專利名稱：對(duì)于正交誤差和微機(jī)械加工不準(zhǔn)確性具有降低的敏感性的慣性傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微機(jī)械加工的慣性傳感器，并且更加具體地涉及對(duì)于正交誤差和微機(jī)械加工不準(zhǔn)確性，諸如用于支撐共振器梭子(Shuttle)的柔性件的側(cè)壁角度非對(duì)稱性，具有降低的敏感性的慣性傳感器。
背景技術(shù)：
微機(jī)械加工(MEMS)陀螺儀作為有用的商品已經(jīng)變得成熟。一般而言，MEMS陀螺儀結(jié)合兩個(gè)高性能MEMS器件，具體地在驅(qū)動(dòng)軸線中的自調(diào)諧共振器和在感測(cè)軸線中的微型加速度傳感器。陀螺儀性能除了別的以外對(duì)于諸如制造公差、封裝誤差、驅(qū)動(dòng)、線性加速度和溫度是非常敏感的。角速率感測(cè)陀螺儀的基本操作原理是熟知的并且在現(xiàn)有技術(shù)(例如，可在 http //www. analoR. com/1 ibrary/analoRPialoRue/archives/37-03/Ryro. html 中獲得的Geen,J.等人的New iMEMS Angular-Rate-Sensing Gyroscope,Analog Devices, Inc. , Analog Dialog 37-03 (2003)，通過(guò)引用其整體合并于此)中進(jìn)行了描述。具有離散的塊(mass)的振動(dòng)感測(cè)角速率陀螺儀的原理早已被確立(見(jiàn)例如， Lyman，美國(guó)專利2309853和Lyman，美國(guó)專利2513340，其每一個(gè)通過(guò)引用其整體合并于此)。一般而言，振動(dòng)速率陀螺儀通過(guò)振蕩檢測(cè)塊(在這里還被稱作“梭子”或者“共振器”) 來(lái)工作。振蕩是利用以共振頻率施加到彈簧-塊-阻尼系統(tǒng)的周期力而產(chǎn)生的。在共振下操作允許振蕩幅度相對(duì)于所施加的力而言是大的。當(dāng)陀螺儀旋轉(zhuǎn)時(shí)，沿著垂直于被驅(qū)動(dòng)的振蕩和旋轉(zhuǎn)這兩者的方向在振蕩中的檢測(cè)塊上產(chǎn)生科里奧利(Coriolis)加速度?？评飱W利加速度的量值與振蕩中的檢測(cè)塊的速率和旋轉(zhuǎn)速率這兩者成比例。能夠通過(guò)感測(cè)檢測(cè)塊的偏轉(zhuǎn)來(lái)測(cè)量所形成的科里奧利加速度。用于感測(cè)檢測(cè)塊的這種偏轉(zhuǎn)的電和機(jī)械結(jié)構(gòu)通常被稱作加速度計(jì)。關(guān)于微機(jī)械加工的陀螺儀而言更加引起麻煩的制造誤差之一是在柔性件的蝕刻期間產(chǎn)生的側(cè)壁角度的非對(duì)稱性。這趨向于交叉耦合面內(nèi)(X-Y軸線)和面外(Z軸線)運(yùn)動(dòng)。例如，在美國(guó)專利 No. 5635640,5869760,6837107,6505511,6122961 和 6877374 中描述的類型的X-Y陀螺儀中，這種非對(duì)稱性能夠?qū)е滤^的“正交”干擾信號(hào)，即科里奧利加速度計(jì)與共振器移位同相的運(yùn)動(dòng)，所述專利的每一個(gè)通過(guò)引用其整體合并于此。在典型的生產(chǎn)工藝中，這個(gè)交叉耦合一般地是大約1%。非常的生產(chǎn)措施能夠?qū)⑵浣档蜑?. 1%，但是在關(guān)于高蝕刻速度(并且因此低成本)而被優(yōu)化的工藝中它能夠高達(dá)5%。相反，低成本消費(fèi)者級(jí)陀螺儀的全標(biāo)度信號(hào)通常僅僅是0. 001%，并且所要求的分辨率可能是1，000倍到 10，000倍地小于全標(biāo)度。因此，干擾信號(hào)是比較大的并且對(duì)于陀螺儀電子設(shè)備提出了幾乎不可能的動(dòng)態(tài)范圍要求。如在其它公開中描述地，能夠通過(guò)靜態(tài)修整和使用適當(dāng)電極的伺服而使得正交信號(hào)無(wú)效。然而，由于伴隨高速大規(guī)模生產(chǎn)的公差，修整的穩(wěn)定性要求和伺服的動(dòng)態(tài)范圍仍然是非常困難的電子設(shè)備約束。帶有面內(nèi)(即圍繞Z軸線)角振動(dòng)的對(duì)稱結(jié)構(gòu)產(chǎn)生科里奧利誘發(fā)的面外傾斜(即，圍繞X-Y軸線)。一般而言，由具有不良側(cè)壁的柔性件產(chǎn)生的面外傾斜圍繞垂直于柔性件的長(zhǎng)尺寸的軸線。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種MEMS陀螺儀，該MEMS陀螺儀包括被配置成感測(cè)圍繞器件平面中的第一軸線(例如，χ軸線)旋轉(zhuǎn)的第一共振器，該第一共振器包括被多個(gè)第一懸掛柔性件懸掛并且被第一叉子(fork)相互連接的第一對(duì)梭子，該多個(gè)第一懸掛柔性件被配置為允許第一對(duì)梭子在器件平面中被以旋轉(zhuǎn)地方式顫動(dòng)并且圍繞垂直于第一軸線的相應(yīng)的傾斜軸線(例如，軸線yl和y2)向面外傾斜；被配置成感測(cè)圍繞器件平面中垂直于第一軸線的第二軸線(例如，y軸線)旋轉(zhuǎn)的第二共振器，該第二共振器包括被多個(gè)第二懸掛柔性件懸掛并且被第二叉子相互連接的第二對(duì)梭子，該多個(gè)第二懸掛柔性件被配置為允許第二對(duì)梭子在器件平面中被以旋轉(zhuǎn)地方式顫動(dòng)并且圍繞垂直于第二軸線的傾斜軸線(例如，軸線χ2)向面外傾斜；在第一對(duì)梭子下面并且沿著平行于第一軸線的軸線(例如，軸線xl)定位以感測(cè)第一對(duì)梭子圍繞它們各自的傾斜軸線(例如，軸線yl和y2)的傾斜的第一組科里奧利感測(cè)電極；和在第二對(duì)梭子下面并且沿著第一共振器傾斜軸線(例如， 軸線yl和y2)定位以感測(cè)第二對(duì)梭子圍繞它們的傾斜軸線(例如，軸線x2)的傾斜的第二組科里奧利感測(cè)電極。在各種替代實(shí)施例中，第一和第二共振器可以相互同相地操作或者可以相互反相地操作。懸掛柔性件可以包括至少一個(gè)細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件和至少一個(gè)較短構(gòu)件，并且每一個(gè)梭子的懸掛柔性件均可以被布置為使得細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件平行于梭子的傾斜軸線。每一個(gè)梭子均可以在它的外周邊內(nèi)例如被兩個(gè)懸掛柔性件和中心錨懸掛?；蛘撸恳粋€(gè)梭子均可以在它的外周邊外側(cè)例如被四個(gè)懸掛柔性件懸掛。第一和第二叉子可以是基本相同的或者可以被不同地配置(例如，第一叉子可以是閉環(huán)叉子并且第二叉子可以是分裂叉子)。第一和第二共振器可以被一個(gè)或者多個(gè)耦合件機(jī)械耦合(例如，經(jīng)由叉子或者經(jīng)由相鄰梭子)從而共振器以鎖相方式操作。例如，共振器可以相互同相地操作，并且耦合件可以是同相耦合件，諸如細(xì)長(zhǎng)桿，該細(xì)長(zhǎng)桿不順從于器件平面中的彎曲從而耦合沿著它的長(zhǎng)度的平移并且順從于面外的彎曲從而每一個(gè)共振器的傾斜運(yùn)動(dòng)并不有效地耦合到其它的之中(例如，懸掛柔性件圍繞傾斜軸線的扭轉(zhuǎn)剛度與桿耦合件和叉子的角剛度的比率在大約100到1000之間)。或者， 共振器可以相互反相地操作，并且耦合件可以是反相耦合件。該陀螺儀還可以包括被配置成以旋轉(zhuǎn)方式顫動(dòng)梭子的多個(gè)驅(qū)動(dòng)器、被配置成感測(cè)梭子的旋轉(zhuǎn)顫動(dòng)運(yùn)動(dòng)的多個(gè)速度感測(cè)電極、在梭子下面的多個(gè)同相調(diào)節(jié)電極，和/或在梭子下面的多個(gè)正交調(diào)節(jié)電極。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種MEMS陀螺儀，該MEMS陀螺儀包括被配置成感測(cè)圍繞器件平面中的敏感性軸線旋轉(zhuǎn)的共振器梭子，和被配置為允許梭子在器件平面中被以旋轉(zhuǎn)方式顫動(dòng)并且圍繞垂直于敏感性軸線的傾斜軸線向面外傾斜的一組懸掛柔性件， 其中懸掛柔性件包括至少一個(gè)細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件和至少一個(gè)較短構(gòu)件，并且其中懸掛柔性件被布置為使得細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件平行于傾斜軸線。該陀螺儀還可以包括在梭子下面并且沿著垂直于傾斜軸線的軸線定位以感測(cè)梭子圍繞傾斜軸線的傾斜的一組科里奧利感測(cè)電極。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種MEMS陀螺儀，該MEMS陀螺儀包括被配置成在器件平面中共振并且感測(cè)圍繞器件平面中的第一軸線的旋轉(zhuǎn)的第一共振器；被配置成在器件平面中共振并且感測(cè)在器件平面中圍繞垂直于第一軸線的第二軸線的旋轉(zhuǎn)的第二共振器；和將第一和第二共振器相互連接的至少一個(gè)耦合件，該至少一個(gè)耦合件被配置為鎖定第一和第二共振器的共振并且基本上防止每一個(gè)共振器的面外運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)共振器。每一個(gè)共振器均可以包括被叉子相互連接的兩個(gè)梭子，并且該至少一個(gè)耦合件可以將叉子相互連接?；蛘?，每一個(gè)共振器均可以包括被叉子相互連接的兩個(gè)梭子，并且該至少一個(gè)耦合件可以包括連接第一共振器的第一梭子和第二共振器的第一梭子的第一耦合件以及連接第一共振器的第二梭子和第二共振器的第二梭子的第二耦合件。共振器可以相互同相地操作，并且耦合件可以是同相耦合件，諸如細(xì)長(zhǎng)桿，該細(xì)長(zhǎng)桿不順從于器件平面中的彎曲從而耦合沿著它的長(zhǎng)度的平移并且順從于面外的彎曲從而每一個(gè)共振器的傾斜運(yùn)動(dòng)并不有效地耦合到其它的之中(例如，懸掛柔性件圍繞傾斜軸線的扭轉(zhuǎn)剛度與桿耦合件和叉子的角剛度的比率在大約100到1000之間)?；蛘?，共振器可以相互反相地操作，并且耦合件可以是反相耦合件。附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明根據(jù)下文參考附圖對(duì)其的進(jìn)一步說(shuō)明，本發(fā)明前述內(nèi)容和優(yōu)點(diǎn)將更加地顯而易見(jiàn)，在附圖中

圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的X-Y軸線陀螺儀的示意圖；圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的、帶有被桿相互連接的叉子103和107 的、圖1的陀螺儀的示意圖；圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的、具有圖2所示類型并且具有第一柔性件布置的示例性陀螺儀的示意圖；圖4是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的、具有圖2所示類型并且具有第二柔性件布置的示例性陀螺儀的示意圖；圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的、其中梭子為基本正方形的替代實(shí)施例的示意圖；并且圖6是示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例的反相耦合件的示意圖，其中圖6A詳細(xì)地示出反相耦合件并且圖6B示出被連接到陀螺儀叉子的反相耦合件；圖7是示出根據(jù)本發(fā)明另一示例性實(shí)施例的反相耦合件的示意圖，其中圖7A詳細(xì)地示出反相耦合件并且圖7B示出被連接到陀螺儀叉子的反相耦合件；并且圖8是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的、每一對(duì)相鄰的梭子均被耦合件相互連接的陀螺儀的示意圖。應(yīng)該指出，前面的圖和在其中描繪的元件并不必按照一致的比例或者按照任何比例繪制。除非上下文另有說(shuō)明，否則相同的元件由相同的標(biāo)號(hào)指示。
具體實(shí)施例方式定義。如在本說(shuō)明書和所附權(quán)利要求中使用地，以下術(shù)語(yǔ)將具有所示意的含義，除非上下文另有要求“組”包括一個(gè)或者多個(gè)構(gòu)件。在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，X-Y軸線陀螺儀包含兩個(gè)特別配置的單一軸線陀螺儀以感測(cè)圍繞器件平面中的兩條正交軸線(敏感性軸線)的旋轉(zhuǎn)。每一個(gè)單一軸線陀螺儀均包括具有被耦合件(在下文中為了方便起見(jiàn)被稱作“叉子”)相互連接的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)顫動(dòng)的梭子的共振器，其中每一個(gè)梭子均被配置為沿著垂直于敏感性軸線的傾斜軸線向面外傾斜并且包括沿著垂直于傾斜軸線(即，平行于敏感性軸線)的軸線定位的對(duì)應(yīng)的科里奧利感測(cè)電極。除了別的以外，這種配置趨向于將每一個(gè)單一軸線陀螺儀的敏感性降低為梭子沿著傾斜軸線的面外運(yùn)動(dòng)。進(jìn)而，在某些實(shí)施例中，支撐每一個(gè)梭子的懸掛柔性件被配置為使得制造誤差、特別是側(cè)壁角度非對(duì)稱性基本上被去除。因此，并非試圖改進(jìn)側(cè)壁角度質(zhì)量，陀螺儀的配置減小了這種制造誤差對(duì)于陀螺儀性能的影響。結(jié)果，使用僅MEMS工藝以更高的生產(chǎn)能力和產(chǎn)量生產(chǎn)低成本陀螺儀可以變得經(jīng)濟(jì)上更加可行，其中僅MEMS工藝與其它微機(jī)械加工工藝相比通常具有較差的微機(jī)械加工準(zhǔn)確度并且因此通常不被視為能夠生產(chǎn)陀螺儀的工藝。在某些實(shí)施例中，兩個(gè)單一軸線陀螺儀的馬達(dá)運(yùn)動(dòng)可以被耦合以產(chǎn)生單一共振頻率。如在下面更加詳細(xì)描述地，兩個(gè)單一軸線陀螺儀可以被一個(gè)或者多個(gè)耦合件相互連接從而或者相互同相地或者相互反相地操作。為了方便起見(jiàn)，用于同相操作的耦合件可以在下文中被稱作“同相耦合件”，并且用于反相操作的耦合件可以在下文中被稱作“反相耦合件”。在某些實(shí)施例中，該兩個(gè)叉子可以被耦合件相互連接，并且在某些其它實(shí)施例中，相鄰的梭子對(duì)可以被耦合件相互連接。在任何情形中，耦合件均通常被配置為鎖定陀螺儀的馬達(dá)運(yùn)動(dòng)，而不在彼此間轉(zhuǎn)移面外(例如，正交)運(yùn)動(dòng)。圖1是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的X-Y軸線陀螺儀100的示意圖。這個(gè)振動(dòng)陀螺儀根據(jù)Geen的美國(guó)專利No. 5635640中公開的原理來(lái)操作，該專利通過(guò)引用其整體而合并于此。具體地，這個(gè)振動(dòng)陀螺儀包括在具有各種襯底層結(jié)構(gòu)的底層襯底上定向的器件層 (平面)中的各種微機(jī)械加工的陀螺儀結(jié)構(gòu)。為了方便起見(jiàn)，在下面參考器件平面中被標(biāo)為 “X”和“y”的軸線以及垂直于x-y平面的“ζ”軸線描述有關(guān)的陀螺儀結(jié)構(gòu)，“X”和“y”軸線示意地代表圍繞其感測(cè)科里奧利加速度的軸線(即，陀螺儀感測(cè)軸線)。如在圖1中所示，這個(gè)示例性陀螺儀100包括兩個(gè)共振器，每一個(gè)共振器均包括被耦合件(在下文中被稱作叉子)相互連接的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)顫動(dòng)的塊(在下文中被稱作梭子)，除了別的以外，該耦合件確保梭子在器件平面內(nèi)基本上相互反相地共振。具體地，共振器101 包括被叉子103相互連接的梭子102和104，并且共振器105包括被叉子107相互連接的梭子106和108。梭子102和104以沿著平行于χ軸線的軸線xl為中心，并且梭子106和 108以沿著平行于χ軸線的軸線x2為中心。梭子102和106以沿著平行于y軸線的軸線yl 為中心，并且梭子104和108以沿著平行于y軸線的軸線y2為中心。梭子102和104分別圍繞標(biāo)為A和B的ζ向軸線旋轉(zhuǎn)地顫動(dòng)，并且梭子106和108分別圍繞標(biāo)為C和D的ζ向軸線旋轉(zhuǎn)地顫動(dòng)。一般而言，這種被相互連接的梭子對(duì)避免了對(duì)于高成本的安裝隔離的需要，因?yàn)椋藙e的以外，馬達(dá)振動(dòng)慣量趨向于被局部消除從而減小共振器對(duì)于安裝損耗的敏感性，并且加速度計(jì)的反對(duì)稱性趨向于減小它們對(duì)于諸如外部加速度、處于馬達(dá)頻率的外部振動(dòng)和管芯應(yīng)力(die-stress)的敏感性。如在下面更加詳細(xì)地討論的，當(dāng)梭子正在共振時(shí)，主要地由陀螺儀圍繞χ和/或y軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)的科里奧利力引起的梭子的面外運(yùn)動(dòng)由在底層襯底上布置的各種科里奧利感測(cè)電極感測(cè)。進(jìn)而，在示例性陀螺儀100中，一個(gè)共振器被配置為僅僅感測(cè)圍繞χ軸線的旋轉(zhuǎn)并且另一個(gè)共振器被配置為僅僅感測(cè)圍繞1軸線的旋轉(zhuǎn)。具體地，共振器101被配置為僅僅感測(cè)圍繞χ軸線的旋轉(zhuǎn)，其中梭子102和104被懸掛從而僅僅分別地沿著軸線yl和y2傾斜(由分別地沿著yl和12軸線在梭子102和104內(nèi)描繪的豎直短劃線表示)，并且科里奧利感測(cè)電極(109、110)和(111、112)基本沿著垂直軸線xl被放置在梭子102和104下面?？评飱W利感測(cè)電極109和112基本相互同相地操作，而科里奧利感測(cè)電極110和111基本相互同相地但是與科里奧利感測(cè)電極109和112反相地操作(即，當(dāng)梭子102和104朝向科里奧利感測(cè)電極109和112傾斜時(shí)，它們遠(yuǎn)離科里奧利感測(cè)電極110和111地傾斜，并且反之亦然)。類似地，共振器105被配置為僅僅感測(cè)圍繞y軸線的旋轉(zhuǎn)，其中梭子106和 108被懸掛從而僅僅沿著軸線x2傾斜(由沿著x2軸線在梭子106和108內(nèi)描繪的水平短劃線表示)，并且科里奧利感測(cè)電極(113,114)和(115,116)基本分別沿著垂直的yl和y2 軸線被放置在梭子106和108下面。科里奧利感測(cè)電極113和116基本相互同相地操作， 而科里奧利感測(cè)電極114和115基本相互同相地但是與科里奧利感測(cè)電極113和116反相地操作(即，當(dāng)梭子106和108朝向科里奧利感測(cè)電極113和116傾斜時(shí)，它們遠(yuǎn)離科里奧利感測(cè)電極114和115地傾斜，并且反之亦然)。如在下面更加詳細(xì)地討論的，科里奧利感測(cè)電極的這種安置使得它們對(duì)于圍繞梭子的傾斜軸線的傾斜敏感而對(duì)于圍繞垂直于梭子的傾斜軸線的軸線的傾斜不敏感。陀螺儀100通常包括各種其它類型的結(jié)構(gòu)(為了簡(jiǎn)潔起見(jiàn)，在圖1中沒(méi)有示出) 諸如用于驅(qū)動(dòng)梭子共振的驅(qū)動(dòng)電極、用于感測(cè)梭子共振的速度感測(cè)電極，和用于為各種類型的誤差源提供補(bǔ)償信號(hào)的正交和同相補(bǔ)償電極。在典型的實(shí)施例中，這些電極與對(duì)應(yīng)的共振器結(jié)構(gòu)靜電耦合，但是可以在各種替代實(shí)施例中使用其它類型的結(jié)構(gòu)(例如，壓電驅(qū)動(dòng)器/傳感器)。這些類型的結(jié)構(gòu)以及相關(guān)電路在本技術(shù)領(lǐng)域中是已知的。在一個(gè)典型的實(shí)施例中，該兩個(gè)共振器相互同相地操作，從而梭子102和106相互同相地共振并且梭子104和108相互同相地但是與梭子102和106反相地共振。因此，當(dāng)梭子102和106沿著順時(shí)針?lè)较蛞苿?dòng)時(shí)，梭子104和108沿著逆時(shí)針?lè)较蛞苿?dòng)，并且反之亦然。在這個(gè)模式中，叉子103和107沿著y軸線相互同相地移動(dòng)。期望使所有的共振器梭子以鎖相方式操作。除了別的以外，鎖相操作通常簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備，由此節(jié)約成本并降低復(fù)雜度。它還趨向于避免由于時(shí)鐘沿和拍頻的相對(duì)漂移引起的干擾問(wèn)題。而且，當(dāng)使用高Q共振器時(shí)，允許Q被更加充分地利用。因此，在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，叉子103和107被簡(jiǎn)單的同相耦合件(在下文中被稱作桿)相互連接，該同相耦合件有效地將共振器101和105的同相馬達(dá)共振鎖定在一起，而去除了彼此之間的正交運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)移。這個(gè)桿沿著它的長(zhǎng)度是硬的，密切地耦合沿著該長(zhǎng)度方向的叉子平移并且由此將馬達(dá)運(yùn)動(dòng)鎖定在一起。然而，因?yàn)槭潜容^長(zhǎng)切細(xì)，所以它順從于面外彎曲從而一對(duì)的傾斜運(yùn)動(dòng)并不有效地耦合到另一對(duì)之中。粗略地說(shuō)，正交衰減是科里奧利加速度計(jì)的扭轉(zhuǎn)剛度與桿耦合件和叉子的角剛度的比率。在示例性實(shí)施例中，在不折衷其它設(shè)計(jì)約束的情況下，該比率可以在大約100和1000之間。因此，有效的正交能夠被降低為例如科里奧利全標(biāo)度的10倍的量級(jí)，那么這可以適合于更簡(jiǎn)單的電子設(shè)備。圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的、具有被桿202相互連接的叉子103和 107的圖1的陀螺儀的示意圖。在穩(wěn)定狀態(tài)中，桿202機(jī)械耦合共振器101和105從而它們基本在單一共振頻率下同相地操作。然而，當(dāng)共振器101和/或共振器105的梭子由于科里奧利作用力或者其它原因而向面外傾斜時(shí)，桿202向面外彎曲從而基本上防止一個(gè)共振器的傾斜運(yùn)動(dòng)耦合到另一個(gè)共振器之中。如以上討論地，由具有不良側(cè)壁的柔性件產(chǎn)生的面外傾斜通常是圍繞垂直于柔性件的長(zhǎng)尺寸的軸線的。為了防止這種制造誤差破壞科里奧利信號(hào)，在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，與每一個(gè)梭子相關(guān)聯(lián)的梭子柔性件均被配置為使得柔性件的長(zhǎng)尺寸平行于梭子的傾斜軸線，從而所形成的面外傾斜通常將是圍繞垂直于梭子的傾斜軸線的軸線。因?yàn)榕c每一個(gè)梭子相關(guān)聯(lián)的科里奧利感測(cè)電極均被定位為使得它們基本上對(duì)于圍繞垂直于傾斜軸線的軸線的傾斜不敏感，所以這種梭子柔性件配置趨向于去除由柔性件的側(cè)壁角度非對(duì)稱性誘發(fā)的運(yùn)動(dòng)(即，圍繞垂直于柔性件的長(zhǎng)尺寸的軸線，該軸線還垂直于傾斜軸線)，并且由此趨向于減輕電子設(shè)備約束、降低成本并且改進(jìn)陀螺儀性能。因此，并非試圖通過(guò)例如改進(jìn)柔性件側(cè)壁的質(zhì)量(例如通過(guò)使用不同的材料、不同類型的蝕刻和/或另外的制造工藝)來(lái)解決不良柔性件側(cè)壁的問(wèn)題，本發(fā)明的實(shí)施例基本上通過(guò)降低了陀螺儀對(duì)于這種制造誤差的敏感性的機(jī)械設(shè)計(jì)而使得陀螺儀對(duì)于這種制
造誤差免疫。圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的、具有圖2所示類型并且具有第一柔性件布置的示例性陀螺儀的示意圖。這里，每一個(gè)梭子均被沿著梭子傾斜軸線定位的中心錨 302和一對(duì)柔性件304支撐。如以上討論的，用于每一個(gè)梭子的柔性件304的長(zhǎng)尺寸平行于梭子的傾斜軸線。具體地，與梭子102和104相關(guān)聯(lián)的梭子柔性件304的長(zhǎng)尺寸平行于y 軸線，而與梭子106和108相關(guān)聯(lián)的梭子柔性件304的長(zhǎng)尺寸平行于χ軸線。該陀螺儀還包括各種其它類型的結(jié)構(gòu)，諸如用于每一個(gè)梭子的四組驅(qū)動(dòng)電極306、用于每一個(gè)梭子的兩組速度感測(cè)電極308、用于每一個(gè)梭子的四組正交補(bǔ)償電極310(其中每一組均包括位于科里奧利感測(cè)電極的相對(duì)側(cè)上的一對(duì)電極)、在每一個(gè)梭子上的三個(gè)平衡塊312，和防止由于梭子過(guò)度旋轉(zhuǎn)而引起損壞的用于每一個(gè)梭子的三組止擋件314。為了簡(jiǎn)潔起見(jiàn)，在圖中沒(méi)有標(biāo)出所有的各種結(jié)構(gòu)。圖4是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的、具有圖2所示類型并且具有第二柔性件布置的示例性陀螺儀的示意圖。這里，每一個(gè)梭子均被四個(gè)外部柔性件404支撐。如以上討論地，用于每一個(gè)梭子的梭子柔性件404的長(zhǎng)尺寸平行于梭子的傾斜軸線。具體地，與梭子102和104相關(guān)聯(lián)的梭子柔性件404的長(zhǎng)尺寸平行于y軸線，而與梭子106和108相關(guān)聯(lián)的梭子柔性件404的長(zhǎng)尺寸平行于χ軸線。在這個(gè)示例性實(shí)施例中，叉子103和107 被不同地配置從而適合不同類型的共振器101和105的運(yùn)動(dòng)。具體地，叉子103被示為具有閉環(huán)配置，而叉子107被示為具有分裂配置。叉子103的閉環(huán)配置能夠適合梭子102和 104共振時(shí)它們的面內(nèi)反相運(yùn)動(dòng)和梭子102和104沿著yl和y2軸線傾斜時(shí)叉子103的面外(即，上下)運(yùn)動(dòng)這兩者。這種閉環(huán)配置將趨向于阻礙梭子106和108的操作，梭子106 和108基本在扭曲運(yùn)動(dòng)中圍繞x2軸線沿著相反方向傾斜。叉子107的分裂配置適合這個(gè)扭曲運(yùn)動(dòng)同時(shí)在面內(nèi)中沿著縱向也是剛性的。應(yīng)該指出，旋轉(zhuǎn)顫動(dòng)的梭子102、104、106、108并不必必須是圓形的。圖5是示出替代實(shí)施例的示意圖，其中梭子是基本正方形的。這種陀螺儀配置將基本上如以上參考圖 2和3描述的那一個(gè)那樣操作，但是在某些方面可能便于微機(jī)械加工，因?yàn)槲C(jī)械加工設(shè)施 (例如，蝕刻設(shè)施)經(jīng)?；谥本€柵格產(chǎn)生蝕刻，并且從而通?？梢愿右恢碌夭⑶乙愿钡倪吘壆a(chǎn)生與柵格對(duì)準(zhǔn)或者與之成45度角度的結(jié)構(gòu)。在一個(gè)典型實(shí)施例中，某些沿著徑向定向的梳狀結(jié)構(gòu)將被用作驅(qū)動(dòng)電極，而其它的將被用于速度感測(cè)。這個(gè)實(shí)施例示出該兩個(gè)叉子被桿相互連接以耦合兩個(gè)共振器的同相操作，但是應(yīng)該指出，可以從如上參考圖1所述的某些實(shí)施例中將桿省略。在上述實(shí)施例中，圖1的共振器101和105相互同相地操作。在某些替代實(shí)施例中，圖1所示的陀螺儀的共振器101和105可以以類似于“互正交(cross-quad) ”配置(美國(guó)專利7421897描述了一種示例性“互正交”陀螺儀，該陀螺儀具有在外部框架內(nèi)懸掛的線性顫動(dòng)的塊，該外部框架被各種水平和豎直耦合件機(jī)械耦合，該專利通過(guò)能夠其整體而合并于此)的方式相互反相地操作，從而梭子102和108相互同相地共振，并且梭子104和106 相互同相地并且與梭子102和108反相地共振。因此，當(dāng)梭子102和108沿著順時(shí)針?lè)较蛞苿?dòng)時(shí)，梭子104和106沿著逆時(shí)針?lè)较蛞苿?dòng)，并且反之亦然。在這個(gè)模式中，叉子103和 107相互反相地移動(dòng)。為了將用于這種反相操作的共振器鎖相，叉子103和107可以被機(jī)械耦合以獲得單一共振頻率，但是耦合件通常地將不是如圖2中描繪的簡(jiǎn)單桿，因?yàn)闂U將趨向于抵制叉子的反相運(yùn)動(dòng)并且因此將趨向于防止共振器共振。相反，能夠使用使得能夠?qū)崿F(xiàn)叉子沿著 y軸線的反相運(yùn)動(dòng)但是防止同相運(yùn)動(dòng)的反相耦合件來(lái)耦合叉子。這種反相耦合件通常將比簡(jiǎn)單桿更加復(fù)雜。圖6是示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例的反相耦合件600的示意圖。如在圖 6A中所示，這個(gè)反相耦合件600包括帶有四個(gè)側(cè)柔性件606、608、609和610的盒狀結(jié)構(gòu)。 柔性件606基本在它的中點(diǎn)處被桿670耦合到叉子107，而柔性件610基本在它的中點(diǎn)處被桿630耦合到叉子103。柔性件606由兩個(gè)啞鈴形支撐結(jié)構(gòu)604支撐，每一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)均具有兩個(gè)被錨定的柔性件602。被錨定的柔性件604接觸柔性件606的點(diǎn)用作樞軸點(diǎn)，從而當(dāng)桿670被向下拉拽時(shí)，柔性件608、609和610趨向于向上移動(dòng)，并且反之亦然。圖6B示意性示出被連接到陀螺儀叉子103和107的反相耦合件600。圖7是示出根據(jù)本發(fā)明另一示例性實(shí)施例的反相耦合件700的示意圖。如在圖7A 中所示，這個(gè)反相耦合件700包括蹺蹺板狀結(jié)構(gòu)，其中柔性件706基本在它的中點(diǎn)處被具有兩個(gè)被錨定的柔性件702的 鈴形支撐結(jié)構(gòu)704支撐。被錨定的結(jié)構(gòu)704接觸柔性件706 的點(diǎn)用作樞軸點(diǎn)，從而當(dāng)桿770被向下拉拽時(shí)，桿730趨向于向上移動(dòng)，并且反之亦然。圖 7B示意性示出被連接到陀螺儀叉子103和107的反相耦合件700。在這個(gè)示例性實(shí)施例中， 梭子106和108從軸線yl和y2偏移以適合反相耦合件700的幾何形狀。美國(guó)專利7421897中描述了另一個(gè)示例性反相耦合件，該專利通過(guò)引用其整體而合并于此。這個(gè)反相耦合件包括將連接到叉子之一的第一對(duì)相互連接的杠桿，該第一對(duì)杠桿包括第一杠桿和第二杠桿；將連接到另一個(gè)叉子的第二對(duì)相互連接的杠桿，該第二對(duì)杠桿包括第三杠桿和第四杠桿；允許杠桿當(dāng)叉子相互反相地移動(dòng)時(shí)樞轉(zhuǎn)的多個(gè)杠桿支撐結(jié)構(gòu)；基本在第一杠桿和第三杠桿各自的樞軸點(diǎn)之間將它們相互連接的第一耦合柔性件；和基本在第二杠桿和第四杠桿各自的樞軸點(diǎn)之間將它們相互連接的第二耦合柔性件。耦合柔性件基本防止框架的同相運(yùn)動(dòng)。每一個(gè)耦合柔性件的兩端均通常在叉子的反相運(yùn)動(dòng)期間以基本相同的量沿著相同方向橫向于叉子的運(yùn)動(dòng)移動(dòng)但是被激勵(lì)為在叉子的同相運(yùn)動(dòng)期間沿著相反方向移動(dòng)。
應(yīng)該指出，主要由于兩個(gè)桿通過(guò)其而被相互連接的錨定的支撐結(jié)構(gòu)，上述類型的反相耦合件趨向于在兩個(gè)叉子之間提供另外的正交隔離。在某些實(shí)施例中，并非如以上討論地利用單一的同相或者反相耦合件將叉子103 和107相互連接，該兩個(gè)共振器可以被兩個(gè)同相或者反相耦合件相互連接，每一對(duì)相鄰的梭子使用一個(gè)耦合件。圖8是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的陀螺儀的示意圖，其中每一對(duì)相鄰的梭子均被耦合件相互連接。具體地，梭子102和106被耦合件802相互連接，并且梭子104和 108被耦合件803相互連接。這里，每一個(gè)耦合件802和803均經(jīng)由兩個(gè)小的柔性件連接到它相應(yīng)的梭子的平衡塊312，但是可以在梭子之間形成其它類型的連接(例如，帶有或者不帶這種柔性件的耦合件可以連接到平衡塊或者直接連接到梭子的外側(cè))。除了別的以外， 兩個(gè)短的柔性件有助于隔離梭子的面外運(yùn)動(dòng)并且還將耦合件定位到止擋件314(在圖3中示出，但是為了方便起見(jiàn)從圖8省略)的外側(cè)。為了共振器的同相操作，耦合件802和803 可以是類似于以上例如參考圖2-5所描述的那些的同相耦合件，并且為了共振器的反相操作，耦合件802和803可以是類似于以上例如參考圖6-7所描述的那些的反相耦合件。應(yīng)該指出，替代的實(shí)施例可以包括耦合件802和803中的恰好一個(gè)，該一個(gè)耦合件可以足以耦合該兩個(gè)共振器的驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，但是為了平衡通常地將包括兩個(gè)耦合件。在不偏離本發(fā)明的真正范圍的情況下，本發(fā)明可以被以其它特定形式體現(xiàn)。對(duì)于 “本發(fā)明”的任何參考均旨在參考本發(fā)明的示例性實(shí)施例而不應(yīng)該被理解成參考本發(fā)明的所有實(shí)施例，除非上下文另有要求。所描述的實(shí)施例在所有的方面均將被視為僅僅是示意性的而非限制性的。
權(quán)利要求
1.一種MEMS陀螺儀，包括第一共振器，所述第一共振器被配置成感測(cè)圍繞器件平面中的第一軸線(例如，χ軸線)的旋轉(zhuǎn)，所述第一共振器包括被多個(gè)第一懸掛柔性件懸掛并且被第一叉子相互連接的第一對(duì)梭子，所述多個(gè)第一懸掛柔性件被配置為允許所述第一對(duì)梭子在所述器件平面中被旋轉(zhuǎn)地顫動(dòng)并且圍繞垂直于所述第一軸線的相應(yīng)的傾斜軸線(例如，軸線yl和y2)向面外傾斜；第二共振器，所述第二共振器被配置成感測(cè)圍繞所述器件平面中垂直于所述第一軸線的第二軸線(例如，y軸線)的旋轉(zhuǎn)，所述第二共振器包括被多個(gè)第二懸掛柔性件懸掛并且被第二叉子相互連接的第二對(duì)梭子，所述多個(gè)第二懸掛柔性件被配置為允許所述第二對(duì)梭子在所述器件平面中被旋轉(zhuǎn)地顫動(dòng)并且圍繞垂直于所述第二軸線的傾斜軸線(例如，軸線 χ2)向面外傾斜；第一組科里奧利感測(cè)電極，所述第一組科里奧利感測(cè)電極在所述第一對(duì)梭子下面并且沿著平行于所述第一軸線的軸線(例如，軸線xl)定位以感測(cè)所述第一對(duì)梭子圍繞它們各自的傾斜軸線(例如，軸線yl和y2)的傾斜；和第二組科里奧利感測(cè)電極，所述第二組科里奧利感測(cè)電極在所述第二對(duì)梭子下面并且沿著所述第一共振器傾斜軸線(例如，軸線yl和y2)定位以感測(cè)所述第二對(duì)梭子圍繞它們的傾斜軸線(例如，軸線χ2)的傾斜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS陀螺儀，其中所述第一共振器和所述第二共振器相互同相地操作。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS陀螺儀，其中所述第一共振器和所述第二共振器相互反相地操作。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS陀螺儀，其中所述懸掛柔性件包括至少一個(gè)細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件和至少一個(gè)較短構(gòu)件，并且其中每一個(gè)梭子的懸掛柔性件均被布置為使得所述細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件平行于所述梭子的傾斜軸線。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的MEMS陀螺儀，其中每一個(gè)梭子均被懸掛在它的外周邊內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的MEMS陀螺儀，其中每一個(gè)梭子均被兩個(gè)懸掛柔性件和中心錨懸掛。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的MEMS陀螺儀，其中每一個(gè)梭子均被懸掛在它的外周邊外側(cè)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的MEMS陀螺儀，其中每一個(gè)梭子均被四個(gè)懸掛柔性件懸掛。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS陀螺儀，其中所述第一叉子和所述第二叉子是基本相同的。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS陀螺儀，其中所述第一叉子和所述第二叉子是不同的。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的MEMS陀螺儀，其中所述第一叉子是閉環(huán)叉子并且其中所述第二叉子是分裂叉子。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS陀螺儀，進(jìn)一步包括將所述第一和第二共振器相互連接從而所述共振器以鎖相方式操作的至少一個(gè)耦合件。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的MEMS陀螺儀，其中所述共振器相互同相地操作，并且其中所述至少一個(gè)耦合件是同相耦合件。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的MEMS陀螺儀，其中所述同相耦合件包括細(xì)長(zhǎng)桿，所述細(xì)長(zhǎng)桿不順從于在所述器件平面中的彎曲從而耦合沿著它的長(zhǎng)度的平移，并且順從于面外的彎曲使得每一個(gè)共振器的傾斜運(yùn)動(dòng)并不有效地耦合到其它的之中。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的MEMS陀螺儀，其中所述懸掛柔性件圍繞所述傾斜軸線的扭轉(zhuǎn)剛度與所述桿耦合件和所述叉子的角剛度的比率在大約100到1000之間。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的MEMS陀螺儀，其中所述共振器相互反相地操作，并且其中所述至少一個(gè)耦合件是反相耦合件。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的MEMS陀螺儀，其中所述至少一個(gè)耦合件包括連接所述第一叉子和所述第二叉子的耦合件。
18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的MEMS陀螺儀，其中所述至少一個(gè)耦合件包括 連接所述第一共振器的第一梭子和所述第二共振器的第一梭子的第一耦合件；和連接所述第一共振器的第二梭子和所述第二共振器的第二梭子的第二耦合件。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS陀螺儀，進(jìn)一步包括以下的至少一種 被配置成旋轉(zhuǎn)地顫動(dòng)所述梭子的多個(gè)驅(qū)動(dòng)器；被配置成感測(cè)所述梭子的旋轉(zhuǎn)顫動(dòng)運(yùn)動(dòng)的多個(gè)速度感測(cè)電極； 在所述梭子下面的多個(gè)同相調(diào)節(jié)電極；和在所述梭子下面的多個(gè)正交調(diào)節(jié)電極。
20.—種MEMS陀螺儀，包括共振器梭子，所述共振器梭子被配置成感測(cè)圍繞器件平面中的敏感性軸線的旋轉(zhuǎn)；和一組懸掛柔性件，所述一組懸掛柔性件被配置為允許所述梭子在所述器件平面中被旋轉(zhuǎn)地顫動(dòng)并且圍繞垂直于所述敏感性軸線的傾斜軸線向面外傾斜，其中所述懸掛柔性件包括至少一個(gè)細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件和至少一個(gè)較短構(gòu)件，并且其中所述懸掛柔性件被布置為使得所述細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件平行于所述傾斜軸線。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的MEMS陀螺儀，進(jìn)一步包括一組科里奧利感測(cè)電極，所述一組科里奧利感測(cè)電極在所述梭子下面并且沿著垂直于所述傾斜軸線的軸線定位以感測(cè)所述梭子圍繞所述傾斜軸線的傾斜。
22.—種MEMS陀螺儀，包括第一共振器，所述第一共振器被配置成在器件平面中共振并且感測(cè)圍繞所述器件平面中的第一軸線的旋轉(zhuǎn)；第二共振器，所述第二共振器被配置成在所述器件平面中共振并且感測(cè)在所述器件平面中圍繞垂直于所述第一軸線的第二軸線的旋轉(zhuǎn)；和將所述第一和第二共振器相互連接的至少一個(gè)耦合件，所述至少一個(gè)耦合件被配置為鎖定所述第一和第二共振器的共振并且基本上防止每一個(gè)共振器的面外運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)共振器。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的MEMS陀螺儀，其中每一個(gè)共振器均包括被叉子相互連接的兩個(gè)梭子，并且其中所述至少一個(gè)耦合件將所述叉子相互連接。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的MEMS陀螺儀，其中每一個(gè)共振器均包括被叉子相互連接的兩個(gè)梭子，并且其中所述至少一個(gè)耦合件包括連接所述第一共振器的第一梭子和所述第二共振器的第一梭子的第一耦合件；和連接所述第一共振器的第二梭子和所述第二共振器的第二梭子的第二耦合件。
25.根據(jù)權(quán)利要求22所述的MEMS陀螺儀，其中所述共振器相互同相地操作，并且其中所述至少一個(gè)耦合件是同相耦合件。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的MEMS陀螺儀，其中所述同相耦合件包括細(xì)長(zhǎng)桿，所述細(xì)長(zhǎng)桿不順從于所述器件平面中的彎曲從而耦合沿著它的長(zhǎng)度的平移，并且順從于面外的彎曲從而每一個(gè)共振器的傾斜運(yùn)動(dòng)并不有效地耦合到其它的之中。
27.根據(jù)權(quán)利要求22所述的MEMS陀螺儀，其中所述共振器相互反相地操作，并且其中所述耦合件是反相耦合件。
全文摘要
對(duì)于正交誤差和微機(jī)械加工不準(zhǔn)確性的敏感性降低的慣性傳感器包括結(jié)合用于感測(cè)圍繞器件平面中的兩條正交軸線(敏感性軸線)的旋轉(zhuǎn)的、兩個(gè)被專門地配置的單一軸線陀螺儀的陀螺儀，其中每一個(gè)單一軸線陀螺儀均包括具有被叉子相互連接的兩個(gè)被以旋轉(zhuǎn)方式顫動(dòng)的梭子的共振器并且每一個(gè)梭子均被配置為沿著垂直于敏感性軸線的傾斜軸線向面外傾斜，并且包括沿著垂直于傾斜軸線(即，平行于敏感性軸線)的軸線定位的相應(yīng)的科里奧利感測(cè)電極。該兩個(gè)單一軸線陀螺儀可以被例如將叉子和/或梭子相互連接的一個(gè)或者多個(gè)同相或者反相耦合件相互連接。
文檔編號(hào)G01C19/5705GK102498365SQ201080041359
公開日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2010年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月4日
發(fā)明者約翰·A·吉恩, 鄺錦波 申請(qǐng)人:模擬設(shè)備公司