專利名稱：帶有傳感元件的線性陣列的慣性傳感器的制作方法
技術領域：
本發明總的涉及傳感器，更具體地說，本發明涉及慣性傳感器。
背景技術：
慣性傳感器，諸如MEMS陀螺儀，通常會受到驅動頻率中的旋轉振動(通常稱為“擺動”(wobble))的不利影響。特別是，如果MEMS陀螺儀不能區分旋轉振動與旨在檢測的實際運動，MEMS陀螺儀就可能產生錯誤的讀數。
而且，具有振動質量體、例如陀螺儀的MEMS裝置的形狀畸變會對橫向于縱向驅動指狀物(drive finger)的力產生不平衡。這種不平衡會引起不能與科里奧利(Coriolis)力相區別的凈力。因而陀螺儀產生假輸出。這些形狀畸變存在至少兩個來源。一個由基板的表面剪切力(例如，切割時的釋放/晶片彎曲)引發。另一個是由組件的不均勻膨脹和施加的加速度(例如，對角G×G)引發。G×G誤差的一些原因論述在IEEE設計2004年會刊1-6頁Geen，J.A.的“集成陀螺儀的進展”中，其全部內容在此引入作為參考。
發明內容
本發明的實施例提供了一種慣性傳感器，其具有配置成線性陣列的至少兩對傳感元件。各傳感元件具有框架和懸置在框架內部的可動質量體。各對傳感元件的框架可耦合成，允許框架沿平行軸線彼此反相位移動，但基本上防止框架彼此同相位移動。
依照本發明的一個方面，提供了一種慣性傳感器，其具有至少一個基板和基本上在所述至少一個基板上方的平面內配置成線性陣列的至少兩對傳感元件。各對傳感元件包括第一傳感元件，其具有懸置在第一框架內部的第一諧振器；和第二傳感元件，其具有懸置在第二框架內部的第二諧振器。所有框架大體上沿所述平面內的第一軸線對齊。每一對傳感元件的框架配置成沿垂直于第一軸線的平面內的平行軸線彼此反相位移動。
通常使第一和第二諧振器沿第一軸線彼此共線、反相位移動。通常由所述至少一個基板繞垂直于平面的軸線的旋轉引起框架運動。
各對傳感元件可包括用于將第一和第二框架互連的第一耦合件。第一耦合件可包括耦合在第一和第二框架之間的至少一個桿，所述至少一個桿由錨固到所述至少一個基板的結構支撐，當框架彼此反相位移動時，所述結構允許所述至少一個桿繞一樞轉點旋轉，但基本上防止框架的同相位運動。
在一個示例性實施例中，第一耦合件包括從其中一個框架延伸并通過第一長撓曲件(flexure)互連在一起的第一對短撓曲件；從另一個框架延伸并通過第二長撓曲件互連在一起的第二對短撓曲件；大體上在第一和第二長撓曲件的中點處將第一長撓曲件耦合到第二長撓曲件上的桿；和支撐所述桿的錨固撓曲件，錨固撓曲件與所述桿大體上在所述桿和所述錨固撓曲件的中點相交，錨固撓曲件的各個端部錨固到基板上。
在另一個示例性實施例中，第一耦合件包括從其中一個框架延伸的第一撓曲件；從另一個框架延伸的第二撓曲件；耦合在第一和第二撓曲件之間的桿；和支撐所述桿的至少一個錨固撓曲件，每個錨固撓曲件包括在一端錨固到所述至少一個基板上并向后折疊180度以與桿相抵接的結構。
慣性傳感器的布置與諧振器的相位相協調從而共享一個公共的質心。各框架通常包括指狀物結構，所述指狀物結構與錨固到所述至少一個基板上的、用于靜電感知框架運動的固定感知指狀物(sensingfinger)交錯。各諧振器通常包括指狀物結構，所述指狀物結構與錨固到所述至少一個基板上的、用于靜電移動諧振器的固定驅動指狀物交錯。
在線性陣列內部，其中一對傳感元件的第二框架鄰接另一對傳感元件的第一框架。這些鄰接的框架配置成彼此同相位操作。
依照本發明的另一個方面，提供了一種慣性傳感器，其具有至少一個基板和基本上在所述至少一個基板上方的平面內配置成線性陣列的至少兩對傳感元件。各對傳感元件包括第一傳感元件，其具有懸置在第一框架內部的第一諧振器；和第二傳感元件，其具有懸置在第二框架內部的第二諧振器。所有框架基本上沿所述平面內的第一軸線對齊。慣性傳感器還包括用于沿垂直于第一軸線的平面內的平行軸線彼此反相位操作各對傳感元件的框架的裝置。
慣性傳感器通常還包括用于移動諧振器以便使第一和第二諧振器沿第一軸線彼此共線、反相位移動的裝置。所述至少一個基板繞垂直于平面的軸線的旋轉引起框架運動。
慣性傳感器還可包括用于互連各對傳感元件的第一和第二框架的裝置。互連裝置可包括耦合在第一和第二框架之間的至少一個桿；和用于支撐所述至少一個桿以便當框架彼此反相位移動時允許所述至少一個桿繞一樞轉點旋轉、但基本上防止框架同相位運動的裝置。
在一個示例性實施例中，互連裝置包括從其中一個框架延伸并通過第一長撓曲件互連在一起的第一對短撓曲件；從另一個框架延伸并通過第二長撓曲件互連在一起的第二對短撓曲件；大體上在第一和第二長撓曲件的中點處將第一長撓曲件耦合到第二長撓曲件上的桿；和支撐所述桿的錨固撓曲件，錨固撓曲件與所述桿大體上在所述桿和所述錨固撓曲件的中點相交，錨固撓曲件的各個端部錨固到基板上。
在另一個示例性實施例中，互連裝置可包括從其中一個框架延伸的第一撓曲件；從另一個框架延伸的第二撓曲件；耦合在第一和第二撓曲件之間的桿；和支撐所述桿的至少一個錨固撓曲件，每個錨固撓曲件包括在一端錨固到所述至少一個基板上并向后折疊180度以與桿相抵接的結構。
慣性傳感器的布置與諧振器的相位相協調從而共享一個公共的質心。慣性傳感器通常還包括用于感知框架運動的裝置。
在線性陣列內部，其中一對傳感元件的第二框架鄰接另一對傳感元件的第一框架。這些鄰接的框架配置成彼此同相位操作。
參考附圖，從下面進一步的說明中將更全面地領會本發明的前述內容和優點，其中圖1示意顯示了依照本發明的示例性實施例配置的陀螺儀線性陣列；圖2示意顯示了依照本發明的示例性實施例、用于耦合圖1所示的兩個框架的耦合設備；圖3示意顯示了第一對陀螺儀的另一實施例的補充細節；圖4顯示了圖3所示的陀螺儀所使用的具體耦合設備的更多細節；和圖5顯示了依照本發明的示例性實施例的具體平衡器的更多細節。
附圖用于示例性目的，可以不按比例描繪。
具體實施例方式
在示例性實施例中，慣性傳感器具有配置成線性陣列以便所有傳感元件共享一個公共的質心的至少兩對單個傳感元件。每個傳感元件包括框架和懸置在框架內部的至少一個諧振器(質量體)。雖然不是必需的，但是各對傳感元件的框架最好由耦合設備互連在一起，所述耦合設備允許框架反相位運動，但基本上防止框架同相位運動。兩對傳感元件通常不互連在一起。下面詳細論述示例性實施例。
圖1示意顯示了依照本發明示例性實施例配置的微機電系統(即，“MEMS”)的陣列10。具體地說，MEMS裝置的陣列10結合在一起，有效地執行單個陀螺儀的功能。為此，陣列10包括四個MEMS陀螺儀12A-D，全部MEMS陀螺儀12A-D都固定到一公共的下伏基板(未顯示)上。做為選擇，MEMS陀螺儀12A-12D也可以固定到不同的基板上。
每個陀螺儀12A-12D包括至少一個振動質量體(在此分別被稱為“諧振器14A、14B、14C或14D”，或統稱為“諧振器14”)，1)所述至少一個振動質量體以恒定的頻率沿X軸振動，2)所述至少一個振動質量體與單個加速度計框架(在此分別被稱為“框架16A、16B、16C或16D”，或統稱為“框架16”)。舉例來說，諧振器14只在X軸方向是順從(compliant)的，而框架16只在Y軸方向是順從的。因此，任何一個陀螺儀12A-12D繞Z軸的旋轉都使得諧振器14產生施加給加速度計框架16的科里奧利力。一旦接收到該科里奧利力，框架16就沿Y軸移動。電容耦合指狀物18檢測到該Y軸運動，并將其轉換成表示角加速度大小的信號。
在示例性實施例中，陀螺儀12A-12D類似于美國專利號6,505,511和6,122,961中披露的陀螺儀，這些文件披露的全部內容在此引入作為參考。陀螺儀12A-12D也可類似于美國專利號6,877,374中披露的陀螺儀，該文件披露的全部內容在此引入作為參考。
如上所述，在示例性實施例中，不同的陀螺儀12A和12D具有公共的質心，陀螺儀產生反相位信號12B和12C。所以陣列10配置成使得陀螺儀12A-12D的位置以及各自的諧振器14的相位實現該結果。因而具體的放置、陀螺儀12A-12D的數量以及其諧振器14的相位相互協調，以保證它們共享一個公共的質心。
圖1顯示了產生所要求的結果的示例性配置。特別是，陣列10包括具有第一和第二陀螺儀12A和12B的第一對陀螺儀12A/B和具有第三和第四陀螺儀12C和12D的第二對陀螺儀12C/D。如圖所示，各對陀螺儀的諧振器14相位錯開180度操作，它們的框架16的耦合方式將在下面論述。但是，第一對陀螺儀12A/B不與第二對陀螺儀12C/D耦合。
當以圖1所示的方式定位時，第一陀螺儀12A和第四陀螺儀12D同相位諧振，而第二和第三陀螺儀12B和12C同相位諧振。因此，下列等式成立V1+V4＝V2+V3，其中V1是第一陀螺儀12A到旋轉點的矢量距離，V2是第二陀螺儀12B到旋轉點的矢量距離，V3是第三陀螺儀12C到旋轉點的矢量距離，和V4是第四陀螺儀12D到旋轉點的矢量距離。
注意，考慮該等式時，應當考慮矢量距離的符號。當保持該關系時，陀螺儀總體上變得基本上不再受繞旋轉點的角加速度的干擾，這樣以致于框架的響應相互匹配。耦合件克服了由制造公差導致的不匹配，從而改善了對角加速度的抑制。
該配置仍然不會不利地影響陣列10檢測下方的角速度的設計目的。
因此，本發明的實施例基本上不會受到表面剪切力的干擾，而且如上所述，消除了角加速度噪音。
如上所述，每對傳感元件內部的各個框架16以促進操作的方式耦合在一起。具體地說，框架16A和16B通過耦合件99AB耦合在一起，而框架16C和16D通過耦合件99CD耦合在一起(在此統稱為“耦合設備99”)。在示例性實施例中，各對框架16耦合在一起，保證它們只能反相位(即，相位錯開180度)移動，不過兩對框架沒有互連在一起。圖2示意顯示了用于固定兩個框架的機械耦合設備99的更多細節。雖然耦合設備99的實施例適用于所示的任何框架16，但是為簡單起見，在圖2中的框架16標記為第一和第二框架16A和16B。
具體地說，第一框架16A具有與第一長撓曲件22A耦合的第一對短撓曲件20A。相應的，第二框架16B具有與第二長撓曲件22B耦合的第二對短撓曲件20B。桿24將第一長撓曲件22A固定到第二長撓曲件22B上。為了提供一定的穩定性，一對錨固器26A和26B在桿24兩側延伸，并借助于錨固撓曲件28與桿24相耦合。
當兩個框架被促使成同相位移動時，該配置基本上是不順從的。相反，當兩個框架被促使成反相位移動時，該配置基本上是順從的。換句話說，當第一框架16A被促使成沿Y軸向上運動時，第二框架16B被促使成沿Y軸向下運動。但是，如果兩者都被促使成沿Y軸向上運動，該配置將基本上是不順從的。在有些實施例中，當框架16A和16B在Y軸方向移動時，該配置允許框架16A和16B旋轉一定程度。
圖3示意顯示了第一對框架16A和16B的另一實施例的補充細節。如圖所示，該實施例也具有諧振器14、框架16、耦合設備以及其他類似于如上所述的部件。圖4顯示了圖3所示的具體耦合設備的更多細節。注意，耦合設備可以與其他陀螺儀構造一起使用，包括圖1所示的那些陀螺儀構造。
如圖4所示，錨固撓曲件28大體上向外延伸，然后向后折疊180度，與桿24相抵接。另外，耦合設備還具有刻蝕補償器。看圖4的文字，注意，折疊的錨固撓曲件28允許桿24繞一樞轉點旋轉，但不允許垂直于桿24的軸線平移。而且，該實施例不具有各框架上的一對短撓曲件20，而是使用了各框架上的單個短撓曲件20。
除保證框架16A和16B反相位移動之外，該撓曲件配置還能減少材料收縮和G×G(G cross G)誤差的潛在不利影響。該G×G誤差在框架同相位運動的時候產生，該誤差由耦合件抑制或降低。
該耦合設備99有效地增加了質量和對框架16的運動的剛性。由于各框架僅僅沿其一側耦合到鄰接框架上，該耦合設備99實際上打破了各框架運動的平衡。所以，陣列10最好包括若干平衡器(在此分別被稱為“平衡器97A、97B、97C和97D”，或統稱為“平衡器97”)，以幫助補償該耦合設備99的效應。具體地說，平衡器97最好耦合到與耦合設備99相對的各框架一側。因此，平衡器97A沿與耦合件99AB相對的一側耦合到框架16A上，平衡器97B沿與耦合件99AB相對的一側耦合到框架16B上，平衡器97C沿與耦合件99CD相對的一側耦合到框架16C上，平衡器97D沿與耦合件99CD相對的一側耦合到框架16D上。各平衡器97的構造通常為耦合設備99的一半的等同物，因此在各自的框架16上基本上賦予了相等但相反的機械作用。
圖5顯示了依照本發明的示例性實施例的具體平衡器97(在該例子中，為坐落于兩對傳感元件之間的平衡器97B和97C)的更多細節。如圖所示，各平衡器97的構造基本上為如圖4所示的耦合設備的一半的等同物。應當指出，與耦合設備99不同，在兩個相鄰的平衡器97B和97C之間沒有耦合件。
在示例性實施例中，加速度計在大約17伏運轉。
在不脫離本發明的真實的范圍的情況下，本發明可以包含其他的特定形式。所述的這些實施例在各個方面都被僅僅認為是示例性的，而非限制性的。
權利要求
1.一種慣性傳感器，其包括至少一個基板；和基本上在所述至少一個基板上方的平面內配置成線性陣列的至少兩對傳感元件，各對傳感元件包括第一傳感元件，其具有懸置在第一框架內部的第一諧振器；和第二傳感元件，其具有懸置在第二框架內部的第二諧振器，其中所有框架基本上沿所述平面內的第一軸線對齊，每一對傳感元件的框架配置成沿垂直于第一軸線的平面內的平行軸線彼此反相位移動。
2.如權利要求1所述的慣性傳感器，其中，第一和第二諧振器沿第一軸線彼此共線地、反相位地移動。
3.如權利要求1所述的慣性傳感器，其中，所述至少一個基板繞垂直于平面的軸線的旋轉引起框架運動。
4.如權利要求1所述的慣性傳感器，其中，各對傳感元件還包括將第一和第二框架互連的第一耦合件。
5.如權利要求4所述的慣性傳感器，其中，第一耦合件包括耦合在第一和第二框架之間的至少一個桿，所述至少一個桿由錨固到所述至少一個基板上的結構支撐，當框架彼此反相位移動時，所述結構允許所述至少一個桿繞一樞轉點旋轉，但基本上防止框架的同相位運動。
6.如權利要求5所述的慣性傳感器，其中，第一耦合件包括從其中一個框架延伸并通過第一長撓曲件互連在一起的第一對短撓曲件；從另一個框架延伸并通過第二長撓曲件互連在一起的第二對短撓曲件；大體上在第一和第二長撓曲件的中點處將第一長撓曲件耦合到第二長撓曲件上的桿；和支撐所述桿的錨固撓曲件，錨固撓曲件與所述桿大體上在所述桿和所述錨固撓曲件的中點相交，錨固撓曲件的各個端部錨固到基板上。
7.如權利要求5所述的慣性傳感器，其中，第一耦合件包括從其中一個框架延伸的第一撓曲件；從另一個框架延伸的第二撓曲件；耦合在第一和第二撓曲件之間的桿；和支撐所述桿的至少一個錨固撓曲件，各錨固撓曲件包括在一端錨固到所述至少一個基板上并向后折疊180度以與桿相抵接的結構。
8.如權利要求1所述的慣性傳感器，其中，慣性傳感器的布置與諧振器的相位相協調從而共享一個公共的質心。
9.如權利要求1所述的慣性傳感器，其中，各框架包括指狀物結構，所述指狀物結構與錨固到所述至少一個基板上的、用于靜電感知框架的運動的固定感知指狀物交錯。
10.如權利要求1所述的慣性傳感器，其中，各諧振器包括指狀物結構，所述指狀物結構與錨固到所述至少一個基板上的、用于靜電移動諧振器的固定驅動指狀物交錯。
11.如權利要求1所述的慣性傳感器，其中，一對傳感元件的第二框架鄰接于另一對傳感元件的第一框架，以及其中所述鄰接的框架配置成彼此同相位操作。
12.一種慣性傳感器，其包括至少一個基板；和基本上在所述至少一個基板上方的平面內配置成線性陣列的至少兩對傳感元件，各對傳感元件包括第一傳感元件，其具有懸置在第一框架內部的第一諧振器；和第二傳感元件，其具有懸置在第二框架內部的第二諧振器，其中所有框架基本上沿所述平面內的第一軸線對齊，以及其中慣性傳感器還包括用于沿垂直于第一軸線的平面內的平行軸線彼此反相位操作各對傳感元件的框架的裝置。
13.如權利要求12所述的慣性傳感器，還包括用于移動諧振器以便使第一和第二諧振器沿第一軸線彼此共線地、反相位地移動的裝置。
14.如權利要求12所述的慣性傳感器，其中，所述至少一個基板繞垂直于平面的軸線的旋轉引起框架運動。
15.如權利要求12所述的慣性傳感器，還包括用于將各對傳感元件的第一和第二框架互連的裝置。
16.如權利要求15所述的慣性傳感器，其中，互連裝置包括耦合在第一和第二框架之間的至少一個桿；和用于支撐所述至少一個桿以便當框架彼此反相位移動時允許所述至少一個桿繞一樞轉點旋轉、但基本上防止框架同相位運動的裝置。
17.如權利要求16所述的慣性傳感器，其中，互連裝置包括從其中一個框架延伸并通過第一長撓曲件互連在一起的第一對短撓曲件；從另一個框架延伸并通過第二長撓曲件互連在一起的第二對短撓曲件；大體上在第一和第二長撓曲件的中點處將第一長撓曲件耦合到第二長撓曲件上的桿；和支撐所述桿的錨固撓曲件，錨固撓曲件與所述桿大體上在所述桿和所述錨固撓曲件的中點相交，錨固撓曲件的各個端部錨固到基板上。
18.如權利要求16所述的慣性傳感器，其中，互連裝置包括從其中一個框架延伸的第一撓曲件；從另一個框架延伸的第二撓曲件；耦合在第一和第二撓曲件之間的桿；和支撐所述桿的至少一個錨固撓曲件，每個錨固撓曲件包括在一端錨固到所述至少一個基板上并向后折疊180度以與桿相抵接的結構。
19.如權利要求12所述的慣性傳感器，其中，慣性傳感器的布置與諧振器的相位相協調從而共享一個公共的質心。
20.如權利要求12所述的慣性傳感器，還包括用于感知框架的運動的裝置。
21.如權利要求12所述的慣性傳感器，其中，一對傳感元件的第二框架鄰接于另一對傳感元件的第一框架，以及其中所述鄰接的框架配置成彼此同相位操作。
全文摘要
一種慣性傳感器，其包括布置成線性陣列的至少一對傳感元件。各傳感元件具有框架和懸置在框架內部的可動質量體。各對傳感元件的框架可耦合成，允許框架沿平行軸線彼此反相位移動，但基本上防止框架彼此同相位移動。
文檔編號G01C19/56GK1954192SQ200580015514
公開日2007年4月25日 申請日期2005年4月14日 優先權日2004年4月14日
發明者約翰·A·吉恩 申請人:模擬設備公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
