本實(shí)用新型涉及一種MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))多軸陀螺儀的微機(jī)械結(jié)構(gòu)，其具有在從對(duì)應(yīng)的封裝上的外部起作用的各種性質(zhì)的熱變形或應(yīng)力存在的情況下的對(duì)應(yīng)的電氣參數(shù)的降低的漂移。

背景技術(shù)：

特別地，在并不隱含喪失一般性的情況下，以下討論將明確參考具有經(jīng)受感測(cè)沿著垂直軸z(即，在正交于主延伸部的水平平面和對(duì)應(yīng)的基板的上表面的方向上)的運(yùn)動(dòng)的感測(cè)塊布置的雙軸MEMS陀螺儀(此外，可能地能夠進(jìn)一步執(zhí)行感測(cè)相同水平平面中的運(yùn)動(dòng))。

所現(xiàn)知的是，由于例如由于從相同傳感器的封裝的外部起作用的各種性質(zhì)的熱現(xiàn)象、機(jī)械應(yīng)力(例如，由于對(duì)印刷電路板的焊接)或由于濕度的膨脹而造成的對(duì)應(yīng)的半導(dǎo)體材料的基板的變形，具有垂直軸z的MEMS傳感器的微機(jī)械結(jié)構(gòu)通常經(jīng)受電氣參數(shù)的漂移。

圖1示出了具有垂直軸z的MEMS傳感器的已知類型的微機(jī)械結(jié)構(gòu)1(其還包括未圖示的電子讀取接口，其電氣耦合到相同微機(jī)械結(jié)構(gòu))。

微機(jī)械結(jié)構(gòu)1包括：基板2(包括半導(dǎo)體材料，例如，硅)；和感測(cè)塊3，其具有導(dǎo)電材料(例如，多晶硅)并且被布置在基板2上方、懸掛在離其上表面特定距離處。

感測(cè)塊3具有水平平面xy的主延伸部以及沿著垂直軸z的基本上較低的尺度，水平平面xy由相互正交并且基本上平行于基板2的上表面(在靜息狀態(tài)中，即在缺少微機(jī)械結(jié)構(gòu)1上起作用的外部量的情況下)的第一水平軸x和第二水平軸y而限定，垂直軸z沿著垂直于前述水平平面xy并且與第一和第二水平軸x、y形成一組三個(gè)笛卡爾軸xyz。

在中心處，感測(cè)塊3具有貫穿其厚度穿過其的通口4。該通口4在俯視圖中具有基本上矩形形狀，其在沿著第一水平軸x的長(zhǎng)度上延伸并且被設(shè)定在感測(cè)塊3的質(zhì)心(或重心)O。通口4因此將感測(cè)塊3劃分為被布置在沿著第二水平軸y關(guān)于相同通口4的相對(duì)側(cè)的第一部分3a和第二部分3b。

還如圖2a中示意性地圖示的，微機(jī)械結(jié)構(gòu)1還包括導(dǎo)電材料的第一固定電極5a和第二固定電極5b，它們被布置在基板2的上表面上、沿著第二水平軸y關(guān)于通口4的相對(duì)側(cè)以相應(yīng)地定位在感測(cè)塊3的第一部分3a和第二部分3b下方、在分離(或間隙)的相應(yīng)距離Δz1,Δz2處(其在靜息狀態(tài)中具有基本上相同值)。

第一固定電極5a和第二固定電極5b連同感測(cè)塊3限定具有平面的平行面的第一感測(cè)電容器和第二感測(cè)電容器，其由C1、C2指派為整體并且具有靜息時(shí)的給定的電容值。

感測(cè)塊3通過由支柱元件構(gòu)成的中心錨定元件6錨定到基板2，其在通口4內(nèi)關(guān)于通口4中心地從基板2的上表面開始而延伸。中心錨定元件6對(duì)應(yīng)于基板感測(cè)塊3到基板2的僅有的約束點(diǎn)。

特別地，感測(cè)塊3通過第一彈性錨定元件8a和第二彈性錨定元件8b機(jī)械地連接到中心錨定元件6，第一彈性錨定元件8a和第二彈性錨定元件8b在通口4內(nèi)與沿著平行于關(guān)于中心錨定元件6的相對(duì)側(cè)的第一水平軸x的旋轉(zhuǎn)軸A對(duì)齊而以基本上直線的延伸來延伸。彈性錨定元件8a、8b被配置為服從關(guān)于其延伸的方向的扭矩，因此使能水平平面xy外的感測(cè)塊3的旋轉(zhuǎn)(響應(yīng)于待檢測(cè)的外部量，例如，加速度或角速度)。

由于旋轉(zhuǎn)，感測(cè)塊3接近的兩個(gè)固定電極5a、5b中的一個(gè)(例如，第一固定電極5a)并且對(duì)應(yīng)地遠(yuǎn)離兩個(gè)固定電極5a、5b中的另一個(gè)(例如，第二固定電極5b)而移動(dòng)，這生成感測(cè)電容器C1、C2的相反的電容性變化。

電氣耦合到微機(jī)械結(jié)構(gòu)1的MEMS傳感器的適合的接口電子產(chǎn)品(在圖1中未說明)在輸入處接收感測(cè)電容器C1、C2的電容性變化，并且以不同方式處理這些電容性變化以用于確定待檢測(cè)的外部量的值。

本申請(qǐng)人已認(rèn)識(shí)到，在基板2經(jīng)歷變形的情況下，先前所描述的微機(jī)械結(jié)構(gòu)1可能經(jīng)受測(cè)量誤差。

MEMS傳感器的封裝實(shí)際上經(jīng)受隨著溫度變化的變形，歸因于其制造材料的熱膨脹的不同的系數(shù)的這些變形引起包含在其中的微機(jī)械結(jié)構(gòu)1的基板2的對(duì)應(yīng)的變形。類似變形還可以由于例如在印刷電路板上焊接封裝期間從外部感應(yīng)的特定應(yīng)力或者由于歸因于濕度的膨脹的現(xiàn)象而發(fā)生。

如圖2b中示意性地圖示的，由于基板2的變形，直接約束到基板2的固定電極5a、5b(一般而言，這些電極被設(shè)定在基板2的上表面上)跟隨基板的相同變形，同時(shí)感測(cè)塊3跟隨中心錨定元件6的位移而移動(dòng)。

基板2的變形可以引起靜態(tài)偏移(在時(shí)間零處)或所謂的響應(yīng)于零輸入(ZRL-零速率水平)的輸出的變化或漂移(即，在缺少待檢測(cè)的量的情況下(例如，在缺少?gòu)耐獠科鹱饔玫慕撬俣鹊那闆r下)提供在輸出處的值)以及量的檢測(cè)中的靈敏度的變化。

在所圖示的示例中，基板2和對(duì)應(yīng)的上表面經(jīng)歷沿著關(guān)于第二水平軸y的垂直軸z的變形(例如，彎曲)，并且由于該變形，因而在第一固定電極5a和第二固定電極5b處將感測(cè)塊3與基板2分離的平均距離(或間隙)Δz1和Δz2發(fā)生變化。

距離的前述變化引起與待檢測(cè)的量無(wú)關(guān)的、感測(cè)電容器C1、C2的電容的對(duì)應(yīng)的變化，并且因此引起微機(jī)械結(jié)構(gòu)1的感測(cè)性能的不期望的變化。

特別地，在其中基板2的變形引起間隙Δz1和Δz2的基本上相等變化的情況下，發(fā)生微機(jī)械結(jié)構(gòu)1的檢測(cè)的靈敏度的變化(被理解為比例ΔC/Δz)。在間隙Δz1和Δz2的不同變化的情況下，在時(shí)間零處發(fā)生電容性偏移和/或MEMS傳感器的操作期間的ZRL的變化。

為了克服以上缺點(diǎn)，已經(jīng)提出通常被設(shè)計(jì)為消除或至少降低微機(jī)械結(jié)構(gòu)1的基板2的變形的影響的方案。

例如，以本申請(qǐng)人的名義提交的文檔號(hào)US 2011/0023604 A1描述了一種用于具有單感測(cè)軸(垂直軸z)的MEMS慣性加速度計(jì)的微機(jī)械結(jié)構(gòu)，其已經(jīng)降低了漂移。

簡(jiǎn)言之，該方案基本上設(shè)想設(shè)定在固定電極附近的錨地(或到基板的約束點(diǎn))處的微機(jī)械結(jié)構(gòu)的感測(cè)塊的錨定。這樣，基板的變形以基本上類似的方式影響固定電極的位置和感測(cè)塊的布置，這最小化了這些變形的影響。

然而，前述文檔US 2011/0023604 A1中所描述的方案僅涉及單軸慣性加速度計(jì)的微機(jī)械結(jié)構(gòu)；特別地，不存在對(duì)在更復(fù)雜的檢測(cè)結(jié)構(gòu)(諸如例如其中在不更改相同運(yùn)動(dòng)的特性的情況下需要協(xié)調(diào)多個(gè)驅(qū)動(dòng)和感測(cè)運(yùn)動(dòng)的多軸MEMS陀螺儀的檢測(cè)結(jié)構(gòu))中可以如何采取方案的參考。

以已知的方式，MEMS陀螺儀以利用科里奧利加速度的相對(duì)加速度的原理操作。當(dāng)角速度被應(yīng)用到在線性方向上驅(qū)動(dòng)的對(duì)應(yīng)的微機(jī)械結(jié)構(gòu)的移動(dòng)塊時(shí)，移動(dòng)塊“感受到”慣性力或科里奧利力，其引起垂直于線性驅(qū)動(dòng)方向和關(guān)于角速度應(yīng)用到的軸線的方向上的位移。移動(dòng)塊經(jīng)由使能驅(qū)動(dòng)方向上的驅(qū)動(dòng)和與角速度成正比的慣性力的方向上的位移的彈性元件而被支持在基板上面，并且可以例如經(jīng)由電容性傳導(dǎo)系統(tǒng)檢測(cè)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目標(biāo)是提供一種在對(duì)應(yīng)的基板的變形的存在的情況下例如在響應(yīng)于零輸入(ZRL)的輸出信號(hào)和在靈敏度方面具有其電氣參數(shù)的降低的漂移的多軸MEMS陀螺儀的微機(jī)械結(jié)構(gòu)。

根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)方面，提供一種多軸MEMS陀螺儀，其設(shè)置有具有水平平面中的主延伸部的微機(jī)械結(jié)構(gòu)，包括：基板，其包括半導(dǎo)體材料；驅(qū)動(dòng)塊布置，其被設(shè)計(jì)為在驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)中被驅(qū)動(dòng)；從動(dòng)塊布置，其具有中心窗口，并彈性地耦合到所述驅(qū)動(dòng)塊布置并且被設(shè)計(jì)為在由所述驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)造成的運(yùn)動(dòng)中被驅(qū)動(dòng)；感測(cè)塊布置，其被設(shè)計(jì)為：在存在關(guān)于所述水平平面的第一水平軸的第一角速度的情況下，執(zhí)行沿著垂直軸從所述水平平面旋轉(zhuǎn)出來的第一檢測(cè)運(yùn)動(dòng)，以及在存在關(guān)于所述水平平面的第二水平軸的第二角速度的情況下，還執(zhí)行從所述水平平面旋轉(zhuǎn)出來的第二檢測(cè)運(yùn)動(dòng)；感測(cè)電極布置，其相對(duì)于所述基板被固定并且被布置在所述感測(cè)塊布置下面且電容性地耦合到所述感測(cè)塊布置；以及錨定組件，其被布置在所述從動(dòng)塊布置的所述中心窗口內(nèi)、彈性地耦合到所述從動(dòng)塊布置并且被配置為在錨定元件處將所述從動(dòng)塊布置約束到錨定所述基板，其特征在于，所述錨定組件包括剛性結(jié)構(gòu)，所述剛性結(jié)構(gòu)懸掛在所述基板上方、通過中心部分處的彈性連接元件彈性地連接到所述從動(dòng)塊，并且通過所述剛性結(jié)構(gòu)的端部處的彈性解耦元件彈性地連接到所述錨定元件；其中所述錨定元件被定位在離所述彈性連接元件一定距離處并且在所述水平平面中的所述感測(cè)電極布置的位置處。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述彈性解耦元件被配置為將所述剛性結(jié)構(gòu)與所述基板的變形進(jìn)行彈性地解耦，所述變形歸因于以下之中的一個(gè)或多個(gè)：熱漂移、機(jī)械應(yīng)力或吸濕性。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，將所述錨定元件定位在所述感測(cè)電極布置處是以便在所述基板變形時(shí)降低所述感測(cè)塊布置與所述感測(cè)電極布置之間的間隙的變化。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述錨定組件被配置使得所述剛性結(jié)構(gòu)相對(duì)于待檢測(cè)的所述第一角速度和所述第二角速度是基本上不移動(dòng)的。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述剛性結(jié)構(gòu)包括一對(duì)剛性元件，所述剛性元件具有沿著所述第二水平軸的延伸部并且在所述中心窗口中關(guān)于所述第二水平軸對(duì)稱地布置；其中每個(gè)剛性元件通過相應(yīng)的彈性連接元件彈性地連接到所述從動(dòng)塊布置，所述彈性連接元件從相應(yīng)的所述剛性元件的中心部分延伸遠(yuǎn)到所述從動(dòng)塊布置；并且其中每個(gè)剛性元件還通過相應(yīng)的彈性解耦元件在相應(yīng)終端處連接到相應(yīng)錨定元件，所述錨定元件被設(shè)置在所述感測(cè)電極布置附近。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述從動(dòng)塊布置包括從動(dòng)塊，所述從動(dòng)塊在內(nèi)部具有相對(duì)于所述中心窗口橫向地設(shè)置的并且沿著所述第一水平軸對(duì)齊的第一對(duì)橫向窗口；并且其中所述感測(cè)塊布置包括第一對(duì)感測(cè)塊，所述第一對(duì)感測(cè)塊中的每一個(gè)感測(cè)塊被設(shè)置在所述第一對(duì)橫向窗口中的相應(yīng)橫向窗口內(nèi)、被懸掛在所述基板上方、并且通過相應(yīng)的彈性懸掛元件連接到所述從動(dòng)塊；其中扭矩類型的所述彈性懸掛元件在相應(yīng)的所述感測(cè)塊的終端部分的相對(duì)側(cè)平行于所述第二水平軸延伸，以使得所述感測(cè)塊以懸臂方式被設(shè)置在所述基板上方。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述感測(cè)電極布置包括被設(shè)置在所述第一對(duì)感測(cè)塊下面、所述基板上的第一對(duì)感測(cè)電極。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述從動(dòng)塊在內(nèi)部還具有相對(duì)于所述中心窗口橫向地設(shè)置的并且沿著所述第二水平軸對(duì)齊的第二對(duì)橫向窗口；并且其中所述感測(cè)塊布置包括第二對(duì)感測(cè)塊，所述第二對(duì)感測(cè)塊中的每一個(gè)感測(cè)塊被設(shè)置在所述第二對(duì)橫向窗口中的相應(yīng)橫向窗口內(nèi)并且通過相應(yīng)彈性懸掛元件連接到所述從動(dòng)塊以便以懸臂方式懸掛在所述基板上方。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述感測(cè)電極布置包括被設(shè)置在所述第二對(duì)感測(cè)塊下面、所述基板上的第二對(duì)感測(cè)電極。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述驅(qū)動(dòng)塊布置耦合到一組驅(qū)動(dòng)電極并且被設(shè)計(jì)為在所述一組驅(qū)動(dòng)電極的電偏置之后在所述驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)中被驅(qū)動(dòng)；其中所述驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)是沿著所述第二水平軸的平移運(yùn)動(dòng)，以將所述從動(dòng)塊驅(qū)動(dòng)到關(guān)于所述垂直軸的旋轉(zhuǎn)中。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，連接到所述剛性結(jié)構(gòu)的所述彈性連接元件在所述中心窗口內(nèi)延伸并且被對(duì)齊以限定針對(duì)所述從動(dòng)塊布置的從所述水平平面出來的旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，還包括讀取接口電路，其電耦合到所述微機(jī)械結(jié)構(gòu)。

根據(jù)本實(shí)用新型的第二方面，提供一種電子設(shè)備，其包括如書上述第一方面的MEMS陀螺儀；以及微處理器單元，所述微處理器單元電連接到所述讀取接口電路；特別地，所述電子設(shè)備是便攜式類型或可穿戴類型的。

通過本實(shí)用新型的多軸MEMS陀螺儀，能夠在對(duì)應(yīng)的基板的變形的存在的情況下例如在響應(yīng)于零輸入(ZRL)的輸出信號(hào)和在靈敏度方面，具有其電氣參數(shù)的降低的漂移。

附圖說明

根據(jù)本實(shí)用新型，因此，提供了一種MEMS陀螺儀，如附圖中所定義的。

為了本實(shí)用新型的更好理解，現(xiàn)僅以非限制性示例的方式并且參考附圖描述其優(yōu)選的實(shí)施例，其中：

-圖1是已知類型的具有垂直軸z的MEMS傳感器的微機(jī)械結(jié)構(gòu)的俯視圖；

-圖2a是沿著圖1的線II-II取得的圖1a的微機(jī)械結(jié)構(gòu)的截面圖；

-圖2b是在存在微機(jī)械結(jié)構(gòu)的基板的變形的情況下與圖2a的截面圖類似的截面圖；

-圖3是根據(jù)本實(shí)用新型的第一實(shí)施例的多軸MEMS陀螺儀的微機(jī)械結(jié)構(gòu)的示意性俯視圖；

-圖4a是沿著圖3的線IV-IV取得的圖3的微機(jī)械結(jié)構(gòu)的截面圖；

-圖4b是在存在微機(jī)械結(jié)構(gòu)的基板的變形的情況下與圖4a的截面圖類似的截面圖；

-圖5是根據(jù)本實(shí)用新型的第二實(shí)施例的多軸MEMS陀螺儀的微機(jī)械結(jié)構(gòu)的示意性俯視圖；

-圖6是根據(jù)本實(shí)用新型的另一方面的包含MEMS陀螺儀的電子設(shè)備的一般框圖；以及

-圖7示出了根據(jù)可能的變型實(shí)施例的MEMS陀螺儀的微機(jī)械結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。

具體實(shí)施方式

圖3是被提供在半導(dǎo)體材料(例如，硅基板)的主體(管芯)中的包括基板12的多軸MEMS陀螺儀的微機(jī)械結(jié)構(gòu)(以10標(biāo)出整體)的第一實(shí)施例的示意圖。

微機(jī)械結(jié)構(gòu)10具有水平平面xy中的主延伸部以及與在平行于垂直軸z的方向上的、與前述主延伸部相比較較小的尺度的基本上平面配置。

微機(jī)械結(jié)構(gòu)10包括第一驅(qū)動(dòng)塊14a和第二驅(qū)動(dòng)塊14b，以及在水平平面xy中延伸(僅以示例的方式，基本上矩形)并且通過相應(yīng)彈性錨定電極16a、16b連接到關(guān)于基板12固定的相應(yīng)錨定15a、15b。

相應(yīng)組的驅(qū)動(dòng)電極17a、17b與每個(gè)驅(qū)動(dòng)塊14a、14b相關(guān)聯(lián)。每組驅(qū)動(dòng)電極17a、17b包括：相應(yīng)多個(gè)移動(dòng)電極18a、18b，其關(guān)于相應(yīng)驅(qū)動(dòng)塊14a、14b固定并且在驅(qū)動(dòng)塊14a、14b外部延伸；以及相應(yīng)多個(gè)固定電極19a、19b，其關(guān)于基板12固定并且梳齒狀對(duì)接到移動(dòng)電極18a、18b。

來自用于驅(qū)動(dòng)MEMS陀螺儀的電子電路(此處未圖示)的適合的電氣偏置信號(hào)通過電極的相互并且交替的靜電吸引來確定在示例中沿著第二水平軸y的線性驅(qū)動(dòng)方向上的驅(qū)動(dòng)塊14a、14b的振蕩驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。特別地，在該驅(qū)動(dòng)方向(如由圖3中的箭頭所指示的)的相反方向上驅(qū)動(dòng)第一驅(qū)動(dòng)塊14a和第二驅(qū)動(dòng)塊14b。因此，彈性錨定元件16a、16b被配置為關(guān)于該驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)是符合的。

微機(jī)械結(jié)構(gòu)10還包括從動(dòng)塊20，其被設(shè)定在第一驅(qū)動(dòng)塊14a與第二驅(qū)動(dòng)塊14b之間從動(dòng)塊20(在第一水平軸x的方向上)并且通過彈性連接元件21a、21b連接到相同驅(qū)動(dòng)塊14a、14b。

從動(dòng)塊20被懸掛在在靜息狀態(tài)中(即，在缺少待檢測(cè)的量的情況下)與其平行的基板12上。

從動(dòng)塊20具有在例如矩形的形狀的水平平面xy中的主延伸部和中心地定義空空間的中心窗口22(或通口)，中心窗口22的中心O符合整個(gè)微機(jī)械結(jié)構(gòu)10的質(zhì)心和對(duì)稱中心。

耦合組件24被布置在中心窗口22內(nèi)，并且根據(jù)本方案的特定方面被配置用于從動(dòng)塊20錨定到基板12的錨定。

特別地，耦合組件24包括一對(duì)剛性元件25a、25b，它們?cè)谑纠芯哂醒刂诙捷Sy的直線延伸部，其中心地被布置到關(guān)于第二水平軸y對(duì)稱地中心窗口11。

在與其中獲得從動(dòng)塊20的過程步驟相同的過程步驟期間，例如經(jīng)由相同材料層(例如，多晶硅)的化學(xué)蝕刻而形成前述剛性元件25a、25b。

每個(gè)剛性元件25a、25b通過相應(yīng)彈性連接元件26a、26b彈性連接到從動(dòng)塊20，其在中心窗口22中從與從動(dòng)塊20(其定義中心窗口22)的面對(duì)側(cè)一樣遠(yuǎn)的相應(yīng)剛性元件25a、25b的中心部分開始而延伸。在圖3中所圖示的示例中，彈性連接元件26a、26b在關(guān)于中心O的相對(duì)側(cè)與沿著第一水平軸x的基本上直線的延伸部對(duì)齊(然而，針對(duì)彈性連接元件26a、26b的不同的實(shí)施例可以被設(shè)計(jì)為例如具有“L”形狀)。

彈性連接元件26a、26b被配置為符合關(guān)于其延伸部的方向的扭矩，這使能在該實(shí)施例中(如在下文中所詳細(xì)描述的)從動(dòng)塊20關(guān)于由相同彈性連接元件26a、26b限定的旋轉(zhuǎn)軸出水平平面xy的旋轉(zhuǎn)。

而且，每個(gè)剛性元件25a、25b在相應(yīng)終端處通過相應(yīng)彈性解耦元件28連接到錨定元件27，錨定元件27被設(shè)定與基板12接觸并在基板12之上、關(guān)于基板12固定基板(例如，由梁柱元件構(gòu)成，其從基板12開始垂直地延伸)。

在圖3中所圖示的實(shí)施例中，彈性解耦元件28具有沿著第一水平軸x的線性延伸部和比彈性連接元件26a、26b的長(zhǎng)度更小的長(zhǎng)度。而且，根據(jù)在下文中將澄清的適當(dāng)?shù)臏?zhǔn)則，錨定元件27被設(shè)定在中心窗口22內(nèi)。

與彈性連接元件26a、26b和彈性解耦元件28相比較，剛性元件25a、25b被配置為具有高硬度。在沒有基板12的變形的情況下，這些剛性元件25a、25b的延伸部將被認(rèn)為是位于水平平面xy中。換句話說，甚至在存在基板12的最大容許變形的情況下，其硬度值使得剛性元件25a和25b可以合理地被認(rèn)為是剛體。

每個(gè)彈性解耦元件28被配置為連同相應(yīng)錨定元件27限定關(guān)于基板12的鉸鏈類型的約束元件。另外，彈性解耦元件28具有比彈性連接元件26a、26b高得多的硬度，使得在結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)期間，無(wú)論其是驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)還是感測(cè)運(yùn)動(dòng)(如在下文中更詳細(xì)描述的)，剛性元件25a、25b可以被認(rèn)為是關(guān)于從動(dòng)塊20基本上不移動(dòng)的。

微機(jī)械結(jié)構(gòu)10還包括：第一對(duì)感測(cè)電極29a、29b，其被布置在基板12上并且關(guān)于基板12固定、且在沿著第一水平軸x的中心窗口22的相對(duì)側(cè)的從動(dòng)塊20下面；并且此外，第二對(duì)感測(cè)電極30a、30b，其被布置在相同基板12上并且關(guān)于基板12固定、且在沿著第二水平軸y的中心窗口22的相對(duì)側(cè)的從動(dòng)塊20下面。

特別地，根據(jù)本方案的一方面，錨定元件27成對(duì)地被布置在對(duì)應(yīng)于相應(yīng)感測(cè)電極29a、29b、30a、30b并且在相應(yīng)感測(cè)電極29a、29b、30a、30b附近的位置中。

一般而言，在對(duì)應(yīng)于每個(gè)感測(cè)電極29a、29b、30a、30b的位置中設(shè)置有基板從動(dòng)塊到基板12的(由相應(yīng)錨定元件27和彈性解耦元件28定義的)至少一個(gè)約束點(diǎn)。在圖3中所圖示的示例中，例如，提供四個(gè)約束點(diǎn)，其中的兩個(gè)被布置在感測(cè)元件30a處，另兩個(gè)以關(guān)于中心窗口22的中心O基本上對(duì)稱的方式被布置在感測(cè)電極30b處(同樣地，第一對(duì)約束點(diǎn)被設(shè)定在感測(cè)電極29a處，并且第二對(duì)約束點(diǎn)被布置在感測(cè)電極29b處)。

在操作期間，耦合組件24被配置為響應(yīng)于驅(qū)動(dòng)塊14a、14b的相反方向上的驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)(如由箭頭表示的)，允許水平平面xy(關(guān)于基板12)中的從動(dòng)塊20關(guān)于垂直軸z的旋轉(zhuǎn)。基本上，從動(dòng)塊20在由驅(qū)動(dòng)塊14a、14b的運(yùn)動(dòng)造成的旋轉(zhuǎn)中(在示例中，在逆時(shí)針方向上)被驅(qū)動(dòng)以產(chǎn)生從動(dòng)塊20自身上的切線力，特別地，其沿著感測(cè)電極30a、30b處的相反方向上的第一水平軸x被引導(dǎo)。

響應(yīng)于驅(qū)動(dòng)塊14a、14b的該驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，并且在存在關(guān)于第一水平軸x的角速度(以ωx標(biāo)示)的情況下，在從動(dòng)塊20上生成具有沿著垂直軸z的方向和相反方向的幾個(gè)科里奧利力，并且因此引起在示例中出水平平面xy的關(guān)于第二水平軸y的相應(yīng)旋轉(zhuǎn)。

感測(cè)電極29a、29b通過電容耦合使能指示關(guān)于第一水平軸x的前述角速度ωx的值的量的檢測(cè)(其因此表示針對(duì)MEMS陀螺儀的第一感測(cè)軸)。

在存在關(guān)于第二水平軸y的角速度(以ωy標(biāo)示)的情況下，還生成(在相反方向上，在感測(cè)電極30a、30b處)沿著垂直軸z引導(dǎo)的從動(dòng)塊20上的科里奧利力，其引起在示例中出水平平面xy的關(guān)于由彈性連接元件26a、26b限定的在平行于第一水平軸x的方向上的旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)。

感測(cè)電極30a、30b通過與從動(dòng)塊20的電容耦合使能指示前述角速度ωy的值關(guān)于第二水平軸y(其因此表示針對(duì)MEMS陀螺儀的第二感測(cè)軸)的電氣量的檢測(cè)。

如在圖4a中示意性地所示(其表示靜息狀態(tài))并且如在圖4b中示意性地所示(其表示基板12的變形狀態(tài))，在存在基板12的變形的情況下，錨固元件27的布置(在該示例中位于感測(cè)電極30a、30b)有利地使能相對(duì)于靜息狀態(tài)降低將從動(dòng)塊20(在該情況下，也充當(dāng)感測(cè)塊)與感測(cè)電極30a、30b分離的間隙的變化Δz₁和Δz₂的平均值。這些間隙具有相互不相當(dāng)大地不同的基本上對(duì)應(yīng)的變化Δz₁和Δz₂。

而且，彈性解耦元件28有利地使從動(dòng)塊20關(guān)于基板12的傾斜的平均值能夠降低，這實(shí)際上吸收并且補(bǔ)償錨固元件27處的基板12的可能的應(yīng)力和旋轉(zhuǎn)。

因此，防止微機(jī)械結(jié)構(gòu)10的電氣檢測(cè)參數(shù)(例如，在ZRL和靈敏度方面)的任何不期望的變化。

更詳細(xì)地，在存在沿著垂直軸z的基板12(并且同時(shí)感測(cè)電極30a、30b)的位移的情況下，例如，由于作為溫度的函數(shù)的變形，因而約束點(diǎn)沿著基本上以對(duì)應(yīng)于固定電極30a、30b的方式沿著垂直軸z偏移，并且類似位移通過彈性解耦元件28傳送到剛性元件25a、25b。由于這樣的位移，剛性元件25a、25b移動(dòng)，這將其設(shè)置在內(nèi)插由約束點(diǎn)假定的新位置的平面中。特別地，內(nèi)插平面與單獨(dú)的約束點(diǎn)的位置之間的誤差由彈性解耦元件28補(bǔ)償，其還補(bǔ)償基板12的任何可能的膨脹。

給定彈性解耦元件28的硬度，從動(dòng)塊20直接跟隨剛性元件25a、25b的位移，因此將自身設(shè)置在空間中。換句話說，在跟隨基板12沿正交軸z的變形時(shí)，從動(dòng)塊20剛性地連接到剛性元件25a、25b。

因此，從動(dòng)塊20還經(jīng)歷基本上對(duì)應(yīng)于固定電極30a、30b的位移的位移，因此實(shí)際上降低從動(dòng)塊20與固定電極30a、30b之間的間隙的(平均)變化Δz₁和Δz₂，因此，在來自MEMS陀螺儀的輸出處的靈敏度和偏移的值中未發(fā)生明顯的改變。

因此，迄今為止，在固定電極30a、30b附近的約束點(diǎn)的布置本身是有利的，因?yàn)槠涫沟脧膭?dòng)塊20經(jīng)歷可以約等于固定電極30a、30b的平均位移的位移，因此降低來自MEMS陀螺儀的輸出處的電氣值中的漂移。特別地，使用微機(jī)械結(jié)構(gòu)10的數(shù)學(xué)建模，確定約束點(diǎn)(和對(duì)應(yīng)的錨固元件27)的最佳特定位置諸如以有效地最小化從動(dòng)塊20與固定電極30a、30b之間的間隙平均變化Δz₁和Δz₂是有利地可能的(當(dāng)然，類似的考慮適于固定電極29a、29b)。

例如，使用迭代程序在微機(jī)械結(jié)構(gòu)10的設(shè)計(jì)和制造的階段中確定在存在基板12的變形的情況下使能傳感器的靈敏度和偏移的漂移的最小化的約束點(diǎn)的最佳位置是可能的。

參考圖5，呈現(xiàn)了再次由10標(biāo)出的多軸MEMS陀螺儀的微機(jī)械結(jié)構(gòu)的第二實(shí)施例的描述(一般而言，與先前所圖示的其他元件相類似的元件由相同附圖標(biāo)記標(biāo)出并且在本文中不再詳細(xì)描述)。

在該實(shí)施例中，從動(dòng)塊20再次通過其再次由彈性連接元件21a、21b連接到的第一驅(qū)動(dòng)塊14a和第二驅(qū)動(dòng)塊14b在關(guān)于垂直軸z的旋轉(zhuǎn)的其運(yùn)動(dòng)中驅(qū)動(dòng)(以整體與先前參考圖3已經(jīng)描述的那些相類似的方式)。

在從動(dòng)塊20中，再次如先前所描述的，中心開口22限定其中定位耦合組件24的空間(以整體與先前已經(jīng)描述的那些相類似的方式提供)。

在這種情況下，從動(dòng)塊20還具有關(guān)于中心窗口22橫向地設(shè)置在其中的另外的兩對(duì)窗口(或通孔)，即：第一對(duì)橫向窗口32a、32b，其設(shè)定在中心窗口22的相對(duì)側(cè)上，沿著第一水平軸x對(duì)齊；和第二對(duì)橫向窗口33a、33b，其設(shè)定在中心窗口22的相對(duì)側(cè)上，沿著第二水平軸y對(duì)齊。

在這種情況下，微機(jī)械結(jié)構(gòu)10包括進(jìn)一步并且不同的感測(cè)塊，其被設(shè)計(jì)用于檢測(cè)沿著水平軸x、y的角速度并且被設(shè)定在前述橫向窗口中。在這種情況下，從動(dòng)塊20和驅(qū)動(dòng)塊14a、14b二者都不具有檢測(cè)角速度的功能(并且未電容耦合到感測(cè)電極)。

詳細(xì)地，微機(jī)械結(jié)構(gòu)10包括第一對(duì)感測(cè)塊35a、35b，其各自設(shè)定在第一對(duì)的相應(yīng)橫向窗口32a、32b中、懸掛在基板12上面并且通過彈性懸掛元件36連接到從動(dòng)塊20。

特別地，扭矩類型的彈性懸掛元件36在被布置在中心窗口22附近的相應(yīng)感測(cè)塊35a、35b的終端部分的相對(duì)側(cè)上平行于第二水平軸y延伸，使得相同感測(cè)塊35a、35b以懸臂方式被設(shè)定在基板12上面(即，以相應(yīng)的質(zhì)心設(shè)定在離由彈性懸掛元件36構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)軸適當(dāng)?shù)木嚯x處)。

在操作期間，在存在關(guān)于第一水平軸x的角速度(角速度ω_x) 的情況下，在感測(cè)塊35a、35b上生成沿著垂直軸z定向的科里奧利力，其引起在水平平面xy外繞由在相同垂直軸z的相反方向上的前述彈性懸掛元件36定義的旋轉(zhuǎn)軸的其相應(yīng)旋轉(zhuǎn)。

方便地，在這種情況下，感測(cè)電極29a、29b被設(shè)置在感測(cè)塊35a、35b下面的基板12上。另外，在這種情況下，耦合到耦合組件24的剛性元件25a、25b上的錨固元件27被設(shè)定在這些感測(cè)電極29a、29b的附近。

微機(jī)械結(jié)構(gòu)10還包括第二對(duì)感測(cè)塊37a、37b，其各自設(shè)定在第二對(duì)的相應(yīng)橫向窗口33a、33b中、懸掛在基板12上面并且通過各自的彈性懸掛元件38連接到從動(dòng)塊20。

在操作期間，在存在關(guān)于第二水平軸y的角速度(角速度ω_y)的情況下，在感測(cè)塊37a、37b上生成沿著垂直軸z的相反方向定向的科里奧利力，其引起從在平面xy外繞平行于第一水平軸x、穿過與前述彈性懸掛元件38耦合的點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)軸的其相應(yīng)旋轉(zhuǎn)。

設(shè)定在感測(cè)塊37a、37b下面的基板12上的感測(cè)電極30a、30b通過與感測(cè)塊37a、37b電容耦合使能檢測(cè)指示角速度ω_y的值的量。

在這種情況下，耦合到耦合組件24的剛性元件25a、25b上的錨固元件27也被設(shè)定在前述感測(cè)電極30a、30b的附近。

因此，以整體與已經(jīng)參考圖3的第一實(shí)施例討論的那些相類似的方式，微機(jī)械結(jié)構(gòu)10的耦合組件24使能有效地補(bǔ)償基板12的可能變形和降低并最小化用于檢測(cè)角速度的電氣參數(shù)的漂移。

從前述描述清楚地顯現(xiàn)所提出的方案的優(yōu)點(diǎn)。

在任何情況下，應(yīng)再次強(qiáng)調(diào)，MEMS陀螺儀的微機(jī)械結(jié)構(gòu)10基本上對(duì)于基板的變形不敏感(例如，由于溫度變化、外部應(yīng)力，諸如歸因于焊接到印刷電路板或存在濕度的那些)。作為基板的變形的函數(shù)的偏移和靈敏度的變化實(shí)際上極其低(基本上零)，因此這通常最小化電氣參數(shù)的漂移。

特別地，由于所描述的方案，在不以任何方式影響MEMS陀螺儀中設(shè)想的角速度的驅(qū)動(dòng)和感測(cè)的運(yùn)動(dòng)的情況下，有利地實(shí)現(xiàn)這些效果。

用于關(guān)于基板12的從動(dòng)塊20的錨固和支撐的所描述的方案不需要關(guān)于角速度的檢測(cè)的模態(tài)和MEMS陀螺儀的一般操作的任何基本修改。

有利地，微機(jī)械結(jié)構(gòu)10還具有與傳統(tǒng)方案的那些(即，設(shè)想單個(gè)中心錨固的那些)可比較的總體尺寸。

迄今為止，與第一實(shí)施例相比較，參考圖5所圖示的第二實(shí)施例還可以提供特定優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)槠涫鼓茌^高的靈敏度值、角速度檢測(cè)的兩個(gè)軸線之間的干擾(關(guān)于所謂的“交叉軸靈敏度”)的較低的影響，以及與基板12的變形相關(guān)的干擾的拒絕的較大的影響(在該第二實(shí)施例中，錨固元件27被設(shè)定在與這兩個(gè)感測(cè)軸相關(guān)聯(lián)的感測(cè)電極29a-29b、30a-30b的附近)。

在任何情況下，在便攜式或可穿戴類型的電子設(shè)備40中，微機(jī)械結(jié)構(gòu)10和對(duì)應(yīng)的MEMS陀螺儀的使用是特別地有利的，如圖6中示意性地圖示的。

特別地，在該圖6中，MEMS陀螺儀由42標(biāo)出，并且包括先前所描述的微機(jī)械結(jié)構(gòu)10和ASIC 43，其提供對(duì)應(yīng)的讀取接口(并且可以設(shè)置在與微機(jī)械結(jié)構(gòu)10的管芯相同的管芯中或可以在任何情況下安裝在相同封裝中的不同的管芯中)。

電子設(shè)備40優(yōu)選地是移動(dòng)通信便攜式設(shè)備，諸如手機(jī)、PDA(個(gè)人數(shù)字助理)、便攜式計(jì)算機(jī)，而且具有語(yǔ)音記錄能力的數(shù)字音頻播放器、照相機(jī)或攝影機(jī)、視頻游戲控制器等；電子設(shè)備40還可以是可穿戴設(shè)備，諸如手表或手鐲。

電子設(shè)備40一般地能夠處理、存儲(chǔ)和/或發(fā)射和接收信號(hào)和信息，并且包括：微處理器44，其接收由MEMS陀螺儀42檢測(cè)的信號(hào)；以及輸入/輸出接口45，例如，其提供有耦合到微處理器44的小鍵盤和顯示器。而且，電子設(shè)備40可以包括用于生成音頻輸出(未圖示)上的聲音的揚(yáng)聲器47和內(nèi)部存儲(chǔ)器48。

最后，顯然，從而在不脫離如附圖中定義的本實(shí)用新型的范圍的情況下，可以對(duì)在本文中已經(jīng)描述和說明什么做出修改和變型。

例如，從動(dòng)塊20機(jī)械地耦合到基板12所利用的約束點(diǎn)的數(shù)目可以關(guān)于已經(jīng)說明什么而變化，使用更小或更大的數(shù)目是可能的。當(dāng)然，小于四的約束點(diǎn)的數(shù)目的使用需要基板12的變形的補(bǔ)償?shù)哪芰Φ闹鸩浇档?，然而雖然支持變形的更大的補(bǔ)償，但是更大數(shù)目的約束點(diǎn)的使用需要微機(jī)械結(jié)構(gòu)10的更高的復(fù)雜性。

感測(cè)電極的數(shù)目可以關(guān)于已經(jīng)說明什么而變化；實(shí)際上，可以存在更大數(shù)目的電極(例如，根據(jù)將作為整體與對(duì)應(yīng)的感測(cè)塊形成兩個(gè)感測(cè)電容器C1、C2的適當(dāng)?shù)碾姌O布置關(guān)于彼此縮短的)，或者甚至在其中未采納差別的感測(cè)方案的情況中的僅一個(gè)感測(cè)電極。

而且，如圖7的細(xì)節(jié)中所圖示的，可以對(duì)每個(gè)感測(cè)電極29a-29b、30a-30b(附圖僅以示例的方式圖示了感測(cè)電極30a)進(jìn)行塑造以便在水平平面xy中的其總體尺寸或包膜區(qū)內(nèi)包括用于進(jìn)一步降低與基板12的變形相關(guān)聯(lián)的影響的相應(yīng)錨定元件27的基本部分。

在這種情況下，每個(gè)感測(cè)電極具有被設(shè)計(jì)為至少部分安置耦合到基板12的對(duì)應(yīng)的錨定元件27的基本部分的凹處。同樣地，中心窗口22具有感測(cè)電極上的對(duì)應(yīng)的延伸部。

最后，顯然，所描述的方案可以有利地也適于其他類型的MEMS傳感器，例如，能夠還關(guān)于第三感測(cè)軸檢測(cè)角速度的三軸陀螺儀(所謂的偏轉(zhuǎn)角速度)，其在該情況下包括另一感測(cè)塊布置(以此處未詳細(xì)討論的方式)。