本發(fā)明大體上涉及微機(jī)電系統(tǒng)(microelectromechanical system，MEMS)裝置。更確切地說，本發(fā)明涉及通常不受由同相運(yùn)動(dòng)引起的誤差影響的MEMS裝置，例如角速率傳感器。

背景技術(shù)：

近年來，微機(jī)電系統(tǒng)(Microelectromechanical system，MEMS)技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)廣泛普及，因?yàn)樵撐C(jī)電系統(tǒng)提供了一種方法來制造極小的機(jī)械結(jié)構(gòu)并使用常規(guī)分批半導(dǎo)體處理技術(shù)將這些結(jié)構(gòu)與電氣裝置在單個(gè)基板上集成。MEMS的一個(gè)常見應(yīng)用是傳感器裝置的設(shè)計(jì)和制造。MEMS傳感器裝置廣泛用于汽車、慣性導(dǎo)引系統(tǒng)、家用電器、游戲裝置、用于各種裝置的保護(hù)系統(tǒng)以及許多其它工業(yè)、科學(xué)和工程系統(tǒng)等應(yīng)用。MEMS傳感器的一個(gè)例子是MEMS角速率傳感器。又稱為陀螺儀的角速率傳感器感測圍繞一個(gè)或多個(gè)軸的角速率或角速度。MEMS陀螺儀越來越適于在汽車工業(yè)中用來促進(jìn)防側(cè)翻控制系統(tǒng)中的防滑控制和電子穩(wěn)定控制。

許多MEMS角速率傳感器利用懸浮在基板上方的振動(dòng)結(jié)構(gòu)。一個(gè)此種角速率傳感器通常被稱為“音叉”角速率傳感器并且通常具有靜電驅(qū)動(dòng)和電容式感測。音叉角速率傳感器可以包括一對驅(qū)動(dòng)塊和/或一對感測塊。該對驅(qū)動(dòng)塊以相反的相位(即，反相)被驅(qū)動(dòng)。響應(yīng)于圍繞輸入軸的外部角刺激，該對感測塊通過利用科氏加速度分量反相移動(dòng)。感測塊的移動(dòng)具有與角速率傳感器圍繞輸入軸的角旋轉(zhuǎn)速率成比例的幅度。

不利的是，此類角速率傳感器容易發(fā)生兩個(gè)驅(qū)動(dòng)塊和/或兩個(gè)感測塊的共模激勵(lì)。共模激勵(lì)是兩個(gè)驅(qū)動(dòng)塊和/或兩個(gè)感測塊由于外部刺激(例如，沖擊、振動(dòng)、偽加速度)而在相同的方向上且以相同的幅度移動(dòng)的情況。同相運(yùn)動(dòng)的頻率(也稱為共模頻率)可以低至或低于反相運(yùn)動(dòng)的頻率(也稱為差模頻率)。因此，共模激勵(lì)(即，同相運(yùn)動(dòng))會(huì)引起角速率傳感器的不準(zhǔn)確性或者會(huì)導(dǎo)致角速率傳感器的永久失效。此外，角速率傳感器的不準(zhǔn)確性或失效的可能性由于相對低的共模頻率而增加。

附圖說明

當(dāng)結(jié)合附圖考慮時(shí)，通過參考具體實(shí)施方式和權(quán)利要求書可以得到對本發(fā)明的更全面理解，其中相同的附圖標(biāo)記貫穿附圖指代類似的項(xiàng)目，不一定按比例繪制附圖，并且：

圖1示出根據(jù)實(shí)施例的MEMS裝置的頂視圖；

圖2示出圖1的MEMS裝置的放大局部頂視圖；

圖3示出圖1的MEMS裝置的另一放大局部頂視圖；

圖4示出圖1的MEMS裝置的頂視圖，其例示MEMS裝置的一對驅(qū)動(dòng)塊的反相運(yùn)動(dòng)；

圖5示出圖1的MEMS裝置的頂視圖，其例示MEMS裝置的一對感測塊的反相運(yùn)動(dòng)；

圖6示出根據(jù)實(shí)施例經(jīng)由彈簧系統(tǒng)耦合的用于圖1的MEMS裝置的一對感測塊的概念模型；

圖7示出圖6的概念模型，其展示感測塊在第一方向上的反相運(yùn)動(dòng)；以及

圖8示出圖6的概念模型，其展示感測塊在第二方向上的反相運(yùn)動(dòng)。

具體實(shí)施方式

概括來說，本文所公開的實(shí)施例必須包括具有共模抑制結(jié)構(gòu)和充分解耦的驅(qū)動(dòng)和感測模式的微機(jī)電系統(tǒng)(microelectromechanical system，MEMS)裝置，例如角速率傳感器。具體來說，MEMS裝置包括呈耦合一對驅(qū)動(dòng)塊的驅(qū)動(dòng)彈簧系統(tǒng)形式的共模抑制結(jié)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)彈簧系統(tǒng)在提高共模驅(qū)動(dòng)頻率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)塊的基本反相驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，使得有效地抑制驅(qū)動(dòng)塊的同相運(yùn)動(dòng)。MEMS裝置可以另外包括呈耦合一對感測塊的感測彈簧系統(tǒng)形式的另一共模抑制結(jié)構(gòu)。感測彈簧系統(tǒng)在提高共模感測頻率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)感測塊的基本反相感測運(yùn)動(dòng)，使得有效地抑制感測塊的同相運(yùn)動(dòng)。MEMS裝置可以另外包括插入在驅(qū)動(dòng)塊與感測塊之間以使驅(qū)動(dòng)塊的驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)從感測塊的感測運(yùn)動(dòng)解耦的耦合塊。MEMS裝置的共模抑制結(jié)構(gòu)能個(gè)別地實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和感測同相運(yùn)動(dòng)兩者的抑制，并且充分解耦的配置能減少正交誤差和/或可能以另外的方式將錯(cuò)誤的信號(hào)輸入從驅(qū)動(dòng)塊強(qiáng)加至感測塊的其它電噪聲的可能性。雖然在本文中描述了MEMS角速率傳感器，但應(yīng)理解，驅(qū)動(dòng)和感測彈簧系統(tǒng)可適用于實(shí)施雙移動(dòng)塊的其它MEMS裝置中，該雙移動(dòng)塊將反相移動(dòng)且其同相運(yùn)動(dòng)被抑制。

提供本發(fā)明以另外通過能夠?qū)崿F(xiàn)的方式對在應(yīng)用時(shí)制造和使用根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施例的最佳模式進(jìn)行解釋。進(jìn)一步提供本發(fā)明以加強(qiáng)對本發(fā)明的創(chuàng)造性原理及優(yōu)點(diǎn)的理解和了解，而不是以任何方式限制本發(fā)明。本發(fā)明僅通過所附權(quán)利要求書界定，包括在本申請及提出的那些權(quán)利要求的全部等效物的未決期間所進(jìn)行的任何修正。

參考圖1，圖1示出根據(jù)實(shí)施例的MEMS裝置20的頂視圖。MEMS裝置20是通常被配置成感測圍繞旋轉(zhuǎn)軸的角速率的角速率傳感器，該旋轉(zhuǎn)軸被稱為輸入軸22。因此，MEMS裝置20在下文中被稱為角速率傳感器20。在示出的配置中，輸入軸22是三維坐標(biāo)系中的Z軸，其中Z軸22延伸到頁面外，垂直于坐標(biāo)系的X軸24和Y軸26。

角速率傳感器20包括平面基板28、驅(qū)動(dòng)組合件30、第一感測塊32、第二感測塊34以及(本文中所論述的)各種機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)組合件30包括第一驅(qū)動(dòng)塊36、第一耦合塊38、第二驅(qū)動(dòng)塊40以及第二耦合塊42。在圖1的例子中，第一感測塊32和第一耦合塊38中的每一個(gè)塊是通常C形的框架，其中第一耦合塊38駐留在延伸穿過第一感測塊32的中心開口中，且第一驅(qū)動(dòng)塊36駐留在延伸穿過第一耦合塊38的中心開口中。因此，第一耦合塊38定位在第一驅(qū)動(dòng)塊36與第一感測塊32之間。

為了圖示清楚起見，使用各種底紋和/或影線示出圖1和后續(xù)圖2-8以彼此區(qū)分各種元件?？梢岳枚喾N現(xiàn)行的和將來的制造技術(shù)來產(chǎn)生構(gòu)造層內(nèi)的這些不同元件。此外，例如第一和第二、頂部和底部等等相關(guān)術(shù)語(如果存在的話)的使用在本文中僅用于區(qū)分實(shí)體或動(dòng)作，而不必需要或意指在此類實(shí)體或動(dòng)作之間的任何實(shí)際此種關(guān)系或次序。

第二感測塊34、第二耦合塊42和第二驅(qū)動(dòng)塊40相對于對應(yīng)的第一感測塊32、第一耦合塊38和第一驅(qū)動(dòng)塊36圍繞大體上平行于Y軸26的角速率傳感器20的中心線45鏡像對稱地朝向。因此，第二感測塊34和第二耦合塊42中的每一個(gè)塊是通常反向的C形框架，其中第二耦合塊42駐留在延伸穿過第二感測塊34的開口中，且第二驅(qū)動(dòng)塊40駐留在延伸穿過第二耦合塊42的中心開口中。因此，第二耦合塊42定位在第二驅(qū)動(dòng)塊40與第二感測塊34之間。

在所描繪的實(shí)施例中，第一驅(qū)動(dòng)塊36和第二驅(qū)動(dòng)塊40被配置成在大體上平行于Y軸26的驅(qū)動(dòng)方向上進(jìn)行平面內(nèi)振蕩線性運(yùn)動(dòng)。第一感測塊32和第二感測塊34被配置成在大體上平行于X軸24并且因此垂直于Y軸26的感測方向上進(jìn)行平面內(nèi)振蕩線性運(yùn)動(dòng)。如下文將詳細(xì)論述，第一耦合塊38和第二耦合塊42被配置成在驅(qū)動(dòng)方向和感測方向兩者上進(jìn)行振蕩運(yùn)動(dòng)。

柔性支撐元件44經(jīng)由錨定器48將第一驅(qū)動(dòng)塊36和第二驅(qū)動(dòng)塊40中的每一個(gè)驅(qū)動(dòng)塊連接到平面基板28的表面46。如此，第一驅(qū)動(dòng)塊36和第二驅(qū)動(dòng)塊40懸置在基板28的表面46之上。柔性支撐元件44使第一驅(qū)動(dòng)塊36和第二驅(qū)動(dòng)塊40能夠在大體上平行于Y軸26的驅(qū)動(dòng)方向上移動(dòng)。例如，角速率傳感器20的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括被配置成使驅(qū)動(dòng)塊36和40振蕩的若干組驅(qū)動(dòng)元件。每一組驅(qū)動(dòng)元件包括被稱為活動(dòng)指50和固定指52的若干對電極。在示出的例子中，活動(dòng)指50耦合到驅(qū)動(dòng)塊36、40中的每一個(gè)驅(qū)動(dòng)塊并從驅(qū)動(dòng)塊36、40中的每一個(gè)驅(qū)動(dòng)塊延伸，并且固定指52固定到基板28的表面46。固定指52與活動(dòng)指50間隔開并以與活動(dòng)指50交替的布置定位。借助于附接到驅(qū)動(dòng)塊36、40，活動(dòng)指50能與驅(qū)動(dòng)塊36、40一起活動(dòng)。相反，由于固定地附接到基板28，固定指52相對于活動(dòng)指50固定。

一般來說，可以經(jīng)由驅(qū)動(dòng)電路(未示出)將交流(alternating current，AC)電壓作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)施加到與第一驅(qū)動(dòng)塊36相關(guān)聯(lián)的第一組固定指52以及與第二驅(qū)動(dòng)塊40相關(guān)聯(lián)的第二組固定指52。對這兩組固定指52加偏壓以使第一驅(qū)動(dòng)塊36和第二驅(qū)動(dòng)塊40在沿著三維坐標(biāo)系中的Y軸26的驅(qū)動(dòng)方向上反相振蕩。也就是說，在+Y方向上致動(dòng)一個(gè)驅(qū)動(dòng)塊36而在-Y方向上致動(dòng)另一驅(qū)動(dòng)塊40，且反之亦然。

結(jié)合圖1參考圖2，圖2示出角速率傳感器20的放大局部頂視圖，圖2的局部頂視圖在圖1中以虛線框54劃界。根據(jù)實(shí)施例，剛性梁56使第一驅(qū)動(dòng)塊36與第二驅(qū)動(dòng)塊40互連。更確切地說，第一彈性元件58耦合在剛性梁56的第一端60與第一驅(qū)動(dòng)塊36之間。也就是說，剛性梁56的第一端60耦合在第一彈性元件58的中心位置處，并且第一彈性元件58的相對端連接到第一驅(qū)動(dòng)塊36。類似地，第二彈性元件62耦合在剛性梁56的第二端64與第二驅(qū)動(dòng)塊40之間。也就是說，剛性梁56的第二端64耦合在第二彈性元件62的中心位置處，并且第二彈性元件62的相對端連接到第二驅(qū)動(dòng)塊40。剛性梁56的縱長維度66通常垂直于第一驅(qū)動(dòng)塊36和第二驅(qū)動(dòng)塊40的驅(qū)動(dòng)方向(即，Y軸26)朝向，并且第一彈性元件58和第二彈性元件62橫向于剛性梁56朝向。

剛性梁56的中心區(qū)域68經(jīng)由至少一個(gè)錨定元件70(示出兩個(gè))和至少一個(gè)彎曲部72(示出兩個(gè))彈性地耦合到平面基板28，該至少一個(gè)彎曲部72在剛性梁56的中心區(qū)域68與錨定元件70之間互連。彎曲部72橫向于剛性梁56朝向。因此，剛性梁56的中心區(qū)域68經(jīng)由彎曲部72和錨定元件70鉸接到平面基板28。雖然錨定元件70和彎曲部72提供用于旋轉(zhuǎn)的鉸接，但是它們被配置成在平行于Y軸72的方向上是剛性的并且因此能抵抗在Y方向上的平移。

在操作中，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括活動(dòng)指50和固定指52)因靜電力而對第一驅(qū)動(dòng)塊36和第二驅(qū)動(dòng)塊40傳遞振蕩線性運(yùn)動(dòng)。第一驅(qū)動(dòng)塊36和第二驅(qū)動(dòng)塊40的移動(dòng)致使第一彈性元件58和第二彈性元件62以及彎曲部72的變形/彎曲、以及剛性梁56圍繞大體上垂直于平面基板28(即，Z軸22)的中心區(qū)域68處的鉸接點(diǎn)/約束的樞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因此，第一彈性元件58和第二彈性元件62以及彎曲部72與剛性梁56組合的配置使得第一驅(qū)動(dòng)塊36和第二驅(qū)動(dòng)塊40在大致平行于Y軸26的相反方向(即，圖1和2中的向上和向下)上(反相)大體上線性振蕩。

然而，通過剛性梁56到基板28的約束能抵消共模激勵(lì)(例如，沖擊、振動(dòng)等)，所述共模激勵(lì)通常將趨于沿著驅(qū)動(dòng)軸(例如，Y軸26)以相同的量且在相同的方向上移動(dòng)第一驅(qū)動(dòng)塊36和第二驅(qū)動(dòng)塊40。因此，主要因第一驅(qū)動(dòng)塊36和第二驅(qū)動(dòng)塊40經(jīng)由剛性梁56的耦合來抑制第一驅(qū)動(dòng)塊36和第二驅(qū)動(dòng)塊40在驅(qū)動(dòng)頻率下的共模激勵(lì)(即，同相運(yùn)動(dòng))。

在“音叉”類的角速率傳感器的操作期間，驅(qū)動(dòng)塊(例如，驅(qū)動(dòng)塊36、40)的位移通常比感測塊(例如，感測塊32、34)的位移大得多。由于這種相對大的位移，驅(qū)動(dòng)彈簧的非線性運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致線性誤差。除抑制共模激勵(lì)外，剛性梁56與第一彈性元件58和第二彈性元件62以及彎曲部72的配置還產(chǎn)生第一驅(qū)動(dòng)塊36和第二驅(qū)動(dòng)塊40的線性振蕩行為，由此緩解在現(xiàn)有技術(shù)配置中觀測到的與非線性驅(qū)動(dòng)彈簧運(yùn)動(dòng)相關(guān)聯(lián)的問題。

返回參考圖1，應(yīng)記得，第一耦合塊38插入在第一驅(qū)動(dòng)塊36與第一感測塊32之間。類似地，第二耦合塊42插入在第二驅(qū)動(dòng)塊40與第二感測塊34之間。第一耦合塊38通過第一連桿彈簧組件74(示出兩個(gè))耦合到第一驅(qū)動(dòng)塊36。類似地，第二耦合塊42通過第二連桿彈簧組件78(示出兩個(gè))耦合到第二驅(qū)動(dòng)塊40。另外，第一耦合塊38通過第一彈性組件82(示出四個(gè))耦合到第一感測塊32，并且第二耦合塊42通過第二彈性組件84(示出四個(gè))耦合到第二感測塊34。

連桿彈簧組件74、78被配置成僅連接驅(qū)動(dòng)塊36、40與耦合塊38、42，使得就驅(qū)動(dòng)塊36、40在大體上平行于Y軸26的驅(qū)動(dòng)方向上的振蕩線性運(yùn)動(dòng)而言，感測塊32、34大體上從驅(qū)動(dòng)塊36、40解耦。然而，彈性組件82、84被配置成將感測塊32、34耦合到耦合塊38、42在大體上平行于X軸24的感測方向上的任何振蕩線性運(yùn)動(dòng)。通過以此方式使驅(qū)動(dòng)塊36、40和感測塊32、34解耦，可以大體上減少正交誤差和從驅(qū)動(dòng)塊36、40到感測塊32、34的其它電噪聲。

現(xiàn)在參考第一感測塊32和第二感測塊34的結(jié)構(gòu)，柔性支撐元件86經(jīng)由錨定器88將第一感測塊32和第二感測塊34中的每一個(gè)感測塊連接到平面基板28的表面46。如此，第一感測塊32和第二感測塊34懸置在基板28的表面46之上。柔性支撐元件86使第一感測塊32和第二感測塊34能夠在大體上平行于X軸24的感測方向上移動(dòng)。

角速率傳感器20另外包括若干組感測元件，其中每一組感測元件包括被稱為活動(dòng)感測指90和固定感測指92的若干對電極。在示出的例子中，活動(dòng)感測指90耦合到感測塊32、34中的每一個(gè)感測塊并從感測塊32、34中的每一個(gè)感測塊延伸。固定感測指92固定到基板28的表面46。固定感測指92與活動(dòng)感測指90間隔開并以與活動(dòng)感測指90交替的布置定位。借助于附接到感測塊32、34，活動(dòng)感測指90能與感測塊32、34一起活動(dòng)。相反，由于固定地附接到基板28，固定感測指92相對于活動(dòng)感測指90固定。

如本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知，固定感測指92可以是單面的或可以布置在若干對差動(dòng)電極中。此外，在與第二組固定感測指92相反的方向上對第一組固定感測指92加偏壓，該第一組固定感測指92與第一感測塊32相關(guān)聯(lián)，該第二組固定感測指92與第二感測塊34相關(guān)聯(lián)。因此，固定感測指92被配置成對感測塊32、34的反相運(yùn)動(dòng)作出響應(yīng)。

在操作中，如上文所論述，一旦第一驅(qū)動(dòng)塊36和第二驅(qū)動(dòng)塊40以及第一耦合塊38和第二耦合塊42被置于在大體上平行于Y軸26的驅(qū)動(dòng)方向上的反相振蕩運(yùn)動(dòng)中，質(zhì)量系統(tǒng)就能夠檢測由圍繞輸入軸(即，Z軸22)旋轉(zhuǎn)的角速率傳感器20引起的角速率，即，角速度，該輸入軸大體上垂直于平面基板28。具體來說，由于科氏加速度分量，第一連桿彈簧組件74和第二連桿彈簧組件78以及第一彈性組件82和第二彈性組件84使第一感測塊32和第二感測塊34以及第一耦合塊38和第二耦合塊42能夠平行于平面基板28的表面46振蕩，該表面46大體上平行于感測軸，即，X軸24。第一感測塊32和第二感測塊34的反相運(yùn)動(dòng)具有與角速率傳感器20圍繞輸入軸(即，Z軸22)的角旋轉(zhuǎn)速率成比例的幅度，該角旋轉(zhuǎn)速率被感測為活動(dòng)感測指90與固定感測指92之間的電容變化。

現(xiàn)在參考圖1和3，圖3示出角速率傳感器20的另一放大局部頂視圖，圖3的局部頂視圖在圖1中以虛線框94劃界。根據(jù)實(shí)施例，角速率傳感器20另外包括彈簧系統(tǒng)96，該彈簧系統(tǒng)96被配置成減少第一感測塊32和第二感測塊34的共模激勵(lì)(即，同相運(yùn)動(dòng))。

彈簧系統(tǒng)96包括第一彈簧布置98，該第一彈簧布置98在遠(yuǎn)離角速率傳感器20的中心線100側(cè)向移位的位置處耦合到第一感測塊32和第二感測塊34中的每一個(gè)感測塊，其中在此實(shí)施例中，中心線100大體上平行于X軸24。彈簧系統(tǒng)96另外包括第二彈簧布置102，該第二彈簧布置102在遠(yuǎn)離角速率傳感器20的中心線100的相反側(cè)側(cè)向移位的位置處耦合到第一感測塊32和第二感測塊34中的每一個(gè)感測塊。第一彈簧布置98和第二彈簧布置102相對于中心線94鏡像對稱地朝向。因此，第一彈簧布置98和第二彈簧布置102遠(yuǎn)離中心線100以相同的距離側(cè)向移位。

圖3具體示出第一彈簧布置98。然而，第一彈簧布置98的以下說明同樣適用于第二彈簧布置102。如圖3中最佳地看到，第一彈簧布置98包括第一剛性梁104和第二剛性梁106，該第一剛性梁104和第二剛性梁106中的每一個(gè)剛性梁大體上與感測方向(即，X軸24)成對角地朝向，即相對于感測方向斜向地傾斜。本文中使用的術(shù)語“對角”是指梁104和106中的每一個(gè)梁不平行于感測塊32、34的感測方向布置也不垂直于感測塊32、34的感測方向布置的配置。替代地，梁104、106可以斜向地傾斜，但是它們不限于相對于感測方向成四十五度角傾斜。

第一彈簧布置98的第一剛性梁104和第二剛性梁106通常長度相等且相對于彼此朝向以形成倒置的V形布置。當(dāng)然，由于第一彈簧布置98和第二彈簧布置102相對于彼此鏡像對稱地朝向，因此第二彈簧布置102的第一梁104和第二梁106相對于彼此朝向以形成豎立的V形布置。

第一彈簧布置98另外包括懸置在平面基板28的表面46之上的質(zhì)量元件108。具體來說，彎曲部110經(jīng)由錨定系統(tǒng)112將質(zhì)量元件108連接到平面基板28的表面46。在示出的配置中，彎曲部110在大體上平行于X軸24的感測方向上相對剛性。也就是說，相比于彎曲部110平行于X軸24的長度，彎曲部110在平行于Y軸26的方向上較薄。因此，彎曲部110在除平行于X軸24的感測方向之外的方向上為順應(yīng)性的，即，能夠彎曲、折曲或以其它方式變形。

第一彈簧布置98另外包括在第一剛性梁104與第一感測元件32之間柔性地互連的第一側(cè)彈簧114、以及在第一剛性梁104與質(zhì)量元件108之間柔性地互連的第二側(cè)彈簧116。類似地，第一彈簧布置98包括在第二剛性梁106與第二感測元件34之間柔性地互連的第三側(cè)邊彈簧118、以及在第二剛性梁106與質(zhì)量元件108之間柔性地互連的第四側(cè)邊彈簧120。

側(cè)邊彈簧114、116、118、120中的每一個(gè)側(cè)邊彈簧圍繞大體上垂直于平面基板28的表面46的軸可旋轉(zhuǎn)地順應(yīng)。也就是說，側(cè)邊彈簧114、116、118、120中的每一個(gè)側(cè)邊彈簧由允許圍繞Z軸22旋轉(zhuǎn)的任何合適的彈簧配置形成。然而，側(cè)邊彈簧114、116、118、120在軸向上是剛性的，即，通常被阻止進(jìn)行平行于Z軸22的線性移動(dòng)，使得側(cè)邊彈簧114、116、118、120的旋轉(zhuǎn)移動(dòng)被約束到角速率傳感二器20的X-Y平面。另外，第一剛性梁104和第二剛性梁106的彈簧常數(shù)可以調(diào)諧成比側(cè)邊彈簧114、116、118、120的彈簧常數(shù)剛性得多，使得梁104、106很大程度上為非順應(yīng)性的，且側(cè)邊彈簧114、116、118、120比梁104、106更具有順應(yīng)性。借助于例子，梁104、106在角速率傳感器20的X-Y平面上的寬度可以明顯大于側(cè)邊彈簧114、116、118、120中的任一個(gè)側(cè)邊彈簧的寬度。因此，梁104、106以及側(cè)邊彈簧114、116、118、120協(xié)作地運(yùn)行，以使第一感測塊32和第二感測塊34能夠響應(yīng)于圍繞大體上平行于Z軸22的輸入軸的角刺激而在大體上平行于X軸24的感測方向上進(jìn)行反相線性振蕩運(yùn)動(dòng)。

圖4示出圖1的角速率傳感器20的頂視圖，其例示第一驅(qū)動(dòng)塊36和第二驅(qū)動(dòng)塊40的反相運(yùn)動(dòng)。第一驅(qū)動(dòng)塊36和第二驅(qū)動(dòng)塊40經(jīng)由驅(qū)動(dòng)電路(未示出)提供給若干組活動(dòng)指50和固定指52的驅(qū)動(dòng)信號(hào)致動(dòng)，以產(chǎn)生由疊加在第一驅(qū)動(dòng)塊36和第二驅(qū)動(dòng)塊40上的反向箭頭122、124表示的反相驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。這種反相驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)122、124處于由驅(qū)動(dòng)電路指定的標(biāo)記為F_D的基本驅(qū)動(dòng)頻率126下。

應(yīng)記得，第一驅(qū)動(dòng)塊36和第二驅(qū)動(dòng)塊40經(jīng)由對應(yīng)的第一連桿彈簧組件74和第二連桿彈簧組件78與對應(yīng)的第一耦合塊38和第二耦合塊42互連。因此，第一耦合塊38與第一驅(qū)動(dòng)塊36同相移動(dòng)，并且第二耦合塊42與第二驅(qū)動(dòng)塊40同相移動(dòng)。因此，第一耦合塊38和第二耦合塊42相對于彼此反相移動(dòng)。這種反相運(yùn)動(dòng)由疊加在第一耦合塊38和第二耦合塊42上的反向箭頭128、130表示。然而，第一驅(qū)動(dòng)塊36和第二驅(qū)動(dòng)塊40的移動(dòng)從第一感測塊32和第二感測塊34解耦。因此，第一感測塊32和第二感測塊34不會(huì)對第一驅(qū)動(dòng)塊36和第二驅(qū)動(dòng)塊40的反相驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)122、124作出響應(yīng)(即，不受該反相驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)122、124影響)。因此，可明顯減少正交誤差和/或可能以另外的方式將錯(cuò)誤的信號(hào)輸入從第一驅(qū)動(dòng)塊36和第二驅(qū)動(dòng)塊40強(qiáng)加至第一和感測塊32、34的其它電噪聲的可能性。

如圖4所示，由于第一驅(qū)動(dòng)塊36和第二驅(qū)動(dòng)塊40的反相驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)122、124，第一彈性元件58和第二彈性元件62以及彎曲部72變形，并且剛性梁56圍繞其鉸接點(diǎn)/約束樞轉(zhuǎn)，且具體來說，圍繞穿過鉸接點(diǎn)/約束的平行于Z軸22的軸樞轉(zhuǎn)。因此，第一驅(qū)動(dòng)塊36和第二驅(qū)動(dòng)塊40在驅(qū)動(dòng)頻率126下反相振蕩相同的量。

另外，驅(qū)動(dòng)塊36、40經(jīng)由剛性梁56的耦合大大增加了系統(tǒng)在大體上平行于Y軸26的驅(qū)動(dòng)方向上的剛度。通過剛性梁56的適當(dāng)設(shè)計(jì)的配置，系統(tǒng)在驅(qū)動(dòng)方向上的剛度可以明顯地增加共模驅(qū)動(dòng)頻率的量值(即，其中第一驅(qū)動(dòng)塊36和第二驅(qū)動(dòng)塊40可以同相移動(dòng)的不當(dāng)振動(dòng)模式的頻率)。主要出于兩個(gè)原因，提高的共模驅(qū)動(dòng)頻率在角速率傳感器20的振動(dòng)穩(wěn)定性方面有利。第一，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的共模激勵(lì)(例如，振動(dòng)、沖擊或其它加速度噪聲)的能量譜密度趨于隨著共模驅(qū)動(dòng)頻率的提高而減小，從而在更高共模頻率下產(chǎn)生減少的同相驅(qū)動(dòng)塊運(yùn)動(dòng)。第二，借助于例子，在相對于驅(qū)動(dòng)模式頻率大致兩倍的共模驅(qū)動(dòng)頻率下，為了產(chǎn)生同相驅(qū)動(dòng)塊運(yùn)動(dòng)，必須克服大致四倍的彈簧剛度。因此，通過剛性梁56經(jīng)由錨定元件70到平面基板28的約束，能有效地抑制或排斥將趨于以相同的量且在相同的方向上移動(dòng)第一驅(qū)動(dòng)塊36和第二驅(qū)動(dòng)塊40的共模激勵(lì)(例如，振動(dòng)、沖擊或其它加速度噪聲)。

圖5示出角速率傳感器20的頂視圖，其例示第一感測塊32和第二感測塊34的反相運(yùn)動(dòng)。一旦第一驅(qū)動(dòng)塊36和第二驅(qū)動(dòng)塊40以及第一耦合塊38和第二耦合塊42被置于在大體上平行于Y軸26的驅(qū)動(dòng)方向(圖4中所示)上的反相振蕩運(yùn)動(dòng)中，且角速率傳感器20圍繞大體上垂直于平面基板28的輸入軸(即，Z軸22)旋轉(zhuǎn)，科氏加速度分量就能使第一感測塊32和第二感測塊34以及第一耦合塊38和第二耦合塊42大體上平行于感測軸(即，X軸24)振蕩。這種移動(dòng)具有與角速率傳感器20圍繞輸入軸(即，Z軸22)的角旋轉(zhuǎn)速率成比例的幅度。

由于第一感測塊32和第二感測塊34經(jīng)由第一彈簧布置98和第二彈簧布置102的互連，以及如結(jié)合圖3所論述的第一剛性梁104和第二剛性梁106的樞轉(zhuǎn)移動(dòng)，第一感測塊32和第二感測塊34在標(biāo)記為F_S的基本感測頻率142下反相振蕩，如由疊加在第一感測塊32和第二感測塊34上的反向箭頭144、146所表示。同樣地，第一耦合塊38與第一感測塊32同相移動(dòng)，并且第二耦合塊42與第二感測塊34同相移動(dòng)。因此，第一耦合塊38和第二耦合塊42大體上平行于感測軸(即，X軸24)相對于彼此反相振蕩。這種反相運(yùn)動(dòng)由疊加在第一耦合塊38和第二耦合塊42上的反向箭頭148、150表示。然而，第一驅(qū)動(dòng)塊36和第二驅(qū)動(dòng)塊40的移動(dòng)從第一感測塊32和第二感測塊34解耦。因此，第一驅(qū)動(dòng)塊36和第二驅(qū)動(dòng)塊40不會(huì)對第一感測塊32和第二感測塊34的反相感測運(yùn)動(dòng)144、146作出響應(yīng)(即，不受該反相感測運(yùn)動(dòng)144、146影響)。

圖6示出根據(jù)實(shí)施例經(jīng)由彈簧系統(tǒng)96耦合的用于角速率傳感器20的第一感測塊32和第二感測塊34的概念模型152。在概念模型152中，第一彈簧布置98由元件154和彈簧156表示。同樣地，第二彈簧布置102由元件154和156表示。如上文所描述，各種側(cè)邊彈簧114、116、118、120(在圖3中最佳地看到)在大體上平行于X軸24的感測方向上是剛性的，即，為非順應(yīng)性的。這種剛度在概念模型152中通過元件154表示。然而，彈簧156表示彎曲部110(圖3中最佳地看到)能夠在平行于驅(qū)動(dòng)方向(該驅(qū)動(dòng)方向大體上平行于Y軸26)的方向上移動(dòng)，即，拉伸、壓縮或以其它方式變形。

梁104、106的剛度以及側(cè)邊彈簧114、116、118、120在感測方向(平行于X軸24)上的剛度向諧振工作頻率(即，基本感測頻率142(圖5))下的同相感測運(yùn)動(dòng)提供機(jī)械約束，該同相感測運(yùn)動(dòng)由兩個(gè)共同導(dǎo)向的箭頭158、160表示。因此，很大程度上防止了第一感測塊32和第二感測塊34因外部振動(dòng)、沖擊、偽加速度或在基本感測頻率142下的干擾而導(dǎo)致的同相運(yùn)動(dòng)158、160。彈簧系統(tǒng)96的機(jī)械約束能將因同相運(yùn)動(dòng)158、160而形成的同相頻率分量(在本文中稱為共模感測頻率162并標(biāo)記為F_CM-S)增加得足夠高，使得共模感測頻率162在角速率傳感器20(圖1)的工作范圍之外，由此有效地抑制或排斥平行于X軸24的感測方向上的共模激勵(lì)。

參考圖7和8，圖7示出概念模型152，其展示第一感測塊32和第二感測塊34在第一方向164上的反相運(yùn)動(dòng)144、146，且圖8示出概念模型152，其展示第一感測塊32和第二感測塊34在第二方向166上的反相感測運(yùn)動(dòng)144、146。如上文所深入論述，感測塊32、34響應(yīng)于圍繞大體上垂直于平面基板28(圖1)的軸(即，Z軸22)的角刺激反相振蕩。

在圖7中，反相感測運(yùn)動(dòng)144、146使第一感測塊32和第二感測塊34朝向彼此在第一方向164上移動(dòng)。當(dāng)?shù)谝桓袦y塊32和第二感測塊34朝向彼此移動(dòng)時(shí)，側(cè)邊彈簧114、116、118、120(圖3)實(shí)現(xiàn)如由箭頭168表示的剛性梁104、106的旋轉(zhuǎn)移動(dòng)，使得第一彈簧布置98和第二彈簧布置102中的每一個(gè)彈簧布置中的剛性梁104、106朝向彼此在感測方向上樞轉(zhuǎn)。在圖8中，反相感測運(yùn)動(dòng)144、146使第一感測塊32和第二感測塊34遠(yuǎn)離彼此在第二方向166上移動(dòng)。當(dāng)?shù)谝桓袦y塊32和第二感測塊34遠(yuǎn)離彼此移動(dòng)時(shí)，側(cè)邊彈簧114、116、118、120(圖3)實(shí)現(xiàn)剛性梁104、106的旋轉(zhuǎn)移動(dòng)，使得在第一彈簧布置98和第二彈簧布置102中的每一個(gè)彈簧布置中的剛性梁104、106遠(yuǎn)離彼此在感測方向上樞轉(zhuǎn)。

因此，實(shí)現(xiàn)第一感測塊32和第二感測塊34的振蕩反相感測運(yùn)動(dòng)144、146，同時(shí)大體上防止同相感測運(yùn)動(dòng)158、160。也就是說，當(dāng)經(jīng)受由于在大體上平行于X軸24的感測方向上的側(cè)邊彈簧114、116、118、120(圖3)的非順應(yīng)性而導(dǎo)致的共模激勵(lì)(例如，外部沖擊、振動(dòng)或其它加速度)時(shí)，彈簧布置98、102中的每一個(gè)彈簧布置的剛性梁104、106被約束為如圖6所示的非折疊(非樞轉(zhuǎn))配置170。

本發(fā)明的實(shí)施例必須包括具有共模抑制結(jié)構(gòu)和充分解耦的驅(qū)動(dòng)和感測模式的MEMS裝置，例如角速率傳感器。MEMS裝置的實(shí)施例包括平面基板和錨定于平面基板的驅(qū)動(dòng)組合件，驅(qū)動(dòng)組合件包括第一驅(qū)動(dòng)塊和第二驅(qū)動(dòng)塊。剛性梁使第一驅(qū)動(dòng)塊與第二驅(qū)動(dòng)塊互連。剛性梁的縱長尺寸垂直于第一和第二驅(qū)動(dòng)塊的驅(qū)動(dòng)方向朝向，該驅(qū)動(dòng)方向大體上平行于平面基板，其中剛性梁響應(yīng)于第一和第二驅(qū)動(dòng)塊在驅(qū)動(dòng)方向上的驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)而圍繞大體上垂直于平面基板的軸樞轉(zhuǎn)。

包括使第一驅(qū)動(dòng)塊與第二驅(qū)動(dòng)塊互連的剛性梁的驅(qū)動(dòng)彈簧系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)塊的基本反相驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)提高共模驅(qū)動(dòng)頻率，使得有效地抑制驅(qū)動(dòng)塊的同相運(yùn)動(dòng)。耦合第一感測塊與第二感測塊的感測彈簧系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)感測塊的基本反相感測運(yùn)動(dòng)，同時(shí)提高共模感測頻率，使得也有效地抑制感測塊的同相運(yùn)動(dòng)。插入在驅(qū)動(dòng)塊與感測塊之間的耦合塊使驅(qū)動(dòng)塊的驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)從感測塊的感測運(yùn)動(dòng)解耦。MEMS裝置的共模抑制結(jié)構(gòu)能個(gè)別地實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和感測同相運(yùn)動(dòng)兩者的抑制，并且充分解耦的配置能減少正交誤差和/或可能以另外的方式將錯(cuò)誤的信號(hào)輸入從驅(qū)動(dòng)塊強(qiáng)加至感測塊的其它電噪聲的可能性。

本發(fā)明旨在闡明如何設(shè)計(jì)和使用根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施例，而非限制本發(fā)明的真實(shí)、既定和公平的范圍及精神。以上描述并不打算是窮盡性的或?qū)⒈景l(fā)明限于所公開的確切形式。鑒于以上教示，可以進(jìn)行許多修改或變型。選擇和描述實(shí)施例是為了提供對本發(fā)明的原理和本發(fā)明的實(shí)際應(yīng)用的最佳說明，并且使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠在各種實(shí)施例中并用適合于所預(yù)期特定用途的各種修改來利用本發(fā)明。當(dāng)根據(jù)清楚地、合法地并且公正地賦予的權(quán)利的廣度來解釋時(shí)，所有這樣的修改和變化及其所有等效物均處于如由所附權(quán)利要求書所確定的本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)，并且在本專利申請的未決期間可以修正。