專利名稱：交叉四元和垂直接合的慣性傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及傳感器，且更具體地，本發(fā)明涉及慣性傳感器。
技術(shù)背景慣性傳感器，如MEMS陀螺儀，常常在驅(qū)動頻率受到旋轉(zhuǎn)振動噪 聲(其通常被稱作"振擺")的不利影響。特別是，如果MEMS陀螺 儀不能夠區(qū)分旋轉(zhuǎn)振動和它們意圖檢測的實際運動的話，那么它們可 能產(chǎn)生錯誤的讀數(shù)。另外，諸如陀螺儀的具有振動質(zhì)塊的MEMS器件的幾何形狀的變 形可能在與縱向驅(qū)動指成橫向的力上產(chǎn)生不均衡。這種不均衡導(dǎo)致難 以與科里奧利力(Coriolis force)區(qū)分開的凈力。因此，陀螺儀可能產(chǎn) 生錯誤的輸出。存在這些幾何變形的至少兩個來源。 一個源自基板的 表面剪切(如，源自切割時的釋放/晶片彎曲)。另一個源自封裝的差 脹(differential expansion )和所施加的加速度(如，對角地，G x G )。 在Green， J. A.的"Progress in Integrated Gyroscopes", IEEE PLANS 2004 Proceedings, pp. 1-6中，討論了 G x G誤差的某些原因，通過引用將其 全文結(jié)合在此。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的特定實施例提供了一種具有四個傳感器元件的交叉四元 結(jié)構(gòu)的慣性傳感器。每個傳感器元件具有框架及懸置在框架內(nèi)的移動 質(zhì)塊。至少兩對相鄰的框架通過接合件互連，該接合件允許框架彼此 反相移動，但基本防止框架彼此同相地移動。這四個傳感器元件可以 以水平接合的布置方式、垂直接合的布置方式或完全接合(即，水平 和垂直接合)的布置方式配置。本發(fā)明的特定實施例提供了一種具有
一對垂直接合的傳感器元件的慣性傳感器。根據(jù)本發(fā)明一個方面，提供了這樣一種慣性傳感器，其具有至少 一個基板和在該至少一個基板上方的平面內(nèi)以交叉四元結(jié)構(gòu)布置的四 個傳感器元件。四個陀螺儀包括具有懸置在第一框架內(nèi)的第一諧振 器的第一傳感器元件；具有懸置在第二框架內(nèi)的第二諧振器的第二傳 感器元件；具有懸置在第三框架內(nèi)的第三諧振器的第三傳感器元件；以及具有懸置在第四框架內(nèi)的第四諧振器的第四傳感器元件。第一和 第三框架被接合以在平面內(nèi)沿第一軸共線地移動。第二和第四框架被 接合以沿與第一軸平行的該平面內(nèi)的第二軸共線地移動。至少兩對相 鄰的傳感器元件的框架通過接合件互連，該接合件允許框架的反相移 動，但基本防止框架的同相移動。在典型的實施例中，使第一和第二諧振器在該平面內(nèi)沿著與第一 和第二軸垂直的第三軸共線且彼此反相地移動，使第三和第四諧振器 在該平面內(nèi)沿著與第三軸平行的第四軸共線且彼此反相地移動，使第 一和第三諧振器彼此反相地移動，并使第二和第四諧振器彼此反相地 移動。在這種結(jié)構(gòu)中，基板繞垂直于該平面的軸的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致框架移動。 具體的，基板在第一方向上的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致第一和第三框架向彼此移動， 并使第二和第四框架相互遠離地移動，同時第一和第二質(zhì)塊向彼此移 動；而基板在第二方向上的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致第一和第三框架相互遠離地移動， 并使第二和第四框架向彼此移動，同時第一和第二質(zhì)塊向彼此移動。在特定實施例中，第一和第二框架通過第一水平接合件互連，該 接合件允許框架沿它們各自的軸的反相移動，但基本防止框架的同相 移動；而第三和第四框架通過第二水平接合件互連，該接合件允許框 架沿它們各自的軸的反相移動，但基本防止框架的同相移動。
第一和第二水平接合件每一個都可以包括接合在框架之間的至少一個棒條(bar)，該至少一個棒條由錨固到至少一個基板的結(jié)構(gòu)支撐。 這些結(jié)構(gòu)允許該至少一個棒條在框架彼此反相地移動時在樞軸點處旋 轉(zhuǎn)，而基本防止框架的同相移動。在一個示例性實施例中，第一和第二水平接合件的每一個都包括 第一對短撓曲，其從框架之一延伸，并通過第一長撓曲互連；第二對 短撓曲，其從另一個框架延伸，并通過第二長撓曲互連；棒條，其基 本在第一和第二長撓曲的中點處將第一長撓曲接合到第二長撓曲；以 及錨固撓曲，其支撐該棒條。錨固撓曲與棒條基本在棒條和錨固撓曲 的中點處相交。錨固撓曲的每一端被錨固于基板。在另一示例性實施例中，第一和第二水平接合件的每一個都包括 第一撓曲，其從框架之一延伸；第二撓曲，其從另一個框架延伸；棒 條，其接合在第一和第二撓曲之間；以及至少一個錨固撓曲，其支撐 該棒條。每一個錨固撓曲包括在一端處錨固于該至少一個基板的且向 后折180度與棒條相會的結(jié)構(gòu)。在特定的其他實施例中，第一和第三框架通過第一垂直接合件互 連，該接合件允許框架沿它們各自的軸的反相移動，但基本防止框架 的同相移動；而第二和第四框架通過第二垂直接合件互連，該接合件 允許框架沿它們各自的軸的反相移動，但基本防止框架的同相移動。第一和第二垂直接合件的每一個都可以包括接合到框架之一的 第一對互連的杠桿，該第一對杠桿包括第一杠桿和第二杠桿；接合到 另一框架的第二對互連的杠桿，該第二對杠桿包括第三杠桿和第四杠 桿；多個杠桿支撐結(jié)構(gòu)，其允許杠桿在框架彼此反相地移動時樞軸轉(zhuǎn) 動；第一接合撓曲，其基本在第一杠桿和第三杠桿各自的樞軸點之間 互連第一杠桿和第三杠桿；以及第二接合撓曲，其基本在第二杠桿和 第四杠桿各自的樞軸點之間互連第二杠桿和第四杠桿。該接合撓曲基
本防止框架的同相移動。典型地，在框架的反相移動期間，每個接合 撓曲的兩端在相同的方向上相對于框架的移動橫向地移動基本相同的 量，但在框架的同相移動期間被迫使在相對的方向上移動。多個杠桿支撐結(jié)構(gòu)典型地包括至少一個樞軸撓曲，其在一端接合 到杠桿，而在另一端接合到被錨固到基板的結(jié)構(gòu)。該至少一個樞軸撓 曲可以包括在一點處互連的第一樞軸撓曲和第二樞軸撓曲。樞軸撓曲 的互連點可以是向著杠桿的中央，或者向著離框架最近的杠桿的邊緣。 第一接合撓曲優(yōu)選基本與第一和第三杠桿的互連點成一線，而第二接 合撓曲優(yōu)選基本與第二和第四杠桿的互連點成一線。被錨固到基板的 結(jié)構(gòu)典型地是被錨固到基板的棒條。每一對杠桿典型地由杠桿撓曲互 連。每一個杠桿典型地通過懸置撓曲被連接到各自的框架。為了檢測框架的移動，每一個框架可以包括指狀結(jié)構(gòu)，其與被錨 固到基板的固定傳感指成指狀交叉，用于靜電感測框架的移動。為了 使質(zhì)塊移動，每個質(zhì)塊可以包括指狀結(jié)構(gòu)，其與錨固于基板的固定驅(qū) 動指成指狀交叉，用于使質(zhì)塊靜電移動。在特定的其他實施例中，第一和第二框架通過第一水平接合件互 連，第三和第四框架通過第二水平接合件互連，第一和第三框架通過 第一垂直接合件互連，第二和第四框架通過第二垂直接合件互連。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種慣性傳感器，其具有至少一個 基板和在該至少一個基板上方基本在平面內(nèi)以交叉四元結(jié)構(gòu)布置的四 個傳感器元件。這四個傳感器元件包括具有懸置在第一框架內(nèi)的第 一諧振器的第一傳感器元件；具有懸置在第二框架內(nèi)的第二諧振器的 第二傳感器元件；具有懸置在第三框架內(nèi)的第三諧振器的第三傳感器 元件；以及具有懸置在第四框架內(nèi)的第四諧振器的第四傳感器元件。 第一和第三框架接合以在平面內(nèi)沿第一軸共線地移動。第二和第四框 架接合以在與第一軸平行的該平面內(nèi)的第二軸共線地移動。該慣性傳
感器還包括這樣的裝置，其用于互連第一對相鄰的傳感器元件的框架， 以允許框架的反相移動，但基本防止框架的同相移動。該慣性傳感器 還包括這樣的裝置，其用于互連第二對相鄰的傳感器元件的框架，以 允許框架的反相移動，但基本防止框架的同相移動。該慣性傳感器還包括第三裝置，其用于互連第三對相鄰的傳感器 元件的框架，以允許框架的反相移動，但基本防止框架的同相移動； 以及第四裝置，其用于互連第四對相鄰的傳感器元件的框架，以允許 框架的反相移動，但基本防止框架的同相移動。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種慣性傳感器，其具有至少一 個基板；在該至少一個基板上方基本在平面內(nèi)的一對傳感器元件，每 個傳感器元件具有懸置在框架內(nèi)的諧振器，框架被配置為在該平面內(nèi) 沿著軸共線地移動；以及垂直接合件，其互連這些框架，允許框架沿 它們共線的軸反相地移動，但基本防止框架同相移動。該垂直接合件可以包括接合到框架之一的第一對互連的杠桿， 該第一對杠桿包括第一杠桿和第二杠桿；接合到另一框架的第二對互 連的杠桿，該第二對杠桿包括第三杠桿和第四杠桿；多個杠桿支撐結(jié) 構(gòu)，其允許杠桿在框架向彼此反相移動時樞軸轉(zhuǎn)動；第一接合撓曲， 其基本在第一杠桿和第三杠桿各自的樞軸點處互連第一杠桿和第三杠 桿；以及第二接合撓曲，其基本在第二杠桿和第四杠桿各自的樞軸點 處互連第二杠桿和第四杠桿。該接合撓曲基本防止框架的同相移動。


從下面參考附圖的進一步說明中，將更加全面地理解本發(fā)明的前 述內(nèi)容和優(yōu)點，在附圖中圖1A示出了根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的以水平接合的交叉四元 結(jié)構(gòu)布置的四個陀螺儀的圖示；圖1B示出了根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的以垂直接合的交叉四元 結(jié)構(gòu)布置的四個陀螺儀的圖示；圖1C示出了根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的以垂直和水平接合的交 叉四元結(jié)構(gòu)布置的四個陀螺儀的圖示；圖2示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的用于水平接合 兩個陀螺儀框架的第一示例性水平接合裝置；圖3示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的用于水平接合 兩個陀螺儀框架的第二示例性水平接合裝置；圖4示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的示例性平衡器；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的第一示例性實施例的以垂直和水平接合的"交叉四元"結(jié)構(gòu)布置的四個陀螺儀；圖6示出了根據(jù)圖5中所示的示例性實施例的在陀螺儀之間的不同接合件的位置；圖7A和7B示出了根據(jù)圖5中所示的示例性實施例的諧振器的同相移動和反相移動的表示；圖8A和8B示出了根據(jù)圖5中所示的示例性實施例，當慣性傳感器繞Z軸旋轉(zhuǎn)時陀螺儀框架移動的表示；圖9A示出了根據(jù)圖5中所示的第一示例性實施例的在兩個陀螺儀之間的垂直接合件的一部分；圖9B示出了與圖9A中相同的部分，其中標出了相關(guān)特征；圖IOA示出了圖9A中所示的互連部分的突出顯示的部分；圖IOB示出了圖IOA中突出顯示的部分的放大圖；圖11示出了根據(jù)本發(fā)明第二示例性實施例的以"交叉四元"結(jié)構(gòu)布置的四個陀螺儀；圖12A示出了圖11中所示的交叉四元結(jié)構(gòu)的突出顯示部分；圖12B示出了圖12A中突出顯示的部分的放大圖；以及圖12C示出了與圖12B中相同的部分，其中標出了相關(guān)特征。附圖是用于示例說明的目的，并且可以不按比例繪制。
具體實施方式
在本發(fā)明的特定實施例中，慣性傳感器包括以"交叉四元"結(jié)構(gòu) 布置的四個傳感器元件。在優(yōu)選實施例中，這些傳感器元件是微機電系統(tǒng)(即，"MEMS")陀螺儀。傳感器元件組合在一起從而有效地執(zhí)行單個陀螺儀的功能。傳感器元件典型地被懸置在一個或多個下基板 (未示出)上方，且在不同點處固定到基板(或多個基板)。在美國專利6122961中討論了對于使用交叉四元結(jié)構(gòu)的陀螺儀的期望，通過 引用將該專利的公開全文結(jié)合在此。每個陀螺儀具有至少一個懸置在框架內(nèi)的諧振器(質(zhì)塊)。出于 討論的目的，慣性傳感器的諧振器被配置為沿著兩個平行的X軸移動， 同時慣性傳感器的框架被配置為沿著垂直于X軸的兩個平行的Y軸移 動。因此，慣性傳感器繞Z軸的旋轉(zhuǎn)使得每個諧振器產(chǎn)生施加到其對 應(yīng)的陀螺儀框架的科里奧利力。在受到該科里奧利力時，框架沿Y軸 移動?？蚣芎突?或多個基板)上容性耦合的指檢測這些Y軸移動， 這些移動被轉(zhuǎn)譯成表示角加速度幅度的信號。在本發(fā)明的實施例中， 至少兩對相鄰的陀螺儀的框架通過接合件互連，該接合件允許框架的 反相移動，但基本防止框架的同相移動。圖1A示出了根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的以水平接合的交叉四元 結(jié)構(gòu)布置的四個陀螺儀16A-D的表示。這里，頂部的一對陀螺儀框架 和底部的一對陀螺儀框架通過接合件99 (下面稱之為"水平的"接合 件)互連，該接合件允許框架沿分開的平行的Y軸反相移動。每個陀 螺儀優(yōu)選通過平衡器97而支撐在與水平接合件99相對的側(cè)上，該平 衡器抵消該水平接合件的某些影響。下面說明示例性的水平接合件99 和平衡器97。每個陀螺儀還優(yōu)選通過懸置件93支撐在它剩余的兩側(cè)的 每一側(cè)上。圖1B示出了根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的以垂直接合的交叉四元 結(jié)構(gòu)布置的四個陀螺儀16A-D的圖示。這里，左側(cè)的一對陀螺儀框架和右側(cè)的一對陀螺儀框架通過接合件95 (下面，稱之為"垂直"接合件)互連，該接合件允許框架沿Y軸共線地反相移動。示例性的垂直 接合件將在下文中說明。每個陀螺儀優(yōu)選通過懸置件93支撐在與垂直 接合件95相對的側(cè)上。圖1C示出了根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的以垂直和水平接合的交 叉四元結(jié)構(gòu)布置的四個陀螺儀16A-D的圖示。這里，頂部的一對陀螺 儀框架和底部的一對陀螺儀框架通過接合件99互連，該接合件允許框 架沿分開的平行的Y軸的反相移動，而左側(cè)的一對陀螺儀框架和右側(cè) 的一對陀螺儀框架通過接合件95互連，該接合件允許框架的共線的反 相移動。每個陀螺儀優(yōu)選通過懸置件93支撐在與垂直接合件95相對 的側(cè)上。在所示的實施例中，陀螺儀16A-16D類似于在美國專利6505511 和6122961中所公開的，這里通過引用將這些公開全文結(jié)合在此。陀 螺儀16A-16D也可以類似于美國專利6877374中所公開的，這里也通 過引用將該專利的公開全文結(jié)合在此。優(yōu)選將陀螺儀16A-16D配置并操作以便具有共同的質(zhì)心。為此， 每個對角的一對陀螺儀的諧振器和框架典型地彼此同相地操作，而任 意的一對相鄰的陀螺儀的諧振器和框架典型地彼此反相地操作。因此， 下式通常成立VI + V4 = V2 + V3,其中VI是第一陀螺儀16A對旋轉(zhuǎn)點的矢量距離， V2是第二陀螺儀16B對旋轉(zhuǎn)點的矢量距離， V3是第三陀螺儀16C對旋轉(zhuǎn)點的矢量距離，而 V4是第四陀螺儀16D對旋轉(zhuǎn)點的矢量距離。請注意，在考慮該式時應(yīng)考慮矢量距離的符號。當該關(guān)系成立時，陀螺儀作為整體基本上變得對繞該旋轉(zhuǎn)點的角加速度不敏感到框架的 響應(yīng)彼此匹配的程度。接合件克服了由于制造容差而引起的不匹配， 并因此改善了對角加速度的拒絕。然而，這種布置不應(yīng)不利地影響慣性傳感器檢測基礎(chǔ)角速度，設(shè) 計該慣性傳感器的目的是檢測基礎(chǔ)角速度。因此，本發(fā)明的實施例應(yīng)當基本上對表面剪切不敏感，并且如上 所述，也使得角加速度噪聲被消除。圖2示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的用于水平互連 兩個陀螺儀框架(例如陀螺儀16A和16B的框架或陀螺儀16C和16D 的框架)的第一示例性水平接合裝置99，如圖1A和1C中所示的那些。 為方便起見，示出了陀螺儀16A和16B的框架。具體的，第一框架16A 具有與第一長撓曲22A接合的第一對短撓曲20A。以相應(yīng)的方式，第 二框架16B具有與第二長撓曲22B接合的第二對短撓曲20B。棒條24 將第一長撓曲22A固定到第二長撓曲22B。為了提供一定的穩(wěn)定性， 一對錨固件26A和26B在棒條24的兩側(cè)上延伸，并通過錨固撓曲28 與條24接合。當促使兩個框架16A和16B同相移動時，該布置基本是非順應(yīng)性 的。相反，當促使兩個框架16A和16B反相移動時，該布置基本是順 應(yīng)性的。換句話說，當沿Y軸向上推動第一框架16A時，第二框架16B 被沿Y軸向下推動。然而，如果沿Y軸向上推動這兩者，則該布置應(yīng) 當基本上是非順應(yīng)性的。在某些實施例中，當框架16A和16B在Y方 向上移動時，該布置允許框架16A和16B旋轉(zhuǎn)一定程度。圖3示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的用于水平互連 兩個陀螺儀框架(例如陀螺儀16A和16B的框架或陀螺儀16C和16D 的框架)的第二示例性水平接合裝置99，如圖1A和1C中所示的那些。
具體的，在該示例性實施例中，錨固撓曲28實際上向外延伸，并然后回折180度來與棒條24相遇。此外，該接合裝置還具有刻蝕補償器。 折疊的錨固撓曲28允許棒條24繞樞軸點的旋轉(zhuǎn)，但基本防止與棒條 24的軸垂直的平移。此外，該實施例在每個框架上使用單個端撓曲20， 而不是在每個框架上具有一對短撓曲20.。水平接合裝置99有效地向框架16的移動增加了質(zhì)量和剛度。由 于每個框架僅沿其一個側(cè)面被接合到相鄰的框架，因此接合裝置99有效地使每個框架的移動不平衡。因此，具有水平接合件的慣性傳感器 優(yōu)選包括許多平衡器97，以幫助抵消水平接合裝置99的影響。具體的， 平衡器97優(yōu)選被接合到每個陀螺儀框架的與具有水平接合裝置99的 側(cè)相對的側(cè)上。每個平衡器97的結(jié)構(gòu)典型地是水平接合裝置99的一 半的等效物，并因此基本施加相同但相反的機械作用在其各自陀螺儀 框架上。圖4示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的示例性平衡器 97的細節(jié)。如所示的，每個平衡器97的結(jié)構(gòu)實質(zhì)上是圖3中所示的接 合裝置的一半的等效物。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明第一示例性實施例的以垂直和水平接合的 "交叉四元"結(jié)構(gòu)布置的四個陀螺儀。具體地，該交叉四元結(jié)構(gòu)包括 陀螺儀50A、 50B、 50C和50D。每個陀螺儀包括框架(52A、 52B、 52C 和52D)和可移動地懸置在框架的內(nèi)周中的諧振器(54A、 54B、 54C 和54D)。陀螺儀50A和50B的框架52A和52B基本如上面參考圖3 所述地接合，陀螺儀50C和50D的框架52C和52D也是如此。此外， 根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例，陀螺儀50A和50C的框架52A和52C彼 此接合，陀螺儀50B和50D的框架52B和52D也是如此。圖6示出了 陀螺儀之間的不同接合件的位置。陀螺儀50A/50B和50C/50D之間的 接合件已在上面參照圖2-4進行了說明。陀螺儀50A/50C和50B/50D 之間的接合件將在下面說明。
每一對陀螺儀50A/50B和50C/50D的諧振器彼此反相地操作。此 外，在本發(fā)明的一個示例性實施例中，陀螺儀50A和50B的諧振器與 陀螺儀50C和50D的對應(yīng)諧振器反相地操作。因此，對角相對的陀螺 儀的諧振器彼此同相地操作，而任何一對相鄰的陀螺儀的諧振器彼此 反相地操作。圖7A和7B示出了根據(jù)本發(fā)明的該示例性實施例的諧振 器的同相移動和反相移動的表示。此外，還接合每一對陀螺儀50A/50B和50C/50D的框架以允許在 相反的方向上移動，但基本限制在相同方向上的移動。此外，根據(jù)本 發(fā)明的示例性實施例，接合陀螺儀50A和50C的框架以允許在相反方 向上的移動，但基本限制在相同方向上的移動，陀螺儀50B和50D的 框架也是如此。陀螺儀50A/50C的框架對陀螺儀50B/50D的框架反相 地移動。因此，對角相對的陀螺儀的框架彼此同相地操作，而任意一 對相鄰的陀螺儀的框架彼此反相地操作。如上述所討論的，使諧振器在X軸上前后振動。慣性傳感器繞Z 軸的旋轉(zhuǎn)使得框架在Y軸上移位。圖8A示出了當陀螺儀繞Z軸順時 針旋轉(zhuǎn)而諧振器如圖7A中所示移動時，陀螺儀框架相對于基板(或多 個基板)的移動的表示。在此情況下，陀螺儀50A和50C的框架52A 和52C向彼此移動，而陀螺儀50B和50D的框架52B和52D彼此遠離 地移動。圖8B示出了當陀螺儀繞Z軸逆時針旋轉(zhuǎn)而諧振器如圖7A中 所示移動時，陀螺儀框架相對于基板(或多個基板)的移動的表示。 在此情況下，陀螺儀50A和50C的框架52A和52C彼此遠離，而陀螺 儀50B和50D的框架52B和52D向彼此移動。應(yīng)當注意，當諧振器如 圖7B所示移動時，框架的移動可能是相反的。如上述所討論的，陀螺儀50A和50C的框架52A和52C垂直接 合，陀螺儀50B和50D的框架52B和52D也是如此。在本發(fā)明的示例 性實施例中，框架對通過多種杠桿和撓曲來垂直接合，所述杠桿和撓
曲允許框架的期望的共線反相移動，但基本限制框架的同相移動。圖9A示出了陀螺儀50A和50C之間互連的一部分。圖9B示出 了與圖9A中相同的部分，其中標出了相關(guān)特征。為了方便，僅示出了 互連特征的大約一半(剩余的互連特征基本是所示出的沿穿過杠桿撓 曲66A和66C的線的鏡像)。其中，互連包括杠桿56A和56C、杠桿 57A和57C(其基本是杠桿56A和56C的鏡像)、以及棒條58A和58C。 杠桿56A和56C通過懸置撓曲60A和60C分別被接合到框架52A和 52C，通過杠桿撓曲66A和66C被接合到杠桿57A和57C，以及通過 樞軸撓曲62A、 64A、 62C和64C被接合到杠桿58A和58C。杠桿56A 和56C也通過接合撓曲70互連。棒條58A和58C分別通過錨固件68A 和68C被錨固到基板。應(yīng)當注意，由于該示例性互連的鏡像特性，該 互連在互連的另一側(cè)上包括基本一致的錨固件、杠桿和撓曲。圖10A 示出了圖9A中所示的互連的一部分的突出顯示的部分。圖10B示出了 圖10A中突出顯示的部分的放大圖。應(yīng)當注意，使懸置件(suspension) 62A和62C的樞軸點對準，以 使得它們彼此直接相反，并且在樞軸點之間的杠桿56A和56C中嵌入 接合撓曲70。當框架相對彼此反相地移動時，接合撓曲70的兩端以基 本相同的方向相對于框架的移動橫向地移動基本相同的量。因此，接 合撓曲70僅需要彎曲非常小的量，來適應(yīng)(accommodate)運動。因此， 該接合撓曲對所期望的運動的剛度幾乎沒有貢獻。例如，參考圖9B，當框架52A和52C彼此遠離移動時，懸置撓 曲60A和60C被拉得彼此遠離，導(dǎo)致懸置撓曲60A和60C附近的杠桿 56A和56C的端部被彼此遠離地拉開，并使得杠桿56A和56C的相對 端向彼此移動。樞軸撓曲62A和64A允許杠桿56A相對于棒條58A樞 軸轉(zhuǎn)動，而樞軸撓曲62C和64C允許杠桿56C相對于棒條58C樞軸轉(zhuǎn) 動。接合撓曲70被基本定位在杠桿56A和56C的樞軸點上，并且允許 杠桿56A和56C相對于彼此樞軸轉(zhuǎn)動。同時，杠桿57A和57C相對于 杠桿56A和56C成鏡像移動，使得樞軸撓曲66A和66C向彼此移動。 杠桿撓曲66A允許杠桿56A和57A相對于彼此樞軸轉(zhuǎn)動，而杠桿撓曲 66C允許杠桿56C和57C相對于彼此樞軸轉(zhuǎn)動。當框架52A和52C向彼此移動時，懸置撓曲60A和60C被推向 彼此，導(dǎo)致懸置撓曲60A和60C附近的杠桿56A和56C的端部被推向 彼此，并使得杠桿56A和56C的相對端彼此遠離。樞軸撓曲62A和64A 允許杠桿56A相對于棒條58A樞軸轉(zhuǎn)動，而樞軸撓曲62C和64C允許 杠桿56C相對于棒條58C樞軸轉(zhuǎn)動。接合撓曲70允許杠桿56A和56C 相對于彼此樞軸轉(zhuǎn)動。同時，杠桿57A和57C相對于杠桿56A和56C 成鏡像移動，使得樞軸撓曲66A和66C彼此遠離地移動。樞軸撓曲66A 允許杠桿56A和57A相對于彼此樞軸轉(zhuǎn)動，而樞軸撓曲66C允許杠桿 56C和57C相對于彼此樞軸轉(zhuǎn)動。另一方面，如果迫使框架在相同的方向上移動，那么相應(yīng)地迫使 接合撓曲70的端部在相反的方向移動。接合撓曲70較強地抵抗在相 反方向上的這種移動，代之以優(yōu)待期望的交叉四元運動。因此，該互 連允許期望的框架的反相移動，但基本防止框架的同相移動。在圖11中所示的替換實施例中，樞軸撓曲方向與圖9和10中所 示的相反，并且接合撓曲和懸置樞軸點之間的距離增加。其中，這允 許期望的運動較低的整體剛度(這對于制造較小的結(jié)構(gòu)是有用的)。 此外，通過增加接合撓曲和懸置樞軸點之間的距離，互連甚至更加歧 視框架的同相移動。圖11示出了根據(jù)本發(fā)明第二示例性實施例的以"交叉四元"結(jié)構(gòu) 布置的四個陀螺儀。圖12A示出了圖11中所示的交叉四元結(jié)構(gòu)的突出 顯示部分。圖12B示出了圖12A中突出顯示的部分的放大圖。圖12C 示出了與圖12B中相同的部分，其中標出了相關(guān)特征。如圖12C中所 示，樞軸撓曲62C和64C的方向與圖9和圖10中所示的樞軸撓曲相反。 樞軸撓曲62C和64C的交叉點在最接近框架56C的杠桿56C的邊緣的 附近，而不是如圖9和IO中的情況那樣向著杠桿的中央。為便于參考 示出了框架52C、諧振器54C、杠桿撓曲66C和接合撓曲70。在該結(jié) 構(gòu)中，接合撓曲和樞軸撓曲的交叉點之間的距離增加，以便更加歧視 框架的同相移動。應(yīng)當注意，上面參考圖9-12所述的示例性垂直接合件可以被用在 如圖1B中所示的垂直接合的交叉四元陀螺儀結(jié)構(gòu)中。應(yīng)當注意，本發(fā)明的特定特征和優(yōu)點可以利用單對垂直接合的陀 螺儀來實現(xiàn)(例如，僅如圖1B中所示的左側(cè)或右側(cè)的一對陀螺儀)。 因此，使慣性傳感器具有單對垂直接合的陀螺儀是在本發(fā)明的范圍之 內(nèi)。在示例性的實施例中，陀螺儀允許在大約17伏操作。本發(fā)明可以以其他的具體形式來實施，而不偏離本發(fā)明的實際范 圍。所示出的實施例無論從哪一方面來講都被認為僅是示例性的而不 是限制性的。
權(quán)利要求
1.一種慣性傳感器，包括至少一個基板；和四個傳感器元件，其在該至少一個基板上方基本在平面內(nèi)以交叉四元結(jié)構(gòu)布置，所述四個傳感器元件包括具有懸置在第一框架內(nèi)的第一諧振器的第一傳感器元件；具有懸置在第二框架內(nèi)的第二諧振器的第二傳感器元件；具有懸置在第三框架內(nèi)的第三諧振器的第三傳感器元件；以及具有懸置在第四框架內(nèi)的第四諧振器的第四傳感器元件，其中，第一和第三框架被配置為在該平面內(nèi)沿第一軸共線地移動，第二和第四框架被配置為沿與第一軸平行的該平面內(nèi)的第二軸共線地移動，并且至少兩對相鄰的傳感器元件的框架通過接合件互連，所述接合件允許框架的反相移動，但基本防止框架的同相移動。
2. 如權(quán)利要求l所述的慣性傳感器，其中使得第一和第二諧振器在所述平面內(nèi)沿著與第一和第二軸垂直的 第三軸共線地且彼此反相地移動；使得第三和第四諧振器在所述平面內(nèi)沿著與所述第三軸平行的第 四軸共線地且彼此反相地移動；使得第一和第三諧振器彼此反相地移動；以及使得第二和第四諧振器彼此反相地移動。
3. 如權(quán)利要求l所述的慣性傳感器，其中，所述至少一個基板繞 垂直于所述平面的軸的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致框架的移動。
4. 如權(quán)利要求3所述的慣性傳感器，其中所述基板在第一方向上的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致第一和第三框架向彼此移動， 并導(dǎo)致第二和第四框架相互遠離地移動，同時第一和第二質(zhì)塊向彼此移動；以及所述基板在第二方向上的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致第一和第三框架相互遠離地移 動，并導(dǎo)致第二和第四框架向彼此移動，同時第一和第二質(zhì)塊向彼此 移動。
5. 如權(quán)利要求l所述的慣性傳感器，其中第一和第二框架通過第一水平接合件互連，該接合件允許所述框 架沿它們各自的軸的反相移動，但基本防止所述框架的同相移動；以 及第三和第四框架通過第二水平接合件互連，該接合件允許框架沿 它們各自的軸進行的反相移動，但基本防止所述框架的同相移動。
6. 如權(quán)利要求5所述的慣性傳感器，其中，第一和第二水平接合 件的每一個都包括接合在第一和第二框架之間的至少一個棒條，所述至少一個棒條 由被錨固到所述至少一個基板的結(jié)構(gòu)來支撐，所述結(jié)構(gòu)允許所述至少 一個棒條在所述框架彼此反相移動時在樞軸點處旋轉(zhuǎn)，但基本防止所 述框架的同相移動。
7. 如權(quán)利要求6所述的慣性傳感器，其中，所述第一和第二水平 接合件的每一個都包括第一對短撓曲，其從框架之一延伸，并通過第一長撓曲互連； 第二對短撓曲，其從框架的另一個延伸，并通過第二長撓曲互連； 棒條，其基本在所述第一和第二長撓曲的中點處將所述第一長撓曲接合到所述第二長撓曲；以及錨固撓曲，其支撐所述棒條，所述錨固撓曲與所述棒條基本在所述棒條和錨固撓曲的中點處交叉，所述錨固撓曲的每一端被錨固于所述基板。
8.如權(quán)利要求6所述的慣性傳感器，其中，所述第一和第二水平 接合件的每一個都包括第一撓曲，其從所述框架之一延伸；第二撓曲，其從所述框架的另一個延伸；棒條，其接合在所述第一和第二撓曲之間；以及至少一個錨固撓曲，其支撐所述棒條，每一個錨固撓曲包括這樣的結(jié)構(gòu)，其在一端錨固于所述至少一個基板的且向后折180度與所述棒條相會。
9. 如權(quán)利要求l所述的慣性傳感器，其中所述第一和第三框架通過第一垂直接合件互連，該接合件允許所 述框架沿它們各自的軸的反相移動，但基本防止所述框架的同相移動； 以及所述第二和第四框架通過第二垂直接合件互連，該接合件允許所 述框架沿它們的共線的軸反相移動，但基本防止所述框架的同相移動。
10. 如權(quán)利要求9所述的慣性傳感器，其中，所述第一和第二垂 直接合件的每一個都包括接合到所述框架之一的第一對互連的杠桿，所述第一對杠桿包括 第一杠桿和第二杠桿；接合到所述框架的另一個的第二對互連的杠桿，所述第二對杠桿 包括第三杠桿和第四杠桿；多個杠桿支撐結(jié)構(gòu)，其允許杠桿在框架彼此反相移動時樞軸轉(zhuǎn)動；第一接合撓曲，其基本在所述第一杠桿和第三杠桿各自的樞軸點 之間互連所述第一杠桿和第三杠桿；以及第二接合撓曲，其基本在所述第二杠桿和第四杠桿各自的樞軸點 之間互連所述第二杠桿和第四杠桿，其中，所述接合撓曲基本防止所 述框架的同相移動。
11. 如權(quán)利要求IO所述的慣性傳感器，其中，在所述框架的反相 移動期間，每一個接合撓曲的兩端在相同的方向上相對于所述框架的 移動橫向地移動基本相同的量，但在所述框架的同相移動期間，所述 每一個接合撓曲的兩端被迫使在相反的方向上移動。
12. 如權(quán)利要求IO所述的慣性傳感器，其中，所述多個杠桿支撐結(jié)構(gòu)包括至少一個樞軸撓曲，其在一端處接合到杠桿而在另一端處接合到 被錨固于所述基板的結(jié)構(gòu)。
13. 如權(quán)利要求12所述的慣性傳感器，其中，所述至少一個樞軸撓曲包括在一點處互連的第一樞軸撓曲和第二樞軸撓曲。
14. 如權(quán)利要求13所述的慣性傳感器，其中，所述互連點向著所 述杠桿的中央。
15. 如權(quán)利要求13所述的慣性傳感器，其中，所述互連點向著離 所述框架最近的杠桿的邊緣。
16. 如權(quán)利要求13所述的慣性傳感器，其中所述第一接合撓曲基本與所述第一和第三杠桿的互連點成一線；以及所述第二接合撓曲基本與所述第二和第四杠桿的互連點成一線。
17. 如權(quán)利要求12所述的慣性傳感器，其中，所述被錨固于所述 基板的結(jié)構(gòu)是被錨固于所述基板的棒條。
18. 如權(quán)利要求IO所述的慣性傳感器，其中，每一對杠桿由杠桿 撓曲互連。
19. 如權(quán)利要求IO所述的慣性傳感器，其中，每一個杠桿通過懸 置撓曲連接到各自的框架。
20. 如權(quán)利要求1所述的慣性傳感器，其中，每一個框架包括指 狀結(jié)構(gòu)，所述指狀結(jié)構(gòu)與錨固于所述至少一個基板的固定傳感指成指 狀交叉，用于靜電感測所述框架的移動。
21. 如權(quán)利要求1所述的慣性傳感器，其中，每一個質(zhì)塊包括指狀結(jié)構(gòu)，所述指狀結(jié)構(gòu)與錨固于所述至少一個基板的固定驅(qū)動指成指 狀交叉，用于靜電移動所述質(zhì)塊。
22. 如權(quán)利要求l所述的慣性傳感器，其中所述第一和第二框架通過第一水平接合件互連，所述接合件允許 所述框架沿它們各自的軸的反相移動，但基本防止所述框架的同相移動；所述第三和第四框架通過第二水平接合件互連，所述接合件允許 所述框架沿它們各自的軸的反相移動，但基本防止所述框架的同相移 動；所述第一和第三框架通過第一垂直接合件互連，所述接合件允許 所述框架沿它們的共線的軸的反相移動，但基本防止所述框架的同相 移動；以及所述第二和第四框架通過第二垂直接合件互連，所述接合件允許 所述框架沿它們的共線的軸的反相移動，但基本防止所述框架的同相 移動。
23. —種慣性傳感器，包括 至少一個基板；和四個傳感器元件，其在該至少一個基板上方基本在平面內(nèi)以交叉 四元結(jié)構(gòu)布置，所述四個傳感器元件包括具有懸置在第一框架內(nèi)的第一諧振器的第一傳感器元件； 具有懸置在第二框架內(nèi)的第二諧振器的第二傳感器元件； 具有懸置在第三框架內(nèi)的第三諧振器的第三傳感器元件；以 及具有懸置在第四框架內(nèi)的第四諧振器的第四傳感器元件， 其中，所述第一和第三框架被配置為在所述平面內(nèi)沿第一軸共線地移動，所述第二和第四框架被配置為在與所述第一軸平行的所述平面內(nèi)的第二軸共線地移動；第一裝置，其用于互連第一對相鄰的傳感器元件的框架，以允許 所述框架的反相移動，但基本防止所述框架的同相移動；以及第二裝置，其用于互連第二對相鄰的傳感器元件的框架，以允許 所述框架的反相移動，但基本防止所述框架的同相移動。
24. 如權(quán)利要求23所述的慣性傳感器，進一步包括 第三裝置，其用于互連第三對相鄰的傳感器元件的框架，以允許所述框架的反相移動，但基本防止所述框架的同相移動；以及第四裝置，其用于互連第四對相鄰的傳感器元件的框架，以允許 所述框架的反相移動，但基本防止所述框架的同相移動。
25. —種慣性傳感器，包括 至少一個基板；在該至少一個基板上方基本在平面內(nèi)的一對傳感器元件，每一個 傳感器元件具有懸置在框架內(nèi)的諧振器，所述框架被配置為在所述平 面內(nèi)沿著軸共線地移動；以及垂直接合件，其互連所述框架，并允許所述框架沿它們共線的軸 的反相移動，但基本防止所述框架的同相移動。
26. 如權(quán)利要求25所述的慣性傳感器，其中，所述垂直接合件包括接合到所述框架之一的第一對互連的杠桿，所述第一對杠桿包括 第一杠桿和第二杠桿；接合到所述框架的另一個的第二對互連的杠桿，所述第二對杠桿 包括第三杠桿和第四杠桿； 多個杠桿支撐結(jié)構(gòu)，其允許所述杠桿當所述框架彼此反相移動時 樞軸轉(zhuǎn)動；第一接合撓曲，其基本在所述第一杠桿和第三杠桿各自的樞軸點 處互連所述第一杠桿和第三杠桿；以及第二接合撓曲，其基本在所述第二杠桿和第四杠桿各自的樞軸點 處互連所述第二杠桿和第四杠桿，其中，所述接合撓曲基本防止所述 框架的同相移動。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種包括四個傳感器元件的交叉四元結(jié)構(gòu)的慣性傳感器。每一個傳感器元件具有框架及懸置在框架內(nèi)的諧振器。布置傳感器元件使得允許框架彼此反相移動，但基本防止框架彼此同相移動。這些傳感器元件可以以水平接合的布置方式、垂直接合的布置方式或完全接合(即，水平和垂直接合)的布置方式配置?？梢源怪苯雍弦粚鞲衅髟?。
文檔編號G01C19/56GK101160506SQ200680012422
公開日2008年4月9日 申請日期2006年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月14日
發(fā)明者約翰·A·吉恩, 鄺錦波 申請人:模擬設(shè)備公司