CN103221779A - 微机械整体式六轴惯性传感器 - Google Patents

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Abstract

一种六自由度(6-DOF)惯性测量系统的装置层可包括位于x-y面的单质量块六轴惯性传感器，所述惯性传感器包括主质量块部件、中心悬置系统和驱动电极，其中，所述主质量块部件悬置于单中心支架上，其所述主质量块部件包括向外朝所述六轴惯性传感器的边缘延伸的放射状部分；所述中心悬置系统被配置为在所述单中心支架上悬置所述六轴惯性传感器；所述驱动电极包括移动部分和固定部分，所述移动部分连接到所述放射状部分上，其中，所述驱动电极和所述中心悬置系统被配置为使所述六轴惯性传感器围绕垂直于x-y面的z轴以驱动频率振动。

Description

微机械整体式六轴惯性传感器
优先权要求
本申请要求发明人Acar于2010年9月18日递交的美国临时专利申请号为No.61/384,240且题为“MICROMACHINED MONOLITHIC6-AXIS INERTIALSENSOR”的专利文件(代理人案号2921.095PRV)的优先权，这里将该专利文件作为本发明的参考内容。
另外，本申请与Acar等发明人于2010年8月3日递交的美国专利申请号为No.12/849,742且题为“MICROMACHINED INERTIAL SENSOR DEVICES”的专利文件以及Marx等发明人于2010年8月3日递交的美国专利申请号为No.12/849,787且题为“MICROMACHINED DEVICES AND FABRICATINGTHE SAME”的专利文件相关联，每一专利文件均作为本发明的参考内容。
技术领域
本发明大体上涉及惯性传感器装置，尤其涉及微机械惯性传感器装置。
背景技术
六轴动作感应的应用需要用于三轴加速度测量的x轴、y轴及z轴加速计，以及用于三轴角速率测量的陀螺仪。文献中已经记载了多个单轴或多轴的微机械加速计结构和陀螺仪结构，所述多个单轴或多轴的微机械加速计结构和陀螺仪结构能够集成在系统中以形成六轴惯性传感器组。然而，对于某些应用来说，这种由分立传感器组成的传感器组的尺寸会过大且成本也会过高。此外，装配在单片微机电系统(MEMS)芯片上的单轴或多轴陀螺仪和加速计的现有实例需要每个传感器都有其各自的驱动电子器件和感应电子器件，进一步提高了单片MEMS芯片的成本和复杂度。
发明内容
除其它情况之外，本发明讨论了包括位于装置层的x-y面的单质量块六轴惯性传感器的六自由度(6-DOF)惯性测量系统。该单质量块六轴惯性传感器可包括主质量块部件、中心悬置系统和驱动电极。其中，所述主质量块部件悬置于单中心支架上，所述主质量块部件包括向外朝所述六轴惯性传感器边缘延伸的放射状部分，所述中心悬置系统被配置为在所述单中心支架上悬置所述六轴惯性传感器，所述驱动电极包括移动部分和固定部分，所述移动部分连接到所述放射状部分上，其中所述驱动电极和所述中心悬置系统被配置为使得所述六轴惯性传感器围绕z轴(垂直于x-y面)振动。
在一个实施例中，所述六自由度惯性测量系统可包括粘合到所述装置层的第一面上的帽晶片和与粘合到所述装置层的第二面上的通孔晶片。在某些实施例中，所述帽晶片和所述通孔晶片可被配置为封装所述单质量块六轴惯性传感器。
此概述意在提供本专利申请主题的概述。并不旨在提供本发明专用的或全面的说明。具体实施方式的包含用于提供有关本专利申请的更多信息。
附图说明
在附图(其不一定按比例绘制)中，相同的附图标记可在不同的视图中描述相似的部件。具有不同字母后缀的相似附图标记可表示同类部件的不同例子。附图以示例而非限制的方式大体示出了本文中所论述的各个实施例。
图1大体示出了六自由度(6-DOF)惯性测量单元(IMU)的横断面示意图；
图2大体示出了六轴惯性传感器的一个实施例；
图3大体示出了六轴惯性传感器在驱动动作中的一个实施例；
图4大体示出了六轴惯性传感器的一个实施例，所述六轴惯性传感器包括在感应动作中响应于围绕x轴旋转的单质量块；
图5大体示出了六轴惯性传感器的一个实施例，所述六轴惯性传感器包括在感应动作中响应于围绕y轴旋转的单质量块；
图6大体示出了六轴惯性传感器的一个实施例，所述六轴惯性传感器包括在感应动作中响应于围绕z轴旋转的单质量块；
图7大体示出了六轴惯性传感器的一个实施例，所述六轴惯性传感器包括在感应动作中响应于沿x轴的加速度的单质量块；
图8大体示出了六轴惯性传感器的一个实施例，所述六轴惯性传感器包括在感应动作中响应于沿y轴的加速度的单质量块；
图9大体示出了六轴惯性传感器的一个实施例，所述六轴惯性传感器包括在感应动作中响应于沿z轴的加速度的单质量块；
图10大体示出了包含通孔晶片电极安置的系统的一个实施例；
图11大体示出了包含面内弧形平行板传感电极的六轴惯性传感器的一个实施例；
图12大体示出了关于支架固定的所述中心悬置的一个实施例；
图13大体示出了所述中心悬置的一部分在驱动动作中的一个实施例。
具体实施方式
除其它情况之外，本发明者认识到一种微机械整体式六轴惯性传感器，其被配置为利用中心固定的单质量块检测三轴加速度和三轴角速率。另外，本发明者认识到一种微机械整体式六轴惯性传感器，其被配置为将响应模式解耦到每个轴上以使跨轴干扰最小化。
在一个实施例中，所述微机械整体式六轴惯性传感器可包括分割的质量块和柔性轴承结构，所述柔性轴承结构被配置为允许利用单驱动模式振动(对于所有轴仅需一个驱动控制环路)进行三轴的角速率检测。因此，与使用三个分立的驱动控制环路的现有多轴陀螺仪相比，本申请所描述的微机械整体式六轴惯性传感器的控制电子器件的复杂度及成本显著降低。在一个实施例中，通过允许加速计和陀螺仪在单质量块惯性传感器中的同时运作(如角速率和线性加速度检测)，柔性轴承结构能够提供用于加速度响应和角速率响应的不同的动作模式。
装置结构
图1大体示出了六自由度(6-DOF)惯性测量单元(IMU)100的横断面示意图，所述六自由度(6-DOF)惯性测量单元(IMU)100由芯片级封装而成，所述芯片级封装包括帽晶片101、包含微机械结构(如微机械整体式六轴惯性传感器)的装置层105、和通孔晶片103。在一个实施例中，装置层105可夹在帽晶片101和通孔晶片103之间，且装置层105和帽晶片101之间的腔体可在真空下被晶圆级密封。
在一个实施例中，帽晶片101能够粘合到装置层105上，例如使用金属粘合剂102。金属粘合剂102可包括热熔粘合剂(例如非高温热熔粘合剂)以使得吸气剂能够保持长期的真空状态，且使得防摩擦涂层的施用能够防止在低重力加速度的加速度传感器中出现的摩擦。在一个实施例中，在六自由度惯性测量单元100工作期间，金属粘合剂102能够在帽晶片101和装置层105之间产生热应力。在一个实施例中，能够在装置层105上增加一个或多个特性，以使装置层105中的所述微机械结构隔离于热应力(如形成于微机械结构边界周围的一个或多个应力降低槽)。在一个实施例中，通孔晶片103可粘合到装置层105上，如热熔粘合(如硅-硅热熔粘合等)，以消除在通孔晶片103和装置层105之间的热应力。
在一个实施例中，利用一个或者多个硅通孔(TSVs)(例如，通过介电材料109与通孔晶片103相隔离的第一硅通孔108)，通孔晶片103可包括一个或多个独立区域(例如，第一独立区域107)，所述独立区域隔离于通孔晶片103的一个或多个其他区域。在某些实施例中，所述一个或多个独立区域可作为电极使用，以感应或驱动所述六轴惯性传感器的面外工作模式，且所述一个或多个硅通孔可被配置为提供所述装置层105到六自由度惯性测量单元100外的电连接。此外，六自由度惯性测量单元100可包括诸如第一触点110的一个或多个触点，所述一个或多个触点通过介电层104选择性地隔离于通孔晶片103的一个或多个部分，且被配置为将通孔晶片103的一个或多个独立区域或硅通孔之间的电连接提供给一个或多个外部元件(例如，专用集成电路ASIC晶片)，例如通过冲击、丝焊或一个或多个其他电连接提供给所述一个或多个外部元件。
在某些实施例中，装置层105中的所述微机械整体式六轴惯性传感器能够通过将装置层105粘合到通孔晶片103的凸出部分(如支架106)进而支撑或固定在通孔晶片103上。在一个实施例中，支架106可大体上设置于通孔晶片103的中心，且装置层105可热熔粘合在支架106上，这样可消除与金属疲劳相关的问题。
图2大体示出了六轴惯性传感器200(如微机械整体式六轴惯性传感器)的一个实施例，例如六轴惯性传感器200形成于六自由度惯性测量单元100的装置层105的单一面上。在一个实施例中，六轴惯性传感器200的结构可关于如图2所示的x轴和y轴对称，并且z轴概念性地从图中延伸出来。图2中对六轴惯性传感器200一个部分的结构及特征进行了附图标记。但在某些实施例中，这样的附图标记及描述能够适用于六轴惯性传感器200中未标记的类似部分。
在一个实施例中，六轴惯性传感器200可包括提供三轴陀螺仪和三轴加速计工作模式的单质量块设计，其中所述三轴陀螺仪和三轴加速计工作模式在六自由度惯性测量单元100的装置层105中给出，如图1的实施例中所示。
在一个实施例中，所述单质量块可通过单中心支架(如支架106)和中心悬架111在所述单质量块的中心悬置，其中所述中心悬架111包括中心对称的柔性轴承(flexures)，如在Acar等人于2011年9月16日递交的PCT专利申请序号为US2011052006且题为“FLEXURE BEARING TO REDUCEQUADRATURE FOR RESONATING MICROMACHINED DEVICES”的相关专利文件中公开的柔性轴承，这里将该专利文件作为本发明的参考内容。所述中心悬架111能够使得所述单质量块围绕x轴、y轴及z轴进行扭转地振动，由此提供了三个陀螺仪工作模式，包括：
(1)围绕z轴的扭转的面内驱动动作(如图3所示)；
(2)围绕x轴的扭转的面外y轴陀螺仪感应动作(如图4所示)；以及
(3)围绕y轴的扭转的面外x轴陀螺仪感应动作(如图5所示)。
此外，所述单质量块设计可由多个部件组成，例如包括主质量块部件115、关于y轴对称的x轴质量块部件116、117以及关于x轴对称的y轴质量块部件118、119。
在图2的实施例中，主质量块部件115包括第一主体部分，所述第一主体部分包含中心悬架111，其中，所述中心悬架111的主臂放射状地从主质量块部件115的中心延伸至各自的驱动电极123，所述驱动电极123位于所述六轴惯性传感器200的拐角处。在一个实施例中，中心悬架111和驱动电极123的结合可被配置以提供围绕z轴的扭转的面内驱动动作，这就允许对围绕x轴和y轴的角运动的检测。
在一个实施例中，x轴质量块部件116、117可通过多功能柔性轴承120连接到主质量块部件115上，且可通过z轴陀螺仪反相柔性轴承121彼此连接。在一个实施例中，所述多功能柔性轴承120可使得x轴质量块部件116、117以下述方式振动：
(1)在x方向线性反相振动作为z轴陀螺仪感应动作(如图6所示)；
(2)在x方向线性同相振动作为x轴加速计感应动作(如图7所示)；以及
(3)围绕y轴扭转的面外振动作为z轴加速计感应动作(如图9所示)。
在一个实施例中，反相柔性轴承121限定为锯齿形。在一个实施例中，y轴质量块部件118、119可通过y轴柔性轴承122连接到主质量块部件115上，所述y轴柔性轴承122能够使得y轴质量块部件118、119在y方向进行线性面内振动作为x轴加速计感应动作。
此外，六轴惯性传感器200可包括x轴加速计传感电极125和z轴陀螺仪传感电极127、129，其中，所述x轴加速计传感电极125被配置为检测一个或多个质量块部件沿x轴的同相面内动作，所述z轴陀螺仪传感电极127、129被配置为检测一个或多个质量块部件沿x轴的反相面内动作。在某些实施例中，x轴加速计传感电极125和z轴陀螺仪传感电极127、129可结合为单组的传感电极。在一个实施例中，y轴加速计传感电极131被配置为检测一个或多个质量块部件沿y轴进行同相的面内动作。
在一个实施例中，驱动电极123、x轴加速计传感电极125、z轴陀螺仪传感电极127、129以及y轴加速计传感电极131中的每一个可包括连接到一个或多个质量块部件上的移动棘爪，所述一个或多个质量块部件通过各自的支架(如支架124、126、128、130、132)与一组固定在适当位置的固定棘爪相互交错(如固定在通孔晶片103)。
陀螺仪工作模式
图3大体示出了六轴惯性传感器300在驱动动作中的一个实施例。在一个实施例中，驱动电极123可包括连接到主质量块部件115上的一组移动移动棘爪，所述主质量块部件115通过第一驱动支架124(如通孔晶片103的凸起的绝缘部分)与固定在适当位置的一组固定棘爪相互交错。在一个实施例中，所述固定棘爪可被配置为通过第一驱动支架124接收能量，且驱动电极123的相互交错的移动棘爪和固定棘爪之间的相互作用可被配置为向单质量块提供围绕z轴的转矩。
在图3的一个实施例中，当中心悬架111为固定的支架106提供回复转矩使得所述单质量块围绕z轴以振动频率进行扭转地面内振动的时候，驱动电极123被驱动以围绕z轴转动单质量块，其中所述驱动频率取决于施加到驱动电极123上的能量。在某些实施例中，能够利用驱动电极123检测单质量块的驱动动作。
X轴速率响应
图4大体示出了六轴惯性传感器400的一个实施例，所述六轴惯性传感器400包括在感应动作中响应于围绕x轴旋转的单质量块，所述单质量块包括主质量块部件115、x轴质量块部件116、117、y轴质量块部件118、119以及中心悬架111。
在围绕x轴的角速率及图3的实施例中所述的六轴惯性传感器400的驱动动作同时出现的情况下，在x轴质量块部件116、117上会引起沿z轴相反方向的科氏力，这是由于其速度向量沿y轴的相反方向。这样，通过弯曲中心悬架111，可使单质量块围绕y轴扭转地振动。感应响应可通过面外x轴陀螺仪传感电极(如通孔晶片103中形成的传感电极)并通过x轴质量块部件116、117与通孔晶片103的电容性耦合来检测。
Y轴速率响应
图5大体示出了六轴惯性传感器500的一个实施例，所述六轴惯性传感器500包括在感应动作中响应于围绕y轴旋转的单质量块，所述单质量块包括主质量块部件115、x轴质量块部件116、117、y轴质量块部件118、119以及中心悬架111。
在围绕y轴的角速率及图3的实施例中所述的六轴惯性传感器400的驱动动作同时出现的情况下，在y轴质量块部件118、119上会引起沿z轴相反方向的科氏力，这是由于其速度向量沿x轴的相反方向。这样，通过弯曲中心悬架111，可使单质量块围绕y轴扭转地振动。感应响应可通过面外y轴陀螺仪传感电极(如通孔晶片103中形成的传感电极)且通过y轴质量块部件118、119与通孔晶片103的电容性耦合来检测。
Z轴速率响应
图6大体示出了六轴惯性传感器600的一个实施例，所述六轴惯性传感器600包括在感应动作中响应于围绕z轴旋转的单质量块，所述单质量块包括主质量块部件、x轴质量块部件116、117、y轴质量块部件、中心悬架、多功能柔性轴承120以及z轴陀螺仪反相柔性轴承121。
在围绕z轴的角速率及图3的实施例中所述的六轴惯性传感器400的驱动动作同时出现的情况下，在x轴质量块部件116、117会引起沿x轴相反方向的科氏力，这是由于速度向量沿y轴的相反方向。这样，通过在x方向上弯曲多功能柔性轴承120可使x轴质量块部件116、117沿x轴相反方向线性地振动。此外，z轴陀螺仪反相柔性轴承121可用于提供x轴质量块部件116、117的线性反相共振模式，该线性反相共振模式直接由反相的科氏力驱动。感应响应可通过面内的平行板传感电极(如形成于装置层105中的z轴陀螺仪传感电极127、129)来检测。
加速计工作模式
在一个实施例中，加速计响应模式可主要通过多功能柔性轴承120和y轴加速计柔性轴承122来实现。多功能柔性轴承120可使得x轴质量块部件116、117响应于x轴与z轴的加速度以及陀螺仪动作，且y轴加速计柔性轴承122可使得y轴质量块部件118、119响应于y轴的加速度。
X轴加速计响应
图7大体示出了六轴惯性传感器700的一个实施例，所述六轴惯性传感器700包括在感应动作中响应于围绕x轴的加速度的单质量块，所述单质量块包括主质量块部件、x轴质量块部件116、117、y轴质量块部件、中心悬架、多功能柔性轴承120以及z轴陀螺仪反相柔性轴承121。
在存在x轴加速度的情况下，x轴质量块部件116、117会沿x方向同相偏斜。多功能柔性轴承120可使得x轴质量块部件116、117在x方向一致地移动。在该动作期间，x轴质量块部件116、117之间的z轴陀螺仪反相柔性轴承121可能不偏斜，导致低于z轴陀螺仪感应频率的频率。感应响应可通过面内平行板传感电极(如形成于装置层105中的x轴加速计传感电极125)来检测。
Y轴加速计响应
图8大体示出了六轴惯性传感器800的一个实施例，所述六轴惯性传感器800包括在感应动作中响应于围绕y轴的加速度的单质量块，所述单质量块包括主质量块部件、x轴质量块部件、y轴质量块部件118、119、中心悬架、多功能柔性轴承、z轴陀螺仪反相柔性轴承以及y轴加速计柔性轴承122。
在存在y轴加速度的情况下，y轴质量块部件118、119会沿y方向同相偏斜。y轴加速计柔性轴承122可使得y轴质量块部件118、119与所述主质量块部件一致地移动。感应响应可通过面内平行板传感电极(如形成于装置层105中的y轴加速计传感电极131)来检测。
Z轴加速计响应
图9大体示出了六轴惯性传感器900的一个实施例，所述六轴惯性传感器900包括在感应动作中响应于围绕z轴的加速度的单质量块，所述单质量块包括主质量块部件、x轴质量块部件116、117、y轴质量块部件、中心悬架、多功能柔性轴承120以及z轴陀螺仪反相柔性轴承121。
在存在z轴加速度的情况下，x轴质量块部件116、117会在面外沿相反方向扭转地偏斜。多功能柔性轴承120能够起到扭转铰链的作用，且可使得x轴质量块部件116、117能够围绕位于多功能柔性轴承120中心的轴进行移动。由于位于多功能柔性轴承120相对侧的区域沿相反方向移动，因而仅利用安置于通孔晶片103上的一层面外电极可得到完全不同的检测方案。
面外电极安置
图10大体示出了包含通孔晶片103电极安置的系统1000的一个实施例。在某些实施例中，通孔晶片103的一个或多个导电部分(如电极、单独的导电区等)可用于检测所述六轴惯性传感器和通孔晶片103之间的电容性耦合，以及依次利用x轴陀螺仪传感电极140检测x轴角速率、利用y轴陀螺仪传感电极141检测y轴角速度及利用z轴加速计传感电极142检测z轴加速度。
驱动频率与检测频率
在一个实施例中，驱动模式和三个陀螺仪感应模式可设置在20kHz范围内。对于开环操作，驱动模式可通过模式间隔(如100Hz到500Hz)与感应模式分开，所述模式间隔可决定陀螺仪的机械灵敏度。为了提高灵敏度，在实际应用的振动规格允许的条件下可降低陀螺仪操作共振频率。若执行闭环感应操作，可减小模式间隔以进一步提高机械灵敏度。
加速计感应模式共振频率可大体上设置为低于陀螺仪工作模式，如5kHz到10kHz的范围内。这样，陀螺仪和加速计的信号也可在频域内分开。而且，较低的共振频率可用来提高灵敏度。
弧形的面内平行板电极
图11大体示出了包含单质量块的六轴惯性传感器1100的一个实施例，所述单质量块包括主质量块部件115、x轴质量块部件116、117和y轴质量块部件118、119。在一个实施例中，一个或多个x轴加速计传感电极125、z轴陀螺仪传感电极127或y轴加速计传感电极131可包括弧形的面内平行板电极，在某些实施例中，所述弧形的面内平行板电极呈弧形排列并垂直于扭转的驱动动作的方向，以降低陀螺仪驱动动作中电极电容检测的灵敏度。由于驱动动作围绕z轴旋转，因此垂直于驱动动作的弧形电极阵列(其中心位于芯片中心)会减少由陀螺仪驱动动作导致的间隙变化或重叠面积变化。
正交误差的减小
图12大体示出了关于支架106固定的中心悬架111的一个实施例，所述中心悬架111包括对称的“C形梁柱”(C-beams)，所述C形梁柱被配置为在局部上消除正交误差。微机械陀螺仪的正交误差主要源于深反应离子刻蚀(DRIE)侧壁角度误差，所述DRIE侧壁角度误差导致刻蚀断面偏离于直侧壁。如果侧壁具有角度误差，则当斜轴沿梁柱长度时面内驱动动作还会导致面外动作。因此，当偏斜的柔性梁柱位于所述驱动动作的相对一侧时，所导致的面外偏移引起正交误差。
图13大体示出了中心悬架111的一部分在驱动动作中的一个实施例。所述中心悬架111使用位于支架106每一侧的对称的“C形梁柱”。由一侧的每个C形梁柱导致的面外动作被与其对称的对应部分抵消。这样，在每个梁柱上引起的正交误差可在局部上被消除。
跨轴灵敏度
陀螺仪功能和加速计功能的工作模式可通过悬置系统极佳地解耦，所述悬置系统包括中心悬架111和多功能柔性轴承120，且该悬置系统有效地维持所述工作模式的正交性。这样，每个轴的传感电极对于其他轴中的响应动作保持静止。此外，如上所述，陀螺仪和加速计的响应信号在频域内分开。
补充注释及实施例
在实施例1中，六自由度(6-DOF)惯性测量系统包括装置层，其中所述装置层包括在x-y面中形成的单质量块六轴惯性传感器，所述单质量块六轴惯性传感器包括主质量块部件、中心悬置系统和驱动电极。其中，所述主质量块部件悬置于单中心支架上，且所述主质量块部件包括向外朝所述六轴惯性传感器边缘延伸的放射状部分，所述中心悬置系统被配置为在所述单中心支架上悬置所述六轴惯性传感器，所述驱动电极包括移动部分和固定部分，所述移动部分连接到所述放射状部分上，其中所述驱动电极和所述中心悬置系统被配置为使所述六轴惯性传感器围绕z轴(垂直于x-y面)以驱动频率振动。所述单质量块六轴惯性传感器可选地包括粘合到所述装置层第一面上的帽晶片和粘合到所述装置层第二面上的通孔晶片，其中，所述帽晶片和所述通孔晶片被配置为封装所述单质量块六轴惯性传感器。
在实施例2中，实施例1中的所述单质量块六轴惯性传感器可选地包括第一x轴质量块部件和第二x轴质量块部件，所述第一x轴质量块部件和所述第二x轴质量块部件通过多功能柔性轴承连接到所述主质量块部件上。
在实施例3中，实施例1至2中任何一个或多个实施例的所述多功能柔性轴承可选地被配置为使得所述第一x轴质量块部件和第二x轴质量块部件能够沿x轴同相或反相移动。
在实施例4中，实施例1至3中任何一个或多个实施例的所述多功能柔性轴承可选地被配置为使得所述第一x轴质量块部件和第二x轴质量块部件能够响应于x轴加速度而沿x轴同相移动。
在实施例5中，实施例1至4中任何一个或多个实施例的所述多功能柔性轴承可选地被配置为使得所述第一x轴质量块部件和第二x轴质量块部件能够响应于z轴旋转而沿x轴反相移动。
在实施例6中，实施例1至5中任何一个或多个实施例的多功能柔性轴承可选地被配置为使得所述第一x轴质量块部件和第二x轴质量块部件能够响应于z轴加速度而围绕y轴旋转。
在实施例7中，实施例1至6中任何一个或多个实施例的所述多功能柔性轴承中的至少一个可选地为细长的并在所述主质量块部件与所述第一x轴质量块部件之间沿y轴延伸。
在实施例8中，实施例1至7中任何一个或多个实施例的所述至少一个多功能柔性轴承可选地被配置为在扭矩作用下围绕平行于y轴的轴弯曲。
在实施例9中，四个多功能柔性轴承可选地被配置为将所述单质量块连接到所述第一x轴质量块部件和第二x轴质量块部件上，其中，对于每个多功能轴承，存在关于x-z面成镜像关系的相对立的多功能柔性轴承并存在关于y-z面成镜像关系的另一多功能轴承。
在实施例10中，实施例1至9中任何一个或多个实施例的所述第一x轴质量块部件和第二x轴质量块部件可选地由沿y轴延伸的细长的反相柔性轴承所连接。
在实施例11中，实施例1至10中任何一个或多个实施例的两个反相柔性轴承可选地在x-z面的相对两侧将所述第一x轴质量块部件连接到第二x轴质量块部件上。
在实施例12中，实施例1至11中任何一个或多个实施例的所述两个反相柔性轴承的每一个在所述第一x轴质量块和第二x轴质量块之间沿x轴以Z字形延伸。
在实施例13中，实施例1至12中任何一个或多个实施例的所述单质量块可选地呈四边形，其中，所述单中心支架位于所述四边形的中心，且其中，所述主质量块部件包括四个放射状部分，所述四个放射状部分向外朝所述六轴惯性传感器的四个角延伸。
在实施例14中，实施例1至13中任何一个或多个实施例的所述驱动电极可选地包括与多个固定棘爪相互交错的多个移动的棘爪，其中所述固定棘爪固定在所述通孔晶片上。
在实施例15中，实施例1至12中的任何一个或多个实施例可选地包括第一电极和第二电极，所述第一电极位于所述装置层面内且被配置为检测z轴角旋转、x轴加速度和y轴加速度，所述第二电极位于所述装置层面外且被配置为检测z轴加速度、x轴角旋转和y轴角旋转。
在实施例16中，实施例1至15中任何一个或多个实施例的所述通孔晶片可选地包括第二电极，所述第二电极可选地被电容性地连接到所述装置层上。
在实施例17中，单质量块的微机械整体式六轴惯性传感器装置包括主质量块部件、一对x轴质量块部件、一对y轴质量块部件、中心悬置系统和驱动电极。所述主质量块部件悬置于单中心支架上，且所述主质量块部件包括向外朝所述六轴惯性传感器的边缘延伸的放射状部分；所述x轴质量块部件通过多功能柔性轴承连接到所述主质量块部件上，且通过反相柔性轴承相互连接；所述y轴质量块部件通过延长的柔性轴承连接到所述主质量块部件的多个放射状部分上；所述中心悬置系统被配置为在所述单中心支架上悬置所述六轴惯性传感器；所述驱动电极包括移动部分和固定部分，所述移动部分连接到所述放射状部分上，其中所述驱动电极和所述中心悬置系统被配置为使所述六轴惯性传感器围绕垂直于x-y面的z轴以驱动频率振动。
在实施例18中，实施例1至17中任何一个或多个实施例的所述多功能柔性轴承可选地被配置为使得所述第一x轴质量块部件和第二x轴质量块部件能够沿x轴同相或反相移动。
在实施例19中，实施例1至18中任何一个或多个实施例的所述多功能柔性轴承可选地被配置为使得所述第一x轴质量块部件和第二x轴质量块部件能够响应于x轴加速度而沿x轴同相移动且能够响应于z轴旋转而沿x轴反相移动。
在实施例20中，实施例1至19中任何一个或多个实施例的所述多功能柔性轴承可选地被配置为使得所述第一x轴质量块部件和第二x轴质量块部件中的每一个能够响应于z轴加速度而围绕y轴旋转。
在实施例21中，一种方法，包括在单中心支架上悬置六轴惯性传感器的单质量块，其中，所述单中心支架通过中心悬架连接到固定层上，所述主质量块部件包括向外朝所述六轴惯性传感器的边缘延伸的放射状部分；所述方法还包括通过多功能柔性轴承在所述主质量块部件上悬置第一x轴质量块部件和第二x轴质量块部件，将固定的驱动电极固定在固定层上，将可移动电极连接到固定电极上，以及通过所述固定的驱动电极、所述可移动电极和所述中心悬架使所述单质量块以驱动频率振动。
在实施例22中，一个系统或装置可包括或可选地与实施例1至21中任何一个或多个实施例的任何部分或任何部分的组合相结合，以包括机器可读介质或用于执行实施例1至21中任何一种或多种所述功能的方法，其中，所述机器可读介质包括指令，当由机器执行时，所述指令使得所述机器执行实施例1至21中任何一个或多个所述功能。
上述具体实施方式包括对附图的参考，附图形成具体实施方式的一部分。附图以举例说明的方式示出了本发明能够用以实践的具体实施例。于此，这些实施例也称为“示例”。本申请所涉及到的所有出版物、专利以及专利文件全部作为本发明的参考内容，尽管它们是分别加以参考的。如果本申请与参考文件之间存在使用差别，则参考文件的使用应视为本申请使用的补充；若二者之间存在不可调和的差异，则以本申请的使用为准。
在本申请中，与专利文件通常使用的一样，术语“一”或“某一”表示包括一个或两个以上，不同于“至少一个”或“一个或更多”的其它例子或用法。在本申请中，除非另外指明，否则使用术语“或”指无排他性的或者是，“A或B”包括：“A但不是B”、“B但不是A”以及“A和B”。在所附的权利要求中，术语“包含”和“在其中”等同于各个术语“包括”和“其中”的通俗英语而使用。而且，在下述权利要求中，术语“包含”和“包括”是开放性的，即，包括除了权利要求中这样的术语之后所列出的那些要素以外的要素的系统、装置、物品或步骤，依然视为落在该项权利要求的范围之内。而且，在下述权利要求中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅仅用作标识，并非对其对象有数量要求。
以上实施方式旨在解释说明而非限制。在其它实施例中，以上实施方式的示例(或其一个或多个方面)可以相互结合使用。例如，本领域普通技术人员通过回顾以上实施方式可以使用其他实施例。摘要被提供以符合37C.F.R.§1.72(b)，从而使得读者能够快速确定技术发明的类型。应当理解的是，该摘要将不用于解释或限制权利要求的范围或意义。而且，在以上的具体实施方式中，各种特征可组合在一起以简化本发明。这不应理解为未要求的公开特征对任何权利要求来说是必不可少的。相反，创造性的主题可以以比特定公开实施例的所有特征更少的特征而存在。因而，下述的权利要求以每个权利要求作为单独实施例的方式并入具体实施方式中。本发明的范围应当参照所附的权利要求以及与这些权利要求的所属相当的整个范围来确定。

Claims (20)

1.一种六自由度(6-DOF)惯性测量系统，包括装置层、粘合到所述装置层的第一面上的帽晶片、和粘合到所述装置层的第二面上的通孔晶片，
其中所述装置层包括在x-y面中形成的单质量块六轴惯性传感器，所述单质量块六轴惯性传感器包括：
主质量块部件，悬置在单中心支架上，所述主质量块部件包括向外朝所述六轴惯性传感器的边缘延伸的放射状部分；
中心悬置系统，被配置为在所述单中心支架上悬置所述六轴惯性传感器；和
驱动电极，包括移动部分和固定部分，所述移动部分连接到所述放射状部分上，其中，所述驱动电极和所述中心悬置系统被配置为使所述六轴惯性传感器围绕垂直于x-y面的z轴以驱动频率振动；
其中所述帽晶片和所述通孔晶片被配置为封装所述单质量块六轴惯性传感器。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述单质量块六轴惯性传感器包括第一x轴质量块部件和第二x轴质量块部件，所述第一x轴质量块部件和所述第二x轴质量块部件通过多功能柔性轴承连接到所述主质量块部件上。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述多功能柔性轴承被配置为使得所述第一x轴质量块部件和第二x轴质量块部件能够沿x轴同相或反相移动。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述多功能柔性轴承被配置为使得所述第一x轴质量块部件和第二x轴质量块部件能够响应于x轴加速度而沿x轴同相移动。
5.根据权利要求3所述的系统，其中，所述多功能柔性轴承被配置为使得所述第一x轴质量块部件和第二x轴质量块部件能够响应于z轴旋转而沿x轴反相移动。
6.根据权利要求2所述的系统，其中，所述多功能柔性轴承被配置为使得所述第一x轴质量块部件和第二x轴质量块部件中的每一个能够响应于z轴加速度而围绕y轴旋转。
7.根据权利要求2所述的系统，其中，所述多功能柔性轴承中的至少一个为细长的并在所述主质量块部件与所述第一x轴质量块部件之间沿y轴延伸。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述至少一个多功能柔性轴承被配置为在扭矩作用下围绕一平行于y轴的轴弯曲。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，四个多功能柔性轴承将所述单质量块连接到所述第一x轴质量块部件和第二x轴质量块部件上，其中，对于每个多功能柔性轴承，存在关于x-z面成镜像关系的相对立的多功能轴承并存在关于y-z面成镜像关系的另一多功能轴承。
10.根据权利要求2所述的系统，其中，所述第一x轴质量块部件和所述第二x轴质量块部件由沿y轴延伸的细长的反相柔性轴承所连接。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，两个反相柔性轴承在x-z面的相对侧将所述第一x轴质量块部件连接到所述第二x轴质量块部件上。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述两个反相柔性轴承中的每一个在所述第一x轴质量块和所述第二x轴质量块之间沿x轴以Z字形延伸。
13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述单质量块呈四边形，其中，所述单中心支架位于所述四边形的中心，且其中，所述主质量块部件包括四个放射状部分，所述四个放射状部分向外朝所述六轴惯性传感器的四个角延伸。
14.根据权利要求1所述的系统，其中，所述驱动电极包括与多个固定棘爪相互交错的多个移动的棘爪，其中，所述固定棘爪固定在所述通孔晶片上。
15.根据权利要求1所述的系统，包括：
第一电极，位于所述装置层面内且被配置为检测z轴角旋转、x轴加速度和y轴加速度；以及
第二电极，位于所述装置层面外且被配置为检测z轴加速度、x轴角旋转和y轴角旋转。
16.一种单质量块的微机械整体式六轴惯性传感器装置，包括：
主质量块部件，悬置在单中心支架上，所述主质量块部件包括向外朝所述六轴惯性传感器的边缘延伸的放射状部分；
一对x轴质量块部件，通过多功能柔性轴承连接到所述主质量块部件上且通过反相柔性轴承相互连接；
一对y轴质量块部件，通过延长的柔性轴承连接到所述主质量块部件的多个放射状部分上；
中心悬置系统，被配置为在所述单中心支架上悬置所述六轴惯性传感器；以及
驱动电极，包括移动部分和固定部分，所述移动部分连接到所述放射状部分上，其中所述驱动电极和所述中心悬置系统被配置为使所述六轴惯性传感器围绕垂直于x-y面的z轴以驱动频率振动。
17.根据权利要求16所述的装置，其中，所述多功能柔性轴承被配置为使得所述第一x轴质量块部件和所述第二x轴质量块部件能够沿x轴同相或反相移动。
18.根据权利要求17所述的装置，其中，所述多功能柔性轴承被配置为使得所述第一x轴质量块部件和所述第二x轴质量块部件能够响应于x轴加速度而沿x轴同相移动且能够响应于z轴旋转而沿x轴反相移动。
19.根据权利要求16所述的装置，其中，所述多功能柔性轴承被配置为使得所述第一x轴质量块部件和所述第二x轴质量块部件中的每一个能够响应于z轴加速度而围绕y轴旋转。
20.一种方法，包括：
在单中心支架上悬置六轴惯性传感器的单质量块，其中，所述单中心支架通过中心悬架连接到固定层上，所述主质量块部件包括向外朝所述六轴惯性传感器的边缘延伸的放射状部分；
通过多功能柔性轴承在所述主质量块部件上悬置第一x轴质量块部件和第二x轴质量块部件；
将固定的驱动电极固定在所述固定层上；
将可移动电极连接到所述固定电极上；
通过所述固定的驱动电极、所述可移动电极和所述中心悬架使所述单质量块以驱动频率振动。
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