微機械整體式六軸慣性傳感器的製作方法

2023-05-05 05:48:51

專利名稱：微機械整體式六軸慣性傳感器的製作方法
技術領域：
本發明大體上涉及慣性傳感器裝置，尤其涉及微機械慣性傳感器裝置。
背景技術：
六軸動作感應的應用需要用於三軸加速度測量的X軸、y軸及z軸加速計，以及用於三軸角速率測量的陀螺儀。文獻中已經記載了多個單軸或多軸的微機械加速計結構和陀螺儀結構，所述多個單軸或多軸的微機械加速計結構和陀螺儀結構能夠集成在系統中以形成六軸慣性傳感器組。然而，對於某些應用來說，這種由分立傳感器組成的傳感器組的尺寸會過大且成本也會過高。此外，裝配在單片微機電系統(MEMS)晶片上的單軸或多軸陀螺儀和加速計的現有實例需要每個傳感器都有其各自的驅動電子器件和感應電子器件，進一步提高了單片MEMS晶片的成本和複雜度。

發明內容
除其它情況之外，本發明討論了包括位於裝置層的x-y面的單質量塊六軸慣性傳感器的六自由度出-DOF)慣性測量系統。該單質量塊六軸慣性傳感器可包括主質量塊部件、中心懸置系統和驅動電極。其中，所述主質量塊部件懸置於單中心支架上，所述主質量塊部件包括向外朝所述六軸慣性傳感器邊緣延伸的放射狀部分，所述中心懸置系統被配置為在所述單中心支架上懸置所述六軸慣性傳感器，所述驅動電極包括移動部分和固定部分，所述移動部分連接到所述放射狀部分上，其中所述驅動電極和所述中心懸置系統被配置為使得所述六軸慣性傳感器圍繞z軸(垂直於x-y面)振動。在一個實施例中，所述六自由度慣性測量系統可包括粘合到所述裝置層的第一面上的帽晶片和與粘合到所述裝置層的第二面上的通孔晶片。在某些實施例中，所述帽晶片和所述通孔晶片可被配置為封裝所述單質量塊六軸慣性傳感器。此概述意在提供本專利申請主題的概述。並不旨在提供本發明專用的或全面的說明。
具體實施方式
的包含用於提供有關本專利申請的更多信息。


在附圖(其不一定按比例繪製)中，相同的附圖標記可在不同的視圖中描述相似的部件。具有不同字母後綴的相似附圖標記可表示同類部件的不同例子。附圖以示例而非限制的方式大體示出了本文中所論述的各個實施例。圖1大體示出了六自由度(6-D0F)慣性測量單元(MU)的橫斷面示意圖；圖2大體示出了六軸慣性傳感器的一個實施例；圖3大體示出了六軸慣性傳感器在驅動動作中的一個實施例；圖4大體示出了六軸慣性傳感器的一個實施例，所述六軸慣性傳感器包括在感應動作中響應於圍繞X軸旋轉的單質量塊；圖5大體示出了六軸慣性傳感器的一個實施例，所述六軸慣性傳感器包括在感應動作中響應於圍繞y軸旋轉的單質量塊；圖6大體示出了六軸慣性傳感器的一個實施例，所述六軸慣性傳感器包括在感應動作中響應於圍繞z軸旋轉的單質量塊；圖7大體示出了六軸慣性傳感器的一個實施例，所述六軸慣性傳感器包括在感應動作中響應於沿X軸的加速度的單質量塊；圖8大體示出了六軸慣性傳感器的一個實施例，所述六軸慣性傳感器包括在感應動作中響應於沿y軸的加速度的單質量塊；圖9大體示出了六軸慣性傳感器的一個實施例，所述六軸慣性傳感器包括在感應動作中響應於沿z軸的加速度的單質量塊；圖10大體示出了包含通孔晶片電極安置的系統的一個實施例；圖11大體示出了包含面內弧形平行板傳感電極的六軸慣性傳感器的一個實施例；圖12大體示出了關於支架固定的所述中心懸置的一個實施例；圖13大體示出了所述中心懸置的一部分在驅動動作中的一個實施例。
具體實施例方式除其它情況之外，本發明者認識到一種微機械整體式六軸慣性傳感器，其被配置為利用中心固定的單質量塊檢測三軸加速度和三軸角速率。另外，本發明者認識到一種微機械整體式六軸慣性傳感器，其被配置為將響應模式解耦到每個軸上以使跨軸幹擾最小化。在一個實施例中，所述微機械整體式六軸慣性傳感器可包括分割的質量塊和柔性軸承結構，所述柔性軸承結構被配置為允許利用單驅動模式振動(對於所有軸僅需一個驅動控制環路)進行三軸的角速率檢測。因此，與使用三個分立的驅動控制環路的現有多軸陀螺儀相比，本申請所描述的微機械整體式六軸慣性傳感器的控制電子器件的複雜度及成本顯著降低。在一個實施例中，通過允許加速計和陀螺儀在單質量塊慣性傳感器中的同時運作(如角速率和線性加速度檢測)，柔性軸承結構能夠提供用於加速度響應和角速率響應的不同的動作模式。裝置結構圖1大體示出了六自由度(6-D0F)慣性測量單元(IMU) 100的橫斷面示意圖，所述六自由度(6-D0F)慣性測量單元(MU) 100由晶片級封裝而成，所述晶片級封裝包括帽晶片101、包含微機械結構(如微機械整體式六軸慣性傳感器)的裝置層105、和通孔晶片103。在一個實施例中，裝置層105可夾在帽晶片101和通孔晶片103之間，且裝置層105和帽晶片101之間的腔體可在真空下被晶圓級密封。在一個實施例中，帽晶片101能夠粘合到裝置層105上，例如使用金屬粘合劑102。金屬粘合劑102可包括熱熔粘合劑(例如非高溫熱熔粘合劑)以使得吸氣劑能夠保持長期的真空狀態，且使得防摩擦塗層的施用能夠防止在低重力加速度的加速度傳感器中出現的摩擦。在一個實施例中，在六自由度慣性測量單元100工作期間，金屬粘合劑102能夠在帽晶片101和裝置層105之間產生熱應力。在一個實施例中，能夠在裝置層105上增加一個或多個特性，以使裝置層105中的所述微機械結構隔離於熱應力(如形成於微機械結構邊界周圍的一個或多個應力降低槽)。在一個實施例中，通孔晶片103可粘合到裝置層105上，如熱熔粘合(如矽-矽熱熔粘合等)，以消除在通孔晶片103和裝置層105之間的熱應力。在一個實施例中，利用一個或者多個矽通孔(TSVs)(例如，通過介電材料109與通孔晶片103相隔離的第一矽通孔108)，通孔晶片103可包括一個或多個獨立區域(例如，第一獨立區域107)，所述獨立區域隔離於通孔晶片103的一個或多個其他區域。在某些實施例中，所述一個或多個獨立區域可作為電極使用，以感應或驅動所述六軸慣性傳感器的面外工作模式，且所述一個或多個矽通孔可被配置為提供所述裝置層105到六自由度慣性測量單元100外的電連接。此外，六自由度慣性測量單元100可包括諸如第一觸點110的一個或多個觸點，所述一個或多個觸點通過介電層104選擇性地隔離於通孔晶片103的一個或多個部分，且被配置為將通孔晶片103的一個或多個獨立區域或矽通孔之間的電連接提供給一個或多個外部元件(例如，專用集成電路ASIC晶片)，例如通過衝擊、絲焊或一個或多個其他電連接提供給所述一個或多個外部元件。在某些實施例中，裝置層105中的所述微機械整體式六軸慣性傳感器能夠通過將裝置層105粘合到通孔晶片103的凸出部分(如支架106)進而支撐或固定在通孔晶片103上。在一個實施例中，支架106可大體上設置於通孔晶片103的中心，且裝置層105可熱熔粘合在支架106上，這樣可消除與金屬疲勞相關的問題。圖2大體示出了六軸慣性傳感器200 (如微機械整體式六軸慣性傳感器)的一個實施例，例如六軸慣性傳感器200形成於六自由度慣性測量單元100的裝置層105的單一面上。在一個實施例中，六軸慣性傳感器200的結構可關於如圖2所不的X軸和y軸對稱，並且z軸概念性地從圖中延伸出來。圖2中對六軸慣性傳感器200 —個部分的結構及特徵進行了附圖標記。但在某些實施例中，這樣的附圖標記及描述能夠適用於六軸慣性傳感器200中未標記的類似部分。 在一個實施例中，六軸慣性傳感器200可包括提供三軸陀螺儀和三軸加速計工作模式的單質量塊設計，其中所述三軸陀螺儀和三軸加速計工作模式在六自由度慣性測量單元100的裝置層105中給出，如圖1的實施例中所示。在一個實施例中，所述單質量塊可通過單中心支架(如支架106)和中心懸架111在所述單質量塊的中心懸置，其中所述中心懸架111包括中心對稱的柔性軸承(flexures)，如在Acar等人於2011年9月16日遞交的PCT專利申請序號為US2011052006且題為「FLEXURE BEARING TO REDUCE QUADRATURE FOR RESONATING MICROMACHINEDDEVICES」的相關專利文件中公開的柔性軸承，這裡將該專利文件作為本發明的參考內容。所述中心懸架111能夠使得所述單質量塊圍繞X軸、y軸及z軸進行扭轉地振動，由此提供了三個陀螺儀工作模式，包括:(I)圍繞Z軸的扭轉的面內驅動動作(如圖3所示)；(2)圍繞X軸的扭轉的面外y軸陀螺儀感應動作(如圖4所示)；以及(3)圍繞y軸的扭轉的面外X軸陀螺儀感應動作(如圖5所示)。此外，所述單質量塊設計可由多個部件組成,例如包括主質量塊部件115、關於y軸對稱的X軸質量塊部件116、117以及關於X軸對稱的y軸質量塊部件118、119。在圖2的實施例中，主質量塊部件115包括第一主體部分，所述第一主體部分包含中心懸架111,其中,所述中心懸架111的主臂放射狀地從主質量塊部件115的中心延伸至各自的驅動電極123，所述驅動電極123位於所述六軸慣性傳感器200的拐角處。在一個實施例中，中心懸架111和驅動電極123的結合可被配置以提供圍繞z軸的扭轉的面內驅動動作，這就允許對圍繞X軸和I軸的角運動的檢測。在一個實施例中，X軸質量塊部件116、117可通過多功能柔性軸承120連接到主質量塊部件115上，且可通過z軸陀螺儀反相柔性軸承121彼此連接。在一個實施例中，所述多功能柔性軸承120可使得X軸質量塊部件116、117以下述方式振動:(I)在X方向線性反相振動作為z軸陀螺儀感應動作(如圖6所示)；(2)在X方向線性同相振動作為X軸加速計感應動作(如圖7所示)；以及(3)圍繞y軸扭轉的面外振動作為z軸加速計感應動作(如圖9所示)。在一個實施例中，反相柔性軸承121限定為鋸齒形。在一個實施例中，y軸質量塊部件118、119可通過y軸柔性軸承122連接到主質量塊部件115上，所述y軸柔性軸承122能夠使得I軸質量塊部件118、119在y方向進行線性面內振動作為x軸加速計感應動作。此外，六軸慣性傳感器200可包括X軸加速計傳感電極125和z軸陀螺儀傳感電極127、129，其中，所述X軸加速計傳感電極125被配置為檢測一個或多個質量塊部件沿X軸的同相面內動作，所述z軸陀螺儀傳感電極127、129被配置為檢測一個或多個質量塊部件沿X軸的反相面內動作。在某些實施例中，X軸加速計傳感電極125和z軸陀螺儀傳感電極127、129可結合為單組的傳感電極。在一個實施例中，I軸加速計傳感電極131被配置為檢測一個或多個質量塊部件沿y軸進行同相的面內動作。在一個實施例中，驅動電極123、X軸加速計傳感電極125、z軸陀螺儀傳感電極127、129以及y軸加速計傳感電極131中的每一個可包括連接到一個或多個質量塊部件上的移動棘爪，所述一個或多個質量塊部件通過各自的支架(如支架124、126、128、130、132)與一組固定在適當位置的固定棘爪相互交錯(如固定在通孔晶片103)。陀螺儀工作模式圖3大體示出了六軸慣性傳感器300在驅動動作中的一個實施例。在一個實施例中，驅動電極123可包括連接到主質量塊部件115上的一組移動移動棘爪，所述主質量塊部件115通過第一驅動支架124(如通孔晶片103的凸起的絕緣部分)與固定在適當位置的一組固定棘爪相互交錯。在一個實施例中，所述固定棘爪可被配置為通過第一驅動支架124接收能量，且驅動電極123的相互交錯的移動棘爪和固定棘爪之間的相互作用可被配置為向單質量塊提供圍繞z軸的轉矩。
在圖3的一個實施例中，當中心懸架111為固定的支架106提供回復轉矩使得所述單質量塊圍繞z軸以振動頻率進行扭轉地面內振動的時候，驅動電極123被驅動以圍繞z軸轉動單質量塊，其中所述驅動頻率取決於施加到驅動電極123上的能量。在某些實施例中，能夠利用驅動電極123檢測單質量塊的驅動動作。X軸諫率響應圖4大體示出了六軸慣性傳感器400的一個實施例，所述六軸慣性傳感器400包括在感應動作中響應於圍繞X軸旋轉的單質量塊，所述單質量塊包括主質量塊部件115、X軸質量塊部件116、117、y軸質量塊部件118、119以及中心懸架111。在圍繞X軸的角速率及圖3的實施例中所述的六軸慣性傳感器400的驅動動作同時出現的情況下，在X軸質量塊部件116、117上會引起沿Z軸相反方向的科氏力，這是由於其速度向量沿y軸的相反方向。這樣，通過彎曲中心懸架111，可使單質量塊圍繞y軸扭轉地振動。感應響應可通過面外X軸陀螺儀傳感電極(如通孔晶片103中形成的傳感電極)並通過X軸質量塊部件116、117與通孔晶片103的電容性耦合來檢測。Y軸諫率響應圖5大體示出了六軸慣性傳感器500的一個實施例，所述六軸慣性傳感器500包括在感應動作中響·應於圍繞y軸旋轉的單質量塊，所述單質量塊包括主質量塊部件115、X軸質量塊部件116、117、y軸質量塊部件118、119以及中心懸架111。在圍繞y軸的角速率及圖3的實施例中所述的六軸慣性傳感器400的驅動動作同時出現的情況下，在y軸質量塊部件118、119上會引起沿z軸相反方向的科氏力，這是由於其速度向量沿X軸的相反方向。這樣，通過彎曲中心懸架111，可使單質量塊圍繞y軸扭轉地振動。感應響應可通過面外I軸陀螺儀傳感電極(如通孔晶片103中形成的傳感電極)且通過y軸質量塊部件118、119與通孔晶片103的電容性耦合來檢測。Z軸諫率響應圖6大體不出了六軸慣性傳感器600的一個實施例,所述六軸慣性傳感器600包括在感應動作中響應於圍繞z軸旋轉的單質量塊，所述單質量塊包括主質量塊部件、X軸質量塊部件116、117、y軸質量塊部件、中心懸架、多功能柔性軸承120以及z軸陀螺儀反相柔性軸承121。在圍繞z軸的角速率及圖3的實施例中所述的六軸慣性傳感器400的驅動動作同時出現的情況下，在X軸質量塊部件116、117會引起沿X軸相反方向的科氏力，這是由於速度向量沿I軸的相反方向。這樣，通過在X方向上彎曲多功能柔性軸承120可使X軸質量塊部件116、117沿X軸相反方向線性地振動。此外，z軸陀螺儀反相柔性軸承121可用於提供X軸質量塊部件116、117的線性反相共振模式，該線性反相共振模式直接由反相的科氏力驅動。感應響應可通過面內的平行板傳感電極(如形成於裝置層105中的z軸陀螺儀傳感電極127、129)來檢測。加速計工作模式在一個實施例中，加速計響應模式可主要通過多功能柔性軸承120和γ軸加速計柔性軸承122來實現。多功能柔性軸承120可使得X軸質量塊部件116、117響應於x軸與z軸的加速度以及陀螺儀動作,且I軸加速計柔性軸承122可使得y軸質量塊部件118、119響應於y軸的加速度。
X軸加速計響應圖7大體示出了六軸慣性傳感器700的一個實施例，所述六軸慣性傳感器700包括在感應動作中響應於圍繞X軸的加速度的單質量塊，所述單質量塊包括主質量塊部件、X軸質量塊部件116、117、y軸質量塊部件、中心懸架、多功能柔性軸承120以及z軸陀螺儀反相柔性軸承121。在存在X軸加速度的情況下，X軸質量塊部件116、117會沿X方向同相偏斜。多功能柔性軸承120可使得X軸質量塊部件116、117在X方向一致地移動。在該動作期間，x軸質量塊部件116、117之間的z軸陀螺儀反相柔性軸承121可能不偏斜，導致低於z軸陀螺儀感應頻率的頻率。感應響應可通過面內平行板傳感電極(如形成於裝置層105中的X軸加速計傳感電極125)來檢測。Y軸加速計響應圖8大體示出了六軸慣性傳感器800的一個實施例，所述六軸慣性傳感器800包括在感應動作中響應於圍繞I軸的加速度的單質量塊，所述單質量塊包括主質量塊部件、X軸質量塊部件、y軸質量塊部件118、119、中心懸架、多功能柔性軸承、Z軸陀螺儀反相柔性軸承以及I軸加速計柔性軸承122。在存在y軸加速度的情況下，y軸質量塊部件118、119會沿y方向同相偏斜。y軸加速計柔性軸承122可使得y軸質量塊部件118、119與所述主質量塊部件一致地移動。感應響應可通過面內平行板傳感電極(如形成於裝置層105中的y軸加速計傳感電極131)來檢測。Z軸加速計響應圖9大體示出了六軸慣性傳感器900的一個實施例，所述六軸慣性傳感器900包括在感應動作中響應於圍繞Z軸的加速度的單質量塊,所述單質量塊包括主質量塊部件、X軸質量塊部件116、117、y軸質量塊部件、中心懸架、多功能柔性軸承120以及z軸陀螺儀反相柔性軸承121。在存在z軸加速度的情況下，X軸質量塊部件116、117會在面外沿相反方向扭轉地偏斜。多功能柔性軸承120能夠起到扭轉鉸鏈的作用，且可使得X軸質量塊部件116、117能夠圍繞位於多功能柔性軸承120中心的軸進行移動。由於位於多功能柔性軸承120相對側的區域沿相反方向移動，因而僅利用安置於通孔晶片103上的一層面外電極可得到完全不同的檢測方案。面外電極安置圖10大體示出了包含通孔晶片103電極安置的系統1000的一個實施例。在某些實施例中，通孔晶片103的一個或多個導電部分(如電極、單獨的導電區等)可用於檢測所述六軸慣性傳感器和通孔晶片103之間的電容性耦合，以及依次利用X軸陀螺儀傳感電極140檢測X軸角速率、利用I軸陀螺儀傳感電極141檢測y軸角速度及利用z軸加速計傳感電極142檢測z軸加速度。驅動頻率與檢測頻率在一個實施例中，驅動模式和三個陀螺儀感應模式可設置在20kHz範圍內。對於開環操作，驅動模式可通過模式間隔(如IOOHz到500Hz)與感應模式分開，所述模式間隔可決定陀螺儀的機械靈敏度。為了提高靈敏度，在實際應用的振動規格允許的條件下可降低陀螺儀操作共振頻率。若執行閉環感應操作，可減小模式間隔以進一步提高機械靈敏度。加速計感應模式共振頻率可大體上設置為低於陀螺儀工作模式，如5kHz到IOkHz的範圍內。這樣，陀螺儀和加速計的信號也可在頻域內分開。而且，較低的共振頻率可用來提高靈敏度。弧形的面內平行板電極圖11大體示出了包含單質量塊的六軸慣性傳感器1100的一個實施例，所述單質量塊包括主質量塊部件115、x軸質量塊部件116、117和y軸質量塊部件118、119。在一個實施例中，一個或多個X軸加速計傳感電極125、z軸陀螺儀傳感電極127或y軸加速計傳感電極131可包括弧形的面內平行板電極，在某些實施例中，所述弧形的面內平行板電極呈弧形排列並垂直於扭轉的驅動動作的方向，以降低陀螺儀驅動動作中電極電容檢測的靈敏度。由於驅動動作圍繞z軸旋轉，因此垂直於驅動動作的弧形電極陣列(其中心位於晶片中心)會減少由陀螺儀驅動動作導致的間隙變化或重疊面積變化。[H交誤差的減小圖12大體示出了關於支架106固定的中心懸架111的一個實施例，所述中心懸架111包括對稱的「C形梁柱」(c-beams)，所述C形梁柱被配置為在局部上消除正交誤差。微機械陀螺儀的正交誤差主要源於深反應離子刻蝕(DRIE)側壁角度誤差，所述DRIE側壁角度誤差導致刻蝕斷面偏離於直側壁。如果側壁具有角度誤差，則當斜軸沿梁柱長度時面內驅動動作還會導致面外動作。因此，當偏斜的柔性梁柱位於所述驅動動作的相對一側時，所導致的面外偏移引起正交誤差。圖13大體示出了中心懸架111的一部分在驅動動作中的一個實施例。所述中心懸架111使用位於支架106每一側的對稱的「C形梁柱」。由一側的每個C形梁柱導致的面外動作被與其對稱的對應部分抵消。這樣，在每個梁柱上引起的正交誤差可在局部上被消除。跨軸靈敏度陀螺儀功能和加速計功能的工作模式可通過懸置系統極佳地解耦，所述懸置系統包括中心懸架111和多功能柔性軸承120，且該懸置系統有效地維持所述工作模式的正交性。這樣，每個軸的傳感電極對於其他軸中的響應動作保持靜止。此外，如上所述，陀螺儀和加速計的響應信號在頻域內分開。
_0] 補充注釋及實施例在實施例1中，六自由度出-DOF)慣性測量系統包括裝置層，其中所述裝置層包括在χ-y面中形成的單質量塊六軸慣性傳感器，所述單質量塊六軸慣性傳感器包括主質量塊部件、中心懸置系統和驅動電極。其中，所述主質量塊部件懸置於單中心支架上，且所述主質量塊部件包括向外朝所述六軸慣性傳感器邊緣延伸的放射狀部分，所述中心懸置系統被配置為在所述單中心支架上懸置所述六軸慣性傳感器，所述驅動電極包括移動部分和固定部分，所述移動部分連接到所述放射狀部分上，其中所述驅動電極和所述中心懸置系統被配置為使所述六軸慣性傳感器圍繞z軸(垂直於χ-y面)以驅動頻率振動。所述單質量塊六軸慣性傳感器可選地包括粘合到所述裝置層第一面上的帽晶片和粘合到所述裝置層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為封裝所述單質量塊六軸慣性傳感器。
在實施例2中，實施例1中的所述單質量塊六軸慣性傳感器可選地包括第一 X軸質量塊部件和第二 X軸質量塊部件，所述第一 X軸質量塊部件和所述第二 X軸質量塊部件通過多功能柔性軸承連接到所述主質量塊部件上。在實施例3中，實施例1至2中任何一個或多個實施例的所述多功能柔性軸承可選地被配置為使得所述第一 X軸質量塊部件和第二 X軸質量塊部件能夠沿X軸同相或反相移動。在實施例4中，實施例1至3中任何一個或多個實施例的所述多功能柔性軸承可選地被配置為使得所述第一 X軸質量塊部件和第二 X軸質量塊部件能夠響應於X軸加速度而沿X軸同相移動。在實施例5中，實施例1至4中任何一個或多個實施例的所述多功能柔性軸承可選地被配置為使得所述第一 X軸質量塊部件和第二 X軸質量塊部件能夠響應於Z軸旋轉而沿X軸反相移動。在實施例6中，實施例1至5中任何一個或多個實施例的多功能柔性軸承可選地被配置為使得所述第一 X軸質量塊部件和第二 X軸質量塊部件能夠響應於Z軸加速度而圍繞y軸旋轉。在實施例7中，實施例1至6中任何一個或多個實施例的所述多功能柔性軸承中的至少一個可選地為細長的並在所述主質量塊部件與所述第一 X軸質量塊部件之間沿y軸延伸。在實施例8中，實施例1至7中任何一個或多個實施例的所述至少一個多功能柔性軸承可選地被配置為在扭矩作用下圍繞平行於y軸的軸彎曲。在實施例9中，四個多功能柔性軸承可選地被配置為將所述單質量塊連接到所述第一 X軸質量塊部件和第二 X軸質量塊部件上，其中，對於每個多功能軸承，存在關於X-Z面成鏡像關係的相對立的多功能柔性軸承並存在關於y-z面成鏡像關係的另一多功能軸承。在實施例10中，實施例1至9中任何一個或多個實施例的所述第一 X軸質量塊部件和第二 X軸質量塊部件可選地由沿y軸延伸的細長的反相柔性軸承所連接。在實施例11中，實施例1至10中任何一個或多個實施例的兩個反相柔性軸承可選地在X-Z面的相對兩側將所述第一 X軸質量塊部件連接到第二 X軸質量塊部件上。在實施例12中，實施例1至11中任何一個或多個實施例的所述兩個反相柔性軸承的每一個在所述第一 X軸質量塊和第二 X軸質量塊之間沿X軸以Z字形延伸。在實施例13中，實施例1至12中任何一個或多個實施例的所述單質量塊可選地呈四邊形，其中，所述單中心支架位於所述四邊形的中心，且其中，所述主質量塊部件包括四個放射狀部分，所述四個放射狀部分向外朝所述六軸慣性傳感器的四個角延伸。在實施例14中，實施例1至13中任何一個或多個實施例的所述驅動電極可選地包括與多個固定棘爪相互交錯的多個移動的棘爪，其中所述固定棘爪固定在所述通孔晶片上。在實施例15中，實施例1至12中的任何一個或多個實施例可選地包括第一電極和第二電極，所述第一電極位於所述裝置層面內且被配置為檢測Z軸角旋轉、X軸加速度和y軸加速度，所述第二電極位於所述裝置層面外且被配置為檢測z軸加速度、X軸角旋轉和y軸角旋轉。在實施例16中，實施例1至15中任何一個或多個實施例的所述通孔晶片可選地包括第二電極，所述第二電極可選地被電容性地連接到所述裝置層上。在實施例17中，單質量塊的微機械整體式六軸慣性傳感器裝置包括主質量塊部件、一對X軸質量塊部件、一對I軸質量塊部件、中心懸置系統和驅動電極。所述主質量塊部件懸置於單中心支架上，且所述主質量塊部件包括向外朝所述六軸慣性傳感器的邊緣延伸的放射狀部分；所述X軸質量塊部件通過多功能柔性軸承連接到所述主質量塊部件上，且通過反相柔性軸承相互連接；所述y軸質量塊部件通過延長的柔性軸承連接到所述主質量塊部件的多個放射狀部分上；所述中心懸置系統被配置為在所述單中心支架上懸置所述六軸慣性傳感器；所述驅動電極包括移動部分和固定部分，所述移動部分連接到所述放射狀部分上，其中所述驅動電極和所述中心懸置系統被配置為使所述六軸慣性傳感器圍繞垂直於x-y面的z軸以驅動頻率振動。在實施例18中，實施例1至17中任何一個或多個實施例的所述多功能柔性軸承可選地被配置為使得所述第一 X軸質量塊部件和第二 X軸質量塊部件能夠沿X軸同相或反相移動。在實施例19中，實施例1至18中任何一個或多個實施例的所述多功能柔性軸承可選地被配置為使得所述第一 X軸質量塊部件和第二 X軸質量塊部件能夠響應於X軸加速度而沿X軸同相移動且能夠響應於Z軸旋轉而沿X軸反相移動。在實施例20中，實施例1至19中任何一個或多個實施例的所述多功能柔性軸承可選地被配置為使得所述第一 X軸質量塊部件和第二 X軸質量塊部件中的每一個能夠響應於Z軸加速度而圍繞I軸旋轉。在實施例21中，一種方法，包括在單中心支架上懸置六軸慣性傳感器的單質量塊，其中，所述單中心支架通過中心懸架連接到固定層上，所述主質量塊部件包括向外朝所述六軸慣性傳感器的邊緣延伸的放射狀部分；所述方法還包括通過多功能柔性軸承在所述主質量塊部件上懸置第一 X軸質量塊部件和第二 X軸質量塊部件，將固定的驅動電極固定在固定層上，將可移動電極連接到固定電極上，以及通過所述固定的驅動電極、所述可移動電極和所述中心懸架使所述單質量塊以驅動頻率振動。在實施例22中，一個系統或裝置可包括或可選地與實施例1至21中任何一個或多個實施例的任何部分或任何部分的組合相結合，以包括機器可讀介質或用於執行實施例1至21中任何一種或多種所述功能的方法，其中，所述機器可讀介質包括指令，當由機器執行時，所述指令使得所述機器執行實施例1至21中任何一個或多個所述功能。上述具體實施方式
包括對附圖的參考，附圖形成具體實施方式
的一部分。附圖以舉例說明的方式示出了本發明能夠用以實踐的具體實施例。於此，這些實施例也稱為「示例」。本申請所涉及到的所有出版物、專利以及專利文件全部作為本發明的參考內容，儘管它們是分別加以參考的。如果本申請與參考文件之間存在使用差別，則參考文件的使用應視為本申請使用的補充；若二者之間存在不可調和的差異，則以本申請的使用為準。在本申請中，與專利文件通常使用的一樣，術語「一」或「某一」表示包括一個或兩個以上，不同於「至少一個」或「一個或更多」的其它例子或用法。在本申請中，除非另外指明，否則使用術語「或」指無排他性的或者是，「A或B」包括:「A但不是B」、「B但不是A」以及「A和B」。在所附的權利要求中，術語「包含」和「在其中」等同於各個術語「包括」和「其中」的通俗英語而使用。而且，在下述權利要求中，術語「包含」和「包括」是開放性的，即，包括除了權利要求中這樣的術語之後所列出的那些要素以外的要素的系統、裝置、物品或步驟，依然視為落在該項權利要求的範圍之內。而且，在下述權利要求中，術語「第一」、「第
二」和「第三」等僅僅用作標識，並非對其對象有數量要求。以上實施方式旨在解釋說明而非限制。在其它實施例中，以上實施方式的示例(或其一個或多個方面)可以相互結合使用。例如，本領域普通技術人員通過回顧以上實施方式可以使用其他實施例·。摘要被提供以符合37C.F.R.§ 1.72(b)，從而使得讀者能夠快速確定技術發明的類型。應當理解的是，該摘要將不用於解釋或限制權利要求的範圍或意義。而且，在以上的具體實施方式
中，各種特徵可組合在一起以簡化本發明。這不應理解為未要求的公開特徵對任何權利要求來說是必不可少的。相反，創造性的主題可以以比特定公開實施例的所有特徵更少的特徵而存在。因而，下述的權利要求以每個權利要求作為單獨實施例的方式併入具體實施方式
中。本發明的範圍應當參照所附的權利要求以及與這些權利要求的所屬相當的整個範圍來確定。
權利要求
1.一種六自由度出-DOF)慣性測量系統，包括裝置層、粘合到所述裝置層的第一面上的帽晶片、和粘合到所述裝置層的第二面上的通孔晶片， 其中所述裝置層包括在χ-y面中形成的單質量塊六軸慣性傳感器，所述單質量塊六軸慣性傳感器包括: 主質量塊部件，懸置在單中心支架上，所述主質量塊部件包括向外朝所述六軸慣性傳感器的邊緣延伸的放射狀部分； 中心懸置系統，被配置為在所述單中心支架上懸置所述六軸慣性傳感器；和 驅動電極，包括移動部分和固定部分，所述移動部分連接到所述放射狀部分上，其中，所述驅動電極和所述中心懸置系統被配置為使所述六軸慣性傳感器圍繞垂直於χ-y面的z軸以驅動頻率振動； 其中所述帽晶片和所述通孔晶片被配置為封裝所述單質量塊六軸慣性傳感器。
2.根據權利要求1所述的系統，其中，所述單質量塊六軸慣性傳感器包括第一X軸質量塊部件和第二 X軸質量塊部件，所述第一 X軸質量塊部件和所述第二 X軸質量塊部件通過多功能柔性軸承連接到所述主質量塊部件上。
3.根據權利要求2所述的系統，其中，所述多功能柔性軸承被配置為使得所述第一X軸質量塊部件和第二 X軸質量塊部件能夠沿X軸同相或反相移動。
4.根據權利要求3所述的系統，其中，所述多功能柔性軸承被配置為使得所述第一X軸質量塊部件和第二 X軸質量塊部件能夠響應於X軸加速度而沿X軸同相移動。
5.根據權利要求3所述的系統，其中，所述多功能柔性軸承被配置為使得所述第一X軸質量塊部件和第二 X軸質量塊部件能夠響應於Z軸旋轉而沿X軸反相移動。
6.根據權利要求2所述的系統，其中，所述多功能柔性軸承被配置為使得所述第一X軸質量塊部件和第二 X軸質量塊部件中的每一個能夠響應於z軸加速度而圍繞y軸旋轉。
7.根據權利要求2所述的系統，其中，所述多功能柔性軸承中的至少一個為細長的並在所述主質量塊部件與所述第一 X軸質量塊部件之間沿I軸延伸。
8.根據權利要求7所述的系統，其中，所述至少一個多功能柔性軸承被配置為在扭矩作用下圍繞一平行於I軸的軸彎曲。
9.根據權利要求8所述的系統，其中，四個多功能柔性軸承將所述單質量塊連接到所述第一 X軸質量塊部件和第二 X軸質量塊部件上，其中，對於每個多功能柔性軸承，存在關於X-Z面成鏡像關係的相對立的多功能軸承並存在關於y-z面成鏡像關係的另一多功能軸承。
10.根據權利要求2所述的系統，其中，所述第一X軸質量塊部件和所述第二 X軸質量塊部件由沿y軸延伸的細長的反相柔性軸承所連接。
11.根據權利要求10所述的系統，其中，兩個反相柔性軸承在χ-ζ面的相對側將所述第一 X軸質量塊部件連接到所述第二 X軸質量塊部件上。
12.根據權利要求11所述的系統，其中，所述兩個反相柔性軸承中的每一個在所述第一 X軸質量塊和所述第二 X軸質量塊之間沿X軸以Z字形延伸。
13.根據權利要求1所述的系統，其中，所述單質量塊呈四邊形，其中，所述單中心支架位於所述四邊形的中心，且其中， 所述主質量塊部件包括四個放射狀部分，所述四個放射狀部分向外朝所述六軸慣性傳感器的四個角延伸。
14.根據權利要求1所述的系統，其中，所述驅動電極包括與多個固定棘爪相互交錯的多個移動的棘爪，其中，所述固定棘爪固定在所述通孔晶片上。
15.根據權利要求1所述的系統，包括: 第一電極，位於所述裝置層面內且被配置為檢測z軸角旋轉、X軸加速度和y軸加速度；以及 第二電極，位於所述裝置層面外且被配置為檢測z軸加速度、X軸角旋轉和y軸角旋轉。
16.一種單質量塊的微機械整體式六軸慣性傳感器裝置，包括: 主質量塊部件，懸 置在單中心支架上，所述主質量塊部件包括向外朝所述六軸慣性傳感器的邊緣延伸的放射狀部分； 一對X軸質量塊部件，通過多功能柔性軸承連接到所述主質量塊部件上且通過反相柔性軸承相互連接； 一對y軸質量塊部件，通過延長的柔性軸承連接到所述主質量塊部件的多個放射狀部分上； 中心懸置系統，被配置為在所述單中心支架上懸置所述六軸慣性傳感器；以及驅動電極，包括移動部分和固定部分，所述移動部分連接到所述放射狀部分上，其中所述驅動電極和所述中心懸置系統被配置為使所述六軸慣性傳感器圍繞垂直於χ-y面的z軸以驅動頻率振動。
17.根據權利要求16所述的裝置，其中，所述多功能柔性軸承被配置為使得所述第一X軸質量塊部件和所述第二 X軸質量塊部件能夠沿X軸同相或反相移動。
18.根據權利要求17所述的裝置，其中，所述多功能柔性軸承被配置為使得所述第一X軸質量塊部件和所述第二 X軸質量塊部件能夠響應於X軸加速度而沿X軸同相移動且能夠響應於Z軸旋轉而沿X軸反相移動。
19.根據權利要求16所述的裝置，其中，所述多功能柔性軸承被配置為使得所述第一X軸質量塊部件和所述第二 X軸質量塊部件中的每一個能夠響應於z軸加速度而圍繞y軸旋轉。
20.—種方法,包括: 在單中心支架上懸置六軸慣性傳感器的單質量塊，其中，所述單中心支架通過中心懸架連接到固定層上，所述主質量塊部件包括向外朝所述六軸慣性傳感器的邊緣延伸的放射狀部分； 通過多功能柔性軸承在所述主質量塊部件上懸置第一 X軸質量塊部件和第二 X軸質量塊部件； 將固定的驅動電極固定在所述固定層上； 將可移動電極連接到所述固定電極上； 通過所述固定的驅動電極、所述可移動電極和所述中心懸架使所述單質量塊以驅動頻率振動。
全文摘要
一種六自由度(6-DOF)慣性測量系統的裝置層可包括位於x-y面的單質量塊六軸慣性傳感器，所述慣性傳感器包括主質量塊部件、中心懸置系統和驅動電極，其中，所述主質量塊部件懸置於單中心支架上，其所述主質量塊部件包括向外朝所述六軸慣性傳感器的邊緣延伸的放射狀部分；所述中心懸置系統被配置為在所述單中心支架上懸置所述六軸慣性傳感器；所述驅動電極包括移動部分和固定部分，所述移動部分連接到所述放射狀部分上，其中，所述驅動電極和所述中心懸置系統被配置為使所述六軸慣性傳感器圍繞垂直於x-y面的z軸以驅動頻率振動。
文檔編號G01P15/18GK103221779SQ201180055823
公開日2013年7月24日 申請日期2011年9月18日 優先權日2010年9月18日
發明者C·阿卡 申請人:快捷半導體公司