專(zhuān)利名稱(chēng)：回轉(zhuǎn)盤(pán)陀螺儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)裝置。更具體地，本發(fā)明涉及具有蹺蹺板結(jié)構(gòu)的MEMS回轉(zhuǎn)盤(pán)陀螺儀。
背景技術(shù)：
微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)已經(jīng)在近些年來(lái)廣泛的普及，因?yàn)樗峁┝讼率龇绞浇⒑苄〉臋C(jī)械結(jié)構(gòu)，并且使用傳統(tǒng)批半導(dǎo)體處理技術(shù)將這些結(jié)構(gòu)與電子裝置集成在單個(gè)襯底上。MEMS的一種常見(jiàn)應(yīng)用是傳感器裝置的設(shè)計(jì)和制造。微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)傳感器裝置被廣泛用在應(yīng)用中，諸如汽車(chē)慣性引導(dǎo)系統(tǒng)、家用電器、游戲機(jī)、用于多種裝置的保護(hù)系統(tǒng)和許多其他工業(yè)、科學(xué)和工程系統(tǒng)。MEMS傳感器的一個(gè)示例是MEMS陀螺儀。或者被稱(chēng)為“角速度傳感器”、“陀螺測(cè)試儀”、“陀螺儀傳感器”或“偏航率傳感器”，陀螺儀是慣性傳感器，其感測(cè)圍繞一個(gè)或多個(gè)軸的角速度或速度。


通過(guò)當(dāng)結(jié)合附圖考慮時(shí)參考詳細(xì)說(shuō)明和權(quán)利要求，可以得出本發(fā)明的更完全的理解，在附圖中，相似的附圖標(biāo)號(hào)貫穿附圖指示類(lèi)似的項(xiàng)目，并且圖1不出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)回轉(zhuǎn)盤(pán)陀螺儀的頂視圖；圖2示出圖1的回轉(zhuǎn)盤(pán)陀螺儀的局部放大視圖；以及圖3示出在圖1的回轉(zhuǎn)盤(pán)陀螺儀的檢測(cè)質(zhì)量結(jié)構(gòu)下的襯底的頂視圖。
具體實(shí)施例方式在此公開(kāi)的實(shí)施例實(shí)現(xiàn)采用具有一個(gè)或多個(gè)蹺蹺板類(lèi)型的感測(cè)質(zhì)量塊的陀螺儀的形式的微機(jī)電(MEMS )慣性傳感器裝置。具體地說(shuō)，一種回轉(zhuǎn)盤(pán)陀螺儀包括驅(qū)動(dòng)電極和驅(qū)動(dòng)質(zhì)量錨定結(jié)構(gòu)，該兩者均位于感測(cè)質(zhì)量塊的低靈敏度區(qū)域處。另外，陀螺儀可以包括第二矩形外部感測(cè)質(zhì)量塊，來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)環(huán)形感測(cè)質(zhì)量塊，從而得到雙軸陀螺儀配置。這些特征可以實(shí)現(xiàn)更高效的芯片區(qū)域利用，降低對(duì)于封裝應(yīng)力的敏感性，并且提高裝置靈敏度。參見(jiàn)圖1和2，圖1示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)回轉(zhuǎn)盤(pán)陀螺儀20的頂視圖，并且圖2示出由在圖1中所示的虛線框勾畫(huà)出的回轉(zhuǎn)盤(pán)陀螺儀20的局部放大視圖。陀螺儀20包括襯底22和耦合到并且在襯底22的表面26上懸置的結(jié)構(gòu)24。結(jié)構(gòu)24包括驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊28，驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊28通過(guò)多個(gè)彈簧錨定結(jié)構(gòu)30柔性地耦合到襯底22的表面
26。結(jié)構(gòu)24進(jìn)一步包括在延伸通過(guò)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊28的中央開(kāi)口 34中駐留的感測(cè)質(zhì)量塊32和圍繞驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊28的另一個(gè)感測(cè)質(zhì)量塊36。驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊28被圖示為具有點(diǎn)畫(huà)圖案,感測(cè)質(zhì)量塊32被圖示為具有向上和向右定向的陰影線，并且感測(cè)質(zhì)量塊36被圖示為具有向下和向右定向的陰影線，以區(qū)分在MEMS陀螺儀20的結(jié)構(gòu)層內(nèi)產(chǎn)生的不同元件。可以使用沉積、構(gòu)圖、蝕刻等的當(dāng)前和即將到來(lái)的表面微加工技術(shù)來(lái)產(chǎn)生在結(jié)構(gòu)層中的這些不同元件。因此，雖然在圖示中使用不同的陰影和/或陰影線，但是在結(jié)構(gòu)層中的不同元件通常由諸如多晶硅、單晶硅等的相同材料形成。MEMS回轉(zhuǎn)盤(pán)陀螺儀20的元件(下述)可以被不同地描述為“附接到”、“耦合到”、“連接到”陀螺儀20的其他元件，“與”陀螺儀20的其他元件“附接”或“互連”。然而，應(yīng)當(dāng)明白，該術(shù)語(yǔ)指的是在通過(guò)MEMS制造的構(gòu)圖和蝕刻處理的陀螺儀20的特定元件的形成期間出現(xiàn)的它們的直接或間接物理連接。感測(cè)質(zhì)量塊32使用柔性支持元件即扭轉(zhuǎn)彈簧38連接到驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊28，扭轉(zhuǎn)彈簧38使得感測(cè)質(zhì)量塊32能夠圍繞旋轉(zhuǎn)軸40，即，在三維坐標(biāo)系中的X軸振蕩或樞轉(zhuǎn)。因此，旋轉(zhuǎn)軸40在此被稱(chēng)為X-旋轉(zhuǎn)軸40。感測(cè)質(zhì)量塊36也使用柔性支持元件即扭轉(zhuǎn)彈簧42附接到驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊28，扭轉(zhuǎn)彈簧42使得感測(cè)質(zhì)量塊36能夠圍繞另一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸44在三維坐標(biāo)系中的Y軸振蕩或樞轉(zhuǎn)。因此，旋轉(zhuǎn)軸44在此被稱(chēng)為Y-旋轉(zhuǎn)軸44。在示例性處理方法期間，可以通過(guò)一個(gè)或多個(gè)犧牲氧化層、一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)多晶硅層等的傳統(tǒng)的分層沉積、構(gòu)圖和蝕刻操作來(lái)形成包括驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊28、感測(cè)質(zhì)量塊32和感測(cè)質(zhì)量塊36的結(jié)構(gòu)24。例如，一個(gè)或多個(gè)犧牲氧化層可以被沉積在襯底22上，并且，一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)層可以然后被沉積在犧牲層上。結(jié)構(gòu)層可以然后被適當(dāng)?shù)貥?gòu)圖和蝕刻以形成結(jié)構(gòu)24、扭轉(zhuǎn)彈簧38和扭轉(zhuǎn)彈簧42。感測(cè)質(zhì)量塊32大體是圓形或盤(pán)形結(jié)構(gòu)，其具有切除區(qū)域46和另一個(gè)切除區(qū)域48，該兩個(gè)切除區(qū)域均位于接近X-旋轉(zhuǎn)軸40。更具體地，切除區(qū)域46和48的每一個(gè)是切口區(qū)域，該切口區(qū)域從感測(cè)質(zhì)量塊32的外周50向內(nèi)向Y-旋轉(zhuǎn)軸44延伸。因此，X-旋轉(zhuǎn)軸40延伸通過(guò)切除區(qū)域46和48的每一個(gè)。切除區(qū)域46和48相對(duì)于兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸40和44大體對(duì)稱(chēng)地被定位在感測(cè)質(zhì)量塊32中。例如，切除區(qū)域46和48以X-旋轉(zhuǎn)軸40為中心，并且具有大體相同的大小和形狀。切除區(qū)域46和48的每一個(gè)包括邊緣56和58，邊緣56和58在X-旋轉(zhuǎn)軸40的相對(duì)側(cè)上延伸并且在徑向上定向。在一個(gè)實(shí)施例中，邊緣56和58的每一個(gè)可以相對(duì)于X-旋轉(zhuǎn)軸40偏移，使得在邊緣56和58之間形成的角度在大約30至90度的范圍中。然而，可以根據(jù)要位于切除區(qū)域46和48中的元件(下述)的具體設(shè)計(jì)要求來(lái)改變切除區(qū)域46和48的大小。切除區(qū)域46和48適當(dāng)?shù)匦纬稍诟袦y(cè)質(zhì)量塊32中的、當(dāng)感測(cè)質(zhì)量塊32圍繞X-旋轉(zhuǎn)軸40樞轉(zhuǎn)時(shí)移位最小距離的位置處。即，當(dāng)感測(cè)質(zhì)量塊32圍繞X-旋轉(zhuǎn)軸40樞轉(zhuǎn)時(shí)，在下面的襯底22和感測(cè)質(zhì)量塊32之間的間隙寬度與離開(kāi)X-旋轉(zhuǎn)軸40的距離相關(guān)地來(lái)改變。在間隙寬度中的最小改變?cè)谧罱咏黊-旋轉(zhuǎn)軸40處出現(xiàn)，而在間隙寬度中的最大改變?cè)谧钸h(yuǎn)離X-旋轉(zhuǎn)軸40處出現(xiàn)。陀螺儀20的靈敏度是響應(yīng)于角速度在間隙寬度上的改變的函數(shù)。因此，最接近X-旋轉(zhuǎn)軸40的區(qū)域?qū)?yīng)于相對(duì)于最遠(yuǎn)離X-旋轉(zhuǎn)軸40的區(qū)域具有感測(cè)質(zhì)量塊32的較低靈敏度的區(qū)。因此，在感測(cè)質(zhì)量塊32中未過(guò)度地降低感測(cè)質(zhì)量塊32的靈敏度的位置處形成切除區(qū)域46和48。扭轉(zhuǎn)彈簧38部分地駐留在切除區(qū)域46和48中。如在圖2的放大視圖中例示，扭轉(zhuǎn)彈簧38的每一個(gè)包括耦合到感測(cè)質(zhì)量塊32的邊緣部62的端部60。扭轉(zhuǎn)彈簧38的每一個(gè)進(jìn)一步包括耦合到驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊28的另一個(gè)端部64。在一種示例性配置中，驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊28包括從驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊28的內(nèi)周66向內(nèi)延伸并且經(jīng)由剛性構(gòu)件65彼此耦合的兩個(gè)或更多桿63的框結(jié)構(gòu)。因此，扭轉(zhuǎn)彈簧38的每一個(gè)的端部64連接到驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊28的剛性構(gòu)件65。另外，扭轉(zhuǎn)彈簧38位于X-旋轉(zhuǎn)軸40處并且與其對(duì)齊。
除了扭轉(zhuǎn)彈簧38之外，彈簧錨定結(jié)構(gòu)30和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)68的至少一部分也駐留在切除區(qū)域46和48中。通過(guò)它們?cè)谇谐齾^(qū)域46和48中的駐留，扭轉(zhuǎn)彈黃38、彈黃鋪定結(jié)構(gòu)30和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)68可以被看作在感測(cè)質(zhì)量塊32 “內(nèi)部”。這個(gè)內(nèi)部位置背離其中彈簧錨定結(jié)構(gòu)30和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)68從驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊28和感測(cè)質(zhì)量塊32之一或兩者向外延伸的現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)。因此，通過(guò)更高效的芯片區(qū)域利用來(lái)實(shí)現(xiàn)大小和成本節(jié)省。在圖2中更清楚地看出，彈簧錨定結(jié)構(gòu)30的每一個(gè)包括耦合到在切除區(qū)域46和48下的襯底22的表面26的錨70。彈簧錨定結(jié)構(gòu)30的每一個(gè)進(jìn)一步包括在驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊28的內(nèi)周66之間延伸并且被緊固到錨70的彈簧元件72。其中每一個(gè)包括彈簧元件72的多個(gè)彈簧錨定結(jié)構(gòu)30被配置來(lái)使得驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊28能夠圍繞第三旋轉(zhuǎn)軸振蕩，該第三旋轉(zhuǎn)軸在此被稱(chēng)為驅(qū)動(dòng)軸74，其垂直于襯底22的表面26。在這個(gè)示例中，驅(qū)動(dòng)軸74是在三維坐標(biāo)系中的Z軸。在一個(gè)實(shí)施例中，用于彈簧錨定結(jié)構(gòu)30的錨70相對(duì)于-X旋轉(zhuǎn)軸40接近等距地形成在襯底22的表面26上。另外，因?yàn)轵?qū)動(dòng)質(zhì)量塊28是具有中央開(kāi)口 34的盤(pán)形結(jié)構(gòu)，所以驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊28的“中心”與中央開(kāi)口 34的“中心”重合，中央開(kāi)口 34的“中心”也因?yàn)橥勇輧x20的對(duì)稱(chēng)而與驅(qū)動(dòng)軸74重合。因此，用于彈簧錨定結(jié)構(gòu)30的錨70也相對(duì)于Y-旋轉(zhuǎn)軸44和驅(qū)動(dòng)軸74大體等距。許多MEMS傳感器應(yīng)用要求較小的大小和低成本封裝來(lái)滿足積極的成本目標(biāo)。另夕卜，MEMS傳感器應(yīng)用要求較低的溫度偏移系數(shù)(TCO)規(guī)范。術(shù)語(yǔ)“偏移”指的是相對(duì)于在MEMS傳感器的非激勵(lì)狀態(tài)處的其標(biāo)稱(chēng)值的輸出偏離。因此，TCO是熱應(yīng)力對(duì)諸如MEMS傳感器的半導(dǎo)體裝置的性能影響多少的度量。高TCO指示對(duì)應(yīng)地高的熱誘導(dǎo)應(yīng)力或?qū)τ谶@樣的應(yīng)力很敏感的MEMS裝置。MEMS傳感器應(yīng)用的封裝通常使用具有不同的熱膨脹系數(shù)的材料。因此，不期望地高的TCO可以在制造或操作期間產(chǎn)生。這些熱應(yīng)力以及因?yàn)槌睗窈徒M裝處理導(dǎo)致的應(yīng)力可以導(dǎo)致下面的襯底22的變形，在此被稱(chēng)為封裝應(yīng)力。彈簧錨定結(jié)構(gòu)30的內(nèi)部位置和等距布置，通過(guò)將錨70布置為盡可能彼此接近，降低由因?yàn)榈撞康囊r底22的變形出現(xiàn)的封裝應(yīng)力導(dǎo)致容易發(fā)生不精確度。如上簡(jiǎn)述，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)68的至少一部分也駐留在切除區(qū)域46和48中。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)68包括在切除區(qū)域46中駐留的一組驅(qū)動(dòng)元件76和在切除區(qū)域48中駐留的另一組驅(qū)動(dòng)元件78。該組驅(qū)動(dòng)元件76和78是協(xié)作地運(yùn)行以利用圍繞驅(qū)動(dòng)軸74的振蕩運(yùn)動(dòng)來(lái)移動(dòng)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊28的梳狀驅(qū)動(dòng)器。每組驅(qū)動(dòng)元件76和78包括電極，該電極在此被稱(chēng)為梳齒。將與在切除區(qū)域46中駐留的一組驅(qū)動(dòng)元件76相關(guān)地來(lái)描述梳齒。然而，下面的說(shuō)明等效地適用于在切除區(qū)域48中駐留的一組驅(qū)動(dòng)元件78。在圖2的放大視圖中更清楚地看出，一組驅(qū)動(dòng)元件76包括耦合到并且從驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊28的內(nèi)周66向切除區(qū)域46內(nèi)延伸的梳齒80。一組驅(qū)動(dòng)元件76進(jìn)一步包括固定到襯底22的表面26的梳齒82。梳齒82與梳齒80隔開(kāi)并且以與梳齒80交錯(cuò)的布置被定位。通過(guò)它們到驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊28的附接，梳齒80能夠與驅(qū)動(dòng)元件28 —起移動(dòng)。相反，因?yàn)樗鼈兊揭r底22的固定附接，梳齒82相對(duì)于梳齒80固定。因此，梳齒80在此被稱(chēng)為可移動(dòng)梳齒80,而梳齒82在此被稱(chēng)為固定梳齒82。固定梳齒82的整個(gè)長(zhǎng)度可以在一些實(shí)施例中附接到襯底22的表面26。在替代實(shí)施例中，固定梳齒82的每一個(gè)可以被錨定到襯底22的表面26上如由錨88表不的單個(gè)位置處，且每一個(gè)固定梳齒82的剩余部分懸置在表面26上。在一些實(shí)施例中，這個(gè)第二種手段可以是期望的，以實(shí)現(xiàn)在使用區(qū)域中的更大的效率，并且降低對(duì)于封裝應(yīng)力的敏感度。在一個(gè)實(shí)施例中，固定梳齒82的一些用作驅(qū)動(dòng)致動(dòng)單元(DAU)電極84，并且固定梳齒82的其他用作驅(qū)動(dòng)測(cè)量單元(DMU)電極86，其中，DAU電極84和DMU電極86與驅(qū)動(dòng)軸74 (圖1)近于相切地定向。通常，向DAU電極84施加交流電(AC)電壓，以使得驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊28圍繞驅(qū)動(dòng)軸74 (圖1)振蕩。當(dāng)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊28振蕩時(shí)，它使得在DMU電極86處的電容改變。驅(qū)動(dòng)電路(未示出)監(jiān)控在DMU電極86處的電容，以便確定驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊28的振蕩振幅。驅(qū)動(dòng)電路通常包括反饋控制(即，自動(dòng)增益控制)。通過(guò)監(jiān)控在DMU電極86處的電容，驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊28可以被適當(dāng)?shù)乜刂埔员３窒鄬?duì)穩(wěn)定的振蕩振幅(通常根據(jù)設(shè)計(jì)為2至20微米)。在所圖示的示例中，每組驅(qū)動(dòng)元件76和78包括四個(gè)DAU電極84和一個(gè)DMU電極86。本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)容易認(rèn)識(shí)到，DAU電極84和DMU電極86的每一個(gè)的數(shù)量根據(jù)設(shè)計(jì)要求而改變，該設(shè)計(jì)要求例如是所需的來(lái)自DAU電極84的驅(qū)動(dòng)容量和在DMU電極86處的電容上的適當(dāng)改變。然而,通常,存在比DMU電極86更大數(shù)量的DAU電極84，以便產(chǎn)生用于振蕩驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊28的足夠的力。返回參見(jiàn)圖1，驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊28大體是環(huán)形的或圓形的結(jié)構(gòu)。在一個(gè)實(shí)施例中，感測(cè)質(zhì)量塊36是大體矩形的結(jié)構(gòu)，其具有中央開(kāi)口 90，該中央開(kāi)口 90被配置來(lái)容納驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊28的環(huán)形結(jié)構(gòu)。與現(xiàn)有技術(shù)裝置的環(huán)形外部感測(cè)質(zhì)量塊作比較，感測(cè)質(zhì)量塊36的矩形結(jié)構(gòu)回收利用了浪費(fèi)的芯片區(qū)域(結(jié)合圖3描述)，以有效地提高感測(cè)質(zhì)量塊36的靈敏度。圖3示出在回轉(zhuǎn)盤(pán)陀螺儀20 (圖1)的結(jié)構(gòu)24下的襯底22的頂視圖。錨70和固定梳齒82形成在襯底22的表面26上。與錨70和固定梳齒82協(xié)同地，在襯底22的表面26上形成多個(gè)導(dǎo)電板或電極。該電極包括在感測(cè)質(zhì)量塊32下的X-感測(cè)電極92和X-調(diào)諧電極94。該電極另外包括在感測(cè)質(zhì)量塊36下的Y-感測(cè)電極98和Y-調(diào)諧電極100。襯底22可以包括被一個(gè)或多個(gè)絕緣層(未示出)覆蓋的半導(dǎo)體層(未示出)。半導(dǎo)體層通常是硅晶圓，在其上，在一些情況下，也可以使用傳統(tǒng)的制造技術(shù)來(lái)制造與回轉(zhuǎn)盤(pán)陀螺儀20相關(guān)聯(lián)的電子器件。絕緣層可以包括玻璃、二氧化硅、氮化硅或任何其他兼容材料。電極92、94、98和100可以形成在半導(dǎo)體層中且位于感測(cè)質(zhì)量塊32和36之下?？梢栽谝r底22上形成導(dǎo)體(未示出)以提供到電極92、94、98和100以及到感測(cè)質(zhì)量塊32和36的獨(dú)立電連接。電極92、94、98和100由諸如多晶硅的導(dǎo)電材料形成，并且如果對(duì)于這樣的部件選擇相同的材料則可以與各個(gè)導(dǎo)體同時(shí)地被形成。以虛線形式表示驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊28、感測(cè)質(zhì)量塊32和感測(cè)質(zhì)量塊36，以圖示它們相對(duì)于電極92、94、98和100的物理布置。然而，應(yīng)當(dāng)容易明白，在回轉(zhuǎn)盤(pán)陀螺儀20 (在圖1中所示)的頂視圖中，驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊28、感測(cè)質(zhì)量塊32和感測(cè)質(zhì)量塊36將隱藏(obscure)底部的電極92、94、98和100。為了操作回轉(zhuǎn)盤(pán)陀螺儀20 (圖1)，包括驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊28、感測(cè)質(zhì)量塊32和感測(cè)質(zhì)量塊36的結(jié)構(gòu)24 (圖1)在大體平行于襯底22的表面26的平面中機(jī)械地振蕩。即，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)68 (圖1)致動(dòng)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊28以圍繞驅(qū)動(dòng)軸74 (圖1)振蕩。當(dāng)利用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)68驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊28時(shí)，感測(cè)質(zhì)量塊32和36的每一個(gè)與驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊28 —起振蕩。一旦被置于振蕩運(yùn)動(dòng)內(nèi)，感測(cè)質(zhì)量塊32能夠檢測(cè)陀螺儀20圍繞Y-旋轉(zhuǎn)軸44的角速度，即，角度旋轉(zhuǎn)速率，其中，圍繞Y-旋轉(zhuǎn)軸44的角速度產(chǎn)生科里奧利加速度，該科里奧利加速度使得感測(cè)質(zhì)量塊32以與陀螺儀20圍繞Y-旋轉(zhuǎn)軸44的角速度成比例的振幅圍繞X-旋轉(zhuǎn)軸40振蕩。通過(guò)類(lèi)似的原理，感測(cè)質(zhì)量塊36能夠檢測(cè)陀螺儀20圍繞X-旋轉(zhuǎn)軸40的角速度。S卩，當(dāng)陀螺儀20經(jīng)歷圍繞X-旋轉(zhuǎn)軸40的角速度時(shí)，產(chǎn)生科里奧利加速度，該科里奧利加速度使得感測(cè)質(zhì)量塊36以與陀螺儀圍繞X-旋轉(zhuǎn)軸40的角速度成比例的振幅圍繞Y-旋轉(zhuǎn)軸44振蕩。因此，陀螺儀20提供雙軸感測(cè)。X-感測(cè)電極92和Y-感測(cè)電極98被配置來(lái)檢測(cè)它們各自的輸出信號(hào)。更具體地，X-感測(cè)電極92檢測(cè)作為陀螺儀20圍繞其輸入軸具體上圍繞Y軸44的角速度的輸出信號(hào)。類(lèi)似地，Y-感測(cè)電極98檢測(cè)作為陀螺儀20圍繞其輸入軸具體上圍繞X軸40的角速度的輸出信號(hào)。在MEMS陀螺儀中的諧振模式的、也被稱(chēng)為靜電調(diào)諧的頻率調(diào)諧通常被實(shí)現(xiàn)為用于補(bǔ)償產(chǎn)生失諧的諧振的制造偏差的手段。在一個(gè)實(shí)施例中，可以向X-調(diào)諧電極94和/或Y-調(diào)諧電極100施加調(diào)諧電壓，以補(bǔ)償這些制造偏差。 X-調(diào)諧電極和Y-調(diào)諧電極94和100被定位得相對(duì)于X-感測(cè)電極92和Y-感測(cè)電極98的位置更接近它們各自的X-旋轉(zhuǎn)軸40和Y-旋轉(zhuǎn)軸44。當(dāng)感測(cè)質(zhì)量塊32圍繞X-旋轉(zhuǎn)軸40振蕩時(shí)，X-感測(cè)電極92相對(duì)于圍繞Y-旋轉(zhuǎn)軸44的角速度的靈敏度是在感測(cè)質(zhì)量塊32和襯底26之間 的間隙寬度上的改變的函數(shù)。并且，這個(gè)間隙寬度是角速度和到X-旋轉(zhuǎn)軸40的距離的函數(shù)。因此，感測(cè)質(zhì)量塊32對(duì)于角速度的最高靈敏度的區(qū)域是相距X-旋轉(zhuǎn)軸40最遠(yuǎn)的“外側(cè)”區(qū)域。因此，X-感測(cè)電極94位于這些外側(cè)區(qū)域處，以產(chǎn)生更大的信號(hào)，并且因此增強(qiáng)陀螺儀20對(duì)于圍繞Y-旋轉(zhuǎn)軸44的角速度的靈敏度。同樣，當(dāng)感測(cè)質(zhì)量塊36圍繞Y-旋轉(zhuǎn)軸44振蕩時(shí)，Y-感測(cè)電極100對(duì)于圍繞X-旋轉(zhuǎn)軸40的角速度的靈敏度是在感測(cè)質(zhì)量塊36和襯底26之間的間隙寬度上的改變的函數(shù)。并且，這個(gè)間隙寬度是角速度和相距X-旋轉(zhuǎn)軸40的距離的函數(shù)。而且，Y-感測(cè)電極100的形狀對(duì)應(yīng)于感測(cè)質(zhì)量塊36的矩形結(jié)構(gòu)。感測(cè)質(zhì)量塊36對(duì)于角速度的最高靈敏度的區(qū)域是與Y-旋轉(zhuǎn)軸44相距最遠(yuǎn)的“外側(cè)”區(qū)域。Y-感測(cè)電極100位于這些外側(cè)區(qū)域處且處在由感測(cè)質(zhì)量塊36的矩形配置實(shí)現(xiàn)的更大的區(qū)域中，以產(chǎn)生更大的信號(hào)，并且因此增強(qiáng)陀螺儀20對(duì)于圍繞X-旋轉(zhuǎn)軸40的角速度的靈敏度。如上提供的示例是雙軸感測(cè)回轉(zhuǎn)盤(pán)陀螺儀。本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員容易明白，在替代實(shí)施例中，可以提供單軸陀螺儀配置，其不包括感測(cè)質(zhì)量塊36，但是仍然實(shí)現(xiàn)與彈簧錨定結(jié)構(gòu)30、扭轉(zhuǎn)彈簧38和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)68的“內(nèi)部”位置相關(guān)聯(lián)的益處。另外，上面提供的示例示出用于位于在0、90、180和270度方位的各個(gè)旋轉(zhuǎn)軸上的扭轉(zhuǎn)彈簧38和42的每一個(gè)的直條。在替代實(shí)施例中，扭轉(zhuǎn)彈簧38和/或42可以采用其他結(jié)構(gòu)配置，諸如折疊的彈簧。而且，扭轉(zhuǎn)彈簧可以位于在驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊28與感測(cè)質(zhì)量塊32和36之間的其他適當(dāng)位置處。另外，回轉(zhuǎn)盤(pán)陀螺儀20被圖示為具有兩個(gè)不同的電極類(lèi)型，即，感測(cè)電極92和98與調(diào)諧電極94和100。然而，應(yīng)當(dāng)明白，在替代實(shí)施例中，可以提供另外的電極類(lèi)型以用于力反饋和/或正交補(bǔ)償?？傊?，本發(fā)明的實(shí)施例實(shí)現(xiàn)采用具有一個(gè)或多個(gè)蹺蹺板類(lèi)型的感測(cè)質(zhì)量塊的陀螺儀的形式的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)慣性傳感器裝置。具體說(shuō)，回轉(zhuǎn)盤(pán)陀螺儀包括扭轉(zhuǎn)彈簧、驅(qū)動(dòng)電極和驅(qū)動(dòng)質(zhì)量錨定結(jié)構(gòu)，它們?nèi)课挥谠谥醒敫袦y(cè)質(zhì)量中的低靈敏度區(qū)域處形成的切除區(qū)域中。另外，陀螺儀可以包括第二矩形外部感測(cè)質(zhì)量塊來(lái)取代傳統(tǒng)的環(huán)形感測(cè)質(zhì)量塊，以得到雙軸陀螺儀配置。這些特征可以實(shí)現(xiàn)更高效的芯片區(qū)域利用，降低對(duì)于封裝應(yīng)力的敏感度，并且提高裝置靈敏度。雖然已經(jīng)詳細(xì)圖示和描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但是對(duì)于本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員容易且顯然地，在不偏離本發(fā)明的精神或不偏離所附的權(quán)利要求的范圍的情況下，可以在其中進(jìn)行各種修改。即，應(yīng)當(dāng)明白，示例性實(shí)施例僅是示例，并且不意欲限制本發(fā)明的范圍、適用性或配置。
權(quán)利要求
1.一種陀螺儀，包括 具有表面的襯底； 驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊，其柔性地耦合到所述襯底的表面，所述驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊具有中央開(kāi)口 ； 感測(cè)質(zhì)量塊，其駐留在所述中央開(kāi)口中，并且被配置來(lái)圍繞一旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，所述感測(cè)質(zhì)量塊包括與所述旋轉(zhuǎn)軸接近的切除區(qū)域； 扭轉(zhuǎn)彈簧，用于將所述感測(cè)質(zhì)量塊連接到所述驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊；以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其至少部分地駐留在所述切除區(qū)域中，用于致動(dòng)所述驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊以便以振蕩運(yùn)動(dòng)來(lái)移動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陀螺儀，其中，所述切除區(qū)域作為切口區(qū)域從所述感測(cè)質(zhì)量塊的外周向內(nèi)延伸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陀螺儀，其中，所述旋轉(zhuǎn)軸延伸通過(guò)所述切除區(qū)域。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陀螺儀，其中，所述切除區(qū)域包括在徑向上定向并且在所述旋轉(zhuǎn)軸的相對(duì)側(cè)上延伸的第一和第二邊緣。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陀螺儀，其中，所述扭轉(zhuǎn)彈簧的至少一個(gè)部分地駐留在所述切除區(qū)域中，并且與所述旋轉(zhuǎn)軸對(duì)齊。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陀螺儀，其中，所述切除區(qū)域是第一切除區(qū)域，并且所述感測(cè)質(zhì)量塊進(jìn)一步包括與所述旋轉(zhuǎn)軸接近的第二切除區(qū)域，所述第一和第二切除區(qū)域被相對(duì)于彼此基本上對(duì)稱(chēng)地定位在所述感測(cè)質(zhì)量塊中垂直于所述旋轉(zhuǎn)軸的軸的相對(duì)側(cè)上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的陀螺儀，其中，所述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括 在所述第一切除區(qū)域中駐留的第一組驅(qū)動(dòng)元件；以及 在所述第二切除區(qū)域中駐留的第二組驅(qū)動(dòng)元件，所述第二組驅(qū)動(dòng)元件與所述第一組驅(qū)動(dòng)元件協(xié)作地運(yùn)行，以便利用所述振蕩運(yùn)動(dòng)來(lái)移動(dòng)所述驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陀螺儀，其中，所述驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊的內(nèi)周限定所述中央開(kāi)口，并且所述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括 第一梳齒，其從所述驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊的所述內(nèi)周延伸到所述切除區(qū)域內(nèi)；以及第二梳齒，其被固定到所述襯底的所述表面，所述第二梳齒與所述第一梳齒隔開(kāi)，并且以與所述第一梳齒的交錯(cuò)布置被定位。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的陀螺儀，其中，所述第一和第二梳齒位于所述切除區(qū)域中與所述扭轉(zhuǎn)彈簧的至少一個(gè)相鄰處。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陀螺儀，其中，所述驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊的內(nèi)周限定所述中央開(kāi)口，并且所述陀螺儀進(jìn)一步包括 錨，其耦合到在所述切除區(qū)域下的所述襯底的所述表面；以及彈簧元件，其被配置來(lái)將所述驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊緊固到所述錨，所述彈簧元件的每一個(gè)在所述驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊的所述內(nèi)周和所述錨的相應(yīng)一個(gè)之間延伸，以形成多個(gè)彈簧錨定結(jié)構(gòu)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陀螺儀，其中，所述感測(cè)質(zhì)量塊是第一感測(cè)質(zhì)量塊，所述扭轉(zhuǎn)彈簧是第一扭轉(zhuǎn)彈簧，并且所述陀螺儀進(jìn)一步包括 圍繞所述驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊的第二感測(cè)質(zhì)量塊；以及 第二扭轉(zhuǎn)彈簧，其將所述第二感測(cè)質(zhì)量塊連接到所述驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的陀螺儀，其中所述驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊是環(huán)形結(jié)構(gòu)；以及 所述第二感測(cè)質(zhì)量塊是矩形結(jié)構(gòu)，所述第二感測(cè)質(zhì)量塊具有中央開(kāi)口，所述中央開(kāi)口被配置來(lái)容納所述驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊的所述環(huán)形結(jié)構(gòu)。
13.—種陀螺儀，包括 具有表面的襯底； 驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊，其柔性地耦合到所述襯底的表面，所述驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊具有中央開(kāi)口 ； 感測(cè)質(zhì)量塊，其駐留在所述中央開(kāi)口中，并且被配置來(lái)圍繞一旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，所述感測(cè)質(zhì)量塊包括與所述旋轉(zhuǎn)軸接近的第一和第二切除區(qū)域，所述第一和第二切除區(qū)域被相對(duì)于彼此基本上對(duì)稱(chēng)地定位在所述感測(cè)質(zhì)量塊中垂直于所述旋轉(zhuǎn)軸的軸的相對(duì)側(cè)上； 第一扭轉(zhuǎn)彈簧，其部分地駐留在所述第一切除區(qū)域中； 第二扭轉(zhuǎn)彈簧，其部分地駐留在所述第二切除區(qū)域中，所述第一和第二扭轉(zhuǎn)彈簧將所述感測(cè)質(zhì)量塊連接到所述驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊，所述第一和第二扭轉(zhuǎn)彈簧的每一個(gè)與所述旋轉(zhuǎn)軸對(duì)齊；以及 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其至少部分地駐留在所述第一和第二切除區(qū)域的至少一個(gè)中，用于致動(dòng)所述驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊以便以振蕩運(yùn)動(dòng)來(lái)移動(dòng)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的陀螺儀，進(jìn)一步包括 錨，其耦合到在所述第一和第二切除區(qū)域的每一個(gè)下的所述襯底的所述表面；以及彈簧元件，其被配置來(lái)將所述驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊緊固到所述錨，所述彈簧元件的每一個(gè)在所述驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊的內(nèi)周和所述錨的相應(yīng)一個(gè)之間延伸，以形成多個(gè)彈簧錨定結(jié)構(gòu)。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的陀螺儀，其中，所述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括 在所述第一切除區(qū)域中駐留的第一組驅(qū)動(dòng)元件；以及 在所述第二切除區(qū)域中駐留的第二組驅(qū)動(dòng)元件，所述第二組驅(qū)動(dòng)元件與所述第一組驅(qū)動(dòng)元件協(xié)作地運(yùn)行，以便利用所述振蕩運(yùn)動(dòng)來(lái)移動(dòng)所述驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的陀螺儀，其中，所述第一和第二組驅(qū)動(dòng)元件的每一組包括 第一梳齒，其從所述驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊的內(nèi)周延伸到所述第一和第二切除區(qū)域的相應(yīng)一個(gè)內(nèi)；以及 第二梳齒，其被固定到所述襯底的所述表面，所述第二梳齒與所述第一梳齒隔開(kāi)，并且以與所述第一梳齒的交錯(cuò)布置被定位。
17.—種陀螺儀，包括 具有表面的襯底； 驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊，其柔性地耦合到所述襯底的表面，所述驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊具有中央開(kāi)口 ； 感測(cè)質(zhì)量塊，其駐留在所述中央開(kāi)口中，并且被配置來(lái)圍繞一旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，所述感測(cè)質(zhì)量塊包括與所述旋轉(zhuǎn)軸接近的第一和第二切除區(qū)域，所述第一和第二切除區(qū)域的每一個(gè)作為切口區(qū)域從所述感測(cè)質(zhì)量塊的外周向內(nèi)延伸； 第一扭轉(zhuǎn)彈簧，其部分地駐留在所述第一切除區(qū)域中； 第二扭轉(zhuǎn)彈簧，其部分地駐留在所述第二切除區(qū)域中，所述第一和第二扭轉(zhuǎn)彈簧將所述感測(cè)質(zhì)量塊連接到所述驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊，并且所述第一和第二扭轉(zhuǎn)彈簧與所述旋轉(zhuǎn)軸對(duì)齊；以及 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其至少部分地駐留在所述第一和第二切除區(qū)域中，用于致動(dòng)所述驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊以便以振蕩運(yùn)動(dòng)來(lái)移動(dòng)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的陀螺儀，其中，所述驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊的內(nèi)周限定所述中央開(kāi)口，并且所述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括 第一梳齒，其從所述驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊的所述內(nèi)周延伸到所述第一和第二切除區(qū)域的相應(yīng)一個(gè)內(nèi)；以及 第二梳齒，其被固定到所述襯底的所述表面，所述第二梳齒與所述第一梳齒隔開(kāi)，并且以與所述第一梳齒的交錯(cuò)布置被定位。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的陀螺儀，進(jìn)一步包括 錨，其耦合到在所述第一和第二切除區(qū)域下的所述襯底的所述表面；以及 彈簧元件，其被配置來(lái)將所述驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊緊固到所述錨，所述彈簧元件的每一個(gè)在所述驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊的所述內(nèi)周和所述錨的相應(yīng)一個(gè)之間延伸，以形成與所述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和所述第一和第二扭轉(zhuǎn)彈簧共同位于所述第一和第二切除區(qū)域中的多個(gè)彈簧錨定結(jié)構(gòu)。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的陀螺儀，其中，所述感測(cè)質(zhì)量塊是第一感測(cè)質(zhì)量塊，并且所述陀螺儀進(jìn)一步包括 第二感測(cè)質(zhì)量塊，其圍繞所述驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊；以及 第三扭轉(zhuǎn)彈簧，其將所述第二感測(cè)質(zhì)量塊連接到所述驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊，所述驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊是環(huán)形結(jié)構(gòu)，所述第二感測(cè)質(zhì)量塊具有中央開(kāi)口，所述中央開(kāi)口被配置來(lái)容納所述驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊的所述環(huán)形結(jié)構(gòu)，并且所述第二感測(cè)質(zhì)量塊是矩形結(jié)構(gòu)。
全文摘要
回轉(zhuǎn)盤(pán)陀螺儀(20)包括驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊(28)和感測(cè)質(zhì)量塊(32)。感測(cè)質(zhì)量塊(32)包括位于旋轉(zhuǎn)軸(40)附近的切除區(qū)域(46，48)。位于切除區(qū)域(46，48)中的扭轉(zhuǎn)彈簧(38)將感測(cè)質(zhì)量塊(32)連接到驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊(28)。扭轉(zhuǎn)彈簧(38)使得感測(cè)質(zhì)量塊(32)能夠響應(yīng)于陀螺儀(20)的角速度來(lái)圍繞旋轉(zhuǎn)軸(40)旋轉(zhuǎn)。彈簧錨定結(jié)構(gòu)(30)也位于切除區(qū)域(46，48)中，并且柔性地將驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊(28)耦合到襯底(22)。另外，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(68)駐留在切除區(qū)域(46，48)中，并且致動(dòng)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊(28)以便以振蕩運(yùn)動(dòng)來(lái)移動(dòng)。在雙軸配置中，陀螺儀(20)進(jìn)一步包括圍繞盤(pán)形驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊(28)的矩形第二感測(cè)質(zhì)量塊(36)。
文檔編號(hào)G01C19/5712GK103033177SQ201210369230
公開(kāi)日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2012年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月5日
發(fā)明者林毅楨 申請(qǐng)人:飛思卡爾半導(dǎo)體公司