CN109269488B - 具有同相运动抑制结构的角速率传感器 - Google Patents

具有同相运动抑制结构的角速率传感器 Download PDF

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Abstract

本公开涉及具有同相运动抑制结构的角速率传感器。一种角速率传感器，包括四个科里奥利质量块，科里奥利质量块被配成使得科里奥利质量块沿着垂直的驱动和感测轴移动；以及杠杆机构，杠杆机构具有第一和第二组杠杆。第一组杠杆在科里奥利质量块的边界外联接，并且第二组杠杆在第一组杠杆的边界内并且在科里奥利质量块之间联接。第二组杠杆被配置用于产生科里奥利质量块沿着驱动轴的反相驱动模式运动。第一组杠杆被配置用于允许科里奥利质量块响应于角速率传感器而沿着感测轴的反相感测模式运动，角速率传感器围绕垂直于驱动和感测轴的输入轴旋转。第一和第二组杠杆被配置用于限制科里奥利质量块的同相运动。

Description

具有同相运动抑制结构的角速率传感器
技术领域
本发明总体上涉及传感器设备，并且更具体地涉及角速率传感器，所述角速率传感器具有多个科里奥利质量块并且具有抑制所述科里奥利质量块的同相运动的结构。
背景技术
角速率传感器(还被称为陀螺仪)感测围绕一个或多个轴的角速度、速率或速度(还被称为旋转角速率)。通常，角速率传感器是使用微机电***(MEMS)技术制造的MEMS设备，其提供了制造非常小的机械结构并且使用常规批量半导体处理技术将这些结构与电气设备集成在单个衬底上的方式。MEMS角速率传感器广泛应用于如汽车、惯性制导***、游戏***、智能手机、相机等应用中。例如，MEMS角速率传感器越来越多地适用于汽车行业以促进防侧翻***的防滑控制以及电子稳定性控制。
一些MEMS角速率传感器利用悬浮在衬底上并且在本领域中通常被称为振动结构陀螺仪或科里奥利振动陀螺仪的多个振动结构或质量块。一种类型的振动结构角速率传感器是具有多个质量块(在本文中还被称为科里奥利质量块)的“音叉”角速率传感器。在操作中，充当驱动质量块的科里奥利质量块中的至少一些科里奥利质量块被驱动以产生反相(phase opposition)(在本文中还被称为反相(anti-phase))谐振。响应于围绕输入轴的外部角激励，充当感测质量块的科里奥利质量块中的至少一些科里奥利质量块通过利用科里奥利加速度分量反相移动(在本领域还被称为科里奥利效应)。即，感测质量块响应于科里奥利效应的反相移动具有与角速率传感器的围绕输入轴的旋转角速率成比例的幅度。
角速率传感器的缺点是他们对科里奥利质量块响应于由于外部激励(如冲击、振动、伪或寄生加速度等)产生的线性和/或角加速度的共模激励敏感。共模激励(在本文中还被称为同相运动)是作为驱动质量块、感测质量块或两者运行的科里奥利质量块在相同的方向以相同的幅度以及与角速率传感器的运行频率(即，差模频率)一样低或低于角速率传感器的运行频率的频率(即，共模频率)移动的条件。共模激励可能导致角速率传感器的不准确或完全失效。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种角速率传感器，包括
第一、第二、第三以及第四科里奥利质量块，所述科里奥利质量块被配置成这样：使得所述科里奥利质量块可沿着垂直的驱动和感测轴移动；以及
杠杆机构，所述杠杆机构包括第一和第二组杠杆，其中，所述第一组杠杆在所述科里奥利质量块的边界外联接在一起，并且所述第二组杠杆在所述第一组杠杆的边界内并且在所述科里奥利质量块之间联接在一起，其中，所述第二组杠杆被配置用于产生所述科里奥利质量块沿着所述驱动轴的反相驱动模式运动，所述第一组杠杆被配置用于允许所述科里奥利质量块响应于所述角速率传感器而沿着所述感测轴的反相感测模式运动，所述角速率传感器围绕垂直于所述驱动和感测轴的输入轴旋转，并且所述第一和第二组杠杆被配置用于限制所述科里奥利质量块的同相运动。
在一个或多个实施例中，所述第二组杠杆被配置用于限制所述科里奥利质量块沿着所述驱动轴的同相运动。
在一个或多个实施例中，所述第二组杠杆包括：
径向定位的第一和第二T形刚性梁，每个T形刚性梁具有第一支柱和垂直相交的第二支柱，其中，所述第二支柱的端部联接在一起；以及
两个铰链，其中，所述T形刚性梁被配置用于在所述T形刚性梁的所述第一和第二支柱的交点处围绕所述两个铰链旋转。
在一个或多个实施例中，所述第一和第二T形刚性梁的所述第二支柱被配置用于限制所述科里奥利质量块响应于角加速度而沿着所述驱动轴的同相运动。
在一个或多个实施例中，所述第一T形刚性梁的所述第一支柱纵向联接至所述第一和第二科里奥利质量块的平行于所述感测轴的第一边；
所述第二T形刚性梁的所述第一支柱纵向联接至所述第三和第四科里奥利质量块的平行于所述感测轴的第一边；
所述第一T形刚性梁的所述第二支柱在所述第一和第二科里奥利质量块的平行于所述驱动轴的第二边之间延伸；并且
所述第二T形刚性梁的所述第二支柱在所述第三和第四科里奥利质量块的平行于所述驱动轴的第二边之间延伸。
在一个或多个实施例中，所述角速率传感器进一步包括：第一、第二、第三以及第四驱动模式梭，每个所述驱动模式梭具有被安排成平行于所述感测轴的纵向尺寸，并且每个所述驱动模式梭被联接成允许所述驱动模式梭沿着所述驱动轴的移动并且限制所述驱动模式梭沿着所述感测轴的移动，其中，
所述第一和第二驱动模式梭分别将所述第一T形刚性梁的所述第一支柱的相对端部联接至所述第一和第二科里奥利质量块的所述第一边，并且所述第一T形刚性梁的所述第二支柱在所述第一和第二驱动模式梭之间延伸；并且
所述第三和第四驱动模式梭分别将所述第二T形刚性梁的所述第一支柱的相对端部联接至所述第三和第四科里奥利质量块的所述第一边，并且所述第二T形刚性梁的所述第二支柱在所述第三和第四驱动模式梭之间延伸。
在一个或多个实施例中，所述第一组杠杆被配置用于限制所述科里奥利质量块沿着所述感测轴的同相运动。
在一个或多个实施例中，所述第一组杠杆包括：
第一、第二、第三以及第四L形刚性梁，所述L形刚性梁围绕所述科里奥利质量块的所述边界安排，其中，所述L形刚性梁的第一支柱被定位成平行于所述感测轴，所述L形刚性梁的第二垂直相交的支柱被定位成平行于所述驱动轴，并且不同对的所述L形刚性梁的所述第一支柱的端部联接在一起；
第一和第二附加T形刚性梁，所述第一和第二附加T形刚性梁具有第一和第二垂直相交的支柱，其中，每个附加T形刚性梁的所述第一支柱纵向联接在不同对的所述L形刚性梁的所述第二支柱之间；以及
六个铰链，其中，所述L形刚性梁被配置用于在所述L形刚性梁的所述第一和第二支柱的交点处围绕所述铰链中的四个铰链旋转，并且所述第一和第二附加T形刚性梁被配置用于在所述附加T形刚性梁的所述第一和第二支柱的交点处围绕剩下的两个铰链旋转。
在一个或多个实施例中，所述第一、第二、第三以及第四L形刚性梁被配置用于限制所述科里奥利质量块响应于角加速度而沿着所述感测轴的同相运动。
在一个或多个实施例中，所述角速率传感器进一步包括：第一、第二、第三以及第四感测模式梭，每个所述感测模式梭具有被安排成平行于所述驱动轴的纵向尺寸，并且每个所述感测模式梭被联接成允许所述感测模式梭沿着所述感测轴的移动并且限制所述感测模式梭沿着所述驱动轴的移动，其中，
所述第一感测模式梭将所述第一L形刚性梁的所述第二支柱的端部以及所述第一附加刚性梁的第一端部联接至所述第一科里奥利质量块的第三边；
所述第二感测模式梭将所述第二L形刚性梁的所述第二支柱的端部以及所述第二附加刚性梁的第一端部联接至所述第二科里奥利质量块的第三边；
所述第三感测模式梭将所述第三L形刚性梁的所述第二支柱的端部以及所述第一附加刚性梁的第二端部联接至所述第三科里奥利质量块的第三边；并且
所述第四感测模式梭将所述第四L形刚性梁的所述第二支柱的端部以及所述第二附加刚性梁的第二端部联接至所述第四科里奥利质量块的第三边。
在一个或多个实施例中，所述角速率传感器进一步包括：
第一弹性部件，所述第一弹性部件将所述第一和第二L形刚性梁的所述第一支柱的端部联接在一起；
第二弹性部件，所述第二弹性部件将所述第一和第二T形刚性梁的所述第二支柱的端部联接在一起；以及
第三弹性部件，所述第三弹性部件将所述第三和第四L形刚性梁的所述第一支柱的端部联接在一起。
在一个或多个实施例中，所述角速率传感器进一步包括：第五、第六、第七以及第八感测模式梭，每个所述感测模式梭具有被安排成平行于所述驱动轴的纵向尺寸，并且每个所述感测模式梭被联接成允许所述感测模式梭沿着所述感测轴的移动并且限制所述感测模式梭沿着所述驱动轴的移动，其中，
所述第五感测模式梭联接至所述第一科里奥利质量块的所述第二边；
所述第六感测模式梭联接至所述第二科里奥利质量块的所述第二边；
所述第七感测模式梭联接至所述第三科里奥利质量块的所述第二边；并且
所述第八感测模式梭联接至所述第四科里奥利质量块的所述第二边。
根据本发明的第二方面，提供一种微机电***设备，包括：
平面衬底；
第一、第二、第三以及第四科里奥利质量块，所述科里奥利质量块被配置成这样：使得所述科里奥利质量块可沿着垂直的驱动和感测轴移动，所述垂直的驱动和感测轴形成平行于所述平面衬底的平面，其中，所述科里奥利质量块相对于所述平面衬底悬浮；以及
杠杆机构，所述杠杆机构包括第一和第二组杠杆，其中，所述第一组杠杆在所述科里奥利质量块的边界外联接在一起，并且所述第二组杠杆在所述第一组杠杆的边界内并且在所述科里奥利质量块之间联接在一起，其中，所述第二组杠杆被配置用于产生所述科里奥利质量块沿着所述驱动轴的反相驱动模式运动，所述第一组杠杆被配置用于允许所述科里奥利质量块响应于所述微机电***设备而沿着所述感测轴的反相感测模式运动，所述微机电***设备围绕垂直于所述驱动和感测轴的输入轴旋转，并且所述第一和第二组杠杆被配置用于限制所述科里奥利质量块的同相运动。
在一个或多个实施例中，所述第一组杠杆被配置用于限制所述科里奥利质量块沿着所述感测轴的同相运动。
在一个或多个实施例中，所述第一组杠杆包括：
第一、第二、第三以及第四L形刚性梁，所述L形刚性梁围绕所述科里奥利质量块的所述边界安排，其中，所述L形刚性梁的第一支柱被定位成平行于所述感测轴，所述L形刚性梁的第二垂直相交的支柱被定位成平行于所述驱动轴，并且不同对的所述L形刚性梁的所述第一支柱的端部联接在一起；
第一和第二T形刚性梁，所述第一和第二T形刚性梁具有第一和第二垂直相交的支柱，其中，每个T形刚性梁的所述第一支柱纵向联接在不同对的所述L形刚性梁的所述第二支柱之间；以及
六个铰链，其中，所述L形刚性梁被配置用于在所述L形刚性梁的所述第一和第二支柱的交点处围绕所述铰链中的四个铰链旋转，并且所述第一和第二T形刚性梁被配置用于在所述T形刚性梁的所述第一和第二支柱的交点处围绕所述剩下的两个铰链旋转。
在一个或多个实施例中，所述第一、第二、第三以及第四L形刚性梁被配置用于限制所述科里奥利质量块响应于角加速度而沿着所述感测轴的同相运动；并且
所述第一和第二T形刚性梁被配置用于限制所述科里奥利质量块响应于线性加速度而沿着所述感测轴的同相运动。
在一个或多个实施例中，所述第二组杠杆被配置用于限制所述科里奥利质量块沿着所述驱动轴的同相运动。
在一个或多个实施例中，所述第二组杠杆包括：
径向定位的第一和第二T形刚性梁，每个T形刚性梁具有第一支柱和垂直相交的第二支柱，其中，所述第二支柱的端部联接在一起；以及
两个铰链，其中，所述T形刚性梁被配置用于在所述T形刚性梁的所述第一和第二支柱的交点处围绕所述两个铰链旋转。
在一个或多个实施例中，所述第一和第二T形刚性梁的所述第一支柱被配置用于限制所述科里奥利质量块响应于线性加速度而沿着所述驱动轴的同相运动；并且
所述第一和第二T形刚性梁的所述第二支柱被配置用于限制所述科里奥利质量块响应于角加速度而沿着所述驱动轴的同相运动。
在一个或多个实施例中，所述第二组杠杆包括：
径向定位的第一和第二T形刚性梁，每个T形刚性梁具有第一支柱和垂直相交的第二支柱，其中，所述第二支柱的端部联接在一起；
第一组两个铰链，其中，所述T形刚性梁被配置用于在所述T形刚性梁的所述第一和第二支柱的交点处围绕所述两个铰链旋转，其中，所述第一和第二T形刚性梁的所述第一支柱被配置用于限制所述科里奥利质量块响应于线性加速度而沿着所述驱动轴的同相运动，并且所述第一和第二T形刚性梁的所述第二支柱被配置用于限制所述科里奥利质量块响应于角加速度而沿着所述驱动轴的同相运动；
其中所述第一T形刚性梁的所述第一支柱纵向联接至所述第一和第二科里奥利质量块的平行于所述感测轴的第一边；
所述第二T形刚性梁的所述第一支柱纵向联接至所述第三和第四科里奥利质量块的平行于所述感测轴的第一边；
所述第一T形刚性梁的所述第二支柱在所述第一和第二科里奥利质量块的平行于所述驱动轴的第二边之间延伸；
所述第二T形刚性梁的所述第二支柱在所述第三和第四科里奥利质量块的平行于所述驱动轴的第二边之间延伸。
其中，所述第一组杠杆包括：
第一、第二、第三以及第四L形刚性梁，所述L形刚性梁围绕所述科里奥利质量块的所述边界安排，其中，所述L形刚性梁的第一支柱被定位成平行于所述感测轴，所述L形刚性梁的第二垂直相交的支柱被定位成平行于所述驱动轴，并且不同对的所述L形刚性梁的所述第一支柱的端部联接在一起；
第一和第二附加T形刚性梁，所述第一和第二附加T形刚性梁具有第一和第二垂直相交的支柱，其中，每个附加T形刚性梁的所述第一支柱纵向联接在不同对的所述L形刚性梁的所述第二支柱之间；
第二组六个铰链，其中，所述L形刚性梁被配置用于在所述L形刚性梁的所述第一和第二支柱的交点处围绕四个铰链旋转，并且所述第一和第二附加T形刚性梁被配置用于在所述附加T形刚性梁的所述第一和第二支柱的交点处围绕所述剩下的两个铰链旋转，其中，所述第一、第二、第三以及第四L形刚性梁被配置用于限制所述科里奥利质量块响应于角加速度而沿着所述感测轴的同相运动，并且所述第一和第二T形刚性梁被配置用于限制所述科里奥利质量块响应于线性加速度而沿着所述感测轴的同相运动；
所述微机电***设备进一步包括：第一、第二、第三以及第四驱动模式梭，每个所述驱动模式梭具有被安排成平行于所述感测轴的纵向尺寸，并且每个所述驱动模式梭被联接成允许所述驱动模式梭沿着所述驱动轴的移动并且限制所述驱动模式梭沿着所述感测轴的移动，其中，
所述第一和第二驱动模式梭分别将所述第一T形刚性梁的所述第一支柱的相对端部联接至所述第一和第二科里奥利质量块的所述第一边，并且所述第一T形刚性梁的所述第二支柱在所述第一和第二驱动模式梭之间延伸；
所述第三和第四驱动模式梭分别将所述第二T形刚性梁的所述第一支柱的相对端部联接至所述第三和第四科里奥利质量块的所述第一边，并且所述第二T形刚性梁的所述第二支柱在所述第三第四驱动模式梭之间延伸；以及
所述微机电***设备进一步包括包括：第一、第二、第三以及第四感测模式梭，每个所述感测模式梭具有被安排成平行于所述驱动轴的纵向尺寸，并且每个所述感测模式梭被联接成允许所述感测模式梭沿着所述感测轴的移动并且限制所述感测模式梭沿着所述驱动轴的移动，其中，
所述第一感测模式梭将所述第一L形刚性梁的所述第二支柱的端部以及所述第一附加刚性梁的第一端部联接至所述第一科里奥利质量块的第三边；
所述第二感测模式梭将所述第二L形刚性梁的所述第二支柱的端部以及所述第二附加刚性梁的第一端部联接至所述第二科里奥利质量块的第三边；
所述第三感测模式梭将所述第三L形刚性梁的所述第二支柱的端部以及所述第一附加刚性梁的第二端部联接至所述第三科里奥利质量块的第三边。
本发明的这些和其它方面将根据下文中所描述的实施例显而易见，且参考这些实施例予以阐明。
附图说明
当结合以下附图进行考虑时，可以参照具体实施方式和权利要求书更全面理解本主题，其中，在所有附图中类似的附图标记指类似的元件。附图不一定是按比例绘制的。
图1是示意图，展示了根据实施例的MEMS角速率传感器的顶视图；
图2示出了图1的MEMS角速率传感器的放大部分的顶视图，展示了一种铰链；
图3示出了图1的MEMS角速率传感器的放大部分的顶视图，展示了另一种铰链；
图4示出了图1的MEMS角速率传感器的放大部分的顶视图，展示了用于将驱动模式梭联接至衬底和科里奥利质量块的弹性部件和锚固件***；
图5示出了图1的MEMS角速率传感器的放大部分的顶视图，展示了用于将两个科里奥利质量块联接在一起并且联接至衬底的弹性部件和锚固件***；
图6示出了图1的MEMS角速率传感器的放大部分的顶视图，展示了用于将感测模式梭联接至衬底和科里奥利质量块的弹性部件和锚固件***；
图7描绘了在抑制科里奥利质量块的同相运动时图1的MEMS角速率传感器在驱动模式下的运行；
图8描绘了在抑制科里奥利质量块的同相运动时，图1的MEMS角速率传感器在感测模式下的运行；
图9展示了图1的MEMS角速率传感器处于驱动模式时响应于线性加速度的共模激励；
图10展示了图1的MEMS角速率传感器处于感测模式时响应于线性加速度的共模激励；
图11展示了图1的MEMS角速率传感器处于驱动模式时响应于角加速度的共模激励；
图12展示了图1的MEMS角速率传感器处于感测模式时响应于角加速度的共模激励；
图13展示了图1的MEMS角速率传感器处于驱动模式时响应于寄生加速度的共模激励；并且
图14展示了图1的MEMS角速率传感器处于感测模式时响应于寄生加速度的共模激励。
具体实施方式
概括来说，本文中所描述的实施例涉及角速率传感器，所述角速率传感器包括结构，所述结构例如响应于线性加速度、角加速度或两者机械地限制或抑制所述角速率传感器的所述科里奥利质量块的同相运动。针对一个实施例，角速率传感器包括第一、第二、第三以及第四科里奥利质量块，所述科里奥利质量块被安排或配置成这样：使得所述科里奥利质量块可沿着垂直的驱动和感测轴移动。所述角速率传感器进一步包括杠杆机构，所述杠杆机构具有第一和第二组杠杆。所述第一组杠杆在所述科里奥利质量块的边界外联接在一起，并且所述第二组杠杆在所述第一组杠杆的边界内并且在所述科里奥利质量块之间联接在一起。所述第二组杠杆被配置用于产生所述科里奥利质量块沿着所述驱动轴的反相驱动模式运动。所述第一组杠杆被配置用于允许所述科里奥利质量块响应于所述角速率传感器而沿着所述感测轴的反相感测模式运动，所述角速率传感器围绕垂直于所述驱动和感测轴的输入轴旋转。所述第一和第二组杠杆进一步被配置用于限制所述科里奥利质量块的同相运动。第一和第二组杠杆的此配置可以将负责线性加速度和角加速度两者的谐振模式推至高于角速率传感器的运行频率的频率，从而有效地抑制所述角速率传感器的共模激励。
图1展示了根据实施例的角速率传感器100的顶视图。针对此实施例，角速率传感器100是MEMS设备，所述MEMS设备可以使用任何合适的(例如，任何常规的)硅MEMS技术制造。角速率传感器100被配置用于感测绕旋转轴(被称为输入轴190)的角速率。在所展示的配置中，输入轴190是三维坐标系中的Z轴，其中，Z轴190延伸出页面外并且垂直于坐标***的X轴192和Y轴194。如进一步所展示的，X轴192是感测轴并且Y轴194是驱动轴。
角速率传感器100包括以下部件：平面衬底150，所述平面衬底被定向成基本上平行于由X轴192和Y轴194形成的平面(即，角速率传感器100的X-Y平面)；第一(102)、第二(104)、第三(106)以及第四(108)科里奥利质量块，所述质量块相对于平面衬底150悬浮；杠杆机构，所述杠杆机构具有第一和第二组杠杆(在后文中详细解释)；以及多个梭114、116、118、120、134、136、138、140、142、144、146以及148。如本文中所使用的，第一、第二、第三以及第四科里奥利质量块102、104、106、108是响应于作用在质量块102、104、106、108上的驱动模式力或感测模式力而移动的部件。而梭114、116、118、120、134、136、138、140、142、144、146以及148被配置用于生成驱动模式力(即，驱动模式梭)或测量感测模式力(即，感测模式梭)。这些部件使用各种机械联动装置(包括各种弹性部件和锚定件)联接在一起，如下面的语言更详细地描述的。
如本文中所使用的，弹性部件通常指在被拉伸、压缩或以其他方式变形之后能够自发地恢复到其原始或正常形状的弹性部件，并且锚固件固定到衬底的表面。通过示例的方式，弹性部件包括链接弹簧部件、挠曲件以及柔性支撑元件。链接弹簧部件在不与衬底联接的情况下将角速率传感器100的两个部件链接或联接在一起。挠曲件联接至锚固件以为角速率传感器100的部件提供旋转铰链。柔性支撑元件经由锚固件将角速率传感器100的各个部件连接到衬底的表面以在限制所述部件沿着X-Y平面的其他轴的线性移动的同时使所述部件能够沿着角速率传感器100的X-Y平面的单轴线性移动。
如本文中进一步所使用的，锚固件是直接固定到衬底的表面的高刚性元件。在附图中通过其中有“X”的方框表示锚固件。杠杆是刚性梁和铰链的组合，所述组合被配置成这样：使得刚性梁通过铰链围绕垂直于角速率传感器100的X-Y平面的轴旋转或枢转。在附图中杠杆的枢转点通过实心三角形表示。刚性梁是悬浮在衬底的表面之上的高刚性元件并且可以经由至少一个锚固件和一个弹性部件联接至所述表面。与弹性部件相比，刚性梁的弹簧常数被配置、设置或调整成比弹性部件的弹簧常数刚硬得多，从而使得刚性梁在很大程度上是非柔性的并且弹性部件比刚性梁更具柔性。通过示例的方式，刚性梁的宽度可能显著大于弹性部件的宽度(例如根据大于10:1的比率)。
在所描绘的实施例中并且如下文更全面地描述的，科里奥利质量块102、104、106以及108被配置用于在基本上平行于Y轴或驱动轴194的驱动方向和基本上平行于X轴或感测轴192的感测方向两者上经历平面内振荡线性运动。梭114、116、118以及120(在本文中还被称为驱动模式梭)被配置用于仅经历在驱动方向上的平面内振荡线性运动。即，驱动模式梭114、116、118以及120各自具有被安排成基本上平行于感测轴192的纵向尺寸并且各自弹性联接至衬底150以允许驱动模式梭沿着驱动轴194的移动并且限制驱动模式梭沿着感测轴192的移动。针对具有长于其他尺寸的一个尺寸的部件，较长的尺寸在本文中被称为纵向尺寸。
本领域的技术人员将认识到驱动模式梭114、116、118以及120将具有驱动梳结构，所述驱动梳可以被定位在用于实现在驱动方向上的线性运动的中心开口内。类似地，科里奥利质量块102、104、106和108将具有感测梳结构，所述感测梳可以被定位在用于检测沿着感测轴192在感测方向上的感测运动的其中心开口内。为了简单起见，在本文中未展示驱动和感测梳结构。
梭134、136、138、140、142、144、146以及148(在本文中还被称为感测模式梭)被配置用于仅经历在感测方向上的平面内振荡线性运动。即，感测模式梭134、136、138、140、142、144、146以及148各自具有被安排成基本上平行于驱动轴194的纵向尺寸并且各自弹性联接至衬底150以允许感测模式梭沿着感测轴192的移动并且限制感测模式梭沿着驱动轴194的移动。
如所展示的，科里奥利质量块102、104、106以及108基本上相同并且相对彼此对称地定向。即，科里奥利质量块102和104被定向成关于基本上平行于Y轴194的中心线180镜像对称。科里奥利质量块106和108同样被定向成关于中心线180镜像对称。此外，科里奥利质量块102和106被定向成关于基本上平行于X轴192的中心线182镜像对称。科里奥利质量块104和108同样被定向成关于中心线182镜像对称。
科里奥利质量块的此相对定向创建了科里奥利质量块的基本上呈四边形形状(在此情况下呈正方形形状)的外边界。此外边界由科里奥利质量块102的分别邻近(除机械联动装置联接在其间之外)并且基本上平行于梭114和134的边的第一和第三垂直边、科里奥利质量块104的分别邻近并且基本上平行于梭116和136的边的第一和第三垂直边、科里奥利质量块106的分别邻近并且基本上平行于梭118和138的边的第一和第三垂直边、以及科里奥利质量块108的分别邻近并且基本上平行于梭120和140的边的第一和第三垂直边形成。科里奥利质量块的第一边基本上平行于感测轴192并且科里奥利质量块的第三边基本上平行于驱动轴194。
角速率传感器100的杠杆机构的第一组杠杆包括刚性梁122、124、126、128、130以及132，所述刚性梁在科里奥利质量块102、104、106以及108的边界外联接在一起。第二组杠杆包括刚性梁110和112，所述刚性梁在刚性梁122、124、126、128、130以及132的边界内或由其形成的边界内联接在一起。如所示出的并且如后文所描述的，刚性梁110和112也在科里奥利质量块102、104、106以及108之间联接在一起。
角速率传感器100的第一组杠杆的刚性梁122、124、126以及128基本上相同并且相对彼此对称地定向，并且第一和第二附加刚性梁130和132基本上相同并且相对彼此对称地定向。在所展示的实施例中，刚性梁122、124、126以及128是L形刚性梁，并且刚性梁130和132是T形刚性梁，所述L形刚性梁和所述T形刚性梁围绕科里奥利质量块102、104、106以及108的边界安排。刚性梁122、124、126、128、130以及132的此相对定向创建了基本上呈四边形形状的边界(在科里奥利质量块102、104、106以及108的边界外)。
通常，L形刚性梁122和124被定向成关于中心线180镜像对称，并且L形刚性梁126和128被定向成关于中心线180镜像对称。T形刚性梁130和132同样被定向成关于中心线180镜像对称并且关于中心线182定中心。此外，L形刚性梁122和126被定向成关于中心线182镜像对称。L形刚性梁124和128同样被定向成关于中心线182镜像对称。
在所展示的具体实施例中，L形刚性梁122、124、126以及128具有垂直相交的第一和第二支柱。第一和第二支柱的交点在每个支柱的一个端部处，而每个支柱的另一个端部经由链接弹簧部件联接至第一组刚性梁的另一个刚性梁。针对每个L形刚性梁，第二支柱短于第一支柱，但两个支柱可以具有类似的宽度。T形刚性梁130和132也具有垂直相交的第一和第二支柱，但是第一和第二支柱之间的交点是第一支柱的中心位置或区域。另外，每个T形刚性梁130和132的第二支柱具有小于第一支柱的尺寸。
如所示出的，L形刚性梁122、124、126以及128的第一支柱被定位成平行于感测轴192，并且L形刚性梁122、124、126以及128的第二垂直相交的支柱被定位成平行于驱动轴194。不同对的L形刚性梁122、124、126以及128的第一支柱的端部联接在一起。即，L形刚性梁122和124的第一支柱的端部使用链接弹簧部件111联接在一起，并且L形刚性梁126和128的第一支柱的端部使用链接弹簧部件111联接在一起。
链接弹簧部件111相对于衬底150悬浮并且每个链接弹簧部件具有被安排成基本上平行于驱动轴194的纵向尺寸。此外，链接弹簧部件111中的一个链接弹簧部件具有连接至L形刚性梁122的第一支柱的端部的一边的中心区域以及连接至L形刚性梁124的第一支柱的端部的另一边的中心区域。类似地，链接弹簧部件111中的另一个链接弹簧部件具有连接至L形刚性梁126的第一支柱的端部的一边的中心区域以及连接至L形刚性梁128的第一支柱的端部的另一边的中心区域。
附加T形刚性梁130和132中的每一个的第一支柱使用链接弹簧部件129纵向联接在不同对的L形刚性梁122、124、126以及128的第二支柱之间。即，链接弹簧部件129是具有三个端部的T形链接弹簧部件，其中，一个端部连接至L形刚性梁122、124、126或128的第二支柱的端部。另一个端部连接至T形刚性梁130或132的第一支柱的端部，并且第三端部连接至感测模式梭134、136、138、140之一。
第一组杠杆进一步包括一组六个铰链。L形刚性梁122、124、126以及128中的每一个使用铰链105联接至衬底150并且悬浮在所述衬底之上。L形刚性梁122、124、126以及128被配置用于在L形刚性梁122、124、126以及128的第一和第二支柱的交点处围绕铰链105旋转。T形刚性梁130和132中的每一个使用铰链101联接至衬底150并且悬浮在所述衬底之上。T形刚性梁130和132被配置用于在T形刚性梁130和132的第一和第二支柱的交点处围绕铰链101旋转。以下将结合图2来描述铰链101的细节。进一步地，以下将结合图3来描述铰链105的细节。
现在关于包括刚性梁110和112的第二组杠杆，刚性梁110和112基本上相同并且相对彼此对称地定向。在所展示的实施例中，刚性梁110和112是径向定位的第一和第二T形刚性梁，所述第一和第二T形刚性梁被定向成关于中心线182镜像对称。如所示出的，T形刚性梁110和112各自具有第一支柱和垂直相交的第二支柱，其中，第二支柱的端部使用弹性部件113联接在一起。在所示出的实施例中，T形刚性梁110和112中的每一个的第一和第二支柱具有基本上相同的尺寸，并且第一与第二支柱之间的交点是第一支柱的中心位置或区域。针对部件，弹性部件113是链接弹簧部件，所述链接弹簧部件相对于衬底150悬浮并且具有被安排成基本上平行于感测轴192的纵向尺寸。链接弹簧部件113具有连接至T形刚性梁110的第二支柱的一边的中心区域以及连接至T形刚性梁112的第二支柱的另一边的中心区域，以联接或链接T形刚性梁110和112的第二支柱。
第二组杠杆还包括一组两个铰链101，其中，T形刚性梁110和112中的每一个使用铰链101联接至衬底150并且悬浮在所述衬底之上。T形刚性梁110和112被配置用于在T形刚性梁110和112的第一和第二支柱的交点处围绕两个铰链101旋转。
同时参照图1和图2，图2示出了角速率传感器100的放大局部顶视图(在图1中由虚线框103划分)，展示了联接至T形刚性梁110的铰链101之一。虽然结合T形刚性梁110来描述铰链101，但应当理解的是以下讨论等效地适用于联接至T形刚性梁112的铰链101。进一步地，以下讨论等效地适用于分别联接至T形刚性梁130和132的铰链101。每个铰链101包括两个锚固件219和两个挠曲件221。如图2中所展示的，锚固件219之一被定位在T形刚性梁110的第二支柱的相对侧中的每一个上并且被定位成靠近所述T形刚性梁的第一支柱。挠曲件221之一被定位在T形刚性梁110的第二支柱的相对侧中的每一个上，其中，每个挠曲件221具有被安排成基本上平行于T形刚性梁110的第二支柱的纵向尺寸。每个挠曲件221将T形刚性梁110的第二支柱的一侧连接至被定位在所述第二支柱的相同侧上的锚固件219。
在角速率传感器100运行期间，T形刚性梁110、112、130以及132中的每一个在枢转点处围绕其各自的铰链101枢转，所述枢转点被示出为允许呈T形刚性梁相对于铰链101的旋转移动的形式的角位移。即，挠曲件221中的每一个围绕Z轴190是旋转顺应的以允许围绕Z轴190的旋转。然而，挠曲件221是轴向刚性的以防止挠曲件221的平行于Z轴190的线性移动，从而使得挠曲件221的旋转移动以及因此T形刚性梁的旋转移动被限制在角速率传感器100的X-Y平面。
现在同时参照图1和图3，图3示出了角速率传感器100的放大局部顶视图(在图1中由虚线框107划分)，展示了联接至L形刚性梁124的铰链105之一。虽然结合L形刚性梁124来描述铰链105，但应当理解的是以下讨论等效地适用于分别联接至L形刚性梁122、126以及128的铰链105。每个铰链105包括锚固件319和两个挠曲件321。锚固件319被定位在L形刚性梁124的第一和第二支柱的交点之间，从而使得锚固件319的第一拐角靠近所述交点。挠曲件321之一具有被安排成基本上平行于感测轴192的纵向尺寸。此挠曲件321将L形刚性梁124的第一支柱的一侧(靠近交点)连接至锚固件319的第一拐角。另一个挠曲件321具有被安排成基本上平行于驱动轴194的纵向尺寸。此挠曲件321将L形刚性梁124的第二支柱的一侧(靠近交点)连接至锚固件319的第一拐角。
在角速率传感器100运行期间，L形刚性梁122、124、126以及128中的每一个被配置用于在枢转点处围绕其各自的铰链105枢转，所述枢转点被示出为允许呈L形刚性梁相对于其铰链105的旋转移动的形式的角位移。即，挠曲件321中的每一个围绕Z轴190是旋转顺应的以允许围绕Z轴190的旋转。然而，挠曲件321是轴向刚性的以防止挠曲件321的平行于Z轴190的线性移动，从而使得挠曲件321的旋转移动以及因此L形刚性梁的旋转移动被限制在角速率传感器100的X-Y平面。
回到图1，第一T形刚性梁110的第一支柱纵向联接至第一和第二科里奥利质量块102和104的基本上平行于感测轴192的第一边。更具体地，第一和第二驱动模式梭114和116分别将第一T形刚性梁110的第一边支柱的相对端部联接至第一和第二科里奥利质量块102和104的第一边。因此，第一T形刚性梁110的第二支柱在第一与第二驱动模式梭114和116之间以及在第一与第二科里奥利质量块102和104的第二边之间延伸。第一和第二科里奥利质量块102和104的第二边基本上平行于驱动轴194。
在所展示的实施例中，T形刚性梁110的第一支柱的第一端部使用链接弹簧部件109联接至驱动模式梭114，并且T形刚性梁110的第一支柱的相对第二端部使用另一个链接弹簧部件109联接至驱动模式梭116。即，链接弹簧部件109的一端部连接至T形刚性梁110的第一支柱的第一端部，并且链接弹簧部件109的另一端部连接至驱动模式梭114的第一边的中心点。此外，类似链接弹簧部件109的一端部连接至T形刚性梁110的第一支柱的第二端部，并且链接弹簧部件109的另一端部连接至驱动模式梭116的第一边的中心点。针对实施例，本文中所描述的每个链接弹簧部件109相对于衬底150悬浮并且具有被安排成基本上平行于驱动轴194的纵向尺寸。
图1中类似地示出的，第二T形刚性梁112的第一支柱纵向联接至第三和第四科里奥利质量块106和108的基本上平行于感测轴192的第一边。更具体地，第三和第四驱动模式梭118和120分别将第二T形刚性梁112的第一边支柱的相对端部联接至第三和第四科里奥利质量块106和108的第一边。因此，第二T形刚性梁112的第二支柱在第三和第四驱动模式梭118和120之间以及在第三和第四科里奥利质量块106和108的第二边之间延伸。第三和第四科里奥利质量块106和108的第二边基本上平行于驱动轴194。
在所展示的实施例中，T形刚性梁112的第一支柱的第一端部使用链接弹簧部件109联接至驱动模式梭118，并且T形刚性梁112的第一支柱的相对第二端部使用另一个链接弹簧部件109联接至驱动模式梭120。即，链接弹簧部件109的一端部连接至T形刚性梁112的第一支柱的第一端部，并且链接弹簧部件109的另一端部连接至驱动模式梭118的第一边的中心点。此外，类似链接弹簧部件109的一端部连接至T形刚性梁112的第一支柱的第二端部，并且链接弹簧部件109的另一端部连接至驱动模式梭120的第一边的中心点。
驱动模式梭114和116各自相对于衬底150悬浮并且使用弹性部件和锚固件***(如参照图4所描述的)联接至对应的科里奥利质量块102和104。同样地，驱动模式梭118和120各自相对于衬底150悬浮并且使用弹性部件和锚固件***(如参照图4所描述的)联接至科里奥利质量块106和108。
同时参照图1和图4，图4示出了角速率传感器100的放大局部顶视图(在图1中由虚线框115划分)，展示了用于将驱动模式梭116联接至衬底150和科里奥利质量块104的弹性部件和锚固件***。图4示出了与驱动模式梭116和科里奥利质量块104相关联的弹性部件和锚固件***。然而，应当理解的是，以下描述等效地适用于与驱动模式梭114和科里奥利质量块102相关联的弹性部件和锚固件***、与驱动模式梭118和科里奥利质量块106相关联的弹性部件和锚固件***以及与驱动模式梭120和科里奥利质量块108相关联的弹性部件和锚固件***。
如图4中所展示的，弹性部件和锚固件***包括四个锚固件419、四个柔性支撑元件423以及链接弹簧部件425。锚固件419和柔性支撑元件423将驱动模式梭116联接至衬底150并且使驱动模式梭116相对于衬底150悬浮。即，锚固件419中的两个锚固件连接至衬底150的靠近驱动模式梭116的第一边的中心区域的表面。其他两个锚固件419连接至衬底150的靠近驱动模式梭116的第二边的中心区域并且靠近科里奥利质量块104的第一边的中心区域的表面。
每个柔性支撑元件423具有被安排成邻近并且基本上平行于驱动模式梭116的第一或第二边的纵向尺寸。此外，每个柔性支撑元件423将驱动模式梭116的边(其邻近的边)连接至所述边上的最近锚固件419。链接弹簧部件425将驱动模式梭116连接至科里奥利质量块104。即，链接弹簧部件425具有被安排成基本上平行于驱动轴194的纵向尺寸，其中，第一端部连接至驱动模式梭116的第二边的中心区域，并且第二端部连接至科里奥利质量块104的中心区域。通常，柔性支撑元件423限制驱动模式梭116向驱动轴194的移动，并且当驱动模式梭116移动时，链接弹簧部件425使科里奥利质量块104能够基本上同时沿着驱动轴194移动。
现在参照图1和图5，图5示出了角速率传感器100的放大局部顶视图(在图1中由虚线框119划分)，展示了将科里奥利质量块102和106的四边联接起来的弹性部件和锚固件***，其中，所述四边基本上平行于感测轴192。虽然结合科里奥利质量块102和106来描述弹性部件和锚固件***，但应当理解的是，以下讨论等效地适用于将科里奥利质量块104和108的四边联接起来的弹性部件和锚固件***，其中，所述四边基本上平行于感测轴192。
如图5中所示出的，弹性部件和锚固件***包括四个锚固件519、四个柔性支撑元件523、两个链接弹簧部件525、两个刚性梁527以及链接弹簧部件533。第一对锚固件519、第一对柔性支撑元件523、第一链接弹簧部件525以及第一刚性梁527基本上相同并且分别相对于第二对锚固件519、第二对柔性支撑元件523、第二链接弹簧部件525以及第二刚性梁527被定向成关于中心线182镜像对称。更具体地，第一对锚固件519固定至衬底150的靠近科里奥利质量块102的第四边的中心区域的表面并且与第二对锚固件519关于中心线182镜像对称，所述第二对锚固件固定至衬底150的靠近科里奥利质量块106的第四边的中心区域的表面。第一和第二刚性梁527被定位在关于中心线182镜像对称的第一和第二对锚固件519之间。每个刚性梁527具有被安排成基本上平行于感测轴192的纵向尺寸。
每个链接弹簧部件525将科里奥利质量块连接至刚性梁527。即，第一链接弹簧部件525具有被安排成基本上平行于驱动轴194的纵向尺寸，其中，第一端部连接至科里奥利质量块102的中心区域，并且第二端部连接至第一刚性梁527的中心区域。在关于中心线182的镜像对称中，第二链接弹簧部件525具有被安排成基本上平行于驱动轴194的纵向尺寸，其中，第一端部连接至科里奥利质量块106的中心区域，并且第二端部连接至第二刚性梁527的中心区域。
对于实施例，链接弹簧部件533在结构上类似于链接弹簧部件113但是在长度上更长。具体地，链接弹簧部件533相对于衬底150悬浮并且具有被安排成基本上平行于感测轴192的纵向尺寸。此外，链接弹簧部件533具有连接至第一刚性梁527的一边的中心区域以及连接至第二刚性梁527的另一边的中心区域。
第一对柔性支撑元件523在第一链接弹簧部件525的相对边上彼此线性地对准。第一对中的每个柔性支撑元件523具有被安排成基本上平行于科里奥利质量块102的第四边的纵向尺寸，其中，第一端部连接至第一对锚固件的锚固件519之一，并且第二端部在靠近第一刚性梁527的端部连接。在关于中心线182的镜像对称中，第二对柔性支撑元件523在第二链接弹簧部件525的相对边上彼此线性地对准。第二对中的每个柔性支撑元件523具有被安排成基本上平行于科里奥利质量块106的第四边的纵向尺寸，其中，第一端部连接至第二对锚固件的锚固件519之一，并且第二端部在靠近第二刚性梁527的端部连接。
回到图1，第一感测模式梭134将第一L形刚性梁122的第二支柱的端部以及第一附加T形刚性梁130的第一端部联接至第一科里奥利质量块102的第三边。第二感测模式梭136将第二L形刚性梁124的第二支柱的端部以及第二附加T形刚性梁132的第一端部联接至第二科里奥利质量块104的第三边。第三感测模式梭138将第三L形刚性梁126的第二支柱的端部以及第一附加T形刚性梁130的第二端部联接至第三科里奥利质量块106的第三边。第四感测模式梭140将第四L形刚性梁128的第二支柱的端部以及第二附加T形刚性梁132的第二端部联接至第四科里奥利质量块108的第三边。第五感测模式梭142联接至第一科里奥利质量块102的第二边。第六感测模式梭144联接至第二科里奥利质量块104的第二边。第七感测模式梭146联接至第三科里奥利质量块106的第二边。第八感测模式梭148联接至第四科里奥利质量块108的第二边。
在所展示的实施例中，第一链接弹簧部件129将第一感测模式梭134的第一边的中心点连接至T形刚性梁130的第一端部以及L形刚性梁122的第二支柱的端部。第二链接弹簧部件129将第二感测模式梭136的第一边的中心点连接至T形刚性梁132的第一端部以及L形刚性梁124的第二支柱的端部。第三链接弹簧部件129将第三感测模式梭138的第一边的中心点连接至T形刚性梁130的第二端部以及L形刚性梁126的第二支柱的端部。第四链接弹簧部件129将第四感测模式梭140的第一边的中心点连接至T形刚性梁132的第二端部以及L形刚性梁128的第二支柱的端部。
感测模式梭134、136、138、140、142、144、146以及148各自相对于衬底150悬浮并且使用弹性部件和锚固件***联接至科里奥利质量块102、104、106以及108(其细节参照图6来描述)。在所展示的实施例中，感测模式梭134相对于衬底150悬浮并且使用图6的弹性部件和锚固件***联接至科里奥利质量块102的第三边；并且感测模式梭142相对于衬底150悬浮并且使用图6的弹性部件和锚固件***联接至科里奥利质量块102的第二边。感测模式梭136相对于衬底150悬浮并且使用图6的弹性部件和锚固件***联接至科里奥利质量块104的第三边；并且感测模式梭144相对于衬底150悬浮并且使用图6的弹性部件和锚固件***联接至科里奥利质量块104的第二边。感测模式梭138相对于衬底150悬浮并且使用图6的弹性部件和锚固件***联接至科里奥利质量块106的第三边；并且感测模式梭146相对于衬底150悬浮并且使用图6的弹性部件和锚固件***联接至科里奥利质量块106的第二边。感测模式梭140相对于衬底150悬浮并且使用图6的弹性部件和锚固件***联接至科里奥利质量块108的第三边；并且感测模式梭148相对于衬底150悬浮并且使用图6的弹性部件和锚固件***联接至科里奥利质量块108的第二边。
现在参照图1和图6，图6示出了角速率传感器100的放大局部顶视图(在图1中由虚线框117划分)，展示了用于将感测模式梭140联接至衬底150和科里奥利质量块108的弹性部件和锚固件***。虽然结合感测模式梭140和科里奥利质量块108来描述弹性部件和锚固件***，但应当理解的是，以下讨论等效地适用于感测模式梭134和142以及科里奥利质量块102、感测模式梭136和144以及科里奥利质量块104、感测模式梭138和146以及科里奥利质量块106、以及感测模式梭148以及科里奥利质量块108。
如图6中所展示的，弹性部件和锚固***包括四个锚固件619、四个柔性支撑元件623以及两个链接弹簧部件625。锚固件619和柔性支撑元件623将感测模式梭140联接至衬底150并且使感测模式梭140相对于衬底150悬浮。即，锚固件619中的两个锚固件连接至衬底150的靠近感测模式梭140的第一边的中心区域的表面。其他两个锚固件619连接至衬底150的靠近感测模式梭140的第二边的中心区域并且靠近科里奥利质量块108的边的中心区域的表面。
每个柔性支撑元件623具有被安排成邻近并且基本上平行于感测模式梭140的第一或第二边的纵向尺寸。此外，每个柔性支撑元件623将感测模式梭140的边(其邻近的边)连接至所述边上的最近锚固件619。链接弹簧部件625将感测模式梭140连接至科里奥利质量块108的边。即，每个链接弹簧部件625具有被安排成邻近并且基本上平行于科里奥利质量块108的第一或第四边的纵向尺寸。链接弹簧部件625的第一端部连接至科里奥利质量块108的最近拐角并且第二端部连接至感测模式梭140的第二边的最近端部。柔性支撑元件623限制感测模式梭140向感测轴192的移动，并且当感测模式梭140移动时，链接弹簧部件625使科里奥利质量块108能够基本上同时沿着感测轴192移动。
图7描绘了在抑制科里奥利质量块的同相运动时图1的MEMS角速率传感器在驱动模式下的运行。在角速率传感器100的说明性驱动模式期间，将驱动力施加在科里奥利质量块102、104、106以及108上，迫使他们沿着驱动轴194进入振荡反相运动。在驱动模式期间，科里奥利质量块102、104、106以及108在第一驱动模式状态与第二驱动模式状态之间振荡。例如，科里奥利质量块102、104、106以及108以约20.0千赫兹(kHz)的运行频率在第一驱动模式状态与第二驱动模式状态之间振荡。在第一驱动模式状态期间，如图7中所描绘的，科里奥利质量块102和106一起沿着驱动轴194移动，而质量块104和108分开沿着驱动轴194移动。在第二驱动模式状态期间，科里奥利质量块102和106分开沿着驱动轴194移动，而质量块104和108一起沿着驱动轴194移动。
针对实施例，驱动模式力是当驱动信号(例如，交流(AC)电压)被施加到驱动模式梭114、116、118以及120上的差分横向梳齿或平行板电极(未示出)时生成的静电力。驱动模式梭114、116、118和120由此偏置使驱动模式梭经历在驱动方向上的平面内振荡线性运动。由于科里奥利质量块102、104、106以及108联接至驱动模式梭114、116、118和120，因此驱动模式梭迫使科里奥利质量块进入在驱动方向上的平面内振荡线性运动。
在驱动模式期间，包括T形刚性梁110和112的第二组杠杆被配置用于限制科里奥利质量块102、104、106以及108沿着驱动轴194的同相运动。即，当角速率传感器100处于驱动模式时，角速率传感器100上的任何外力(其使科里奥利质量块102、104、106以及108沿着驱动轴194同相移动)由刚性梁110和112的关于铰链101(图2)的旋转移动以及刚性梁110和112的第一和第二支柱的刚性机械地限制。
更具体地，第一和第二T形刚性梁110和112的第一支柱被配置用于限制科里奥利质量块102、104、106以及108响应于线性加速度以及至少一些寄生加速度而沿着驱动轴194的同相运动。这可以通过在半导体制造过程中调整T形刚性梁110和112的第一支柱的弹簧常数或刚性来完成。附加地，第一和第二T形刚性梁110和112的第二支柱被配置用于限制科里奥利质量块102、104、106以及108响应于角加速度而沿着驱动轴194的同相运动。这可以通过在半导体制造过程中调整T形刚性梁110和112的第二支柱的弹簧常数或刚性来完成。
图8描绘了在抑制科里奥利质量块的同相运动时MEMS角速率传感器100在感测模式下的运行。在角速率传感器100的说明性感测模式期间，响应于围绕输入轴190的外部顺时针旋转激励，由科里奥利效应引起的感测模式力被施加在科里奥利质量块102、104、106以及108上。感测模式力引起科里奥利质量块102、104、106以及108沿着感测轴的反相振荡运动。即，在感测模式期间，科里奥利质量块102、104、106以及108在第一感测模式状态与第二感测模式状态之间振荡。例如，科里奥利质量块以约24.9kHz的运行频率在第一与第二感测模式状态之间振荡。
在第一感测模式状态期间，如图8中所描绘的，科里奥利质量块102和104一起沿着感测轴192移动，而质量块106和108分开沿着感测轴192移动。在第二感测模式状态期间，科里奥利质量块102和104分开沿着感测轴192移动，而质量块106和108一起沿着感测轴192移动。此反相移动(其具有与角速率传感器100围绕输入轴190的旋转角速率成比例的幅度)可以被感测或检测为感测模式梭134、136、138、140、142、144、146以及148上的差分平行板电极或感测齿之间的电容变化。
在感测模式期间，包括L形刚性梁122、124、126以及128以及T性刚性梁130和132的第一组杠杆被配置用于限制科里奥利质量块沿着感测轴192的同相运动。即，当角速率传感器100处于感测模式时，角速率传感器100上的任何外力(其使科里奥利质量块102、104、106以及108沿着感测轴192同相移动)由刚性梁122、124、126以及128的关于铰链105的旋转移动、刚性梁130和132的关于铰链101的旋转移动以及刚性梁122、124、126、128、130以及132的刚性机械地限制。
更具体地，第一和第二附加T形刚性梁130和132的第一支柱被配置用于限制科里奥利质量块102、104、106以及108响应于线性加速度以及至少一些寄生加速度而沿着感测轴192的同相运动。这可以通过在半导体制造过程中调整T形刚性梁130和132的第一支柱的弹簧常数或刚性来完成。附加地，第一、第二、第三以及第四L形刚性梁122、124、126以及128被配置用于限制科里奥利质量块102、104、106以及108响应于线性和角加速度而沿着感测轴192的同相运动。这可以通过在半导体制造过程中调整L形刚性梁122、124、126以及128的第一和第二支柱的弹簧常数或刚性来完成。
图9展示了在角速率传感器100处于驱动模式时科里奥利质量块102、104、106以及108响应于线性加速度而沿着驱动轴194的共模激励。针对具体的实施方式，当角速率传感器100遭受沿着驱动轴194的低于约45.8kHz的频率的外力时，科里奥利质量块102、104、106以及108的同相运动被限制或抑制，所述频率是角速率传感器100的说明性运行频率的两倍多。因此，直到45.8kHz或更高的共模频率时，刚性梁110和112的第一支柱将在相同方向上变形或弯曲，从而允许科里奥利质量块102、104、106以及108的同相运动。
图10展示了MEMS角速度传感器100处于感测模式时响应于线性加速度的共模激励。例如，图10展示了在角速率传感器100处于感测模式时科里奥利质量块102、104、106以及108响应于线性加速度而沿着感测轴192的共模激励。针对具体的实施方式，当角速率传感器100遭受沿着感测轴192的低于约55.2kHz的频率的外力时，科里奥利质量块102、104、106以及108的同相运动被限制或抑制，所述频率是角速率传感器100的说明性运行频率的两倍多。因此，直到55.2kHz或更高的共模频率时，刚性梁130和132的第一支柱以及刚性梁122、124、126以及128的第一和第二支柱将变形或弯曲(例如如展示的)，从而允许科里奥利质量块102、104、106以及108的同相运动。
图11展示了MEMS角速度传感器100处于驱动模式时响应于角加速度的共模激励。图11展示了在角速率传感器100处于驱动模式时科里奥利质量块102、104、106以及108响应于角加速度而沿着驱动轴194的共模激励。针对具体的实施方式，当角速率传感器100遭受围绕Z轴190的低于约34.3kHz的频率的逆时针旋转外力时，科里奥利质量块102、104、106以及108的同相运动被限制或抑制，所述频率适当地高于角速率传感器100的说明性运行频率。因此，直到34.3kHz或更高的共模频率时，刚性梁110和112的第二支柱将在相反方向上变形或弯曲，从而允许科里奥利质量块102、104、106以及108的同相运动。
图12展示了图1的MEMS角速率传感器处于感测模式时响应于角加速度的共模激励。图12展示了在角速率传感器100处于感测模式时科里奥利质量块102、104、106以及108响应于角加速度而沿着感测轴192的共模激励。针对具体的实施方式，当角速率传感器100遭受围绕Z轴190的低于约38.4kHz的频率的逆时针旋转外力时，科里奥利质量块102、104、106以及108的同相运动被限制或抑制，所述频率适当地高于角速率传感器100的说明性运行频率。因此，直到38.4kHz或更高的共模频率时，刚性梁122、124、126以及128的支柱将变形或弯曲，从而允许科里奥利质量块102、104、106以及108的同相运动。
图13展示了在角速率传感器100处于驱动模式时科里奥利质量块102、104、106以及108响应于寄生加速度而沿着驱动轴194的共模激励。针对具体的实施方式，当角速率传感器100遭受低于约47.1kHz的频率的外部寄生力时，科里奥利质量块102、104、106以及108的同相运动被限制或抑制，所述频率是角速率传感器100的说明性运行频率的两倍多。因此，直到47.1kHz或更高的共模频率时，刚性梁110和112的第一支柱将在相反方向上变形或弯曲，从而允许科里奥利质量块102、104、106以及108的同相运动。
图14展示了在角速率传感器100处于感测模式时科里奥利质量块102、104、106以及108响应于寄生加速度而沿着感测轴192的共模激励。针对具体的实施方式，当角速率传感器100遭受低于约50.8kHz的频率的外部寄生力时，科里奥利质量块102、104、106以及108的同相运动被限制或抑制，所述频率是角速率传感器100的说明性运行频率的两倍多。因此，直到50.8kHz或更高的共模频率时，刚性梁130和132的第一支柱将在相同方向上变形或弯曲，从而允许科里奥利质量块102、104、106以及108的同相运动。
前面的描述在本质上仅是说明性的，并且不旨在限制本主题的实施例或者这样的实施例的应用和用途。此外，并不旨在受到在前面的技术领域、背景技术或具体实施方式中出现的任何明确或暗示理论的约束。例如，虽然本文中描述了MEMS角速率传感器，但应当理解的是，杠杆机构可以适用于实现可移动质量块的其他设备中，所述可移动质量块被配置用于反相移动并且抑制同相运动。
图中的至少一些图可以使用各种阴影和/或影线来相互区分各种元件从而进行图示。此外，本文中所包含的各图中所示出的连接线旨在为代表各个元件之间的示例性功能关系和/或物理联接。应该注意的是，许多选择或附加功能关系或物理连接可以存在于本主题的实施例中。另外，某些术语在本文中还可以仅用于参考的目的或区分一个元件与另一个元件，并且因此不旨在进行限制。例如，术语“第一”和“第二”、“顶部”和“底部”以及涉及结构的其他这样的关系术语不一定需要特定序列、顺序或关系。
提供本即时公开以便以使能的方式进一步解释至少一个优选的实施例以及在制造和使用根据本披露的各个实施例的最好方式(在申请时)。进一步提供本披露以便提高对本发明原理以及其优点的理解和认知，而不是以任何方式限制本发明。本发明的仅由所附权利要求书(包括本申请未决期间所作的任何修改以及所公布的权利要求书的所有等效物)来限定。
前面的描述指“连接”或“联接”在一起的元件或特征。如本文中所使用的，除非另外明确说明，“连接”意指一个元件与另一个元件直接连接(或直接连通)并且不一定是机械地连接。同样，除非另外明确说明，根据上下文，“联接”意指一个元件与另一个元件直接或间接连接(或直接或间接连通、电连通或以其他方式连通)并且不一定是机械地连接。因此，虽然图中所示出的示意图描绘了元件的一些示例性安排，但附加介入元件、设备、特征或部件可以出现在本主题的附加实施例中。
虽然已经在前面的具体实施方式中给出了至少一个说明性实施例，但是应当理解的是，存在大量变型。还应当理解的是，本文中所描述的一个或多个说明性实施例并不旨在以任何方式对要求保护的主题的范围、应用性或配置进行限制。相反，前面的具体实施方式将为本领域技术人员提供实现所描述的一个或多个实施例的便捷路径。应当理解的是，可以在不脱离权利要求书所限定的范围的情况下，对元件的功能和设置进行各种改变，包括在提交本申请时的已知等效物和可预见等效物。

Claims (9)

1.一种角速率传感器，包括
第一科里奥利质量块、第二科里奥利质量块、第三科里奥利质量块以及第四科里奥利质量块，所述科里奥利质量块被配置成这样：使得所述科里奥利质量块可沿着驱动轴和感测轴移动，其中：
所述驱动轴和所述感测轴彼此垂直，
所述第一科里奥利质量块和所述第二科里奥利质量块被定向成关于第一中心线镜像对称，
所述第三科里奥利质量块和所述第四科里奥利质量块被定向成关于所述第一中心线镜像对称，
所述第一科里奥利质量块和所述第三科里奥利质量块被定向成关于第二中心线镜像对称，所述第二中心线平行于所述感测轴，
所述第二科里奥利质量块和所述第四科里奥利质量块被定向成关于所述第二中心线镜像对称；
以及
杠杆机构，所述杠杆机构包括第一组杠杆和第二组杠杆，其中，所述第一组杠杆在所述科里奥利质量块的边界外联接在一起，并且所述第二组杠杆在所述第一组杠杆的边界内并且在所述科里奥利质量块之间联接在一起，其中，所述第二组杠杆被配置用于产生所述科里奥利质量块沿着所述驱动轴的反相驱动模式运动，所述第一组杠杆被配置用于允许所述科里奥利质量块响应于所述角速率传感器而沿着所述感测轴的反相感测模式运动，所述角速率传感器围绕垂直于所述驱动和感测轴的输入轴旋转，并且所述第一组杠杆和第二组杠杆被配置用于限制所述科里奥利质量块的同相运动，
所述第一组杠杆包括：
第一、第二、第三以及第四L形刚性梁，所述L形刚性梁围绕所述科里奥利质量块的所述边界安排，其中，所述L形刚性梁的第一支柱被定位成平行于所述感测轴，所述L形刚性梁的第二垂直相交的支柱被定位成平行于所述驱动轴，并且不同对的所述L形刚性梁的所述第一支柱的端部联接在一起；
第一和第二附加T形刚性梁，所述第一和第二附加T形刚性梁具有第一和第二垂直相交的支柱，其中，每个附加T形刚性梁的所述第一支柱纵向联接在不同对的所述L形刚性梁的所述第二支柱之间；以及
六个铰链，其中，所述L形刚性梁被配置用于在所述L形刚性梁的所述第一和第二支柱的交点处围绕所述铰链中的四个铰链旋转，并且所述第一和第二附加T形刚性梁被配置用于在所述附加T形刚性梁的所述第一和第二支柱的交点处围绕剩下的两个铰链旋转；
第一感测模式梭、第二感测模式梭、第三感测模式梭以及第四感测模式梭，每个所述感测模式梭具有被安排成平行于所述驱动轴的纵向尺寸，并且每个所述感测模式梭被联接成允许所述感测模式梭沿着所述感测轴的移动并且限制所述感测模式梭沿着所述驱动轴的移动，其中，
所述第一感测模式梭将所述第一L形刚性梁的所述第二支柱的端部以及所述第一附加刚性梁的第一端部联接至所述第一科里奥利质量块的第三边；
所述第二感测模式梭将所述第二L形刚性梁的所述第二支柱的端部以及所述第二附加刚性梁的第一端部联接至所述第二科里奥利质量块的第三边；
所述第三感测模式梭将所述第三L形刚性梁的所述第二支柱的端部以及所述第一附加刚性梁的第二端部联接至所述第三科里奥利质量块的第三边；并且
所述第四感测模式梭将所述第四L形刚性梁的所述第二支柱的端部以及所述第二附加刚性梁的第二端部联接至所述第四科里奥利质量块的第三边；
第一弹性部件，所述第一弹性部件将所述第一和第二L形刚性梁的所述第一支柱的端部联接在一起；
第二弹性部件，所述第二弹性部件将所述第一和第二T形刚性梁的所述第二支柱的端部联接在一起；以及
第三弹性部件，所述第三弹性部件将所述第三和第四L形刚性梁的所述第一支柱的端部联接在一起；
第五感测模式梭、第六感测模式梭、第七感测模式梭以及第八感测模式梭，每个所述感测模式梭具有被安排成平行于所述驱动轴的纵向尺寸，并且每个所述感测模式梭被联接成允许所述感测模式梭沿着所述感测轴的移动并且限制所述感测模式梭沿着所述驱动轴的移动，其中，
所述第五感测模式梭联接至所述第一科里奥利质量块的第二边；
所述第六感测模式梭联接至所述第二科里奥利质量块的第二边；
所述第七感测模式梭联接至所述第三科里奥利质量块的第二边；并且
所述第八感测模式梭联接至所述第四科里奥利质量块的第二边。
2.如权利要求1所述的角速率传感器，其中，所述第二组杠杆被配置用于限制所述科里奥利质量块沿着所述驱动轴的同相运动。
3.如权利要求1所述的角速率传感器，其中，所述第二组杠杆包括：
径向定位的第一和第二T形刚性梁，每个T形刚性梁具有第一支柱和垂直相交的第二支柱，其中，所述第二支柱的端部联接在一起；以及
两个铰链，其中，所述T形刚性梁被配置用于在所述T形刚性梁的所述第一和第二支柱的交点处围绕所述两个铰链旋转。
4.如权利要求3所述的角速率传感器，其中，所述第一和第二T形刚性梁的所述第二支柱被配置用于限制所述科里奥利质量块响应于角加速度而沿着所述驱动轴的同相运动。
5.如权利要求3所述的角速率传感器，其中，
所述第一T形刚性梁的所述第一支柱纵向联接至所述第一和第二科里奥利质量块的平行于所述感测轴的第一边；
所述第二T形刚性梁的所述第一支柱纵向联接至所述第三和第四科里奥利质量块的平行于所述感测轴的第一边；
所述第一T形刚性梁的所述第二支柱在所述第一和第二科里奥利质量块的平行于所述驱动轴的第二边之间延伸；并且
所述第二T形刚性梁的所述第二支柱在所述第三和第四科里奥利质量块的平行于所述驱动轴的第二边之间延伸。
6.如权利要求5所述的角速率传感器进一步包括：第一、第二、第三以及第四驱动模式梭，每个所述驱动模式梭具有被安排成平行于所述感测轴的纵向尺寸，并且每个所述驱动模式梭被联接成允许所述驱动模式梭沿着所述驱动轴的移动并且限制所述驱动模式梭沿着所述感测轴的移动，其中，
所述第一和第二驱动模式梭分别将所述第一T形刚性梁的所述第一支柱的相对端部联接至所述第一和第二科里奥利质量块的所述第一边，并且所述第一T形刚性梁的所述第二支柱在所述第一和第二驱动模式梭之间延伸；并且
所述第三和第四驱动模式梭分别将所述第二T形刚性梁的所述第一支柱的相对端部联接至所述第三和第四科里奥利质量块的所述第一边，并且所述第二T形刚性梁的所述第二支柱在所述第三和第四驱动模式梭之间延伸。
7.如权利要求1所述的角速率传感器，其中，所述第一组杠杆被配置用于限制所述科里奥利质量块沿着所述感测轴的同相运动。
8.如权利要求1所述的角速率传感器，其中，所述第一、第二、第三以及第四L形刚性梁被配置用于限制所述科里奥利质量块响应于角加速度而沿着所述感测轴的同相运动。
9.一种微机电***设备，包括：
平面衬底；
根据权利要求1-8中任一项所述的角速率传感器。
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