包括多個諧振結構的裝置和帶有正交抑制的顯微加工的傳感器的製作方法

2023-05-15 10:43:31 1

專利名稱：包括多個諧振結構的裝置和帶有正交抑制的顯微加工的傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及包括多個諧振結構的裝置和帶有正交抑制的顯微加工的傳感器，更具體地，涉及顯微加工的陀螺儀，特別是涉及用科氏(Coriolis)加速度檢測旋轉運動的顯微加工的陀螺儀。

發明內容
根據本發明的一個方面，提供了一種帶有正交抑制的顯微加工的傳感器，包括正交抑制電極；和鄰近所述正交抑制電極定位的諧振器質量；所述諧振器質量能夠與所述正交抑制電極基本平行地移動，所述諧振器質量包括槽口，所述槽口鄰近所述正交抑制電極的一部分而形成，使得直接鄰近所述正交抑制電極的所述諧振器質量的長度隨著所述諧振器質量相對於所述正交抑制電極移動而變化，其中，所述正交抑制電極能夠對所述諧振器質量產生橫向力，所述橫向力根據直接鄰近所述正交抑制電極的所述諧振器質量的長度而變化。根據本發明的另一方面，提供了一種帶有正交抑制的顯微加工的傳感器，包括多個正交抑制電極；和多個諧振器質量，每個諧振器質量均鄰近所述多個正交抑制電極中的相應一個正交抑制電極定位並能夠與所述諧振器質量的相應正交抑制電極基本平行地移動，每個諧振器質量均包括槽口，所述槽口鄰近所述諧振器質量的相應正交抑制電極的一部分而形成，使得直接鄰近所述正交抑制電極的所述諧振器質量的長度隨著所述諧振器質量相對於所述正交抑制電極移動而變化，其中，每個正交抑制電極均能夠對鄰近的所述諧振器質量產生橫向力，所述橫向力根據直接鄰近所述正交抑制電極的所述諧振器質量的長度而變化。根據本發明的再一方面，提供了一種帶有正交抑制的顯微加工的傳感器，包括基片；框架，所述框架通過第一多個懸掛撓性件懸掛於所述基片上方並基本平行於所述基片，所述第一多個懸掛撓性件沿著所述框架的外周布置，所述第一多個懸掛撓性件固定於所述基片並形成為基本防止所述框架在所述框架的平面內相對於所述基片的平移運動，但允許所述框架圍繞與所述基片及所述基片平行的軸線的旋轉運動；多個正交抑制電極；以及多個諧振結構，所述多個諧振結構布置在所述框架的內周中，所述諧振結構基本在所述框架的平面內運轉，所述諧振結構包括多個諧振器質量，每個諧振器質量均鄰近所述多個正交抑制電極中的相應一個正交抑制電極定位並能夠與所述諧振器質量的相應正交抑制電極基本平行地移動，每個諧振器質量均包括槽口，所述槽口鄰近所述諧振器質量的相應正交抑制電極的一部分而形成，使得直接鄰近所述正交抑制電極的所述諧振器質量的長度隨著所述諧振器質量相對於所述正交抑制電極移動而變化，其中，每個正交抑制電極均能夠對鄰近的所述諧振器質量產生橫向力，所述橫向カ根據直接鄰近所述正交抑制電極的所述諧振器質量的長度而變化。根據本發明的又一方面，提供了ー種包括多個諧振結構的裝置，所述諧振結構包括通過懸掛撓性件懸掛的ー對分開式質量，其中，每個分開式質量包括利用一個撓性件互連的兩個分支部分，所述ー個撓性件允許所述分支部分在所述質量諧振時稍稍轉動，以減小所述懸掛撓性件中的縱向應力。根據本發明的又一方面，提供了ー種包括多個諧振結構的裝置，所述諧振結構包括通過第一撓性件連接的第一對質量和通過第二撓性件連接的第二對質量，其中，每個質量均通過懸掛撓性件懸掛，其中，所述第一撓性件和所述第二撓性件允許所述質量在所述質量諧振時稍稍轉動，以減小所述懸掛撓性件中的縱向應力。根據本發明的一方面，諧振結構的機械連接基幹「雙叉」結構，其具有用於將共線的耦合運動轉變成平行耦合運動的槓桿。該槓桿具有形成在連接點的支點，以確保連接點 不相對於該槓桿移動。根據本發明的另一方面，該陀螺儀框架適於檢測旋轉運動而不是直線運動。科氏檢測指狀物設置在該框架所所有的邊上。根據本發明的另一方面，利用包括驅動機構的諧振器質量本身，減小諧振器質量撓性件(flexure)上的縱向張力，該驅動機構作為應カ減小杆。兩對質量分別用作相位質量和反相位質量。每對質量通過短撓性件連接。這使得該質量能夠繞該撓性件稍稍轉動，使得對角線相対的角能夠同時調節該主諧振器撓性件和連接杆伸出長度的縮短。根據本發明的另一方面，驅動或傳感指狀物包含在該連接杆中。根據本發明的另一方面，利用沿諧振質量邊緣形成的槽ロ(notch)而不是用交叉的指狀物實現電正交抑制。根據本發明的另一方面，用於固定的驅動指狀物的成對反相位陣列的固定器設置成在橫向共線，該固定器在遠離基片的遠端相互連接的成對設置，以便該頂端抵制在該基片端的個別的扭轉，並且該指狀物母線(busbar)由柔性的摺疊指狀物連接於該頂端。


在附圖中圖I示出根據本發明實施例的示例性顯微加工的陀螺儀結構；圖2標記出根據本發明實施例的顯微加工的陀螺儀結構的各種元件；圖3是重點示出根據本發明實施例的顯微加工的陀螺儀結構的框架的視圖；圖4是重點示出根據本發明實施例的顯微加工的陀螺儀結構的可運動質量的視圖；圖5是重點示出根據本發明實施例的顯微加工的陀螺儀結構槓桿的視圖；圖6是示出根據本發明實施例的加速計懸掛撓性件的詳細視圖；圖7是示出根據本發明實施例的可運動質量和其相關的撓性件以及支點撓性件的詳細視圖；圖8是示出根據本發明實施例的兩個槓桿和叉狀件及其相關支點撓性件以及靜電驅動器的詳細視圖；圖9是示出根據本發明實施例的顯微加工的陀螺儀結構各種諧振結構運動的表示；圖10是示出根據本發明實施例的用於雙重差動結構的科氏檢測器換位機構(switch over)；圖11是示出根據本發明實施例的可運動質量靜電驅動器的詳細視圖；圖12是示出根據本發明實施例的正交抑制結構的詳細視圖；圖13是示出根據本發明實施例的另一種框架懸掛結構的視圖；圖14是示出根據本發明實施例的安裝在連接杆中的驅動或傳感指狀物的結構，其中，該指狀物以變化的角度向後傾斜以調節該連接杆的弧形運動。
具體實施例方式顯微加工的陀螺儀包括製造成以一定速度振動的諧振器和用於測量正交的科氏加速度的加速計裝置，科氏加速度是由該速度上的旋轉效應引起的。將這些結構相互連接並連接於在下面的基片的常見裝置是利用通常稱之為「繫繩」或「撓性件」的顯微加工的材料的細絲(filament)。因此，顯微加工的陀螺儀利用科氏加速度檢測並測量繞垂直於基片表面的軸線的旋轉速率。特別是，各種諧振結構懸掛在框架內。該諧振結構包括通過槓桿、支點撓性件和叉狀件機械地連接的相位質量和反相位質量，以便產生用於整個諧振系統的單一諧振頻率。該機械系統確保諧振器的運動被嚴格地限制成一線性軸線沒有純粹的轉動。顯微加工的陀螺儀繞該平面的旋轉在該框架上產生旋轉力。該框架以這樣的方式懸掛，使得除了旋轉方向的運動之外它的所有運動均被限制。在該框架所有的邊上的傳感器檢測該框架的轉動偏轉，用於測量方向的改變。業已認識到，在顯微加工的陀螺儀的現有技術中，平衡(或對稱)結構具有明顯的更好的性能並且機械連接的諧振器對是非常希望的。見，例如，美國專利5，392，650和5，635，638。機械地連接該諧振結構具有許多優點，包括增加諧振結構的運動，增加由該諧振結構產生的科氏加速度(信號)的量，避免混亂的運動，防止框架與諧振器在相同的方向運動，提供較好的相位清晰度(definition),提供較好的外部加速度的衰減,並且由於角動量被局部地消除而改進品質因素Q。業已證明，如果一對諧振器僅僅用電方式連接能夠製造令人滿意的陀螺儀。一個例子描述在「Single-Chip Surface Micromachined Integrated Gyroscope」(IEEE JSSCvol. 37 No. 12 Dec' 02)和美國專利6，122，961。製造公差使得兩個機械地分開的諧振器不能被製造成具有同樣的頻率，但是如果對於該對諧振器的「Q」因數足夠低，它們的諧振曲線充分地重疊，該成對諧振器可作為單個電震蕩器穩定地起作用。如果每個矽晶片能夠製造較多的這種器件(device)。那麼，每個的成本就很少，所 以製造較小的結構具有優點。為了從較小的結構中獲得低噪聲和足夠的信號，需要設計它們的諧振具有高「Q」因數。那麼諧振曲線可以不再充分重疊，振蕩幅度較低，並且在頻率上不充分地被形成。在極端的情況下，運動變成很混亂，對低頻噪聲具有有害的效果(即，短期輸出的不穩定性，妨礙精確地導航，這是陀螺儀的主要用途之一)。
本發明的一些實施例，通過提供基於美國專利5，635，640中所描述的「雙叉」的非常有效的機械連接，能夠採用較小的結構。共線諧振器對不能以這種方式直接連接，所以一組槓桿被用於將共線的耦合運動轉變成平行的耦合運動。該槓桿具有形成在連接於加速計框架和諧振器質量的連接點的支點。每個支點由至少兩個正交的撓性件的軸線的交點形成。這確保該連接點不能相對於該槓桿移動，而只能轉動。移動的順從性將損害對下面描述的不想要運動的抑制。Netzer的美國專利5，763，781的圖8至11示出了類似的構思。但是，這些結構沒有一個將在該公開中所描述的類型的實際顯微加工的陀螺儀中行得通，因為，第一，由單個撓性件形成的支點允許不能接受的正交運動，第二，結構的同樣缺點在連接的質量的同相運動中具有太多的順從性，以及，第三，它們不允許應カ剛性消除，這些措施如下面描述的，是很主要的。還知道，抑制所謂的「正交」信號是有利的，這種正交信號來自不完全正交的諧振器和加速計的軸線。抑制的方式可以是如Howe等人的美國專利6，067, 858和6，250, 856中所描述的電的方式，或在Geen的美國專利6，122，961中所 描述的機械方式。後者使用於槓桿和撓性件系統一起的単獨的諧振器框架和加速計框架，以防止不想要的運動並且在實際中是非常有效的。但是，這種結構與諧振器的直接的機械連接在拓撲學上是不相容的。首先，將失去在諧振器之間的一半加速計指狀物，大大地減小了信號。第二，來自諧振器對的線性科氏力將在連接於它們兩者的加速計框架中消失。本發明的一些實施例允許諧振器的機械連接而不失去來自單獨的正交抑制框架的加速計信號。這是通過識別連接的反相位諧振器質量產生的與它們的質量中心分開程度成比例的科氏力矩實現的，即便科氏力消失。因此，圍繞的加速計框架適於檢測轉動而不是線性運動。那麼，機械正交抑制成為防止共線的諧振器對的任何純粹的轉動和防止加速計的線性運動的主要要素(matter)。而且，當矩形加速計框架轉動時，它所有的四個邊移動，以便所有的邊可與指狀物排成直線以檢測這種運動，從而將總的靈敏度恢復到兩個線性加速計的靈敏度，但是與美國專利6，122,961的現有技術相比，為總面積的一半。遇到的另ー個問題是對於大的科氏信號諧振器應當具有大的移動行程(travel)。諧振器的主要撓性件在這種環境下將「應力硬化」。即，當偏轉時它們必須進ー步達到行程並且結果導致的伸長在撓性件引起縱向張カ並且伴隨橫向剛度的明顯增加。眾所周知，剛度的相對增加隨橫向偏轉對該繫繩的寬度的比例的平方而變化。因此，通常I. 7微米寬的繫繩偏轉10微米將變硬36倍(factor of 36)，這將產生不能接受的非線性性，需要更大的驅動カ並使諧振頻率不能足夠地形成大的倍數。這種縱向應カ能夠用如美國專利5，392，650中的簡單的反向撓性件來消除，但是這使整個諧振器在繫繩的縱向運動並防止機械正交抑制。在本發明的一些實施例中，提供消除繫繩縱向應カ的裝置而不佔用在美國專利6，122，961的現有技術中使用的額外槓桿的空間。這是利用諧振器質量本身實現的，該諧振質量包括作為應カ減少槓桿的驅動機構。額外繫繩懸掛槓桿的消除不僅節省面積，而且還增強陀螺儀整個平面外的剛性。這使得該裝置更堅固並更適合用於經受大量衝擊和振動的車輛定位，例如在汽車的發動機室中。在本發明的一些實施例中，通過將其分開並用非常短的撓性件重新連接而修改諧振器質量以消除張力。這使該質量能夠繞該撓性件稍稍轉動，以便對角線相對的角能夠同時調節主諧振器撓性件和連接杆兩者伸出長度的縮短。從支點到撓性件和槓桿的距離必須具有正確的比例，以便有效地消除兩者，所以短撓性件的定位是關鍵性的，但是這在幾何計算上並不困難。在本發明的一個示例性的實施例中，該顯微加工的陀螺儀包括通過槓桿、支點撓性件和叉狀件機械連接的兩個相位質量和兩個反相位質量。理想地，這提供單一的諧振頻率。該單一的諧振頻率提供較高的Q因數，並且因此提供更多的信號。該連接結構減少作用在框架上的外力(例如由諧振結構的不平衡運動產生的平移和轉動力)，這種外力可能被誤認為是科氏加速度。本發明的一些實施例為了節省面積將驅動或傳感指狀物包含在連接杆中。諧振質量從其速度產生科氏力矩的效率與其到中心線的距離成比例。因此，希望用於實現機電振蕩器目的的諧振器驅動裝置或速度傳感裝置應當儘可能設置成靠近中心線。這最有效地利用可得到的面積。因此從該質量到連接杆的可拆卸部分是特別有利的。
由於該槓桿成弧形運動，設置在其上的交叉的指狀物根據到該杆到支點的半徑沿其長度以不同的角度嚙合。因此，為了防止移動的指狀物相對固定的交指形的梳狀物過度地橫向運動，該指狀物可以以由該杆的幾何形狀限定的變化的角度向後傾斜。這示於圖14。類似的問題存在於加速計框架和圍繞其周邊設置的傳感指狀物中，由於加速計是適於旋轉的。因此，傳感指狀物能夠同樣地以變化的角度向後傾斜。但是，加速計框架的轉動與該槓桿的轉動相比通常相當小(也許，1/100, 000th)，所以這種傾斜通常不用於傳感指狀物。本發明的一些實施例使正交信號最終能夠被調整成接近於零。儘管通過懸掛撓性件和槓桿正交的抑制，由於懸掛在其上的諧振器的反作用力，存在來自加速計框架的扭轉的剩餘的正交成分。希望該框架儘可能地輕，以便節省空間又使其對科氏力的響應最大。遺憾的是，輕框架變形較大，所以在設計中存在折中允許有一定的剩餘正交。這利用Clark在美國專利5，992，233中描述的一般原理調整為接近於零，其利用在不同電壓下設置成三個一組的指狀物陣列以便提供橫向力，該橫向力隨指狀物的嚙合變化。本發明的實施例不使用從諧振器質量邊緣切割的槽。與指狀物陣列相比，這具有佔用較小空間的優點，並使其適用於另外的無用的區域。驅動指利用交指形的梳狀物縱向地工作，一些移動，而一些連接於基片。其原理是由Tang和Howe在美國專利5，025，346中所描述的。將縱向靜電梳狀物用於陀螺儀的最麻煩副作用之一是指狀物之間的間隙的微小的不平衡導致橫向運動以及想要的縱向分量。這種運動具有分量，該分量具有與科氏信號同相的不適宜的性質，所以，不像相當大的正交信號，它不能被相位傳感矯正器(rectifier)排除。這種同相信號的任何不穩定性直接成為陀螺儀誤差。陀螺儀間隙成為不平衡最有效的方式之一是利用固定指狀物的基片固定點和移動結構的相對運動。另一個副作用來自外部加速度的移動結構位移。幸運的是，大多數這些可以通過仔細地關注結構和驅動裝置的對稱來消除。但是，基片的表面剪切變形很難用這種方法調節。表面剪切變形很容易由使用期間導致的部件應力變化所引起，並產生固定指狀物陣列的相對移動和單個指狀物固定器的轉動。在本發明的一些實施例中，固定的驅動指狀物的反相位陣列對的固定器在橫向設置成共線。以這種方式，基片的任何表面剪切將不使它們產生相對於相互之間的橫向運動。而且，固定器通常在遠離基片的頂端相互結合成對地安裝，以便頂端抵制在基片端部的單個的扭轉。還有，指狀物母線通常由柔性的摺疊指狀物連接於頂端。這些使母線與固定器對所傳遞的變形和顯微加工的材料中的收縮應力所產生的移動相隔離。它們還用作驅動器，因而使來自隔離措施的驅動的損失最小。指狀物的連接裝置在陀螺儀性能方面提供約ー個數量級的改進。圖I示出示根據本發明實施例的例性的顯微加工的陀螺儀結構100。顯微加工的陀螺儀結構100是來自單個矽晶片的許多顯微加工結構中的典型的ー個。顯微加工的陀螺儀結構100通常安裝在基片上。顯微加工的陀螺儀結構100基本上沿X軸線頂對底對稱以及沿Y軸線邊對邊對稱。圖2標記出顯微加工的陀螺儀結構100的各種元件。其中，顯微加工的陀螺儀結構100包括大體正方形的框架210，該框架210在其四個角懸掛加速計懸掛撓性件202、204、206和208。圖3重點示出框架210。在框架210的四個邊之外是指狀物212、213、214、215、216、217、218和219。各種諧振結構懸掛在框架210內。這些諧振結構包括四個可移動質量 220、222、224和226，四個槓桿228,230,232和234，以及兩個叉狀件236和238。圖4重點示出質量220。應當注意，質量222、224和226與質量220具有基本同樣的形狀、尺寸和質量，並且沿X和/或Y軸與質量220取向成鏡面成像。圖5重點示出槓桿228。應當注意，槓桿230、232和234與槓桿228具有基本同樣的形狀、尺寸和質量，並且沿X和/或Y軸與槓桿228取向成鏡面成像。四個可移動質量220、222、224和226分別由撓性件240、242、244和246懸掛於框架210。利用靜電驅動器248、250、252、254、256、258、260和262靜電地控制四個可移動質量220、222、224和226的運動。下面更詳細地描述顯微加工的陀螺儀結構100的這些和其他特徵。四個加速計懸掛撓性件202、204、206和208幫助控制框架210相對於基片的運動。四個加速計懸掛撓性件202、204、206和208基本限制框架210沿X軸線和沿Y軸線運動(即平移運動)，但是允許框架210在兩個方向的任何ー個方向較自由地轉動(即旋轉運動)。框架210的這種旋轉運動主要是由因框架相對於諧振結構的運動所導致的科氏效應所產生的。圖6詳細地示出加速計懸掛撓性件202。加速計懸掛撓性件202在位置630和640固定於基片。加速計懸掛撓性件202基本上限制框架210的平移運動，但是允許框架210的旋轉運動。結構650和660是蝕刻補償器，用於確保其他撓性結構的精確形成。其原理公開在美國專利6，282，960中。應當注意，加速計懸掛撓性件204、206和208與加速計懸掛撓性件202基本是同樣的。指狀物212、213、214、215、216、217、218和219從框架210的四個邊伸出。設置在指狀物212、213、214、215、216、217、218和219之間的是兩組科氏檢測器。圖6示出指狀物212和兩個科氏檢測器610和620之間的關係。兩組科氏檢測器610和620機械地連接於基片並且不相對於該基片運動。框架210的運動正如下面所述，引起指狀物212、213、214、215、216、217、218和219相對於科氏檢測器的運動。指狀物212、213、214、215、216、217、218和219相對於科氏檢測器的運動產生電容的變化，該變化可以用電路(未示出)測量。這種測量可以用各種方式進行。兩組科氏檢測器610和620通過四個換位機構1010、1020、1030和1040連接成雙重差動形式，如圖10所示。換位機構1010、1020、1030和1040基本上消除了來自周圍電路引起的電信號和框架210的平移運動產生的信號，但是明顯放大了框架210的旋轉運動所產生的信號。具體說，當存在框架210的平移運動時，科氏檢測器的大約一半產生信號，而另一半產生基本相等的相反信號，其結果淨信號為零。因此，框架210的平移運動基本被電子地消除。然而，當存在框架210的旋轉運動時，所有的科氏檢測器產生互補的信號，當其組合併放大時，該信號表示旋轉運動的量值。通過將指狀物和科氏檢測器設置在框架210的所有邊上，與指狀物和科氏檢測器只設置在框架210的兩個邊上相比，產生較大的信號。包括質量220、222、224 和 226、撓性件 240、242、244 和 246、槓桿 228、230、232 和234以及叉狀件236和238的諧振結構機械地連接。再參考圖2，質量220和222經支點撓性件264機械地連接，而質量224和226經支點撓性件266機械地連接。質量220和224經槓桿228和230以及叉狀件236機械地連接，而質量222和226經槓桿232和234以及叉狀件238機械地連接。支點撓性件264和266，槓桿228、230、232和234，以及叉狀件236和238使得質量220、222、224和226 —起運動。 質量220由撓性件240懸掛於框架210,由支點撓性件264懸掛於質量222,並由支點撓性件268懸掛於槓桿228。質量222由撓性件242懸掛於框架210，由支點撓性件264懸掛於質量220,並由支點撓性件272懸掛於槓桿232。質量224由撓性件244懸掛於框架210，由支點撓性件266懸掛於質量226，並由支點撓性件276懸掛於槓桿230。質量226由撓性件246懸掛於框架210，由支點撓性件266懸掛於質量224，並由支點撓性件280懸掛於槓桿234。槓桿228由支點撓性件270懸掛於框架210，由支點撓性件268懸掛於質量220，並由叉狀件236懸掛於槓桿230。槓桿230由支點撓性件278懸掛於框架210，由支點撓性件276懸掛於質量224，並由叉狀件236懸掛於槓桿228。槓桿232由支點撓性件274懸掛於框架210，由支點撓性件272懸掛於質量222，並由叉狀件238懸掛於槓桿234。槓桿234由支點撓性件282懸掛於框架210，由支點撓性件280懸掛於質量226，並由叉狀件238懸掛於槓桿232。圖7詳細地示出質量220和相關元件。質量220由撓性件240懸掛於框架210，由支點撓性件264懸掛於質量222,並由支點撓性件268懸掛於槓桿228。撓性件240優選由三個平行的蝕刻(etches)構成，其中，中心蝕刻是未斷開的，而外面的兩個蝕刻在兩處斷開。外外面的蝕刻是蝕刻補償器,用於確保中心蝕刻精確地形成。應當注意,質量222、224和226以及它們相關的元件與質量220和其相關的元件基本是同樣的。圖8詳細地示出槓桿228和230以及它們相關的元件。槓桿228由支點撓性件270懸掛於框架210，由支點撓性件268懸掛於質量220，並且由支點撓性件820懸掛於叉狀件236。槓桿230由支點撓性件278懸掛於框架210，由支點撓性件276懸掛於質量224，並且由支點撓性件830懸掛於叉狀件236。叉狀件236由支點撓性件820懸掛於槓桿228，並由支點撓性件830懸掛於槓桿230。應當注意，槓桿232和234以及它們相應的元件與槓桿228和230以及它們相應的元件基本是同樣的。撓性件240、242、244和246分別地基本限制質量220、222、224和226沿Y軸的移動，但是分別允許質量220、222、224和226沿X軸的移動。撓性件240、242、244和246也分別允許質量220、222、224和226在其移動時稍稍地轉動。
支點撓性件264將質量220和222基本鎖定在一起，以便它們一起運動。同樣，支點撓性件266將質量224和226基本鎖定在一起，以便它們一起運動(不過與質量220和222相反)。槓桿228和230，叉狀件236以及支點撓性件268、270、820、830、276和278將質量220和224基本鎖定在一起，以便它們能夠進行基本相等但方向相反的運動。槓桿232和234，叉狀件238，以及支點撓性件272、274、280和282，以及將槓桿232和234連接於叉狀件238 (未示出)的支點撓性件將質量222和226基本鎖定在一起，以便它們能夠進行基本相等但方向相反的運動。槓桿228和230將質量220和224的基本相等但相反的從一側到另一側的運動轉換成叉狀件236沿Y軸的基本直線運動。具體說，質量220的從一側到另一側的運動通過支點撓性件268被傳遞給槓桿228，同時，質量224的從一側到另一側的運動通過支點撓性 件276被傳遞給槓桿230。槓桿228和230分別在支點撓性件270和278轉動，並分別在支點撓性件820和830轉動，以使叉狀件236沿Y軸直線運動。這些傳遞使質量220和224當它們從一側到另一側移動時稍稍轉動。具體說，當向左移動時質量220稍稍朝著質量222轉動，當向右移動時稍稍轉動離開質量222，同時，當向右移動時質量224稍稍朝著質量226轉動，當向左移動時稍稍轉動離開質量226。同樣，槓桿232和234將質量222和226的基本相等但相反的從一側到另一側的運動轉換成叉狀件238沿Y軸的直線運動。具體說，質量222的從一側到另一側的運動通過支點撓性件272被傳遞給槓桿232，同時，質量226的從一側到另一側的運動通過支點撓性件280被傳遞給槓桿234。槓桿232和234分別在支點撓性件274和282，並分別在將槓桿232和234連接於叉狀件238 (未示出)支點撓性件轉動，以使叉狀件238沿Y軸直線運動。這些傳遞使質量222和226當它們從一側到另一側移動時稍稍轉動。具體說，當向左移動時質量222稍稍朝著質量220轉動，當向右移動時稍稍朝著離開質量220轉動，同時當向右移動時質量226稍稍朝著質量224轉動，當向左移動時稍稍轉動離開質量224。應當注意，諧振器的對稱性和精確的反相運動一起引起來自樞轉運動的角動量，以消除並且不引起加速計框架的轉動。圖9示出質量220、222、224和226相對於叉狀件236和238的相對運動。應當注意，實際上，這些和其他諧振器結構移動非常小的距離，並且箭頭誇張地示出質量220、222、224和226從一側到另一側的運動和轉動。如上所述，用靜電驅動器移動並控制質量。圖11示出靜電驅動器的詳圖。具體說，用於質量220的電驅動器250。該靜電驅動器250是顯微加工的，以便在質量220內形成包括兩組指狀物1110和1120和兩組電極指狀物1130和1140的空腔，該兩組指狀物1110和1120與質量220是一體的，兩組電極指狀物1130和140設置在空腔內並與基片連接。電極指狀物1140圍繞驅動指狀物1110並安裝在其之間，而電極指狀物1130圍繞驅動指狀物1120並安裝在其之間。當對電極指狀物1140施加電壓時，驅動指狀物1110被拉向電極指狀物1140，在質量220上產生一個向右的力。當對電極指狀物1130施加電壓時，驅動指狀物1120被拉向電極指狀物1130，在質量220上產生一個向左的力。對電極指狀物1130和1140交替地施加電壓引起質量來回運動。兩組電極指狀物1130和1140優選直線地固定於基片，以便減小由基片的表面剪切所產生的力矩。這種表面剪切能夠在質量220上產生力矩。應當注意，靜電驅動器248、252、254、256、258、260和262與靜電驅動器250基本是同樣的。應當注意，靜電驅動器248、252、254、256、258、260和262設置在靠近顯微加工的陀螺儀結構100的中間，以便大多數質量遠離中心。這增加顯微加工的陀螺儀結構100對科氏加速度的靈敏度。還有用於槓桿228、230、232和234的靜電驅動器。圖8示出用於槓桿228、230、232和234的部分靜電驅動器810。靜電驅動器810被顯微加工以便在每個槓桿上形成驅動指狀物和一組連接於基片的電極指狀物。電極指狀物圍繞驅動指物並安裝在驅動指物之間。當對電極指狀物施加電壓時，驅動指狀物被拉向電極指狀物，在每個槓桿上產生ー個向著電極指狀物的力。靜電驅動器810用於增強諧振結構的運動。對於這些交替利用以感測諧振器的速度。這種速度信號用於關閉激勵諧振的機電振蕩迴路。應當注意，諧振結構優選以其固有諧振頻率或其固有諧振頻率附近被驅動以便增強諧振結構的運動範圍。這反過來又增強了陀螺儀的靈敏度。應當注意，在理論上，各種陀螺儀結構被精確地平衡，以便它們以基本同樣的頻率和相位移動。但是，實際上，各種陀螺儀結構不是被精確地平衡。例如，質量220、222、224和226理論上是同樣的(雖然在X和/或Y軸鏡面成像)，但是至少部分地由於材料和用於形成質量的エ藝的變化，通常不是同樣的。類似的不平衡在其他陀螺儀結構中能夠發生，例如各種槓桿，樞軸和撓性件。這些不平衡能夠表現為質量運動的不同相(以下稱之為「正交」)，並且每個器件和每個器件之間都會不同。結構的機械剛度大大地地抑制這些運動，但是會有一定剩餘正交。因此，電正交抑制結構通常用於減小正交的量。其一般原理公開自在Clark的美國專利第5，992，233號中。在本發明的實施例中，正交抑制結構通常包括至少ー個沿著質量運動方向位於該質量部分附近的電極。當對電極施加電壓時，結果得到的靜電カ產生橫向力，該橫向力將該質量吸向該電扱。單個的電極通常與每個質量相關，雖然不是所有的電極都被激活，而是特定器件的正交行為通常成為確定那個(如果有的話)電極將被激活以減少正交的特徵。由於正交量隨質量的運動而變化，所以優選由電極施加的橫向力同樣也隨著該質量的運動而變化。改變由電極施加在該質量上的橫向力的方法之ー是根據該質量的位置改變施加在該電極上的電壓。具體說，當該質量向外朝框架移動時增加電壓，當該質量向內移動離開框架時減少電壓。這種解決方案在實際應用中非常困難。改變由電極施加在該質量上的橫向力的另ー種方法是根據該質量的位置改變靠近電極的該質量的量。圖12示出了根據本發明實施例的正交抑制結構1200的詳細視圖。兩個電極1210和1220設置在兩個鄰近的質量220和222之間，具體設置在形成於該兩個質量220和222中的空腔內並在該兩個質量的旁邊。電極1210鄰近質量220，並且能夠沿向下的方向對質量220施加橫向力。電極1220鄰近質量222，並且能夠沿向上的方向對質量222施加橫向力。為了改變電極施加的橫向力的大小,每個質量上形成槽ロ，該槽ロ形成在鄰近電極部分朝著該電極靠近框架的端部。當質量向外朝著框架移動時，直接鄰近電極的質量的長度增加，導致施加在該質量上的較大的橫向力。當質量向內移動離開框架時，直、接鄰近電極的質量的長度減小，導致施加在該質量上的較小的橫向力。在本發明的典型實施例中，電壓施加在一個電極而不是兩個電極1210和1220上。對其施加電壓的電極通常利用特性化的正交和確定最能減小正交的該電極(如果有)來選擇。應當注意，類似的正交抑制結構形成在質量224和226之間。為了減小靜電力通常激活質量220和222之間的一個電極和質量224和226之間的一個電極。應當注意，正交抑制電極的位置不限於兩個質量之間交界處的空腔。電極可以設置在其他位置。各種電極的位置應當平衡。電極通常對質量產生一定量的力矩，並且該力矩量通常至少在一定程度上取決於該電極的位置。小力矩量一般不是問題。在本發明的典型實施例中，對電極施加恆定的電壓。這通常得到較好的結果。可選地，施加於電極的電壓可以變化。當做法適當時這能夠導致改善正交抑制，但是以增加複雜性為代價。雖然在圖I和圖2示出加速計懸掛撓性件202、204、206和208設置在框架的四個角，應當注意，本發明不限於加速計懸掛撓性件的這種設置。而是，加速計懸掛撓性件可以沿框架設置在各種不同的點。加速計懸掛撓性件優選限制框架的平移運動，同時允許框架繞質量中心的旋轉運動。這可以通過設置加速計懸掛撓性件實現，使每對相對的加速計懸掛撓性件之間的線性軸線通過該陀螺儀的質量有效中心。在臨時申請的附頁Al至A9中詳細描述了本發明的各個方面，其結合在上面所述中作為參考。在本發明的可選實施例中，加速計懸掛撓性件設置在框架四邊的中間而不是框架的四個角。圖13示出根據本發明實施例的另一種框架懸掛結構。在這個實施例中，四個加速計懸掛撓性件1304、1306、1308和1310設置在該框架1302的四邊的中間。加速計懸掛撓性件的這種設置帶來一些製造優點。具體說，一些蝕刻設備根據直線柵格產生蝕刻，所以，與以一定角度設置的柵格的特徵相比(角設置的撓性件)很容易產生與該柵格對齊的特徵(邊設置的撓性件)。角設置的撓性件不能特別有效的產生空間效率。通常通過下述步驟製造陀螺儀在基片(約600um厚)頂部沉積氧化物層(約2um厚)；用光刻(photolithography)在氧化物層上在所希望的位置(特別是在該顯微加工的陀螺儀與該基片連接的位置)形成孔；在形成薄膜的整個氧化物層上沉澱多晶矽層(約4um厚)，該薄膜通過氧化物層的孔連接於基片；用光刻在多晶矽層上形成複雜的顯微加工的陀螺儀結構100 ;以及用氫氟酸除去氧化層。這樣，得到的顯微加工的陀螺儀結構100懸掛在約2um厚的基片之上。應當注意，顯微加工的陀螺儀結構100具有大量的孔，特別是在質量220、222、224和226，槓桿228,230,232和234，以及框架210上。這些孔形成在顯微加工的陀螺儀結構100上，以便使氫氟酸能夠充分地流過並流到氧化物層。如果這種顯微加工的陀螺儀結構100被放置在真空中，顯微加工的陀螺儀結構100通常特別容易損壞並通常具有瞬變(ring)趨向的高諧振頻率。通過在空氣中運行顯微加工的陀螺儀結構100，空氣減震該顯微加工的陀螺儀結構100，並減少瞬變。應當注意，本發明的顯微加工的陀螺儀通常在空氣中而不是在真空中運行。在空氣中運行具有許多優點和缺點。一方面，空氣由於粘滯阻尼趨於阻止移動元件的運動，導致小輸出信號，這往往會造成破壞同步校正的相位偏移，並且由於空氣分子的撞擊(布朗運、動)往往會引起噪聲，導致減小信噪比。但是，另一方面，在空氣中運行，能夠使顯微加工的陀螺儀成為薄膜結構，提供ー種空氣墊，使薄膜結構堅固，並消除陀螺儀単元對氣密密封件的需要，從而使最終產品的總的成本降低。本發明可以以其他的具體方式實施而不脫離本發明的實際範圍。所描述的實施例在各個方面認為是說明性的而不是限制性的。因此，尤其是，本發明決不限於框架的形狀、尺寸，諧振結構(包括質量、槓桿、叉狀件、撓性件和支點撓性件)的形狀、尺寸，可運動質量的數量，諧振結構的機械連接方式， 用於檢測科氏加速度的指狀物的數量，諧振結構被驅動的方式，以及製造陀螺儀的材料和方式。
權利要求
1.一種帶有正交抑制的顯微加工的傳感器，包括 正交抑制電極；和 鄰近所述正交抑制電極定位的諧振器質量； 所述諧振器質量能夠與所述正交抑制電極基本平行地移動，所述諧振器質量包括槽口，所述槽口鄰近所述正交抑制電極的一部分而形成，使得直接鄰近所述正交抑制電極的所述諧振器質量的長度隨著所述諧振器質量相對於所述正交抑制電極移動而變化，其中，所述正交抑制電極能夠對所述諧振器質量產生橫向力，所述橫向力根據直接鄰近所述正交抑制電極的所述諧振器質量的長度而變化。
2.根據權利要求I所述的顯微加工的傳感器，其中，所述橫向力是靜電力。
3.根據權利要求I所述的顯微加工的傳感器，還包括被施加於所述正交抑制電極的恆定電壓，其中，所述橫向力與直接鄰近所述正交抑制電極的所述諧振器質量的長度成比例。
4.根據權利要求I所述的顯微加工的傳感器，還包括被施加於所述正交抑制電極的可變電壓，其中，所述橫向力作為直接鄰近所述正交抑制電極的所述諧振器質量的長度和所述可變電壓的函數而變化。
5.根據權利要求I所述的顯微加工的傳感器，還包括至少一個驅動電極，所述至少一個驅動電極用於使所述諧振器質量與所述正交抑制電極基本平行地移動。
6.一種帶有正交抑制的顯微加工的傳感器，包括 多個正交抑制電極；和 多個諧振器質量，每個諧振器質量均鄰近所述多個正交抑制電極中的相應一個正交抑制電極定位並能夠與所述諧振器質量的相應正交抑制電極基本平行地移動，每個諧振器質量均包括槽口，所述槽口鄰近所述諧振器質量的相應正交抑制電極的一部分而形成，使得直接鄰近所述正交抑制電極的所述諧振器質量的長度隨著所述諧振器質量相對於所述正交抑制電極移動而變化，其中，每個正交抑制電極均能夠對鄰近的諧振器質量產生橫向力，所述橫向力根據直接鄰近所述正交抑制電極的所述諧振器質量的長度而變化。
7.根據權利要求6所述的顯微加工的傳感器，還包括被施加於所述多個正交抑制電極中的、確定用於減少所述諧振器質量的正交的至少一個正交抑制電極的電壓。
8.根據權利要求6所述的顯微加工的傳感器，其中，所述多個諧振器質量通過多個槓桿、支點和撓性件機械地連接，以產生用於所述多個諧振器質量的基本單一的諧振頻率。
9.根據權利要求8所述的顯微加工的傳感器，其中，所述多個諧振器質量包括通過撓性件機械地連接的第一對質量；以及通過撓性件機械地連接的第二對質量，其中，所述第一對質量和所述第二對質量彼此反相位地諧振。
10.根據權利要求6所述的顯微加工的傳感器，其中，所述多個諧振器質量通過公共的驅動電路和速度傳感電路而電連接，以便以基本單一的頻率諧振。
11.一種帶有正交抑制的顯微加工的傳感器，包括 基片; 框架，所述框架通過第一多個懸掛撓性件懸掛於所述基片上方並基本平行於所述基片，所述第一多個懸掛撓性件沿著所述框架的外周布置，所述第一多個懸掛撓性件固定於所述基片並形成為基本防止所述框架在所述框架的平面內相對於所述基片的平移運動，但允許所述框架圍繞與所述框架及所述基片平行的軸線的旋轉運動；多個正交抑制電極；以及 多個諧振結構，所述多個諧振結構布置在所述框架的內周中，所述諧振結構基本在所述框架的平面內運行，所述諧振結構包括多個諧振器質量，每個諧振器質量均鄰近所述多個正交抑制電極中的相應ー個正交抑制電極定位並能夠與所述諧振器質量的相應正交抑制電極基本平行地移動，每個諧振器質量均包括槽ロ，所述槽ロ鄰近所述諧振器質量的相應正交抑制電極的一部分而形成，使得直接鄰近所述正交抑制電極的所述諧振器質量的長度隨著所述諧振器質量相對於所述正交抑制電極移動而變化，其中，每個正交抑制電極均能夠對鄰近的諧振器質量產生橫向力，所述橫向カ根據直接鄰近所述正交抑制電極的所述諧振器質量的長度而變化。
12.根據權利要求11所述的顯微加工的傳感器，其中，所述多個諧振結構僅懸掛於所述框架的內周。
13.根據權利要求11所述的顯微加工的傳感器，其中，所述多個諧振器質量通過多個槓桿、支點和撓性件機械地連接，以產生用於所述多個諧振器質量的基本単一的諧振頻率。
14.根據權利要求13所述的顯微加工的傳感器，其中，所述多個諧振器質量包括 通過撓性件機械地連接的第一對質量；以及 通過撓性件機械地連接的第二對質量，其中，所述第一對質量和所述第二對質量彼此反相位地諧振。
15.根據權利要求13所述的顯微加工的傳感器，其中，所述多個槓桿中的每ー個均包括與固定到所述基片的、相應的固定的指狀物交叉的多個槓桿指狀物，用於驅動所述槓桿和/或感測所述槓桿的位置。
16.根據權利要求15所述的顯微加工的傳感器，其中，所述多個槓桿中的每ー個均以弧形運動而移動，並且其中，所述槓桿指狀物以變化的角度布置，以便所述槓桿指狀物在所述槓桿的移動期間與所述相應的固定的指狀物維持基本相等的距離。
17.根據權利要求11所述的顯微加工的傳感器，還包括沿著所述框架的外周布置的多個框架指狀物，所述框架指狀物與固定到所述基片的、相應的傳感指狀物交叉，用於感測所述槓桿的所述旋轉運動。
18.根據權利要求17所述的顯微加工的傳感器，其中，所述框架指狀物以變化的角度布置，以便所述框架指狀物在所述框架的所述旋轉運動期間與所述相應的傳感指狀物維持基本相等的距尚。
19.根據權利要求11所述的顯微加工的傳感器，其中，每個諧振器質量均包括第一多個驅動指狀物，所述第一多個驅動指狀物與固定到所述基片的、第一相應陣列的固定的驅動指狀物交叉；以及第二多個驅動指狀物，所述第二多個驅動指狀物與固定到所述基片的、第二相應陣列的固定的驅動指狀物交叉，其中，所述第一陣列和所述第二陣列的固定的驅動指狀物彼此反相位地運行。
20.根據權利要求19所述的顯微加工的傳感器，其中，每ー陣列的固定的驅動指狀物均利用多個固定器固定到所述基片，並且其中，用於所述第一陣列和所述第二陣列的固定的驅動指狀物的固定器設置成在相對於所述諧振器質量的運動而言的橫向上共線。
21.根據權利要求11所述的顯微加工的傳感器，其中，所述框架的外周是大致正方形的並且包括沿著所述框架的每ー側布置的多個框架指狀物，所述框架指狀物與固定到所述基片的、相應的傳感指狀物交叉，用於感測當所述諧振結構發生諧振且所述傳感器圍繞所述軸線旋轉時由科氏加速度引起的、所述框架的所述旋轉運動。
22.根據權利要求11所述的顯微加工的傳感器，其中，所述多個諧振器質量通過公共的驅動電路和速度傳感電路而電連接，以便以基本單一的頻率諧振。
23.一種包括多個諧振結構的裝置，所述諧振結構包括通過懸掛撓性件懸掛的一對分開式質量，其中，每個分開式質量包括利用一個撓性件互連的兩個分支部分，所述一個撓性件允許所述分支部分在所述質量諧振時稍稍轉動，以減小所述懸掛撓性件中的縱向應力。
24.根據權利要求23所述的裝置，其中，所述一對分開式質量通過多個槓桿互連，以便彼此反相位地諧振，其中所述分支部分的轉動減小了所述多個槓桿中的縱向應力。
25.根據權利要求24所述的裝置，其中，所述多個槓桿將所述分支部分的耦合運動從共線運動轉換成平行運動。
26.根據權利要求23所述的裝置，其中，每個所述分支部分均包括多個驅動指狀物，所述多個驅動指狀物與固定到基片的、相應陣列的固定的驅動指狀物交叉。
27.根據權利要求23所述的裝置，其中，每個所述分支部分均包括用於電正交抑制的至少一個槽口。
28.根據權利要求24所述的裝置，其中，所述多個諧振結構懸掛在所述框架的內周中，並且其中，所述多個諧振結構被機械地連接以產生基本單一的諧振頻率，從而限制慣性力傳遞到所述框架。
29.根據權利要求28所述的裝置，其中，所述多個槓桿中的每一個均在一端處連接到所述框架並在另一端處連接到所述分支部分中的、不同的一個分支部分，並且其中，每個槓桿均具有由至少兩個正交的撓性件的軸線的交點形成在連接於所述框架和所述分支部分的連接點處的支點，以確保所述連接點不能相對於所述槓桿平移。
30.根據權利要求24所述的裝置，其中，所述多個槓桿中的每一個均包括與固定到下方基片的、相應的固定的指狀物交叉的多個槓桿指狀物，用於驅動所述槓桿和/或感測所述槓桿的位置。
31.根據權利要求30所述的裝置，其中，所述多個槓桿中的每一個均以弧形運動而移動，並且其中，所述槓桿指狀物以變化的角度布置，以便所述槓桿指狀物在所述槓桿的移動期間與所述相應的固定的指狀物維持基本相等的距離。
32.根據權利要求23所述的裝置，其中，所述多個諧振結構由單晶片顯微加工而成。
33.一種包括多個諧振結構的裝置，所述諧振結構包括通過第一撓性件連接的第一對質量和通過第二撓性件連接的第二對質量，每個質量均通過懸掛撓性件懸掛，其中，所述第一撓性件和所述第二撓性件允許所述質量在所述質量諧振時稍稍轉動，以減小所述懸掛撓性件中的縱向應力。
34.根據權利要求33所述的裝置，其中，所述第一對質量和所述第二對質量通過多個槓桿互連，以彼此反相位地諧振，其中所述質量的轉動減小了所述槓桿中的縱向應力。
35.根據權利要求34所述的裝置，其中，所述多個槓桿將所述質量的耦合運動從共線運動轉換成平行運動。
36.根據權利要求33所述的裝置，其中，每個所述質量均包括多個驅動指狀物，所述多個驅動指狀物與固定到基片的、相應陣列的固定的驅動指狀物交叉。
37.根據權利要求33所述的裝置，其中，每個所述質量均包括用於電正交抑制的至少ー個槽ロ。
38.根據權利要求34所述的裝置，其中，所述多個諧振結構懸掛在框架的內周中，並且其中，所述多個諧振結構被機械地連接以產生基本単一的諧振頻率，從而限制慣性カ傳遞到所述框架。
39.根據權利要求38所述的裝置，其中，所述多個槓桿中的每ー個均在一端處連接到所述框架並在另一端處連接到所述質量中的、不同的ー個質量，並且其中，每個槓桿均具有由至少兩個正交的撓性件的軸線的交點形成在連接於所述框架和所述質量的連接點處的支點，以確保所述連接點不能相對於所述槓桿平移。
40.根據權利要求34所述的裝置，其中，所述多個槓桿中的每ー個均包括與固定到下方基片的、相應的固定的指狀物交叉的多個槓桿指狀物，用於驅動所述槓桿和/或感測所述槓桿的位置。
41.根據權利要求40所述的裝置，其中，所述多個槓桿中的每ー個均以弧形運動而移動，並且其中，所述槓桿指狀物以變化的角度布置，以便所述槓桿指狀物在所述槓桿的移動期間與所述相應的固定的指狀物維持基本相等的距離。
42.根據權利要求33所述的裝置，其中，所述多個諧振結構由單晶片顯微加工而成。
全文摘要
本發明涉及包括多個諧振結構的裝置和帶有正交抑制的顯微加工的傳感器。此傳感器包括正交抑制電極和鄰近正交抑制電極定位的、能與正交抑制電極基本平行移動的諧振器質量，該諧振器質量包括槽口，此槽口鄰近正交抑制電極的一部分而形成，使得直接鄰近正交抑制電極的諧振器質量的長度隨著諧振器質量相對於正交抑制電極移動而變化，其中該正交抑制電極能對諧振器質量產生橫向力，該橫向力根據直接鄰近正交抑制電極的諧振器質量的長度而變化。上述諧振結構包括通過第一撓性件連接的第一對質量和通過第二撓性件連接的第二對質量，每個質量均由懸掛撓性件懸掛，第一和第二撓性件允許所述質量在其諧振時稍稍轉動，以減小懸掛撓性件中的縱向應力。
文檔編號G01C19/5656GK102679969SQ20121011135
公開日2012年9月19日 申請日期2003年2月6日 優先權日2002年2月6日
發明者約翰·A·吉恩 申請人:美國亞德諾半導體公司