專(zhuān)利名稱(chēng)：六自由度微機(jī)械多傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及集成的角速度和加速度傳感器("多傳感器")，以及更具體地涉 及六自由度的微機(jī)械多傳感器設(shè)備，它能夠提供三個(gè)加速度感測(cè)軸和三個(gè)角速度感測(cè)軸。
背景技術(shù)：
已經(jīng)熟知的是，微機(jī)械多傳感器包括至少一個(gè)加速度計(jì)，用于在單個(gè)多傳感 器設(shè)備中提供加速度感測(cè)和角速度感測(cè)的指示。在1995年2月28日發(fā)布的、題目為 "MICRO-MACHINED ACCELEROMETERGYROSCOPE (微機(jī)械加速度計(jì)陀螺儀)"的美國(guó)專(zhuān)利 No. 5， 392， 650中描述了一種傳統(tǒng)的微機(jī)械多傳感器，該微機(jī)械多傳感器包括一對(duì)加速度 計(jì)，其中每個(gè)加速度計(jì)包括固定到襯底上的剛性加速度計(jì)框，以及利用多個(gè)彎曲部分自剛 性框懸掛下來(lái)的檢驗(yàn)塊。微機(jī)械多傳感器通常具有單加速度感測(cè)軸和與其相關(guān)聯(lián)的垂直于 加速度軸的單旋轉(zhuǎn)感測(cè)軸。此外，微機(jī)械多傳感器通常被配置為沿振動(dòng)軸同時(shí)反相振動(dòng)所 述檢驗(yàn)塊，其中該振動(dòng)軸垂直于加速度軸和旋轉(zhuǎn)軸。 在當(dāng)傳統(tǒng)的微機(jī)械多傳感器經(jīng)歷線性和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)以反相方式同時(shí)振動(dòng)所述檢 驗(yàn)塊的情況下，產(chǎn)生線性以及科里奧利加速度力，該線性以及科里奧利加速度力相對(duì)于襯 底偏轉(zhuǎn)所述檢驗(yàn)塊。多傳感器被配置為感測(cè)各個(gè)檢驗(yàn)塊的偏轉(zhuǎn)，并且產(chǎn)生相應(yīng)的加速度感 測(cè)信號(hào)，該相應(yīng)的加速度感測(cè)信號(hào)的值與偏轉(zhuǎn)幅度成正比。因?yàn)檎駝?dòng)的檢驗(yàn)塊對(duì)線性加速 度的響應(yīng)是同相的，而檢驗(yàn)塊對(duì)科里奧利加速度的響應(yīng)是反相的，所以可以通過(guò)分別將所 述信號(hào)進(jìn)行合適的相加或相減以抵消旋轉(zhuǎn)或線性分量，從而分離線性加速度分量(包含加 速度感測(cè)信息)以及旋轉(zhuǎn)加速度分量(包含角速度感測(cè)信息)。 上述傳統(tǒng)的微機(jī)械多傳感器的一個(gè)缺點(diǎn)在于它通常提供僅僅1個(gè)角速度感測(cè)軸 以及僅僅1個(gè)加速度感測(cè)軸，然而，通常在單個(gè)微機(jī)械多傳感器設(shè)備中提供多于1個(gè)加速度 感測(cè)和/或角速度感測(cè)軸是有利的。 1999年2月9日發(fā)布的、題目為"MICRO-MACHINED DEVICEWITH TOTATIONALLY VIBRATED MASSES (具有旋轉(zhuǎn)振動(dòng)塊的微機(jī)械設(shè)備)"的美國(guó)專(zhuān)利No. 5， 869， 760描述了第二 種傳統(tǒng)的微機(jī)械傳感器，它能夠相對(duì)于兩個(gè)旋轉(zhuǎn)感測(cè)軸來(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)速度。該微機(jī)械傳感器 包括一對(duì)加速度計(jì)，其中每個(gè)加速度計(jì)包括其形式為通過(guò)多個(gè)彎曲部分懸掛在襯底上方的
5圓梁的塊，以及相鄰的一對(duì)加速度感測(cè)電極。與微機(jī)械傳感器相關(guān)的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)感測(cè)軸處于 襯底的平面上。此外，微機(jī)械傳感器被配置為以反相方式可旋轉(zhuǎn)地振動(dòng)圓梁，也就是，順時(shí) 針?lè)较?逆時(shí)針?lè)较蚪惶娴匦D(zhuǎn)一個(gè)圓梁，而同時(shí)在相反的方向上以基本上相同的量旋轉(zhuǎn) 另一個(gè)橫梁。 在當(dāng)?shù)诙鹘y(tǒng)微機(jī)械傳感器經(jīng)歷線性和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)同時(shí)反相地旋轉(zhuǎn)圓梁的情況 下，產(chǎn)生線性以及科里奧利加速度力，該線性以及科里奧利加速度力相對(duì)于襯底偏轉(zhuǎn)橫梁。 加速度感測(cè)電極感測(cè)各個(gè)橫梁的偏轉(zhuǎn)，并且產(chǎn)生相應(yīng)的加速度感測(cè)信號(hào)，該相應(yīng)的加速度 感測(cè)信號(hào)與偏轉(zhuǎn)的大小以及相對(duì)于旋轉(zhuǎn)感測(cè)軸的旋轉(zhuǎn)速度成正比。因?yàn)楦袦y(cè)信號(hào)的旋轉(zhuǎn)加 速度分量(包含角速度感測(cè)信息)的符號(hào)對(duì)應(yīng)于圓梁的旋轉(zhuǎn)方向，所以通過(guò)合適地將信號(hào) 相減以抵消線性分量，可以分離感測(cè)信號(hào)的旋轉(zhuǎn)分量與線性加速度分量。然而，雖然該微機(jī) 械傳感器能夠提供多于1個(gè)角速度感測(cè)軸，但是它缺點(diǎn)在于它通常沒(méi)有提供加速度感測(cè) 信息。 因此，希望有一種微機(jī)械多傳感器，它在單個(gè)多傳感設(shè)備中提供多于1個(gè)加速度 感測(cè)軸以及多于l個(gè)角速度感測(cè)軸。這種微機(jī)械多傳感設(shè)備將避免上述傳統(tǒng)的微機(jī)械傳感 器設(shè)備的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，公開(kāi)了一種六自由度的微機(jī)械多傳感器，該六自由度的微機(jī)械多傳 感器在單個(gè)多傳感器設(shè)備中提供3個(gè)加速度感測(cè)軸以及3個(gè)角速度感測(cè)軸。當(dāng)前公開(kāi)的微 機(jī)械多傳感器設(shè)備包括兩個(gè)多傳感器子結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)子結(jié)構(gòu)提供3個(gè)加速度感測(cè)軸和角 速度感測(cè)軸。 在一個(gè)實(shí)施例中，所述六自由度的微機(jī)械多傳感器設(shè)備包括第一多傳感器子結(jié)構(gòu) 以及第二多傳感器子結(jié)構(gòu)。所述第一多傳感器子結(jié)構(gòu)包括剛性加速度計(jì)框、第一檢驗(yàn)塊、以 及第二檢驗(yàn)塊，每個(gè)都形成在第一硅襯底上。所述第一子結(jié)構(gòu)具有所述第一襯底的平面中 的相互正交的第一和第二加速度感測(cè)軸，以及與所述第一和第二加速度軸垂直的相關(guān)聯(lián)的 第一旋轉(zhuǎn)感測(cè)軸。第一和第二檢驗(yàn)塊沿振動(dòng)軸具有公共對(duì)稱(chēng)軸，其與第一旋轉(zhuǎn)軸垂直。此 外，所述第一和第二檢驗(yàn)塊都沿振動(dòng)軸相互彈性地耦合。所述第一和第二檢驗(yàn)塊通過(guò)各自 的多個(gè)彎曲部分自剛性框懸掛下來(lái)，所述剛性框由多個(gè)彎曲部分固定到所述第一襯底上。 所述多個(gè)彎曲部分都配置為將所述第一和第二檢驗(yàn)塊限制為使其更容易在振動(dòng)軸的線性 方向上相對(duì)于所述剛性框移動(dòng)，以及將剛性框限制為使其基本上僅僅以旋轉(zhuǎn)的方式相對(duì)于 所述第一襯底移動(dòng)。 在當(dāng)前描述的實(shí)施例中，所述第一多傳感器子結(jié)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)，該驅(qū)動(dòng)電 極結(jié)構(gòu)被配置為使所述第一和第二檢驗(yàn)塊沿振動(dòng)軸反相線性地振動(dòng)。所述第一子結(jié)構(gòu)還包 括第一對(duì)加速度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)和第二對(duì)加速度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)，其中所述第一對(duì)加速度感測(cè) 電極結(jié)構(gòu)耦合到所述剛性框并且沿所述第一加速度軸完全相對(duì)地安置，第二對(duì)加速度感測(cè) 電極結(jié)構(gòu)耦合到所述剛性框并且沿所述第二加速度軸完全相對(duì)地安置。所述第一多傳感器 子結(jié)構(gòu)被配置為(l)將由第一加速度感測(cè)電極對(duì)提供的感測(cè)信號(hào)相加，以提取與沿所述 第一加速度軸的加速度感測(cè)有關(guān)的信息，(2)將由第二加速度感測(cè)電極對(duì)提供的感測(cè)信號(hào) 相加，以提取與沿所述第二加速度軸的加速度感測(cè)有關(guān)的信息，以及(3)將由第一加速度感測(cè)電極對(duì)提供的感測(cè)信號(hào)之差與由第二加速度感測(cè)電極對(duì)提供的感測(cè)信號(hào)之差相加，以 提取與相對(duì)于六自由度的多傳感器設(shè)備的第一旋轉(zhuǎn)軸的角速度感測(cè)有關(guān)的信息。
第二多傳感器子結(jié)構(gòu)包括在第二硅襯底上形成的第三檢驗(yàn)塊和第四檢驗(yàn)塊。通過(guò) 各自的多個(gè)彎曲部分將所述第三和第四檢驗(yàn)塊懸掛在第二襯底上方并且固定到第二襯底 上。所述第二子結(jié)構(gòu)具有所述第二襯底的平面上的相互正交的第二和第三旋轉(zhuǎn)感測(cè)軸，以 及與所述第二和第三旋轉(zhuǎn)感測(cè)軸垂直的相關(guān)聯(lián)的第三加速度感測(cè)軸。此外，第三和第四檢 驗(yàn)塊具有橫對(duì)稱(chēng)軸和縱對(duì)稱(chēng)軸，以及與橫軸和縱軸垂直的相關(guān)聯(lián)的驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸。沿著相應(yīng) 的第三和第四檢驗(yàn)塊的橫軸以及縱軸安置相應(yīng)的第三對(duì)加速度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的 第四對(duì)加速度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)。第二子結(jié)構(gòu)還包括叉形部件，該叉形部件被配置來(lái)耦合第三 和第四檢驗(yàn)塊，以允許所述塊相對(duì)反相移動(dòng)，并且阻止所述塊同相移動(dòng)。將第三和第四檢驗(yàn) 塊固定到第二襯底的多個(gè)彎曲部分被配置為將所述塊限制為使其基本上僅僅以旋轉(zhuǎn)的方 式相對(duì)于第二襯底移動(dòng)。 在當(dāng)前公開(kāi)的實(shí)施例中，第二多傳感器子結(jié)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)，該驅(qū)動(dòng)電極結(jié)
構(gòu)被配置來(lái)反相可旋轉(zhuǎn)地振動(dòng)第三和第四檢驗(yàn)塊，也就是，繞著它的旋轉(zhuǎn)軸，以順時(shí)針?lè)较?br> /逆時(shí)針?lè)较蚪惶嫘D(zhuǎn)一個(gè)塊，而同時(shí)在相反的方向上繞著另一個(gè)塊的旋轉(zhuǎn)軸以基本上相
同的量旋轉(zhuǎn)該另一個(gè)塊。在具有可旋轉(zhuǎn)地振動(dòng)的塊的第二多傳感器子結(jié)構(gòu)經(jīng)歷線性和/或
者旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的情況下，第三和第四對(duì)加速度感測(cè)電極根據(jù)施加在第三和第四檢驗(yàn)塊上的線
性和科里奧利加速度力，產(chǎn)生在電性上獨(dú)立的加速度感測(cè)信號(hào)。第二子結(jié)構(gòu)被配置為(1)
將由與第三檢驗(yàn)塊相關(guān)聯(lián)的第三對(duì)加速度感測(cè)電極感測(cè)的加速度之差與由與第四檢驗(yàn)塊
相關(guān)聯(lián)的第三對(duì)加速度感測(cè)電極感測(cè)的加速度之差相加，以獲得與相對(duì)于第二旋轉(zhuǎn)軸的角
速度感測(cè)有關(guān)的信息，(2)將由與第三檢驗(yàn)塊相關(guān)聯(lián)的第四對(duì)加速度感測(cè)電極感測(cè)的加速
度之差與由與第四檢驗(yàn)塊相關(guān)聯(lián)的第四對(duì)加速度感測(cè)電極感測(cè)的加速度之差相加，以獲得
與相對(duì)于第三旋轉(zhuǎn)軸的角速度感測(cè)有關(guān)的信息，以及(3)將由與第三檢驗(yàn)塊相關(guān)聯(lián)的第三
對(duì)加速度感測(cè)電極感測(cè)的加速度之和、由與第四檢驗(yàn)塊相關(guān)聯(lián)的第三對(duì)加速度感測(cè)電極感
測(cè)的加速度之和、由與第三檢驗(yàn)塊相關(guān)聯(lián)的第四對(duì)加速度感測(cè)電極感測(cè)的加速度之和、以
及由與第四檢驗(yàn)塊相關(guān)聯(lián)的第四對(duì)加速度感測(cè)電極感測(cè)的加速度之和相加，以獲得與相對(duì)
于六自由度的多傳感器設(shè)備的第三加速度軸的加速度感測(cè)有關(guān)的信息。 通過(guò)提供微機(jī)械多傳感器，可以在單個(gè)多傳感器設(shè)備中獲得3個(gè)加速度感測(cè)軸和
3個(gè)角速度感測(cè)軸，其中該微機(jī)械多傳感器包括第一多傳感器子結(jié)構(gòu)和第二多傳感器子結(jié)
構(gòu)，其中第一多傳感器子結(jié)構(gòu)提供2個(gè)加速度感測(cè)軸和1個(gè)角速度感測(cè)軸，第二多傳感器子
結(jié)構(gòu)提供第三加速度感測(cè)軸以及第二和第三角速度感測(cè)軸。 通過(guò)以下本發(fā)明的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、功能以及方面將變得很清楚。


通過(guò)參考結(jié)合附圖的以下詳細(xì)說(shuō)明，將會(huì)更充分地理解本發(fā)明，在附圖中， 圖1是根據(jù)本發(fā)明的硅微機(jī)械多傳感器設(shè)備的示意透視圖； 圖2是在圖1的硅微機(jī)械多傳感器中包括的第一多傳感器子結(jié)構(gòu)的平面圖； 圖3是圖2的第一多傳感器子結(jié)構(gòu)的示意圖； 圖4是圖2的第一多傳感器子結(jié)構(gòu)的操作方法的流程7
圖5是在圖1的硅微機(jī)械多傳感器中包括的第二多傳感器子結(jié)構(gòu)的方框圖； 圖6是圖5的第二多傳感器子結(jié)構(gòu)的詳細(xì)平面圖； 圖7是用于圖5的第二多傳感器子結(jié)構(gòu)的加速度感測(cè)信號(hào)處理電路的示意圖； 圖8是圖5的第二多傳感器子結(jié)構(gòu)的可替換實(shí)施例的方框圖； 圖9是圖8的第二多傳感器子結(jié)構(gòu)的可替換實(shí)施例的詳細(xì)平面圖；禾口 圖10是圖5的第二多傳感器子結(jié)構(gòu)的操作方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
在此將2003年4月28日提交的、題目為"SIXDEGREE-OF-FRREEDOMMICRO-MACHINED MULTI-SENSOR(六自由度的微機(jī)械多傳感器)"的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)No. 60/466， 083引入，作為參考。 公開(kāi)了一種六自由度的微機(jī)械多傳感器，該六自由度的微機(jī)械多傳感器在單個(gè)多傳感器設(shè)備中提供3個(gè)加速度感測(cè)軸和3個(gè)角速度感測(cè)軸。當(dāng)前公開(kāi)的微機(jī)械多傳感器包括兩個(gè)三自由度的多傳感器子結(jié)構(gòu)，它們的每一個(gè)可以對(duì)稱(chēng)地布置在各自的模片上，以提高產(chǎn)量以及整個(gè)多傳感器設(shè)備的性能。 圖1描述了根據(jù)本發(fā)明的六自由度的微機(jī)械多傳感器100的示意圖。當(dāng)前公開(kāi)的六自由度的多傳感器100包含包括襯底102的第一三自由度的多傳感器子結(jié)構(gòu)103、以及包括襯底108的第二三自由度的多傳感器子結(jié)構(gòu)105。襯底102和108中的每個(gè)可以包括硅襯底，使硅襯底經(jīng)歷任何合適的體微機(jī)械處理，以形成微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)多傳感器設(shè)備。 如圖1所示，MEMS子結(jié)構(gòu)103包括傳感器101，傳感器101具有在襯底102的平面中安置的相互正交的兩個(gè)相關(guān)聯(lián)的加速度感測(cè)軸XA和YA，以及與加速度軸XA和YA垂直的一個(gè)相關(guān)聯(lián)的旋轉(zhuǎn)感測(cè)軸ZK。 MEMS子結(jié)構(gòu)103被配置來(lái)提供兩個(gè)沿加速度軸XA和YA的加速度感測(cè)的指示，以及一個(gè)相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸ZK的角速度感測(cè)的指示。而且，MEMS子結(jié)構(gòu)105包括傳感器104，傳感器104具有在襯底108的平面中安置的相互正交的兩個(gè)相關(guān)聯(lián)的旋轉(zhuǎn)感測(cè)軸XK和YK，以及與旋轉(zhuǎn)軸XK和YK垂直的一個(gè)相關(guān)聯(lián)的加速度感測(cè)軸ZA。 MEMS子結(jié)構(gòu)105被配置來(lái)提供兩個(gè)相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸XK和YK的角速度感測(cè)的指示，以及一個(gè)相對(duì)于加速度袖Za的加速度感測(cè)的指示。 應(yīng)當(dāng)明白的是，整個(gè)六自由度的多傳感器設(shè)備IOO有效地具有在設(shè)備的平面中的相互正交的兩個(gè)相關(guān)聯(lián)的X和Y軸(沒(méi)有示出)，以及與X和Y軸垂直的一個(gè)相關(guān)聯(lián)的Z軸(沒(méi)有示出)。例如，襯底102和108可以是共平面的，并且X和Y軸可以在襯底102和108的平面中。此外，六自由度的多傳感器設(shè)備100被配置來(lái)提供相對(duì)于三個(gè)軸X、 Y和Z中的每個(gè)的加速度感測(cè)的指示以及角速度感測(cè)的指示。為了討論清楚起見(jiàn)，在多傳感器100中包括的MEMS子結(jié)構(gòu)103和105被描述為分別具有兩組軸XA、 YA、 ZK和XK、 YK、 ZA。
圖2描述了在MEMS子結(jié)構(gòu)103(見(jiàn)圖1)中包括的傳感器101的例示性實(shí)施例201。在所述例示的實(shí)施例中，傳感器201包括在襯底202上形成的剛性加速度計(jì)框230以及檢驗(yàn)塊232. 1-232. 2和234. 1-234. 2。分別通過(guò)諧振器彎曲部分236. 1-236. 2，檢驗(yàn)塊232. 1-232. 2自剛性框230懸掛下來(lái)，以及分別通過(guò)諧振器彎曲部分238. 1-238. 2，檢驗(yàn)塊234. 1-234. 2自剛性框懸掛下來(lái)。而且，利用加速度計(jì)彎曲部分244. 1-244. 4，將剛性框230固定到襯底，其中加速度計(jì)彎曲部分244. 1-244. 4被對(duì)角地安置在襯底202上。
傳感器201還包括驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)246. 1-246. 2、248. 1-248. 2以及加速度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)A-D。如圖2所示，驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)246. 1-246. 2以及248. 1_248. 2包括各自的多個(gè)驅(qū)動(dòng)電極("指針(finger)")，它們相互平行并且互相交錯(cuò)。驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)246. 1-246. 2被配置為響應(yīng)于包括交流電壓的驅(qū)動(dòng)信號(hào)(沒(méi)有示出)而分別向檢驗(yàn)塊232. 1 = 232. 2施加靜電力，以及驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)248. 1-248. 2被配置為響應(yīng)于包括交流電壓的驅(qū)動(dòng)信號(hào)(沒(méi)有示出)而分別向檢驗(yàn)塊234. 1-234. 2施加靜電力。應(yīng)當(dāng)理解的是，驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)246. 1-246. 2和248. 1-248. 2可以替換地包括電磁驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，該電磁驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)被配置為分別響應(yīng)于交流電流信號(hào)而向檢驗(yàn)塊232. 1-232. 2和234. 1-234. 2施加電磁力。還應(yīng)當(dāng)理解的是，一些驅(qū)動(dòng)電極可以被替換使用來(lái)提供速度信號(hào)和科里奧利信號(hào)處理的基準(zhǔn)，其中速度信號(hào)為驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備提供反饋。 進(jìn)一步如圖2所示，加速度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)A-D包括各自的多個(gè)感測(cè)電極("指針")，它們相互平行并且互相交錯(cuò)。具體地，感測(cè)電極結(jié)構(gòu)A、 B、 C和D包括各自的第一組感測(cè)指針以及相應(yīng)的第二組感測(cè)指針，其中第一組感測(cè)指針整體地耦合到剛性框230，第二組感測(cè)指針固定于襯底202上。例如，在傳感器202經(jīng)歷線形和/或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的情況下，響應(yīng)于產(chǎn)生的線形加速度和/或科里奧利力，剛性框230相對(duì)于襯底202偏轉(zhuǎn)。因?yàn)楫?dāng)剛性框230偏轉(zhuǎn)時(shí)剛性框230和與感測(cè)電極結(jié)構(gòu)A-D相關(guān)聯(lián)的第一組感測(cè)指針(例如，見(jiàn)與感測(cè)電極結(jié)構(gòu)B相關(guān)聯(lián)的感測(cè)指針250) —起移動(dòng)，而第二組感測(cè)指針(例如，見(jiàn)與感測(cè)電極結(jié)構(gòu)B相關(guān)聯(lián)的感測(cè)指針252)保持固定于襯底202上，所以感測(cè)電極結(jié)構(gòu)A-D通過(guò)感測(cè)第一和第二組感測(cè)指針的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)感測(cè)框230的偏轉(zhuǎn)，并且產(chǎn)生其大小與偏轉(zhuǎn)的幅度成正比的感測(cè)信號(hào)A'-D'(見(jiàn)圖3)。應(yīng)當(dāng)明白的是，感測(cè)電極結(jié)構(gòu)A、C和D具有與感測(cè)電極結(jié)構(gòu)B的指針結(jié)構(gòu)類(lèi)型類(lèi)似的感測(cè)指針結(jié)構(gòu)。 傳感器201還包括多個(gè)自剛性框230懸掛下來(lái)的支桿240. 1-240. 4，以及用于支桿240. 1-240. 4的驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)240. 5-240. 6。具體而言，支桿240. 1彈性地耦合在檢驗(yàn)塊232. 1和支桿240. 3之間，支桿240. 2彈性地耦合在檢驗(yàn)塊232. 2和支桿240. 4之間，支桿240. 3彈性地耦合在檢驗(yàn)塊234. 1和支桿240. 1之間，以及支桿240. 4彈性地耦合在檢驗(yàn)塊234. 2和支桿240. 2之間。支桿240. 1-240. 4的目的在于耦合檢驗(yàn)塊的運(yùn)動(dòng)，使得它們作為單個(gè)諧振振蕩。此外，驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)240. 5-240. 6包括各自的多個(gè)驅(qū)動(dòng)指針，它們被安置為相互平行并且彼此互相交錯(cuò)。該驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)240. 5被配置為將靜電力施加到支桿240. 1和240. 3上，以及驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)240. 6被配置為將靜電力施加到支桿240. 2和240. 4上。應(yīng)當(dāng)理解的是，驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)240. 5-240. 6可以替換地包括各自的電磁驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。
應(yīng)該注意的是，檢驗(yàn)塊232. 1機(jī)械地耦合到檢驗(yàn)塊232. 2，使得檢驗(yàn)塊232. 1-232. 2基本上作為單個(gè)塊一起移動(dòng)。同樣，檢驗(yàn)塊234. 1機(jī)械地耦合到檢驗(yàn)塊234. 2，使得檢驗(yàn)塊234. 1-234. 2基本上作為單個(gè)塊一起移動(dòng)。此外，將檢驗(yàn)塊232. 1-232. 2自剛性框230懸掛的彎曲部分236. 1-236. 2被配置為將檢驗(yàn)塊232. 1-232. 2限制為基本上僅僅在軸XA方向上相對(duì)于框230移動(dòng)。同樣，將檢驗(yàn)塊234. 1-234. 2自剛性框230懸掛的彎曲部分238. 1-238. 2被配置為將檢驗(yàn)塊234. 1-234. 2限制為基本上僅僅在軸XA方向上相對(duì)于框230移動(dòng)。將剛性框230固定到襯底202上的彎曲部分244. 1-244. 2被配置為將剛性框230限制為允許框230相對(duì)于襯底202旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以用于科里奧利感測(cè)。
對(duì)角彎曲部分244. 1-244. 4形成折疊對(duì)，使得它們?cè)试S一些平移運(yùn)動(dòng)，不像被安排為對(duì)角輻條的單個(gè)彎曲部分。這減少了用于表面微機(jī)械的淀積膜中的應(yīng)力，并且允許沿XA和YA軸的線性加速度感測(cè)。科里奧利加速度通常遠(yuǎn)小于將要感測(cè)的線性加速度，于是希望使彎曲部分244. l-244.2對(duì)于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)比沿著XA和YA軸更具柔性。通過(guò)使用合適的彎曲長(zhǎng)度與折疊間隔的比率來(lái)產(chǎn)生期望的柔性比率。 還應(yīng)當(dāng)注意的是，在傳感器201的橫對(duì)稱(chēng)軸的每一側(cè)上和垂直對(duì)稱(chēng)軸的每一側(cè)上，以鏡像的方式安置剛性框230、檢驗(yàn)塊232. 1-232. 2和234. 1_234. 2、驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)246. 1-246. 2、248. 1-248. 2和240. 5-240. 6、加速度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)A-D、支桿240. 1-240. 4以及彎曲部分236. 1-236. 2、238. 1-238. 2以及244. 1-244.4。因而，傳感器201具有兩個(gè)正交的鏡面對(duì)稱(chēng)，并且可以對(duì)稱(chēng)地將中心定位于模片(沒(méi)有示出)上，以減少模片表面區(qū)域變形和梯度對(duì)傳感器性能的不利影響。 圖3描述了圖1的MEMS子結(jié)構(gòu)103的例示性實(shí)施例的示意圖。在該例示性實(shí)施例中，MEMS子結(jié)構(gòu)303包括傳感器301、跨阻放大器304、多個(gè)差分放大器306、308、310、312、316和320、多個(gè)求和放大器314、318和322、以及相位解調(diào)器324。如上所述，檢驗(yàn)塊232. 1-232. 2(見(jiàn)圖2)被耦合在一起作為單個(gè)塊來(lái)運(yùn)動(dòng)，以及檢驗(yàn)塊234. 1-234. 2(見(jiàn)圖2)也類(lèi)似地被耦合在一起作為單個(gè)塊來(lái)運(yùn)動(dòng)。因而，傳感器301包括代表剛性框230(見(jiàn)圖2)的剛性加速度計(jì)框330、代表檢驗(yàn)塊232. 1-232. 2的第一檢驗(yàn)塊332、以及代表檢驗(yàn)塊234. 1-234. 2的第二檢驗(yàn)塊334。 具體而言，第一檢驗(yàn)塊332通過(guò)諧振器彎曲部分336自剛性框330懸下，其中諧振器彎曲部分336代表彎曲部分236. 1-236. 2 (見(jiàn)圖2)，以及第二檢驗(yàn)塊334通過(guò)諧振器彎曲部分338自剛性框330懸下，其中諧振器彎曲部分338代表彎曲部分238. 1-238. 2 (見(jiàn)圖2)。此外，剛性框330通過(guò)多個(gè)加速度計(jì)彎曲部分(例如彎曲部分244. 1-224. 4，見(jiàn)圖2)固定到襯底(例如，襯底202，見(jiàn)圖2)上。 傳感器301 (見(jiàn)圖3)還包括代表支桿的彈性部件340和驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)240. 1-240. 6 (見(jiàn)圖2)。彈性部件340彈性地互連第一檢驗(yàn)塊332和第二檢驗(yàn)塊334。此外，傳感器301包括用于振動(dòng)檢驗(yàn)塊332和334的驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)(例如驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)246. 1-246. 2和248， 1-248. 2，見(jiàn)圖2)，以及代表圖2的感測(cè)電極結(jié)構(gòu)A-D的加速度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)A、B、C和D。 具體而言，驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)被配置為以機(jī)械諧振來(lái)同時(shí)振動(dòng)相應(yīng)的第一和第二檢驗(yàn)塊332和334，并且彈性部件340被配置為沿振動(dòng)軸反相(也就是，相差18(T )移動(dòng)檢驗(yàn)塊332和334，其中在當(dāng)前公開(kāi)的實(shí)施例中振動(dòng)軸平行于加速度軸XA。完全相對(duì)的加速度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)A-B沿加速度軸YA安置并且耦合到剛性框330，完全相對(duì)的加速度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)C-D沿加速度軸XA安置并且耦合到剛性框330。相應(yīng)的感測(cè)電極結(jié)構(gòu)A-D被配置為分別產(chǎn)生電性上獨(dú)立的感測(cè)信號(hào)A'、 B'、 C'和D'?；蛘?，來(lái)自用于將框附著到襯底上的彎曲部分244. l-244.4的偏轉(zhuǎn)的彈簧力可以用于平衡科里奧利力和用來(lái)感測(cè)這些偏轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)A、B、C和D。如果用于表面微機(jī)械的結(jié)構(gòu)膜是多晶硅，則彎曲部分的偏轉(zhuǎn)與這些力非常線性相關(guān)，從而使得引入電恢復(fù)力的復(fù)雜性是不經(jīng)濟(jì)的。 本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該明白，由于檢驗(yàn)塊332和334沿振動(dòng)軸振動(dòng)，同時(shí)剛性框330圍繞旋轉(zhuǎn)軸ZK旋轉(zhuǎn)，所以檢驗(yàn)塊332和334的每一 在由加速度軸XA和YA定義的平面內(nèi)經(jīng)歷科里奧利加速度。此外，因?yàn)闄z驗(yàn)塊332和334反相振動(dòng)，所以相應(yīng)的檢驗(yàn)塊332和334在相反的方向上經(jīng)歷科里奧利加速度。因此，視在的科里奧利力被施加到檢驗(yàn)塊332和334，在加速度軸Xa和Ya的平面內(nèi)，在相反的方向上偏轉(zhuǎn)檢驗(yàn)塊332和334。
因而，檢驗(yàn)塊332和334對(duì)相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸ZK的科里奧利加速度的響應(yīng)是反相的，而檢驗(yàn)塊332和334對(duì)相對(duì)于加速度軸XA和YA的線形加速度的響應(yīng)是同相的。因此，合適地相加和/相減電性上獨(dú)立的加速度感測(cè)信號(hào)A' 、 B' 、 C'和D'，以提取與線性加速度對(duì)應(yīng)的信息(例如加速度感測(cè)信息)，以及提取與科里奧利加速度對(duì)應(yīng)的信息(例如角速度感測(cè)信息)。例如，第一組電恢復(fù)力(沒(méi)有示出)可以被采用來(lái)平衡線性加速度力，以及第二組電恢復(fù)力(沒(méi)有示出)可以被用來(lái)平衡科里奧利加速度力。此外，相應(yīng)的感測(cè)電極結(jié)構(gòu)A、B、C和D可以被配置來(lái)根據(jù)電恢復(fù)力的大小產(chǎn)生電性上獨(dú)立的加速度感測(cè)信號(hào)A' 、 B' 、 C'和D，。 具體而言，差分放大器306被配置來(lái)從感測(cè)電極結(jié)構(gòu)B接收差分感測(cè)信號(hào)B'，并且將相應(yīng)的感測(cè)信號(hào)b提供給求和放大器314和差分放大器316。類(lèi)似地，差分放大器308被配置為從感測(cè)電極結(jié)構(gòu)A接收差分感測(cè)信號(hào)A'，并且將相應(yīng)的感測(cè)信號(hào)a提供給求和放大器314和差分放大器316。此外，差分放大器310被配置為從感測(cè)電極結(jié)構(gòu)D接收差分感測(cè)信號(hào)D'，并且將相應(yīng)的感測(cè)信號(hào)d提供給求和放大器318和差分放大器320，以及差分放大器312被配置為從感測(cè)電極結(jié)構(gòu)C接收差分感測(cè)信號(hào)C'，并且將相應(yīng)的感測(cè)信號(hào)c提供給求和放大器318和差分放大器320。 求和放大器314被配置為將感測(cè)信號(hào)a和b相加，并且產(chǎn)生感測(cè)信號(hào)和a+b，該感測(cè)信號(hào)和a+b包含與沿加速度軸XA的加速度感測(cè)有關(guān)的信息("X-加速度")。同樣，求和放大器318被配置為將感測(cè)信號(hào)c和d相加，并且產(chǎn)生感測(cè)信號(hào)和c+d，該感測(cè)信號(hào)和c+d包含與沿加速度軸YA的加速度感測(cè)有關(guān)的信息("Y-加速度")。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解的是，可以要求附加的鎖相載波來(lái)提取加速度感測(cè)信息。 差分放大器316被配置為將感測(cè)信號(hào)a和b相減，并且將感測(cè)信號(hào)差a-b提供給求和放大器322。同樣，差分放大器320被配置為將感測(cè)信號(hào)c和d相減，并且將感測(cè)信號(hào)差c-d提供給求和放大器322。此外，求和放大器322被配置為將感測(cè)信號(hào)a-b和c-d相加，并且將和a+c-b-d提供給相位解調(diào)器324。感測(cè)信號(hào)a+c-b-d包括與相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸ZK的角速度感測(cè)有關(guān)的信息("Z-角速度")。但是，應(yīng)該注意的是，感測(cè)信號(hào)a+c-b-d也可以
包括至少一些與沿著加速度軸XA和YA的中一個(gè)或者兩者的加速度感測(cè)有關(guān)的信息。因而，
相位解調(diào)器324被配置為抑制陀螺感測(cè)信號(hào)a+c-b-d中的加速度信息。
具體而言，相位解調(diào)器324針對(duì)速度感測(cè)信號(hào)V來(lái)解調(diào)陀螺感測(cè)信號(hào)a+c-b-d，其中速度感測(cè)信號(hào)V與檢驗(yàn)塊332和334的振動(dòng)速度同相，而與檢驗(yàn)塊加速度異步。如圖3所示，傳感器301包括速度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)342，被配置為將速度感測(cè)信號(hào)V(電流信號(hào))提供給跨阻放大器304，該跨阻放大器304將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓信號(hào)v。通過(guò)感測(cè)耦合到檢驗(yàn)塊332和334的電極與固定到襯底上的電極的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，速度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)342感測(cè)檢驗(yàn)塊332和334的振動(dòng)速度，并且產(chǎn)生速度感測(cè)信號(hào)V，該速度感測(cè)信號(hào)V與振動(dòng)速度同相。接著，跨阻放大器304將電壓信號(hào)v作為相位基準(zhǔn)提供給相位解調(diào)器324。因?yàn)樗俣雀袦y(cè)信號(hào)V與加速度信號(hào)a+b和c+d異步，所以通過(guò)相位解調(diào)器324抑制了在求和放大器322的輸出處的加速度信息，由此在相位解調(diào)器的輸出處增加了陀螺的信噪比(SNR)。
可以明白的是，為了利用差分電容器感測(cè)加速度計(jì)電極A、B、C和D的靜態(tài)偏轉(zhuǎn)，必 須向框330提供交流電壓，并且針對(duì)該電壓同步地解調(diào)信號(hào)。可以在差分放大器306、308、 310和312或者求和放大器314、316、318和322中執(zhí)行該種解調(diào)。為了提高靈敏度，交流電 壓的頻率應(yīng)該如實(shí)際中一樣高。為了阻止來(lái)自相對(duì)頻率漂移的誤差，應(yīng)當(dāng)使用鎖相環(huán)使交 流電壓與速度信號(hào)相關(guān)，鎖相環(huán)是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的。還應(yīng)當(dāng)注意的是在此為了容易 解釋而分開(kāi)示出的各種放大器可以組合為一個(gè)集成電路中的晶體管的更有效配置，以及然
后可以不遵守精確的操作順序，但保留整個(gè)功能。特別地，如果選擇連續(xù)時(shí)間(例如基于放 大器)實(shí)現(xiàn)，則通過(guò)維持直到相位解調(diào)器的差分信號(hào)路徑，來(lái)最佳地保留過(guò)程的完整性。如 果使用離散時(shí)間(例如數(shù)字化的)實(shí)現(xiàn)，則合并加法、減法、解調(diào)和/或過(guò)濾操作常常是有 效的。 參考圖4描述當(dāng)前公開(kāi)的多傳感器子結(jié)構(gòu)303(見(jiàn)圖3)的操作方法。如步驟402 中所述，在多傳感器子結(jié)構(gòu)303中包括的兩個(gè)檢驗(yàn)塊沿振動(dòng)軸反相地振動(dòng)，同時(shí)多傳感器 圍繞旋轉(zhuǎn)軸4旋轉(zhuǎn)。應(yīng)該理解的是，振動(dòng)軸在多傳感器的襯底平面上(例如，平行于加速 度軸XA)，以及旋轉(zhuǎn)ZK與振動(dòng)軸和多傳感器的襯底垂直。接著，如步驟404中所述，將多傳 感器的加速度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)A和B產(chǎn)生的差分感測(cè)信號(hào)A'和B'分別轉(zhuǎn)化為感測(cè)信號(hào)a和 b。同樣，如步驟406中所述，將加速度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)C和D產(chǎn)生的差分感測(cè)信號(hào)C'和D' 分別轉(zhuǎn)化為感測(cè)信號(hào)c和d。加速度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)A和B沿加速度軸XA安置。此外，加速 度電極結(jié)構(gòu)C和D沿加速度軸YA安置，其中加速度軸YA處于襯底的平面上并且垂直于加速 度軸XA。然后，如步驟408中所述，將感測(cè)信號(hào)a和b相加，以產(chǎn)生感測(cè)信號(hào)之和a+b，該感 測(cè)信號(hào)之和a+b包含與沿加速度軸XA的加速度感測(cè)有關(guān)的信息(X-加速度)。同樣，如步 驟410中所述，將感測(cè)信號(hào)c和d相加，以產(chǎn)生感測(cè)信號(hào)之和c+d，該感測(cè)信號(hào)之和c+d包 含與沿加速度軸YA的加速度感測(cè)有關(guān)的信息(Y-加速度)。接著，如步驟412中所述，將感 測(cè)信號(hào)a和b相減，以產(chǎn)生感測(cè)信號(hào)之差a-b。同樣，如步驟414中所述，將感測(cè)信號(hào)c和d 相減，以產(chǎn)生感測(cè)信號(hào)之差c-d。然后，如步驟416中所述，將感測(cè)信號(hào)a-b和c-d相加，以 產(chǎn)生感測(cè)信號(hào)之和(a-b) + (c-d)，該感測(cè)信號(hào)之和(a-b) + (c-d)包含與相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸^的 角速度感測(cè)有關(guān)的信息(Z-角速度)。最后，如步驟418中所述，最優(yōu)化地抑制在陀螺感測(cè) 信號(hào)a+c-b-d中可能包括的加速度信息，以增加陀螺的SNR。信號(hào)處理領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該 理解，圖4的示意性算法不是僅有的產(chǎn)生期望最終結(jié)果的算法，其它離散時(shí)間實(shí)現(xiàn)在功能 上是等效的。例如，可以合適地互換或者合并加法、減法和解調(diào)的順序。
圖5描述了在MEMS子結(jié)構(gòu)105(見(jiàn)圖1)中包括的傳感器104的例示性實(shí)施例504。 在該例示性實(shí)施例中，傳感器504包括一對(duì)加速度計(jì)505-506。加速度計(jì)505-506分別包 括塊509和507，塊509和507的每一個(gè)基本上是圓形的。應(yīng)當(dāng)理解的是，可替換地，塊507 和509可以基本上為正方形、六邊形、八邊形或者任何其他合適的幾何形狀。通過(guò)多個(gè)彎曲 部分(沒(méi)有示出)將圓形塊507和509固定到襯底508并且懸掛于襯底508的上方。傳感 器504還包括叉形部件510，該叉形部件510被配置為耦合圓形塊507和508，以允許所述 塊相對(duì)反相移動(dòng)，并且阻止所述塊同相移動(dòng)。固定圓形塊507和509并將它們懸掛在襯底 508上方的多個(gè)彎曲部分被配置為將所述塊限制為在平行于襯底的平面上基本上僅僅以旋 轉(zhuǎn)方式移動(dòng)，以及在與襯底508垂直的平面上基本上僅僅以傾斜或者平移方式移動(dòng)。
例如，襯底508可以包括硅襯底，或者任何其它合適類(lèi)型的襯底。此外，可以使襯底508經(jīng)歷任何合適的體微機(jī)械加工處理，以形成微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)多傳感器設(shè)備。可以 經(jīng)由現(xiàn)有技術(shù)中任何合適的處理來(lái)形成傳感器504的圓形塊507和509以及耦合叉形部件 510。 如圖5所示，傳感器504具有在襯底508平面內(nèi)的相互正交的兩個(gè)相關(guān)聯(lián)的旋轉(zhuǎn) 感測(cè)軸XK和YK，以及與旋轉(zhuǎn)感測(cè)軸XK和YK垂直(例如垂直于襯底508)的一個(gè)相關(guān)聯(lián)的加 速度感測(cè)軸ZA。傳感器504被配置為提供兩個(gè)相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸XK和YK的角速度感測(cè)的指示 以及一個(gè)相對(duì)于加速度軸ZA的加速度感測(cè)的指示。此外，圓形塊507和509的每一個(gè)具有 橫向和縱向?qū)ΨQ(chēng)軸(沒(méi)有標(biāo)出)，以及與其相關(guān)聯(lián)的垂直于橫軸和縱軸的旋轉(zhuǎn)軸(例如分別 為旋轉(zhuǎn)軸582和584)。 傳感器504還包括沿各個(gè)圓形塊507和509的縱軸和橫軸安置的加速感測(cè)電極結(jié) 構(gòu)512-519。具體而言，加速度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)512-513和516-517分別沿著圓形塊507的縱 軸和橫軸彼此完全相對(duì)，以及加速度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)514-515和518-519分別沿著圓形塊509 的縱軸和橫軸彼此完全相對(duì)。加速度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)512-519的每一個(gè)包括在相應(yīng)的圓形塊 的表面上安置的第一電極和在與第一電極相對(duì)的襯底508的表面上安置的第二電極，形成 差分電容器，該差分電容器的電容值基于第一和第二電極之間的距離而增加/減小。傳感 器504包括電路，該電路被配置來(lái)感測(cè)電容值的變化，并且提供電性上獨(dú)立的加速度感測(cè) 信號(hào)，這些加速度感測(cè)信號(hào)包括與分別相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸XK、 YK和加速度軸ZA的角速度感測(cè)和 加速度感測(cè)有關(guān)的信息。例如，加速度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)512-519的第一和第二電極的每一個(gè) 可以由多晶硅("多晶硅")、擴(kuò)散區(qū)域、金屬或者任何其它合適的材料制成。
圖6描述了傳感器104(見(jiàn)圖1)的詳細(xì)平面圖604。如圖6所示，微機(jī)械多傳感 器604包括一對(duì)加速度計(jì)605-606。加速度計(jì)605-606分別包括基本上為圓形的塊609和 607，其中圓形塊609和607通過(guò)多個(gè)彎曲結(jié)構(gòu)固定到襯底608并且懸掛在襯底608的上方， 襯底608例如為硅襯底。具體而言，固定和懸掛圓形塊607的彎曲結(jié)構(gòu)的每一個(gè)包括固定 部分670和應(yīng)力釋放部件660，以及固定和懸掛圓形塊609的每個(gè)彎曲結(jié)構(gòu)包括固定部分 672和應(yīng)力釋放部件662。在所述例示性的實(shí)施例中，應(yīng)力釋放部件660和662在中心自由 對(duì)折，以釋放應(yīng)力。因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)可以引起恢復(fù)力和力矩的一些局部不對(duì)稱(chēng)，所以折疊部件 660和662成對(duì)地安置，以維持平衡(見(jiàn)圖6)。 傳感器604還包括叉形部件610，以及加速度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)612-619。叉形部件 610被配置為耦合兩個(gè)圓形塊607和609，以允許所述塊相對(duì)反相旋轉(zhuǎn)移動(dòng)，并且阻止所述 塊同相旋轉(zhuǎn)移動(dòng)，如現(xiàn)有技術(shù)中所知。加速度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)612-619沿著各個(gè)圓形塊607 和609的縱軸和橫軸安置。 應(yīng)該注意的是，圓形塊607和609、叉形部件610以及加速度感測(cè)電極結(jié)構(gòu) 612-619基本上分別等效于傳感器504 (見(jiàn)圖5)的圓形塊507和509、叉形部件510和加速 度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)512-519。此外，如圖6所述的旋轉(zhuǎn)感測(cè)軸X^和Y^和加速度感測(cè)軸ZA對(duì)應(yīng) 于參考圖5描述的旋轉(zhuǎn)感測(cè)軸XK和YK和加速度感測(cè)軸ZA。 如圖6所示，傳感器604包括多個(gè)驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)640和642，它們固定于襯底608 上，并且被配置來(lái)反相可旋轉(zhuǎn)地振動(dòng)圓形塊607和609，也就是，圍繞其旋轉(zhuǎn)軸以順時(shí)針?lè)?向/逆時(shí)針?lè)较蚪惶娴匦D(zhuǎn)一個(gè)塊，而同時(shí)在相反的方向上圍繞另一個(gè)塊的旋轉(zhuǎn)軸以基本 上相同的量旋轉(zhuǎn)該另一塊。具體而言，驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)640被用來(lái)圍繞旋轉(zhuǎn)軸682可旋轉(zhuǎn)地振動(dòng)圓形塊607，以及驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)642被用來(lái)圍繞旋轉(zhuǎn)軸684可旋轉(zhuǎn)地振動(dòng)圓形塊609。在 當(dāng)前公開(kāi)的實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)640和642分別沿著圓形塊607和609的徑向軸安置。 此外，每個(gè)驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)640和642包括多個(gè)電極("指針")，它們分別與從圓形塊607和 609的至少一個(gè)徑向邊緣延伸的相應(yīng)的多個(gè)指針互相交錯(cuò)。驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)640和642被耦 合到用于產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)的信號(hào)源(沒(méi)有示出)，該驅(qū)動(dòng)信號(hào)用于以振動(dòng)的方式反相可旋轉(zhuǎn) 地振動(dòng)塊607和609，如方向箭頭680所示。 應(yīng)該注意的是，圓形幾何形狀的主要目的在于提供樞軸和支桿，以將完全相對(duì)的 塊分段的非平行線性運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為適合與叉形部件耦合的運(yùn)動(dòng)。因而，在產(chǎn)生科里奧利力時(shí) 的塊分段的有用運(yùn)動(dòng)是主要的線性分量，而不是旋轉(zhuǎn)分量。 所述傳感器604還包括多個(gè)速度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)650和652，該多個(gè)速度感測(cè)電極結(jié) 構(gòu)650和652固定于所述襯底608上且被配置來(lái)分別感測(cè)圓形塊607和609的振動(dòng)速度。 在當(dāng)前公開(kāi)的實(shí)施例中，所述速度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)650和652分別沿著圓形塊607和609的 徑向軸安置。此外，所述速度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)650和652中的每個(gè)包括多個(gè)指針，該電極與分 別從圓形塊607和609的徑向邊緣延伸出去的相應(yīng)的多個(gè)指針互相交錯(cuò)在一起。所述速度 感測(cè)電極結(jié)構(gòu)650和652的所述互相交錯(cuò)的指針形成差分電容器，該電容器的電容值基于 所述圓形塊607和609是否沿順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)而增加/減少。所述傳感器604包括電 路(未示出)，該電路被配置來(lái)感測(cè)電容值中的變化，以及基于所述改變的電容值提供指示 圓形塊607和609的振動(dòng)速度的速度感測(cè)。 本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員應(yīng)該明白的是，由于圓形塊607和609分別繞著所述旋 轉(zhuǎn)軸682和684振動(dòng)，而所述傳感器604繞著圓形塊607和609的徑向軸(未標(biāo)識(shí))旋轉(zhuǎn)， 所以所述圓形塊607和609經(jīng)歷了科里奧利加速度。此外，由于所述圓形塊607和609反 相振動(dòng)，所以所述科里奧利加速度被按照相反的方向施加到各個(gè)圓形塊上。結(jié)果是，視在的 科里奧利力被施加到圓形塊607和609上，并且相對(duì)于所述襯底608，按照相反的方向偏轉(zhuǎn) 所述圓形i央607和609。 例如，在圖6中使用符號(hào)"+ "和"-"來(lái)表示由于所施加的科里奧利力造成的圓形塊 607和609的偏轉(zhuǎn)的相對(duì)方向。如圖6中所示，圓形塊607的加速度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)612_613和 616-617分別被標(biāo)識(shí)為-，+，_和+ ;圓形塊609的加速度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)614-615和618-619 分別被標(biāo)識(shí)為+， _， +和_ ;以指示所述施加的科里奧利力相對(duì)于所述襯底608按照相反的 方向偏轉(zhuǎn)所述圓形塊607和609的這些相應(yīng)區(qū)域。 應(yīng)該注意的是，分別利用相反的符號(hào)_和+來(lái)標(biāo)識(shí)圓形塊607的沿著縱軸的加速 度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)612-613以及沿著橫軸的加速度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)616-617。同樣，分別利用相 反的符號(hào)+和_來(lái)標(biāo)識(shí)圓形塊609的沿著縱軸的加速度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)614-615以及沿著橫 軸的加速度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)618-619。這是因?yàn)椋谒龉_(kāi)的實(shí)施例中，所述圓形塊607和 609是剛性結(jié)構(gòu)，其被配置來(lái)響應(yīng)于所述施加的科里奧利力來(lái)相對(duì)于所述襯底608傾斜。
而且，由于所述施加的科里奧利力按照相反的方向偏轉(zhuǎn)所述圓形塊607和609，所 述圓形塊607和609對(duì)相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸XK和YK的科里奧利加速度的響應(yīng)是反相的，而所述圓 形塊607和609對(duì)相對(duì)于加速度軸ZA的線形加速度的響應(yīng)是同相的。因此，經(jīng)由所述加速 度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)612-619提供的電性上獨(dú)立的感測(cè)信號(hào)可以被相加和/或相減來(lái)從所述感 測(cè)信號(hào)提取與所述線性加速度對(duì)應(yīng)的信息(也就是，加速度感測(cè)信息)，以及從所述感測(cè)信號(hào)中提取與所述科里奧利加速度對(duì)應(yīng)的信息(也就是，所述角速度感測(cè)信息)。
圖7描述了加速度感測(cè)信號(hào)處理電路700的例示實(shí)施例，該信號(hào)處理電路被配置 來(lái)從加速度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)612_619(見(jiàn)圖6)提供的加速度感測(cè)信號(hào)中提取所述加速度感 測(cè)信息和所述角速度感測(cè)信息。例如，所述信號(hào)處理電路700可以在與傳感器604相同的 一個(gè)襯底上實(shí)現(xiàn)。在所述例示的實(shí)施例中，所述感測(cè)信號(hào)處理電路700包括多個(gè)求和放 大器702-706以及多個(gè)差分放大器708-709，其用于相加/相減所述加速度感測(cè)電極結(jié)構(gòu) 612-619感測(cè)的加速度，以提取所述加速度感測(cè)信息和所述角速度感測(cè)信息。
具體而言，所述加速度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)612-613感測(cè)的加速度包括相對(duì)于加速度軸 ZA的線形分量Az和相對(duì)于所述旋轉(zhuǎn)軸YK的時(shí)變旋轉(zhuǎn)分量ay (w)，而所述加速度感測(cè)電極結(jié) 構(gòu)614-615感測(cè)的加速度包括相對(duì)于加速度軸ZA的線形分量Bz和相對(duì)于所述旋轉(zhuǎn)軸YK的 時(shí)變旋轉(zhuǎn)分量by (w)。應(yīng)該注意的是，所述旋轉(zhuǎn)分量ay (w)和by (w)按照角速度振動(dòng)頻率w 改變，并且與繞著與所述振動(dòng)速度矢量垂直的徑向軸旋轉(zhuǎn)的速度成正比。由于圓形塊607 和609的振動(dòng)速度相反，并且加速度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)612-613感測(cè)的加速度分別為Az+ay(w) 和Az-ay (w)，而加速度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)614-615感測(cè)的加速度分別為Bz+by (w)和Bz_by (w)。 同樣，加速度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)616-617感測(cè)的加速度分別為Az+ax(w)和Az-ax(w);而加速度 感測(cè)電極結(jié)構(gòu)618-619感測(cè)的加速度分別為Bz+bx(w)和Bz-bx(w)。 如上所述，所述圓形塊607和609 (見(jiàn)圖6)對(duì)相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸XK和YK的科里奧利 加速度的響應(yīng)是反相的，而所述圓形塊607和609對(duì)相對(duì)于加速度軸ZA的線性加速度的響 應(yīng)是同相的。因此，所述圓形塊607和609(見(jiàn)圖6)對(duì)由加速度ay(w)和-ay(w)， by(w) 和-by (w) ， ax (w)和-ax (w) ， bx (w)和_bx (w)表示的相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸XK和YK的科里奧利加 速度的響應(yīng)是反相的，而所述圓形塊607和609對(duì)由加速度Az和Bz表示的相對(duì)于加速度 軸ZA的線性加速度的響應(yīng)是同相的。 如圖7中所示，表示由電極結(jié)構(gòu)616和618感測(cè)的加速度Az+ax(w)和Bz+bx(w) 的信號(hào)被分別施加于所述求和放大器702，該求和放大器702被配置為相加這些加速度。 同樣，表示由電極結(jié)構(gòu)617和619感測(cè)的加速度Az-ax(w)和Bz-bx(w)的信號(hào)被分別施 加于所述求和放大器703，該求和放大器703被配置為相加這些加速度。接著，所述求和 放大器702-703將所述在其各自的輸出端得到的信號(hào)施加給差分放大器708，所述放大器 708將向其提供的各個(gè)信號(hào)和相減，并且產(chǎn)生指示相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸XK的角速度感測(cè)的信號(hào) 2ax (w) +2bx (w) ( "X-角速度")。 此外，表示電極結(jié)構(gòu)612和614感測(cè)的加速度Az+ay(w)和Bz+by(w)的信號(hào)被分 別施加給求和放大器704，該求和放大器704被配置為相加這些加速度。表示由電極結(jié)構(gòu) 613和615感測(cè)的加速度Az-ay (w)和Bz-by (w)的信號(hào)被分別施加于所述求和放大器705， 該求和放大器705被配置為相加這些加速度。接著，所述求和放大器704-705將所述在其 各自的輸出端得到的信號(hào)施加給差分放大器709所述放大器709將向其提供的各個(gè)信號(hào)和 相減，并且產(chǎn)生指示相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸YK的角速度感測(cè)的信號(hào)2ay (w) +2by (w) ( "Y_角速度")。
而且，所述求和放大器702-705將其各自的信號(hào)輸出上得到的信號(hào)提供給所述求 和放大器706，該求和放大器706被配置來(lái)相加這些信號(hào)來(lái)抵消所述旋轉(zhuǎn)分量 (w) 、bx(w)、 ay(w)和by(W)，留下指示相對(duì)于加速度軸Z的加速度感測(cè)的線形分量4Az+4Bz ( "Z-加速 度")。
圖8描述了根據(jù)本發(fā)明的傳感器104(見(jiàn)圖1)的第二例示實(shí)施例804。在所述例 示的實(shí)施例中，所述傳感器804包括加速度計(jì)801、802、891和892，其被安置為形成一個(gè)方 陣。所述加速度計(jì)801 、802、891和892分別包括塊803、805、807和809，每個(gè)塊基本上為正 方形。然而，應(yīng)該理解的是，可選擇地，所述塊803、805、807和809可以是基本上為圓形、六 邊形、八邊形或任何其他合適的幾何形狀。 利用多個(gè)彎曲部分(未示出)將所述正方形塊803、805、807和809懸掛在襯底 808上方且固定在所述襯底808上。所述傳感器804還包括耦合鄰近塊803和805的叉形 部件810、耦合鄰近塊803和807的叉形部件812，耦合鄰近塊807和809的叉形部件814， 以及耦合鄰近塊805和809的叉形部件816。所述叉形部件810、812、814和816被配置來(lái) 耦合所述塊803 、805 、807和809，以允許所述鄰近塊繞旋轉(zhuǎn)軸852 、854、856和858相對(duì)反相 地旋轉(zhuǎn)移動(dòng)，并且阻止所述鄰近塊繞旋轉(zhuǎn)軸852、854、856和858同相旋轉(zhuǎn)移動(dòng)。
類(lèi)似于所述傳感器604的襯底608 (見(jiàn)圖6)，所述傳感器804的所述襯底808 (見(jiàn) 圖8)包括硅襯底，或任何其他合適類(lèi)型的襯底。此外，使襯底808經(jīng)受任何合適的體微機(jī) 械處理來(lái)形成微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)多傳感器設(shè)備。 如圖8中所示，傳感器804在襯底808的平面上具有兩個(gè)關(guān)聯(lián)的相互正交的旋轉(zhuǎn) 感測(cè)軸XK和YK，以及與所述旋轉(zhuǎn)軸XK和YK垂直的一個(gè)關(guān)聯(lián)的加速度感測(cè)軸ZA。類(lèi)似于所 述傳感器604 (見(jiàn)圖6)，所述傳感器804提供兩個(gè)相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸XK和YK的角速度感測(cè)的指 示，以及一個(gè)相對(duì)于所述加速度軸ZA的加速度感測(cè)的指示。 所述傳感器804還包括加速度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)818-821 、826-829和822-825、 830-833，所述加速度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)818-821 、826-829和822-825 、830-833沿著所述lfe803、 805、807和809的所述縱軸和橫軸彼此完全相對(duì)地安置。所述加速度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)818-833 中的每個(gè)包括安置在各個(gè)塊的表面上的第一電極，以及安置在與第一電極相對(duì)的襯底808 的表面上的第二電極，由此形成其電容值基于第一和第二電極之間的距離而增加/減少的 差分電容器。該電容值被用來(lái)提供電性上獨(dú)立的加速度感測(cè)信號(hào)，該加速度感測(cè)信號(hào)包括 與分別相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸XK、 YK和加速度軸ZA的角速度感測(cè)和加速度感測(cè)有關(guān)的信息。
例如，所述加速度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)818-819、820-821、826-827和828-829分別被使 用來(lái)提供加速度Az+ay (w)和Az_ay (w) 、 Bz+by (w)和Bz_by (w) ， Cz+cy (w)和Cz_cy (w)，以 及Dz+dy (w)和Dz-dy (w)的指示，其中，Az、Bz、Cz和Dz是相對(duì)于加速度軸ZA的線性加速度 分量，而ay (w) 、by (w) 、cy (w)和dy (w)是相對(duì)于所述旋轉(zhuǎn)軸YK的時(shí)變旋轉(zhuǎn)加速度分量。此 外，所述加速度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)822-823、830-831、824-825和832-833分別被使用來(lái)提供加 速度Az+ax (w)禾口 Az_ax (w) 、 Bz+bx (w)禾口 Bz_bx (w) ， Cz+cx (w)禾口 Cz_cx (w)，以及Dz+dx (w) 和Dz-dx (w)，其中，ax (w) 、 bx (w) 、 cx (w)和dx (w)是相對(duì)于所述旋轉(zhuǎn)軸XK的時(shí)變旋轉(zhuǎn)加速 度分量。通過(guò)合適地相減各個(gè)加速度，所述線形分量抵消，留下包括與相對(duì)于所述旋轉(zhuǎn)軸^ 和YK的角速度感測(cè)有關(guān)的信息的旋轉(zhuǎn)分量。而且，通過(guò)合適地相加各個(gè)加速度，所述旋轉(zhuǎn) 分量抵消，留下包括與相對(duì)于所述加速度軸ZA的加速度感測(cè)有關(guān)的信息的線形分量。
圖9描述了微機(jī)械多傳感器804(見(jiàn)圖8)的詳細(xì)平面視圖904。如圖9所示，傳感 器904包括加速度計(jì)901 、902、991和992。加速度計(jì)901 、902、991和992分別包括基本上 為正方形的塊903、905、907和909，利用多個(gè)彎曲部分將該正方形塊903、905、907和909固 定于襯底908上，并且懸掛在所述襯底908上方。具體而言，固定所述塊903并且懸掛所述塊903的多個(gè)彎曲部分中的每個(gè)包括固定部分(比如固定部分970)和應(yīng)力釋放部件(比 如應(yīng)力釋放部件960)，固定所述塊905并且懸掛所述塊905的多個(gè)彎曲部分中的每個(gè)包括 固定部分(比如固定部分972)和應(yīng)力釋放部件(比如應(yīng)力釋放部件962)。固定所述塊907 并且懸掛所述塊907的多個(gè)彎曲部分中的每個(gè)包括固定部分(比如固定部分974)和應(yīng)力 釋放部件(比如應(yīng)力釋放部件964)。固定所述塊909并且懸掛所述塊909的多個(gè)彎曲部分 中的每個(gè)包括固定部分(比如固定部分976)和應(yīng)力釋放部件(比如應(yīng)力釋放部件966)。 應(yīng)該注意的是，所述固定/壓力釋放部件對(duì)沿著各個(gè)塊903、905、907和909的縱軸和橫軸 安置。所述傳感器904還包括叉形部件910、912、914和916。該叉形部件910、912、914和 916被配置來(lái)耦合所述鄰近塊，以允許所述塊相對(duì)地反相旋轉(zhuǎn)移動(dòng)，并且阻止所述塊同相旋 轉(zhuǎn)移動(dòng)，如同現(xiàn)有技術(shù)中所述。 應(yīng)該注意的是，所述塊903、905、907和909以及叉形部件910、912、914和916分 別基本上等同于傳感器804(見(jiàn)圖8)的塊803、805、807和809以及叉形部件810、812、814 和816。此外，如圖9所述的旋轉(zhuǎn)感測(cè)軸XK和YK以及加速度軸ZA對(duì)應(yīng)于參考圖8在上面描 述的旋轉(zhuǎn)感測(cè)軸XK和YK以及加速度感測(cè)軸ZA。 所述傳感器904(見(jiàn)圖9)包括多個(gè)驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)940、942、944和946，該多個(gè)驅(qū) 動(dòng)電極結(jié)構(gòu)940、942、944和946固定于襯底908上，且被配置為分別可旋轉(zhuǎn)地振動(dòng)所述塊 903、905、907和909，使得鄰近塊反相振動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)940、942、944和946中的每個(gè)包
括多個(gè)指針，該指針沿著所述塊的徑向安置，且與從所述塊的至少一個(gè)徑向邊緣延伸出去 的相應(yīng)多個(gè)指針互相交錯(cuò)在一起。在優(yōu)選實(shí)施例中，所述驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)940、942、944和946 分別被對(duì)角地安置在所述塊903、905、907和909上。 所述傳感器904還包括多個(gè)速度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)950、952、954和956，該多個(gè)速度感 測(cè)電極結(jié)構(gòu)950、952、954和956固定于所述襯底908上且被配置來(lái)分別感測(cè)塊903、905、 907和909的振動(dòng)速度。類(lèi)似于驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)940 、942、 944和946，速度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)950、 952、954和956中的每個(gè)包括沿著所述塊的徑向軸安置的多個(gè)指針，該指針與從所述塊的 至少一個(gè)徑向邊緣延伸出去的相應(yīng)多個(gè)指針互相交錯(cuò)在一起。在所述例示的實(shí)施例中，所 述速度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)950、952、954和956分別沿著塊903、905、907和909的橫軸安置。應(yīng) 該注意的是，在所述傳感器904繞所述塊的徑向軸(未標(biāo)識(shí))旋轉(zhuǎn)時(shí)，在圖9中使用符號(hào) "+ "和"-"來(lái)指示由于給其施加的科里奧利力造成的振動(dòng)塊903、905、907和909的偏轉(zhuǎn)的 相對(duì)方向。應(yīng)該明白的是，所述加速度計(jì)901、902、991和992以及叉形部件910、912、914和
916被按照鏡像方式安置在所述傳感器904的對(duì)稱(chēng)的橫軸的每側(cè)上以及對(duì)稱(chēng)的縱軸的每側(cè) 上。因此，所述傳感器904可以對(duì)稱(chēng)地將中心定位于所述模片(未示出)上，以減少模片表 面區(qū)域變形以及梯度對(duì)所述傳感器的性能造成的不利影響。 參考圖10來(lái)描述當(dāng)前公開(kāi)的包括傳感器604(見(jiàn)圖6)的多傳感器子結(jié)構(gòu)105 (見(jiàn) 圖l)的操作方法。如步驟1002中所述，所述塊607和609分別繞著所述轉(zhuǎn)動(dòng)軸682、684反 相可旋轉(zhuǎn)地振動(dòng)，而所述傳感器604經(jīng)歷線性/旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。應(yīng)該理解的是，所述旋轉(zhuǎn)軸XK和 YK處于所述傳感器襯底608的平面中，并且線性加速度軸ZA垂直于所述旋轉(zhuǎn)軸。接著，如 步驟1004中所述，將分別由加速度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)612-613產(chǎn)生的加速度感測(cè)信號(hào)Az+ay (w) 和Az-ay(w)相減，以產(chǎn)生所述感測(cè)信號(hào)之差2ay(w)，同樣，如步驟1004中所述，將分別由
17加速度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)614-615產(chǎn)生的加速度感測(cè)信號(hào)Bz+by(w)和Bz-by(w)相減，以產(chǎn)生 所述感測(cè)信號(hào)之差2by(w)。隨后，如步驟1006中所示，將信號(hào)2ay(w)和2by(w)相加，以 產(chǎn)生信號(hào)和2ay (w)+2by (w)，該信號(hào)和包括與相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸YK的角速度感測(cè)有關(guān)的信息 (Y-角速度)。接著，如步驟1008中所述，將分別由加速度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)616-617產(chǎn)生的加 速度感測(cè)信號(hào)Az+ax (w)和Az-ax (w)相減，以產(chǎn)生所述感測(cè)信號(hào)之差2ax (w)，同樣，如步驟 1008中所述，將分別由加速度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)618-619產(chǎn)生的加速度感測(cè)信號(hào)Bz+bx(w)和 Bz-bx(w)相減，以產(chǎn)生所述感測(cè)信號(hào)之差2bx(w)。隨后，如步驟1010中所示，將信號(hào)2ax(w) 和2bx(w)相加，以產(chǎn)生信號(hào)和2ax(w)+2bx(w)，該信號(hào)和包括與相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸x的角速度 感測(cè)有關(guān)的信息(X-角速度)。最后，如步驟1012中所述，將信號(hào)Az+ay(w)、Az-ay(w)、 Bz+by(w) 、Bz—by(w) 、Az+ax(w) 、Az—ax(w) 、Bz+bx(w) 、Bz—bx(w)相力口，以產(chǎn)生禾口 4Az+4Bz，該 和包括與相對(duì)于加速度軸Z的加速度感測(cè)有關(guān)的信息(Z-加速度)。 如上所述，傳感器201 (見(jiàn)圖2)和傳感器904(見(jiàn)圖9)可以對(duì)稱(chēng)地將中心定位于 不同模片(未示出)上，以減小模片表面變形和梯度對(duì)傳感器性能的不利影響。應(yīng)該明白 的是，由于傳感器201和傳感器904可以在六自由度的微機(jī)械多傳感器設(shè)備100 (見(jiàn)圖)內(nèi) 的不同襯底上實(shí)現(xiàn)，所以可以增加產(chǎn)量，并且減少傳感器之間的陀螺干擾。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員還應(yīng)該明白的是，可以對(duì)六自由度的微機(jī)械多傳感器進(jìn)行修 改和變化。例如，參考圖1描述，襯底102和108可以是共平面的，且X和Y軸位于襯底102 和108的平面內(nèi)。還可以合并襯底102和108，使得與此對(duì)應(yīng)的各個(gè)傳感器具有對(duì)稱(chēng)四邊 形。更為具體地，傳感器201(見(jiàn)圖2)和傳感器904(見(jiàn)圖9)可以位于截開(kāi)模片的軸上，使 得表面應(yīng)力效應(yīng)消除，即使沒(méi)有以傳感器結(jié)構(gòu)為中心。而且，應(yīng)力隔離器(未示出)可以被 合適地配置來(lái)減弱對(duì)稱(chēng)性要求。在不背離這里公開(kāi)的本發(fā)明的原理的情況下，可以對(duì)上述 多傳感器進(jìn)行進(jìn)一步的修改和變化。因此，本發(fā)明應(yīng)該被認(rèn)為僅由所附權(quán)利要求的范圍和 精神所限定。
權(quán)利要求
一種六自由度多傳感器，包括第一襯底；第二襯底；在所述第一襯底上制造的第一多傳感器子結(jié)構(gòu)，所述第一多傳感器子結(jié)構(gòu)用于提供第一多個(gè)感測(cè)信號(hào)，所述第一多個(gè)感測(cè)信號(hào)指示相對(duì)于在所述第一襯底的平面中的相互正交的第一和第二軸的加速度感測(cè)，以及指示相對(duì)于與所述第一和第二軸垂直的第三軸的角速度感測(cè)，以及在所述第二襯底上制造的第二多傳感器子結(jié)構(gòu)，所述第二多傳感器子結(jié)構(gòu)用于提供第二多個(gè)感測(cè)信號(hào)，所述第二多個(gè)感測(cè)信號(hào)指示相對(duì)于在所述第二襯底的平面中的相互正交的第四和第五軸的角速度感測(cè)，以及指示相對(duì)于與所述第四和第五軸垂直的第六軸的加速度感測(cè)；其中，所述第二多傳感器子結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)第一塊，其耦合到所述第二襯底并且懸掛在所述第二襯底上方，所述第一塊具有相關(guān)聯(lián)的縱軸和橫軸，以及垂直于所述縱軸和橫軸的相關(guān)聯(lián)的旋轉(zhuǎn)軸；至少一個(gè)第二塊，其耦合到所述第二襯底并且懸掛在所述第二襯底上方，所述第二塊具有相關(guān)聯(lián)的縱軸和橫軸，以及垂直于所述縱軸和橫軸的相關(guān)聯(lián)的旋轉(zhuǎn)軸，所述第二塊與所述第一塊相鄰；至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，可操作地耦合到所述第一和第二塊，所述驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)被配置為繞著所述各自的旋轉(zhuǎn)軸反相地振動(dòng)所述第一和第二塊；第一和第二對(duì)完全相對(duì)的加速度感測(cè)結(jié)構(gòu)，可操作地耦合到所述第一塊，所述第一和第二對(duì)加速度感測(cè)結(jié)構(gòu)分別沿所述第一塊的所述縱軸和橫軸安置；以及第三和第四對(duì)完全相對(duì)的加速度感測(cè)結(jié)構(gòu)，可操作地耦合到所述第二塊，所述第三和第四對(duì)加速度感測(cè)結(jié)構(gòu)分別沿所述第二塊的所述縱軸和橫軸安置；其中，所述各個(gè)縱軸平行于所述第四軸，并且所述各個(gè)橫軸平行于所述第五軸，以及其中，每個(gè)加速度感測(cè)結(jié)構(gòu)被配置為產(chǎn)生各自的感測(cè)信號(hào)，所述各自的感測(cè)信號(hào)指示相對(duì)于所述第四軸和第五軸的角速度感測(cè)，并且還指示相對(duì)于所述第六軸的加速度感測(cè)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的六自由度多傳感器，其中，由所述第一和第三對(duì)加速度感測(cè)結(jié)構(gòu) 所產(chǎn)生的所述相應(yīng)的感測(cè)信號(hào)的每一個(gè)包括相對(duì)于所述第六軸的線性分量和相對(duì)于所述 第四軸的旋轉(zhuǎn)分量，以及其中，由所述第二和第四對(duì)加速度感測(cè)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的所述相應(yīng)的 感測(cè)信號(hào)的每一個(gè)包括相對(duì)于所述第六軸的線性分量和相對(duì)于所述第五軸的旋轉(zhuǎn)分量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的六自由度多傳感器，還包括信號(hào)處理單元，該信號(hào)處理單元被配 置為合并由所述第一、第二、第三和第四對(duì)加速度感測(cè)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的所述各自的線性感測(cè) 信號(hào)分量，以產(chǎn)生輸出信號(hào)，該輸出信號(hào)包括與相對(duì)于所述第六軸的加速度感測(cè)有關(guān)的信 息。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2的六自由度多傳感器，還包括信號(hào)處理單元，該信號(hào)處理單元被配 置為合并由所述第一和第三對(duì)加速度感測(cè)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的所述各自的旋轉(zhuǎn)感測(cè)信號(hào)分量，以 產(chǎn)生輸出信號(hào)，該輸出信號(hào)包括與相對(duì)于所述第四軸的角速度感測(cè)有關(guān)的信息。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2的六自由度多傳感器，還包括信號(hào)處理單元，該信號(hào)處理單元被配 置為合并由所述第二和第四對(duì)加速度感測(cè)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的所述各自的旋轉(zhuǎn)感測(cè)信號(hào)分量，以產(chǎn)生輸出信號(hào)，該輸出信號(hào)包括與相對(duì)于所述第五軸的角速度感測(cè)有關(guān)的信息。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1的六自由度多傳感器，還包括耦合所述第一塊和所述第二塊的彈性 部件，所述彈性部件被配置為允許所述各個(gè)塊反相地振動(dòng)移動(dòng)，以及阻止所述各個(gè)塊同相 地振動(dòng)移動(dòng)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1的六自由度多傳感器，還包括第一放大器，其被配置為從所述第一 對(duì)加速度感測(cè)結(jié)構(gòu)接收一對(duì)第一感測(cè)信號(hào)；以及第三放大器，其被配置為從所述第三對(duì)加 速度感測(cè)結(jié)構(gòu)接收一對(duì)第三感測(cè)信號(hào)，所述第一和第三放大器還被配置為產(chǎn)生分別包括所 述第一感測(cè)信號(hào)對(duì)之差和所述第三感測(cè)信號(hào)對(duì)之差的第一和第三輸出信號(hào)，所述第一和第 三輸出信號(hào)指示相對(duì)于所述第四軸的角速度感測(cè)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1的六自由度多傳感器，還包括第二放大器，其被配置為從所述第二 對(duì)加速度感測(cè)結(jié)構(gòu)接收一對(duì)第二感測(cè)信號(hào)；以及第四放大器，其被配置為從所述第四對(duì)加 速度感測(cè)結(jié)構(gòu)接收一對(duì)第四感測(cè)信號(hào)，所述第二和第四放大器還被配置為產(chǎn)生分別包括所 述第二感測(cè)信號(hào)對(duì)之差和所述第四感測(cè)信號(hào)對(duì)之差的第二和第四輸出信號(hào)，所述第二和第 四輸出信號(hào)指示相對(duì)于所述第五軸的角速度感測(cè)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1的六自由度多傳感器，還包括第一放大器，其被配置為從所述第一 對(duì)加速度感測(cè)結(jié)構(gòu)接收一對(duì)第一感測(cè)信號(hào)；第二放大器，其被配置為從所述第二對(duì)加速度 感測(cè)結(jié)構(gòu)接收一對(duì)第二感測(cè)信號(hào)；第三放大器，其被配置為從所述第三對(duì)加速度感測(cè)結(jié)構(gòu) 接收一對(duì)第三感測(cè)信號(hào)，以及第四放大器，其被配置為從所述第四對(duì)加速度感測(cè)結(jié)構(gòu)接收 一對(duì)第四感測(cè)信號(hào)，所述第一、第二、第三和第四放大器還被配置為產(chǎn)生分別包括所述第一 感測(cè)信號(hào)對(duì)之和、所述第二感測(cè)信號(hào)對(duì)之和、所述第三感測(cè)信號(hào)對(duì)之和以及所述第四感測(cè) 信號(hào)對(duì)之和的第一、第二、第三和第四輸出信號(hào)，所述第一、第二、第三和第四輸出信號(hào)指示 相對(duì)于所述第六軸的加速度感測(cè)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l的六自由度多傳感器，包括懸掛在所述襯底上方的兩個(gè)第一塊和 兩個(gè)第二塊，所述四個(gè)塊被安置為使得每個(gè)塊與兩個(gè)其它塊相鄰，以及其中所述驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu) 被配置為圍繞所述各個(gè)旋轉(zhuǎn)軸反相地振動(dòng)所述四個(gè)塊，以便每個(gè)塊相對(duì)于相鄰的塊以相同 和相反的方式移動(dòng)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1的六自由度多傳感器，其中，所述第二多傳感器子結(jié)構(gòu)還包括 第一和第二對(duì)速度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)，分別可操作地耦合到所述第一和第二塊，所述第一和第二速度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)對(duì)分別沿所述第一和第二塊的所述橫軸安置，所述第一和第二速 度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)對(duì)分別用于感測(cè)所述第一和第二塊的振動(dòng)速度；及其中所述至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)包括分別可操作地耦合到所述第一和第二塊的第一和第 二驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，所述第一和第二驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)分別相對(duì)于所述第一和第二塊的所述橫軸被對(duì)角地 安置。
12. —種操作六自由度多傳感器的方法，包括步驟利用第一多傳感器子結(jié)構(gòu)，提供第一多個(gè)感測(cè)信號(hào)，所述第一多個(gè)感測(cè)信號(hào)指示相對(duì) 于在第一襯底的平面中的相互正交的第一和第二軸的加速度感測(cè)，以及指示相對(duì)于與所述 第一和第二軸垂直的第三軸的角速度感測(cè)，所述第一多傳感器子結(jié)構(gòu)在所述第一襯底上實(shí) 現(xiàn)；以及利用第二多傳感器子結(jié)構(gòu)，提供第二多個(gè)感測(cè)信號(hào)，所述第二多個(gè)感測(cè)信號(hào)指示相對(duì)于在第二襯底的平面中的相互正交的第四和第五軸的角速度感測(cè)，以及指示相對(duì)于與所述第四和第五軸垂直的第六軸的加速度感測(cè)，所述第二多傳感器子結(jié)構(gòu)在所述第二襯底上實(shí)現(xiàn)；利用驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，圍繞各個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，反相地振動(dòng)至少一個(gè)第一塊和至少一個(gè)第二塊，所述第一和第二塊彼此相鄰，并且耦合到所述第二襯底且懸掛在所述第二襯底上方，每個(gè)塊具有垂直于所述各個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的相關(guān)聯(lián)的縱軸和橫軸，所述各個(gè)縱軸平行于所述第四軸，和所述各個(gè)橫軸平行于所述第五軸；由可操作地耦合到所述第一塊的第一和第二對(duì)完全相對(duì)的加速度感測(cè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生各自的感測(cè)信號(hào)，所述第一和第二對(duì)加速度感測(cè)結(jié)構(gòu)分別沿所述第一塊的所述縱軸和所述橫軸安置；以及由可操作地耦合到所述第二塊的第三和第四對(duì)完全相對(duì)的加速度感測(cè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生各自的感測(cè)信號(hào)，所述第三和第四對(duì)加速度感測(cè)結(jié)構(gòu)分別沿所述第二塊的所述縱軸和所述橫軸安置，所述第一和第二塊、所述驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、以及所述第一、第二、第三和第四對(duì)加速度感測(cè)結(jié)構(gòu)被包括在所述第二多傳感器子結(jié)構(gòu)中，其中，在所述第一和第二產(chǎn)生步驟中產(chǎn)生的相應(yīng)的感測(cè)信號(hào)指示相對(duì)于所述第四和第五軸的角速度感測(cè)，并且還指示相對(duì)于所述第六軸的加速度感測(cè)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，還包括步驟由信號(hào)處理單元合并由所述第一、第二、第三和第四對(duì)加速度感測(cè)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的相應(yīng)的線性感測(cè)信號(hào)分量，以產(chǎn)生輸出信號(hào)，所述輸出信號(hào)包括與相對(duì)于所述第六軸的加速度感測(cè)有關(guān)的信息。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，還包括步驟由信號(hào)處理單元合并由所述第一和第三對(duì)加速度感測(cè)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)感測(cè)信號(hào)分量，以產(chǎn)生輸出信號(hào)，所述輸出信號(hào)包括與相對(duì)于所述第四軸的角速度感測(cè)有關(guān)的信息。
15. 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，還包括步驟由信號(hào)處理單元合并由所述第二和第四對(duì)加速度感測(cè)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)感測(cè)信號(hào)分量，以產(chǎn)生輸出信號(hào)，所述輸出信號(hào)包括與相對(duì)于所述第五軸的角速度感測(cè)有關(guān)的信息。
16. 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，還包括步驟通過(guò)分別可操作地耦合到所述第一和第二塊的第一和第二對(duì)速度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)感測(cè)所述第一和第二塊的振動(dòng)速度，所述第一和第二速度感測(cè)電極結(jié)構(gòu)對(duì)分別沿所述第一和第二塊的所述橫軸安置；及其中所述驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)包括分別可操作地耦合到所述第一和第二塊的第一和第二驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，所述第一和第二驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)分別相對(duì)于所述第一和第二塊的所述橫軸被對(duì)角地安置。
全文摘要
一種六自由度微機(jī)械多傳感器(100)，其在單個(gè)多傳感器設(shè)備中提供3個(gè)加速度感測(cè)軸和3個(gè)角速度感測(cè)軸。該六自由度微機(jī)械多傳感器設(shè)備包括提供2個(gè)加速度感測(cè)軸和1個(gè)角速度感測(cè)軸的第一多傳感器子結(jié)構(gòu)(103)；以及提供第三加速度感測(cè)軸以及第二和第三角速度感測(cè)軸的第二多傳感器子結(jié)構(gòu)(105)。該第一和第二多傳感器子結(jié)構(gòu)在六自由度的多傳感器設(shè)備內(nèi)的不同襯底上實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)G01P9/04GK101701967SQ20091021150
公開(kāi)日2010年5月5日 申請(qǐng)日期2004年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月28日
發(fā)明者約翰·A·吉恩 申請(qǐng)人:模擬器件公司