专利名称：交叉四元和垂直接合的惯性传感器的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及传感器，且更具体地，本发明涉及惯性传感器。
技术背景惯性传感器，如MEMS陀螺仪，常常在驱动频率受到旋转振动噪 声(其通常被称作"振摆")的不利影响。特别是，如果MEMS陀螺 仪不能够区分旋转振动和它们意图检测的实际运动的话，那么它们可 能产生错误的读数。另外，诸如陀螺仪的具有振动质块的MEMS器件的几何形状的变 形可能在与纵向驱动指成横向的力上产生不均衡。这种不均衡导致难 以与科里奧利力(Coriolis force)区分开的净力。因此，陀螺仪可能产 生错误的输出。存在这些几何变形的至少两个来源。 一个源自基板的 表面剪切(如，源自切割时的释放/晶片弯曲)。另一个源自封装的差 胀(differential expansion )和所施加的加速度(如，对角地，G x G )。 在Green， J. A.的"Progress in Integrated Gyroscopes", IEEE PLANS 2004 Proceedings, pp. 1-6中，讨论了 G x G误差的某些原因，通过引用将其 全文结合在此。发明内容本发明的特定实施例提供了一种具有四个传感器元件的交叉四元 结构的惯性传感器。每个传感器元件具有框架及悬置在框架内的移动 质块。至少两对相邻的框架通过接合件互连，该接合件允许框架彼此 反相移动，但基本防止框架彼此同相地移动。这四个传感器元件可以 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。本发明的特定实施例提供了一种具有
一对垂直接合的传感器元件的惯性传感器。根据本发明一个方面，提供了这样一种惯性传感器，其具有至少 一个基板和在该至少一个基板上方的平面内以交叉四元结构布置的四 个传感器元件。四个陀螺仪包括具有悬置在第一框架内的第一谐振 器的第一传感器元件；具有悬置在第二框架内的第二谐振器的第二传 感器元件；具有悬置在第三框架内的第三谐振器的第三传感器元件；以及具有悬置在第四框架内的第四谐振器的第四传感器元件。第一和 第三框架被接合以在平面内沿第一轴共线地移动。第二和第四框架被 接合以沿与第一轴平行的该平面内的第二轴共线地移动。至少两对相 邻的传感器元件的框架通过接合件互连，该接合件允许框架的反相移 动，但基本防止框架的同相移动。在典型的实施例中，使第一和第二谐振器在该平面内沿着与第一 和第二轴垂直的第三轴共线且彼此反相地移动，使第三和第四谐振器 在该平面内沿着与第三轴平行的第四轴共线且彼此反相地移动，使第 一和第三谐振器彼此反相地移动，并使第二和第四谐振器彼此反相地 移动。在这种结构中，基板绕垂直于该平面的轴的旋转导致框架移动。 具体的，基板在第一方向上的旋转导致第一和第三框架向彼此移动， 并使第二和第四框架相互远离地移动，同时第一和第二质块向彼此移 动；而基板在第二方向上的旋转导致第一和第三框架相互远离地移动， 并使第二和第四框架向彼此移动，同时第一和第二质块向彼此移动。在特定实施例中，第一和第二框架通过第一水平接合件互连，该 接合件允许框架沿它们各自的轴的反相移动，但基本防止框架的同相 移动；而第三和第四框架通过第二水平接合件互连，该接合件允许框 架沿它们各自的轴的反相移动，但基本防止框架的同相移动。
第一和第二水平接合件每一个都可以包括接合在框架之间的至少一个棒条(bar)，该至少一个棒条由锚固到至少一个基板的结构支撑。 这些结构允许该至少一个棒条在框架彼此反相地移动时在枢轴点处旋 转，而基本防止框架的同相移动。在一个示例性实施例中，第一和第二水平接合件的每一个都包括 第一对短挠曲，其从框架之一延伸，并通过第一长挠曲互连；第二对 短挠曲，其从另一个框架延伸，并通过第二长挠曲互连；棒条，其基 本在第一和第二长挠曲的中点处将第一长挠曲接合到第二长挠曲；以 及锚固挠曲，其支撑该棒条。锚固挠曲与棒条基本在棒条和锚固挠曲 的中点处相交。锚固挠曲的每一端被锚固于基板。在另一示例性实施例中，第一和第二水平接合件的每一个都包括 第一挠曲，其从框架之一延伸；第二挠曲，其从另一个框架延伸；棒 条，其接合在第一和第二挠曲之间；以及至少一个锚固挠曲，其支撑 该棒条。每一个锚固挠曲包括在一端处锚固于该至少一个基板的且向 后折180度与棒条相会的结构。在特定的其他实施例中，第一和第三框架通过第一垂直接合件互 连，该接合件允许框架沿它们各自的轴的反相移动，但基本防止框架 的同相移动；而第二和第四框架通过第二垂直接合件互连，该接合件 允许框架沿它们各自的轴的反相移动，但基本防止框架的同相移动。第一和第二垂直接合件的每一个都可以包括接合到框架之一的 第一对互连的杠杆，该第一对杠杆包括第一杠杆和第二杠杆；接合到 另一框架的第二对互连的杠杆，该第二对杠杆包括第三杠杆和第四杠 杆；多个杠杆支撑结构，其允许杠杆在框架彼此反相地移动时枢轴转 动；第一接合挠曲，其基本在第一杠杆和第三杠杆各自的枢轴点之间 互连第一杠杆和第三杠杆；以及第二接合挠曲，其基本在第二杠杆和 第四杠杆各自的枢轴点之间互连第二杠杆和第四杠杆。该接合挠曲基
本防止框架的同相移动。典型地，在框架的反相移动期间，每个接合 挠曲的两端在相同的方向上相对于框架的移动横向地移动基本相同的 量，但在框架的同相移动期间被迫使在相对的方向上移动。多个杠杆支撑结构典型地包括至少一个枢轴挠曲，其在一端接合 到杠杆，而在另一端接合到被锚固到基板的结构。该至少一个枢轴挠 曲可以包括在一点处互连的第一枢轴挠曲和第二枢轴挠曲。枢轴挠曲 的互连点可以是向着杠杆的中央，或者向着离框架最近的杠杆的边缘。 第一接合挠曲优选基本与第一和第三杠杆的互连点成一线，而第二接 合挠曲优选基本与第二和第四杠杆的互连点成一线。被锚固到基板的 结构典型地是被锚固到基板的棒条。每一对杠杆典型地由杠杆挠曲互 连。每一个杠杆典型地通过悬置挠曲被连接到各自的框架。为了检测框架的移动，每一个框架可以包括指状结构，其与被锚 固到基板的固定传感指成指状交叉，用于静电感测框架的移动。为了 使质块移动，每个质块可以包括指状结构，其与锚固于基板的固定驱 动指成指状交叉，用于使质块静电移动。在特定的其他实施例中，第一和第二框架通过第一水平接合件互 连，第三和第四框架通过第二水平接合件互连，第一和第三框架通过 第一垂直接合件互连，第二和第四框架通过第二垂直接合件互连。根据本发明的另一方面，提供一种惯性传感器，其具有至少一个 基板和在该至少一个基板上方基本在平面内以交叉四元结构布置的四 个传感器元件。这四个传感器元件包括具有悬置在第一框架内的第 一谐振器的第一传感器元件；具有悬置在第二框架内的第二谐振器的 第二传感器元件；具有悬置在第三框架内的第三谐振器的第三传感器 元件；以及具有悬置在第四框架内的第四谐振器的第四传感器元件。 第一和第三框架接合以在平面内沿第一轴共线地移动。第二和第四框 架接合以在与第一轴平行的该平面内的第二轴共线地移动。该惯性传
感器还包括这样的装置，其用于互连第一对相邻的传感器元件的框架， 以允许框架的反相移动，但基本防止框架的同相移动。该惯性传感器 还包括这样的装置，其用于互连第二对相邻的传感器元件的框架，以 允许框架的反相移动，但基本防止框架的同相移动。该惯性传感器还包括第三装置，其用于互连第三对相邻的传感器 元件的框架，以允许框架的反相移动，但基本防止框架的同相移动； 以及第四装置，其用于互连第四对相邻的传感器元件的框架，以允许 框架的反相移动，但基本防止框架的同相移动。根据本发明的另一方面，提供一种惯性传感器，其具有至少一 个基板；在该至少一个基板上方基本在平面内的一对传感器元件，每 个传感器元件具有悬置在框架内的谐振器，框架被配置为在该平面内 沿着轴共线地移动；以及垂直接合件，其互连这些框架，允许框架沿 它们共线的轴反相地移动，但基本防止框架同相移动。该垂直接合件可以包括接合到框架之一的第一对互连的杠杆， 该第一对杠杆包括第一杠杆和第二杠杆；接合到另一框架的第二对互 连的杠杆，该第二对杠杆包括第三杠杆和第四杠杆；多个杠杆支撑结 构，其允许杠杆在框架向彼此反相移动时枢轴转动；第一接合挠曲， 其基本在第一杠杆和第三杠杆各自的枢轴点处互连第一杠杆和第三杠 杆；以及第二接合挠曲，其基本在第二杠杆和第四杠杆各自的枢轴点 处互连第二杠杆和第四杠杆。该接合挠曲基本防止框架的同相移动。
从下面参考附图的进一步说明中，将更加全面地理解本发明的前 述内容和优点，在附图中图1A示出了根据本发明示例性实施例的以水平接合的交叉四元 结构布置的四个陀螺仪的图示；图1B示出了根据本发明示例性实施例的以垂直接合的交叉四元 结构布置的四个陀螺仪的图示；图1C示出了根据本发明示例性实施例的以垂直和水平接合的交 叉四元结构布置的四个陀螺仪的图示；图2示意性地示出了根据本发明的示例性实施例的用于水平接合 两个陀螺仪框架的第一示例性水平接合装置；图3示意性地示出了根据本发明的示例性实施例的用于水平接合 两个陀螺仪框架的第二示例性水平接合装置；图4示意性地示出了根据本发明的示例性实施例的示例性平衡器；图5示出了根据本发明的第一示例性实施例的以垂直和水平接合的"交叉四元"结构布置的四个陀螺仪；图6示出了根据图5中所示的示例性实施例的在陀螺仪之间的不同接合件的位置；图7A和7B示出了根据图5中所示的示例性实施例的谐振器的同相移动和反相移动的表示；图8A和8B示出了根据图5中所示的示例性实施例，当惯性传感器绕Z轴旋转时陀螺仪框架移动的表示；图9A示出了根据图5中所示的第一示例性实施例的在两个陀螺仪之间的垂直接合件的一部分；图9B示出了与图9A中相同的部分，其中标出了相关特征；图IOA示出了图9A中所示的互连部分的突出显示的部分；图IOB示出了图IOA中突出显示的部分的放大图；图11示出了根据本发明第二示例性实施例的以"交叉四元"结构布置的四个陀螺仪；图12A示出了图11中所示的交叉四元结构的突出显示部分；图12B示出了图12A中突出显示的部分的放大图；以及图12C示出了与图12B中相同的部分，其中标出了相关特征。附图是用于示例说明的目的，并且可以不按比例绘制。
具体实施方式
在本发明的特定实施例中，惯性传感器包括以"交叉四元"结构 布置的四个传感器元件。在优选实施例中，这些传感器元件是微机电系统(即，"MEMS")陀螺仪。传感器元件组合在一起从而有效地执行单个陀螺仪的功能。传感器元件典型地被悬置在一个或多个下基板 (未示出)上方，且在不同点处固定到基板(或多个基板)。在美国专利6122961中讨论了对于使用交叉四元结构的陀螺仪的期望，通过 引用将该专利的公开全文结合在此。每个陀螺仪具有至少一个悬置在框架内的谐振器(质块)。出于 讨论的目的，惯性传感器的谐振器被配置为沿着两个平行的X轴移动， 同时惯性传感器的框架被配置为沿着垂直于X轴的两个平行的Y轴移 动。因此，惯性传感器绕Z轴的旋转使得每个谐振器产生施加到其对 应的陀螺仪框架的科里奥利力。在受到该科里奥利力时，框架沿Y轴 移动。框架和基板(或多个基板)上容性耦合的指检测这些Y轴移动， 这些移动被转译成表示角加速度幅度的信号。在本发明的实施例中， 至少两对相邻的陀螺仪的框架通过接合件互连，该接合件允许框架的 反相移动，但基本防止框架的同相移动。图1A示出了根据本发明示例性实施例的以水平接合的交叉四元 结构布置的四个陀螺仪16A-D的表示。这里，顶部的一对陀螺仪框架 和底部的一对陀螺仪框架通过接合件99 (下面称之为"水平的"接合 件)互连，该接合件允许框架沿分开的平行的Y轴反相移动。每个陀 螺仪优选通过平衡器97而支撑在与水平接合件99相对的侧上，该平 衡器抵消该水平接合件的某些影响。下面说明示例性的水平接合件99 和平衡器97。每个陀螺仪还优选通过悬置件93支撑在它剩余的两侧的 每一侧上。图1B示出了根据本发明示例性实施例的以垂直接合的交叉四元 结构布置的四个陀螺仪16A-D的图示。这里，左侧的一对陀螺仪框架和右侧的一对陀螺仪框架通过接合件95 (下面，称之为"垂直"接合件)互连，该接合件允许框架沿Y轴共线地反相移动。示例性的垂直 接合件将在下文中说明。每个陀螺仪优选通过悬置件93支撑在与垂直 接合件95相对的侧上。图1C示出了根据本发明示例性实施例的以垂直和水平接合的交 叉四元结构布置的四个陀螺仪16A-D的图示。这里，顶部的一对陀螺 仪框架和底部的一对陀螺仪框架通过接合件99互连，该接合件允许框 架沿分开的平行的Y轴的反相移动，而左侧的一对陀螺仪框架和右侧 的一对陀螺仪框架通过接合件95互连，该接合件允许框架的共线的反 相移动。每个陀螺仪优选通过悬置件93支撑在与垂直接合件95相对 的侧上。在所示的实施例中，陀螺仪16A-16D类似于在美国专利6505511 和6122961中所公开的，这里通过引用将这些公开全文结合在此。陀 螺仪16A-16D也可以类似于美国专利6877374中所公开的，这里也通 过引用将该专利的公开全文结合在此。优选将陀螺仪16A-16D配置并操作以便具有共同的质心。为此， 每个对角的一对陀螺仪的谐振器和框架典型地彼此同相地操作，而任 意的一对相邻的陀螺仪的谐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是第一陀螺仪16A对旋转点的矢量距离， V2是第二陀螺仪16B对旋转点的矢量距离， V3是第三陀螺仪16C对旋转点的矢量距离，而 V4是第四陀螺仪16D对旋转点的矢量距离。请注意，在考虑该式时应考虑矢量距离的符号。当该关系成立时，陀螺仪作为整体基本上变得对绕该旋转点的角加速度不敏感到框架的 响应彼此匹配的程度。接合件克服了由于制造容差而引起的不匹配， 并因此改善了对角加速度的拒绝。然而，这种布置不应不利地影响惯性传感器检测基础角速度，设 计该惯性传感器的目的是检测基础角速度。因此，本发明的实施例应当基本上对表面剪切不敏感，并且如上 所述，也使得角加速度噪声被消除。图2示意性地示出了根据本发明的示例性实施例的用于水平互连 两个陀螺仪框架(例如陀螺仪16A和16B的框架或陀螺仪16C和16D 的框架)的第一示例性水平接合装置99，如图1A和1C中所示的那些。 为方便起见，示出了陀螺仪16A和16B的框架。具体的，第一框架16A 具有与第一长挠曲22A接合的第一对短挠曲20A。以相应的方式，第 二框架16B具有与第二长挠曲22B接合的第二对短挠曲20B。棒条24 将第一长挠曲22A固定到第二长挠曲22B。为了提供一定的稳定性， 一对锚固件26A和26B在棒条24的两侧上延伸，并通过锚固挠曲28 与条24接合。当促使两个框架16A和16B同相移动时，该布置基本是非顺应性 的。相反，当促使两个框架16A和16B反相移动时，该布置基本是顺 应性的。换句话说，当沿Y轴向上推动第一框架16A时，第二框架16B 被沿Y轴向下推动。然而，如果沿Y轴向上推动这两者，则该布置应 当基本上是非顺应性的。在某些实施例中，当框架16A和16B在Y方 向上移动时，该布置允许框架16A和16B旋转一定程度。图3示意性地示出了根据本发明的示例性实施例的用于水平互连 两个陀螺仪框架(例如陀螺仪16A和16B的框架或陀螺仪16C和16D 的框架)的第二示例性水平接合装置99，如图1A和1C中所示的那些。
具体的，在该示例性实施例中，锚固挠曲28实际上向外延伸，并然后回折180度来与棒条24相遇。此外，该接合装置还具有刻蚀补偿器。 折叠的锚固挠曲28允许棒条24绕枢轴点的旋转，但基本防止与棒条 24的轴垂直的平移。此外，该实施例在每个框架上使用单个端挠曲20， 而不是在每个框架上具有一对短挠曲20.。水平接合装置99有效地向框架16的移动增加了质量和刚度。由 于每个框架仅沿其一个侧面被接合到相邻的框架，因此接合装置99有效地使每个框架的移动不平衡。因此，具有水平接合件的惯性传感器 优选包括许多平衡器97，以帮助抵消水平接合装置99的影响。具体的， 平衡器97优选被接合到每个陀螺仪框架的与具有水平接合装置99的 侧相对的侧上。每个平衡器97的结构典型地是水平接合装置99的一 半的等效物，并因此基本施加相同但相反的机械作用在其各自陀螺仪 框架上。图4示意性地示出了根据本发明的示例性实施例的示例性平衡器 97的细节。如所示的，每个平衡器97的结构实质上是图3中所示的接 合装置的一半的等效物。图5示出了根据本发明第一示例性实施例的以垂直和水平接合的 "交叉四元"结构布置的四个陀螺仪。具体地，该交叉四元结构包括 陀螺仪50A、 50B、 50C和50D。每个陀螺仪包括框架(52A、 52B、 52C 和52D)和可移动地悬置在框架的内周中的谐振器(54A、 54B、 54C 和54D)。陀螺仪50A和50B的框架52A和52B基本如上面参考图3 所述地接合，陀螺仪50C和50D的框架52C和52D也是如此。此外， 根据本发明的示例性实施例，陀螺仪50A和50C的框架52A和52C彼 此接合，陀螺仪50B和50D的框架52B和52D也是如此。图6示出了 陀螺仪之间的不同接合件的位置。陀螺仪50A/50B和50C/50D之间的 接合件已在上面参照图2-4进行了说明。陀螺仪50A/50C和50B/50D 之间的接合件将在下面说明。
每一对陀螺仪50A/50B和50C/50D的谐振器彼此反相地操作。此 外，在本发明的一个示例性实施例中，陀螺仪50A和50B的谐振器与 陀螺仪50C和50D的对应谐振器反相地操作。因此，对角相对的陀螺 仪的谐振器彼此同相地操作，而任何一对相邻的陀螺仪的谐振器彼此 反相地操作。图7A和7B示出了根据本发明的该示例性实施例的谐振 器的同相移动和反相移动的表示。此外，还接合每一对陀螺仪50A/50B和50C/50D的框架以允许在 相反的方向上移动，但基本限制在相同方向上的移动。此外，根据本 发明的示例性实施例，接合陀螺仪50A和50C的框架以允许在相反方 向上的移动，但基本限制在相同方向上的移动，陀螺仪50B和50D的 框架也是如此。陀螺仪50A/50C的框架对陀螺仪50B/50D的框架反相 地移动。因此，对角相对的陀螺仪的框架彼此同相地操作，而任意一 对相邻的陀螺仪的框架彼此反相地操作。如上述所讨论的，使谐振器在X轴上前后振动。惯性传感器绕Z 轴的旋转使得框架在Y轴上移位。图8A示出了当陀螺仪绕Z轴顺时 针旋转而谐振器如图7A中所示移动时，陀螺仪框架相对于基板(或多 个基板)的移动的表示。在此情况下，陀螺仪50A和50C的框架52A 和52C向彼此移动，而陀螺仪50B和50D的框架52B和52D彼此远离 地移动。图8B示出了当陀螺仪绕Z轴逆时针旋转而谐振器如图7A中 所示移动时，陀螺仪框架相对于基板(或多个基板)的移动的表示。 在此情况下，陀螺仪50A和50C的框架52A和52C彼此远离，而陀螺 仪50B和50D的框架52B和52D向彼此移动。应当注意，当谐振器如 图7B所示移动时，框架的移动可能是相反的。如上述所讨论的，陀螺仪50A和50C的框架52A和52C垂直接 合，陀螺仪50B和50D的框架52B和52D也是如此。在本发明的示例 性实施例中，框架对通过多种杠杆和挠曲来垂直接合，所述杠杆和挠
曲允许框架的期望的共线反相移动，但基本限制框架的同相移动。图9A示出了陀螺仪50A和50C之间互连的一部分。图9B示出 了与图9A中相同的部分，其中标出了相关特征。为了方便，仅示出了 互连特征的大约一半(剩余的互连特征基本是所示出的沿穿过杠杆挠 曲66A和66C的线的镜像)。其中，互连包括杠杆56A和56C、杠杆 57A和57C(其基本是杠杆56A和56C的镜像)、以及棒条58A和58C。 杠杆56A和56C通过悬置挠曲60A和60C分别被接合到框架52A和 52C，通过杠杆挠曲66A和66C被接合到杠杆57A和57C，以及通过 枢轴挠曲62A、 64A、 62C和64C被接合到杠杆58A和58C。杠杆56A 和56C也通过接合挠曲70互连。棒条58A和58C分别通过锚固件68A 和68C被锚固到基板。应当注意，由于该示例性互连的镜像特性，该 互连在互连的另一侧上包括基本一致的锚固件、杠杆和挠曲。图10A 示出了图9A中所示的互连的一部分的突出显示的部分。图10B示出了 图10A中突出显示的部分的放大图。应当注意，使悬置件(suspension) 62A和62C的枢轴点对准，以 使得它们彼此直接相反，并且在枢轴点之间的杠杆56A和56C中嵌入 接合挠曲70。当框架相对彼此反相地移动时，接合挠曲70的两端以基 本相同的方向相对于框架的移动横向地移动基本相同的量。因此，接 合挠曲70仅需要弯曲非常小的量，来适应(accommodate)运动。因此， 该接合挠曲对所期望的运动的刚度几乎没有贡献。例如，参考图9B，当框架52A和52C彼此远离移动时，悬置挠 曲60A和60C被拉得彼此远离，导致悬置挠曲60A和60C附近的杠杆 56A和56C的端部被彼此远离地拉开，并使得杠杆56A和56C的相对 端向彼此移动。枢轴挠曲62A和64A允许杠杆56A相对于棒条58A枢 轴转动，而枢轴挠曲62C和64C允许杠杆56C相对于棒条58C枢轴转 动。接合挠曲70被基本定位在杠杆56A和56C的枢轴点上，并且允许 杠杆56A和56C相对于彼此枢轴转动。同时，杠杆57A和57C相对于 杠杆56A和56C成镜像移动，使得枢轴挠曲66A和66C向彼此移动。 杠杆挠曲66A允许杠杆56A和57A相对于彼此枢轴转动，而杠杆挠曲 66C允许杠杆56C和57C相对于彼此枢轴转动。当框架52A和52C向彼此移动时，悬置挠曲60A和60C被推向 彼此，导致悬置挠曲60A和60C附近的杠杆56A和56C的端部被推向 彼此，并使得杠杆56A和56C的相对端彼此远离。枢轴挠曲62A和64A 允许杠杆56A相对于棒条58A枢轴转动，而枢轴挠曲62C和64C允许 杠杆56C相对于棒条58C枢轴转动。接合挠曲70允许杠杆56A和56C 相对于彼此枢轴转动。同时，杠杆57A和57C相对于杠杆56A和56C 成镜像移动，使得枢轴挠曲66A和66C彼此远离地移动。枢轴挠曲66A 允许杠杆56A和57A相对于彼此枢轴转动，而枢轴挠曲66C允许杠杆 56C和57C相对于彼此枢轴转动。另一方面，如果迫使框架在相同的方向上移动，那么相应地迫使 接合挠曲70的端部在相反的方向移动。接合挠曲70较强地抵抗在相 反方向上的这种移动，代之以优待期望的交叉四元运动。因此，该互 连允许期望的框架的反相移动，但基本防止框架的同相移动。在图11中所示的替换实施例中，枢轴挠曲方向与图9和10中所 示的相反，并且接合挠曲和悬置枢轴点之间的距离增加。其中，这允 许期望的运动较低的整体刚度(这对于制造较小的结构是有用的)。 此外，通过增加接合挠曲和悬置枢轴点之间的距离，互连甚至更加歧 视框架的同相移动。图11示出了根据本发明第二示例性实施例的以"交叉四元"结构 布置的四个陀螺仪。图12A示出了图11中所示的交叉四元结构的突出 显示部分。图12B示出了图12A中突出显示的部分的放大图。图12C 示出了与图12B中相同的部分，其中标出了相关特征。如图12C中所 示，枢轴挠曲62C和64C的方向与图9和图10中所示的枢轴挠曲相反。 枢轴挠曲62C和64C的交叉点在最接近框架56C的杠杆56C的边缘的 附近，而不是如图9和IO中的情况那样向着杠杆的中央。为便于参考 示出了框架52C、谐振器54C、杠杆挠曲66C和接合挠曲70。在该结 构中，接合挠曲和枢轴挠曲的交叉点之间的距离增加，以便更加歧视 框架的同相移动。应当注意，上面参考图9-12所述的示例性垂直接合件可以被用在 如图1B中所示的垂直接合的交叉四元陀螺仪结构中。应当注意，本发明的特定特征和优点可以利用单对垂直接合的陀 螺仪来实现(例如，仅如图1B中所示的左侧或右侧的一对陀螺仪)。 因此，使惯性传感器具有单对垂直接合的陀螺仪是在本发明的范围之 内。在示例性的实施例中，陀螺仪允许在大约17伏操作。本发明可以以其他的具体形式来实施，而不偏离本发明的实际范 围。所示出的实施例无论从哪一方面来讲都被认为仅是示例性的而不 是限制性的。
权利要求
1.一种惯性传感器，包括至少一个基板；和四个传感器元件，其在该至少一个基板上方基本在平面内以交叉四元结构布置，所述四个传感器元件包括具有悬置在第一框架内的第一谐振器的第一传感器元件；具有悬置在第二框架内的第二谐振器的第二传感器元件；具有悬置在第三框架内的第三谐振器的第三传感器元件；以及具有悬置在第四框架内的第四谐振器的第四传感器元件，其中，第一和第三框架被配置为在该平面内沿第一轴共线地移动，第二和第四框架被配置为沿与第一轴平行的该平面内的第二轴共线地移动，并且至少两对相邻的传感器元件的框架通过接合件互连，所述接合件允许框架的反相移动，但基本防止框架的同相移动。
2. 如权利要求l所述的惯性传感器，其中使得第一和第二谐振器在所述平面内沿着与第一和第二轴垂直的 第三轴共线地且彼此反相地移动；使得第三和第四谐振器在所述平面内沿着与所述第三轴平行的第 四轴共线地且彼此反相地移动；使得第一和第三谐振器彼此反相地移动；以及使得第二和第四谐振器彼此反相地移动。
3. 如权利要求l所述的惯性传感器，其中，所述至少一个基板绕 垂直于所述平面的轴的旋转导致框架的移动。
4. 如权利要求3所述的惯性传感器，其中所述基板在第一方向上的旋转导致第一和第三框架向彼此移动， 并导致第二和第四框架相互远离地移动，同时第一和第二质块向彼此移动；以及所述基板在第二方向上的旋转导致第一和第三框架相互远离地移 动，并导致第二和第四框架向彼此移动，同时第一和第二质块向彼此 移动。
5. 如权利要求l所述的惯性传感器，其中第一和第二框架通过第一水平接合件互连，该接合件允许所述框 架沿它们各自的轴的反相移动，但基本防止所述框架的同相移动；以 及第三和第四框架通过第二水平接合件互连，该接合件允许框架沿 它们各自的轴进行的反相移动，但基本防止所述框架的同相移动。
6. 如权利要求5所述的惯性传感器，其中，第一和第二水平接合 件的每一个都包括接合在第一和第二框架之间的至少一个棒条，所述至少一个棒条 由被锚固到所述至少一个基板的结构来支撑，所述结构允许所述至少 一个棒条在所述框架彼此反相移动时在枢轴点处旋转，但基本防止所 述框架的同相移动。
7. 如权利要求6所述的惯性传感器，其中，所述第一和第二水平 接合件的每一个都包括第一对短挠曲，其从框架之一延伸，并通过第一长挠曲互连； 第二对短挠曲，其从框架的另一个延伸，并通过第二长挠曲互连； 棒条，其基本在所述第一和第二长挠曲的中点处将所述第一长挠曲接合到所述第二长挠曲；以及锚固挠曲，其支撑所述棒条，所述锚固挠曲与所述棒条基本在所述棒条和锚固挠曲的中点处交叉，所述锚固挠曲的每一端被锚固于所述基板。
8.如权利要求6所述的惯性传感器，其中，所述第一和第二水平 接合件的每一个都包括第一挠曲，其从所述框架之一延伸；第二挠曲，其从所述框架的另一个延伸；棒条，其接合在所述第一和第二挠曲之间；以及至少一个锚固挠曲，其支撑所述棒条，每一个锚固挠曲包括这样的结构，其在一端锚固于所述至少一个基板的且向后折180度与所述棒条相会。
9. 如权利要求l所述的惯性传感器，其中所述第一和第三框架通过第一垂直接合件互连，该接合件允许所 述框架沿它们各自的轴的反相移动，但基本防止所述框架的同相移动； 以及所述第二和第四框架通过第二垂直接合件互连，该接合件允许所 述框架沿它们的共线的轴反相移动，但基本防止所述框架的同相移动。
10. 如权利要求9所述的惯性传感器，其中，所述第一和第二垂 直接合件的每一个都包括接合到所述框架之一的第一对互连的杠杆，所述第一对杠杆包括 第一杠杆和第二杠杆；接合到所述框架的另一个的第二对互连的杠杆，所述第二对杠杆 包括第三杠杆和第四杠杆；多个杠杆支撑结构，其允许杠杆在框架彼此反相移动时枢轴转动；第一接合挠曲，其基本在所述第一杠杆和第三杠杆各自的枢轴点 之间互连所述第一杠杆和第三杠杆；以及第二接合挠曲，其基本在所述第二杠杆和第四杠杆各自的枢轴点 之间互连所述第二杠杆和第四杠杆，其中，所述接合挠曲基本防止所 述框架的同相移动。
11. 如权利要求IO所述的惯性传感器，其中，在所述框架的反相 移动期间，每一个接合挠曲的两端在相同的方向上相对于所述框架的 移动横向地移动基本相同的量，但在所述框架的同相移动期间，所述 每一个接合挠曲的两端被迫使在相反的方向上移动。
12. 如权利要求IO所述的惯性传感器，其中，所述多个杠杆支撑结构包括至少一个枢轴挠曲，其在一端处接合到杠杆而在另一端处接合到 被锚固于所述基板的结构。
13. 如权利要求12所述的惯性传感器，其中，所述至少一个枢轴挠曲包括在一点处互连的第一枢轴挠曲和第二枢轴挠曲。
14. 如权利要求13所述的惯性传感器，其中，所述互连点向着所 述杠杆的中央。
15. 如权利要求13所述的惯性传感器，其中，所述互连点向着离 所述框架最近的杠杆的边缘。
16. 如权利要求13所述的惯性传感器，其中所述第一接合挠曲基本与所述第一和第三杠杆的互连点成一线；以及所述第二接合挠曲基本与所述第二和第四杠杆的互连点成一线。
17. 如权利要求12所述的惯性传感器，其中，所述被锚固于所述 基板的结构是被锚固于所述基板的棒条。
18. 如权利要求IO所述的惯性传感器，其中，每一对杠杆由杠杆 挠曲互连。
19. 如权利要求IO所述的惯性传感器，其中，每一个杠杆通过悬 置挠曲连接到各自的框架。
20. 如权利要求1所述的惯性传感器，其中，每一个框架包括指 状结构，所述指状结构与锚固于所述至少一个基板的固定传感指成指 状交叉，用于静电感测所述框架的移动。
21. 如权利要求1所述的惯性传感器，其中，每一个质块包括指状结构，所述指状结构与锚固于所述至少一个基板的固定驱动指成指 状交叉，用于静电移动所述质块。
22. 如权利要求l所述的惯性传感器，其中所述第一和第二框架通过第一水平接合件互连，所述接合件允许 所述框架沿它们各自的轴的反相移动，但基本防止所述框架的同相移动；所述第三和第四框架通过第二水平接合件互连，所述接合件允许 所述框架沿它们各自的轴的反相移动，但基本防止所述框架的同相移 动；所述第一和第三框架通过第一垂直接合件互连，所述接合件允许 所述框架沿它们的共线的轴的反相移动，但基本防止所述框架的同相 移动；以及所述第二和第四框架通过第二垂直接合件互连，所述接合件允许 所述框架沿它们的共线的轴的反相移动，但基本防止所述框架的同相 移动。
23. —种惯性传感器，包括 至少一个基板；和四个传感器元件，其在该至少一个基板上方基本在平面内以交叉 四元结构布置，所述四个传感器元件包括具有悬置在第一框架内的第一谐振器的第一传感器元件； 具有悬置在第二框架内的第二谐振器的第二传感器元件； 具有悬置在第三框架内的第三谐振器的第三传感器元件；以 及具有悬置在第四框架内的第四谐振器的第四传感器元件， 其中，所述第一和第三框架被配置为在所述平面内沿第一轴共线地移动，所述第二和第四框架被配置为在与所述第一轴平行的所述平面内的第二轴共线地移动；第一装置，其用于互连第一对相邻的传感器元件的框架，以允许 所述框架的反相移动，但基本防止所述框架的同相移动；以及第二装置，其用于互连第二对相邻的传感器元件的框架，以允许 所述框架的反相移动，但基本防止所述框架的同相移动。
24. 如权利要求23所述的惯性传感器，进一步包括 第三装置，其用于互连第三对相邻的传感器元件的框架，以允许所述框架的反相移动，但基本防止所述框架的同相移动；以及第四装置，其用于互连第四对相邻的传感器元件的框架，以允许 所述框架的反相移动，但基本防止所述框架的同相移动。
25. —种惯性传感器，包括 至少一个基板；在该至少一个基板上方基本在平面内的一对传感器元件，每一个 传感器元件具有悬置在框架内的谐振器，所述框架被配置为在所述平 面内沿着轴共线地移动；以及垂直接合件，其互连所述框架，并允许所述框架沿它们共线的轴 的反相移动，但基本防止所述框架的同相移动。
26. 如权利要求25所述的惯性传感器，其中，所述垂直接合件包括接合到所述框架之一的第一对互连的杠杆，所述第一对杠杆包括 第一杠杆和第二杠杆；接合到所述框架的另一个的第二对互连的杠杆，所述第二对杠杆 包括第三杠杆和第四杠杆； 多个杠杆支撑结构，其允许所述杠杆当所述框架彼此反相移动时 枢轴转动；第一接合挠曲，其基本在所述第一杠杆和第三杠杆各自的枢轴点 处互连所述第一杠杆和第三杠杆；以及第二接合挠曲，其基本在所述第二杠杆和第四杠杆各自的枢轴点 处互连所述第二杠杆和第四杠杆，其中，所述接合挠曲基本防止所述 框架的同相移动。
全文摘要
本发明提供了一种包括四个传感器元件的交叉四元结构的惯性传感器。每一个传感器元件具有框架及悬置在框架内的谐振器。布置传感器元件使得允许框架彼此反相移动，但基本防止框架彼此同相移动。这些传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。可以垂直接合一对传感器元件。
文档编号G01C19/56GK101160506SQ200680012422
公开日2008年4月9日 申请日期2006年4月6日 优先权日2005年4月14日
发明者约翰·A·吉恩, 邝锦波 申请人:模拟设备公司