CN112485468B 基于频率调制的多轴感测装置及其操作方法 （恩智浦美国有限公司）

US2010116050A1,2010.05.13基于频率调制的多轴感测装置及其操作方法一种MEMS装置包括第一惯性质量系统和第第二惯性质量系统具有彼此弹性地耦接的第二和第二驱动质量块沿平行于衬底的表面的第一弹簧锚固并悬挂与衬底的表面间隔开的第一感二感测弹簧响应于绕垂直于表面的第三轴的角旋转而实现第一感测质量块和第二感测质量块测弹簧和第二感测弹簧另外响应于沿第二轴的线性加速度而实现第一感测质量块和第二感测2第一惯性质量系统，所述第一惯性质量系统包括第一驱第二惯性质量系统，所述第二惯性质量系统包括第二驱沿朝向平行于所述衬底的所述表面的第一轴经第一感测弹簧，所述第一感测弹簧被配置成锚固并第二感测弹簧，所述第二感测弹簧被配置成锚固并底的所述表面的第三轴的角旋转而实现所述第一感测质量块和所述第二感测质量块沿平测弹簧和所述第二感测弹簧另外响应于沿所述第二轴的线性加速度而实现所述第一感测质量块和所述第二感测质量块沿所述第二轴的同相感第一谐振器梁，所述第一谐振器梁通过所述第一感测弹第二谐振器梁，所述第二谐振器梁通过所述第一感测弹簧中第三谐振器梁，所述第三谐振器梁通过所述第二感测弹第四谐振器梁，所述第四谐振器梁通过所述第二感测弹簧中惯性质量系统和所述第二惯性质量系统以及所述第一感测弹簧和所述第二感测弹簧并置第一驱动弹簧，所述第一驱动弹簧被配置成锚固并第二驱动弹簧，所述第二驱动弹簧被配置成锚固并3第三感测弹簧，所述第三感测弹簧耦接到所述第一框架第四感测弹簧，所述第四感测弹簧耦接到所述第二框架配置成变形以实现所述第一惯性质量系统和所述第二惯性质量系统沿所述第一轴的所述第三驱动弹簧，所述第三驱动弹簧插置于所述第一感测质第四驱动弹簧，所述第四驱动弹簧插置于所述第二感测质形以防止将所述反相驱动运动从所述第一驱动质量块和所述第二驱动质量块传输到所述第一驱动电极和第一感测电极，所述第一驱动电极和所述第一感极被配置成响应于所述第一轴向应力而检测所述第一谐振器梁的谐振第二驱动电极和第二感测电极，所述第二驱动电极和所述第二感极被配置成响应于所述第二轴向应力而检测所述第二谐振器梁的谐振第三驱动电极和第三感测电极，所述第三驱动电极和所第四驱动电极和第四感测电极，所述第四驱动电极和所配置成响应于所述第四轴向应力而检测所述第四谐振器梁的第二驱动质量块和弹性地耦接到所述第二驱动质量块的第二感测质量块；第一感测弹簧，所述第一感测弹簧被配置成锚固并悬挂于与所述衬底的所述表面间隔开的所述第一感测4致动所述第一驱动质量块和所述第二驱动质量块以沿朝向平行于所述衬底的所述表致动第一谐振器梁谐振，所述第一谐振器梁通过所述第一感测致动第二谐振器梁谐振，所述第二谐振器梁通过所述第一感测致动第三谐振器梁谐振，所述第三谐振器梁通过所述第二感测致动第四谐振器梁谐振，所述第四谐振器梁通过所述第二感测响应于绕垂直于所述衬底的所述表面的第三轴的角旋转而感测所述第一感测质量块和所述第二感测质量块沿平行于所述衬底的所述表面且垂直于所述第一轴的第二轴的反响应于沿所述第二轴的线性加速度而感测所述第一感测质量块和所述第二感测质量被配置成响应于所述第一感测质量块沿所述第二轴的移动而经历所述第第一惯性质量系统，所述第一惯性质量系统包括第一驱第二惯性质量系统，所述第二惯性质量系统包括第二驱沿朝向平行于所述衬底的所述表面的第一轴经第一感测弹簧，所述第一感测弹簧被配置成锚固并第二感测弹簧，所述第二感测弹簧被配置成锚固并底的所述表面的第三轴的角旋转而实现所述第一感测质量块和所述第二感测质量块沿平5测弹簧和所述第二感测弹簧另外响应于沿所述第二轴的线性加速度而实现所述第一感测第一谐振器梁，所述第一谐振器梁通过所述第一感测弹第二谐振器梁，所述第二谐振器梁通过所述第一感测弹簧中第三谐振器梁，所述第三谐振器梁通过所述第二感测弹第四谐振器梁，所述第四谐振器梁通过所述第二感测弹簧中所述第二惯性质量系统、所述第一感测弹簧和所述第二感测弹簧以及所述第一谐振器梁、被配置成响应于所述第一感测质量块沿所述第二轴的移动而经历所述第6述第二惯性质量系统包括第二驱动质量块和弹性地耦接到所述第二驱动质量块的第二感述第一感测弹簧和所述第二感测弹簧响应于绕垂直于所述衬底的所述表面的第三轴的角旋转而实现所述第一感测质量块和所述第二感测质量块沿平行于所述衬底的所述表面且另外响应于沿所述第二轴的线性加速度而实现所述第一感测质量块和所述第二感测质量性质量系统包括第一驱动质量块和弹性地耦接到所述第一驱动质量块的第一感测质量块；一驱动质量块和所述第二驱动质量块以沿朝向成平行于所述衬底的所述表面的第一轴经7感测质量块和所述第二感测质量块沿平行于所述衬底的所述表面且垂直于所述第一轴的值；以及响应于所述同相感测运动而确定沿所述第二轴的所述线性加速度的线性加速度述第二惯性质量系统包括第二驱动质量块和弹性地耦接到所述第二驱动质量块的第二感一感测弹簧和所述第二感测弹簧响应于绕垂直于所述衬底的所述表面的第三轴的角旋转而实现所述第一感测质量块和所述第二感测质量块沿平行于所述衬底的所述表面且垂直响应于沿所述第二轴的线性加速度而实现所述第一感测质量块和所述第二感测质量块沿二谐振器梁通过所述第一感测弹簧中的另一个第一感测弹簧弹性地耦接到所述第一感测谐振器梁通过所述第二感测弹簧中的另一个第二感测弹簧弹性地耦接到所述第二感测质[0007]附图用于另外说明各个实施例并且用于解释全部根据本8[0014]图7示出了根据另一个实施例的微机电系统(MEMS)多轴感测装置的示意性平面其中线性加速度和角速率的检测基于在谐振下设调制)的变化。线性加速度可以通过共模FM信号检测，并且角速率可以通过差模FM信号检单个基于FM的检测结构实现加速度计和陀螺仪两者的相同的空腔压力，这可以由此简化出的任何修改以及如所公布的那些权利要求的所有包括第二驱动质量块38和弹性耦接到第二驱动质量块38的第二感测[0019]第一感测弹簧30被配置成锚固并悬挂与衬底22的表面24间隔开的第一感测质量二感测弹簧32在第二感测质量块40与固定到表面24的锚9弹簧50和第二驱动弹簧52将第一驱动质量块34和第二驱动质量块3动弹簧52、第三驱动弹簧64和第四驱动弹簧66具有平行于三维坐标系中的Y轴70的纵向延的旋转而沿Y轴70(例如，感测轴)将科里奥利力从第一驱动质量块34和第二驱动质量块38振器梁78具有通过第二感测弹簧32中的一个第三谐振器梁弹性地耦接到第二感测质量块所述第四谐振器梁的相对端通过锚88固定到二感测电极96与第二谐振器梁76对准。第三驱动电极98和第三感测电极100与第三谐振器底22的表面24上方的元件由点画图案表示。悬挂在表面24上方的弹簧元件通常由实线表[0027]在本文中被称为驱动系统106的驱动致动和测量单元驻留在第一驱动质量块34和[0028]第一驱动质量块34和第二驱动质量块38被配置成在平行于衬底22的表面24的平面内经历振荡运动。例如，交流(AC)电压可以通过驱动电路(未示出)施加到固定指状物于固定指状物110移动。第一驱动质量块34与第二驱动质量块38通过第一驱动弹簧50和第二驱动弹簧52以及接合元件58的连接实现第一驱动质量块34和第二驱动质量块38沿朝向块36和第二感测质量块40与第一驱动质量块34和第二驱动质量块38的相关联的第一框架止将反相驱动运动从第一驱动质量块34和第二驱动质量块38传输到第一感测质量块36和块34和第二驱动质量块38通常不可沿X[0029]第一感测弹簧30和第二感测弹簧32被配置成响应于沿第二轴的线性加速度而实现第一感测质量块36和第二感测质量块40的沿平行于衬底22的表面24并且垂直于第一轴直于衬底22的表面24的第三轴的角旋转而实现第一感测质量块36和第二感测质量块40的驱动质量块34和第二驱动质量块38与第一感测质量块36和第二感测质量块40此，Y轴线性加速度112将使第一感测质量块36和第二感测质量块40中的两者沿Y轴70一起可以在平行于衬底22的表面24的平面中旋转90°,以适当地检测代替Y轴线性轴线性加速度。另外，将结合图7讨论用于检测X轴线性加速度和Y轴线性加速度两者的配第一感测质量块36和第二感测质量块40的移动而经历被称为轴向应力的拉伸或压缩。因此，第一谐振器梁74被配置成响应于第一感测质量块36沿Y轴70的移动而经历第一轴向应力，并且第二谐振器梁76被配置成响应于第一感测质量块36沿Y轴70的移动而经历第二轴向应力。第三谐振器梁78被配置成响应于第二感测质量块40沿Y轴70的移动而经历第三轴向应力，并且第四谐振器梁80被配置成响应于第二感测质量块40沿Y轴70的移动而经历第化的示意性侧视图。MEMS传感器封装116包括MEMS多轴装置20(为了简单说明，由方框表根本区别使共同制造和共同封装不可行。根据本文如，FM加速度计)和FM陀螺仪相结合的单个检测结构可以允许相对于实施多个单轴传感器[0036]图3示出了展示由相反指向的箭头表示的反相驱动运动122的MEMS多轴感测装置加到固定指状物110，以使可移动指状物108(并且因此第一驱动质量块34和第二驱动质量[0037]第一驱动质量块34与第二驱动质量块38通过第一驱动弹簧50和第二驱动弹簧52以及接合元件58的连接实现第一驱动质量块34和第二驱动质量块38沿驱动轴(例如，此例122。第一驱动质量块34和第二驱动质量块38的反相驱动运动122可以保持恒定，以维持[0038]将第一感测质量块36与第一驱动质量块34的第一框架46互连的第三驱动弹簧64和将第二感测质量块40与第二驱动质量块38的第二框架48互连的第四驱动弹簧66适当地弯曲或变形，以在很大程度上防止将反相驱动运动122从第一驱动质量块34和第二驱动质此将不会提供具有作为反相驱动运动122的函数的信号误差分[0039]图4示出了展示由相反指向的箭头表示的反相感测运动124的MEMS多轴感测装置可移动指状物108和固定指状物110的驱动系统106。一旦将第一驱动质量块34和第二驱动量系统26和第二惯性质量系统28能够检测由MEMS装置20绕旋转轴(通常被称为输入轴(例[0041]图5示出了展示由指向相同方向的箭头表示的同相感测运动126的MEMS多轴感测一惯性质量系统26和第二惯性质量系统28沿传感轴(例如，Y轴70)在相同方向上经历感测[0043]应回顾，第一谐振器梁74和第二谐振器梁76通过相应的第一感测弹簧30(图1)弹性地耦接到第一感测质量块36(图1)，并且第三谐振器梁78和第四谐振器梁80通过相应的第二感测弹簧32弹性地耦接到第二感测质量块40(图1)。第一驱动电极90和第一感测电极[0044]第一驱动电极90和第一感测电极92中的每一个与第一振荡器电路132电连接。第荡电子信号134提供给第一驱动电极90以便使第一谐振器梁74谐振。第一谐振器梁74被配置成响应于使第一感测质量块36移动的惯性力136(线性加速度和/或科里奥利力)而经历拉伸或压缩)而检测第一谐振器梁74的谐振频率的变化，并提供对应于第一轴向应力的第[0045]第二驱动电极94和第二感测电极96中的每一个与第二振荡器电路144电连接。第荡电子信号146提供给第二驱动电极94以便使第二谐振器梁76谐振。第二谐振器梁76被配置成响应于使第一感测质量块36移动的惯性力136(线性加速度和/或科里奥利力)而经历拉伸或压缩)而检测第二谐振器梁76的谐振频率的变化，并提供对应于第二轴向应力的第2的相位与第二输出信号148相关。[0046]第三驱动电极98和第三感测电极100中的每一个都与第三振荡器电路154电连振荡电子信号156提供给第三驱动电极98以便使第三谐振器梁78谐振。第三谐振器梁78被配置成响应于使第二感测质量块40移动的惯性力136(线性加速度和/或科里奥利力)而经第三输出信号158，所述第三轴向应力是响应于惯性力136而施加在第三谐振器梁78上的。3的相位与第三输出信号158相关。[0047]第四驱动电极102和第四感测电极104中的每一个与第四振荡器电路164电连接。配置成响应于使第四感测质量块40移动的惯性力136(线性加速度和/或科里奥利力)而经第四输出信号168，所述第四轴向应力是响应于惯性力136而施加在第四谐振器梁80上的。4的相位与第四输出信号168相关。[0054]信号处理电路130包括与第一锁相环电路140和第二锁相环电路150的输出电连通质量块36的移动而经历第一轴向应力和第二轴向应力的第一谐振器梁74和第二谐振器梁[0056]另外，信号处理电路130包括与第三锁相环电路160和第四锁相环电路170的输出二感测质量块38的移动而经历第三轴向应力和第四轴向应力的第三谐振器梁78和第四谐性加速度的灵敏度可以是例如400Hz/G，并且MEMS多轴感测装置20对角旋转的灵敏度可以[0059]信号处理电路130包括与第一组合电路174和第二组合电路178的输出电连通的第[0060]信号处理电路130另外包括也与第一组合电路174和第二组合电路176的输出电连通的第四组合电路190(例如，差分频率电路)。第四组合电路190生成角旋转速率值192，述差表示Z轴角旋转114。角旋转速率值192由用于将第一驱动质量块32和第二驱动质量块以在幅度解调器194处接收，其中信号适当地解调以获得经解调的角旋转速率值196，ΩZ(DEMOD)作为角旋转速率输出值200的经过差模频率调制的角旋转第一驱动质量块34和第二驱动质量块38以沿朝向成平行于衬底22的表面24的第一轴(例轴72)的角旋转(例如，Z轴角旋转114)而感测第一感测质量块36和第二感测质量块40沿平生成线性加速度值；以及确定第一差分信号与第二差分信号之间的差以生成角旋转速率[0063]图7示出了根据另一个实施例的微机电系统(MEMS)多轴感测装置202的示意性平系统26和第二惯性质量系统28。第一惯性质量系统26和第二惯性质量系统28锚固到衬底208的表面206并与其间隔开。MEMS装置202另外包括锚固到衬底208的表面206并与其间隔开的第三惯性质量系统210和第四惯性质量系统212。第三惯性质量系统210和第四惯性质量系统212包括与第一惯性质量系统26和第二惯性质量系统28相同的组件，并且因此以与提供对第三惯性质量系统206和第四惯性质量系统208以用于实现第一惯性质量系统和第二惯性质量系统的第一驱动质量块34和第二驱动质量测质量块220和第四感测质量块222相关联的谐振器梁的谐振频率将响应于与X轴68对准的动质量块218传递到第三感测质量块220和第四感测质量块222的科里奥利力而变化，所述科里奥利力响应于MEMS装置202绕Z轴7单个基于FM的检测结构实现加速度计和陀螺仪两者的相同的空腔压力，这可以由此简化对本发明的原理及其实际应用的最佳说明并且使本领域的技术人员能够在各个实施例中修改的所附权利要求及其所有等效物确定的范围锚锚锚锚锚