專利名稱：角速度傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及角速度傳感器裝置的改進，更具體地說但是不是唯一地，涉及采用具有平面結構的振動諧振器的傳感器的角速度傳感器裝置，例如用在微型機加工振動結構陀螺儀(VSG)以及相關的控制電子器件中。
在這個競爭激烈的市場中，不可避免地會存在朝著低成本和高性能方面的驅動力。朝著這些目標的其中一個可看到的方法是通過將電子器件集成到傳感器芯片上。人們認為控制電路的集成尤其對于采用電容傳感的裝置而言可以提供顯著的性能改善。例如，將傳感器放大器電路設置在傳感電極附近有利于使來自雜散驅動電壓的寄生耦合最小化并且有利于降低雜散電容。另外，將控制電子器件直接構成在傳感器芯片還可以通過取消對于單獨ASIC或分離的電子器件的要求來降低整個裝置部件數目。這可以有利地降低整個裝置尺寸并且可能減少單位成本。
電子器件在芯片上集成的可行性很大程度上取決于傳感器結構和制造方法。電子器件和傳感器在同一硅片上的構成要求生產這兩個元件的工藝相互兼容。在沒有對這些工藝方法中的一個或另一個做出顯著改進的情況下這并不一定容易實現，這些改進在整個晶片產出上會有不利影響。還會需要在裝置結構中的一些折衷來適應這些通常也在性能上具有負面影響的改變。
這些問題已經妨礙了這種由硅構成的芯片上電子集成平面諧振器裝置的商業(yè)性開發(fā)，而且目前這種裝置在市場上不能買到?，F在參照在我們的共同未決申請GB9817347.9所披露的現有技術傳感器來對在集成方面存在的這些困難的原因進行詳細說明。
采用平面環(huán)結構的傳感器例如在GB9817347.9中所披露的那種通常采用如在

圖1a和1b中所示的Cos2θ和Sin2θ振動模式對，在這些圖面中顯示出該結構關于主軸P和副軸S的振動。這些模式中的一種(圖1a)被激勵作為載波模式。當該結構繞著與環(huán)平面垂直的軸線轉動時，科里奧利力(Coriolis force)將能量連接(couple)成響應模式(圖1b)。如果載波和響應模式頻率精確地相配，則響應模式運動的幅度由結構的Q進行放大。這就提高了靈敏度并且這些裝置可以具有高性能。
決定裝置性能的其中一個臨界參數是這兩個模式之間的差頻及其在工作溫度范圍上的穩(wěn)定性。為了實現這個頻率匹配，材料特性必須是這樣，即這兩個模式的諧振參數精確匹配。當由晶體硅制造這種諧振結構時，當前要理解的是，這個要求只能通過采用[111]硅晶片來滿足，即平行于[111]主晶面切割而成的硅晶片。對于該晶向而言，該臨界材料參數在徑向上是各向異性的。但是，這個要求與標準電子電路在裝置層硅上的制造方法不兼容。標準的CMOS/BiCMOS制造方法通常是在[100]硅晶片基片上進行的。在鑄造廠處采用的這些技術和工藝不能直接應用在[111]切割的硅晶片上。
因此，本發(fā)明的目的在于克服目前已經妨礙了由晶體硅構成的并且結合了被集成在傳感器芯片上的電子電路的改進的傳感器裝置的商業(yè)開發(fā)的上述問題。
在廣義上看，本發(fā)明基于這樣的認識，包括諧振器的傳感器可以由[100]晶體硅構成，從而使得傳感器和相關的控制電子器件可以集成在一起。本發(fā)明人已經證實，如果諧振器以特定的方式布置和操作的話，如由可能的振動模式的具體分析所決定的一樣，它可以以就好像形成在[111]晶體硅中一樣的類似方式操作。
更具體地說，根據本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明提供一種角速度傳感器裝置，它包括諧振器、驅動裝置、感測裝置和相關的電子控制裝置，諧振器、驅動裝置、感測裝置和控制裝置構造在一層具有[100]主晶面的晶體硅片層中，其中諧振器布置成由控制裝置以匹配成提供穩(wěn)定的諧振器響應的振動模式對進行操縱。
本發(fā)明的應用現在使得可以實現與集成的控制電子器件和傳感器芯片自身相關的上述不能得到的優(yōu)點。
諧振器最好被安排為以提供簡并的載波和響應參數的Sin3θ/Cos3θ振動模式對操作。這是最適合于提供結合有微型機加工的VSG的裝置的優(yōu)選配置。
雖然可以采用各種幾何結構的諧振器，但是該諧振器優(yōu)選包括一種基本上為平面的環(huán)結構。已經發(fā)現該結構對于微型機加工VSGs而言在其重量方面是一種高性能結構。
在該情況中，支承裝置可以包括多根柔性支承腿，這些支承腿使得平面環(huán)結構能夠在傳感器裝置中相對運動。更具體地說，該諧振器可以設置在基片中的空腔內，從而與基片間隔開并且通過從中心插座延伸到平面環(huán)結構諧振器的支承腿懸吊在空腔中。
這些支承腿的數目和位置優(yōu)選與振動模式對的模式對稱性相匹配。這有利地防止了振動模式對的動態(tài)特性的任何預先形成，從而防止了任何頻率分離。
電子控制裝置優(yōu)選包括供驅動裝置使用的驅動電路和供感測裝置使用的感測電路，但是還可以包括所有可以設在單獨的ASIC(專用集成電路)或分離的電子器件上的附加電路。驅動和感測電路可以設置在諧振器的周圍上，并且與相應的驅動裝置和感測裝置接近。還有，這是微型機加工VSG的另一種高性能結構形態(tài)。這有利地減少了在驅動裝置和/或感測裝置上的任何雜散寄生電容的影響。
優(yōu)選的是，感測電路包括用于放大感測到的信號的大小的電子放大器。將放大器設置在硅片層中也為微型機加工VSG提供了一種高性能結構形態(tài)。
該裝置還包括一種至少設在每個驅動和感測裝置之間的電屏蔽裝置，該屏蔽裝置接地以使驅動和感測裝置相互電屏蔽。這在不影響該裝置的性能的情況下有利地使得該裝置的結構能夠更加緊湊。
本發(fā)明還涉及一種包括有多個如上所述的角速度裝置的硅晶片。
本發(fā)明使得平面環(huán)速率傳感器能夠由[100]切割晶體硅提供制造，該傳感器具有精確匹配的載波和響應模式諧振參數并且具有高性能。現在將對本發(fā)明是如何使得這種集成的電子和傳感器裝置能夠被制造出進行說明。
晶體硅具有非常適于用在振動結構陀螺儀用途的材料特性。作為單晶材料，它具有低疲勞度并且非常堅固。這使得它經久耐用且有彈性，并且在受到沖擊和振動時非常結實。更具體地說，它內耗低(高品質因數)且楊氏模量E高。這些參數在該裝置的工作溫度范圍內也相對穩(wěn)定。但是，它們確實具有明顯的各向異性，這意味著它們通常隨著角度方向而變化。在圖2中顯示出這個角度相關性，該圖畫出了楊氏模量對于分別由線條2、4和6顯示出的三個主晶面[111，100和110]隨著角度方向的變化。顯然，對于[111]晶面的楊氏模量數值與角度無關，這使得它理想地適合用于采用如在GB9817347.9中所述的Sin2θ/Cos2θ諧振模式的平面環(huán)裝置中。對于其它晶面的角度變化的周期性是這樣的，在兩個模式之間產生出大頻率分離，從而使得它們不適于陀螺儀操作。
采用Lagrange等式已經分析出Sinnθ/Cosnθ在平面撓曲模式對中的固有頻率。在應變能公式中可以解釋該各向異性的效果。E變量對于[111]晶面的各向同性特性顯然不會對任何模式階次n產生頻率分離。對于[100]晶面而言，Sinnθ/Cosnθ模式對于n＝2和4而言是分離的但是n＝3模式是簡并的。(n＝4以上的模式階次由于它們的幅度減小并且頻率較高所以更不適合用在陀螺儀用途)。因此可以用[100]硅片構成平面環(huán)結構，該硅片通過利用Sin3θ/Cos3θ模式對可以具有與模式參數匹配的材料特性。
利用了這些模式的裝置10安裝有與在GB9817347.9中所述類似的靜電驅動變換器和電容驅動變換器。用來生產該結構的制造工藝基本上與在GB9828478.9中所述相同，因此在下面就不再贅述。
裝置10由一層陽極粘接在玻璃基片14上的[100]導電硅片12形成。該裝置10的主要部件是環(huán)結構諧振器16、六個驅動電容變換器18和六個傳感器電容變換器20。諧振器16以及驅動和傳感器電容變換器18、20是通過深層反應離子蝕刻(DRIE)工藝形成，該工藝形成貫穿硅片層12的溝槽。該制造工藝與將微型電子器件(未示出)直接構造在硅片裝置層12上完全兼容。在這種制造方法中所涉及的技術都是眾所周知的并且在這里沒有進行說明。
圖4為平面示意圖，顯示出裝置10的結構，并且圖5顯示出橫穿裝置10的結構的示意性剖視圖。環(huán)形結構諧振器16在中心由柔性腿22支承。這些腿22具有彈性體的作用，從而在連接點處作用在環(huán)形結構諧振器16上。孤立的單個支承腿22將差動地干擾Sin3θ和Cos3θ振動模式的動力學特性，從而產生出頻率分離。為了確保支承腿22的凈效應不會產生任何分離，支承腿22的數目和位置通常與模式的對稱性匹配。方便起見，以30°角度間隔設置12根相同的腿支承件12。這些腿支承件在一個端部處連接在環(huán)形結構諧振器16的內部24，并且在另一個端部處連接在中心支承插座26上。該插座26又剛性地連接在絕緣玻璃基片14上。在環(huán)形結構諧振器16和柔性腿結構22的邊緣下面在玻璃基片14中設有空腔28，從而使得環(huán)形結構諧振器16能夠自由運動。
在環(huán)形結構諧振器邊緣的外圓周上設有12塊分散的彎曲板30，從而每一塊在面對著環(huán)形結構諧振器16的板30的平面和環(huán)形結構諧振器自身的外圓周表面之間形成電容器。這些板30剛性地連接在玻璃基片14上并且與環(huán)形結構諧振器16絕緣。這些板30在環(huán)形結構諧振器16的邊緣上以30°角度間隔設置并且每一塊對著25°角。方便起見，采用相對于固定參考軸線R位于0°、120°和240°處的三塊板30作為載波驅動元件32。采用相對于固定參考軸線R位于60°、180°和300°處的板30作為傳感變換器34來探測載波模式運動。在轉動時，科里奧利力將把能量連接進響應模式中。通過相對于固定參考軸線R位于30°、150°和270°處的響應模式傳感器變換器36來探測該運動。為了使得裝置10能夠在力反饋模式響應模式中操作，相對于固定參考軸線R將驅動元件38設置在90°、210°和330°處。在每個驅動和傳感器變換器18、20上設有電連接片40以能夠與控制電路(未示出)相連。
在操作中，以諧振頻率將驅動電壓施加在載波驅動元件32上。將環(huán)形結構諧振器16保持在固定的偏置電壓上，該偏置電壓導致與所施加的用于小電容間隙位移的電壓成線性關系的展開力。通過設在中心插座26上的連接片41形成與環(huán)形結構諧振器16的電連接，該插座26通過腿22的導電硅片連接在環(huán)形結構諧振器16上。所產生出的運動使得載波模式傳感器變換器34的電容間隙分離改變。這將產生出穿過間隙的電流，該電流可以被放大以給出與運動成比例的信號。同樣探測出在響應模式傳感器變換器36處由轉動產生出的運動。在力反饋模式中，將驅動電壓施加在響應模式驅動變換器38上，從而用與轉速直接成比例的所施加的驅動電壓將該運動調零。驅動信號直接電容耦合在傳感器變換器20、34、36上會提高寄生信號輸出，該輸出看起來好像一種偏壓輸出并且降低了該裝置的性能。為了減小這個誤差，設置有屏蔽層42，該屏蔽層在除了面對著環(huán)形結構諧振器16之外的所有側面上圍繞著這些電容板30。該屏蔽42接地，這使得驅動和傳感器變換器18、20相互接近。
為了減小雜散電容和寄生耦合的作用，最好在分散的傳感器電容板20、34、36附近設置具有感測電路的傳感器放大器(未示出)。在直接靠近各個感測板20、34、36的硅屏蔽層12上可以構造適當的感測電路，并且通過連接在形成在感測板20、34、36的上表面上的連接片40上的導線形成與這些感測板的電連接。
放大器電路(未示出)的構造將需要其中形成有多個裝置10的裝置晶片經過許多額外的加工步驟。因此在裝置芯片上最好構造出盡可能多的電子電路以減小對附加外部電路的需求。這可以最好包括所有附加的電子控制電路，包括用于產生出所需要的驅動電壓和施加在環(huán)形諧振器16上的偏置電壓的驅動電路(未示出)。在該情況中，驅動電路將在靠近分散的驅動元件板18、32、38附近構造在硅屏蔽層上，并且可以通過與形成在驅動板18、32、38的上表面上的連接片40連接的導線連接件(未示出)與各個驅動板18、32、38電連接。
雖然已經對本發(fā)明的具體優(yōu)選實施方案進行了說明，但是要理解的是，這些實施方案只是示例性的，并且在不脫離由附屬權利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍下本領域普通技術人員可以做出各種改變和改進。
權利要求
1.一種角速度傳感器裝置，該裝置包括有諧振器、驅動裝置、感測裝置和相關的電子控制裝置，諧振器、驅動裝置、感測裝置和控制裝置構造在具有[100]主晶面的晶體硅片層中，其中諧振器布置成由控制裝置以匹配成提供穩(wěn)定的諧振器響應的振動模式對進行操作。
2.如權利要求1所述的角速度傳感器裝置，其中所述諧振器被設置成以提供簡并的載波和響應參數的Sin3θ/Cos3θ振動模式對進行操作。
3.如權利要求2所述的角速度傳感器裝置，其中所述諧振器包括一種基本上為平面環(huán)的結構。
4.如權利要求3所述的角速度傳感器裝置，其中所述支承裝置包括多根柔性支承腿。
5.如權利要求4所述的角速度傳感器裝置，其中所述支承腿的數目和位置與振動模式對的模式對稱性匹配。
6.如權利要求4或5所述的角速度傳感器裝置，其中所述諧振器設置在空腔內，它與基片間隔開并且通過從中心插座延伸到平面環(huán)形結構諧振器的支承腿懸吊在空腔中。
7.如前面權利要求中任一項所述的角速度傳感器裝置，其中所述電子控制裝置包括與驅動裝置一同使用的驅動電路和與感測裝置一同使用的感測電路。
8.如權利要求7所述的角速度傳感器裝置，其中所述驅動電路和所述感測電路每個都在諧振器的圓周上設置在相應驅動裝置和感測裝置附近。
9.如權利要求7或8所述的角速度傳感器裝置，其中所述感測電路包括用于放大所感測到的信號的放大器。
10.如前面權利要求中任一項所述的角速度傳感器裝置，其中所述驅動裝置包括相對于固定參考軸線設置在0°、120°、240°處的三個載波模式驅動元件，并且所述感測裝置包括相對于固定參考軸線設置在60°、180°、300°處的三個載波模式感測元件。
11.如權利要求10所述的角速度傳感器裝置，其中所述驅動裝置包括相對于固定參考軸線設置在90°、210°、330°處的三個響應模式驅動元件，并且所述感測裝置包括相對于固定參考軸線設置在30°、150°、270°處的三個響應模式感測元件。
12.如前面權利要求中任一項所述的角速度傳感器裝置，還包括至少設置在驅動和感測裝置中每一個之間的電屏蔽裝置，該屏蔽裝置接地從而使驅動和感測裝置相互電屏蔽。
13.如前面權利要求中任一項所述的角速度傳感器裝置，還包括由電絕緣材料例如玻璃制成的基底。
14.如前面權利要求中任一項所述的角速度傳感器裝置，其中所述模式參數包括用于該振動模式對的晶體硅片的楊氏模量。
15.如前面權利要求中任一項所述的角速度傳感器裝置，其中所述諧振器包括微型機加工振動結構陀螺儀。
16.一種包括如前面權利要求中任一項所述的角速度裝置的硅晶片。
17.一種基本上如上參照附圖中的圖3a、3b、4和5所述的角速度傳感器裝置或硅晶片。
全文摘要
一種角速度傳感器裝置(10)，例如微型機加工振動結構陀螺儀，它包括諧振器(16)、驅動裝置(18)、感測裝置(20)和相關的電子控制裝置。諧振器(16)、驅動裝置(18)、感測裝置(20)和控制裝置由具有[100]主晶面的晶體硅片層(12)構造成。為了在不降低其性能的情況下使該諧振器(16)在這種材料中操作，諧振器(16)被設置成在電子控制裝置的控制下由驅動和感測裝置(18、20)以具有匹配成提供穩(wěn)定的諧振器響應的模式參數(例如楊氏模量)的振動模式對進行操作。具體地說，該諧振器(16)設置成以具有簡并的載波和響應參數的Sin3θ/Cos3θ振動模式對進行操作。
文檔編號B81B3/00GK1397004SQ01804166
公開日2003年2月12日 申請日期2001年1月8日 優(yōu)先權日2000年1月27日
發(fā)明者克里斯托弗·P·費爾 申請人:Bae系統公共有限公司