對(duì)于正交誤差和微機(jī)械加工不準(zhǔn)確性具有降低的敏感性的慣性傳感器的制造方法
【專利說(shuō)明】對(duì)于正交誤差和微機(jī)械加工不準(zhǔn)確性具有降低的敏感性的慣性傳感器
[0001]本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2010年7月27日，申請(qǐng)?zhí)枮?01080041359.3，發(fā)明名稱為“對(duì)于正交誤差和微機(jī)械加工不準(zhǔn)確性具有降低的敏感性的慣性傳感器”的發(fā)明專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及微機(jī)械加工的慣性傳感器，并且更加具體地涉及對(duì)于正交誤差和微機(jī)械加工不準(zhǔn)確性，諸如用于支撐共振器梭子(shuttle)的柔性件的側(cè)壁角度非對(duì)稱性，具有降低的敏感性的慣性傳感器。
【背景技術(shù)】
[0003]微機(jī)械加工(MEMS)陀螺儀作為有用的商品已經(jīng)變得成熟。一般而言，MEMS陀螺儀結(jié)合兩個(gè)高性能MEMS器件，具體地在驅(qū)動(dòng)軸線中的自調(diào)諧共振器和在感測(cè)軸線中的微型加速度傳感器。陀螺儀性能除了別的以外對(duì)于諸如制造公差、封裝誤差、驅(qū)動(dòng)、線性加速度和溫度是非常敏感的。角速率感測(cè)陀螺儀的基本操作原理是熟知的并且在現(xiàn)有技術(shù)(例如，可在http:// www.analoR.com/1ibrary/analoRPialoRue/archives/37-03/Ryr0.html 中獲得的 Geen, J.等人的 New iMEMS Angular-Rate-Sensing Gyroscope, AnalogDevices, Inc., Analog Dialog 37-03 (2003)，通過引用其整體合并于此)中進(jìn)行了描述。
[0004]具有離散的塊(mass)的振動(dòng)感測(cè)角速率陀螺儀的原理早已被確立(見例如，Lyman,美國(guó)專利2309853和Lyman，美國(guó)專利2513340，其每一個(gè)通過引用其整體合并于此)。一般而言，振動(dòng)速率陀螺儀通過振蕩檢測(cè)塊(在這里還被稱作“梭子”或者“共振器”)來(lái)工作。振蕩是利用以共振頻率施加到彈簧-塊-阻尼系統(tǒng)的周期力而產(chǎn)生的。在共振下操作允許振蕩幅度相對(duì)于所施加的力而言是大的。當(dāng)陀螺儀旋轉(zhuǎn)時(shí)，沿著垂直于被驅(qū)動(dòng)的振蕩和旋轉(zhuǎn)這兩者的方向在振蕩中的檢測(cè)塊上產(chǎn)生科里奧利(Cor1lis)加速度?？评飱W利加速度的量值與振蕩中的檢測(cè)塊的速率和旋轉(zhuǎn)速率這兩者成比例。能夠通過感測(cè)檢測(cè)塊的偏轉(zhuǎn)來(lái)測(cè)量所形成的科里奧利加速度。用于感測(cè)檢測(cè)塊的這種偏轉(zhuǎn)的電和機(jī)械結(jié)構(gòu)通常被稱作加速度計(jì)。
[0005]關(guān)于微機(jī)械加工的陀螺儀而言更加引起麻煩的制造誤差之一是在柔性件的蝕刻期間產(chǎn)生的側(cè)壁角度的非對(duì)稱性。這趨向于交叉耦合面內(nèi)(X-Y軸線)和面外(Z軸線)運(yùn)動(dòng)。例如，在美國(guó)專利 N0.5635640、5869760、6837107、6505511、6122961 和 6877374 中描述的類型的X-Y陀螺儀中，這種非對(duì)稱性能夠?qū)е滤^的“正交”干擾信號(hào)，即科里奧利加速度計(jì)與共振器移位同相的運(yùn)動(dòng)，所述專利的每一個(gè)通過引用其整體合并于此。在典型的生產(chǎn)工藝中，這個(gè)交叉耦合一般地是大約1%。非常的生產(chǎn)措施能夠?qū)⑵浣档蜑?.1%，但是在關(guān)于高蝕刻速度(并且因此低成本)而被優(yōu)化的工藝中它能夠高達(dá)5%。相反，低成本消費(fèi)者級(jí)陀螺儀的全標(biāo)度信號(hào)通常僅僅是0.001%，并且所要求的分辨率可能是1，000倍到10，000倍地小于全標(biāo)度。因此，干擾信號(hào)是比較大的并且對(duì)于陀螺儀電子設(shè)備提出了幾乎不可能的動(dòng)態(tài)范圍要求。如在其它公開中描述地，能夠通過靜態(tài)修整和使用適當(dāng)電極的伺服而使得正交信號(hào)無(wú)效。然而，由于伴隨高速大規(guī)模生產(chǎn)的公差，修整的穩(wěn)定性要求和伺服的動(dòng)態(tài)范圍仍然是非常困難的電子設(shè)備約束。
[0006]帶有面內(nèi)(即圍繞Z軸線)角振動(dòng)的對(duì)稱結(jié)構(gòu)產(chǎn)生科里奧利誘發(fā)的面外傾斜(即，圍繞X-Y軸線)。一般而言，由具有不良側(cè)壁的柔性件產(chǎn)生的面外傾斜圍繞垂直于柔性件的長(zhǎng)尺寸的軸線。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種MEMS陀螺儀，該MEMS陀螺儀包括:被配置成感測(cè)圍繞器件平面中的第一軸線(例如，X軸線)旋轉(zhuǎn)的第一共振器，該第一共振器包括被多個(gè)第一懸掛柔性件懸掛并且被第一叉子(fork)相互連接的第一對(duì)梭子，該多個(gè)第一懸掛柔性件被配置為允許第一對(duì)梭子在器件平面中被以旋轉(zhuǎn)地方式顫動(dòng)并且圍繞垂直于第一軸線的相應(yīng)的傾斜軸線(例如，軸線yl和y2)向面外傾斜；被配置成感測(cè)圍繞器件平面中垂直于第一軸線的第二軸線(例如，y軸線)旋轉(zhuǎn)的第二共振器，該第二共振器包括被多個(gè)第二懸掛柔性件懸掛并且被第二叉子相互連接的第二對(duì)梭子，該多個(gè)第二懸掛柔性件被配置為允許第二對(duì)梭子在器件平面中被以旋轉(zhuǎn)地方式顫動(dòng)并且圍繞垂直于第二軸線的傾斜軸線(例如，軸線χ2)向面外傾斜；在第一對(duì)梭子下面并且沿著平行于第一軸線的軸線(例如，軸線Xl)定位以感測(cè)第一對(duì)梭子圍繞它們各自的傾斜軸線(例如，軸線yl和y2)的傾斜的第一組科里奧利感測(cè)電極；和在第二對(duì)梭子下面并且沿著第一共振器傾斜軸線(例如，軸線yl和y2)定位以感測(cè)第二對(duì)梭子圍繞它們的傾斜軸線(例如，軸線x2)的傾斜的第二組科里奧利感測(cè)電極。
[0008]在各種替代實(shí)施例中，第一和第二共振器可以相互同相地操作或者可以相互反相地操作。懸掛柔性件可以包括至少一個(gè)細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件和至少一個(gè)較短構(gòu)件，并且每一個(gè)梭子的懸掛柔性件均可以被布置為使得細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件平行于梭子的傾斜軸線。每一個(gè)梭子均可以在它的外周邊內(nèi)例如被兩個(gè)懸掛柔性件和中心錨懸掛?；蛘?，每一個(gè)梭子均可以在它的外周邊外側(cè)例如被四個(gè)懸掛柔性件懸掛。第一和第二叉子可以是基本相同的或者可以被不同地配置(例如，第一叉子可以是閉環(huán)叉子并且第二叉子可以是分裂叉子)。第一和第二共振器可以被一個(gè)或者多個(gè)耦合件機(jī)械耦合(例如，經(jīng)由叉子或者經(jīng)由相鄰梭子)從而共振器以鎖相方式操作。例如，共振器可以相互同相地操作，并且耦合件可以是同相耦合件，諸如細(xì)長(zhǎng)桿，該細(xì)長(zhǎng)桿不順從于器件平面中的彎曲從而耦合沿著它的長(zhǎng)度的平移并且順從于面外的彎曲從而每一個(gè)共振器的傾斜運(yùn)動(dòng)并不有效地耦合到其它的之中(例如，懸掛柔性件圍繞傾斜軸線的扭轉(zhuǎn)剛度與桿耦合件和叉子的角剛度的比率在大約100到1000之間)。或者，共振器可以相互反相地操作，并且耦合件可以是反相耦合件。該陀螺儀還可以包括:被配置成以旋轉(zhuǎn)方式顫動(dòng)梭子的多個(gè)驅(qū)動(dòng)器、被配置成感測(cè)梭子的旋轉(zhuǎn)顫動(dòng)運(yùn)動(dòng)的多個(gè)速度感測(cè)電極、在梭子下面的多個(gè)同相調(diào)節(jié)電極，和/或在梭子下面的多個(gè)正交調(diào)節(jié)電極。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種MEMS陀螺儀，該MEMS陀螺儀包括:被配置成感測(cè)圍繞器件平面中的敏感性軸線旋轉(zhuǎn)的共振器梭子，和被配置為允許梭子在器件平面中被以旋轉(zhuǎn)方式顫動(dòng)并且圍繞垂直于敏感性軸線的傾斜軸線向面外傾斜的一組懸掛柔性件，其中懸掛柔性件包括至少一個(gè)細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件和至少一個(gè)較短構(gòu)件，并且其中懸掛柔性件被布置為使得細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件平行于傾斜軸線。
[0010]該陀螺儀還可以包括在梭子下面并且沿著垂直于傾斜軸線的軸線定位以感測(cè)梭子圍繞傾斜軸線的傾斜的一組科里奧利感測(cè)電極。
[0011 ] 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種MEMS陀螺儀，該MEMS陀螺儀包括被配置成在器件平面中共振并且感測(cè)圍繞器件平面中的第一軸線的旋轉(zhuǎn)的第一共振器；被配置成在器件平面中共振并且感測(cè)在器件平面中圍繞垂直于第一軸線的第二軸線的旋轉(zhuǎn)的第二共振器；和將第一和第二共振器相互連接的至少一個(gè)耦合