專利名稱：用于慣性傳感器的耦合設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總的涉及傳感器，更具體地說，本發(fā)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(qū)動頻率中的旋轉(zhuǎn)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(qū)分旋轉(zhuǎn)振動與旨在檢測的實際運動，MEMS陀螺儀就可能產(chǎn)生錯誤的讀數(shù)。
而且，具有振動質(zhì)量體、例如陀螺儀的MEMS裝置的形狀畸變會對橫向于縱向驅(qū)動指狀物(drive finger)的力產(chǎn)生不平衡。這種不平衡會引起不能與科里奧利(Coriolis)力相區(qū)別的凈力。因而陀螺儀產(chǎn)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(fā)。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(fā)。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(nèi)容在此引入作為參考。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實施例提供了一種用于耦合慣性傳感元件框架的設備，以便允許慣性傳感元件框架反相位運動，但基本上防止框架同相位運動。
依照本發(fā)明的一個方面，提供了一種用于耦合慣性傳感器的傳感元件的設備。該設備包括耦合在第一和第二傳感元件框架之間的至少一個桿和支撐所述桿的至少一個支撐結(jié)構(gòu)。所述至少一個結(jié)構(gòu)耦合到框架下方的基板上。當框架沿基本上平行的軸線彼此反相位移動時，所述結(jié)構(gòu)允許所述桿繞-樞轉(zhuǎn)點旋轉(zhuǎn)，但基本上防止框架的同相位運動。
在一個示例性實施例中，該設備還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和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。所述桿大體上在第一和第二長撓曲件的中點處將第一長撓曲件互連到第二長撓曲件上。所述至少一個支撐結(jié)構(gòu)包括支撐所述桿的至少一個錨固撓曲件。所述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。每個長撓曲件通常耦合成隨著所述桿的旋轉(zhuǎn)而彎曲。
在本發(fā)明的另一個示例性實施例中，該設備還包括從其中一個框架延伸的第一撓曲件和從另一個框架延伸的第二撓曲件。所述桿將第一和第二撓曲件互連。所述至少一個支撐結(jié)構(gòu)包括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度以與所述桿相抵接的結(jié)構(gòu)。所述至少一個錨固撓曲件可包括繞樞轉(zhuǎn)點設置的四個錨固撓曲件。每個錨固撓曲件通常錨固到鄰接于所述桿的基板上。每個第一和第二撓曲件可包括耦合在兩端的兩個基本上平行的元件，其中一個元件與框架相耦合，另一個元件與所述桿相耦合，使得兩個元件隨著所述桿的旋轉(zhuǎn)彎曲。
依照本發(fā)明的另一個方面，提供了一種用于耦合慣性傳感器的傳感元件的設備，所述設備包括用于耦合裝置第一與第二傳感元件框架的耦合裝置和用于支撐所述耦合裝置的支撐裝置。所述支撐裝置耦合到框架下方的基板上。當框架沿分開的基本上平行的軸線彼此反相位移動時，所述支撐裝置允許所述耦合裝置繞-樞轉(zhuǎn)點旋轉(zhuǎn)，但基本上防止框架同相位運動。
在第一示例性實施例中，所述耦合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；和桿，所述桿大體上在第一和第二長撓曲件的中點處將第一長撓曲件互連到第二長撓曲件上。所述支撐裝置可包括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。每個長撓曲件可耦合成隨著所述桿的旋轉(zhuǎn)而彎曲。
在本發(fā)明的另一個示例性實施例中，所述耦合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；和將第一和第二撓曲件互連的桿。所述支撐裝置可包括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度以與所述桿相抵接的結(jié)構(gòu)。所述至少一個錨固撓曲件可包括繞樞轉(zhuǎn)點設置的四個錨固撓曲件。每個錨固撓曲件可錨固到鄰接于所述桿的基板上。每個第一和第二撓曲件可包括耦合在兩端的兩個基本上平行的元件，其中一個元件與框架相耦合，另一個元件與所述桿相耦合，兩個元件耦合成隨著所述桿的旋轉(zhuǎn)而彎曲。
在本發(fā)明的典型實施例中，所述至少一個基板繞垂直于平面的軸線的旋轉(zhuǎn)引起框架運動。


參考附圖，從下面進一步的說明中將更全面地領會本發(fā)明的前述內(nèi)容和優(yōu)點，其中圖1示意顯示了依照本發(fā)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(fā)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(jié)；
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(jié)；和圖5顯示了依照本發(fā)明的示例性實施例的具體平衡器的更多細節(jié)。
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，慣性傳感器具有多個獨立傳感元件。下面詳細論述示例性實施例。
圖1示意顯示了依照本發(fā)明示例性實施例配置的微機電系統(tǒng)(即，“MEMS”)的陣列10。具體地說，MEMS裝置的陣列10結(jié)合在一起，有效地執(zhí)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(zhì)量體(在此分別被稱為“諧振器14A、14B、14C或14D”，或統(tǒng)稱為“諧振器14”)，1)所述至少一個振動質(zhì)量體以恒定的頻率沿X軸振動，2)所述至少一個振動質(zhì)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(tǒng)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(zhuǎn)都使得諧振器14產(chǎn)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(zhuǎn)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(nèi)容在此引入作為參考。陀螺儀12A-12D也可類似于發(fā)明人John Green在2003年2月6日提交的共同待定的美國專利申請?zhí)?0/360,987中披露的陀螺儀，該文件披露的全部內(nèi)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(zhì)心，陀螺儀產(chǎn)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(xiàn)該結(jié)果。因而具體的放置、陀螺儀12A-12D的數(shù)量以及其諧振器14的相位相互協(xié)調(diào)，以保證它們共享一個公共的質(zhì)心。
圖1顯示了產(chǎn)生所要求的結(jié)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(zhuǎn)點的矢量距離，V2是第二陀螺儀12B到旋轉(zhuǎn)點的矢量距離，V3是第三陀螺儀12C到旋轉(zhuǎn)點的矢量距離，和V4是第四陀螺儀12D到旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fā)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(nèi)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(tǒng)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(jié)。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(wěn)定性，一對錨固器26A和26B在桿24兩側(cè)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?shù)谝豢蚣?6A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(zhuǎn)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(jié)。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(jié)。注意，耦合設備可以與其他陀螺儀構(gòu)造一起使用，包括圖1所示的那些陀螺儀構(gòu)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(zhuǎn)點旋轉(zhuǎn)，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(chǎn)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(zhì)量和對框架16的運動的剛性。由于各框架僅僅沿其一側(cè)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(tǒng)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(cè)。因此，平衡器97A沿與耦合件99AB相對的一側(cè)耦合到框架16A上，平衡器97B沿與耦合件99AB相對的一側(cè)耦合到框架16B上，平衡器97C沿與耦合件99CD相對的一側(cè)耦合到框架16C上，平衡器97D沿與耦合件99CD相對的一側(cè)耦合到框架16D上。各平衡器97的構(gòu)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(fā)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(jié)。如圖所示，各平衡器97的構(gòu)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(zhuǎn)。
在不脫離本發(fā)明的真實的范圍的情況下，本發(fā)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
1.一種用于耦合慣性傳感器的傳感元件的設備，該設備包括耦合在第一和第二傳感元件框架之間的桿；和支撐所述桿的至少一個支撐結(jié)構(gòu)，所述至少一個結(jié)構(gòu)耦合到所述框架下方的基板上，當框架沿分開的基本上平行的軸線彼此反相位移動時，所述結(jié)構(gòu)允許所述桿繞一樞轉(zhuǎn)點旋轉(zhuǎn)，但基本上防止框架同相位運動。
2.如權利要求1所述的設備，還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，其中所述桿大體上在第一和第二長撓曲件的中點處將第一長撓曲件互連到第二長撓曲件上，以及其中所述至少一個支撐結(jié)構(gòu)包括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。
3.如權利要求2所述的設備，其中，每個長撓曲件耦合成隨著所述桿的旋轉(zhuǎn)而彎曲。
4.如權利要求1所述的設備，還包括從其中一個框架延伸的第一撓曲件；和從另一個框架延伸的第二撓曲件，其中所述桿將第一和第二撓曲件互連，以及其中所述至少一個支撐結(jié)構(gòu)包括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度以與所述桿相抵接的結(jié)構(gòu)。
5.如權利要求4所述的設備，其中，所述至少一個錨固撓曲件包括繞樞轉(zhuǎn)點設置的四個錨固撓曲件。
6.如權利要求4所述的設備，其中，每個錨固撓曲件錨固到鄰接于所述桿的基板上。
7.如權利要求4所述的設備，其中，每個第一和第二撓曲件包括耦合在兩端的兩個基本上平行的元件，其中一個元件與框架相耦合，另一個元件與所述桿相耦合，兩個元件耦合成隨著所述桿的旋轉(zhuǎn)而彎曲。
8.如權利要求1所述的設備，其中，所述基板繞垂直于平面的軸線的旋轉(zhuǎn)引起框架運動。
9.一種用于耦合慣性傳感器的傳感元件的設備，該設備包括用于耦合第一和第二傳感元件框架的耦合裝置；和用于支撐所述耦合裝置的支撐裝置，所述支撐裝置耦合到所述框架下方的基板上，當框架沿分開的基本上平行的軸線彼此反相位移動時，所述支撐裝置允許所述耦合裝置繞一樞轉(zhuǎn)點旋轉(zhuǎn)，但基本上防止框架同相位運動。
10.如權利要求9所述的設備，其中，所述耦合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；和桿，所述桿大體上在第一和第二長撓曲件的中點處將第一長撓曲件互連到第二長撓曲件上。
11.如權利要求10所述的設備，其中，所述支撐裝置包括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。
12.如權利要求10所述的設備，其中，每個長撓曲件耦合成隨著所述桿的旋轉(zhuǎn)而彎曲。
13.如權利要求9所述的設備，其中，所述耦合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；和將第一和第二撓曲件互連的桿。
14.如權利要求13所述的設備，其中，所述支撐裝置包括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度以與所述桿相抵接的結(jié)構(gòu)。
15.如權利要求14所述的設備，其中，所述至少一個錨固撓曲件包括繞樞轉(zhuǎn)點設置的四個錨固撓曲件。
16.如權利要求14所述的設備，其中，每個錨固撓曲件錨固到鄰接于所述桿的基板上。
17.如權利要求13所述的設備，其中，每個第一和第二撓曲件包括耦合在兩端的兩個基本上平行的元件，其中一個元件與框架相耦合，另一個元件與所述桿相耦合，兩個元件耦合成隨著所述桿的旋轉(zhuǎn)而彎曲。
18.如權利要求9所述的設備，其中，所述基板繞垂直于平面的軸線的旋轉(zhuǎn)引起框架運動。
全文摘要
一種耦合設備，其允許慣性傳感元件框架反相位運動，但基本上防止框架同相位運動。該耦合設備包括耦合在第一和第二傳感元件框架之間的至少一個桿和支撐所述桿的至少一個支撐結(jié)構(gòu)。所述至少一個結(jié)構(gòu)耦合到框架下方的基板上。當框架沿基本上平行的軸線彼此反相位移動時，所述結(jié)構(gòu)允許所述桿繞一樞轉(zhuǎn)點旋轉(zhuǎn)，但基本上防止框架同相位運動。
文檔編號G01C19/56GK1954193SQ200580015559
公開日2007年4月25日 申請日期2005年4月14日 優(yōu)先權日2004年4月14日
發(fā)明者約翰·A·吉恩, 威廉姆·A·克拉克, 鄺錦波 申請人:模擬設備公司