用于微机电系统（MEMS）设备的弹簧.pdf

《用于微机电系统（MEMS）设备的弹簧.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《用于微机电系统（MEMS）设备的弹簧.pdf（14页珍藏版）》请在专利查询网上搜索。

1、(10)申请公布号 CN 103852073 A (43)申请公布日 2014.06.11 CN 103852073 A (21)申请号 201310624947.5 (22)申请日 2013.11.28 13/687,424 2012.11.28 US G01C 19/56(2012.01) (71)申请人 飞思卡尔半导体公司 地址 美国得克萨斯 (72)发明人 林毅桢 简梅纳 米夏埃尔瑙曼 (74)专利代理机构 中原信达知识产权代理有限 责任公司 11219 代理人 李宝泉 周亚荣 (54) 发明名称 用于微机电系统 （MEMS） 设备的弹簧 (57) 摘要 一种用于微机电系统 （MEMS。

2、）设备的弹簧。 MEMS 设备 （20） 包括衬底 （28） 和被配置为在基本 平行于所述衬底的 （28） 的表面 （50） 的平面 （24） 中经受振荡运动的驱动质量块 （30） 。传感器 （20） 还包括驱动弹簧 （56） ， 其中每一个都包括了主横 梁 （70） 和耦合于所述主横梁 （70） 的一端 （74） 的 弯曲横梁 （72） 。所述弯曲横梁 （72） 被锚定到所述 驱动质量块 （30） 或所述衬底 （28） 。所述弯曲横 梁 （72） 展示小于所述主横梁 （70） 的宽度 （88） 的 宽度 （90） 。响应于振荡驱动运动， 所述弯曲横梁 （72） 弯曲使得所述主横梁 （70） 。

3、在所述平面 （24） 中围绕枢转点 （96） 旋转。因此， 所述驱动质量块 （30） 的平面外运动被减少， 从而抑制了正交误差。 (30)优先权数据 (51)Int.Cl. 权利要求书 3 页 说明书 7 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书3页 说明书7页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103852073 A CN 103852073 A 1/3 页 2 1. 一种微机电系统 （MEMS） 设备， 包括 ： 具有表面的衬底 ; 被配置为在基本平行于所述表面的平面中经受振荡运动的驱动质量块 ； 以及 驱动弹簧， 每一个所述驱动弹簧包括第。

4、一横梁和耦合于所述第一横梁的一端的第二横 梁， 所述第二横梁被锚定到所述驱动质量块和所述衬底中的一个， 所述第一横梁展示基本 平行于所述平面的第一宽度， 以及所述第二横梁展示基本平行于所述平面的第二宽度， 所 述第二宽度小于所述第一宽度。 2.根据权利要求1所述的MEMS设备， 其中所述第一横梁的第一纵向维度定向为近似垂 直于所述第二横梁的第二纵向维度。 3.根据权利要求1所述的MEMS设备， 其中所述第一横梁的所述一端相对于所述第二横 梁的纵向维度耦合于所述第二横梁的中点。 4.根据权利要求1所述的MEMS设备， 其中所述第二横梁与所述第一横梁的交点形成枢 转点， 以及所述第二横梁弯曲， 以。

5、使响应于所述振荡运动， 所述第一横梁在所述平面中能够 围绕所述枢转点进行枢转运动。 5. 根据权利要求 4 所述的 MEMS 设备， 其中所述第二横梁包括 ： 第一弯曲元件， 所述第一弯曲元件响应于所述振荡运动在第一方向上弯曲 ； 以及 第二弯曲元件， 所述第一横梁的所述一端被插入在所述第一和第二弯曲元件之间， 所 述第二弯曲元件在与所述第一方向相反的第二方向上弯曲， 所述第一和第二弯曲元件响应 于所述振荡运动而弯曲。 6. 根据权利要求 1 所述的 MEMS 设备， 其中所述一端是第一端， 以及所述驱动弹簧的所 述每一个还包括耦合于所述第一横梁的第二端的第三横梁， 所述第三横梁展示基本平行于。

6、 所述平面并且小于所述第一宽度的第三宽度。 7. 根据权利要求 6 所述的 MEMS 设备， 还包括悬挂质量块， 所述第三横梁被锚定到所述 悬挂质量块。 8. 根据权利要求 6 所述的 MEMS 设备， 其中所述第三宽度近似等于所述第二宽度。 9.根据权利要求6所述的MEMS设备， 其中所述第三横梁定向为近似平行于所述第二横 梁。 10. 根据权利要求 6 所述的 MEMS 设备， 其中所述第二横梁的第二纵向维度近似等于所 述第三横梁的第三纵向维度。 11. 根据权利要求 1 所述的 MEMS 设备， 其中所述驱动质量块被配置为在基本平行于所 述衬底的所述表面的线性驱动方向上经受所述振荡运动，。

7、 以及所述第一横梁的纵向维度定 向为近似平行于所述驱动方向。 12. 根据权利要求 11 所述的 MEMS 设备， 其中所述纵向维度是第一纵向维度， 以及所述 第二横梁的第二纵向维度定向为近似平行于所述线性驱动方向。 13. 根据权利要求 1 所述的 MEMS 设备， 其中所述驱动质量块被配置为围绕基本垂直于 所述衬底的所述表面的驱动轴经受所述振荡运动， 以及所述第一横梁的纵向维度相对于所 述驱动轴被放射状地定向。 14. 根据权利要求 13 所述的 MEMS 设备， 其中所述纵向维度是第一纵向维度， 以及所述 第二横梁的第二纵向维度相对于所述驱动轴被近似切线地定向。 权 利 要 求 书 CN。

8、 103852073 A 2 2/3 页 3 15. 一种微机电系统 （MEMS） 设备， 包括 ： 具有表面的衬底 ; 被配置为在基本平行于所述表面的平面中经受振荡运动的驱动质量块 ； 悬挂质量块 ； 以及 将所述悬挂质量块与所述驱动质量块连接起来的驱动弹簧， 每一个所述驱动弹簧包括 第一横梁和耦合于所述第一横梁的一端的第二横梁， 所述第二横梁被锚定到所述驱动质量 块和所述悬挂质量块中的一个， 所述第一横梁展示基本平行于所述平面的第一宽度， 以及 所述第二横梁展示基本平行于所述平面的第二宽度， 所述第二宽度小于所述第一宽度， 其 中所述第二横梁与所述第一横梁的交点形成枢转点， 以及所述第二横。

9、梁弯曲， 以使响应于 所述振荡运动， 所述第一横梁在所述平面中能够围绕所述枢转点进行枢转运动。 16. 根据权利要求 15 所述的 MEMS 设备， 其中所述一端是第一端， 以及所述驱动弹簧的 所述每一个还包括耦合于所述第一横梁的第二端的第三横梁， 所述第三横梁被锚定到所述 驱动质量块和所述悬挂质量块中的另一个， 所述第三横梁展示基本平行于所述平面并且小 于所述第一宽度的第三宽度。 17.根据权利要求15所述的MEMS设备， 其中所述驱动质量块被配置为在基本平行于所 述衬底的所述表面的线性驱动方向上经受所述振荡运动， 所述第一横梁的第一纵向维度定 向为近似垂直于所述驱动方向， 以及所述第二横梁。

10、的第二纵向维度定向为近似平行于所述 线性驱动方向。 18.根据权利要求15所述的MEMS设备， 其中所述驱动质量块被配置为围绕基本垂直于 所述衬底的所述表面的驱动轴经受所述振荡运动， 所述第一横梁的第一纵向维度相对于所 述驱动轴被放射状地定向， 以及所述第二横梁的第二纵向维度相对于所述驱动轴被近似切 线地定向。 19. 一种微机电系统 （MEMS） 设备， 包括 ： 具有表面的衬底 ; 被配置为在基本平行于所述表面的平面中经受振荡运动的驱动质量块 ； 悬挂质量块 ； 以及 将所述悬挂质量块与所述驱动质量块连接起来的驱动弹簧， 每一个所述驱动弹簧包 括 ： 展示基本平行于所述平面的第一宽度的第一。

11、横梁 ； 耦合于所述第一横梁的第一端的第二横梁， 所述第二横梁被锚定到所述驱动质量块， 所述第二横梁展示基本平行于所述平面的第二宽度， 所述第二宽度小于所述第一宽度 ； 以 及 耦合于所述第一横梁的第二端的第三横梁， 所述第三横梁被锚定到所述悬挂质量块， 所述第三横梁展示基本平行于所述平面的第三宽度， 所述第三宽度小于所述第一宽度， 其 中响应于所述振荡运动， 所述第二横梁的所述第二宽度和所述第三横梁的所述第三宽度使 所述第二和第三横梁能够相对于所述第一横梁弯曲使得所述第一横梁的运动基本在所述 平面中发生。 20. 根据权利要求 19 所述的 MEMS 设备， 其中 ： 所述第三横梁定向为近似。

12、平行于所述第二横梁 ； 以及 权 利 要 求 书 CN 103852073 A 3 3/3 页 4 所述第一横梁定向为近似垂直于所述第二和第三横梁。 权 利 要 求 书 CN 103852073 A 4 1/7 页 5 用于微机电系统 （MEMS） 设备的弹簧 技术领域 0001 本发明通常涉及微机电系统 （MEMS） 设备。更具体地说， 本发明涉及用于 MEMS 设 备的弹簧设计。 背景技术 0002 近年来， 微机电系统 （MEMS） 技术取得了广泛的关注， 因为它提供了一种制作非常 小的机械结构并且能使用常规的批量半导体加工技术在单个衬底上将这些结构与电设备 集成的方法。MEMS 的一个。

13、常见应用是传感器设备的设计和制作。MEMS 传感器设备被广泛 应用于例如汽车、 惯性指导系统、 家用电器、 游戏设备、 各种设备的保护系统、 以及许多其它 的工业、 科学、 以及工程系统的应用中。 附图说明 0003 结合附图并参阅详细说明书以及权利要求， 对本发明可以有比较完整的理解， 在 整个附图中类似的参考符号表示相同的元件， 以及 ： 0004 图 1 示出了根据实施例的以惯性传感器形式的微机电系统 （MEMS） 设备的俯视图 ； 0005 图 2 示出了图 1 的惯性传感器的弹簧设计的一部分的俯视图 ； 0006 图 3 示出了根据替选实施例的图 1 的惯性传感器的链接弹簧构造的俯视。

14、图 ； 0007 图 4 示出了根据另一个实施例的惯性传感器的俯视图。 具体实施方式 0008 在振荡微机电系统 （MEMS） 角速率传感器中， 固有问题是存在被称为正交分量或正 交误差的不期望干扰信号。 由于允许悬挂质量块在其预计驱动运动的平面外振荡的制作缺 陷， 正交误差出现在振荡角速率传感器中。这种平面外运动围绕传感轴可以产生与科里奥 利加速度混淆并随后与旋转率混淆的振荡。 不幸的是， 正交误差可以造成偏移误差， 缩小动 态范围以及增大设备噪音。大的正交误差甚至可以造成设备故障， 使得传感质量块与传导 电极接触， 这可能造成碰撞相关的损坏， 例如短路。 0009 正交误差的主要源是来自制。

15、作期间不充分的尺寸精度。例如， 在 MEMS 结构层的蚀 刻期间来自深反应离子蚀刻 （DRIE） 等离子的偏移垂直离子冲击可以在形成于 MEMS 结构层 内的元件的侧壁中产生不对称的倾斜蚀刻图案。不对称蚀刻轮廓可以造成主轴的移位。这 样， 平面内运动耦合于平面外运动。这是通过平面外传感模式在 X- 轴和 Y- 轴角速率传感 器中造成正交误差的主要原因。 0010 本发明所公开的实施例涉及以例如具有一个或多个可移动元件或质量块的角速 率传感器、 角加速计传感器、 磁传感器、 气体传感器、 制动器等的形式的微机电系统 （MEMS） 设备， 其中平面外运动是非理想的。 具体地， 实施例包括提供了可移。

16、动质量块的平面内运动 并且大大抑制了任何非理想平面外运动的弹簧设计。 弹簧设计涉及每端由细横梁支撑的宽 横梁。 由于细横梁相对于宽横梁的灵敏性， 细横梁起到机械铰链的作用， 使得宽横梁将主要 说 明 书 CN 103852073 A 5 2/7 页 6 地是旋转或枢转， 而不是弯曲。 这样， 弹簧设计补偿了由平面内驱动运动造成的平面外运动 以抑制正交误差。 0011 图 1 示出了根据实施例的以惯性传感器 20 形式的微机电系统 （MEMS） 设备的俯视 图。惯性传感器 20 通常被配置以感知围绕旋转轴 22 即 3 维坐标系中的 X- 轴的角速率。因 此， 惯性传感器20在本发明中被称为角速。

17、率传感器20。 按照惯例， 角速率传感器20被说明 为在 X-Y 平面 24 中具有基本平面的结构， 其中 Z 轴 26 延伸到垂直于图 1 的 X-Y 平面 24 的 页外。 0012 角速率传感器20包括衬底28、 在本发明中被称为驱动质量块30的悬挂质量块、 和 另在本发明中被称为传感质量块 32 的另一个悬挂质量块、 以及将在下文被详细描述的各 种机械联动装置。在图 1 的特定实施例中， 驱动质量块 30 存在于延伸通过传感质量块 32 的中心口 34。驱动质量块 30 包括驱动质量块结构 36 和在 X-Y 平面 24 中横向于驱动结构 36 布置的另一个驱动质量块结构 32。驱动质。

18、量块结构 36 和 38 围绕旋转轴 22 相对于彼此 对称放置。 0013 驱动系统 40 存在于中心口 34 并且可操作地与每一个驱动质量块结构 36 和 38 互 通。更具体地说， 驱动系统 40 包括被配置为振荡驱动结构 36 的驱动元件组 42 和被配置为 振荡驱动结构 38 的其它驱动元件组 44。每组驱动元件 42 和 44 都包括被称为可移动指状 物 46 和固定指状物 48 的电极对。在实施例中， 可移动指状物 46 耦合于每一个驱动质量块 结构 36 和 38 并且从其延伸。固定指状物 48 通过锚 52 被固定到衬底 28 的表面 50 并且延 伸通过驱动质量块结构 36。

19、 和 38 的切口区域 51。 0014 固定指状物 48 被分隔开并且与可移动指状物 46 交替放置。由于它们附接于驱动 质量块结构 36 和 38， 可移动指状物 46 可与驱动质量块结构 36 和 38 一起移动。相反， 由于 它们固定地附接于衬底 28， 固定指状物 48 相对于可移动指状物 46 是不动的。为了清楚说 明， 只示出了几个可移动和固定指状物46和48。 本领域技术人员应该很容易辨别出可移动 和固定的指状物的数量和结构可以根据设计要求变化。 0015 固定指状物 48 可以通过锚 52 被锚定到衬底 28 的表面 50。为了以下附图描述的 一致性， 清晰起见， 耦合于或附。

20、着于衬底 28 的下表面 50 的任何锚定或固定结构， 例如锚 52 和固定指状物 48， 是用点画图案被说明。相反， 没有固定到衬底 28 的任何元件不包括该点 画图案并且因此被悬挂在衬底 28 的表面 50 上方。角速率传感器 20 的各种元件可以利用 沉淀、 构图、 蚀刻等的现有的和未来的表面微加工技术生成。因此， 虽然附图内可能利用了 不同的阴影和 / 或剖面线， 但是结构层内的不同元件通常是由相同的材料制成的， 例如多 晶硅、 单晶硅等等。 0016 MEMS 角速率传感器 20 和替代实施例 （下文讨论） 的元件被不同地描述为 “被锚 定” 、“被附接” 、“被附着” 、“ “耦合。

21、” 、 连接” 、 或 “互联” 到角速率传感器 20 的其它元件。应了 解， 术语指角速率传感器20的特定元件的直间或间接物理连接， 所述连接发生在MEMS制作 的构图和蚀刻过程内的形成期间。 0017 驱动质量块结构 36 和 38 被配置为在 X-Y 平面 24 中经受振荡运动。通常， 交流 （AC） 电压可以通过驱动电路 （未显示） 被应用于固定指状物 48 以使驱动质量块结构 36 和 38 沿着 Y- 轴 54 线性振荡。在实施例中， AC 电压被适当地应用于固定指状物 48 以使可移 动梳状指状物 46（并且因此驱动质量块结构 36 和 38） 大致平行于固定指状物 48 移动。。

22、驱 说 明 书 CN 103852073 A 6 3/7 页 7 动质量块结构 36 和 38 或可被适当地链接在一起或以其它方式被适当地驱动以沿着 Y- 轴 54 朝反方向即反相移动。 0018 驱动弹簧 56 将每一个驱动质量块结构 36 和 38 分别耦合于传感质量块 32。这样， 驱动质量块结构36和38被悬挂在衬底28的表面50上方并且没有直接物理附接于衬底28。 驱动弹簧 56 允许驱动质量块结构 36 和 38 在平面 24 中沿着 Y- 轴 54 大幅振荡线性移动， 但是驱动弹簧 56 也足够刚硬以将科里奥利力沿着 Z 轴 26 从驱动质量块结构 36 和 38 转移 到传感质。

23、量块 32。角速率传感器 20 还包括将驱动质量块结构 36 和驱动质量块结构 38 链 接起来的链接弹簧组件 58。此外， 以扭力弹簧 60 形式的弹性支承元件耦合于传感质量块 32。扭力弹簧 60 通过锚 62 将传感质量块 32 连接到衬底 28 的表面 50。 0019 各种传导板或电极与角速率传感器20的其它固定组件协作而形成于衬底28的表 面 50。在这个简化说明中， 电极包括被用于感知角速率传感器 20 围绕 X- 轴 22 的旋转的传 感电极 64 和 66。导体 （未显示） 可以形成于衬底 28 上以提供到电极 64 和 66 以及到传感 质量块 32 的单独电连接。电极 6。

24、4 和 66 由例如多晶硅的一种传导材料形成， 并且如果这些 组件选择了相同材料， 电极 64 和 66 可以与各自导体同时形成。在图 1 中， 电极 64 和 66 被 上覆的传感质量块 32 遮住。因此， 在图 1 中， 电极 64 和 66 用虚线的形式表示以说明它们 相对于传感质量块 32 的物理位置。 0020 每一个驱动弹簧 56 和链接弹簧组件 58 包括在本发明中被称为主横梁 70 的第一 横梁。此外， 每一个驱动弹簧 56 和链接弹簧组件 58 包括在本发明中被称为弯曲横梁 72 和 74 的第二和第三横梁。根据特定配置， 弯曲横梁 72 耦合于主横梁 70 的一端 76 以。

25、及弯曲横 梁 74 耦合于主横梁 70 的相对端 78。每一个驱动弹簧 56 的弯曲横梁 72 因此被锚定到驱 动质量块 30（即， 驱动质量块结构 36 和 38 中的一个） 以及每一个驱动弹簧 56 的弯曲横梁 74 因此被锚定到传感质量块 32。用于链接弹簧组件 58 的弯曲横梁 72 被锚定到驱动质量 块结构 36 以及弯曲横梁 74 被锚定到驱动质量块结构 38。 0021 对于每一个驱动弹簧56， 每一个弯曲横梁72和74的纵向维度80定向为近似彼此 平行， 以及主横梁 70 的纵向维度 82 定向为近似垂直于弯曲横梁 72 和 74 的纵向维度 80。 在实施例中， 弯曲横梁 7。

26、2 的纵向维度 80 可以通常等于弯曲横梁 74 的纵向维度 80。然而， 主横梁 70 的纵向维度 82 不需要与纵向维度 80 相同， 而是替代地大于或小于纵向维度 80。 同样， 对于链接弹簧组件58， 每一个弯曲横梁72和74的纵向维度84定向为近似彼此平行， 以及主横梁 70 的纵向维度 86 定向为近似垂直于弯曲横梁 72 和 74。如同驱动弹簧 56, 链 接弹簧组件 58 的弯曲横梁 72 的纵向维度 84 通常等于链接弹簧组件 58 的弯曲横梁 74 的 纵向维度 84。此外， 链接弹簧组件 58 的主横梁 70 的纵向维度 86 可以大于或小于纵向维度 84。 0022 驱。

27、动弹簧 56 和链接弹簧组件 58 通常被布置在与衬底 28 的表面 50 即 X-Y 平面 24 基本平行的平面中。这样， 主横梁 70 还展示了基本平行于 X-Y 平面 24 的第一宽度 88。当 然， 第一宽度 88 显著小于主横梁 70 的纵向维度 82。此外， 每一个弯曲横梁 72 和 74 通常展 示了在本发明中被称为第二宽度 90 的相同的宽度， 基本平行于 X-Y 平面 24。当然， 第二宽 度 90 显著小于弯曲横梁 72 和 74 的纵向维度 80。此外， 每一个弯曲横梁 72 和 74 的第二宽 度 90 小于主横梁 70 的第一宽度 88。 0023 根据实施例， 主横。

28、梁 70 不旨在响应于通过驱动系统 40 施加在驱动质量块 30 上的 说 明 书 CN 103852073 A 7 4/7 页 8 振荡驱动运动而弯曲， 使得主横梁 70 和相应的驱动质量块 30 经受 X-Y 平面 24 外的运动。 替代地， 该弯曲出现在弯曲横梁 72 和 74 中。即， 每一个弯曲横梁 72 和 74 的第二宽度 90 显著小于第一宽度88， 使得弯曲横梁72和74可以代替更厚的并且因此更硬的主横梁70弯 曲。因此， 与弯曲横梁 72 和 74 的弯曲相比， 主横梁 70 的任何可能的平面外弯曲是可忽略 的， 所述平面外弯曲可以以其它方式在传感质量块 32 处造成正交误。

29、差。 0024 对于每一个驱动弹簧 56， 主横梁 70 的纵向维度 82 定向为近似垂直于驱动质量块 30 的驱动轴， 即 Y- 轴 54。由于它们相对于主横梁 70 的垂直定向， 每一个驱动弹簧 56 的弯 曲横梁 72 和 74 的纵向维度 80 平行于 Y- 驱动轴 54。对于将驱动质量块结构 36 耦合于驱 动质量块结构 38 的链接弹簧组件 58， 主横梁 70 的纵向维度 86 定向为近似平行于驱动轴 54， 以及弯曲横梁 72 和 74 的纵向维度 84 定向为近似垂直于驱动轴 54。 0025 在操作中， 驱动质量块30的驱动质量块结构36和38在X-Y平面24中在基本平行 。

30、于驱动轴即 Y- 轴 54 的线性驱动方向 94 反相地经受振荡运动。在所说明的实施例中， 其中 旋转轴被称为 X- 轴 22， 驱动质量块结构 36 和 38 在相反方向线性振荡。驱动弹簧 56 和链 接弹簧组件 58 的设计有效抑制了驱动质量块结构 36 和 38 沿着传感轴 26 的平面外运动， 使得驱动质量块结构 36 和 38 在基本平行于 Y- 轴 54 （即， 在图 1 的上下） 的 X-Y 平面 24 中 线性振荡， 具有可忽略的相位误差。 0026 一旦驱动质量块 30 进入沿着 Y- 轴 54 的线性振荡运动， 传感质量块 32 可以检测 由围绕 X- 轴 22 旋转的角速。

31、率传感器 20 产生的角速率， 即角速度。具体地， 由于科里奥利 加速度组件， 扭力弹簧 60 使传感质量块 32 能够根据围绕 X- 旋转轴 22 的角速率传感器 20 的角速率即角速度在 X-Y 平面 24 外振荡。该运动具有与围绕输入轴即 X- 轴 22 的角速率 传感器 20 的角旋转率成比例的幅度。 0027 驱动弹簧56将传感质量块32耦合于驱动质量块30， 使得相对于驱动质量块30在 线性驱动方向 94 的线性振荡运动， 传感质量块 32 基本从驱动质量块 30 解耦。然而， 相对 于传感质量块 32 的 X-Y 平面 24 外的振荡运动， 传感质量块 32 耦合于驱动质量块 3。

32、0。因 此， 传感质量块 32 被链接到驱动质量块 30， 使得传感质量块 32 和驱动质量块 30 共同经受 由科里奥利力在角速率传感器 20 围绕 X- 旋转轴 22 旋转期间引起的平面外运动。随着传 感质量块 32 经受振荡平面外运动， 位置变化随着电容变化被电极 64 和 66 感知。在电极 64 和 66 感知的该电容变化以传统的方式被电子处理以获得围绕 X- 旋转轴 22 的角速率传感 器 20 的角速率。 0028 正是驱动质量块 30 沿着 Y- 轴 54 的驱动运动和围绕 X- 旋转轴 22 的角速率传感 器 20 的角速率之间的耦合产生了科里奥利力， 所述科里奥利力进而将传。

33、感质量块 32 移出 X-Y 平面 24。所述科里奥利力在幅度上非常小。在一些现有技术惯性传感器中， 响应于驱 动质量块 30 在线性驱动方向 94 的线性振荡驱动运动， 形成于 MEMS 结构层内的元件侧壁中 的不对称倾斜蚀刻图案， 例如现有技术驱动弹簧， 可以造成驱动质量块 30 和相应的传感质 量块 32 的平面外运动。在现有技术的驱动弹簧设计中， 当线性振荡驱动运动通过驱动系统 40被施加在驱动质量块30上的时候， 驱动质量块30的该平面外运动由X-Y平面24外的驱 动弹簧的弯曲或扭曲造成。当 Z- 轴 26 是传感轴的时候， 该平面外驱动运动机械耦合于传 感运动， 即传感质量块 32。

34、 的移位， 造成了正交误差， 即正交信号。 0029 图 2 示出了用于角速率传感器 20（图 1） 的弹簧设计的一部分的俯视图。具体地， 说 明 书 CN 103852073 A 8 5/7 页 9 图 2 示出了驱动弹簧 56 中的一个的一部分。虽然仅驱动弹簧 56 中的一个的一部分被示出 为锚定到驱动质量块 30（图 1） 的驱动质量块结构 36， 应了解， 下面的讨论同样适用于每一 个驱动弹簧 56 和链接弹簧组件 58， 以及它们与驱动质量块结构 38 的锚定连接和 / 或它们 与传感质量块 32 的锚定连接。 0030 弯曲横梁 72 与主横梁 70 的交点形成了枢转点 96， 所。

35、述枢转点具有基本垂直于衬 底 28（图 1） 的表面 50（图 1） 的枢转轴。如图 2 所示， 当振荡运动在线性驱动方向 94 被加 到驱动质量块结构 36 的时候， 弯曲横梁 72 弯曲以使主横梁 70 能够围绕枢转点 96 枢转运 动 98。 0031 更具体地说， 弯曲横梁 72 可以被再分成第一弯曲元件 100 和第二弯曲元件 102， 其中主横梁 70 被插入在第一和第二弯曲元件 100 和 102 之间。第一和第二弯曲元件 100 和 102 具有基本相同的长度， 使得主横梁 70 和弯曲横梁 72 的交点出现在弯曲横梁 72 的纵 向维度 80 的近似中点 103 处。被施加在。

36、驱动质量块结构 36 上的振荡运动使主横梁 70 旋 转或围绕枢转点 96 枢转。在该振荡运动期间， 展示了显著薄于主横梁 70 的宽度 88 的宽度 90 的第一和第二弯曲元件 100 和 102， 相比于它们未弯曲位置， 从相反弯曲方向发生变形， 其中未弯曲位置由虚线 104 表示。第一和第二弯曲元件 100 和 102 的相反弯曲方向补偿了 由不对称蚀刻轮廓造成的任何平面外运动， 使得较宽的主横梁 70 围绕枢转点 96 旋转而不 是弯曲。因此， 驱动质量块 30 的平面外运动被减少。因为传感质量块 32 耦合于驱动质量 块 30， 传感质量块 32 的相应平面外运动也被减少， 使得正交。

37、误差被大大抑制。 0032 驱动弹簧56和链接弹簧组件58的弹簧设计在各种角速率传感器构造中可以容易 地被适配以减少悬挂质量块的平面外运动， 从而抑制正交误差， 其中链接弹簧组件 58 具有 主横梁 70 和耦合于主横梁 70 的相对端的弯曲横梁 72 和 74。此外， 虽然角速率传感器和 正交误差抑制在本发明中被详细描述， 驱动弹簧 56 的弹簧设计在各种需要平面内运动的 MEMS 设备中可以被容易地适配， 并且非理想的平面外运动被抑制。 0033 图 3 示出了根据替代实施例的用于角速率传感器 20（图 1） 的链接弹簧构造 108 的俯视图。链接弹簧构造 108 在角速率传感器 20 中。

38、代替链接弹簧组件 58（图 1） 被实现。 链接弹簧构造108包括多个链接弹簧110， 其中每一个都包括主横梁112和耦合于主横梁的 相对端 118 和 120 的弯曲横梁 114 和 116。在所说明的实施例中， 弯曲横梁 114 通过中间悬 挂结构122被锚定到悬挂质量块， 例如驱动质量块结构36。 此外， 弯曲横梁116通过另一个 中间悬挂结构 124 被锚定到另一个悬挂质量块， 例如驱动质量块结构 38。 0034 如上所述， 每一个主横梁 112 的第一宽度 126 比每一个弯曲横梁 114 和 116 的第 二宽度 128 宽。如同链接弹簧组件 58， 驱动质量块结构 36 和 3。

39、8 通过链接弹簧 110 的机械 耦合有效抑制了驱动质量块结构 36 和 38 沿着传感轴 26（图 1） 的平面外运动， 使得驱动质 量块结构 36 和 38 在基本平行于 Y- 轴 54 的平面中反相地线性振荡， 具有可忽略的相位误 差。 0035 上述讨论的弹簧设计在 MEMS 音叉角速率传感器 20 中被实现， 其中驱动质量块结 构 36 和 38 在基本平行于 Y- 轴 54 的 X-Y 平面 24 中线性振荡， 输入轴是 X- 轴 22， 以及围 绕 X- 轴 22 的旋转沿着 Z- 轴 26 被感知。在另一个替代实施例中， 弹簧设计可以在旋转盘 角速率传感器中被实现。 0036 。

40、图 4 示出了根据另一个实施例的以角速率传感器 130 形式的惯性传感器的俯视 说 明 书 CN 103852073 A 9 6/7 页 10 图。角速率传感器 130 是 MEMS 旋转盘陀螺仪。因此， 角速率传感器 130 在本发明中被称为 旋转盘陀螺仪 130。旋转盘陀螺仪 130 包括衬底 132 和悬挂在其上方并通过多个驱动弹簧 138 灵活地耦合于衬底 132 的表面 136 的驱动质量块 134。更具体地说， 每一个驱动弹簧 138 在驱动质量块 134 的内部周界 140 之间延伸并且被固定到形成于衬底 132 上的锚 142。 0037 角速率传感器 130 还包括存在于延伸。

41、通过驱动质量块 134 的中心口 146 的传感质 量块 144 和围绕驱动质量块 134 的另一个传感质量块 148。传感质量块 144 通过灵活的支 撑元件即扭力弹簧150被连接到驱动质量块134， 所述支撑元件使传感质量块144能够围绕 旋转轴即 X- 轴 22 振荡或枢转。因此， 所述旋转轴在本发明中被称为 X- 旋转轴 22。传感质 量块148也通过灵活的支撑元件即扭力弹簧152附接于驱动质量块134， 所述支撑元件使传 感质量块 148 能够围绕另一个旋转轴， 即 Y- 轴 54 振荡或枢转。因此， 所述旋转轴在本发明 中被称为 Y- 旋转轴 54。 0038 驱动质量块 134 。

42、是用向上并向右的定向的窄剖面线被说明的， 传感质量块 144 是 用向上并向右的定向的宽剖面线被说明的， 传感质量块 148 是用向下并向右的定向的宽剖 面线被说明的， 以及锚 142 是用点画形式被说明的以区分 MEMS 旋转盘陀螺仪 130 的结构层 内产生的不同元件。 结构层内的这些不同元件可以使用沉积、 构图、 蚀刻等的当前和未来的 表面微机械加工技术产生。因此， 尽管附图内使用了不同的阴影和 / 或剖面线， 结构层内的 不同元件通常是由相同的材料制成的， 例如多晶硅、 单晶硅等等。 0039 每一个驱动弹簧 138 包括主横梁 154、 耦合于主横梁 154 的一端 158 的弯曲横。

43、梁 156 以及耦合于主横梁 154 的相对端 162 的另一个弯曲横梁 160。在这个实施例中， 弯曲横 梁 156 被锚定到悬挂质量块， 即驱动质量块 134， 以及弯曲横梁 160 通过锚 142 被锚定到衬 底 132。 0040 驱动弹簧 138 共享与驱动弹簧 56（图 1） 相同的许多设计特征。具体地， 对于每一 个驱动弹簧 138， 每一个弯曲横梁 156 和 160 的纵向维度 164 被定向为近似彼此平行， 以及 主横梁154的纵向维度166近似定向为垂直于每一个弯曲横梁156和160的纵向维度164。 此外， 主横梁 154 的纵向维度 166 不需要与纵向维度 164 。

44、相同， 而是可以替代地大于或小于 弯曲横梁 156 和 160 的纵向维度 164。 0041 驱动弹簧 138 通常被布置在基本平行于衬底 132 的表面 136 的平面中， 即 X-Y 平 面 24 中。这样， 主横梁 154 还在 X-Y 平面 24 中展示第一宽度 168。此外， 每一个弯曲横梁 156 和 160 通常在 X-Y 平面 24 中展示在本发明中被称为第二宽度 170 的相同宽度。每一个 弯曲横梁 156 和 160 的第二宽度 170 都小于主横梁 154 的第一宽度 168。 0042 旋转盘陀螺仪 130 还包括驱动系统 172， 所述驱动系统包括从驱动质量块 13。

45、4 延 伸的可移动指状物 48 和通过锚 174 耦合于衬底 132 的固定指状物 46。驱动质量块 134 被 配置为经受围绕垂直于衬底 132 的表面 136 的驱动轴的振荡运动， 如由双向箭头 176 表示。 即， 多个驱动弹簧 138 被配置为使驱动质量块 134 能够围绕驱动轴振荡。在该例子中， 驱动 轴是 Z- 轴 26。因此， Z- 轴 26 在本发明中被称为驱动轴 26。 0043 如图 4 所示， 每一个驱动弹簧 138 的主横梁 154 的纵向维度 166 相对于所述驱动 轴 26 被放射状地定向。因此， 主横梁 154 围绕驱动轴 26 像车轮中的辐条一样被布置。此 外，。

46、 每一个弯曲横梁 156 和 160 的纵向维度 164 相对于所述驱动轴 26 被近似切线地定向。 即， 每一个弯曲横梁 156 和 160 的纵向维度 164 近似正交于主横梁 154 的纵向维度 166。 说 明 书 CN 103852073 A 10 7/7 页 11 0044 为了操作旋转盘陀螺仪130， 驱动质量块134、 传感质量块144以及传感质量块148 在通常平行于衬底 132 的表面 136 的 X-Y 平面 24 中一起机械振荡。即， 驱动质量块 134 被 驱动系统 172 驱动以围绕驱动轴 26 振荡。当驱动质量块 134 被驱动系统 172 驱动的时候， 每一个传。

47、感质量块 144 和 148 与驱动质量块 134 一起振荡。一旦进入振荡运动 176， 传感质 量块 144 可以检测陀螺仪 130 围绕 Y- 旋转轴 54 的角速度， 即角旋转率， 其中围绕 Y- 旋转 轴 54 的角速度产生科里奥利加速度， 所述加速度使传感质量块 144 能够以与围绕 Y- 旋转 轴 54 的旋转盘陀螺仪 130 的角速度成比例的幅度围绕 X- 旋转轴 22 振荡。通过类似原理， 传感质量块148可以检测旋转盘陀螺仪130围绕X-旋转轴22的角速度。 即， 随着旋转盘陀 螺仪 130 经受围绕 X- 旋转轴 22 的角速度， 科里奥利加速度被产生， 所述加速度使传感质。

48、量 块 148 能够以与旋转盘陀螺仪 130 围绕 X- 旋转轴 22 的角速度成比例的幅度围绕 Y- 旋转 轴 54 振荡。因此， 旋转盘陀螺仪 130 提供了双轴传感。传感质量块 144 和传感质量块 148 下方的电极 （不可见） 被配置为检测其各自输出信号。 0045 如同驱动弹簧 56， 每一个驱动弹簧 138 的主横梁 154 不旨在响应于分别通过驱动 系统 172 的固定和可移动指状物 46 和 48 施加在驱动质量块 134 上的振荡驱动运动而弯 曲。替代地， 该弯曲以类似于图 2 有关的描述的方式出现在弯曲横梁 156 和 160 中。即， 每 一个弯曲横梁 156 和 16。

49、0 的第二宽度 170 显著小于主横梁 154 的第一宽度 168， 使得弯曲 横梁 156 和 160 可以代替更厚并且因此更硬的主横梁 154 弯曲。因此， 与弯曲横梁 156 和 160 的弯曲相比， 主横梁 154 的任何可能的平面外弯曲是可忽略的， 所述平面外弯曲可以以 其它方式在传感质量块 144 和 148 处造成正交误差。 0046 上面提供的一个例子是单 - 轴 “音叉” 角速率传感器， 所述传感器用于检测围绕 平行于所述衬底的平面的 X- 轴的角速度。上面提供的另一个例子是双轴传感旋转盘陀螺 仪。本领域技术人员可以容易地了解到在替代实施例中， 单轴角速率传感器配置可以被提 供， 其不包括传感质量块， 但是由于科里奥利加速度组件， 替代地在驱动质量块中激发第二 振荡。又其它角速率传感器配置可以不包括如上面显示的反相地被驱动的两个驱动质量 块。 替代地， 可以设想各种单轴或双轴惯性传感器设计， 该设计具有固定和可移动指状物的 不同布置和位置。这些各种实施例的每一个仍然可以实现与弹簧设计有关的益处， 所述弹 簧设计补偿了结构元件侧壁中不对称倾斜角度造成的平面外运动， 并且因此抑制了正。