動，且自外部無法偵測到在感測器裝置(305)內部發生之振動。存在極少或不存在洩漏至感測器元件(301)外部之振動能量，此洩漏可在實例中導致例如感測器裝置(305)Q值之穩定性的問題。即使諸如環氧樹脂之硬黏著劑用於將感測器元件(301)附接至其罩殼(303)，低或零總動量亦將減小或消除出自感測器裝置(305)之振動能量之洩漏的影響。然而，硬黏著劑之使用可進一步導致對感測器元件(301)之機械干擾增加。在實例中，若使用硬黏著劑，則來自位於感測器裝置(305)附近之另一諧振器(諸如類似種類之感測器或諧振頻率接近於感測器元件(301)之諧振頻率的其他部件)的干擾可增加。因此，已發現使用軟黏著劑之能力係有益的。
當振盪感測器元件(301)本身不會對罩殼(303)造成任何顯著振動時，能夠使用軟黏著劑(302)將振動感測器元件(301)安裝至罩 殼(303)。在存在來自感測器元件(301)之總非零動量且使用軟黏著劑(302)將感測器元件(301)附接至罩殼(303)之情形下，感測器元件(301)可能會在罩殼(303)內部移動，此係不可接受的。零或極低動量感測器元件(301)允許使用軟黏著劑(302)將感測器元件(301)附接至罩殼(303)中。使用軟黏著劑(302)(諸如矽(silicon))係有益的且值得實行，此係由於其減少來自或穿過罩殼及封裝(亦即，歸因於溫度改變)的透過黏著劑(302)之外部應力。因此，使用軟黏著劑(302)實現隨溫度改變之更佳偏置穩定性及感測穩定性。低總動量亦改進驅動振盪(初級模式)之總穩定性，此在起動感測器元件(301)期間或在發生對感測器裝置(305)之外部衝擊時尤其重要。
圖4a及圖4b呈現另一例，此些圖描述感測器元件之主要慣性部件，且不展示支撐本體。圖4a係感測器元件之示意圖，而圖4b描述實體裝置之具體實例。如在圖1中，存在設定於兩個以線性方式移動之塊體(101、102)之間的轉子塊體(103)。T型桿(218、219)經由撓性彈簧(120、121、122、123)使以線性方式移動之塊體(101、102)彼此耦接。此處，每一以線性方式移動之塊體(101、102)包括內塊體(101m、102m)及外塊體(101f、102f)，外塊體(101f、102f)亦可被稱作框架。每一內塊體(101m、102m)藉由至少兩個彈簧與各別外塊體(101f、102f)耦接，該至少兩個彈簧沿線性初級振盪運動方向係相當剛性的，因此在外塊體(101f、102f)被激勵為進行線性初級振盪運動時使內塊體(101m、102m)遵循外塊體(101f、102f)之運動。T型桿(218、219)當前藉由撓性彈簧(120、121、122、123)耦接至以線性方式移動之塊體(101、102)之框架部件(101f、102f)，且經 由撓性彈簧(115、117)耦接至轉子塊體(103)。類似於圖1中描述之例示性裝置，T型桿(218、219)可描述為包括在以線性方式移動之塊體(101、102)之間的第一桿以及將第一桿耦接至轉子塊體(103)的第二桿，且每一T型桿(218、219)之三個端部形成等腰三角形。轉子塊體(103)藉由撓性彈簧配置(在圖4b中為118，為了清楚起見在圖4a中未展示)耦接至在罩殼內基本上在轉子塊體(103)中間的懸置結構(106)，該撓性彈簧配置在x方向及y方向兩者上關於在轉子塊體(103)之平面中與裝置之中心交叉的兩個軸對稱。
圖4b展示第二桿與第一桿彼此接合以形成T型桿(218、219)之區域中之可能的結構變化的實例，其中在頂點中添加用於增加結構剛度(亦即，防止T型桿在第一桿與第二桿之耦接區域處或附近彎曲)的某一材料。
圖4a及圖4b中呈現之具體實例亦包括額外支撐框架結構(430、432)，從而對以線性方式移動之塊體(101、102)提供進一步支撐。此等支撐框架結構(430、432)直接耦接至數個懸置結構(433、434)(其亦可被稱作主要錨定件)。較佳地，支撐框架(430、432)係藉由各別主要錨定件(433、434)固定。支撐框架結構(430)藉由至少兩個彈簧(435、436)耦接至各別以線性方式移動之塊體(101)。支撐框架結構(432)藉由至少兩個彈簧(437、438)耦接至各別以線性方式移動之塊體(102)。支撐框架結構(430、432)之一目的為改進以線性方式移動之塊體(101、102)尤其沿z軸方向之穩定性。
圖4a及圖4b呈現具有被稱作子錨定件(440、441、442、443) 之額外懸置結構的又一支撐配置，該等子錨定件經配置以在處於靜止中時及/或在初級模式中時進一步將支撐框架結構(430、432)懸置於裝置之預期平面。彈簧(450、452)將支撐框架結構(430)分別與兩個子錨定件(440、442)耦接。彈簧(451、453)將支撐框架結構(432)分別與兩個子錨定件(441、443)耦接。藉由用子錨定件(440、441、442、443)改進支撐框架結構(430、432)之懸置，進一步增強以線性方式移動之塊體(101、102)之初級模式的穩定性，且減少以線性方式移動之塊體(101、102)尤其沿z軸方向之非想要移動分量。
與圖1中呈現之更習知類型之裝置相比，圖4a及圖4b中呈現之具體實例產生隨溫度變化的更穩定速率偏離(甚至在受到歸因於外部應力或熱應力之變形時亦然)。額外的支撐框架配置降低可能的正交信號(在僅存在初級移動時，塊體沿z軸方向之非預期移動)，且正交信號亦具有較少的歸因於溫度改變之變化。因此，當感測器裝置在惡劣條件下使用時，圖4a及圖4b中描述之具體實例可為較佳具體實例。
熟習此項技術者將明白，隨著技術進步，本發明之基本想法可以不同方式實施。本發明及其具體實例因而不受限於以上實例，而是可在申請專利範圍之範圍內變化。
101‧‧‧以線性方式移動之塊體
102‧‧‧以線性方式移動之塊體
103‧‧‧轉子塊體
218‧‧‧T型桿
219‧‧‧T型桿

Claims (20)

  1. 一種用於角速度之一振動感測器的結構，該感測器包含至少一轉子塊體及兩個以線性方式移動之塊體，其特徵在於該結構包括：各自藉由撓性彈簧耦接至所述兩個以線性方式移動之塊體且耦接至該轉子塊體的兩個T型桿，其中所述T型桿使得該轉子塊體與所述兩個以線性方式移動之塊體能夠被激勵至一反相初級模式中，其中該轉子塊體關於該結構之一幾何中心之角動量的一方向係與所述以線性方式移動之塊體之角動量的一方向相反。
  2. 如申請專利範圍第1項之用於角速度之一振動感測器的結構，其中所述兩個T型桿對稱地位於該轉子塊體之第一相對側。
  3. 如申請專利範圍第2項之用於角速度之一振動感測器的結構，其中所述以線性方式移動之塊體對稱地位於該轉子塊體之第二相對側。
  4. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項之用於角速度之一振動感測器的結構，其進一步包括：用於將所述兩個以線性方式移動之塊體激勵至在裝置之平面內之一線性初級振盪運動的激勵構件；且其中所述兩個T型桿經配置以將所述兩個以線性方式移動之塊體之該線性初級振盪運動傳達成該轉子塊體之一旋轉初級運動，該旋轉初級運動在該裝置之一平面內發生。
  5. 如申請專利範圍第4項之用於角速度之一振動感測器的結構，其中初級運動包括以下至少一者：該線性初級振盪運動經配置以分別地沿著兩個平行第一軸發生，其中所 述兩個以線性方式移動之塊體經配置以依相反相位移動，且其中所述兩個平行第一軸間隔一非零距離；且該轉子塊體之該旋轉初級運動經配置以繞垂直於該裝置之該平面之一第二軸發生。
  6. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項之用於角速度之一振動感測器的結構，其中：耦接至該轉子塊體且耦接至所述以線性方式移動之塊體的所述T型桿之端部形成一等腰三角形；且每一T型桿包括大致地在一第一桿之長度的中間附接至該第一桿的一第二桿；且/或該第二桿與該第一桿以一90度角附接。
  7. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項之用於角速度之一振動感測器的結構，其中所述T型桿進一步使該轉子塊體及所述兩個以線性方式移動之塊體能夠被激勵至一平行相位初級模式中，其中該轉子塊體之角動量的方向係與所述以線性方式移動之塊體之角動量的方向相同。
  8. 如申請專利範圍第7項之用於角速度之一振動感測器的結構，其中該反相初級模式之一標稱頻率低於該平行相位初級模式之標稱頻率。
  9. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項之用於角速度之一振動感測器的結構，其中該反相初級模式具有一總角動量，其小於該轉子塊體與所述兩個以線性方式移動之塊體之角動量的絕對值之一總和之5%。
  10. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項之用於角速度之一振動感測 器的結構，其進一步包括：兩個支撐框架，所述兩個支撐框架中之每一者以非撓性方式耦接至一第一懸置結構，且所述兩個支撐框架中之每一者藉由撓性彈簧耦接至至少兩個第二懸置結構，其中兩個支撐桿中之每一者藉由至少兩個撓性彈簧耦接至所述以線性方式移動之塊體中之一者。
  11. 一種用於操作角速度之一振動感測器的方法，該感測器包括至少一轉子塊體及兩個以線性方式移動之塊體，其特徵在於該方法包括：將該轉子塊體及所述兩個以線性方式移動之塊體設定至一反相初級模式中，其中該轉子塊體關於該結構之一幾何中心之角動量的一方向係與所述以線性方式移動之塊體之角動量的一方向相反。
  12. 如申請專利範圍第11項之用於操作角速度之一振動感測器的方法，其進一步包括：使用兩個T型桿將該轉子塊體與所述兩個以線性方式移動之塊體設定至該反相初級模式中，其中每一T型桿藉由撓性彈簧耦接至所述兩個以線性方式移動之塊體且耦接至該轉子塊體。
  13. 如申請專利範圍第12項之用於操作角速度之一振動感測器的方法，其中該將該轉子塊體及所述兩個以線性方式移動之塊體設定至該反相初級模式中包括：將所述兩個以線性方式移動之塊體激勵至在裝置之一平面內之一線性初級振盪運動；及使用所述兩個T型桿將所述兩個以線性方式移動之塊體之該線性初級振盪運動傳達成該轉子塊體之一旋轉初級運動，該旋轉初級運動在該裝 置之該平面內發生。
  14. 如申請專利範圍第13項之用於操作角速度之一振動感測器的方法，其中該線性初級振盪運動沿著兩個平行第一軸發生，其中所述兩個以線性方式移動之塊體以相反相位振盪，且其中所述兩個平行第一軸彼此相距一非零距離；且其中該旋轉初級運動繞垂直於該裝置之該平面之一第二軸發生。
  15. 如申請專利範圍第12項至第14項中任一項之用於操作角速度之一振動感測器的方法，其中所述兩個T型桿對稱地位於該轉子塊體之第一相對側。
  16. 如申請專利範圍第15項之用於操作角速度之一振動感測器的方法，其中所述兩個以線性方式移動之塊體對稱地位於該轉子塊體之第二相對側。
  17. 如申請專利範圍第11項至第14項中任一項之用於操作角速度之一振動感測器的方法，其中該反相初級模式具有一總角動量，其小於該轉子塊體與所述兩個以線性方式移動之塊體之角動量的絕對值之一總和之5%。
  18. 如申請專利範圍第12項至第14項中任一項之用於操作角速度之一振動感測器的方法，其中所述T型桿進一步使該轉子塊體及所述兩個以線性方式移動之塊體能夠被激勵至一平行相位初級模式中，其中該轉子塊體之角動量的一方向係與所述以線性方式移動之塊體之角動量的一方向相同。
  19. 如申請專利範圍第18項之用於操作角速度之一振動感測器的方法，其中該反相初級模式之一標稱頻率低於該平行相位初級模式之一標稱頻率。
  20. 如申請專利範圍第13項至第14項中任一項之用於操作角速度之一振動感測器的方法，其中所述兩個以線性方式移動之塊體藉由兩個支撐框架而被進一步支撐，所述支撐框架減小在該線性初級振盪運動期間所述兩個以線性方式移動之塊體在該裝置之該平面之外的移動。
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