本发明总体上涉及微机电系统(mems)多轴感测装置。更具体地说，本发明涉及一种基于频率调制的mems多轴感测装置，用于同时感测线性加速度和角速度。
背景技术：
近年来，由于微机电系统(mems)技术提供了用于使用常规批量半导体加工技术来制作非常小的机械结构并且将这些结构与电气装置集成到单个衬底上的方式，因此mems技术已经实现了广泛普及。mems的一种常见应用是设计和制造传感器装置。mems传感器装置广泛用于各种应用，如汽车、惯性引导系统、家用电器、游戏装置、用于各种装置的保护系统以及许多其它工业系统、科学系统和工程系统。在减小mems装置的尺寸同时增强此类mems装置的感测能力的矛盾目标方面持续努力。
技术实现要素：
在所附权利要求中限定了本公开的各方面。
在第一方面，提供了一种微机电系统(mems)多轴感测装置，所述mems多轴感测装置包括：衬底，所述衬底具有表面；第一惯性质量系统，所述第一惯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；第二惯性质量系统，所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测质量块，所述第一驱动质量块和所述第二驱动质量块被配置成沿朝向成平行于所述衬底的所述表面的第一轴经历反相驱动运动；第一感测弹簧，所述第一感测弹簧被配置成锚固并悬挂与所述衬底的所述表面间隔开的所述第一感测质量块；以及第二感测弹簧，所述第二感测弹簧被配置成锚固并悬挂与所述衬底的所述表面间隔开的所述第二感测质量块，所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垂直于所述第一轴的第二轴的反相感测运动，并且所述第一感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测运动。
在第二方面，提供了一种方法，所述方法包括：提供微机电系统(mems)多轴感测装置，所述mems多轴感测装置包括：衬底，所述衬底具有表面；第一惯性质量系统，所述第一惯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；第二惯性质量系统，所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与所述衬底的所述表面间隔开的所述第一感测质量块；以及第二感测弹簧，所述第二感测弹簧被配置成锚固并悬挂与所述衬底的所述表面间隔开的所述第二感测质量块；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成平行于所述衬底的所述表面的第一轴经历反相驱动运动；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相感测运动，其中所述第一感测弹簧和所述第二感测弹簧实现所述反相感测运动；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块沿所述第二轴的同相感测运动，其中所述第一感测弹簧和所述第二感测弹簧另外实现所述同相感测运动；响应于所述反相感测运动而确定绕所述第三轴的所述角旋转的角旋转速率值；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值。
在第三方面，提供了一种微机电系统(mems)多轴感测装置，所述mems多轴感测装置包括：衬底，所述衬底具有表面；第一惯性质量系统，所述第一惯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；第二惯性质量系统，所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测质量块，所述第一驱动质量块和所述第二驱动质量块被配置成沿朝向成平行于所述衬底的所述表面的第一轴经历反相驱动运动；第一感测弹簧，所述第一感测弹簧被配置成锚固并悬挂与所述衬底的所述表面间隔开的所述第一感测质量块；第二感测弹簧，所述第二感测弹簧被配置成锚固并悬挂与所述衬底的所述表面间隔开的所述第二感测质量块，所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垂直于所述第一轴的第二轴的反相感测运动，并且所述第一感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测运动；第一谐振器梁，所述第一谐振器梁通过所述第一感测弹簧中的一个第一感测弹簧弹性地耦接到所述第一感测质量块，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第一轴向应力；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的另一个第一感测弹簧弹性地耦接到所述第一感测质量块，所述第二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所述移动而经历第二轴向应力；第三谐振器梁，所述第三谐振器梁通过所述第二感测弹簧中的一个第二感测弹簧弹性地耦接到所述第二感测质量块，所述第三谐振器梁被配置成响应于所述第二感测质量块沿所述第二轴的移动而经历第三轴向应力；以及第四谐振器梁，所述第四谐振器梁通过所述第二感测弹簧中的另一个第二感测弹簧弹性地耦接到所述第二感测质量块，所述第四谐振器梁被配置成响应于所述第二感测质量块沿所述第二轴的所述移动而经历第四轴向应力，其中所述衬底、所述第一惯性质量系统和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、所述第二谐振器梁、所述第三谐振器梁和所述第四谐振器梁并置在封装装置的空腔中，所述空腔处于真空中。
附图说明
附图用于另外说明各个实施例并且用于解释全部根据本发明的各种原理和优点，在附图中的单独视图中，相似的附图标记指代相同或功能上类似的元件，附图不一定按比例绘制，并且附图连同以下详细说明并入本说明书并形成本说明书的一部分。
图1示出了根据实施例的微机电系统(mems)多轴感测装置的示意性平面图；
图2示出了包含图1的mems装置的mems传感器封装的高度简化的示意性侧视图；
图3示出了图1的mems装置的展示反相驱动运动的示意性平面图；
图4示出了图1的mems装置的展示反相感测运动的示意性平面图；
图5示出了图1的mems装置的展示同相感测运动的示意性平面图；
图6示出了图1的mems装置的信号处理电路的框图；以及
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图。
具体实施方式
总的来说，本公开涉及一种微机电系统(mems)多轴感测装置和操作方法。更具体地说，mems多轴感测装置基于频率调制(fm)，以使用单惯性质量块检测结构同时感测线性加速度和角速率(即，速度)。fm谐振加速度计和fm振动陀螺仪被共同制造为单个检测结构，其中线性加速度和角速率的检测基于在谐振下设置的一个或多个元件的频率(例如，频率调制)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信号检测。与其它测量技术相比，谐振检测可以产生直接频率输出、高灵敏度和宽动态范围。另外，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mems加工技术、减小mems管芯大小并且减少传感器封装中mems管芯的数量。
提供本公开的目的在于以使能方式另外解释根据本发明的至少一个实施例。本公开被另外提供用于增强对本公开的发明性原理和优点的理解和认识，而不是以任何方式对本发明进行限制。本发明仅由所附权利要求限定，所附权利要求包括在本申请未决期间做出的任何修改以及如所公布的那些权利要求的所有等效物。
应理解，对如第一和第二、顶部和底部等关系术语(如果有的话)的使用仅用于将实体或动作彼此区分，而不一定需要或暗示此类实体或动作之间的任何实际的此类关系或顺序。此外，可以使用各种阴影和/或影线示出附图中的一些附图，以区分在各个结构层内产生的不同元件。可以利用当前和即将到来的沉积、图案化、蚀刻等的微加工技术来产生结构层内的这些不同元件。因此，尽管在图示中利用了不同的阴影和/或影线，但是结构层内的不同元件可以由同一种材料形成。
参考图1，图1示出了根据实施例的微机电系统(mems)多轴感测装置20的示意性平面图。mems装置20包括具有总体上平面的表面24的衬底22、第一惯性质量系统26、第二惯性质量系统28、第一感测弹簧30和第二感测弹簧32。第一惯性质量系统26包括第一驱动质量块34和弹性耦接到第一驱动质量块34的第一感测质量块36。类似地，第二惯性质量系统28包括第二驱动质量块38和弹性耦接到第二驱动质量块38的第二感测质量块40。
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块36，并且第二感测弹簧32被配置成锚固并悬挂与衬底22的表面24间隔开的第二感测质量块40。因此，第一感测弹簧30在第一感测质量块36与固定到表面24的锚42之间互连，并且第二感测弹簧32在第二感测质量块40与固定到表面24的锚44之间互连。
第一驱动质量块34包括围绕第一感测质量块36的第一框架46，并且第二驱动质量块38包括围绕第二感测质量块40的第二框架48。第一驱动弹簧50被配置成锚固并悬挂与衬底22的表面24间隔开的第一框架46，并且第二驱动弹簧52被配置成锚固并悬挂与衬底22的表面24间隔开的第二框架48。因此，第一驱动弹簧50在第一框架46与固定到表面24的锚54之间互连，并且第二驱动弹簧52在第二框架48与固定到表面24的锚56之间互连。第一驱动弹簧50和第二驱动弹簧52在与衬底22的表面24间隔开的接合元件58处互连，使得第一驱动弹簧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38柔性地互连。
第三感测弹簧60耦接到第一框架46的外周边和第一驱动弹簧50。同样地，第四感测弹簧62耦接到第二框架48的外周边和第二驱动弹簧52。另外，第三驱动弹簧64插置于第一感测质量块36与第一驱动质量块34的第一框架46之间并将其互连。第四驱动弹簧66插置于第二感测质量块40与第二驱动质量块38的第二框架48之间并将其互连。第三驱动弹簧64和第四驱动弹簧66可以是任何方便的形状、大小和材料。
通常，第一感测弹簧30、第二感测弹簧32、第三感测弹簧60和第四感测弹簧62具有平行于三维坐标系中的x轴68的纵向延伸(例如，纵向柔性尺寸)。第一驱动弹簧50、第二驱动弹簧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的纵向延伸(例如，纵向柔性尺寸)。在此例子中，x轴68和y轴70平行于衬底22的表面24，并且彼此垂直。三维坐标系另外包括垂直于衬底22的表面24的z轴72，并且因此垂直于x轴68和y轴70。第一驱动弹簧50、第二驱动弹簧52、第三驱动弹簧64和第四驱动弹簧66可以是任何方便的形状、大小和材料，以允许第一驱动质量块34和第二驱动质量块38沿x轴68(例如，驱动轴)的很大的振荡线性运动，同时防止将此振荡线性运动传输到第一感测质量块36和第二感测质量块40，并且这些驱动弹簧仍然足够刚性，以响应于mems装置20绕z轴72(例如，输入轴)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传递到第一感测质量块36和第二感测质量块40。
mems多轴感测装置20另外包括第一谐振器梁74、第二谐振器梁76、第三谐振器梁78和第四谐振器梁80。第一谐振器梁74具有通过第一感测弹簧30中的一个第一感测弹簧弹性地耦接到第一感测质量块36的一端，并且所述第一谐振器梁的相对端通过锚82固定到衬底22的表面24。第二谐振器梁76具有通过第一弹簧30中的另一个第一弹簧弹性地耦接到第一感测质量块36的一端，并且所述第二谐振器梁的相对端通过锚84固定到表面24。第三谐振器梁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40的一端，并且所述第三谐振器梁相对端通过锚86固定到表面24。第四谐振器梁80具有通过第二感测弹簧32中的另一个第二感测弹簧弹性地耦接到第二感测质量块40的一端，并且所述第四谐振器梁的相对端通过锚88固定到表面24。
第一驱动电极90和第一感测电极92与第一谐振器梁74对准。第二驱动电极94和第二感测电极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与第三谐振器梁78对准。第四驱动电极102和第四感测电极104与第四谐振器梁80对准。
通常，第一驱动电极90、第二驱动电极94、第三驱动电极98和第四驱动电极102中的每个驱动电极用于通过施加适当的电势差将与其相关联的第一谐振器梁74、第二谐振器梁76、第三谐振器梁78和第四谐振器梁80之一发送到谐振条件中。第一感测电极92、第二感测电极96、第三感测电极100和第四感测电极104中的每个感测电极用作检测电极，以用于借助于与与其相关联的第一谐振器梁74、第二谐振器梁76、第三谐振器梁78和第四谐振器梁80之一电容耦接的变化来检测对应谐振频率的变化。如将结合图6所讨论的，可以为驱动电极90、94、98、102和感测电极92、96、100、104到电子电路的电连接提供合适的电连接。电子电路被配置成向第一驱动电极90、第二驱动电极94、第三驱动电极98和第四驱动电极102供应致动电信号，并且接收和处理由第一感测电极92、第二感测电极96、第三感测电极100和第四感测电极104提供的电检测信号。
为了贯穿以下附图的描述的一致，将mems装置20的悬挂元件连接到衬底22的底层表面24的任何锚固结构，如锚42、44、54、56、82、84、86、88都用穿过其的“x”示出。悬挂在衬底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示。直接固定到衬底22的表面24，但未将mems装置20的元件连接到底层表面24的元件用向上和向右的宽影线示出，或可替代地用向下和向右的宽影线示出。
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和第二驱动质量块38中的每个驱动质量块的开口中，并且可操作地与第一驱动质量块34和第二驱动质量块38连通。更具体地说，驱动系统106包括被配置成线性振荡第一驱动质量块34的驱动元件和被配置成线性振荡第二驱动质量块38的驱动元件。驱动元件中的每个驱动元件包括被称为可移动指状物108和固定指状物110的电极，所述电极彼此间隔开并以交替布置的方式定位。为说明清晰起见，仅示出了几个可移动指状物108和固定指状物110。本领域的技术人员应容易认识到，可移动指状物和固定指状物的数量和结构将根据设计要求而变化。
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和第二驱动质量块38)总体上平行于固定指状物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沿朝向成平行于衬底22的表面24的第一轴(例如，此配置中的x轴68)在相反方向(即，相位相反)上的驱动运动。此相位相反的驱动运动在本文中被称为反相驱动运动。然而，将第一感测质量块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46和第二框架48互连的第三驱动弹簧64和第四驱动弹簧66适当地变形，以在很大程度上防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和第二感测质量块40。换言之，第一感测质量块36和第二感测质量块40相对于第一驱动质量块34和第二驱动质量块38通常不可沿x轴68移动。
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并且垂直于第一轴的第二轴的同相感测运动。另外，第一感测弹簧30和第二感测弹簧32被配置成响应于绕垂直于衬底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的沿第二轴的反相感测运动。类似地，第三感测弹簧60和第四感测弹簧62被配置成实现第一驱动质量块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40一起移动。
在此例子中，在定义的三维坐标系中，第一轴是x轴68、第二轴是y轴70并且第三轴是z轴72。因此，线性加速度是y轴线性加速度112，ay，并且角旋转是z轴角旋转114，ωz。因此，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70一起移动，这被称为共模。由于z轴角旋转114产生的科里奥利力将使第一感测质量块36和第二感测质量块40在相反方向上移动，这被称为差模。当然，应理解，感测质量块和驱动质量快可以在平行于衬底22的表面24的平面中旋转90°，以适当地检测代替y轴线性加速度112的x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置。
第一谐振器梁74、第二谐振器梁76、第三谐振器梁78和第四谐振器梁80将响应于第一感测质量块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的移动而经历第四轴向应力。相应的轴向应力将导致谐振器梁74、76、78、80的谐振频率的频移，这可以在电子电路(例如，信号处理电路，图6)处适当地处理，以获得表示y轴线性加速度112的共模信号并获得表示z轴角旋转114的差模信号。
结合参考图1和2，图2示出了包含mems多轴装置20的mems传感器封装116的高度简化的示意性侧视图。mems传感器封装116包括mems多轴装置20(为了简单说明，由方框表示)，所述mems多轴装置20驻留在形成于衬底22与外壳120之间的单个空腔118中。因此，第一惯性质量系统26和第二惯性质量系统28、各种感测弹簧30、32、60、62以及各种驱动弹簧50、52、64、66并置在mems传感器封装116的空腔118中。在一些实施例中，空腔118可以处于真空中。
许多现有技术的mems陀螺仪和加速度计依赖于输入激励的幅度调制(am)，其中惯性输入产生传感器输出电压的成比例的改变。换言之，惯性输入被调幅成使得传感器的最终输出信号与真实输入以及多个装置参数(例如，弹簧的刚度、拾取电子装置增益等)成比例。
在许多应用中，可以期望在单个管芯上产生多轴感测装置。然而，在单个芯片上产生常规的陀螺仪和加速度计具有显著缺点。具体地说，产生常规的陀螺仪和加速度计需要非常不同的封装参数。mems陀螺仪芯片通常在具体的真空水平下封装，以获得期望的品质因子(q因子)。q因子是描述了振荡器欠阻尼的程度，并且因此表征振荡器相对于其中心频率的带宽的无量纲参数。较高的q因子指示相对于振荡器的所储存能量，能量损失的速率较低(也就是说，振荡消失得更慢)。因此，mems陀螺仪通常具有很高q-因子，因此阻尼较低，使得其响铃或振动时间较长。相反地，常规的基于am的加速度计的q-因子必须非常低。也就是说，常规的基于am的加速度计必须被阻尼以提供带宽，这需要所述加速度计封装在大气压下或高于大气压下以提供必要的带宽。
高精度陀螺仪需要真空空腔来操作，并且同时，基于am的加速度计在大气压下或高于大气压下操作，以提供必要的带宽。现有技术的mems陀螺仪和加速度计的封装之间的根本区别使共同制造和共同封装不可行。根据本文所描述的实施例，将谐振加速度计(例如，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的配置减少系统作为整体的占用空间，因为单个结构可以容纳在单个空腔(例如，mems传感器封装116的空腔118)中。因此，单个检测结构配置可以用相应降低的成本和简化的组装工艺产生显著减小的硅管芯大小和简化的工艺技术。
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20的简化的示意性平面图。在此简化的示意性平面图中，为简单起见，没有示出具有可移动指状物108和固定指状物110的驱动系统106。然而，可以对示出了具有可移动指状物108和固定指状物110的驱动系统106的图1进行参考。通常，ac电压可以通过驱动电路(未示出)施加到固定指状物110，以使可移动指状物108(并且因此第一驱动质量块34和第二驱动质量块38)总体上平行于固定指状物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沿驱动轴(例如，此例子中为x轴68)在相反方向(即，相位相反)上的驱动运动。此驱动运动被称为反相驱动运动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mems多轴感测装置20的恒定灵敏度。另外或可替换的是，振荡频率可以锁定到第一惯性质量块26和第二惯性质量块28的机械谐振，以最小化驱动功率。
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和第二驱动质量块38传输到第一感测质量块36和第二感测质量块40。因此，第一谐振器梁74、第二谐振器梁76、第三谐振器梁78和第四谐振器梁80将不会由于反相驱动运动122而经力应力，并且因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量的输出信号。
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20的简化的示意性平面图。再次，在此简化的示意性平面图中，为简单起见，没有示出具有可移动指状物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和第二驱动质量块38放入平行于驱动轴(例如，x轴68)的反相驱动运动122中，并且致动第一谐振器梁74、第二谐振器梁76、第三谐振器梁78和第四谐振器梁80以在谐振频率下谐振，第一惯性质量系统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(例如，z轴72))旋转引起的角速率(例如，z轴角旋转114)。当mems装置20经历绕z轴72的z轴角旋转114时，第一惯性质量系统26和第二惯性质量系统28沿感测轴(例如，y轴70)在相反方向(即，相位相反)上经历振荡感测运动。此感测运动被称为反相感测运动124。
具体地说，科里奥利力相对于垂直于x轴68和z轴72的y轴70发生。科里奥利力通常引起惯性质量系统26、28的平面内线性反相感测运动124。此反相感测运动124具有与mems装置20绕z轴72的z轴角旋转114成比例的幅度。反相感测运动124可以检测为第一谐振器梁74、第二谐振器梁76、第三谐振器梁78和第四谐振器梁80的对应谐振频率的变化。
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多轴感测装置20的简化的示意性平面图。再次，在此简化的示意性平面图中，为简单起见，没有示出具有可移动指状物108和固定指状物110的驱动系统106。一旦致动第一谐振器梁74、第二谐振器梁76、第三谐振器梁78和第四谐振器梁80以在谐振频率下谐振，当mems装置20沿y轴70经历y轴线性加速度112时，第一惯性质量系统26和第二惯性质量系统28能够检测线性加速度(例如，y轴线性加速度112)。当mems装置20经历平行于y轴70的y轴线性加速度112时，第一惯性质量系统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运动。此感测运动被称为同相感测运动126。此同相感测运动126的幅度与mems装置20的沿y轴70的y轴线性加速度112成比例。同相感测运动126可以检测为第一谐振器梁74、第二谐振器梁76、第三谐振器梁78和第四谐振器梁80的对应谐振频率的变化。
图6示出了mems多轴感测装置20的信号处理电路130的框图。通常，信号处理电路130被配置成从感测电极92、96、100、104接收输出信号并且生成表示y轴线性加速度112的线性加速度值和/或表示z轴角旋转114的角旋转速率值。
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92与第一谐振器梁74对准。第二驱动电极94和第二感测电极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与第三谐振器梁78对准。第四驱动电极102和第四感测电极104与第四谐振器梁80对准。
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。第一振荡器电路132被配置成在例如谐振频率下产生周期性振荡电子信号134，所述周期性振荡电子信号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)而经历第一轴向应力(例如，拉伸或压缩)。第一感测电极92被配置成响应于第一轴向应力(例如，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一输出信号138，所述第一轴向应力是响应于惯性力136而施加在第一谐振器梁74上的。第一锁相环电路140被配置成接收第一输出信号138并且生成第一频率信号142，f1，所述第一频率信号142，f1的相位与第一输出信号138相关。
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。第二振荡器电路144被配置成在例如谐振频率下产生周期性振荡电子信号146，所述周期性振荡电子信号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)而经历第二轴向应力(例如，拉伸或压缩)。第二感测电极96被配置成响应于第二轴向应力(例如，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二输出信号148，所述第二轴向应力是响应于惯性力136而施加在第二谐振器梁76上的。第二锁相环电路150被配置成接收第二输出信号148并生成第二频率信号152，f2，所述第二频率信号152，f2的相位与第二输出信号148相关。
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电连接。第三振荡器电路154被配置成在例如谐振频率下产生周期性振荡电子信号156，所述周期性振荡电子信号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)而经历第三轴向应力(例如，拉伸或压缩)。第三感测电极100被配置成响应于第三轴向应力(例如，拉伸或压缩)而检测第三谐振器梁78的谐振频率的变化，并提供对应于第三轴向应力的第三输出信号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。第三锁相环电路160被配置成接收第三输出信号158并生成第三频率信号162，f3，所述第三频率信号162，f3的相位与第三输出信号158相关。
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。第四振荡器电路164被配置成在例如谐振频率下产生周期性振荡电子信号166，所述周期性振荡电子信号166提供给第四驱动电极102以便使第四谐振器梁80谐振。第四谐振器梁80被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)而经历第四轴向应力(例如，拉伸或压缩)。第四感测电极104被配置成响应于第四轴向应力(例如，拉伸或压缩)而检测第四谐振器梁80的谐振频率的变化，并提供对应于第四轴向应力的第四输出信号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。第四锁相环电路170被配置成接收第四输出信号168并生成第四频率信号172，f4，所述第四频率信号172，f4的相位与第四输出信号168相关。
第一谐振器梁74、第二谐振器梁76、第三谐振器梁78和第四谐振器梁80在沿y轴70的平面中保持处于谐振。在不存在惯性力136的情况下，第一谐振器梁74、第二谐振器梁76、第三谐振器梁78和第四谐振器梁80具有相同的标称弯曲振荡频率f0。当施加惯性力136(其可以是y轴线性加速度112或对应于z轴角旋转114的科里奥利力)时，第一谐振器梁74、第二谐振器梁76、第三谐振器梁78和第四谐振器梁80经历轴向作用(例如，轴向应力)。在所示配置中，第一谐振器梁74和第二谐振器梁76将经历相反的轴向应力(例如，一个谐振器梁将经历压缩应力，并且另一个谐振器梁将同时经历拉伸应力)。同样地，第三谐振器梁78和第四谐振器梁80将经历相反的轴向应力。
无轴向负载的单个谐振器梁的基频可以进行如下表征：
由于惯性力136(例如，线性加速度112和/或与角旋转114相关的科里奥利力)施加在第一谐振器梁74、第二谐振器梁76、第三谐振器梁78和第四谐振器梁80上的轴向作用确定谐振器梁(例如，第一谐振器梁74、第二谐振器梁76、第三谐振器梁78和第四谐振器梁80中的任何一个谐振器梁)的自然谐振频率(通常指定为fn)的变化。自然谐振频率(例如，基频f0)的变化可以进行如下表征：
在表达式(1)和(2)中，c和α是基于谐振器梁的系数、l是谐振器梁的长度、e是弹性模量、i是惯性矩、ρ是谐振器梁材料的质量密度、a是谐振器梁横截面的面积并且n是轴向作用或轴向力。在表达式(2)中，n＝1-4。因此，在此例子中，fn对应于第一谐振器梁74、第二谐振器梁76、第三谐振器梁78和第四谐振器梁80中的任何一个谐振器梁(例如，f1、f2、f3、f4)的自然谐振频率的变化。
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的输出电连通的第一组合电路174(例如，差分频率电路)。第一组合电路174基于第一谐振器梁74的所测量谐振频率与第二谐振器梁76的所测量谐振频率之间的差(例如，第一频率信号142与第二频率信号152之间的差)提供第一差分输出信号176，δfm1。考虑到线性化以及由于第一感测质量块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76，与施加在第一感测质量块36上的惯性力136成比例的弯曲谐振频率(例如，第一差分输出信号176)的变化可以进行如下表征：
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的输出电连通的第二组合电路178(例如，差分频率电路)。第二组合电路178基于第三谐振器梁74的所测量谐振频率与第四谐振器梁76的所测量谐振频率之间的差(例如，第三频率信号162与第四频率信号172之间的差)提供第二差分输出信号180，δfm2。考虑到线性化以及由于第二感测质量块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和第四谐振器梁80，与施加在第二感测质量块40上的惯性力136成比例的弯曲谐振频率(例如，第二差分输出信号180)的变化可以进行如下表征：
因此，谐振频率的相对变化将表现为每对与特定感测质量块(例如，δfm1和δfm2)相关联的谐振器梁的经组合差分输出的变化。一般而言，轴向作用与谐振频率的变化之间的关系对于线性加速度可以用hz/g(其中g是g力)表示，并且对于角旋转速率可以用hz/dps(其中dps是度每秒)表示。在一些实施例中，在所示音叉设计中，mems多轴感测装置20对线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是例如0.54hz/dps。然而，应理解，可以可替代地实现线性加速度和角旋转的其它灵敏度值。
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的输出电连通的第三组合电路182(例如，频率求和电路)。第三组合电路182生成线性加速度值184，ay作为第一差分输出信号176和第二差分输出信号180的总和(即，δfm1 δfm2)，所述总和表示y轴线性加速度112。线性加速度值184可以在低通滤波器186处接收，其中信号适当地滤波以获得线性加速度输出值188，at(out)。因此，线性加速度输出值188基于频率调制，并且由于在第三组合电路182处发生的求和，所述线性加速度输出值188为共模。因此，产生作为线性加速度输出值188的经过共模频率调制的加速度信号。
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，ωz(mod)作为第一差分输出信号176与第二差分输出信号180之间的差(即，δfm1-δfm2)，所述差表示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36置于反相驱动运动122(图3)中的驱动频率(例如，20khz)调制。因此，角旋转速率值192可以在幅度解调器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)。此后，经解调的角旋转速率值196可以在低通滤波器198处接收，其中信号适当地滤波以获得角旋转速率输出值200，ωz(out)。因此，角旋转速率输出值200也基于频率调制，并且由于在第四组合电路190处发生的减法，所述角旋转速率输出值200为差模。因此，产生作为角旋转速率输出值200的经过差模频率调制的角旋转速率信号。
因此，具有信号处理电路130的mems多轴感测装置20被配置成执行以下功能：致动第一驱动质量块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(例如，x轴68)经历反相驱动运动122(图3)；响应于绕垂直于衬底22的表面24的第三轴(例如，z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沿平行于衬底22的表面24且垂直于第一轴的第二轴(例如，y轴70)的反相感测运动124(图4)；以及响应于沿第二轴的线性加速度(例如，y轴线性加速度112)而感测第一感测质量块36和第二感测质量块40沿第二轴的同相感测运动126(图5)。另外的功能需要响应于反相感测运动而确定绕第三轴的角旋转速率值(例如，角旋转速率输出值200)并且响应于反相感测运动而确定线性加速度值(例如，线性加速度输出值)。
出于说明性目的，提供了信号处理电路130的简化的框图。本领域的技术人员将认识到，信号处理电路的特定处理块可以不同于所示的处理块，同时仍执行以下功能：从与第一谐振器梁和第二谐振器梁相关联的输出信号产生第一差分信号；从与第三谐振器梁和第四谐振器梁相关联的输出信号产生第二差分信号；对第一差分信号和第二差分信号求和以生成线性加速度值；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值。
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的示意性平面图。mems多轴感测装置202可以被配置成感测y轴线性加速度112、z轴角旋转114和x轴线性加速度204。举例来说，mems多轴感测装置202可以包括如以上详细讨论的第一惯性质量系统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，并且因此以与第一惯性质量系统26和第二惯性质量系统28类似的方式操作。如此，为简洁起见，本文将不提供对第三惯性质量系统206和第四惯性质量系统208的详细描述。
在此例子中特别感兴趣的是，第三惯性质量系统210和第四惯性质量系统212相对于第一惯性质量系统26和第二惯性质量系统28旋转90°。另外，第一惯性质量系统26、第二惯性质量系统28、第三惯性质量系统210和第四惯性质量系统212由弹簧系统214互连。弹簧系统214耦接到衬底208的底层表面206。弹簧系统214可以是任何方便的形状、大小和材料，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和第二驱动质量块38沿x轴68(例如，驱动轴)的反相驱动运动并且用于实现第三惯性质量系统210和第四惯性质量系统212的第三驱动质量块216和第四驱动质量块218沿y轴70的反相驱动运动。以此方式，并且如以上详细讨论的，与第三惯性质量系统210和第四惯性质量系统212的第三感测质量块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对准的线性加速度(例如，x轴线性加速度204)而变化和/或响应于从第三驱动质量块216和第四驱动质量块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72的旋转。
本文所公开的实施例需要一种微机电系统(mems)多轴感测装置和操作方法。更具体地说，mems多轴感测装置基于频率调制(fm)，以使用单惯性质量块检测结构同时感测线性加速度和角速率(即，速度)。fm谐振加速度计和fm振动陀螺仪被共同制造为单个检测结构，其中线性加速度和角速率的检测基于在谐振下设置的一个或多个元件的频率(例如，频率调制)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信号检测。与其它测量技术相比，谐振检测可以产生直接频率输出、高灵敏度和宽动态范围。另外，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mems加工技术、减小mems管芯大小并且减少传感器封装中mems管芯的数量。
本公开旨在解释如何塑造和使用根据本发明的各个实施例，而不是限制本发明的真实的、预期的和合理的范围和精神。上述描述不旨在是详尽的或将本发明限制于所公开的确切形式。鉴于以上教导，修改或变化是可能的。选择并描述了一个或多个实施例以提供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且连同如适合于所设想的特定用途的各种修改而利用本发明。在根据公平、合法和合理授权的范围解释时，所有这种修改和变化都处于本发明的如由可在本专利申请未决期间加以修改的所附权利要求及其所有等效物确定的范围内。
附图标记
20mems多轴感测装置
22衬底
24平面表面
26第一惯性质量系统
28第二惯性质量系统
30第一感测弹簧
32第二感测弹簧
34第一驱动质量块
36第一感测质量块
38第二驱动质量块
40第二感测质量块
42锚
44锚
46第一框架
48第二框架
50第一驱动弹簧
52第二驱动弹簧
54锚
56锚
58接合元件
60第三感测弹簧
62第四感测弹簧
64第三驱动弹簧
66第四驱动弹簧
68x轴
70y轴
72z轴
74第一谐振器梁
76第二谐振器梁
78第三谐振器梁
80第四谐振器梁
82锚
84锚
86锚
88锚
90第一驱动电极
92第一感测电极
94第二驱动电极
96第二感测电极
98第三驱动电极
100第三感测电极
102第四驱动电极
104第四感测电极
106驱动系统
108可移动指状物
110固定指状物
112y轴线性加速度，ay
114z轴角旋转，ωz
116mems传感器封装
118空腔
120外壳
122箭头/反相驱动运动
124箭头/反相感测运动
126箭头/同相感测运动
130信号处理电路
132第一振荡器电路
134振荡电子信号
136惯性力
138第一输出信号
140第一pll
142第一频率信号，f1
144第二振荡器电路
146振荡电子信号
148第二输出信号
150第二pll
152第二频率信号，f2
154第三振荡器电路
156振荡电子信号
158第三输出信号
160第三pll
162第三频率信号，f3
164第四振荡器电路
166振荡电子信号
168第四输出信号
170第四pll
172第四频率信号，f4
174第一组合电路/差分频率电路
176第一差分输出信号，δfm1
178第二组合电路/差分频率电路
180第二差分输出信号，δfm2
182第三组合电路/频率求和电路
184线性加速度值，ay
186低通滤波器
188线性加速度输出值，at(out)
190第四组合电路
192角旋转速率值，ωz(mod)
194幅度解调器
196经解调的角旋转速率值，ωz(demod)
198低通滤波器
200角旋转速率输出值
202mems多轴感测装置
204x轴线性加速度
206表面
208衬底
210第三惯性质量系统
212第四惯性质量系统
214弹簧系统
216第三驱动质量块
218第四驱动质量块
220第三感测质量块
222第四感测质量块。
1.一种微机电系统(mems)多轴感测装置，其特征在于，包括：
衬底，所述衬底具有表面；
第一惯性质量系统，所述第一惯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；
第二惯性质量系统，所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测质量块，所述第一驱动质量块和所述第二驱动质量块被配置成沿朝向成平行于所述衬底的所述表面的第一轴经历反相驱动运动；
第一感测弹簧，所述第一感测弹簧被配置成锚固并悬挂与所述衬底的所述表面间隔开的所述第一感测质量块；以及
第二感测弹簧，所述第二感测弹簧被配置成锚固并悬挂与所述衬底的所述表面间隔开的所述第二感测质量块，所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垂直于所述第一轴的第二轴的反相感测运动，并且所述第一感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测运动。
2.根据权利要求1所述的mems装置，其特征在于，所述衬底、所述第一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在封装装置的空腔中，所述空腔处于真空中。
3.根据权利要求1所述的mems装置，其特征在于：
所述第一驱动质量块包括围绕所述第一感测质量块的第一框架；
所述第二驱动质量块包括围绕所述第二感测质量块的第二框架；并且
所述mems装置另外包括：
第一驱动弹簧，所述第一驱动弹簧被配置成锚固并悬挂与所述衬底的所述表面间隔开的所述第一框架；以及
第二驱动弹簧，所述第二驱动弹簧被配置成锚固并悬挂与所述衬底的所述表面间隔开的所述第二框架，所述第一驱动弹簧和所述第二驱动弹簧将所述第一驱动质量块和所述第二驱动质量块柔性地互连。
4.根据权利要求3所述的mems装置，其特征在于，另外包括：
第三感测弹簧，所述第三感测弹簧耦接到所述第一框架和所述第一驱动质量块的所述第一驱动弹簧；以及
第四感测弹簧，所述第四感测弹簧耦接到所述第二框架和所述第二驱动质量块的所述第二驱动弹簧，所述第三感测弹簧和所述第四感测弹簧中的每个感测弹簧具有平行于所述第一轴的纵向延伸，所述纵向延伸被配置成响应于所述第一惯性质量块和所述第二惯性质量块的所述同相感测运动或所述反相感测运动而变形。
5.根据权利要求3所述的mems装置，其特征在于，所述第一驱动弹簧和所述第二驱动弹簧中的每个驱动弹簧具有平行于所述第二轴的纵向延伸，所述纵向延伸被配置成变形以实现所述第一惯性质量块和所述第二惯性质量块沿所述第一轴的所述反相驱动运动。
6.根据权利要求3所述的mems装置，其特征在于，另外包括：
第三驱动弹簧，所述第三驱动弹簧插置于所述第一感测质量块与所述第一驱动质量块的所述第一框架之间并将其互连；以及
第四驱动弹簧，所述第四驱动弹簧插置于所述第二感测质量块与所述第二驱动质量块的所述第二框架之间并将其互连，其中所述第三驱动弹簧和所述第四驱动弹簧被配置成变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感测质量块和所述第二感测质量块。
7.根据权利要求1所述的mems装置，其特征在于，另外包括：
第一谐振器梁，所述第一谐振器梁通过所述第一感测弹簧中的一个第一感测弹簧弹性地耦接到所述第一感测质量块，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第一轴向应力；
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的另一个第一感测弹簧弹性地耦接到所述第一感测质量块，所述第二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所述移动而经历第二轴向应力；
第三谐振器梁，所述第三谐振器梁通过所述第二感测弹簧中的一个第二感测弹簧弹性地耦接到所述第二感测质量块，所述第三谐振器梁被配置成响应于所述第二感测质量块沿所述第二轴的移动而经历第三轴向应力；以及
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的另一个第二感测弹簧弹性地耦接到所述第二感测质量块，所述第四谐振器梁被配置成响应于所述第二感测质量块沿所述第二轴的所述移动而经历第四轴向应力。
8.根据权利要求7所述的mems装置，其特征在于，另外包括：
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测电极与所述第一谐振器梁对准，所述第一驱动电极被配置成使所述第一谐振器梁谐振，并且所述第一感测电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频率的变化；
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测电极与所述第二谐振器梁对准，所述第一驱动电极被配置成使所述第二谐振器梁谐振，并且所述第二感测电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所述谐振频率的变化；
第三驱动电极和第三感测电极，所述第三驱动电极和所述第三感测电极与第三谐振元件对准，所述第三驱动电极被配置成使所述第三谐振器梁谐振，并且所述第三感测电极被配置成响应于所述第三轴向应力而检测所述第三谐振器梁的所述谐振频率的变化；以及
第四驱动电极和第四感测电极，所述第四驱动电极和所述第四感测电极与第四谐振元件对准，所述第四驱动电极被配置成使所述第四谐振器梁谐振，并且所述第四感测电极被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所述谐振频率的变化。
9.一种方法，其特征在于，包括：
提供微机电系统(mems)多轴感测装置，所述mems多轴感测装置包括：衬底，所述衬底具有表面；第一惯性质量系统，所述第一惯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；第二惯性质量系统，所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与所述衬底的所述表面间隔开的所述第一感测质量块；以及第二感测弹簧，所述第二感测弹簧被配置成锚固并悬挂与所述衬底的所述表面间隔开的所述第二感测质量块；
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成平行于所述衬底的所述表面的第一轴经历反相驱动运动；
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相感测运动，其中所述第一感测弹簧和所述第二感测弹簧实现所述反相感测运动；
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块沿所述第二轴的同相感测运动，其中所述第一感测弹簧和所述第二感测弹簧另外实现所述同相感测运动；
响应于所述反相感测运动而确定绕所述第三轴的所述角旋转的角旋转速率值；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值。
10.一种微机电系统(mems)多轴感测装置，其特征在于，包括：
衬底，所述衬底具有表面；
第一惯性质量系统，所述第一惯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；
第二惯性质量系统，所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测质量块，所述第一驱动质量块和所述第二驱动质量块被配置成沿朝向成平行于所述衬底的所述表面的第一轴经历反相驱动运动；
第一感测弹簧，所述第一感测弹簧被配置成锚固并悬挂与所述衬底的所述表面间隔开的所述第一感测质量块；
第二感测弹簧，所述第二感测弹簧被配置成锚固并悬挂与所述衬底的所述表面间隔开的所述第二感测质量块，所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垂直于所述第一轴的第二轴的反相感测运动，并且所述第一感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测运动；
第一谐振器梁，所述第一谐振器梁通过所述第一感测弹簧中的一个第一感测弹簧弹性地耦接到所述第一感测质量块，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第一轴向应力；
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的另一个第一感测弹簧弹性地耦接到所述第一感测质量块，所述第二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所述移动而经历第二轴向应力；
第三谐振器梁，所述第三谐振器梁通过所述第二感测弹簧中的一个第二感测弹簧弹性地耦接到所述第二感测质量块，所述第三谐振器梁被配置成响应于所述第二感测质量块沿所述第二轴的移动而经历第三轴向应力；以及
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的另一个第二感测弹簧弹性地耦接到所述第二感测质量块，所述第四谐振器梁被配置成响应于所述第二感测质量块沿所述第二轴的所述移动而经历第四轴向应力，其中所述衬底、所述第一惯性质量系统和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、所述第二谐振器梁、所述第三谐振器梁和所述第四谐振器梁并置在封装装置的空腔中，所述空腔处于真空中。
技术总结