製作具有垂直集成電子產品及晶片規模氣密封裝的x-y軸雙質量塊調諧叉陀螺儀的方法

2023-07-31 10:44:11 3

專利名稱：製作具有垂直集成電子產品及晶片規模氣密封裝的x-y軸雙質量塊調諧叉陀螺儀的方法
技術領域：
本發明涉及角速度傳感器，且更特定來說涉及具有兩個振蕩檢測質量塊的平 面內角速度傳感器。
背景技術：
常常使用慣性傳感器來執行對角速度的感測。廣泛地說，慣性角速度傳感器 通過驅動所述傳感器進行第一運動並測量所述傳感器的第二運動來起作用，所述 第二運動響應於所述第一運動及待感測的角速度兩者。
常常由致動器驅動傳感器內的質量塊(通常稱作檢測質量塊)使其振蕩。傳 感器的旋轉向振蕩質量塊傳遞科裡奧利(Coriolis)力，所述科裡奧利(Coriolis) 力與角速度(或旋轉速率)成比例且取決於角速度向量相對於所述檢測質量塊的 速度向量的定向。所述科裡奧利(Coriolis)力、所述角速度向量及所述質量速度 向量相互垂直。例如，在繞Y軸旋轉的傳感器內沿X方向移動的檢測質量塊會 經受Z方向上的科裡奧利(Coriolis)力。類似地，在繞Z軸旋轉的傳感器內沿X 方向移動的檢測質量塊會經受Y方向上的科裡奧利(Coriolis)力。最後，在繞X 軸旋轉的傳感器內沿X方向移動的檢測質量塊不會經受科裡奧利(Coriolis)力。 傳遞給檢測質量塊的科裡奧利(Coriolis)力通常是通過測量傳感器內響應於所述 科裡奧利(Coriolis)力的運動而間接感測到的。
最近，微機械加工技術(也稱作MEMS技術)的發展己導致各種MEMS角 速度慣性傳感器的發展。MEMS技術主要是一種平面技術，其中適用於驅動平面 內運動的MEMS致動器往往與適用於驅動平面外運動的MEMS致動器顯著地不 同。類似地，適用於測量響應於科裡奧利(Coriolis)力的平面內運動的MEMS 傳感器往往與適用於測量響應於科裡奧利(Coriolis)力的平面外運動的MEMS 傳感器顯著地不同。這些不同既是結構上的不同也是性能上的不同。
為檢測由上述質量速度、角速度及科裡奧利(Coriolis)力的相互垂直而引 起的平面內角速度分量，平面內MEMS角速度傳感器必須驅動平面外運動或感 測平面外運動。相反，為檢測平面外角速度分量，平面外MEMS角速度傳感器 可驅動並感測兩個垂直的平面內運動。由於MEMS技術的平面性質，平面內 MEMS傳感器與平面外MEMS傳感器往往顯著地不同。
5某些已知的平面內MEMS角速度傳感器具有兩個經驅動以進行振蕩的檢測 質量塊。例如，卡代爾萊(Cardarelli)的美國專利第6,481,283號教示了一種平 面內MEMS傳感器。在卡代爾萊(Cardarelli)的坐標中，裝置平面為YZ平面。 在第一實施例中，卡代爾萊(Cardarelli)教示了沿+AY方向(即，平面內)顫動 的兩個質量塊。繞Z軸的角速度導致所述兩個質量塊上的X方向上的科裡奧利 (Coriois)力。所述兩個質量塊附裝到可繞Z軸旋轉的常平架以使質量塊上X 方向上的力向所述常平架提供Z方向上的扭矩。使所述兩個質量塊顫動以具有相 反方向的速度，因此所述兩個科裡奧利(Coriolis)力向繞Z軸的常平架提供淨扭 矩。感測常平架繞Z軸的運動。
在第二實施例中，卡代爾萊(Cardarelli)教示了沿+AX方向(即，平面外) 顫動的兩個質量塊。繞Z軸的角速度導致所述兩個質量塊上Y方向上的科裡奧利 (Coriolis)力。所述兩個質量塊附裝到可繞Z軸旋轉的常平架以使質量塊上Y 方向上的力向常平架提供Z方向上的扭矩。使所述兩個質量塊顫動以具有相反方 向的速度，因此所述兩個科裡奧利(Coriolis)力向繞Z軸的常平架提供淨扭矩。 感測常平架繞Z軸的運動。
具有兩個經驅動以進行振蕩的檢測質量塊的另一已知平面內MEMS角速度 傳感器教示於麥考爾(McCall)等人的美國專利第6,508,122號中。麥考爾(McCa11)
等人教示了一種具有橫向設置於裝置平面中並沿此平面方向相對於彼此異相顫 動的兩個不相互連接的質量塊的平面內MEMS傳感器。為明確起見，令裝置平 面為XY平面，且令所述顫動為沿X方向。由於Z方向上的科裡奧利(Coriolis) 力，當使傳感器繞Y軸旋轉時質量塊沿Z方向振蕩。感測所述質量塊Z方向上 的振蕩。
卡代爾萊(Cardarelli)與麥考爾(McCall)等人的方法的動機都來源於抑制 來自角速度測量的"共模"幹擾的願望。例如，在受到與待感測的科裡奧利 (Coriolis)力相同方向上的線性加速度影響時，具有單個檢測質量塊的角速度傳 感器可記錄不正確的讀數。如果有兩個質量塊，則響應於科裡奧利(Coriolis)力 但通常不響應於與科裡奧利(Coriolis)力相同方向上的線性加速度的各種布置是 可能的，其中包含上文提到的布置。通常，這種布置取決於驅動所述兩個質量塊 使其速度總是相等且相反。任何背離相等及相反速度的情況都是不利的，因為這 一背離減小了對科裡奧利(Coriolis)力的所期望響應且增大了對線性加速度的不 期望響應。
然而，在實踐中並不是直接地驅動具有相等及相反速度的兩個質量塊。例如， 兩個名義上相同且同樣安裝的質量塊在實踐中可不同，因此以相同的致動驅使這 兩個質量塊提供不相等且相反的速度。致動器在有效性上往往也不同，因此即使 兩個質量塊相同且同樣安裝，連接到所述兩個質量塊的致動器的變化也可提供不 相等且相反的質量速度。類似地，連接到致動器的電路可不相同，等等。因此，己知的兩質量塊平面內角速度傳感器通常尚未完全實現兩質量塊配置所預示的 共模抑制。
目的及優點
本發明的一個目標是提供因機械地抑制兩個質量塊沿相反方向移動而具有 改善的測量精確度的平面內角速度傳感器，以此改良共模抑制。
本發明的另一目標是提供因感測及驅動電子產品的垂直集成而具有降低的 成本的角速度傳感器。
本發明的又一目標是提供具有低成本氣密封裝的角速度傳感器。
本發明的再一目標是提供因使用提供具有增大的行程距離的較大檢測質量 塊的體MEMS技術而具有改善的性能的角速度傳感器。
本發明的另一目標是提供通過使用具有附裝到質量塊的杆臂的扭矩安裝及 靜電驅動板以增大質量塊行程距離而具有改善的性能及降低的成本的角速度傳 感器。
本發明的又一目標是提供具有集成到同一裝置電路小片上的X軸角速度傳 感器及Y軸角速度傳感器的低成本雙軸平面內陀螺儀模塊。

發明內容
一般來說，在一個方面中，本說明書描述了用於測量X-Y傳感器平面中的 角速度的X及Y分量的雙軸傳感器。所述雙軸傳感器包含用於測量角速度的X 分量的第一子傳感器及用於測量角速度的Y分量的第二子傳感器。用於測量角速 度的X分量的所述第一子傳感器及用於測量角速度的Y分量的所述第二子傳感 器含納於所述雙軸傳感器內的單個氣密密封內。
特定的實施方案可包含以下特徵中的一個或一個以上。第一子傳感器及第二 子傳感器可由所述單個氣密密封內的勢壘密封分隔開。所述勢壘密封可減小第一 子傳感器與第二子傳感器之間的聲耦合。所述勢壘密封可包含形成於其中的一個
或一個以上溝道以準許單個氣密密封內的第一子傳感器與第二子傳感器兩者上 的壓力均衡。可使用體矽製造來製造所述雙軸傳感器。第一子傳感器及第二子傳 感器可含納於所述雙軸傳感器的矩形空腔內。所述雙軸傳感器可進一步包含形成
於所述矩形空腔上方的隔膜。所述雙軸傳感器可進一步包含一個或一個以上支柱 來支撐空腔中的隔膜。
所述雙軸傳感器可進一步包含一個或一個以上支柱來支持與所述雙軸傳感 器相關聯的參考晶片的晶片級集成，其中所述參考晶片形成單個氣密密封的下部 部分。所述一個或一個以上支柱可在製造與第一子傳感器及第二子傳感器相關聯 的機械元件期間提供對隔膜的臨時支撐。所述雙軸傳感器可進一步包含感測模式 頻率的應力隔離特徵。所述應力隔離特徵可包含一個或一個以上梁。所述雙軸傳
7感器可進一步包含用於在製造所述雙軸傳感器期間保持穩健性的應力隔離特徵。 雙軸傳感器的傳感模式頻率可小於所述雙軸傳感器的驅動模式頻率。所述雙軸傳 感器可進一步包含一框架來限定與第一子傳感器及第二子傳感器相關聯的機械 元件的運動，所述框架包含一個或一個以上連接片或凹槽。
所述第一子傳感器可包含第一感測子組合件；第一致動器，其用於以一驅 動頻率驅動所述第一感測子組合件的第一部分使其振蕩；及第一變換器，其用於
感測所述第一感測子組合件的第二部分響應於角速度的X分量的運動。所述第二 子傳感器可包含第二感測子組合件；第二致動器，其用於以一驅動頻率驅動所 述第二感測子組合件的第一部分使其振蕩；及第二變換器，其用於感測所述第二 感測子組合件的第二部分響應於角速度的Y分量的運動。第一及第二連杆可經設 計以使得在存在不期望的Z軸運動時由雙軸傳感器內的連接片及凹槽限定橫向運 動。所述第一及第二連杆可包含一個或一個以上梁。可間接地感測與雙軸傳感器 相關聯的第一、第二、第三及第四質量塊的驅動運動。可間接地驅使所述第一、 第二、第三及第四質量塊。
所述雙軸傳感器可進一步包含一個或一個以上分裂式電極來間接地驅使第 一、第二、第三及第四質量塊。 一個或一個以上分裂式電極可位於與雙軸傳感器 相關聯的邊緣板上。所述雙軸傳感器可進一步包含設置在第一及第二框架上以有 差別地感測第一及第二框架的運動的一個或一個以上電極。所述雙軸傳感器可操 作以驅動Z軸運動來以自測試模式感測與雙軸陀螺儀相關聯的諧振。所述雙軸傳 感器可進一步包含一個或一個以上屏蔽以用屏蔽將與第一子傳感器及第二子傳 感器相關聯的一個或一個以上機械元件與電磁幹擾(EMI)隔開。第一子傳感器 及第二子傳感器可以分隔開多於500 Hz的頻率來操作。所述雙軸傳感器可進一 步包含一個或一個以上致動器以在用於測量與雙軸傳感器相關聯的感測模式頻 率的自測試操作模式期間驅使雙軸傳感器的框架的旋轉。所述一個或一個以上致 動器中的每一者均可為靜電致動器。所述靜電致動器中的一個或一個以上靜電致 動器可利用平行板電極配置或梳指狀電極配置。


圖1示意性地顯示根據本發明一個實施例的陀螺儀晶片的平面圖。
圖2示意性地顯示本發明實施例的剖視圖，其中包含圖1的陀螺儀晶片沿線 I的剖視圖。
圖3示例性地顯示用於顯示優選撓性件配置的細節的平面圖。 圖4示意性地顯示圖3的撓性件配置沿線II的剖視圖。 圖5示意性地顯示適於用於本發明的兩電極配置。 圖6示意性地顯示圖1的陀螺儀晶片的一部分的放大圖。圖7a、 7b、 7c、 7d、 7e及7f示意性地顯示製作根據本發明實施例的冠狀晶 片的處理步驟。
圖8a、 8b、 8c及8d示意性地顯示製作根據本發明實施例的冠狀晶片與陀螺
儀晶片的組合件的處理步驟。
圖9a及9b示意性地顯示製作根據本發明實施例的參考晶片的處理步驟。 圖10a及10b示意性地顯示製作根據本發明實施例的冠狀晶片、陀螺儀晶片
與參考晶片的組合件的處理步驟。
圖Ua及1 lb示意性地顯示在操作中圖2的配置如何移動。
圖12示意性地顯示位於根據本發明實施例的參考晶片上的電極布置。
圖13示意性地顯示本發明的雙軸實施例。
圖14a及圖14b示意性地顯示具有四個檢測質量塊的本發明實施例。 圖15示意性地顯示具有矩形框架的本發明實施例。
圖16a及16b示意性地顯示同樣適於實踐本發明的兩個其它撓性件配置(除 圖1的配置之外)。
圖n示意性地顯示本發明的雙軸實施例。
圖18a及18b分別圖解說明根據本發明一個實施例包含支柱的陀螺儀晶片的 剖視圖及平面圖。
圖19示意性地顯示根據本發明一個實施例的陀螺儀晶片的平面圖。 圖20圖解說明圖19的陀螺儀的一部分的放大圖。
圖21示意性地圖解說明幫助限定根據一個實施例的陀螺儀的機械元件的運 動的幹擾。
圖22圖解說明用於感測根據本發明一個實施例的質量塊的運動的邊緣板及 電極的平面圖。
圖23圖解說明用於感測根據本發明一個實施例的質量塊的運動的邊緣板及 電極的平面圖。
圖24圖解說明隨時間產生於邊緣板上的扭力的圖式。
具體實施例方式
圖1示意性地顯示根據本發明一個實施例的陀螺儀晶片20的平面圖。在圖 1的實施例中，圖上指示的各種元件優選地由單個矽晶片製造而成。首先考慮陀 螺儀晶片20的機械配置，然後考慮其操作。最後將論述陀螺儀晶片20的製造。
離體
在圖l的實施例中，中心板28通過扭轉鉸鏈28A附裝到框架34,從而準許 中心板28繞圖1上的X軸旋轉。鉸鏈28A也可向板28提供恢復扭矩，所述恢 復扭矩可將板28的位置恢復到X-Y平面中的標稱位置。檢測質量塊22通過鉸鏈
958附裝到中心板28，且檢測質量塊24通過鉸鏈56附裝到中心板28。中心板28、 檢測質量塊22與檢測質量塊24的子組合件一起構成連杆，以使檢測質量塊22 及24必要地沿Z軸上的相反方向移動。
優選地，可將額外元件如下併入到所述連杆中將第一邊緣板26通過鉸鏈 60附裝到檢測質量塊22，且通過扭轉鉸鏈26A附裝到框架34;及將第二邊緣板 30通過鉸鏈54附裝到檢測質量塊24,且通過扭轉鉸鏈30A附裝到框架34。扭 轉鉸鏈26A及30A分別準許板26及30繞圖1上的X軸旋轉，且還可分別向板 26及30提供恢復扭矩，所述恢復扭矩可將板26及30的位置恢復到其在X-Y平 面中的標稱位置。
框架34通過多個撓性件32附裝到基座36。撓性件32經布置以在其繞Z軸 旋轉到不同於其標稱位置的位置時向框架34提供恢復扭矩。圖1顯示繞框架34 的圓周對稱設置的四個撓性件32。雖然提供對框架34的良好機械支撐的對稱撓 性件配置(例如圖1的配置)是優選的，但本發明不需要這一撓性件配置。
可使用設置在框架34與基座36之間且連接到這二者的電容性傳感器來感測 框架34相對於基座36的旋轉。或者，可使用設置在框架34與基座36之間且連 接到這二者的靜電致動器來驅動框架34使其繞Z軸進行角振蕩。所屬技術領域 中己知用於這種電容性傳感器及靜電致動器的各種配置，且在許多情況下，特定 的電極配置可提供其中任一功能。
在圖5上，將適於感測及/或驅動框架34相對於基座36的相對角運動的兩 個例示性電極配置示意性地圖解說明為38A、 38B及38C以及40A、 40B及40C。 這些或類似的電極配置可優選地繞框架34的圓周對稱設置。實踐本發明並不需 要任何特定的電極配置。
圖1上的框架34內的元件(即，包含質量塊22及24，以及板26、 28及30 的優選連杆)僅通過鉸鏈26A、 28A及30A附裝到框架34。在框架34與質量塊 22及24之間有一間隙。除了在這些鉸鏈的附裝點處之外，框架34與板26、 28 及30之間也有一間隙。這些間隙足夠大以準許所述連杆穿過其設計範圍移動而 不與框架34發生碰撞。圖1上沒有顯示這些間隙。
圖2示意性地顯示本發明實施例的剖視圖。此剖視圖包含圖1的陀螺儀晶片 20沿線I的剖視圖。圖1的陀螺儀晶片20優選地附加到冠狀晶片42且附加到參 考晶片44，以使陀螺儀晶片20如圖2所示夾在冠狀晶片42與參考晶片44之間。 在此配置中，冠狀晶片42與參考晶片44 一起保護陀螺儀晶片20不受周圍環境 影響，由此增大傳感器的可靠性及穩固性。此外，可製作陀螺儀晶片20與晶片 42及44之間的接合以提供陀螺儀晶片20的關鍵元件(例如移動質量塊22及24) 與周圍環境之間的密閉勢壘。
結合圖2、 lla及lib可最好地理解包含質量塊22及24以及板26、 28及30 的連杆的運動。圖2上的點26B、 28B及30B分別與扭轉鉸鏈26A、 28A及30A對準，因此板26、 28及30可分別繞點26B、 28B及30B在圖2的平面(Y-Z平 面)中旋轉。此連杆的各組件通過撓性鉸鏈54、 56、 58及60連接在一起，所述 鉸鏈可約束相鄰組件的相對平移，但允許相鄰組件在Y-Z平面中的相對旋轉。
因此，當質量塊22沿圖2上的+Z方向移動(即，在圖2上向上移動)時， 板28繞點28B順時針方向旋轉且質量塊24 —定沿-Z方向運動，而板26及30 逆時針方向旋轉，如圖llb所示。同樣，當質量塊22沿-Z方向移動時，板28逆 時針方向旋轉，且質量塊24沿+Z方向移動，而板26及30順時針方向旋轉，如 圖lla所示。換句話說，由質量塊22、質量塊24及板26、 28及30形成的連杆 確保質量塊22及24必要地沿Z軸上的相反方向移動。如上所述，在框架34與 板26之間且在框架34與板30之間有間隙，這在圖2上可顯而易見。
冠狀晶片42及參考晶片44附裝到陀螺儀晶片20的基座36，且不與陀螺儀 晶片20的任何其它組件發生接觸，如圖2所示。由於撓性件32及框架34不與 冠狀晶片42或與參考晶片44發生接觸，因而這些晶片不會干擾框架34繞Z軸 的旋轉。在圖2上將參考晶片44與基座36之間的連接示意性地指示為46。連接 46既是參考晶片44與基座36之間的機械連接，也是參考晶片44與基座36之間 的電連接。以此方式將參考晶片44上的電路連接到陀螺儀晶片20上的感測/驅動 構件，例如圖5上的電極38A、 38B、 38C或電極40A、 40B、 40C。
電極48A及48B定位於板30下面的參考晶片44上。電極48A及48B定位 於板30的旋轉軸(圖2上指示為點30B)的任一側上。類似地，電極50A及50B 定位於板28下面，且電極52A及52B定位於板26下面。
圖3示意性地顯示圖1上的撓性件32的優選配置的更詳細平面圖。在圖3 的配置中，撓性件32包括彈簧32'及基座撓性安裝件66。如圖3上所指示，彈簧 32'到安裝件66的附裝點凹陷到安裝件66中，對於框架34也是類型情況，以減 小從安裝件66到彈簧32'及從框架34到彈簧32'表面應力的耦合。
基座撓性安裝件66被基座隔離溝槽41A環繞，基座隔離溝槽41A用於將撓 性件32與基座36內的應力機械地隔離。這種應力可由於封裝及/或接合工藝、熱 膨脹等而由冠狀晶片42及參考晶片44傳到基座36。圖3上還顯示基座連接片 62，其與框架凹槽64嚙合。如圖3上示意性地指示，框架凹槽64略大於基座連 接片62的寬度，因此框架34可在基座連接片62與框架凹槽64的壁發生碰撞之 前僅在某一選定範圍內相對於基座36旋轉。選擇此選定範圍以確保撓性件32不 會因選定範圍內的運動而損壞。以此方式，連接片62與凹槽64的組合提供對撓 性件32的保護。
在圖4的剖視圖中顯示了撓性件32的優選配置的進一步細節，圖4的剖視 圖包含圖3沿線II的剖視圖。線II與彈簧32'直接相鄰，但不穿過彈簧32'，這是 在圖4中未將彈簧32'顯示為剖面的原因。在一個實施例中，基座撓性安裝件66 附加到冠狀晶片42且經由連接46B連接到參考晶片44。以此方式，撓性件32連接到冠狀晶片42及參考晶片44並與基座36隔離。這樣是有利的，因為冠狀 晶片42及參考晶片44通常比基座36厚許多(陀螺儀晶片20的典型厚度僅為50 微米)，且因此為錨定撓性件32提供更強的機械剛性。圖4上還顯示參考隔離溝 槽41C及冠狀隔離溝槽41B。參考隔離溝槽41C用於將撓性件32與參考晶片44 頂部表面(即，接合到基座36的參考晶片44的表面)中可能存在的應力隔離。 類似地，冠狀隔離溝槽41B用於將撓性件32與冠狀晶片42的底部表面(即，接 合到基座36的冠狀晶片42的表面)中可能存在的應力隔離。雖然圖3及圖4的 撓性件配置(其中撓性件32包括彈簧32'及基座安裝件66)是優選的，但其對於 實踐本發明來說不是必要的。
圖6示意性地顯示陀螺儀晶片20的一部分的放大平面圖，其更詳細地顯示 扭轉鉸鏈26A及撓性鉸鏈60的優選配置。如圖6上顯示，板26通過扭轉鉸鏈 26A附裝到框架34。如此配置扭轉鉸鏈26A以使板26可繞連接扭轉鉸鏈26A的 中心的軸旋轉。如圖6上顯示，板26中形成狹槽以增大扭轉鉸鏈26A的長度。 這是為減小扭轉鉸鏈26A上所需的應變以容納板26的既定旋轉而完成的。
板26由撓性鉸鏈60連接到質量塊22。如此配置撓性鉸鏈60以使板22可 相對於質量塊26而傾斜(反之亦然)。如圖6上顯示，為減小撓性鉸鏈60上所 需的應變以容納質量塊22相對於板26的既定傾斜，在質量塊22中形成狹槽以 增大撓性鉸鏈60的長度。
撓性鉸鏈58、 56及54的配置優選地類似於圖6上所示撓性鉸鏈60的配置。 同樣，扭轉鉸鏈28A及30A的配置優選地類似於圖6上所示扭轉鉸鏈26A的配 置。圖6中所示鉸鏈配置屬於本發明優選實施例。實踐本發明不需要任何特定的 鉸鏈配置。
圖19示意性地顯示根據本發明一個實施例的陀螺儀晶片20的平面圖。圖 19示意性地描繪了附裝到撓性件32的梁隔離撓性件80。梁隔離撓性件80減小 了從施加在基座36上的應力耦合平面應變的。這些應力作用於撓性件32且導致 基礎感測模式頻率的移位。梁隔離撓性件80 (最少包括一個梁)提供附裝到撓性 件32的機械系統中的順應性，從而消除施加於撓性件32上的應力。多個梁可經 設計以用於適當的應力耦合減小。
圖19還示意性地描繪附裝到扭轉鉸鏈28A以協助製造根據一個實施例的陀 螺儀的製造撓性件81 。位於中心的扭轉鉸鏈28A通過到質量塊22的連杆來支撐 中心板28。在適於製造陀螺儀晶片20的一系列步驟期間，可將應力施加在陀螺 儀晶片20或其若干部分上。這些應力可集中在特定位置中。將製造撓性件81附 裝到中心扭轉鉸鏈28A上可改善鉸鏈28A在整個製造順序中的穩健性和整體性。 一種例示性製造步驟是形成陀螺儀晶片20的機械元件的深度反應離子蝕刻 (DRIE)。所述DRIE工藝施加熱誘發應力且往往將所述應力集中在形成撓性件 的區域中。如圖19中所示，根據一個實施例，其中鉸鏈58'及60'剖分為兩個單獨的鉸鏈。在此實施例中，通過提供更多防止不需要的運動(例如繞Y軸的旋轉)的穩定性來改善對連杆及質量塊中的移動的協調。另外，雖然將撓性件32描繪為單個梁，但也可使用供應與單個梁相同的順應性的多個梁來提供防止不需要的運動的額外穩定性。
圖20是進一步圖解說明本發明特徵的圖19的陀螺儀晶片的一部分的放大圖。以下提供圖20所圖解說明的一列名稱26A 扭轉鉸鏈28A 扭轉鉸鏈32 彈簧38A 電極
38B 用於電容性地感測位移變化的電極
38C 用於與38B有差別地感測位移變化的電極
39 基座層中可處於不同於電極38B、 38C及38A的電位的結構，其中
所有電極連接質量塊22、 24、連杆及框架58' 分裂式撓性件60' 分裂式撓性件62' 框架上的連接片
64'基座上的狹槽/凹槽(注意與62及64的基座互補)
80 界定框架諧振模式的撓性件的應力隔離
81 用於軸向抑制撓性件以使梁從製造期間的原位熱處理鬆弛的應力
隔離
82 以諧振模式致動框架的結構
83 驅動組合件中的連接片
84 驅動組合件中的凹槽
圖20中顯示的框架連接片62'與基座凹槽64'嚙合。在一個實施例中，基座凹槽64'大於框架連接片62'的寬度以使框架34在框架連接片62'與基座凹槽64'的壁碰撞之前僅在某一選定範圍內相對於基座36而旋轉。選擇此選定的運動範圍以確保撓性件32不會因選定範圍內的運動而破壞。以此方式，連接片62'與凹槽64'的組合提供對撓性件32的保護。
圖20中顯示的鉸鏈連接片83與質量塊凹槽84嚙合。在一個實施例中，質量塊凹槽84大於鉸鏈連接片83的寬度以使質量塊32在鉸鏈連接片83與質量塊凹槽84的壁碰撞之前僅在某一選定範圍內平移。選擇此選定範圍以確保撓性件26A、 28A、 58'及60'不會因選定範圍內的運動而破壞。以此方式，連接片83與凹槽84的組合提供對撓性件26A、 28A、 58'及60'的保護。類似地，鉸鏈連接片83可具有凹槽的形式且質量凹槽84具有連接片的形式。以此方式，連接片與凹
13槽提供對撓性件26A、 28A、 58'及60'的類似保護。
當存在震動的情況期間可見的極大加速度時，機械結構的承受能力是相當重要的。連接片62'及83連同凹槽64'及84通過選擇各種各樣的允許運動來保護容易破壞的結構。可由向所述結構的質量塊施加慣性力的平面內及平面外加速度來誘發這些運動。在存在Z加速度時，主要的慣性力作用於實質質量塊22及24。連杆及鉸鏈54、 58、 60及扭轉鉸鏈26A、 28A及30A經設計以使所引起的質量塊的運動由於Z加速度而不完全地沿Z方向。質量塊22及24經設計以繞Z軸旋轉且沿Y方向平移。通過針對陀螺儀晶片的厚度及質量塊繞X軸的旋轉來選擇陀螺儀結構之間適當的間隙大小，可限定由Z加速度誘發的運動。圖21示意性地圖解說明幫助限定運動並保護陀螺儀晶片20的機械元件的幹擾。
紫伊
圖1及圖2的實施例具有兩種操作模式。在第一及優選操作模式中，驅動質量塊22及24使其振蕩且感測框架34的運動以測量Y方向上的角速度。在第二操作模式中，驅動框架34使其振蕩且感測質量塊22及24的運動以測量Y方向上的角速度。將依次考慮這兩種方法。
第一優選操作模式包含用於驅動連杆使其振蕩的致動器。在圖1及圖2的實施例中，由圖2的電極48A、 48B、 50A、 50B、 52A及52B來提供靜電致動器。電極48A、 48B、 50A、 50B、 52A及52B經由靜電相互作用與板30、 28及26相互作用，其中力隨著電極與對應板之間的電位差增大而增大。板26、 28及30通常保持在相同電位處，可將此電位看作電位的零參考而不失其一般性。
電極48A、 48B、 50A、 50B、 52A及52B優選地為分裂式電極，如圖2上所示。其主要原因是，板與電極之間的靜電相互作用往往為引力(而不是斥力)，因此提供沿任一方向的扭矩都需要旋轉軸任一側上的電極元件，如圖2上所示。在製造中優選地將電極48A、 48B、 50A、 50B、 52A及52B與對應的板(分別為30、 28及26)之間的間隙精確地控制為預定的間隙高度d，以儘可能地減小獲得板的既定旋轉所需的電壓，而仍提供致動器驅使板移動所用的充足空隙。優選地以協作方式電驅動電極48A、 48B、 50A、 50B、 52A及52B以激發由質量塊22及24與板26、 28及30形成的連杆的振蕩模式，其中質量塊22及24沿Z方向(即，平面外方向)大致彼此異相地振蕩。圖lla及llb上示意性地顯示了響應於此振蕩模式的連杆運動。
同樣優選地，板26可包含向質量塊22延伸的杆臂、板30可包含向質量塊24延伸的杆臂，且板28可包含向質量塊22及質量塊24兩者延伸的杆臂，上述所有均如圖l上所示。由於存在從板26、 28及30延伸的杆臂，撓性鉸鏈(54、56、 58、 60)與板旋轉軸(26B、 28B、 30B)之間的距離增大，從而增大了通過板的既定旋轉而提供的質量塊22及24的位移。這一增大的位移對改善陀螺儀性能及/或對以較低成本提供期望的性能水平來說是非常合乎需要的。為容納質量塊22及24的增加的行程，分別在質量塊22及24下面形成凹陷45及47。冠狀晶片42也經配置以允許充足的空間來容納陀螺儀晶片20的所有移動部分，且還可包含凹陷(未顯示)。
當使陀螺儀晶片面性20以角速度Qy繞Y軸旋轉時，質量塊22及24經受陀螺儀晶片20的參考框架中振蕩的X方向上的科裡奧利(Coriolis)力。由於質量塊22與24沿Z軸的相反方向移動，所以這兩個質量塊上的科裡奧利(Coriolis)力沿X軸方向相反。質量塊22及24上的科裡奧利(Coriolis)力向框架34誘發繞Z軸的振蕩扭矩，從而使框架34開始角振蕩。由於框架34的角振蕩的振幅取決於Qy (理想地與Qy成比例)，所以測量此振幅提供對角速度Qy的測量。
為改善陀螺儀靈敏性，可優選地充分利用陀螺儀結構的機械諧振。因此，可優選地以等於或約等於基礎連杆諧振模式頻率的頻率驅動含有質量塊22及24的連杆。優選地，所述基礎連杆諧振模式(即，具有最低頻率的機械模式)將對應於圖lla及圖lib中所示質量塊22及24的反相振蕩。可在設計所述連杆及其支撐撓性件期間確保此對應。通過以連杆自然頻率或接近連杆自然頻率來選擇驅動頻率，由既定致動力提供的連杆的運動增大。
也可優選地確保基礎框架諧振模式響應於框架34繞Z軸的剛性主體角振蕩，這可通過適當地設計框架34及撓性件32來完成。此外，框架基礎頻率可優選地大於連杆基礎頻率。這可確保驅動頻率在頻率上比框架34的任何其它諧振模式更接近於框架34的基礎模式，以此最小化對可幹擾陀螺儀操作的框架34的高階機械模式的激勵。
在此實施例中，使用變換器來感測框架34的角振蕩振幅。優選地，所述變換器為設置在框架34與基座36之間並連接到這兩者的電容性傳感器。圖5上顯示這一電容性傳感器的兩個適當電極配置。圖5上顯示為38A、 38B及38C的配置稱作樹狀配置，而圖5上顯示為40A、 40B及40C的配置稱作徑向配置。對於矩形配置來說，所述變換器可沿圖20中所示空腔邊緣90的圓周而定位。
在所述樹狀配置中，電極38A附裝到框架34並隨其移動，而電極38B及38C兩者附裝到基座36且不隨框架34移動。由一個電極38A、 一個電極38B及一個電極38C組成的"單元局部電池"可視需要在框架34與基座36之間的區域中重複。圖5上顯示兩個這種"單元局部電池"。參照圖20，圖中顯示多個"單元局部電池"38A、 38B及38C。在一個實施例中，包含質量塊22、 24、彈簧32、框架34及電極38A的所有可移動結構均以機械方式連接且由體矽形成。此整個元件群組共享同一電位。因此，電位屏蔽39A及39B (如圖20中所示)可定位在屏蔽敏感電極38B及38C的區中。屏蔽39A保護電極38B及38C免受電磁幹擾(EMI)。大致等於所有可移動結構的電位的電位可最小化可以不合需要的方式作用於可移動結構的靜電力。類似地，可將由平面結構組成的屏蔽圖案化於參考晶片44及冠狀晶片42兩者上以防止電磁及靜電幹擾。再次參照圖5，所有電極38A彼此電連接，所有電極38A彼此電連接，且所有電極38C彼此電連接。由此形成兩個電容電極38A與38B之間的電容器AB，及電極38A與38C之間的電容器AC。其中電極38B沒有連接到電極38C的這一布置稱作分裂式指狀配置。由於框架34的運動改變電容器AB及AC的電容，所以使用電路測量這些電容提供對框架34的運動的感測。電極38A由繞垂直於表面的軸旋轉地設置的框架34組成。在"單元局部電池"中，38B與38C的緊密相鄰可最小化其中不相等的寄生電容可影響到檢測的區。限界局部差分對的區小於陀螺儀晶片20的厚度的區。此電路可優選地位於參考晶片44上。
類似地，在徑向配置中，電極40A附裝到框架34且隨之移動，而電極40B及40C附裝到基座36且不隨框架34移動。同樣，形成兩個電容器，且使用電路(優選地位於參考晶片44上)測量這些電容提供對框架34的運動的感測。
參照圖20，顯示可用於在自測試操作模式期間驅使框架34旋轉的結構82。此能力允許針對特性化及質量保證測量來測量感測模式頻率。已知電信號的應用可向環狀物引入經計算扭矩，從而導致所述環狀物繞垂直於基座的軸旋轉地發生位移。此位移模擬從由於角速度而受科裡奧利(Coriolis)力作用的質量塊產生的矩扭所導致的旋轉。所述環狀物的運動(或位移)用於對校準一個或一個以上傳感器的感測模式頻率的特徵描述。在一個實施例中，使用一個或一個以上致動器以在自測試操作模式期間使指狀物發生位移。所述致動器可以是根據上文結合圖5論述的配置而配置的靜電致動器。例如，所述靜電致動器可利用梳指狀(或分裂指狀)電極配置，或平行板電極配置。
在第二操作模式中，框架34受驅動而繞Z軸進行角振蕩，從而使得質量塊22及24沿X軸進行反相振蕩。當使陀螺儀晶片以角速度20Qy繞Y軸旋轉時，框架34的振蕩在質量塊22及24上誘發振蕩的Z方向上的科裡奧利(Coriolis)力，從而使包含質量塊22及24的連杆開始振蕩。由於連杆振蕩的振幅取決於Qy(理想地與Qy成比例)，所以測量此振幅提供對角速度Qy的測量。
由於此第二操作模式類似於第一優選操作模式，所以以上論述可適用於如下
不同
1) 第二操作模式包含用於驅動框架34使其進行角振蕩的致動器。連接到框架34及基座36的靜電致動器是用於驅動框架34使其進行角振蕩的一個適當構件。這一靜電致動器可具有各種電極配置，其中包含圖5的配置。
2) 在第二操作模式中，可優選地以其基礎諧振頻率或接近其基礎諧振頻率驅動框架，且連杆基礎頻率可優選地大於框架基礎頻率。
3) 第二操作模式包含用於感測連杆的振蕩的變換器。連接到連杆的電容性傳感器是適當的變換器。圖2上的電極48A、 48B、 50A、 50B、 52A及52B提供這一電容性傳感器。通過測量電極52A與板26之間的電容及測量電極52B與板26之間的電容來感測板26在電極52A及52B上方的運動。以類似的方式感測板28及30的運動。
在這兩種操作模式中，根據本發明實施例的角速度傳感器有利地減小由傳感 器可經受的任何線性加速度誘發的誤差。在第一操作模式中，所感測的運動是框 架34的角速度振蕩，且傳感器的線性加速度往往不會誘發這一運動。在第二操 作模式中，所感測的運動是質量塊22及24的反相振蕩，且此處所感測的運動同 樣不是線性加速度往往會誘發的運動。例如，Z方向上的線性加速度往往會誘發 質量塊22及24的同相(而不是反相)振蕩。
劍遣
在優選實施例中，使用微機械加工技術(也稱作MEMS技術)來製造具有 上文論述的結構及操作的角旋轉傳感器(或陀螺儀)。已知兩種形式的MEMS技 術體MEMS及表面MEMS。體MEMS技術是本發明優選的，因為體MEMS 檢測質量塊(即，質量塊22及24)可具有比表面MEMS檢測質量塊更大的質量 且可具有更大範圍的運動。圖7a-d、 8a-d、 9a、 b及10a、 b示意性地顯示適於制 造本發明實施例的例示性製造順序。
圖7a-d示意性地顯示適於製造冠狀晶片42的一序列步驟。在圖7a上，冠 狀晶片42是使用背面對準標記72來圖案化的。可使用反應離子蝕刻(RIE)來 製作對準標記72。在從圖7a到圖7b過程中，清洗背向對準標記72的冠狀晶片 42的表面，且然後將其熱氧化以產生氧化物層70。氧化物層70優選地約為0.5 微米厚，且可通過在含水的周圍環境下將冠狀晶片42加熱到較高溫度(例如， 大於1000C)而製成。在從圖7b到圖7c的過程中，以平版印刷的方式圖案化氧 化物層70，如圖7c上示意性地顯示。在從圖7c到圖7d的過程中，蝕刻掉不受 氧化物層70保護的冠狀晶片42的材料以達到約100微米的深度。深度RIE(DRIE) 是適於此步驟的蝕刻方法。 一般來說，可以各種技術(其中包含(例如)使用電 漿的反應離子蝕刻或通過溼化學蝕刻)來蝕刻不受氧化物層70保護的材料。用 於高體積低成本製造的優選方法是成批工藝，例如溼化學蝕刻。在所述工藝中的 此點處，冠狀晶片42具有圖2中所示的配置。在蝕刻之後，清洗冠狀晶片42以 準備進行熔融接合。適當的清洗步驟包含高溫(例如，>300C)灰化步驟及過氧 化硫浸洗。所採用的清洗方法必須使經圖案化氧化物層70保持完整無缺。
圖7e-f圖解說明使用溼化學製品的矽冠狀晶片上的矽蝕刻特性。圖7e圖解 說明矽冠狀晶片的平面圖。圖7f圖解說明圖7e的矽冠狀晶片沿線A-A的剖視圖。 優先的蝕刻沿某些結晶平面進行。所述矽冠狀晶片中大致矩形的開口使矽冠狀晶 片的製造可具有低成本高產量。在一個實施例中，矽冠狀晶片中的凹陷(或開口) 提供兩種功能。首先，凹陷的存在界定了允許獨立的子組合件移動到何處。其次， 凹陷的深度容納陀螺儀的檢測質量塊的運動。例如EDP、 KOH及TMAH的溼化 學製品是採用特有的晶體相關蝕刻的常見蝕刻劑。在一個實施例中，平行於及垂 直於具有晶體名稱的矽冠狀晶片的平坦邊緣的邊緣將呈現良好控制的邊
17緣，其中從所述邊緣發射出一錐形邊緣。
圖8a-d示意性地顯示適於製造陀螺儀晶片20的一序列處理步驟。陀螺儀晶 片20優選地為初始低總厚度變化(TTV)晶片。使用過氧化硫浸洗清洗陀螺儀 晶片20且然後將其熔融接合到冠狀晶片42上的經圖案化氧化物層70，如圖8a 上所示。在圖7-10的處理順序中，將冠狀晶片42接合到陀螺儀晶片20比將參考 晶片44接合到陀螺儀晶片20在更早的處理階段中進行。因此，相對較高溫度的 接合工藝對於將冠狀晶片42接合到陀螺儀晶片20來說是優選的，其包含但不限 於共熔金屬接合、玻璃接合、焊料接合、金共熔接合、Si到Si02熔融接合及 Si到Si熔融接合。在圖8a到圖8b過程中，將陀螺儀晶片20從通常的約500微 米厚度薄化到約40微米厚度。常規的研磨及拋光是適用於執行此薄化步驟的方 法。可均勻地完成陀螺儀晶片20的薄化，或可完成所述薄化以使陀螺儀晶片20 上將變為質量塊22及24的區域比陀螺儀晶片20的其它部分更厚。這一增大的 厚度是有利的，因為其增加了質量塊22及24的質量。
在一個實施例中，如圖8b中所示，質量塊22及24及其它陀螺儀結構組件 (其中包含撓性件32、板26、 28、 30及框架34)懸掛在隔膜區域73中的基座 36上。參照圖18a及18b，其分別顯示陀螺儀晶片的剖視圖及平面圖。具體來說， 圖18a圖解說明圖18b的陀螺儀晶片沿線C-C的剖視圖。
如圖18a中所示，根據一個實施例，支柱75位於隔膜區域73中。大致矩形 的凹陷(矽冠狀晶片的)內的支柱75改善了對陀螺儀晶片20的薄化工藝的均勻 性。所述薄化工藝可包括研磨及拋光，其可在薄化工藝期間向隔膜區域73施加 垂直的力。因此，由於隔膜區域73沒有被支撐，可產生跨越隔膜區域73的不合 需要的厚度變化。如圖18b中所示，在一個實施例中，為改善跨越如質量塊22 及24的關鍵區的均勻性，使用可釋放支柱77來支撐如質量塊22及24的結構。 支柱75、 77的製造可在冠狀晶片42中形成凹陷27期間進行。支柱75、 77可由 氧化物層70所保護的凹陷27內的區來實現。所述支柱在薄化工藝期間及陀螺儀 晶片20、參考晶片44與冠狀晶片42的最終裝配期間提供機械支撐。支柱75、 77也可充當基座撓性安裝件66，基座撓性安裝件66可位於凹陷27內部中及位 於凹陷27的圓周邊緣上的基座上。在一個實施方案中，包含支柱78以支持與雙 軸傳感器相關聯的參考晶片的晶片級集成，其中所述參考晶片形成所述雙軸傳感 器內的單個氣密密封的下部部分。此外，所述雙軸傳感器可進一步包含支柱79， 支柱79在所述雙軸傳感器的空腔內提供基座或錨定件，所述框架(例如，框架 34)懸掛在所述基座或錨定件上。
再次參照圖8b,在薄化陀螺儀晶片20之後，通過平版印刷圖案化然後進行 蝕刻來形成圖8b上顯示的支座71。 KOH蝕刻適於此步驟。支座71的目的是精 確地確定致動器電極(例如電極48A、 B、 50A、 B、 52A、 B)距離對應的板(即， 分別為板30、 28及26)之間的垂直間距d。在從圖8b到圖8c過程中，在陀螺儀晶片20上沉積經圖案化層46'。優選地， 經圖案化層46'為Ge層，沉積所述層且然後將其圖案化(例如，通過平版印刷然 後進行蝕刻)。優選地，經圖案化層46'也界定框架34與基座36之間的電極，所 述電極可以是圖5中所示類型。或者，可在獨立於沉積經圖案化層46'的處理步 驟中形成框架34與基座36之間的電極。
在圖8c到圖8d過程中，通過蝕刻穿透陀螺儀晶片20形成陀螺儀晶片20的 機械元件。可以光刻方式形成待蝕刻的圖案。A 2微米線寬度及2微米間隔適於 終止於氧化物層70上的此蝕刻。採用絕緣體上矽(SOI)反底腳增進的深層RIE 是適於此步驟的蝕刻方法。可優選地以適於形成高縱橫比特徵的蝕刻工藝來執行 此蝕刻。在已執行圖8d的蝕刻之後，圖l-4及圖6上顯示的陀螺儀晶片20的所 有機械元件均已形成。這些元件包含質量塊22及24、板26、 28及30、撓性件 32、框架34及鉸鏈26A、 28A、 30A、 54、 56、 58及60。為簡明起見，圖8d僅 顯示板28及質量塊22及24。
圖9a-b示意性地顯示適於製造參考晶片44的一序列處理步驟。在圖9a上， 參考晶片44的有源區示意性地指示為74。有源區74包含將與陀螺儀晶片20發 生電接觸的區域，以及用於驅動陀螺儀晶片20的電路及用於感測陀螺儀晶片20 所提供的輸出信號的電路。這種電路優選地為習用矽CMOS電路。在優選實施例 中，在習用的CMOS工藝中所沉積的最後金屬層為適於用作接合金屬的金屬層。 此上部金屬層也界定電極48A、 B、 50A、 B及52A、 B (圖9b上僅顯示電極50A、 B)及接合墊76，如圖9a上示意性地顯示。在從圖9a到圖9b過程中，在參考晶 片44中形成凹陷45及47。優選地以DRIE將凹陷45及47製造成約100微米的 深度。
圖10a-b示意性地顯示適於陀螺儀晶片20、參考晶片44及冠狀晶片42的最 終裝配的一序列處理步驟。在圖10a上，顯示參考晶片44經由陀螺儀晶片20上 的經圖案化層46'與參考晶片44上的接合墊76之間的經對準金屬到金屬接合附 裝到陀螺儀晶片20。在圖7-10的處理順序中，將參考晶片44接合到陀螺儀晶片 20比將冠狀晶片42接合到陀螺儀晶片20在更晚的處理階段中進行。因此，對將 參考晶片44接合到陀螺儀晶片20來說，相對較低溫度的接合工藝是優選的，其 包含但不限於共熔金屬接合、鋁-鍺接合、焊料接合、銦-金接合及聚合物接合。
圖10a上的板28與電極50A及50B之間的間距d是由支座71及經圖案化 層46'的結合厚度來確定的，且可通過選擇支座71的高度來精確地控制(或預定)。 其它電極(例如，電極48A、 B及電極52A、 B)與其對應的板(例如，分別為 板30及26)之間的間距也是以相同方式確定的，且通常相同的預定距離d將所 有板與其對應電極分隔開。雖然圖7-10的處理順序顯示排他性地形成於陀螺儀晶 片20上的支座71 ，但也可能在參考晶片44上或在陀螺儀晶片20及參考晶片44 兩者上排他性地形成支座以界定板與電極之間的間距。在從圖10a到圖10b的過
19程中，將材料從冠狀晶片42蝕刻掉以允許從上方形成有源區74。可使用DR正 來完成此蝕刻。通過允許從上方形成有源區74，可便利到圖10b的角速度傳感器 的電連接。
參考晶片44優選地經由可密閉製成的金屬到金屬接合附裝到陀螺儀晶片 20。同樣，陀螺儀晶片20可優選地通過也可密閉製成的熔融接合附裝到冠狀晶 片42。因此，由參考晶片44、陀螺儀晶片20與冠狀晶片42組成的整個組合件 可提供陀螺儀元件(例如質量塊22及24)與周圍環境之間的密閉勢壘。
為滿足陀螺儀不同市場的某些性能規格，在某些情況下可在所述密閉勢壘所 提供的封閉空間內有利地提供減小的壓力(例如，約1 mTorr，其大致小於大氣 壓)。以此方式，合乎需要地減小了對因空氣(或其它氣體)填充所述封閉空間 而導致的質量塊22及24的運動的阻力。或者，可在質量塊22及24中(且在所 述連杆的其它移動部分中)提供孔以減小運動的空氣阻力。在其它情況下，在氣 密空間內提供大於大氣壓的壓力將是合乎需要的。
對圖7a-d、 8a-d、 9a-b及10a-b的此論述提供對適於製造本發明優選實施例 的處理步驟的例示性順序的示意性概述。因此，上文論述的單個步驟對實踐本發 明來說都不是必要的。此外，可使用上文未提及的但在半導體處理技術中熟知的 替代方法來執行上文所述大多數步驟。更一般來說，整個詳細說明通常以實例而 不是限定的方式。在下文中簡要地描述了本發明實施例的進一步實例。
圖12是位於根據本發明一個實施例的參考晶片上的電極的布置的示意性頂 視圖。在視12中未顯示質量塊22及24以及板26、 28及30，因此可看到所 述連杆的這些元件下面的電極。在圖12的配置中，電極48A、 B、 50A、 B及52A、 B分別用於如上所述驅動板30、 28及26。另外，圖12的配置提供用於感測質量 塊的運動或更一般來說感測所述連杆的運動的電極51A及51B。電路中電極的布 置將允許電極48A及52B感測連杆的運動。驅動感測電極51A、 B的功能是由可 感測邊緣板26及30的旋轉運動的48A及52B執行的。類似地，電極52A及48B 可配置在感測連杆的運動的電路中。電極51A及51B提供的信號可有利地由驅 動連杆致動器的電路使用。例如，以此方式感測連杆的運動可允許驅動電路精確 地以其基礎機械諧振頻率驅動所述連杆。
圖22圖解說明根據本發明一個實施例的邊緣板26及用於感測邊緣板26的 運動的分裂式電極52C及52D的平面圖。可優選地如圖22中所示重新配置所述 感測電極。與圖12中所示配置相比，感測電極52B已被重新配置成兩個(分裂 式)電極52C及52D。顯示邊緣板26相對於電極52C、 D的位置而定位。在此 實施例中，以提供對傾斜邊緣板26的有差別地感測的方式來放置感測電極52C 及52D。選擇所述兩個分裂式電極52C及52D的相對大小以抑制來自框架(未顯 示)的傾斜運動。因此，電極感測中產生的信號完全通過板的傾斜而產生。然後 將此信息併入到反饋環路中以控制質量塊22及24的振蕩的振幅。再次參照圖12，電極52A及48B可經配置以通過驅動外部板26及30來驅 使所述連杆。圖23顯示其中電極52 C-F己取代圖12的電極52A的實施例。電 極52C與52D可電連接在一起。類似地，電極對52E與52F連接在一起。分裂 式驅動的目標是獲得邊緣板26上隨時間而恆定的扭矩。當測量旋轉速率誘發的 科裡奧利(Coriolis)力時，在驅動頻率下觀察不到此平均恆定扭矩隨時間的任何 效應。圖24顯示圖解說明在形成電極對52C、 D及52E、 F的兩個異相輸入的邊 緣板26上產生的恆定扭矩的圖式。
圖13示意性地顯示根據本發明實施例的集成雙軸陀螺儀的頂視圖。在圖13 的配置中，Y軸子傳感器20Y及X軸子傳感器20X優選地製造於單個矽晶片21 上。子傳感器20X及20Y優選地為結合圖1及圖2描述的傳感器，且圖13的配 置有利地使用集成角速度傳感器提供雙軸感測。與兩個非集成單軸傳感器相比， 這種集成大大地降低了成本。在一個實施例中，以單獨的頻率操作X軸子傳感器 20X及Y軸子傳感器20Y。在此實施例中，所有的基礎頻率(4)均分隔開多於 500 Hz。每一軸速率傳感器具有兩個基礎頻率一驅動質量塊模式及框架感測模 式。雙軸陀螺儀包括兩個緊密相鄰的速率傳感器。通過以不同頻率操作，串擾得 以減輕。另外，雙軸陀螺儀可由單個氣密密封環狀物23密封。單個氣密密封環 狀物23可通過上文所述的製造技術形成。
圖17圖解說明根據本發明實施例的集成雙軸陀螺儀1700的另一實施例。在 圖17的配置中，Y軸子傳感器20Y與X軸子傳感器20X由單個氣密密封環狀物 23所提供的氣密密封封閉空間內的勢壘密封1702分隔開。勢壘密封1702減小了 從一個諧振感測元件到另一諧振感測元件的聲耦合，即，勢壘密封1702減小了 Y 軸子傳感器20Y與X軸子傳感器20X之間的聲耦合。因此，雙軸陀螺儀可改善 角速度的測量準確性。在一個實施例中，在勢壘密封1702內形成溝道25A、 25B 以準許Y軸子傳感器20Y與X軸子傳感器20X上的壓力均衡。
圖14a及圖14b示意性地顯示提供對不期望的運動的進一步共模抑制的本發 明實施例的頂視圖。圖14a及圖14b的配置包含兩個框架框架34A及框架34B。 以與質量塊22及24定位於圖1上的框架34內大體相同的方式，質量塊22A及 24A定位於框架34A內，且質量塊22B及24B定位於框架34B內。圖14a及圖 14b上的質量塊22A、 B及24A、 B經驅動以進行振蕩，使得質量塊24A與22B 同相。質量塊22A與24A經連接以異相移動，質量塊22B與24B也是如此。
框架34A與34B通過撓性件32彼此連接，且通過多個撓性件32連接到基 座36'。圖14a及圖14b上顯示的撓性件配置是例示性的，且可以其它撓性件配置 來實踐本發明。框架34A通過撓性件32連接到框架34B往往會約束框架34A及 34B相對於框架34A及34B的異相旋轉的同相旋轉，因為框架34A及34B的同 相旋轉比相同幅度的異相旋轉使撓性件32伸長更多。
當使圖14a的傳感器繞圖14a上的Y軸旋轉(或使圖14b的傳感器繞圖14b上的Y軸旋轉)時，傳遞到框架34A及34B的Z方向上的扭矩是異相的。其原 因是框架34A與34B內的兩個連杆正相對於彼此異相移動。相反，圖14a及圖 14b的傳感器繞Z軸的角加速度導致框架34A與34B同相旋轉。因此，圖14a及 圖14b的傳感器可抑制因繞Z軸的角加速度而產生的虛假信號，這是圖1的實施 例不提供的能力。可如上所述感測(例如，使用電容性傳感器)圖14a及圖14b 上的框架34A及34B的旋轉。
此外，圖14a及圖14b的實施例在所驅動連杆中具有零淨線性及角動量，而 圖1的實施例在所驅動連杆中具有零淨線性動量及非零淨角動量。由于振動到傳 感器封裝的轉移在所驅動連杆具有零淨線性或角動量時往往會減少，圖14a及圖 14b的實施例可提供與圖1的實施例相比減小的封包振動。減小的振動可導致減 小的測量誤差，例如偏壓誤差及積分誤差。
為最大化圖14a及圖14b的實施例所提供的Z方向上的角加速度的共模抑制 的好處，框架34A及34B可優選地具有大致相同的形狀，且框架34A及34B內 的連杆可優選地具有大致相同的配置及定向。此對稱程度提供響應於Y方向上角 速度的大致相等及相反的運動，從而最大化對不響應於Y方向上角速度的運動 (例如，因Z方向上的角加速度而發生的運動)的抑制。
圖15示意性地顯示本發明的替代實施例，其中框架34及基座36是矩形的 而不是圓形的。在圖15上的框架34內，質量塊22及24通過板26、 28及30連 接在一起，類似於圖1的實施例。同樣如在圖1的實施例中，包含質量塊22及 24以及板26、 28及30的連杆優選地由靜電致動器(圖15上未顯示)驅動而進 行振蕩。圖15的實施例繞Y軸的旋轉將在質量塊22及24上誘發X方向上的科 裡奧利(Coriolis)力。框架34通過多個撓性件32連接到基座36，從而準許框 架34相對於基座36移動。響應於傳感器繞Y軸的角速度，質量塊22及24上X 方向上的科裡奧利(Coriolis)力往往會導致框架34沿X方向相對於基座36移 動。框架34與基座36之間的相對運動優選地由圖15上示意性地顯示的電容性 傳感器100來感測。
圖15上框架34及撓性件32的配置約束框架34的整體旋轉且感測框架34 響應於Y方向上的角速度在X方向上的變形。也可採用圖15上的框架34及撓 性件32的替代配置，所述配置約束了X方向上的變形(例如，通過使框架34更 堅硬)且感測框架34的旋轉。
圖16a及圖16b顯示框架34與基座36之間的撓性件的替代配置的實例。圖 16a顯示相對於圖1上顯示的撓性件32的布置旋轉了 45度的撓性件32的布置。 圖16b顯示對稱地設置在框架34與基座36之間的三個撓性件32的布置。當然， 可以框架34與基座36之間可準許框架34響應於待感測角速度而相對於基座36 移動的任何撓性件布置來實踐本發明。
在上文對本發明實施例的詳細說明中，揭示了一種用於驅動所述連杆使其振蕩的致動器，所述致動器為靜電致動器。用於驅動所述連杆使其振蕩的替代致動 器包含但不限於電磁致動器、壓電致動器及熱致動器。同樣在上述說明中，揭 示了一種用於感測框架34的角振蕩的變換器，所述變換器為電容性傳感器。用 於感測框架34的角振蕩的變換器包含但不限於電磁傳感器、壓阻傳感器及壓 電傳感器。
在上文對本發明實施例的詳細說明中，揭示了一種用於驅動框架34使其進
行角振蕩的致動器，所述致動器為靜電致動器。用於驅動框架34使其振蕩的替
代致動器包含但不限於電磁致動器、壓電致動器及熱致動器。同樣在上述說明 中，揭示了一種用於感測所述連杆的振蕩的變換器，所述變換器為電容性傳感器。 用於感測所述連杆的振蕩的替代變換器包含但不限於電磁傳感器、壓阻傳感器 及壓電傳感器。
2權利要求
1、一種用於測量X-Y傳感器平面中角速度的X及Y分量的雙軸傳感器，所述雙軸傳感器包括第一子傳感器，其用於測量角速度的所述X分量；及第二子傳感器，其用於測量角速度的所述Y分量，其中用於測量角速度的所述X分量的所述第一子傳感器及用於測量角速度的所述Y分量的所述第二子傳感器含納於所述雙軸傳感器內的單個氣密密封內。
2、 如權利要求1所述的雙軸傳感器，其中所述第一子傳感器與所述第二子傳感器由所述單個氣密密封內的勢壘密封分隔開，所述勢壘密封用於減小所述第 一子傳感器與所述第二子傳感器之間的聲耦合。
3、 如權利要求2所述的雙軸傳感器，其中所述勢壘密封包含形成於其中的 一個或一個以上溝道以準許所述單個氣密密封內的所述第一子傳感器與所述第 二子傳感器兩者上的壓力均衡。
4、 如權利要求1所述的雙軸傳感器，其中所述雙軸傳感器是使用體矽製造 而製造的。
5、 如權利要求1所述的雙軸傳感器，其中所述第一子傳感器及所述第二子 傳感器含納於所述雙軸傳感器的矩形空腔內，所述雙軸傳感器進一步包含形成於 所述矩形空腔上方的隔膜。
6、 如權利要求5所述的雙軸傳感器，其進一步包括一個或一個以上支柱以 支撐所述空腔中的所述隔膜。
7、 如權利要求6所述的雙軸傳感器，其進一步包括一個或一個以上支柱以 在所述空腔內提供錨定件，所述雙軸傳感器的框架懸掛在所述錨定件上。
8、 如權利要求6所述的雙軸傳感器，其進一步包括一個或一個以上支柱以 支持與所述雙軸傳感器相關聯的參考晶片的晶片級集成，所述參考晶片形成所述 單個氣密密封的下部部分。
9、 如權利要求6所述的雙軸傳感器，其中所述支柱在製造與所述第一子傳 感器及所述第二子傳感器相關聯的機械元件期間提供對所述隔膜的臨時支撐。
10、 如權利要求1所述的雙軸傳感器，其進一步包括用於感測模式頻率的應 力隔離特徵。
11、 如權利要求IO所述的雙軸傳感器，其中所述應力隔離特徵由一個或一 個以上梁組成。
12、 如權利要求l所述的雙軸傳感器，其進一步包括用於製造所述雙軸傳感 器期間的穩健性的應力隔離特徵。
13、 如權利要求1所述的雙軸傳感器，其中所述雙軸傳感器的感測模式頻率小於所述雙軸傳感器的驅動模式頻率。
14、 如權利要求l所述的雙軸傳感器，其進一步包括框架，所述框架包含一 個或一個以上連接片或凹槽以限制與所述第一子傳感器及所述第二子傳感器相 關聯的機械元件的運動。
15、 如權利要求1所述的雙軸傳感器，其中 所述第一子傳感器包括a) 第一感測子組合件，其包括i) 平行於所述X-Y傳感器平面的大致平面第一框架； ii) 設置在所述X-Y傳感器平面中的第一質量塊；iii) 相對於所述第一質量塊橫向地設置在所述X-Y平面中的第二質量塊；及iv) 在所述第一框架內且連接到所述第一框架的第一連杆，其中所述第一連杆 連接到所述第一質量塊並連接到所述第二質量塊，且其中所述第一連杆抑制所述 第一及第二質量塊垂直於所述X-Y傳感器平面沿相反方向移動。b) 第一致動器，其用於將所述第一感測子組合件的第一部分驅動為以驅動頻率振蕩；及c) 第一變換器，其用於感測所述第一感測子組合件的第二部分響應於角速度 的所述X分量的運動；且所述第二子傳感器包括a) 第二感測子組合件，其包括i) 平行於所述X-Y傳感器平面的大致平面第二框架；ii) 設置在所述X-Y傳感器平面中的第三質量塊；iii) 相對於所述第三質量塊橫向地設置在所述X-Y傳感器平面中的第四質量 塊；及iv) 在所述第二框架內且連接到所述第二框架的第二連杆，其中所述第二連杆連接到所述第三質量塊並連接到所述第四質量塊，且其中所述第二連杆抑制所述第三及第四質量塊垂直於所述X-Y傳感器平面沿相反方向移動；b) 第二致動器，其用於將所述第二感測子組合件的第一部分驅動為以驅動頻 率振蕩；及c) 第二變換器，其用於感測所述第二感測子組合件的第二部分響應於角速度 的所述Y分量的運動。
16、 如權利要求15所述的雙軸傳感器，其中所述第一及第二連杆經設計以 便在存在不期望的Z軸運動時，由所述雙軸傳感器內的連接片及凹槽來限制橫向 運動。
17、 如權利要求15所述的雙軸傳感器，其中所述第一及第二連杆包括一個 或-個以上梁。
18、 如權利要求15所述的雙軸傳感器，其中所述第一、第二、第三及第四質量塊的驅動運動是間接感測的。
19、 如權利要求15所述的雙軸傳感器，其中所述第一、第二、第三及第四 質量塊是間接驅使的。
20、 如權利要求19所述的雙軸傳感器，其進一步包括一個或一個以上分裂 式電極以間接驅使所述第一、第二、第三及第四質量塊。
21、 如權利要求20所述的雙軸傳感器，其中所述一個或一個以上分裂式電 極位於與所述雙軸傳感器相關聯的邊緣板上。
22、 如權利要求15所述的雙軸傳感器，其進一步包括設置在所述第一及第 二框架上的一個或一個以上電極以有差別地感測所述第一及第二框架的運動。
23、 如權利要求1所述的雙軸傳感器，其進一步包括一個或一個以上致動器 以在用於測量與所述雙軸傳感器相關聯的感測模式頻率的自測試操作模式期間 驅使所述雙軸傳感器的框架旋轉。
24、 如權利要求23所述的雙軸傳感器，其中所述一個或一個以上致動器中 的每一者均為靜電致動器。
25、 如權利要求24所述的雙軸傳感器，其中所述靜電致動器中的一個或一 個以上靜電致動器利用平行板電極配置或梳指狀電極配置。
26、 如權利要求1所述的雙軸傳感器，其進一步包括一個或一個以上屏蔽以 屏蔽與所述第一子傳感器及所述第二子傳感器相關聯的一個或一個以上機械元 件免受電磁幹擾(EMI)。
27、 如權利要求1所述的雙軸傳感器，其中所述第一子傳感器與所述第二子 傳感器以分隔開多於500 Hz的頻率操作。
全文摘要
本發明提供一種用於測量X-Y傳感器平面中角速度的X及Y分量的雙軸傳感器。所述雙軸傳感器包含用於測量角速度的所述X分量的第一子傳感器及用於測量角速度的所述Y分量的第二子傳感器。所述第一子傳感器及所述第二子傳感器含納於所述雙軸傳感器內的單個氣密密封內。
文檔編號G01C19/56GK101663586SQ200680048919
公開日2010年3月3日 申請日期2006年11月17日 優先權日2005年11月18日
發明者亞歷山大·卡斯楚, 史蒂文·S·納西裡, 安東尼·弗朗西斯·小弗蘭納裡, 約瑟夫·西格, 馬丁·利姆 申請人:因文森斯公司