專利名稱：Z軸角速度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
微型電機(jī)系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的發(fā)展使得人們?cè)诘统杀?、可靠的高質(zhì)量回旋角速率傳感器的研發(fā)上傾注了極大的興趣。傳統(tǒng)的軍事級(jí)回旋儀生產(chǎn)技術(shù)并非稱得上是大規(guī)模低成本的生產(chǎn)。MEMS技術(shù)利用半導(dǎo)體生產(chǎn)技術(shù)以構(gòu)建微型電機(jī)系統(tǒng)，并且因此而提供了低成本慣性傳感系統(tǒng)的制造模型。廣大研發(fā)者利用各種設(shè)計(jì)和生產(chǎn)方法來從事MEMS振蕩速率回旋儀設(shè)計(jì)。但是所有的這些設(shè)計(jì)均是源自基礎(chǔ)的振蕩回旋動(dòng)力學(xué)原理，早在U.S專利2,309,853(Lyman等)已有揭示，并且在諸如Academic Press，§13.7，p.368(1961)，由R.N.Arnold和L.M.Maunder著的“Gyrodynamics”的文章中已經(jīng)討論過。
速率傳感器指示規(guī)定的迪卡爾軸上的旋轉(zhuǎn)速率，該迪卡爾軸通常與傳感器包裝盒的一軸平行。術(shù)語“Z軸”表示感應(yīng)是沿著與包裝盒安裝平面(諸如印刷電路板)相垂直的一軸，同時(shí)被稱為“偏向”速率傳感器。該“Z軸”通常也垂直于構(gòu)造MEMS傳感器的硅晶片的平面。
標(biāo)準(zhǔn)耦合的振蕩器具有“對(duì)稱”和“非對(duì)稱”諧振模式，但是在某些應(yīng)用中并非希望出現(xiàn)對(duì)稱模式，這些在Harcourt College Publisher，第4卷，§12.2，p.460(1994)，由J.B.Marion和S.T.Thornton著的文章Classical Dynamics of Particlesand Systems中已經(jīng)討論過，這種對(duì)稱模式就是基礎(chǔ)模式。
以其最簡(jiǎn)單的形式，振蕩速率回旋儀首先以其諧振頻率沿著線性軸來驅(qū)動(dòng)彈性體系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)力由下式給出 該質(zhì)體的位置和速度由下式來描述 以及 其中δx=QxFdrivekx---(4)]]>以及 δx是沿著x軸的諧振位移幅值， 是沿著x軸的諧振頻率，Qx是沿著x軸的諧振質(zhì)量因子，kx是沿著x軸的線性彈性常數(shù)，并且m是質(zhì)量。當(dāng)該振蕩器沿著某一軸以速率 ，在直角坐標(biāo)系中的Coriolis力由下式給出FμColiolis=-2mΩμ×vρ,---(6)]]>其中Ωμ=Ωz]]>，并且由等式(3)所給出的 變?yōu)?Coriolis力然后在振蕩質(zhì)體、或者其中所包含的懸掛質(zhì)體的x運(yùn)動(dòng)上施加y運(yùn)動(dòng)，在諧振中y響應(yīng)運(yùn)動(dòng)并非是必需的，并且它的位置由下式給出 其中 以及 是沿著y軸的諧振頻率，Qy是驗(yàn)證y軸的諧振性質(zhì)因子，并且ky是沿著y軸的線性彈性常數(shù)。沿著y軸的Coriolis響應(yīng)的幅值和相位由等式(9)和(10)給出，同時(shí)時(shí)間變量與受驅(qū)x運(yùn)動(dòng) 的相同。由于由速率(Ωz)所致的Coriolis響應(yīng)的時(shí)間變量等于受驅(qū)x運(yùn)動(dòng)的時(shí)間變量，則使用類似于AM無線電或鎖定放大器的解調(diào)技術(shù)可以將y-Coriolis運(yùn)動(dòng)與由線性加速度所致的偽運(yùn)動(dòng)區(qū)分開。在該方式中，通常在專用集成電路(ASIC)中所包含的電子控制裝置感應(yīng)并處理動(dòng)力學(xué)信號(hào)，以產(chǎn)生與角速率成比例的濾波電輸出。
對(duì)于實(shí)際的速率感應(yīng)設(shè)備來說，重要的是除了前述的解調(diào)技術(shù)之外，還必需使其不受偽加速度的影響。因此對(duì)前述描述的速率感應(yīng)做出必需的修正在沿著相同的線性x軸向采用了第二受驅(qū)質(zhì)體，但是與第一質(zhì)體的相位相差π弧度。類似地然后第二質(zhì)體響應(yīng)于Coriolis力沿著y軸運(yùn)動(dòng)，但必需與第一質(zhì)體的相位相差π弧度。可以在一種配置中感應(yīng)出兩質(zhì)體的運(yùn)動(dòng)，在該配置中，諸如由加速度所致的同方向上的兩質(zhì)體的同時(shí)偏向相抵消，如同普通模式一樣，但是相反的Coriolis偏向有不一致的增加。使得受驅(qū)x振蕩具有π弧度相位差的兩質(zhì)體被稱為“反相”或“非對(duì)稱”操作，并且速率傳感器分類通常被稱為“音叉”。
必需以足夠的相位精度來實(shí)現(xiàn)反相運(yùn)動(dòng)?？梢酝ㄟ^各種技術(shù)來實(shí)現(xiàn)該運(yùn)動(dòng)，但是大多數(shù)技術(shù)增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性或生產(chǎn)工藝。這些技術(shù)包括以材料消蝕方式進(jìn)行機(jī)械平衡，以傳感器電極和電反饋方式進(jìn)行靜電頻率調(diào)諧，使用單獨(dú)的可調(diào)諧受驅(qū)信號(hào)相位，以及采用上述技術(shù)的結(jié)合。
在復(fù)雜系統(tǒng)控制、微小傳感信號(hào)、熱波動(dòng)以及經(jīng)常出現(xiàn)的誤差信號(hào)方面，現(xiàn)有技術(shù)中的MEMS速率傳感器面臨著諸多的技術(shù)挑戰(zhàn)。因此，在本領(lǐng)域中需要有一種產(chǎn)品，它可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模低成本的制造，同時(shí)單個(gè)的傳感器只需微小的調(diào)諧和測(cè)試。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種平面振蕩速率傳感器，具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)鏈接(linkage)配置，從而實(shí)現(xiàn)具有可忽略相位誤差的基礎(chǔ)“音叉”反相型運(yùn)動(dòng)。基礎(chǔ)反相運(yùn)動(dòng)的存在在單個(gè)傳感器的頻率和相位、制造公差以及機(jī)械調(diào)諧方面減輕了系統(tǒng)控制的負(fù)擔(dān)。當(dāng)兩個(gè)鏈接的質(zhì)體沿著平面內(nèi)x軸振動(dòng)，并且基體沿著平面之外的z軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，質(zhì)體響應(yīng)于Coriolis力并沿著平面內(nèi)y軸振動(dòng)。Y響應(yīng)同樣是反相的，并且差分傳感和解調(diào)將會(huì)從y運(yùn)動(dòng)中選取回旋速率信號(hào)，其中加速度信號(hào)被消除，如同普通模式一樣。
本發(fā)明的速率傳感器包括由多個(gè)對(duì)稱錨點(diǎn)懸掛的總質(zhì)體，兩檢驗(yàn)質(zhì)體之間的錨點(diǎn)由撓性件連接到剛性梁上。用撓性件將這些梁以對(duì)稱的方式依次交聯(lián)，并且撓性件介于剛性梁之間。最終是用對(duì)稱的撓性件將內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部結(jié)構(gòu)相連。最好用周界撓性件來支撐檢驗(yàn)質(zhì)體。當(dāng)沿著對(duì)稱軸對(duì)檢驗(yàn)質(zhì)體施力時(shí)，則其間的多個(gè)鏈接和撓性件產(chǎn)生偏向，從而迫使第二檢驗(yàn)質(zhì)體沿著相反線性方向上的對(duì)稱軸移動(dòng)。多個(gè)剛性梁和鏈接對(duì)檢驗(yàn)質(zhì)體運(yùn)動(dòng)有嚴(yán)格的限制，對(duì)反相振蕩有微小的阻力，同時(shí)對(duì)其它運(yùn)動(dòng)有強(qiáng)大的阻力，這樣一點(diǎn)可以在反相的是基礎(chǔ)振動(dòng)模式、而其它模式則是可以輕易分離的較高階模式中得以證明。
在一實(shí)施例中，實(shí)施了檢驗(yàn)質(zhì)體之間的兩組對(duì)稱錨點(diǎn)?？梢赃x擇性實(shí)施附加組的對(duì)稱錨點(diǎn)，以增加對(duì)偽加速度的阻力，但是驅(qū)動(dòng)更多質(zhì)體的成本也會(huì)增加。
每一個(gè)檢驗(yàn)質(zhì)體最好是包括具有由撓性件所懸掛的內(nèi)部質(zhì)體的框架，每個(gè)框架最好是與相對(duì)的檢驗(yàn)質(zhì)體相連的內(nèi)部鏈接進(jìn)行剛性連接，以防止框架對(duì)Coriolis力產(chǎn)生響應(yīng)。但是，可以單獨(dú)地調(diào)諧框架的內(nèi)部質(zhì)體和懸掛形式，以使其具有一諧振頻率，從而在該諧振頻率上對(duì)Coriolis力產(chǎn)生預(yù)定程度的響應(yīng)。
最好是用電容梳驅(qū)動(dòng)器在MEMS設(shè)備中激勵(lì)檢驗(yàn)質(zhì)體。最好是用類似的電容性技術(shù)來完成受驅(qū)運(yùn)動(dòng)和Coriolis速率運(yùn)動(dòng)。電子ASIC具備必要的驅(qū)動(dòng)、感應(yīng)以及信號(hào)處理功能，以提供與速率成比例的輸出電壓?；蛘?，采用壓電或磁性激勵(lì)元件也在本發(fā)明的精神之內(nèi)。


圖1示出本發(fā)明的角速率傳感器的示意性實(shí)施例；圖2A示出本發(fā)明角速率傳感器的運(yùn)動(dòng)的第一相位，其中檢驗(yàn)質(zhì)體沿著x方向上平移偏離中心。
圖2B示出本發(fā)明角速率傳感器的運(yùn)動(dòng)的第二相位，其中傳感器處于非彎曲狀態(tài)；圖2C示出本發(fā)明角速率傳感器的運(yùn)動(dòng)的第三相位，其中檢驗(yàn)質(zhì)體沿著x方向上平移趨近中心。
圖3A示出本發(fā)明的另一實(shí)施例，其中在傳感器的內(nèi)部區(qū)域中僅配置一對(duì)基底錨；圖3B示出本發(fā)明的另一實(shí)施例，其中在傳感器的內(nèi)部區(qū)域中配置三對(duì)基底錨；圖4A示出本發(fā)明較佳生產(chǎn)工序的第一步驟；圖4B示出本發(fā)明較佳生產(chǎn)工序的第二步驟；圖4C示出本發(fā)明較佳生產(chǎn)工序的第三步驟；圖4D示出本發(fā)明較佳生產(chǎn)工序的第四步驟；圖4E示出本發(fā)明較佳生產(chǎn)工序的第五步驟；圖4F示出本發(fā)明較佳生產(chǎn)工序的第六步驟；
圖4G示出本發(fā)明較佳生產(chǎn)工序的第七步驟；圖4H示出本發(fā)明較佳生產(chǎn)工序的第八步驟；圖5示出本發(fā)明一實(shí)施例的等角坐標(biāo)立體圖；以及圖6示出本發(fā)明的較佳實(shí)施例的示意圖，該實(shí)施例具有增加元件期望剛性的附加支撐梁和角撐架。
具體實(shí)施例由于本發(fā)明的速率傳感器的機(jī)械連接強(qiáng)化了兩個(gè)振蕩質(zhì)體的基礎(chǔ)反相運(yùn)動(dòng)，則該傳感器可滿足苛刻的回旋動(dòng)力學(xué)要求。與之形成對(duì)比的是現(xiàn)有技術(shù)的耦合振蕩器的動(dòng)力學(xué)過程，這種振蕩器具有“對(duì)稱”和“非對(duì)稱”諧振模式，而非期望的對(duì)稱模式是基礎(chǔ)的。
在本發(fā)明中，通過會(huì)導(dǎo)致可忽略相位誤差的獨(dú)特結(jié)構(gòu)性連接配置來實(shí)現(xiàn)該反相操作。這些鏈接決定對(duì)小質(zhì)量和彈力非平衡不敏感的機(jī)械動(dòng)力學(xué)過程，它們的基礎(chǔ)模式就是反相運(yùn)動(dòng)。該結(jié)構(gòu)性對(duì)稱以穩(wěn)健的模式來產(chǎn)生線性運(yùn)動(dòng)。其它的振動(dòng)模式則是可以輕易分離的較高階模式。最好是使用各種MEMS生產(chǎn)技術(shù)中的任意一種來實(shí)現(xiàn)該機(jī)械設(shè)計(jì)，這些生產(chǎn)技術(shù)包括，但不限于深度反應(yīng)離子蝕刻(DRIE)、表面微型機(jī)械加工、厚度微型機(jī)械加工等。最好是在各種介質(zhì)中的任意一種上生產(chǎn)該設(shè)備，這些介質(zhì)包括，但不限于單晶硅晶片、絕緣體硅(SOI)晶片、多晶硅晶片、外延晶片或者是較大尺寸的常規(guī)機(jī)械裝置。
參照?qǐng)D1，速率傳感器(150)具有沿著設(shè)備x軸(1)的對(duì)稱軸，該軸同時(shí)也是受驅(qū)反相運(yùn)動(dòng)的軸。所示出的結(jié)構(gòu)的基底上具有錨點(diǎn)，第一組(4)和(5)通常在該結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，而第二組(6)和(7)通常在結(jié)構(gòu)的外部。在基底錨點(diǎn)之間的撓性件和剛性梁的交聯(lián)決定了該結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)反相運(yùn)動(dòng)。
撓性件(8)和(9)使得剛性梁(10)和(11)以錨點(diǎn)(4)和(5)為樞軸。撓性件(12)和(14)將剛性梁(10)鏈接到剛性梁(16)和(18)，將梁(10)的樞軸運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)成梁(16)和(18)的運(yùn)動(dòng)，其中梁(16)和(18)維持其x方向的朝向。剛性梁(10)、(16)和(18)的運(yùn)動(dòng)然后構(gòu)成了一個(gè)與錨點(diǎn)(4)相關(guān)的受迫折疊的菱形，該過程由抵制y軸(2)上的壓縮、但是可以在x軸(1)上彎曲的交聯(lián)撓性件(8)、(12)和(14)所實(shí)現(xiàn)。對(duì)稱地，撓性件(13)和(15)將剛性梁(11)連接到剛性梁(17)和(19)，類似地剛性梁(11)、(17)和(19)構(gòu)成與錨點(diǎn)(5)相關(guān)的、受迫折疊的的菱形。剛性梁(10)和(11)最好是旋轉(zhuǎn)剛性梁，但剛性梁(16)、(17)、(18)和(19)最好是非旋轉(zhuǎn)梁。雖然四撓性件(8)和(9)在傳感器的平面內(nèi)形成一矩形，但是有意地稍微錯(cuò)開撓性件并不脫離本發(fā)明的范圍，并且這樣做僅僅是稍微影響到傳感器的性能。
當(dāng)兩個(gè)菱形(10)、(16)、(18)以及(11)、(17)、(19)在z軸(3)的反向上感應(yīng)折疊時(shí)，點(diǎn)(20)和(21)沿著x軸(1)在相同的方向上平移，但是在y軸(2)上沿著對(duì)稱的反方向平移。然后將梁(16)和(17)連接到框架(29)的撓性件(24)和(25)，抑制壓縮，并迫使框架(29)隨著連接到錨點(diǎn)(6)的撓性件(30)和(31)的彎曲而沿著x軸(1)平移。由于點(diǎn)(20)和(21)的運(yùn)動(dòng)，撓性件(24)和(25)還沿著y軸(2)的相反方向上出現(xiàn)對(duì)稱的彎曲，同時(shí)這樣的對(duì)稱反向彎曲不會(huì)對(duì)框架(29)造成凈y軸(2)運(yùn)動(dòng)?？蚣?29)然后沿著x軸(1)進(jìn)行獨(dú)有的線性運(yùn)動(dòng)。
類似地，當(dāng)兩個(gè)菱形(10)、(16)、(18)以及(11)、(17)、(19)在z軸(3)的反向上感應(yīng)折疊時(shí)，點(diǎn)(22)和(23)沿著x軸(1)在相同的方向上平移，但是在y軸(2)上沿著對(duì)稱的反方向平移。然后將梁(18)和(19)連接到框架(28)的撓性件(26)和(27)，抑制壓縮，并迫使框架(28)隨著連接到錨點(diǎn)(6)的撓性件(30)和(31)的彎曲而沿著x軸(1)平移。由于點(diǎn)(22)和(23)的運(yùn)動(dòng)，撓性件(26)和(27)還沿著y軸(2)的相反方向上出現(xiàn)對(duì)稱的彎曲，同時(shí)這樣的對(duì)稱反向彎曲不會(huì)對(duì)框架(28)造成凈y軸(2)運(yùn)動(dòng)?？蚣?28)然后沿著x軸(1)進(jìn)行獨(dú)有的線性運(yùn)動(dòng)。
當(dāng)兩個(gè)菱形(10)、(16)、(18)以及(11)、(17)、(19)在z軸(3)的反指向上折疊，導(dǎo)致框架(28)和(29)沿著x軸(1)上的線性偏移時(shí)，框架(28)和(29)在沿著x軸(1)的截然相反的反向上平移，從而沿著x軸(1)確立了基礎(chǔ)的受限反向運(yùn)動(dòng)。可由電容梳(32)和(33)對(duì)框架(28)和(29)的反向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行靜電驅(qū)動(dòng)，其中驅(qū)動(dòng)觸排(32)推動(dòng)框架(28)和(29)彼此相向運(yùn)動(dòng)，并且驅(qū)動(dòng)觸排(33)推動(dòng)框架(28)和(29)彼此背向運(yùn)動(dòng)。第一組傳感電極(110)和(111)電容感應(yīng)到了框架(28)和(29)的受驅(qū)運(yùn)動(dòng)，用于對(duì)受驅(qū)運(yùn)動(dòng)幅值實(shí)行電子監(jiān)控。以機(jī)械諧振頻率在邊(32)和(33)上交替地施加電壓。對(duì)每個(gè)邊最好是施加具有π弧度相位差的方波。
在框架(28)和(29)內(nèi)部，檢驗(yàn)質(zhì)體(34)和(35)由撓性件(36)和(37)懸掛起，如圖1所示的折疊彈簧所描述的那樣。這些撓性件抑制沿著x軸(1)上的壓縮，但是可以沿著y軸(2)方向上彎曲。然后檢驗(yàn)質(zhì)體(34)和(35)隨著框架(28)和(29)，沿著x軸(1)進(jìn)行反相運(yùn)動(dòng)。在整個(gè)設(shè)備圍繞z軸(3)旋轉(zhuǎn)之后，Coriolis力沿著y軸(2)作用在檢驗(yàn)質(zhì)體(34)和(35)上，但是由于質(zhì)體沿著x軸(1)進(jìn)行反相運(yùn)動(dòng)，則Coriolis力的作用是相反方向的，如上述等式(3)和(8)所示，在檢驗(yàn)質(zhì)體(34)和(35)的正弦項(xiàng)之間有π弧度的相位差異。類似地，框架(28)和(29)會(huì)受到沿著y軸(2)反相的Coriolis力，但是撓性件(24)、(25)、(26)和(27)的彈性常數(shù)會(huì)大大超過撓性件(36)和(37)的彈性常數(shù)，與檢驗(yàn)質(zhì)體(34)和(35)相比，這樣導(dǎo)致框架(28)和(29)的小量y軸運(yùn)動(dòng)。
可以通過第二組感應(yīng)電容梳(38)和(39)來靜電性地感應(yīng)出檢驗(yàn)質(zhì)體(34)和(35)沿y軸的Coriolis引致反相運(yùn)動(dòng)。電容梳邊(38)和(39)被電線連接，從而當(dāng)梳邊(38)和(39)之間是普通模式時(shí)可以感應(yīng)到檢驗(yàn)質(zhì)體(34)和(35)沿y軸同相運(yùn)動(dòng)。但是在梳邊(38)和(39)之間會(huì)有差別地感應(yīng)到檢驗(yàn)質(zhì)體(34)和(35)沿y軸(2)的反相運(yùn)動(dòng)，并且該運(yùn)動(dòng)由ASIC轉(zhuǎn)換成速率信號(hào)。由于對(duì)檢驗(yàn)質(zhì)體運(yùn)動(dòng)的感應(yīng)是相對(duì)于框架運(yùn)動(dòng)而做出的，則框架(28)和(29)響應(yīng)Coriolis力而出現(xiàn)的小量y軸(2)運(yùn)動(dòng)將減小可感應(yīng)得到的檢驗(yàn)質(zhì)體(34)和(35)的運(yùn)動(dòng)。因此，框架(28)和(29)的Coriolis引致y軸(2)運(yùn)動(dòng)較之檢驗(yàn)質(zhì)體(34)和(35)的Coriolis引致運(yùn)動(dòng)是可以忽略不計(jì)的。
圖2A到2C示出了上述傳感器鏈接和檢驗(yàn)質(zhì)體的受驅(qū)反相運(yùn)動(dòng)在一個(gè)連續(xù)周期內(nèi)的一系列三個(gè)相位。在圖2A中，由(10)、(16)和(18)所形成的菱形沿逆時(shí)針折疊，而由(11)、(17)和(19)所形成的菱形沿順時(shí)針折疊，從而導(dǎo)致檢驗(yàn)質(zhì)體(34)和(35)沿著x軸(1)平移遠(yuǎn)離中心。圖2B示出了非彎曲的狀態(tài)，在圖2C中，由(10)、(16)和(18)所形成的菱形沿順時(shí)針折疊，而由(11)、(17)和(19)所形成的菱形沿逆時(shí)針折疊，從而導(dǎo)致檢驗(yàn)質(zhì)體(34)和(35)沿著x軸(1)平移遠(yuǎn)離中心。
圖3A和3B示出了本發(fā)明的另一實(shí)施例。在圖3A和3B中沒有標(biāo)明的元件是與圖1中討論和標(biāo)明的元件相同的。在圖3A中，僅僅在傳感器(40)內(nèi)部區(qū)域以x軸(1)為對(duì)稱軸的上面(41)和下面(42)設(shè)置一個(gè)基底錨。撓性件(53)和(54)使得剛性梁(45)和(49)分別以錨點(diǎn)(41)和(42)為樞軸。剛性梁(45)通過撓性件(44)連接到剛性梁(43)，并且通過撓性件(46)連接到剛性梁(47)。剛性梁(49)通過撓性件(48)連接到剛性梁(50)，并且剛性梁(49)通過撓性件(51)連接到剛性梁(52)。在該實(shí)施例中，其剛性和穩(wěn)定性不及在以x軸為對(duì)稱軸的上面和下面設(shè)置兩個(gè)或多個(gè)錨的剛性和穩(wěn)定性。但是，在這種結(jié)構(gòu)中只需驅(qū)動(dòng)較小的質(zhì)量，并且每晶片模具占用的面積較少。
以類似于圖1和2的實(shí)施例的方式來實(shí)現(xiàn)圖3A的實(shí)施例的反相運(yùn)動(dòng)。梳驅(qū)動(dòng)器(32)和(33)交替推動(dòng)框架(28)和(29)以及檢驗(yàn)質(zhì)體(34)和(35)，并且內(nèi)部的鏈接(41)-(54)限制振蕩只是在內(nèi)部沿著對(duì)稱軸x軸反相進(jìn)行。
在圖3B中，在傳感器(60)內(nèi)部區(qū)域以x軸(1)為對(duì)稱軸的上面(61)和下面(62)設(shè)置三個(gè)基底錨。撓性件(75)和(76)使得剛性梁(68)和(71)分別以錨點(diǎn)(61)和(62)為樞軸。剛性梁(68)通過撓性件(66)連接到剛性梁(65)，并且剛性梁(68)通過撓性件(69)連接到剛性梁(67)。剛性梁(71)通過撓性件(70)連接到剛性梁(74)，并且通過撓性件(73)連接到剛性梁(72)。在該實(shí)施例中，其剛性和穩(wěn)定性大于在以x軸為對(duì)稱軸的上面和下面設(shè)置兩個(gè)或少于兩個(gè)錨的剛性和穩(wěn)定性。但是，在這種結(jié)構(gòu)中需要驅(qū)動(dòng)較大的質(zhì)量，并且每晶片模具占用的面積較大。在以x軸為對(duì)稱軸的上面和下面可設(shè)置任何數(shù)量的內(nèi)部基底錨，但是穩(wěn)定性上的增益將被驅(qū)動(dòng)較大質(zhì)量以及每晶片模具占有面積所需費(fèi)用的直線上升而迅速掩蓋。
以類似于圖1和2的實(shí)施例的方式來實(shí)現(xiàn)圖3B的實(shí)施例的反相運(yùn)動(dòng)。梳驅(qū)動(dòng)器(32)和(33)交替推動(dòng)框架(28)和(29)以及檢驗(yàn)質(zhì)體(34)和(35)，還有內(nèi)部鏈接(61)、(62)，并且內(nèi)部的鏈接(65)-(76)限制振蕩只是在內(nèi)部沿著對(duì)稱軸x軸反相進(jìn)行。
可以通過現(xiàn)有技術(shù)中任何一種生產(chǎn)方法來制造出本發(fā)明的速率傳感器。一種用于制造本發(fā)明的角速率傳感器的較佳生產(chǎn)工序就是利用在指定給本發(fā)明的受讓人的U.S專利6,239,473(Adams等)以及6,342,430(Adams等)中已有描述的硅微型機(jī)械生產(chǎn)工藝，并且上述專利通過引用結(jié)合在此。該工藝將會(huì)得出由細(xì)長(zhǎng)硅梁的桁架結(jié)構(gòu)以及整體電絕緣部件所構(gòu)成的速率傳感器，而這些整體電絕緣部件用作使得速率傳感器的分離部分機(jī)械接觸但電性絕緣。
在U.S專利6,239,473中詳細(xì)揭示了該生產(chǎn)工藝，并且在圖4A到4H中也有描述。在第一步驟，如圖4A所示，首先提供具有用常規(guī)技術(shù)形成圖案(91)的介電層(92)的基底或晶片(93)(最好是由硅制成)。在步驟2(圖4B)中，對(duì)晶片(93)進(jìn)行蝕刻以得到絕緣溝槽(94)。在步驟3(圖4C)中，用介電層(96)對(duì)溝槽進(jìn)行填充(95)。在步驟4(圖4D)中，對(duì)介電層(96)和受填溝槽(95)進(jìn)行平整處理以提供構(gòu)成整體電絕緣介電部件的平滑介電平面(97)。在步驟5(圖4E)中，對(duì)在電介質(zhì)(97)中的通道(98)進(jìn)行圖案成形和蝕刻以顯露出硅(93)的表面，用于電氣鏈接。在步驟6(圖4F)中，金屬層(99)電極在介電層(97)上并通過通道(98)與硅表面相接觸(100)。在步驟7(圖4G)中，最好是用鋁進(jìn)行圖案成形以創(chuàng)建不同的電路配置。在步驟8(圖4H)中，對(duì)最好由硅制成的梁(102)進(jìn)行圖案成形、蝕刻、鈍化并釋出以對(duì)微型機(jī)械元件提供自立式懸臂。所有的MEMS結(jié)構(gòu)最好是用相同的構(gòu)造梁所制成，這些梁在一起構(gòu)建成不同的配置以制成，例如剛性梁和/或撓性件。
該工藝具有數(shù)個(gè)獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)可使得速率傳感器在高性能水平下執(zhí)行功能和進(jìn)行操作。在高的方面，單晶硅梁可以使得速率傳感器具有毫米級(jí)直徑的桁架結(jié)構(gòu)，大大超過常規(guī)的微型加工標(biāo)準(zhǔn)。可以實(shí)現(xiàn)桁架結(jié)構(gòu)的各種鏈接配置以得到剛性大尺寸梁或細(xì)撓性件。這樣使得速率傳感器可裝有大的內(nèi)部質(zhì)體，從而得到高靈敏度和高分辨率。僅僅在梁結(jié)構(gòu)的頂部設(shè)置有金屬導(dǎo)體層，從而提供多結(jié)構(gòu)性連接，而這些連接是梳驅(qū)動(dòng)或傳感所必需的。隔離部件結(jié)合到硅梁中，減少了寄生電容并且對(duì)速率傳感器的不同功能進(jìn)行電去偶(decoupling)。在需要電容梳激勵(lì)或傳感的區(qū)域，金屬層接觸到用作電容器盤片的梁硅核心。由于隔離部件中斷了從硅梁到基底硅的傳導(dǎo)路徑，因此這樣做是可行的。最后，在需要電路徑相互交叉以安置速率傳感器的不同激勵(lì)部分的區(qū)域中，使用頂部的傳導(dǎo)金屬層以及到底層硅的接觸部可實(shí)現(xiàn)多層傳導(dǎo)路徑。從而該工藝實(shí)現(xiàn)了速率傳感器中所需的每一種功能，并且用標(biāo)準(zhǔn)硅基底在高度可制造環(huán)境下實(shí)現(xiàn)它們。
圖5示出了圖1的速率傳感器(150)的等角坐標(biāo)立體圖，示出所揭示的硅MEMS設(shè)備的梁和撓性件如何具有有限的寬度和高度。寬度和高度的具體比例取決于生產(chǎn)技術(shù)和調(diào)諧模式而變化。作為一示例，如果制造出本發(fā)明的設(shè)備具有等式(5)和(11)所定義的頻率分隔 (非x-y諧振操作)，以及由等式(4)所定義的沿著x軸的受驅(qū)幅值δx＝10μm，則對(duì)于檢驗(yàn)質(zhì)體來說，在Ωz＝100°/s的輸入旋轉(zhuǎn)速率下，由等式(9)所定義的沿著y軸的Coriolis位移為5.4nm。
圖6示出穩(wěn)定性有所改善的本發(fā)明實(shí)施例。其中速率傳感器(200)具有還由剛性梁(220)和(221)，撓性件(222)、(223)、(224)和(225)以及角撐板(201)鏈接的剛性梁(216)、(217)、(218)和(219)，以在振蕩過程中減少梁(216)和(217)以及框架(28)和(29)的非預(yù)期動(dòng)態(tài)彎曲。
相應(yīng)地，可以理解，在此所揭示的本發(fā)明實(shí)施例僅僅是要示出本發(fā)明原理的應(yīng)用。在此所作的參照以及所示實(shí)施例的詳細(xì)描述并非旨在對(duì)權(quán)利要求構(gòu)成限制，而權(quán)利要求所陳述的這些特征都是本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種具有正交x、y和z軸、用于檢測(cè)繞z軸旋轉(zhuǎn)的速率的傳感器，包括基底；以及多個(gè)質(zhì)體，相對(duì)于所述x軸對(duì)稱，通過多個(gè)外部和內(nèi)部錨點(diǎn)懸掛在基底上，并且包括至少兩個(gè)檢驗(yàn)質(zhì)體，相對(duì)于所述x軸和y軸對(duì)稱；受驅(qū)框架，環(huán)繞每個(gè)檢驗(yàn)質(zhì)體并且通過撓性件附于其檢驗(yàn)質(zhì)體和外部錨點(diǎn)上；一組驅(qū)動(dòng)觸排和第一組感應(yīng)觸排，用于使每一受驅(qū)框架沿著所述x軸振蕩；附于每一檢驗(yàn)質(zhì)體上的第二組感應(yīng)觸排，用于檢測(cè)沿所述y軸的Coriolis運(yùn)動(dòng)；至少兩個(gè)旋轉(zhuǎn)剛性梁，每個(gè)都以一內(nèi)部錨點(diǎn)為中心安裝，在靜止時(shí)指向y方向，并且能夠在正交于z軸的xy平面中繞其錨點(diǎn)旋轉(zhuǎn)；以及多個(gè)內(nèi)部框架支撐件，相對(duì)于y軸對(duì)稱，將所述旋轉(zhuǎn)剛性梁連接到所述框架，并且包括多個(gè)非旋轉(zhuǎn)剛性梁以及多個(gè)撓性件，以使得框架運(yùn)動(dòng)在反相運(yùn)動(dòng)中主要是沿所述x軸，從而導(dǎo)致所述檢驗(yàn)質(zhì)體沿y軸的Coriolis引致反相運(yùn)動(dòng)。
2.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，每一驅(qū)動(dòng)觸排和每一傳感器邊都是一電容梳。
3.如權(quán)利要求2所述的傳感器，其特征在于，所述電容梳用來確定所述檢驗(yàn)質(zhì)體的相對(duì)位置，并且所述相對(duì)位置用來確定感應(yīng)到的旋轉(zhuǎn)速率。
4.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)剛性梁、非旋轉(zhuǎn)剛性梁以及連接這些梁的撓性件形成至少一個(gè)受力折疊的菱形。
5.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)剛性梁包括具有在xy平面形成一矩形的內(nèi)部錨點(diǎn)的兩對(duì)旋轉(zhuǎn)剛性梁。
6.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)剛性梁包括沿y軸同一直線放置的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)剛性梁。
7.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)剛性梁包括兩組至少三個(gè)旋轉(zhuǎn)剛性梁，每一組都具有沿x軸同一直線的錨點(diǎn)。
8.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，至少一個(gè)非旋轉(zhuǎn)剛性梁包括一角撐架，以抑制所述非旋轉(zhuǎn)剛性梁彎曲。
9.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述傳感器通過從以下組中選擇的一種生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)a)深度反應(yīng)離子蝕刻；b)表面顯微機(jī)械加工；以及c)厚度顯微機(jī)械加工。
10.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述傳感器使用從以下組中擇的一種材料來進(jìn)行生產(chǎn)a)單晶硅晶片；b)絕緣體上的硅晶片；c)多晶硅晶片；以及d)外延晶片。
全文摘要
描述了一種振蕩速率傳感器，用于檢測(cè)圍繞z軸的旋轉(zhuǎn)。它在結(jié)構(gòu)性鏈接和動(dòng)力學(xué)上具有音叉的性質(zhì)，從而兩檢驗(yàn)質(zhì)體的基礎(chǔ)反相振蕩由于機(jī)械鏈接而得以實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)G01C19/56GK1867832SQ200480027857
公開日2006年11月22日 申請(qǐng)日期2004年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月25日
發(fā)明者E·P·喬耶納奇, J·P·申-艾普斯坦恩, N·內(nèi)那迪克, N·L·斯特林, V·尼斯托爾 申請(qǐng)人:凱歐尼克公司