用于微機電系統（mems）設備的彈簧的制作方法
【專利摘要】一種用于微機電系統（MEMS）設備的彈簧。MEMS設備（20）包括襯底（28）和被配置為在基本平行于所述襯底的（28）的表面（50）的平面（24）中經受振蕩運動的驅動質量塊（30）。傳感器（20）還包括驅動彈簧（56），其中每一個都包括了主橫梁（70）和耦合于所述主橫梁（70）的一端（74）的彎曲橫梁（72）。所述彎曲橫梁（72）被錨定到所述驅動質量塊（30）或所述襯底（28）。所述彎曲橫梁（72）展示小于所述主橫梁（70）的寬度（88）的寬度（90）。響應于振蕩驅動運動，所述彎曲橫梁（72）彎曲使得所述主橫梁（70）在所述平面（24）中圍繞樞轉點（96）旋轉。因此，所述驅動質量塊（30）的平面外運動被減少，從而抑制了正交誤差。
【專利說明】用于微機電系統(MEMS)設備的彈簧
【技術領域】
[0001]本發明通常涉及微機電系統(MEMS)設備。更具體地說，本發明涉及用于MEMS設備的彈簧設計。
【背景技術】
[0002]近年來，微機電系統(MEMS)技術取得了廣泛的關注，因為它提供了一種制作非常小的機械結構并且能使用常規的批量半導體加工技術在單個襯底上將這些結構與電設備集成的方法。MEMS的一個常見應用是傳感器設備的設計和制作。MEMS傳感器設備被廣泛應用于例如汽車、慣性指導系統、家用電器、游戲設備、各種設備的保護系統、以及許多其它的工業、科學、以及工程系統的應用中。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0003]結合附圖并參閱詳細說明書以及權利要求，對本發明可以有比較完整的理解，在整個附圖中類似的參考符號表示相同的元件，以及:
[0004]圖1示出了根據實施例的以慣性傳感器形式的微機電系統(MEMS)設備的俯視圖；
[0005]圖2示出了圖1的慣性傳感器的彈簧設計的一部分的俯視圖；
[0006]圖3示出了根據替選實施例的圖1的慣性傳感器的鏈接彈簧構造的俯視圖；
[0007]圖4示出了根據另一個實施例的慣性傳感器的俯視圖。
【具體實施方式】
[0008]在振蕩微機電系統(MEMS)角速率傳感器中，固有問題是存在被稱為正交分量或正交誤差的不期望干擾信號。由于允許懸掛質量塊在其預計驅動運動的平面外振蕩的制作缺陷，正交誤差出現在振蕩角速率傳感器中。這種平面外運動圍繞傳感軸可以產生與科里奧利加速度混淆并隨后與旋轉率混淆的振蕩。不幸的是，正交誤差可以造成偏移誤差，縮小動態范圍以及增大設備噪音。大的正交誤差甚至可以造成設備故障，使得傳感質量塊與傳導電極接觸，這可能造成碰撞相關的損壞，例如短路。
[0009]正交誤差的主要源是來自制作期間不充分的尺寸精度。例如，在MEMS結構層的蝕刻期間來自深反應離子蝕刻(DRIE)等離子的偏移垂直離子沖擊可以在形成于MEMS結構層內的元件的側壁中產生不對稱的傾斜蝕刻圖案。不對稱蝕刻輪廓可以造成主軸的移位。這樣，平面內運動耦合于平面外運動。這是通過平面外傳感模式在X-軸和Y-軸角速率傳感器中造成正交誤差的主要原因。
[0010]本發明所公開的實施例涉及以例如具有一個或多個可移動元件或質量塊的角速率傳感器、角加速計傳感器、磁傳感器、氣體傳感器、制動器等的形式的微機電系統(MEMS)設備，其中平面外運動是非理想的。具體地，實施例包括提供了可移動質量塊的平面內運動并且大大抑制了任何非理想平面外運動的彈簧設計。彈簧設計涉及每端由細橫梁支撐的寬橫梁。由于細橫梁相對于寬橫梁的靈敏性，細橫梁起到機械鉸鏈的作用，使得寬橫梁將主要地是旋轉或樞轉，而不是彎曲。這樣，彈簧設計補償了由平面內驅動運動造成的平面外運動以抑制正交誤差。
[0011]圖1示出了根據實施例的以慣性傳感器20形式的微機電系統(MEMS)設備的俯視圖。慣性傳感器20通常被配置以感知圍繞旋轉軸22即3維坐標系中的X-軸的角速率。因此，慣性傳感器20在本發明中被稱為角速率傳感器20。按照慣例，角速率傳感器20被說明為在X-Y平面24中具有基本平面的結構，其中Z軸26延伸到垂直于圖1的X-Y平面24的頁外。
[0012]角速率傳感器20包括襯底28、在本發明中被稱為驅動質量塊30的懸掛質量塊、和另在本發明中被稱為傳感質量塊32的另一個懸掛質量塊、以及將在下文被詳細描述的各種機械聯動裝置。在圖1的特定實施例中，驅動質量塊30存在于延伸通過傳感質量塊32的中心口 34。驅動質量塊30包括驅動質量塊結構36和在X-Y平面24中橫向于驅動結構36布置的另一個驅動質量塊結構32。驅動質量塊結構36和38圍繞旋轉軸22相對于彼此對稱放置。
[0013]驅動系統40存在于中心口 34并且可操作地與每一個驅動質量塊結構36和38互通。更具體地說，驅動系統40包括被配置為振蕩驅動結構36的驅動元件組42和被配置為振蕩驅動結構38的其它驅動元件組44。每組驅動元件42和44都包括被稱為可移動指狀物46和固定指狀物48的電極對。在實施例中，可移動指狀物46耦合于每一個驅動質量塊結構36和38并且從其延伸。固定指狀物48通過錨52被固定到襯底28的表面50并且延伸通過驅動質量塊結構36和38的切口區域51。
[0014]固定指狀物48被分隔開并且與可移動指狀物46交替放置。由于它們附接于驅動質量塊結構36和38，可移動指狀物46可與驅動質量塊結構36和38 —起移動。相反，由于它們固定地附接于襯底28，固定指狀物48相對于可移動指狀物46是不動的。為了清楚說明，只示出了幾個可移動和固定指狀物46和48。本領域技術人員應該很容易辨別出可移動和固定的指狀物的數量和結構可以根據設計要求變化。
[0015]固定指狀物48可以通過錨52被錨定到襯底28的表面50。為了以下附圖描述的一致性，清晰起見，耦合于或附著于襯底28的下表面50的任何錨定或固定結構，例如錨52和固定指狀物48,是用點畫圖案被說明。相反,沒有固定到襯底28的任何元件不包括該點畫圖案并且因此被懸掛在襯底28的表面50上方。角速率傳感器20的各種元件可以利用沉淀、構圖、蝕刻等的現有的和未來的表面微加工技術生成。因此，雖然附圖內可能利用了不同的陰影和/或剖面線，但是結構層內的不同元件通常是由相同的材料制成的，例如多晶娃、單晶娃等等。
[0016]MEMS角速率傳感器20和替代實施例(下文討論)的元件被不同地描述為“被錨定”、“被附接”、“被附著”、““耦合”、連接”、或“互聯”到角速率傳感器20的其它元件。應了解，術語指角速率傳感器20的特定元件的直間或間接物理連接，所述連接發生在MEMS制作的構圖和蝕刻過程內的形成期間。
[0017]驅動質量塊結構36和38被配置為在X-Y平面24中經受振蕩運動。通常，交流(AC)電壓可以通過驅動電路(未顯示)被應用于固定指狀物48以使驅動質量塊結構36和38沿著Y-軸54線性振蕩。在實施例中，AC電壓被適當地應用于固定指狀物48以使可移動梳狀指狀物46 (并且因此驅動質量塊結構36和38)大致平行于固定指狀物48移動。驅動質量塊結構36和38或可被適當地鏈接在一起或以其它方式被適當地驅動以沿著Y-軸54朝反方向即反相移動。
[0018]驅動彈簧56將每一個驅動質量塊結構36和38分別稱合于傳感質量塊32。這樣，驅動質量塊結構36和38被懸掛在襯底28的表面50上方并且沒有直接物理附接于襯底28。驅動彈簧56允許驅動質量塊結構36和38在平面24中沿著Y-軸54大幅振蕩線性移動，但是驅動彈簧56也足夠剛硬以將科里奧利力沿著Z軸26從驅動質量塊結構36和38轉移到傳感質量塊32。角速率傳感器20還包括將驅動質量塊結構36和驅動質量塊結構38鏈接起來的鏈接彈簧組件58。此外，以扭力彈簧60形式的彈性支承元件耦合于傳感質量塊32。扭力彈簧60通過錨62將傳感質量塊32連接到襯底28的表面50。
[0019]各種傳導板或電極與角速率傳感器20的其它固定組件協作而形成于襯底28的表面50。在這個簡化說明中，電極包括被用于感知角速率傳感器20圍繞X-軸22的旋轉的傳感電極64和66。導體(未顯不)可以形成于襯底28上以提供到電極64和66以及到傳感質量塊32的單獨電連接。電極64和66由例如多晶硅的一種傳導材料形成，并且如果這些組件選擇了相同材料，電極64和66可以與各自導體同時形成。在圖1中，電極64和66被上覆的傳感質量塊32遮住。因此，在圖1中，電極64和66用虛線的形式表示以說明它們相對于傳感質量塊32的物理位置。
[0020]每一個驅動彈簧56和鏈接彈簧組件58包括在本發明中被稱為主橫梁70的第一橫梁。此外，每一個驅動彈簧56和鏈接彈簧組件58包括在本發明中被稱為彎曲橫梁72和74的第二和第三橫梁。根據特定配置，彎曲橫梁72耦合于主橫梁70的一端76以及彎曲橫梁74耦合于主橫梁70的相對端78。每一個驅動彈簧56的彎曲橫梁72因此被錨定到驅動質量塊30 (即，驅動質量塊結構36和38中的一個)以及每一個驅動彈簧56的彎曲橫梁74因此被錨定到傳感質量塊32。用于鏈接彈簧組件58的彎曲橫梁72被錨定到驅動質量塊結構36以及彎曲橫梁74被錨定到驅動質量塊結構38。
[0021]對于每一個驅動彈簧56，每一個彎曲橫梁72和74的縱向維度80定向為近似彼此平行，以及主橫梁70的縱向維度82定向為近似垂直于彎曲橫梁72和74的縱向維度80。在實施例中，彎曲橫梁72的縱向維度80可以通常等于彎曲橫梁74的縱向維度80。然而，主橫梁70的縱向維度82不需要與縱向維度80相同，而是替代地大于或小于縱向維度80。同樣，對于鏈接彈簧組件58，每一個彎曲橫梁72和74的縱向維度84定向為近似彼此平行，以及主橫梁70的縱向維度86定向為近似垂直于彎曲橫梁72和74。如同驅動彈簧56，鏈接彈簧組件58的彎曲橫梁72的縱向維度84通常等于鏈接彈簧組件58的彎曲橫梁74的縱向維度84。此外，鏈接彈簧組件58的主橫梁70的縱向維度86可以大于或小于縱向維度84。
[0022]驅動彈簧56和鏈接彈簧組件58通常被布置在與襯底28的表面50即X-Y平面24基本平行的平面中。這樣，主橫梁70還展示了基本平行于X-Y平面24的第一寬度88。當然，第一寬度88顯著小于主橫梁70的縱向維度82。此外，每一個彎曲橫梁72和74通常展示了在本發明中被稱為第二寬度90的相同的寬度，基本平行于X-Y平面24。當然，第二寬度90顯著小于彎曲橫梁72和74的縱向維度80。此外，每一個彎曲橫梁72和74的第二寬度90小于主橫梁70的第一寬度88。
[0023]根據實施例，主橫梁70不旨在響應于通過驅動系統40施加在驅動質量塊30上的振蕩驅動運動而彎曲，使得主橫梁70和相應的驅動質量塊30經受X-Y平面24外的運動。替代地，該彎曲出現在彎曲橫梁72和74中。S卩，每一個彎曲橫梁72和74的第二寬度90顯著小于第一寬度88，使得彎曲橫梁72和74可以代替更厚的并且因此更硬的主橫梁70彎曲。因此，與彎曲橫梁72和74的彎曲相比，主橫梁70的任何可能的平面外彎曲是可忽略的，所述平面外彎曲可以以其它方式在傳感質量塊32處造成正交誤差。
[0024]對于每一個驅動彈簧56，主橫梁70的縱向維度82定向為近似垂直于驅動質量塊30的驅動軸，即Y-軸54。由于它們相對于主橫梁70的垂直定向，每一個驅動彈簧56的彎曲橫梁72和74的縱向維度80平行于Y-驅動軸54。對于將驅動質量塊結構36耦合于驅動質量塊結構38的鏈接彈簧組件58，主橫梁70的縱向維度86定向為近似平行于驅動軸54，以及彎曲橫梁72和74的縱向維度84定向為近似垂直于驅動軸54。
[0025]在操作中，驅動質量塊30的驅動質量塊結構36和38在X-Y平面24中在基本平行于驅動軸即Y-軸54的線性驅動方向94反相地經受振蕩運動。在所說明的實施例中，其中旋轉軸被稱為X-軸22，驅動質量塊結構36和38在相反方向線性振蕩。驅動彈簧56和鏈接彈簧組件58的設計有效抑制了驅動質量塊結構36和38沿著傳感軸26的平面外運動，使得驅動質量塊結構36和38在基本平行于Y-軸54 (B卩，在圖1的上下)的X-Y平面24中線性振蕩，具有可忽略的相位誤差。
[0026]一旦驅動質量塊30進入沿著Y-軸54的線性振蕩運動，傳感質量塊32可以檢測由圍繞X-軸22旋轉的角速率傳感器20產生的角速率，即角速度。具體地，由于科里奧利加速度組件，扭力彈簧60使傳感質量塊32能夠根據圍繞X-旋轉軸22的角速率傳感器20的角速率即角速度在X-Y平面24外振蕩。該運動具有與圍繞輸入軸即X-軸22的角速率傳感器20的角旋轉率成比例的幅度。
[0027]驅動彈簧56將傳感質量塊32耦合于驅動質量塊30，使得相對于驅動質量塊30在線性驅動方向94的線性振蕩運動，傳感質量塊32基本從驅動質量塊30解耦。然而，相對于傳感質量塊32的X-Y平面24外的振蕩運動，傳感質量塊32耦合于驅動質量塊30。因此，傳感質量塊32被鏈接到驅動質量塊30，使得傳感質量塊32和驅動質量塊30共同經受由科里奧利力在角速率傳感器20圍繞X-旋轉軸22旋轉期間引起的平面外運動。隨著傳感質量塊32經受振蕩平面外運動，位置變化隨著電容變化被電極64和66感知。在電極64和66感知的該電容變化以傳統的方式被電子處理以獲得圍繞X-旋轉軸22的角速率傳感器20的角速率。
[0028]正是驅動質量塊30沿著Y-軸54的驅動運動和圍繞X-旋轉軸22的角速率傳感器20的角速率之間的耦合產生了科里奧利力，所述科里奧利力進而將傳感質量塊32移出X-Y平面24。所述科里奧利力在幅度上非常小。在一些現有技術慣性傳感器中，響應于驅動質量塊30在線性驅動方向94的線性振蕩驅動運動，形成于MEMS結構層內的元件側壁中的不對稱傾斜蝕刻圖案，例如現有技術驅動彈簧，可以造成驅動質量塊30和相應的傳感質量塊32的平面外運動。在現有技術的驅動彈簧設計中，當線性振蕩驅動運動通過驅動系統40被施加在驅動質量塊30上的時候，驅動質量塊30的該平面外運動由X-Y平面24外的驅動彈簧的彎曲或扭曲造成。當Z-軸26是傳感軸的時候，該平面外驅動運動機械耦合于傳感運動，即傳感質量塊32的移位，造成了正交誤差，即正交信號。
[0029]圖2示出了用于角速率傳感器20 (圖1)的彈簧設計的一部分的俯視圖。具體地，圖2示出了驅動彈簧56中的一個的一部分。雖然僅驅動彈簧56中的一個的一部分被示出為錨定到驅動質量塊30 (圖1)的驅動質量塊結構36，應了解，下面的討論同樣適用于每一個驅動彈簧56和鏈接彈簧組件58，以及它們與驅動質量塊結構38的錨定連接和/或它們與傳感質量塊32的錨定連接。
[0030]彎曲橫梁72與主橫梁70的交點形成了樞轉點96，所述樞轉點具有基本垂直于襯底28 (圖1)的表面50 (圖1)的樞轉軸。如圖2所示，當振蕩運動在線性驅動方向94被加到驅動質量塊結構36的時候，彎曲橫梁72彎曲以使主橫梁70能夠圍繞樞轉點96樞轉運動98。
[0031]更具體地說，彎曲橫梁72可以被再分成第一彎曲元件100和第二彎曲元件102，其中主橫梁70被插入在第一和第二彎曲元件100和102之間。第一和第二彎曲元件100和102具有基本相同的長度，使得主橫梁70和彎曲橫梁72的交點出現在彎曲橫梁72的縱向維度80的近似中點103處。被施加在驅動質量塊結構36上的振蕩運動使主橫梁70旋轉或圍繞樞轉點96樞轉。在該振蕩運動期間，展示了顯著薄于主橫梁70的寬度88的寬度90的第一和第二彎曲元件100和102，相比于它們未彎曲位置，從相反彎曲方向發生變形，其中未彎曲位置由虛線104表示。第一和第二彎曲元件100和102的相反彎曲方向補償了由不對稱蝕刻輪廓造成的任何平面外運動，使得較寬的主橫梁70圍繞樞轉點96旋轉而不是彎曲。因此，驅動質量塊30的平面外運動被減少。因為傳感質量塊32耦合于驅動質量塊30，傳感質量塊32的相應平面外運動也被減少，使得正交誤差被大大抑制。
[0032]驅動彈簧56和鏈接彈簧組件58的彈簧設計在各種角速率傳感器構造中可以容易地被適配以減少懸掛質量塊的平面外運動，從而抑制正交誤差，其中鏈接彈簧組件58具有主橫梁70和耦合于主橫梁70的相對端的彎曲橫梁72和74。此外，雖然角速率傳感器和正交誤差抑制在本發明中被詳細描述，驅動彈簧56的彈簧設計在各種需要平面內運動的MEMS設備中可以被容易地適配，并且非理想的平面外運動被抑制。
[0033]圖3示出了根據替代實施例的用于角速率傳感器20 (圖1)的鏈接彈簧構造108的俯視圖。鏈接彈黃構造108在角速率傳感器20中代替鏈接彈黃組件58 (圖1)被實現。鏈接彈簧構造108包括多個鏈接彈簧110，其中每一個都包括主橫梁112和耦合于主橫梁的相對端118和120的彎曲橫梁114和116。在所說明的實施例中，彎曲橫梁114通過中間懸掛結構122被錨定到懸掛質量塊，例如驅動質量塊結構36。此外，彎曲橫梁116通過另一個中間懸掛結構124被錨定到另一個懸掛質量塊，例如驅動質量塊結構38。
[0034]如上所述，每一個主橫梁112的第一寬度126比每一個彎曲橫梁114和116的第二寬度128寬。如同鏈接彈簧組件58，驅動質量塊結構36和38通過鏈接彈簧110的機械耦合有效抑制了驅動質量塊結構36和38沿著傳感軸26 (圖1)的平面外運動，使得驅動質量塊結構36和38在基本平行于Y-軸54的平面中反相地線性振蕩，具有可忽略的相位誤差。
[0035]上述討論的彈簧設計在MEMS音叉角速率傳感器20中被實現，其中驅動質量塊結構36和38在基本平行于Y-軸54的X-Y平面24中線性振蕩，輸入軸是X-軸22，以及圍繞X-軸22的旋轉沿著Z-軸26被感知。在另一個替代實施例中，彈簧設計可以在旋轉盤角速率傳感器中被實現。
[0036]圖4示出了根據另一個實施例的以角速率傳感器130形式的慣性傳感器的俯視圖。角速率傳感器130是MEMS旋轉盤陀螺儀。因此，角速率傳感器130在本發明中被稱為旋轉盤陀螺儀130。旋轉盤陀螺儀130包括襯底132和懸掛在其上方并通過多個驅動彈簧138靈活地耦合于襯底132的表面136的驅動質量塊134。更具體地說，每一個驅動彈簧138在驅動質量塊134的內部周界140之間延伸并且被固定到形成于襯底132上的錨142。
[0037]角速率傳感器130還包括存在于延伸通過驅動質量塊134的中心口 146的傳感質量塊144和圍繞驅動質量塊134的另一個傳感質量塊148。傳感質量塊144通過靈活的支撐元件即扭力彈簧150被連接到驅動質量塊134，所述支撐元件使傳感質量塊144能夠圍繞旋轉軸即X-軸22振蕩或樞轉。因此，所述旋轉軸在本發明中被稱為X-旋轉軸22。傳感質量塊148也通過靈活的支撐元件即扭力彈簧152附接于驅動質量塊134，所述支撐元件使傳感質量塊148能夠圍繞另一個旋轉軸，即Y-軸54振蕩或樞轉。因此，所述旋轉軸在本發明中被稱為Y-旋轉軸54。
[0038]驅動質量塊134是用向上并向右的定向的窄剖面線被說明的，傳感質量塊144是用向上并向右的定向的寬剖面線被說明的，傳感質量塊148是用向下并向右的定向的寬剖面線被說明的，以及錨142是用點畫形式被說明的以區分MEMS旋轉盤陀螺儀130的結構層內產生的不同元件。結構層內的這些不同元件可以使用沉積、構圖、蝕刻等的當前和未來的表面微機械加工技術產生。因此，盡管附圖內使用了不同的陰影和/或剖面線，結構層內的不同元件通常是由相同的材料制成的，例如多晶硅、單晶硅等等。
[0039]每一個驅動彈簧138包括主橫梁154、耦合于主橫梁154的一端158的彎曲橫梁156以及I禹合于主橫梁154的相對端162的另一個彎曲橫梁160。在這個實施例中，彎曲橫梁156被錨定到懸掛質量塊，即驅動質量塊134，以及彎曲橫梁160通過錨142被錨定到襯底 132。
[0040]驅動彈簧138共享與驅動彈簧56 (圖1)相同的許多設計特征。具體地，對于每一個驅動彈簧138，每一個彎曲橫梁156和160的縱向維度164被定向為近似彼此平行，以及主橫梁154的縱向維度166近似定向為垂直于每一個彎曲橫梁156和160的縱向維度164。此外，主橫梁154的縱向維度166不需要與縱向維度164相同，而是可以替代地大于或小于彎曲橫梁156和160的縱向維度164。
[0041]驅動彈簧138通常被布置在基本平行于襯底132的表面136的平面中，即X_Y平面24中。這樣，主橫梁154還在X-Y平面24中展示第一寬度168。此外，每一個彎曲橫梁156和160通常在X-Y平面24中展示在本發明中被稱為第二寬度170的相同寬度。每一個彎曲橫梁156和160的第二寬度170都小于主橫梁154的第一寬度168。
[0042]旋轉盤陀螺儀130還包括驅動系統172，所述驅動系統包括從驅動質量塊134延伸的可移動指狀物48和通過錨174耦合于襯底132的固定指狀物46。驅動質量塊134被配置為經受圍繞垂直于襯底132的表面136的驅動軸的振蕩運動，如由雙向箭頭176表示。SP，多個驅動彈簧138被配置為使驅動質量塊134能夠圍繞驅動軸振蕩。在該例子中，驅動軸是Z-軸26。因此，Z-軸26在本發明中被稱為驅動軸26。
[0043]如圖4所示，每一個驅動彈簧138的主橫梁154的縱向維度166相對于所述驅動軸26被放射狀地定向。因此，主橫梁154圍繞驅動軸26像車輪中的輻條一樣被布置。此夕卜，每一個彎曲橫梁156和160的縱向維度164相對于所述驅動軸26被近似切線地定向。即，每一個彎曲橫梁156和160的縱向維度164近似正交于主橫梁154的縱向維度166。[0044]為了操作旋轉盤陀螺儀130，驅動質量塊134、傳感質量塊144以及傳感質量塊148在通常平行于襯底132的表面136的X-Y平面24中一起機械振蕩。即，驅動質量塊134被驅動系統172驅動以圍繞驅動軸26振蕩。當驅動質量塊134被驅動系統172驅動的時候，每一個傳感質量塊144和148與驅動質量塊134—起振蕩。一旦進入振蕩運動176，傳感質量塊144可以檢測陀螺儀130圍繞Y-旋轉軸54的角速度，即角旋轉率，其中圍繞Y-旋轉軸54的角速度產生科里奧利加速度，所述加速度使傳感質量塊144能夠以與圍繞Y-旋轉軸54的旋轉盤陀螺儀130的角速度成比例的幅度圍繞X-旋轉軸22振蕩。通過類似原理，傳感質量塊148可以檢測旋轉盤陀螺儀130圍繞X-旋轉軸22的角速度。即，隨著旋轉盤陀螺儀130經受圍繞X-旋轉軸22的角速度，科里奧利加速度被產生，所述加速度使傳感質量塊148能夠以與旋轉盤陀螺儀130圍繞X-旋轉軸22的角速度成比例的幅度圍繞Y-旋轉軸54振蕩。因此，旋轉盤陀螺儀130提供了雙軸傳感。傳感質量塊144和傳感質量塊148下方的電極(不可見)被配置為檢測其各自輸出信號。
[0045]如同驅動彈簧56，每一個驅動彈簧138的主橫梁154不旨在響應于分別通過驅動系統172的固定和可移動指狀物46和48施加在驅動質量塊134上的振蕩驅動運動而彎曲。替代地，該彎曲以類似于圖2有關的描述的方式出現在彎曲橫梁156和160中。S卩，每一個彎曲橫梁156和160的第二寬度170顯著小于主橫梁154的第一寬度168，使得彎曲橫梁156和160可以代替更厚并且因此更硬的主橫梁154彎曲。因此，與彎曲橫梁156和160的彎曲相比，主橫梁154的任何可能的平面外彎曲是可忽略的，所述平面外彎曲可以以其它方式在傳感質量塊144和148處造成正交誤差。
[0046]上面提供的一個例子是單-軸“音叉”角速率傳感器，所述傳感器用于檢測圍繞平行于所述襯底的平面的X-軸的角速度。上面提供的另一個例子是雙軸傳感旋轉盤陀螺儀。本領域技術人員可以容易地了解到在替代實施例中，單軸角速率傳感器配置可以被提供，其不包括傳感質量塊，但是由于科里奧利加速度組件，替代地在驅動質量塊中激發第二振蕩。又其它角速率傳感器配置可以不包括如上面顯示的反相地被驅動的兩個驅動質量塊。替代地，可以設想各種單軸或雙軸慣性傳感器設計，該設計具有固定和可移動指狀物的不同布置和位置。這些各種實施例的每一個仍然可以實現與彈簧設計有關的益處，所述彈簧設計補償了結構元件側壁中不對稱傾斜角度造成的平面外運動，并且因此抑制了正交誤差。
[0047]綜上所述，本發明的實施例涉及具有一個或多個傳感質量塊的角速率傳感器和角加速計傳感器形式的微機電系統(MEMS)設備，其中正交誤差被抑制。具體地，實施例包括有效抑制了傳感方向中的正交誤差的彈簧設計。彈簧設計涉及用于角速率傳感器的每端由細橫梁支撐的寬橫梁。由于細橫梁的靈敏性，相對于寬橫梁，細橫梁起到機械鉸鏈的作用，使得寬橫梁在振蕩驅動運動存在的情況下主要是旋轉而不是彎曲。這樣，彈簧設計補償了由平面內運動造成的平面外運動以抑制正交誤差。
[0048]雖然本發明的優選實施例已經被詳細描述，很明顯對本領域技術人員來說各種修改或可在不脫離所附權利要求中陳述的本發明精神及范圍的情況下被做出。即，應了解示例實施例僅僅是例子，它們并不旨在限制本發明的范圍、適用性或配置。
【權利要求】
1.一種微機電系統(MEMS)設備，包括: 具有表面的襯底； 被配置為在基本平行于所述表面的平面中經受振蕩運動的驅動質量塊；以及 驅動彈簧，每一個所述驅動彈簧包括第一橫梁和耦合于所述第一橫梁的一端的第二橫梁，所述第二橫梁被錨定到所述驅動質量塊和所述襯底中的一個，所述第一橫梁展示基本平行于所述平面的第一寬度，以及所述第二橫梁展示基本平行于所述平面的第二寬度，所述第二寬度小于所述第一寬度。
2.根據權利要求1所述的MEMS設備，其中所述第一橫梁的第一縱向維度定向為近似垂直于所述第二橫梁的第二縱向維度。
3.根據權利要求1所述的MEMS設備，其中所述第一橫梁的所述一端相對于所述第二橫梁的縱向維度耦合于所述第二橫梁的中點。
4.根據權利要求1所述的MEMS設備，其中所述第二橫梁與所述第一橫梁的交點形成樞轉點，以及所述第二橫梁彎曲，以使響應于所述振蕩運動，所述第一橫梁在所述平面中能夠圍繞所述樞轉點進行樞轉運動。
5.根據權利要求4所述的MEMS設備，其中所述第二橫梁包括: 第一彎曲元件，所述第一彎曲元件響應于所述振蕩運動在第一方向上彎曲；以及 第二彎曲元件，所述第一橫梁的所述一端被插入在所述第一和第二彎曲元件之間，所述第二彎曲元件在與所述第一方向相反的第二方向上彎曲，所述第一和第二彎曲元件響應于所述振蕩運動而彎曲 。
6.根據權利要求1所述的MEMS設備，其中所述一端是第一端，以及所述驅動彈簧的所述每一個還包括耦合于所述第一橫梁的第二端的第三橫梁，所述第三橫梁展示基本平行于所述平面并且小于所述第一寬度的第三寬度。
7.根據權利要求6所述的MEMS設備，還包括懸掛質量塊，所述第三橫梁被錨定到所述懸掛質量塊。
8.根據權利要求6所述的MEMS設備，其中所述第三寬度近似等于所述第二寬度。
9.根據權利要求6所述的MEMS設備，其中所述第三橫梁定向為近似平行于所述第二橫M
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10.根據權利要求6所述的MEMS設備，其中所述第二橫梁的第二縱向維度近似等于所述第三橫梁的第三縱向維度。
11.根據權利要求1所述的MEMS設備，其中所述驅動質量塊被配置為在基本平行于所述襯底的所述表面的線性驅動方向上經受所述振蕩運動，以及所述第一橫梁的縱向維度定向為近似平行于所述驅動方向。
12.根據權利要求11所述的MEMS設備，其中所述縱向維度是第一縱向維度，以及所述第二橫梁的第二縱向維度定向為近似平行于所述線性驅動方向。
13.根據權利要求1所述的MEMS設備，其中所述驅動質量塊被配置為圍繞基本垂直于所述襯底的所述表面的驅動軸經受所述振蕩運動，以及所述第一橫梁的縱向維度相對于所述驅動軸被放射狀地定向。
14.根據權利要求13所述的MEMS設備，其中所述縱向維度是第一縱向維度，以及所述第二橫梁的第二縱向維度相對于所述驅動軸被近似切線地定向。
15.一種微機電系統(MEMS)設備，包括: 具有表面的襯底； 被配置為在基本平行于所述表面的平面中經受振蕩運動的驅動質量塊； 懸掛質量塊；以及 將所述懸掛質量塊與所述驅動質量塊連接起來的驅動彈簧，每一個所述驅動彈簧包括第一橫梁和耦合于所述第一橫梁的一端的第二橫梁，所述第二橫梁被錨定到所述驅動質量塊和所述懸掛質量塊中的一個，所述第一橫梁展示基本平行于所述平面的第一寬度，以及所述第二橫梁展示基本平行于所述平面的第二寬度，所述第二寬度小于所述第一寬度，其中所述第二橫梁與所述第一橫梁的交點形成樞轉點，以及所述第二橫梁彎曲，以使響應于所述振蕩運動，所述第一橫梁在所述平面中能夠圍繞所述樞轉點進行樞轉運動。
16.根據權利要求15所述的MEMS設備，其中所述一端是第一端，以及所述驅動彈簧的所述每一個還包括耦合于所述第一橫梁的第二端的第三橫梁，所述第三橫梁被錨定到所述驅動質量塊和所述懸掛質量塊中的另一個，所述第三橫梁展示基本平行于所述平面并且小于所述第一寬度的第三寬度。
17.根據權利要求15所述的MEMS設備，其中所述驅動質量塊被配置為在基本平行于所述襯底的所述表面的線性驅動方向上經受所述振蕩運動，所述第一橫梁的第一縱向維度定向為近似垂直于所述驅動方向，以及所述第二橫梁的第二縱向維度定向為近似平行于所述線性驅動方向。
18.根據權利要求15所述的MEMS設備，其中所述驅動質量塊被配置為圍繞基本垂直于所述襯底的所述表面的驅動軸經受所述振蕩運動，所述第一橫梁的第一縱向維度相對于所述驅動軸被放射狀地定向，以及所述第二橫梁的第二縱向維度相對于所述驅動軸被近似切線地定向。·
19.一種微機電系統(MEMS)設備,包括: 具有表面的襯底； 被配置為在基本平行于所述表面的平面中經受振蕩運動的驅動質量塊； 懸掛質量塊；以及 將所述懸掛質量塊與所述驅動質量塊連接起來的驅動彈簧，每一個所述驅動彈簧包括: 展示基本平行于所述平面的第一寬度的第一橫梁； 耦合于所述第一橫梁的第一端的第二橫梁，所述第二橫梁被錨定到所述驅動質量塊，所述第二橫梁展示基本平行于所述平面的第二寬度，所述第二寬度小于所述第一寬度；以及 耦合于所述第一橫梁的第二端的第三橫梁，所述第三橫梁被錨定到所述懸掛質量塊，所述第三橫梁展示基本平行于所述平面的第三寬度，所述第三寬度小于所述第一寬度，其中響應于所述振蕩運動，所述第二橫梁的所述第二寬度和所述第三橫梁的所述第三寬度使所述第二和第三橫梁能夠相對于所述第一橫梁彎曲使得所述第一橫梁的運動基本在所述平面中發生。
20.根據權利要求19所述的MEMS設備，其中: 所述第三橫梁定向為近似平行于所述第二橫梁；以及所述第一橫梁定向為近似垂·直于所述第二和第三橫梁。
【文檔編號】G01C19/56GK103852073SQ201310624947
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2013年11月28日 優先權日:2012年11月28日
【發明者】林毅楨, 簡·梅納, 米夏埃爾·瑙曼 申請人:飛思卡爾半導體公司