具体实施方式

总体而言，本文中所公开的实施例需要具有集成阻尼结构的微机电系统(MEMS)惯性传感器，以便以各种功能所需的小型外观尺寸提高灵敏度和可靠性。更具体地，Z轴跷跷板型惯性传感器包括阻尼结构，所述阻尼结构能够有效地阻尼平面内的寄生模式，而对可移动质量块的面积几乎没有影响。尽管本文中描述了呈加速计形式的惯性传感器，但应理解，阻尼结构可被调适成用于其它惯性传感器以实现提高灵敏度和/或可靠性。

提供本公开是为了以能够实现的方式进一步解释根据本发明的至少一个实施例。进一步提供本公开是为了增强对本发明的创造性原理和优点的理解和了解，而非以任何方式限制本发明。本发明仅由所附权利要求书限定，包括在本申请案未决期间所进行的任何修正和所发布的那些权利要求书的所有等效物。

应理解，例如第一和第二、顶部和底部等关系术语(如果存在的话)的使用仅用于区分一个实体与另一个实体或一个动作与另一个动作，而不必要求或暗示此类实体或动作之间有任何实际的此类关系或次序。此外，一些图式可以使用各种底纹和/或阴影线来示出，以区分在各种结构层内产生的不同元件。可利用沉积、图案化、蚀刻等当前和即将出现的微型制造技术来产生结构层内的这些不同元件。因此，虽然在说明中利用不同的底纹和/或阴影线，但结构层内的不同元件可由相同材料形成。

参考图1-2，图1示出根据实施例的MEMS惯性传感器20的平面视图，且图2示出惯性传感器20的侧视图。呈加速计形式的惯性传感器20被构造为“跷跷板”型惯性传感器。因此，惯性传感器20在本文中被称作加速计20。按照惯例，加速计20被示为在X-Y平面内具有大体上平面的结构，其中，图1中X轴22指向左右，图1中Y轴24指向上下，且图1中Z轴26指向页面外(垂直于X轴22和Y轴24)。相应地，在图2的侧视图图示中呈现三维坐标系，其中，X轴22在页面上指向左右，Z轴26在页面上指向上下，且Y轴24指向页面外。一般来说，加速计20适用于在阻尼X-Y平面中的寄生运动的同时感测由图2中的箭头28表示的Z轴加速度。

加速计20包括具有大体上平面表面32的基板30。电极元件34、36(参见图2)和悬置锚38形成于基板20的表面32上。可移动质量块40与基板30的表面32间隔开。更具体地，加速计20包括将可移动质量块40与悬置锚38互连以使得可移动质量块40悬置在基板30上方的悬置弹簧42、44。悬置锚38沿着可移动质量块40的旋转轴48大致位于开口46中心，其中，旋转轴48位于可移动质量块40的第一端50与第二端52之间。

为了在整个以下附图的描述中保持一致，例如悬置锚38的直接连接到基板30的表面32或形成于基板30的表面32上的任何结构示出为具有“X”从中穿过。悬置在基板30的表面32上方的元件示出为具有向下和向右的窄阴影线。悬置在表面32上方的弹簧结构通常由实线表示。

可移动质量块40包括在旋转轴48与第一端50之间的第一部分54和在旋转轴48与第二端52之间的第二部分56。可移动质量块40适用于响应于在垂直于基板30的表面32(例如，平行于Z轴26)的第一方向上施加在可移动质量块40上的第一力(例如，Z轴加速度28)而围绕旋转轴48旋转。当打算用作跷跷板型加速计时，可移动质量块40的第二部分56可形成为与可移动质量块40的第一部分54相比具有相对更大的质量。通常，可通过偏移旋转轴48以使得第二部分56比第一部分54长而产生第二部分56的更大质量。在其它配置中，可通过相对于第一部分54向第二部分56添加质量、通过相对于第二部分56从第一部分54移除质量等等来实现此质量差。然而，在实施例中，可以至少部分地通过以阻尼系统的形式添加质量来实现第二部分56的更大质量，所述阻尼系统形成于可移动质量块40的第二端52处且悬置在基板30的表面32上方。

在跷跷板型惯性传感器设计中，难以消除可移动质量块的平面内寄生运动。平面内寄生运动可能在平行于Y轴24的方向上和/或在平行于X轴22的方向上和/或是围绕Z轴26的平面内枢转运动。平面内寄生运动通常因高Q因子和相对较重的可移动质量块而欠阻尼。Q因子是描述振荡器可能欠阻尼的程度的无量纲参数。较高Q因子表示相对于振荡器的存储能量而言，能量损耗速率较低(也就是说，振荡消失得更慢)。因此，在平面内高g冲击事件下，尤其当高g冲击接近可移动质量块的共振峰时，所述可移动质量块可能在高速和大接触力下撞击行程止挡件或止挡件框架。这种高g冲击会损坏可移动质量块和/或行程止挡件或止挡件框架。不利的是，在装配期间或在现场应用中，可能难以避免造成损坏的高g冲击。

已使用不同方法来避免这一问题。举例来说，已经实施了固定阻尼指状物，以减少或限制由于高g冲击事件的影响而引起的振荡。此类阻尼指状物联接到基板的表面，且可位于延伸穿过可移动质量块的开口内。通过挤压膜效应发生阻尼，其中，当可移动质量块响应于平面内寄生运动而平移时，存在于固定阻尼指状物与可移动质量块中的开口之间的气体被挤压。在此类配置中，可以通过添加足够的固定阻尼指状物来实现显著的阻尼。然而，延伸穿过可移动质量块的开口消耗了可移动质量块的面积。实际上，响应于更高的阻尼要求，可移动质量块的面积消耗会更多。由于可移动质量块的面积减小，因此可移动质量块的实际质量或重量相应地减小。因此，惯性传感器的灵敏度可能相应地降低。可替换的是，可能需要较大裸片大小来达成所要灵敏度，这与最大程度地减小裸片大小的目标相反。

另一方法是将寄生运动调谐到惯性传感器不大可能暴露于的频率中。这种方法需要预限定的“安全区”作为设计目标。然而，此方法对于许多惯性传感器可能不是切实可行的，因为预限定的“安全区”难以限定。此外，转向寄生模式对于维持高灵敏度性能可能是一个挑战。本文中所描述的实施例需要悬置的可移动阻尼指状物(代替上文所论述的固定阻尼指状物)，所述悬置的可移动阻尼指状物较大改进阻尼的同时对可移动元件的面积几乎没有影响。

因此，加速计20另外包括阻尼系统58，所述阻尼系统58被配置成限制可移动质量块40在垂直于Z轴26的方向上的运动。在图1-2的例子中，阻尼系统58被配置成响应于平行于Y轴24的寄生力而限制可移动质量块40的运动。阻尼系统58悬置在基板的表面32上方且位于可移动质量块40的第二部分56。另外，阻尼系统58促使第二部分56相对于第一部分54具有更大的质量，如下文将更详细地论述。加速计20另外包括联接到基板30的表面32或以其它方式形成于基板30的表面32上的至少一个行程止挡件60(示出为六个)。如下文将另外论述，阻尼系统58被配置成响应于限制可移动质量块40的运动而减小可移动质量块40与行程止挡件60之间的接触力。尽管行程止挡件60示出为单独的结构，但在其它实施例中，单个行程止挡件可被配置成环绕可移动质量块40和阻尼系统58的框架结构。

阻尼系统58包括多个第一阻尼结构62、多个第二阻尼结构64，以及在可移动质量块40与第二阻尼结构62之间互连的一个或多个弹簧结构66(示出为两个)。第一阻尼结构62和第二阻尼结构64中的每一个呈梳状配置，使得第二阻尼结构64总体上与第一阻尼结构62交错。

第一阻尼结构62联接到可移动质量块40的第二端52且从可移动质量块40的第二端52延伸。另外，每个弹簧结构66包括从可移动质量块40的第二端52延伸的第一弹簧端68。梁元件70与基板30的表面32间隔开，并且从可移动质量块40的第二端52横向移开。弹簧结构66的第二弹簧端72联接到梁元件70。另外，第二阻尼结构64联接到梁元件70且从梁元件70向可移动质量块40的第二端延伸。因此，弹簧结构66与梁元件70一起将第二阻尼结构64从在基板30的表面32上方的可移动质量块40悬置。

通常，可移动质量块40的第二部分56相对于可移动质量块40的第一部分54具有更大的质量对于在Z轴加速度28下产生可移动质量块40的跷跷板运动至关重要。第二部分54包括两个阻尼结构阵列。将一个例如第一阻尼结构62的阻尼结构阵列直接连接到可移动质量块40。同时将另一个例如第二阻尼结构64的阻尼结构阵列经由弹簧结构66连接到可移动质量块40。因此，第一阻尼结构62和第二阻尼结构64都促使在Z轴加速度28下可移动质量块40的第二部分54的质量提供较大力矩，且因此对Z轴加速度28灵敏度更高。

旋转轴48基本上平行于基板30的表面32，且在此配置中，旋转轴48平行于Y轴26。梁元件70具有在梁元件70的第一与第二梁端76、78之间的纵向维度74(例如，长度)，其中，纵向维度74平行于旋转轴48。也就是说，梁元件70与Y轴24对齐。加速计20另外包括第一和第二阻尼止挡件80、82，所述第一和第二阻尼止挡件80、82联接到基板的表面32且位于第一和第二梁端76、78中的对应梁端附近。

现参看图3，图3示出惯性传感器20在垂直于惯性传感器20的感测方向的方向上经受力时的平面视图。在这种情况下，力可以是由大体上平行于Y轴24的箭头84表示的高g冲击事件。此力在本文中被称作Y轴加速度84，标注为AY。Y轴加速度84在平行于Y轴24的方向上施加在可移动质量块40上，由此引起可移动质量块40的平面内寄生运动。

响应于平行于Y轴24的高g Y轴加速度84，可移动质量块40连同阻尼系统58的第一和第二阻尼结构62、64可一起进行平面内扭转运动(即，围绕Z轴26的枢转运动)。举例来说，正Y轴力84引起Z轴26旋转，使得可移动质量块40的具有更大质量的第二部分56在例如负Y方向的相反方向上平移。可移动质量块40连同第一和第二阻尼结构62、64一起移动，直至第一和第二梁端76、78中的一个梁端接触阻尼止挡件80、82中的对应一个阻尼止挡件。也就是说，在第一和第二梁端76、78中的任一个梁端接触阻尼止挡件80、82中的对应一个阻尼止挡件之前不存在阻尼效应。然而，一旦第一和第二梁端76、78中的一个梁端接触阻尼止挡件80、82中的对应一个阻尼止挡件，第二阻尼结构64就变为相对于第一阻尼结构62不可运动。也就是说，弹簧结构66适当地弯曲以使得第一阻尼结构62可继续连同可移动质量块40一起运动。如此，第一与第二阻尼结构62、64之间的间隙变小。此类相对移动使得能够发生挤压膜阻尼效应。

结合图3参考图4和5，图4示出惯性传感器20的局部放大平面视图，且图5示出惯性传感器20在经受Y轴加速度84时的局部放大平面视图。阻尼系统58包括多个交错的第一和第二阻尼结构62、64，在各情况下产生含气体间隙86。如最佳在图4中所见，第一和第二阻尼结构62、64间隔开具有限定宽度88的含气体间隙86，从而提供阻尼。在一些实施例中，气体可以是空气。然而，在其它实施例中可实施其它合适的气体。

在图3和5中呈现的例子中，可移动质量块40连同阻尼系统58的第一和第二阻尼结构62、64一起进行运动，直至梁70的第二梁端78接触第二阻尼止挡件82。因此，第二阻尼结构64变为暂时静止，而第一阻尼结构62由于Y轴加速度84而继续移动。如最佳在图5中所见，第一阻尼结构62相对于第二阻尼结构64移动导致间隙86的宽度88变小。当响应于间隙86的宽度88减小而在第一与第二阻尼结构62、64之间挤压存在于间隙86中的气体时产生阻尼效应。

由于寄生Y轴加速度84，阻尼可引起可移动质量块40的平面内寄生运动的减小或限制。也就是说，阻尼效应可限制可移动质量块40沿着Y轴24的运动。然而，阻尼止挡件80、82可能不足以完全阻止可移动质量块40的平面内寄生运动。如此，在一些实施例中，加速计20另外包括行程止挡件60。在第二阻尼结构64变为暂时静止后发生的阻尼可显著减小可移动质量块40与行程止挡件60之间的接触力，以相应地减小行程止挡件60断裂的风险。此后，在消除Y轴加速度84之后，复原力允许可移动质量块40以及第一和第二阻尼结构62、64返回到其在行程止挡件60与阻尼止挡件80、82之间的标称位置(图1)。

阻尼系统58的阻尼效应尤其取决于彼此互补的第一和第二阻尼结构62、64的数量和长度。如此，可调谐加速计20的设计以根据特定设计需求而具有更多的阻尼(例如，通过增加阻尼结构62、64的数量和/或通过增加阻尼结构62、64的长度)或更少的质量。

因此，实施例需要可移动的悬置阻尼结构，所述阻尼结构显著改进阻尼Y轴加速度84的同时对例如可移动质量块40等单个质量块跷跷板设计的面积影响极小或没有影响。然而，此阻尼方法不限于在平行于Y轴24的方向上阻尼平面内寄生运动。另外，可实施此阻尼方法以改进在X方向和Y方向两者上(图6)或仅在X方向上(图7)的阻尼。

图6示出根据另一实施例的惯性传感器90的平面视图。同样，惯性传感器90被构造为“跷跷板”型加速计。如此，加速计90适用于感测Z轴加速度28，所述Z轴加速度28由圈住的黑点表示以指示其方向为页面外，同时加速计90阻尼沿X轴22和Y轴24两者的平面内寄生运动。加速计90类似于加速计20(图1)。因此，共同的特征将利用相同的附图标记，且为简洁起见，将缩短或省略此类特征的描述。

加速计90包括具有表面32的基板30、电极元件34、36(不可见)和形成于基板20的表面32上的悬置锚38。可移动质量块40与基板30的表面32间隔开且经由悬置弹簧42、44悬置在基板30上方。可移动质量块40包括第一和第二部分54、56，且适用于响应于Z轴加速度28而围绕旋转轴48旋转。

根据图6的实施例，加速计90另外包括阻尼系统92，所述阻尼系统92被配置成限制可移动质量块40在垂直于Z轴26的方向上的运动。具体地，阻尼系统92被配置成响应于平行于Y轴24的寄生力(例如，Y轴加速度84)且响应于平行于X轴22的寄生力(在本文中被称作X轴加速度94)而限制可移动质量块40的运动。阻尼系统92位于可移动质量块40的第二部分56处，且因此促使第二部分56相对于第一部分54具有更大的质量。在一些实施例中，加速计90另外包括联接到基板30的表面32或以其它方式形成于基板30的表面32上的行程止挡件60。

类似于阻尼系统58，阻尼系统92还包括联接到可移动质量块40的第二端52且从可移动质量块40的第二端52延伸的多个第一阻尼结构96，以及联接到梁元件100且从梁元件100向可移动质量块40的第二端52延伸的多个第二阻尼结构98。梁元件100同样平行于旋转轴48且因此与Y轴24对齐。阻尼系统92另外包括一个或多个弹簧结构102(示出为两个)，所述弹簧结构102具有联接到可移动质量块的第二端52的第一弹簧端104和联接到梁元件100的第二弹簧端106。连同第一和第二阻尼止挡件80、82，加速计90另外包括第三和第四阻尼止挡件108、110，所述第三和第四阻尼止挡件108、110联接到基板30的表面32且位于梁元件100的中间区域112附近。在一些实施例中，梁元件100另外包括一个或多个突起元件114、116(示出为两个)，所述突起元件114、116从梁元件100的中间区域112延伸且与第三和第四阻尼止挡件108、110的位置相对应。

弹簧结构102被适当地配置成在X方向和Y方向两者上在平面内弯曲，以实现因X轴加速度94和/或Y轴加速度84引起的阻尼效应。先前已描述过响应于Y轴加速度84的阻尼。响应于X轴加速度94的阻尼以类似方式发生。举例来说，随着梁元件100的突起元件114、116响应于X轴加速度94而接触第三和第四阻尼止挡件108、110，第二阻尼结构98停止移动，而第一阻尼结构96继续与可移动质量块40一起移动。因此，挤压膜阻尼响应于X轴加速度94而在X方向上变得有效。

图7示出根据又一实施例的惯性传感器120的平面视图。同样，惯性传感器120被构造为“跷跷板”型加速计。如此，加速计120适用于感测Z轴加速度28，所述Z轴加速度28由圈住的黑点表示以指示其方向为页面外，同时加速计120阻尼沿X轴22的平面内寄生运动。加速计120类似于加速计20(图1)和加速计90(图6)。因此，共同的特征将利用相同的附图标记，且为简洁起见，将缩短或省略此类特征的描述。

加速计90包括具有表面32的基板30、电极元件34、36(不可见)和形成于基板20的表面32上的悬置锚38。可移动质量块40与基板30的表面32间隔开且经由悬置弹簧42、44悬置在基板上方。可移动质量块40包括第一和第二部分54、56，且适用于响应于Z轴加速度28而围绕旋转轴48旋转。

根据图7的实施例，加速计120另外包括阻尼系统122，所述阻尼系统122被配置成限制可移动质量块40在平行于X轴22的方向上的运动。具体地，阻尼系统122被配置成响应于平行于X轴22的寄生力(例如，X轴加速度94)而限制可移动质量块40的运动。阻尼系统122位于可移动质量块40的第二部分56处，且因此促使第二部分56相对于第一部分54具有更大的质量。尽管未示出，但在一些实施例中，加速计120可另外包括行程止挡件，所述行程止挡件联接到基板30的表面32或以其它方式形成于基板30的表面32上，且接近可移动质量块40的第一和第二端50、52。

阻尼系统122包括联接到可移动质量块40的第二端52且从可移动质量块40的第二端52延伸的多个第一阻尼结构124，以及联接到一个或多个梁元件128且从一或多个梁元件128延伸的多个第二阻尼结构126，其中所述梁元件128与基板30的表面32间隔开并平行于基板30的表面32。第二阻尼结构126与第一阻尼结构124交错。阻尼系统122另外包括在可移动质量块40与第二阻尼结构126之间互连的一个或多个弹簧结构130。所示出的配置包括两个梁元件128且因此包括两个对应的弹簧结构130。然而，应理解，替代实施例可包括单个梁元件128或两个以上梁元件128。根据所示出的实施例，每个梁元件128垂直于旋转轴48定向。也就是说，每个梁元件128与X轴22对齐。

弹簧结构130的第一弹簧端132联接到可移动质量块40，且弹簧结构130的第二弹簧端134联接到梁元件128的第一梁端136。第二阻尼结构126联接到梁元件128且从梁元件128垂直延伸。更具体地，第一和第二阻尼结构124、126平行于旋转轴48定向，使得所述第一和第二阻尼结构124、126与Y轴24对齐。加速计120另外包括阻尼止挡件138、140，所述阻尼止挡件138、140联接到基板30的表面32且位于每个梁元件128的第二梁端142附近。在一些实施例中，梁元件128可朝向阻尼止挡件138、140延伸超出第一和第二阻尼结构124、126的外边界。

弹簧结构124被适当地配置成在X方向上在平面内弯曲，以实现因X轴加速度94引起的阻尼效应。响应于X轴加速度94的阻尼以如上所述的类似方式发生。举例来说，随着梁元件128的第二梁端142响应于X轴加速度94而接触第三和第四阻尼止挡件138、140，第二阻尼结构126停止移动，而第一阻尼结构124继续与可移动质量块40一起移动。因此，挤压膜阻尼响应于X轴加速度94而在X方向上变得有效。

本文中所公开的实施例需要具有集成阻尼结构的微机电系统(MEMS)惯性传感器，以便以各种功能所需的小型外观尺寸提高灵敏度和可靠性。更具体地，Z轴跷跷板型惯性传感器包括阻尼结构，所述阻尼结构能够有效地阻尼平面内的寄生模式，而对可移动质量块的面积几乎没有影响。公开了可减弱沿着X轴、Y轴或沿着X轴和Y轴两者的平面内寄生运动的阻尼结构。

本公开旨在解释如何设计和使用根据本发明的各种实施例，而非限制其真实、预期和公平的范围和精神。前述描述并不旨在穷尽性的或将本发明限于所公开的精确形式。鉴于以上教示，修改或变化是可能的。选择和描述一个或多个实施例是为了提供对本发明的原理和其切实可行的应用的最佳说明，并且使本领域的技术人员能够在各种实施例中并用适合于所预期的特定用途的各种修改来利用本发明。当根据公平合理地、合法地并且公正地赋予的权利的广度来解释时，所有此类修改和变化以及其所有等效物均处于如由所附权利要求书所确定的本发明的范围内，并且在本专利申请未决期间可以修正。