專利名稱：具有垂直集成的電子器件和晶片級密封式封裝的x-y軸雙質(zhì)量塊音叉陀螺儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及角速度傳感器，尤其涉及具有兩個(gè)振蕩檢測質(zhì)量塊的平面內(nèi)角速度傳 感器。
背景技術(shù)：
經(jīng)常使用慣性傳感器進(jìn)行角速度的感測。通過將慣性角速度傳感器驅(qū)使至第一運(yùn) 動(dòng)并且測量響應(yīng)于第一運(yùn)動(dòng)和待感測的角速度兩者的傳感器的第二運(yùn)動(dòng)，該傳感器廣泛應(yīng) 用。經(jīng)常地，通過致動(dòng)器將傳感器內(nèi)的質(zhì)量塊(通常稱為檢測質(zhì)量塊)驅(qū)使至振蕩。 傳感器的轉(zhuǎn)動(dòng)將與角速度(或轉(zhuǎn)速)成比例并且依賴于角速度矢量關(guān)于檢測質(zhì)量塊的速度 矢量的方向的科氏力施加至振蕩的質(zhì)量塊。科氏力、角速度矢量以及質(zhì)量塊速度矢量相互 正交。例如，在傳感器內(nèi)沿X方向移動(dòng)且關(guān)于Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的檢測質(zhì)量塊經(jīng)歷Z方向的科氏力。 同樣地，在傳感器內(nèi)沿X方向移動(dòng)且關(guān)于Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的檢測質(zhì)量塊經(jīng)歷Y方向的科氏力。最 后，在傳感器內(nèi)沿X方向移動(dòng)且關(guān)于X軸轉(zhuǎn)動(dòng)的檢測質(zhì)量塊不承受科氏力。通常通過測量 響應(yīng)于科氏力的傳感器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)來間接地感測施加至質(zhì)量塊的科氏力。近年來，微機(jī)械加工技術(shù)(也已知為MEMS(微電子機(jī)械系統(tǒng))技術(shù))的發(fā)展引起 各種MEMS角速度慣性傳感器的發(fā)展。MEMS技術(shù)基本上是平面技術(shù)，其中，用于驅(qū)使平面內(nèi) 運(yùn)動(dòng)的適宜的MEMS致動(dòng)器往往與用于驅(qū)使出平面運(yùn)動(dòng)的適宜的MEMS致動(dòng)器顯著不同。同 樣地，用于測量響應(yīng)于科氏力的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的適宜的MEMS傳感器往往與用于測量響應(yīng)于 科氏力的出平面運(yùn)動(dòng)的適宜的MEMS傳感器顯著不同。這些區(qū)別均為結(jié)構(gòu)區(qū)別和性能區(qū)別。由于以上討論的質(zhì)量塊速度、角速度以及科氏力的正交性，平面內(nèi)MEMS角速度傳 感器必需驅(qū)使出平面運(yùn)動(dòng)或感測出平面運(yùn)動(dòng)以檢測平面內(nèi)角速度分量。相反，出平面MEMS 角速度傳感器能夠驅(qū)使并感測兩個(gè)正交的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)以檢測出平面角速度分量。由于MEMS 技術(shù)的平面性質(zhì)，平面內(nèi)MEMS傳感器與出平面MEMS傳感器傾向于顯著不同。已知平面內(nèi)MEMS角速度傳感器將兩個(gè)檢測質(zhì)量塊驅(qū)使至振蕩。例如，Cardarelli 的美國專利第6，481，283號示教一種平面內(nèi)MEMS傳感器。在Cardarelli的坐標(biāo)系中，裝 置平面是YZ平面。在第一實(shí)施方式中，Cardarelli示教沿+/-Y方向(即，平面內(nèi))高頻 振動(dòng)的兩個(gè)質(zhì)量塊。關(guān)于Z軸的角速度導(dǎo)致這兩個(gè)質(zhì)量塊上的X方向的科氏力。這兩個(gè)質(zhì)
5量塊連接至關(guān)于Z軸可轉(zhuǎn)動(dòng)的平衡環(huán)，以便該質(zhì)量塊上的X方向的力在平衡環(huán)上提供Z方 向的轉(zhuǎn)矩。這兩個(gè)質(zhì)量塊高頻振動(dòng)以具有相反方向的速度，從而這兩個(gè)科氏力關(guān)于Z軸在 平衡環(huán)上提供凈轉(zhuǎn)矩。感測平衡環(huán)關(guān)于Z軸的運(yùn)動(dòng)。在第二實(shí)施方式中，Cardarelli示教沿+/-X方向(即，出平面)高頻振動(dòng)的兩個(gè) 質(zhì)量塊。關(guān)于Z軸的角速度導(dǎo)致這兩個(gè)質(zhì)量塊上的Y方向的科氏力。這兩個(gè)質(zhì)量塊連接至 關(guān)于Z軸可轉(zhuǎn)動(dòng)的平衡環(huán)，以便該質(zhì)量塊上的Y方向的力在平衡環(huán)上提供Z方向的轉(zhuǎn)矩。這 兩個(gè)質(zhì)量塊高頻振動(dòng)以具有相反方向的速度，從而這兩個(gè)科氏力關(guān)于Z軸在平衡環(huán)上提供 凈轉(zhuǎn)矩。感測平衡環(huán)關(guān)于Z軸的運(yùn)動(dòng)。McCall等的美國專利第6，508，122號中示教了另一已知的平面內(nèi)MEMS角速度傳 感器，該傳感器將兩個(gè)檢測質(zhì)量塊驅(qū)使至振蕩。McCall等示教如下的平面內(nèi)MEMS傳感器 該傳感器具有橫向地(laterally)設(shè)置在裝置平面內(nèi)并且沿該平面方向關(guān)于彼此異相高 頻振動(dòng)的兩個(gè)未連接的質(zhì)量塊。為了明確，設(shè)裝置平面為XY平面，并且設(shè)高頻振動(dòng)沿X方 向。由于Z方向的科氏力，當(dāng)該傳感器關(guān)于Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，這些質(zhì)量塊沿Z方向振蕩。感測這 些質(zhì)量塊的Z方向的振蕩。Cardarelli與McCall等的方法均是受從角速度測量中排除“共?！备蓴_的希望 所激勵(lì)的。例如，如果具有單檢測質(zhì)量塊的角速度傳感器經(jīng)受與待感測的科氏力相同方向 的線性加速度，則該角速度傳感器會(huì)顯示不正確的讀數(shù)。對于兩個(gè)質(zhì)量塊，可能存在響應(yīng)于 科氏力但通常不響應(yīng)于與科氏力相同方向的線性加速度的各種布置，這些布置包括上面提 及的那些布置。典型地，這些配置依賴于驅(qū)使這兩個(gè)質(zhì)量塊使得它們的速度總是相等且相 反。由于與相等且相反的速度的狀態(tài)的偏離降低對于科氏力的期望的響應(yīng)并且增加對于線 性加速度的不期望的響應(yīng)，因此，任何這種偏離是不利的。然而，在實(shí)踐中，并非是以相等且相反的速度直接驅(qū)使兩個(gè)質(zhì)量塊。例如，兩個(gè)名 義上相等且同一地安裝的質(zhì)量塊在實(shí)踐中可能不同，使得以相同的激勵(lì)致動(dòng)這兩個(gè)質(zhì)量塊 提供不是相等且相反的速度。致動(dòng)器也往往在效率方面不同，因此，即使兩個(gè)質(zhì)量塊相同且 同一地安裝，連接至這兩個(gè)質(zhì)量塊的致動(dòng)器的變動(dòng)能夠再次提供不是相等且相反的質(zhì)量塊 速度。同樣地，連接至致動(dòng)器的電路可能不相同等。結(jié)果，已知的兩質(zhì)量塊平面內(nèi)角速度傳 感器沒有完全地實(shí)現(xiàn)由兩個(gè)質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)所希望有的共模抑制。目的和優(yōu)點(diǎn)因此，本發(fā)明的目的是提供一種由于機(jī)械地限制兩個(gè)質(zhì)量塊沿相反方向移動(dòng)而改 進(jìn)共模抑制從而具有改進(jìn)的測量精度的平面內(nèi)角速度傳感器。本發(fā)明的另一目的是提供一種由于感測和驅(qū)動(dòng)電子器件的垂直集成而具有降低 的成本的角速度傳感器。本發(fā)明的又一目的是提供一種具有低成本密封式封裝的角速度傳感器。本發(fā)明的又一目的是提供一種角速度傳感器，該角速度傳感器由于使用提供具有 增加的行進(jìn)距離的較大的檢測質(zhì)量塊的體型MEMS技術(shù)而具有改進(jìn)的性能。本發(fā)明的另一目的是提供一種通過使用扭力安裝且靜電驅(qū)動(dòng)的、具有連接至質(zhì)量 塊的杠桿臂的板來增加質(zhì)量塊行進(jìn)距離而具有改進(jìn)的性能和降低的成本的角速度傳感器。本發(fā)明的又一目的是提供一種具有集成在同一器件管芯上的X軸角速度傳感器 和Y軸角速度傳感器的低成本雙軸平面內(nèi)陀螺儀模塊。
概述本發(fā)明提供一種具有橫向地設(shè)置在平面內(nèi)且間接地連接至框架的兩個(gè)質(zhì)量塊的 平面內(nèi)角速度傳感器。通過聯(lián)動(dòng)裝置將這兩個(gè)質(zhì)量塊聯(lián)結(jié)在一起以便它們沿Z軸在相反方 向上移動(dòng)(即，當(dāng)一個(gè)質(zhì)量塊沿+Z方向移動(dòng)時(shí)，另一質(zhì)量塊沿-ζ方向移動(dòng)，反之亦然)。這 里，Z是出平面方向?？梢酝ㄟ^將這兩個(gè)質(zhì)量塊驅(qū)使至Z方向的反相振蕩并測量由此傳遞 至框架的角振蕩振幅來感測平面內(nèi)角速度?？蛇x地，可以通過將框架驅(qū)使至關(guān)于Z軸角振 蕩并測量由此傳遞至兩個(gè)質(zhì)量塊的Z方向的反相振蕩振幅來感測平面內(nèi)角速度。該聯(lián)動(dòng)裝置還包括中心板，該中心板連接至所述框架并且連接至所述第一和第二 質(zhì)量塊且在第一和第二質(zhì)量塊之間。該中心板關(guān)于轉(zhuǎn)動(dòng)中心軸可轉(zhuǎn)動(dòng)，第一邊緣板通過基 底的驅(qū)動(dòng)式固定器(drive anchor)部分連接至基底并且連接至所述第一質(zhì)量塊。所述第 一邊緣板關(guān)于第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸可轉(zhuǎn)動(dòng)，并且第二邊緣板通過基底的驅(qū)動(dòng)式固定器部分連接至基 底并連接至所述第二質(zhì)量塊。第二邊緣板關(guān)于第二轉(zhuǎn)動(dòng)軸可轉(zhuǎn)動(dòng)。中心轉(zhuǎn)動(dòng)軸、第一和第 二轉(zhuǎn)動(dòng)軸相互平行并且還平行于所述傳感器平面。在優(yōu)選實(shí)施方式中，使用體型微機(jī)械加工(MEMS)技術(shù)從單個(gè)硅晶片制備框架、兩 個(gè)質(zhì)量塊和聯(lián)動(dòng)裝置以形成陀螺儀晶片。在又一優(yōu)選實(shí)施方式中，在單個(gè)硅晶片中包括用 于驅(qū)使和感測陀螺儀晶片的元件的運(yùn)動(dòng)的電路以形成固定至陀螺儀晶片的參考晶片。在該 實(shí)施方式中，還優(yōu)選從單個(gè)硅晶片制備罩體晶片(cap wafer)，并且將罩體晶片固定至陀螺 儀晶片，使得陀螺儀晶片夾在罩體晶片和參考晶片之間。以這種方式，可以形成密封屏障以 保護(hù)陀螺儀晶片的元件不受環(huán)境影響。


圖1示意性示出根據(jù)本發(fā)明的陀螺儀晶片的平面視圖。圖IA是陀螺儀晶片的機(jī)械結(jié)構(gòu)的第一實(shí)施方式。圖IB是陀螺儀晶片的機(jī)械結(jié)構(gòu)的第二實(shí)施方式。圖IC是陀螺儀晶片的機(jī)械結(jié)構(gòu)的第三實(shí)施方式。圖2示意性示出本發(fā)明的實(shí)施方式的橫截面視圖，包括沿線I的圖1的陀螺儀晶 片的橫截面視圖。圖3示意性示出顯示優(yōu)選的撓性結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)的平面視圖。圖4示意性示出圖3的撓性結(jié)構(gòu)沿線II的橫截面視圖。圖5示意性示出適于本發(fā)明使用的兩個(gè)電極結(jié)構(gòu)。圖6示意性示出圖1的部分陀螺儀晶片的放大視圖。圖7a、7b、7c和7d示意性示出用于制造根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的罩體晶片的處理步驟。圖8a、8b、8c和8d示意性示出用于制造根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的罩體晶片和陀螺 儀晶片的組件的處理步驟。圖9a和9b示意性示出用于制造根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的參考晶片的處理步驟。圖IOa和IOb示意性示出用于制造根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的罩體晶片、陀螺儀晶 片和參考晶片的組件的處理步驟。圖Ila和lib示意性示出在操作時(shí)圖2的結(jié)構(gòu)如何移動(dòng)。
圖12是電極結(jié)構(gòu)的示意俯視圖。優(yōu)選實(shí)施方式的具體描述圖1示意性示出根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式的陀螺儀晶片20的平面視圖。在圖 1的實(shí)施方式中，優(yōu)選從單個(gè)硅晶片制備圖上所示出的各種元件。首先，將考慮陀螺儀晶片 20的機(jī)械結(jié)構(gòu)，然后考慮其操作。最后，將討論陀螺儀晶片20的制備。在圖1的實(shí)施方式中，中心板28通過扭轉(zhuǎn)鉸鏈28A連接至框架34，這允許中心板 28關(guān)于圖1上的X軸轉(zhuǎn)動(dòng)。鉸鏈28A還在板28上提供傾向于將板的位置恢復(fù)至X-Y平面 內(nèi)的標(biāo)稱位置的恢復(fù)轉(zhuǎn)矩。通過鉸鏈58將檢測質(zhì)量塊22連接至中心板28，并且通過鉸鏈 56將檢測質(zhì)量塊24連接至中心板28。中心板28、檢測質(zhì)量塊22和檢測質(zhì)量塊24的子組 件一起組成聯(lián)動(dòng)裝置，使得檢測質(zhì)量塊22和24必定沿Z軸在相反的方向上移動(dòng)。優(yōu)選如下在該聯(lián)動(dòng)裝置內(nèi)包含額外的元件第一邊緣板26，其通過鉸鏈60連接至 檢測質(zhì)量塊22并且通過扭轉(zhuǎn)鉸鏈26A經(jīng)由基底36的驅(qū)動(dòng)式固定器部分連接至基底36 ；以 及第二邊緣板30，其通過鉸鏈54連接至檢測質(zhì)量塊24并且通過扭轉(zhuǎn)鉸鏈30A經(jīng)由基底36 的驅(qū)動(dòng)式固定器部分連接至基底36。扭轉(zhuǎn)鉸鏈26A和30A允許板26和30分別關(guān)于圖1上 的X軸轉(zhuǎn)動(dòng)，并且還可以分別向板26和30提供恢復(fù)轉(zhuǎn)矩，這傾向于將板26和30的位置恢 復(fù)至它們在X-Y平面內(nèi)的標(biāo)稱位置。利用多個(gè)撓性件32將框架34連接至基底36。撓性件32被配置為當(dāng)框架34關(guān)于 Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)至不同于其標(biāo)稱位置的位置時(shí)向框架34提供恢復(fù)轉(zhuǎn)矩。圖1示出關(guān)于框架34的 周界對稱布置的四個(gè)撓性件32。盡管優(yōu)選諸如圖1的結(jié)構(gòu)的、對于框架34提供良好的機(jī)械 支撐的對稱的撓性結(jié)構(gòu)，然而，本發(fā)明不需要這種撓性結(jié)構(gòu)?？梢岳迷O(shè)置在基底36之間并且連接至基底36的電容性傳感器感測框架34關(guān) 于基底36的轉(zhuǎn)動(dòng)?？蛇x地，可以使用設(shè)置在框架34和基底36之間并且連接至框架34和 基底36的靜電致動(dòng)器驅(qū)使框架34關(guān)于Z軸進(jìn)行角振蕩。本領(lǐng)域已知這種電容性傳感器和 靜電致動(dòng)器的各種結(jié)構(gòu)，并且在很多情況下，特定的電極結(jié)構(gòu)能夠提供任一功能。圖IA是圖1的陀螺儀晶片20的機(jī)械結(jié)構(gòu)的第一實(shí)施方式。圖IB是陀螺儀晶片20的機(jī)械結(jié)構(gòu)的第二實(shí)施方式。在該實(shí)施方式中，與圖IA的 撓性件相比，撓性件54與55以及撓性件58與60翻轉(zhuǎn)，從而增加檢測質(zhì)量塊22和24與板 28的中心的有效距離，因而增大靈敏性。圖IC是陀螺儀晶片20的機(jī)械結(jié)構(gòu)的第三實(shí)施方式。在該晶片20中，通過四個(gè)點(diǎn) 65a-65d將框架34懸掛于基底36，并且通過兩個(gè)驅(qū)動(dòng)式固定器部分將邊緣板26和30懸掛 于基底36。因此，在第三實(shí)施方式中，基底的驅(qū)動(dòng)式固定器點(diǎn)的數(shù)量減少至二。這減少封裝 影響傳感器參數(shù)的量。圖5示意性示出適于感測和/或驅(qū)動(dòng)框架34關(guān)于基底36的相對角運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)典 型的電極結(jié)構(gòu)作為38A、38B、38C和40A、40B、40C。這些電極結(jié)構(gòu)或類似的電極結(jié)構(gòu)優(yōu)選沿 框架34的周界對稱地設(shè)置。本發(fā)明的實(shí)施不需要任何特定的電極結(jié)構(gòu)。在圖1上的框架34內(nèi)的元件(即，包括質(zhì)量塊22、24以及板26、28和30的優(yōu)選 的聯(lián)動(dòng)裝置)僅通過鉸鏈28A連接至框架34。在框架34與質(zhì)量塊22和24之間存在間隙。 除了在這些鉸鏈的連接點(diǎn)處，在框架34與板26、28和30之間也存在間隙。這些間隙足夠 大以允許聯(lián)動(dòng)裝置在其設(shè)計(jì)范圍內(nèi)移動(dòng)而不碰撞框架34。圖1中未示出這些間隙。
圖2示意性示出本發(fā)明的實(shí)施方式的橫截面視圖。該橫截面視圖包括沿線I的圖 1的陀螺儀晶片20的橫截面視圖。如圖2所示，圖1的陀螺儀晶片20優(yōu)選固定至罩體晶片 42和參考晶片44，從而使得陀螺儀晶片20夾在罩體晶片42和參考晶片44之間。在一個(gè) 實(shí)施方式中，驅(qū)動(dòng)式固定器設(shè)置在罩體晶片42和參考晶片44之間。這還增加傳感器的耐 用性。利用該結(jié)構(gòu)，罩體晶片42和參考晶片44相組合來保護(hù)陀螺儀晶片20免受周圍環(huán)境 影響，從而增加傳感器的可靠性和耐用性。此外，在陀螺儀晶片20和晶片42、44之間進(jìn)行 結(jié)合以在諸如運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量塊22和24等陀螺儀晶片20的關(guān)鍵元件與周圍環(huán)境之間提供密 封屏障。結(jié)合圖2、Ila和lib最好地理解包括質(zhì)量塊22和24以及板26、28和30的聯(lián)動(dòng) 裝置的運(yùn)動(dòng)。圖2上的點(diǎn)26B、28B和30B分別與扭轉(zhuǎn)鉸鏈26A、28A和30A對齊，從而使得 板26、28和30分別能夠在圖2的平面(Y-Z平面)內(nèi)關(guān)于點(diǎn)26B、28B和30B轉(zhuǎn)動(dòng)。聯(lián)動(dòng)裝 置的部件通過柔性鉸鏈54、56、58和60連接在一起，這禁止相鄰部件的相對平移，但是允許 相鄰部件在Y-Z平面內(nèi)相對轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，如圖lib所示，當(dāng)質(zhì)量塊22沿圖2上的+Z方向移動(dòng)(S卩，在圖2上向上) 時(shí)，板28關(guān)于點(diǎn)28B順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)并且質(zhì)量塊24必須沿-Z方向移動(dòng)，而板26和30逆時(shí)針轉(zhuǎn) 動(dòng)。同樣地，如圖Ila所示，當(dāng)質(zhì)量塊22沿-Z方向移動(dòng)時(shí)，板28逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)并且質(zhì)量塊24 沿+Z方向移動(dòng)，而板26和30順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。換句話說，由質(zhì)量塊22、質(zhì)量塊24以及板26、 28和30所形成的聯(lián)動(dòng)裝置確保質(zhì)量塊22和24必定沿Z軸在相反的方向上移動(dòng)。如上所 述，在框架34與板26之間以及框架34與板30之間存在間隙，這在圖2中很明顯。如圖2所示，罩體晶片42和參考晶片44連接至陀螺儀晶片20的基底36，并且不 與陀螺儀晶片20的任何其它部件相接觸。由于撓性件32和框架34不與罩體晶片42或參 考晶片44相接觸，因此，這些晶片不干擾框架34關(guān)于Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。參考晶片44與基底36 之間的連接示意性地表示為圖2中的46。連接46是參考晶片44與基底36之間的機(jī)械連 接以及參考晶片44與基底36之間的電連接兩者。以這種方式，將參考晶片44上的電路連 接至陀螺儀晶片20上諸如圖5中的電極38A、38B、38C或電極40A、40B、40C等感測/驅(qū)動(dòng)
直ο電極48A和48B放置在板30下面的參考晶片44上。電極48A和48B放置在板30 的轉(zhuǎn)動(dòng)軸(顯示為圖2中的點(diǎn)30B)的兩側(cè)。類似地，電極50A和50B放置在板28下面，電 極52A和52B放置在板26下面。參考圖2，板26和30與參考晶片44之間的間隙的變化可以顯著地降低傳感器的 整體性能。例如由于封裝所引起的應(yīng)力導(dǎo)致靠近間隙的驅(qū)動(dòng)式固定器顯著地降低間隙的變 化，因而改進(jìn)角速度傳感器在運(yùn)行溫度范圍內(nèi)的整體性能。圖3示意性示出圖1中的撓性件32的優(yōu)選結(jié)構(gòu)的更詳細(xì)的平面視圖。在圖3的 結(jié)構(gòu)中，撓性件32包括彈簧32’和基底撓性安裝件66。如圖3所示，彈簧32’至安裝件66 的連接點(diǎn)陷入安裝件66中，并且對于框架34同樣如此，以減少從安裝件66至彈簧32’以 及從框架34至彈簧32’的表面應(yīng)力的耦合?；讚闲园惭b件66由溝槽41A圍繞，該溝槽用于將撓性件32機(jī)械地隔離于基底 36內(nèi)的應(yīng)力。作為封裝和/或結(jié)合過程、熱膨脹等的結(jié)果，這種應(yīng)力可以通過罩體晶片42 和參考晶片44傳送至基底36。圖3還示出與框架凹槽64相嚙合的基底突出部62。如圖3
9示意性所示，框架凹槽64稍微大于基底突出部62的寬度，從而使得框架34僅能夠在如下 的范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)相對于基底突出部62與框架凹槽64的壁相碰撞之前的基底36的特定的選 定范圍。選擇該選定范圍以確保撓性件32不被選定范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)所毀壞。以這種方式，突 出部62與凹槽64的組合提供對于撓性件32的保護(hù)。在包含沿線II的圖3的橫截面視圖的圖4的橫截面視圖中示出了撓性件32的優(yōu) 選結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步細(xì)節(jié)。線II緊鄰彈簧32’但未穿過彈簧32’，因此，彈簧32’未顯示在圖 4的橫截面中?；讚闲园惭b件66固定至罩體晶片42并且通過連接46B連接至參考晶片 44。以這種方式，撓性件32被連接至罩體晶片42和參考晶片44，并且與基底36隔離。由 于罩體晶片42和參考晶片44通常比基底36厚很多(陀螺儀晶片20的典型厚度為10-100 微米)，并因而提供更大的機(jī)械剛度以錨定撓性件32，因而這是有利的。圖4中還示出參考 隔離凹槽41C和罩體隔離凹槽41B。參考隔離凹槽41C用于使撓性件32與可能存在于參考 晶片44的上表面(即，參考晶片44與基底36結(jié)合的表面)的應(yīng)力隔離。類似地，罩體隔 離凹槽41B用于使撓性件32與可能存在于罩體晶片42的下表面(即，罩體晶片42與基底 36結(jié)合的表面)的應(yīng)力隔離。盡管說明了圖3和4的撓性結(jié)構(gòu)，其中，優(yōu)選包括彈簧32’和 基底安裝件66的撓性件32，然而，這不是實(shí)踐本發(fā)明所必需的。圖6示意性示出部分陀螺儀晶片20的放大的平面視圖，該視圖更詳細(xì)地示出扭轉(zhuǎn) 鉸鏈26A和柔性鉸鏈60的優(yōu)選結(jié)構(gòu)。如圖6所示，通過扭轉(zhuǎn)鉸鏈26A將板26連接至基底 36的驅(qū)動(dòng)式固定器部分。扭轉(zhuǎn)鉸鏈26A的結(jié)構(gòu)是使得板26能夠關(guān)于連接扭轉(zhuǎn)鉸鏈26A的 中心的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖6所示，在板26中形成槽以增加扭轉(zhuǎn)鉸鏈26A的長度。這是為了降 低扭轉(zhuǎn)鉸鏈26A上適應(yīng)板26的給定轉(zhuǎn)動(dòng)所需的應(yīng)力。利用柔性鉸鏈60將板26連接至質(zhì)量塊22。柔性鉸鏈60的結(jié)構(gòu)是使得板22能夠 相對于質(zhì)量塊26傾斜(反之亦然)。如圖6所示，為了降低柔性鉸鏈60上適應(yīng)質(zhì)量塊22 關(guān)于板26的給定傾斜所需的應(yīng)力，在質(zhì)量塊22中形成槽以增加柔性鉸鏈60的長度。柔性鉸鏈58、56和54的結(jié)構(gòu)優(yōu)選與圖6所示的柔性鉸鏈60的結(jié)構(gòu)類似。同樣地， 扭轉(zhuǎn)鉸鏈28A和30A的結(jié)構(gòu)優(yōu)選與圖6所示的扭轉(zhuǎn)鉸鏈26A的結(jié)構(gòu)類似。圖6所示的鉸鏈 結(jié)構(gòu)屬于本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。本發(fā)明的實(shí)施不需要任何特定的鉸鏈結(jié)構(gòu)。操作圖1和2的實(shí)施方式具有兩種操作模式。在第一種且為優(yōu)選的操作模式中，將質(zhì) 量塊22和24驅(qū)使至振蕩并且感測框架34的運(yùn)動(dòng)以測量Y方向的角速度。在第二種操作 模式中，將框架34驅(qū)使至振蕩并且感測質(zhì)量塊22和24的運(yùn)動(dòng)以測量Y方向的角速度。將 依次考慮這兩種方法。第一優(yōu)選操作模式包括用于將聯(lián)動(dòng)裝置驅(qū)使至振蕩的致動(dòng)器。在圖1和2的實(shí) 施方式中，通過圖2的電極48A、48B、50A、50B、52A和52B提供靜電致動(dòng)器。電極48A、48B、 50A、50B、52A和52B通過靜電相互作用與板30、28和26相互作用，其中，作用力隨著電極與 相應(yīng)板之間的電位差增加而增加。板26、28和30通常保持在相同的電位，這可以考慮為零 電位差而不失一般性。電極48A、48B、50A、50B、52A和52B優(yōu)選如圖2所示的分離電極。這樣做的主要原 因在于板和電極之間的靜電相互作用往往是吸引(而不是排斥)，為了提供任一方向的轉(zhuǎn) 矩，需要轉(zhuǎn)動(dòng)軸的兩側(cè)上的電極元件，如圖2所示。電極48A、48B、50A、50B、52A和52B與相
10的間隙在制備中優(yōu)選為精確控制至間隙高度d，以盡可 能地減少用于獲得板的給定轉(zhuǎn)動(dòng)所需的電壓，同時(shí)仍為致動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)提供足夠的空隙。優(yōu) 選以合作的方式電驅(qū)使電極48A、48B、50A、50B、52A和52B以激勵(lì)由質(zhì)量塊22和24以及板 26、28和30形成的聯(lián)動(dòng)裝置的振蕩模式，在該模式中，沿Z方向(即，出平面方向)基本上 彼此反相地振蕩質(zhì)量塊22和24。圖Ila和lib示意性示出與該振蕩模式相對應(yīng)的聯(lián)動(dòng)裝 置運(yùn)動(dòng)。對于板26還優(yōu)選包括向質(zhì)量塊22延伸的杠桿臂，對于板30優(yōu)選包括向質(zhì)量塊 24延伸的杠桿臂，并且對于板28優(yōu)選包括向質(zhì)量塊22和24兩者延伸的杠桿臂，均如圖1 所示。作為從板26、28和30延伸的杠桿臂的結(jié)果，柔性鉸鏈(54、56、58和60)與板轉(zhuǎn)動(dòng) (26B、28B、30B)的軸之間的距離增加，這增加由板的給定轉(zhuǎn)動(dòng)所提供的質(zhì)量塊22和24的位 移。該增加的位移對于改進(jìn)陀螺儀性能和/或以較低的成本提供希望水平的性能是非常理 想的。為了適應(yīng)質(zhì)量塊22和24的增加的行程，分別在質(zhì)量塊22和24下面的參考晶片44 中形成凹槽45和47。罩體晶片42也被配置為留有足夠的空間以適應(yīng)陀螺儀晶片20的所 有運(yùn)動(dòng)部分。板26和30通過彈簧26A和30A連接至襯底。通過彈簧26A和30A以及驅(qū)動(dòng)式固 定器將由于驅(qū)使振蕩所引起的絕大部分恢復(fù)轉(zhuǎn)矩傳遞至襯底。因此，傳遞至該環(huán)的恢復(fù)轉(zhuǎn) 矩顯著地降低，這導(dǎo)致角速度傳感器較好的整體性能。在陀螺儀晶片20的參考坐標(biāo)系中，當(dāng)陀螺儀晶片20以角速度關(guān)于Y軸轉(zhuǎn)動(dòng) 時(shí)，質(zhì)量塊22和24經(jīng)歷振蕩的X方向的科氏力。由于質(zhì)量塊22和24沿Z軸在相反的方 向上移動(dòng)，因此，這兩個(gè)質(zhì)量塊上的科氏力沿X軸方向相反。質(zhì)量塊22和24上的科氏力引 起框架34上關(guān)于Z軸的振蕩的轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩使框架34開始角振蕩。由于框架34的角振蕩 的振幅依賴于(理想地，與coy成比例)，因而，對該振幅進(jìn)行測量提供了對角速度(^的 測量。為了提高陀螺儀的靈敏度，優(yōu)選利用陀螺儀結(jié)構(gòu)的機(jī)械共振。因此，優(yōu)選以等于或 大約等于基本的聯(lián)動(dòng)裝置共振模式頻率的頻率驅(qū)使包括質(zhì)量塊22和24的聯(lián)動(dòng)裝置。優(yōu)選 地，基本的聯(lián)動(dòng)裝置共振模式將對應(yīng)于如圖Ila和lib所示的質(zhì)量塊22和24的反相振蕩。 該對應(yīng)能夠確保在聯(lián)動(dòng)裝置以及其支撐撓性件的設(shè)計(jì)期間。通過將驅(qū)動(dòng)頻率選擇為聯(lián)動(dòng) 裝置的固有頻率或靠近聯(lián)動(dòng)裝置的固有頻率，增加由給定的致動(dòng)器力提供的聯(lián)動(dòng)裝置的運(yùn) 動(dòng)。還優(yōu)選確?；镜目蚣芄舱衲Ｊ脚c框架34關(guān)于Z軸的剛體角振蕩相對應(yīng)，可以通 過框架34和撓性件32的適當(dāng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)該對應(yīng)。此外，優(yōu)選框架的固有頻率大于聯(lián)動(dòng)裝置 的固有頻率。這確保驅(qū)動(dòng)頻率在頻率上比框架34的任何其它共振模式更接近框架34的基 本模式，從而最小化能夠干涉陀螺儀的操作的、框架34的較高階機(jī)械模式的激勵(lì)。在該實(shí)施方式中，利用變換器感測框架34的角振蕩的振幅。優(yōu)選地，該變換器是 設(shè)置在框架34和基底36之間并與框架34和基底36連接的電容性的傳感器。圖5示出該 電容性傳感器的兩種適宜的電極結(jié)構(gòu)。將顯示為圖5中的38A、38B和38C的結(jié)構(gòu)稱為樹結(jié) 構(gòu)，將顯示為圖5中的40A、40B和40C的結(jié)構(gòu)稱為徑向結(jié)構(gòu)。在樹結(jié)構(gòu)中，電極38A連接至框架34并隨框架34 —起移動(dòng)，而電極38B和38C均 連接至基底36并且不隨框架34 —起移動(dòng)?？梢栽诳蚣?4與基底36之間的區(qū)域內(nèi)按照要
11求重復(fù)包含一個(gè)電極38A、一個(gè)電極38B和一個(gè)電極38C的“單位元” (unit cell)。圖5示 出兩個(gè)這樣的“單位元”。所有的電極38A相互電連接，所有的電極38B相互電連接，并且所 有的電極38C相互電連接。由此形成了兩個(gè)電容器電極38A和38B之間的電容器AB，電極 38A和38C之間的電容器AC。這種電極38B與電極38C不連接的布置被稱為分裂指結(jié)構(gòu)。 由于框架34的運(yùn)動(dòng)改變電容器AB和AC的電容，因此，利用電路對這些電容進(jìn)行測量提供 了框架34的運(yùn)動(dòng)的感測。該電路優(yōu)選位于參考晶片44上。類似地，在徑向結(jié)構(gòu)中，電極40A連接至框架34并隨框架34 —起移動(dòng)，而電極40B 和40C連接至基底36并且不隨框架34 —起移動(dòng)。同樣的，形成兩個(gè)電容器，并且利用電路 (優(yōu)選位于參考晶片44上)對這些電容進(jìn)行測量提供了框架34的運(yùn)動(dòng)的感測。在操作的第二模式中，將框架34驅(qū)使至關(guān)于Z軸角振蕩，這需要質(zhì)量塊22和24 沿X軸的反相振蕩。當(dāng)陀螺儀晶片20以角速度關(guān)于Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，框架34的振蕩導(dǎo)致 質(zhì)量塊22和24上的振蕩的Z方向的科氏力，該科氏力使得包括質(zhì)量塊22和24的聯(lián)動(dòng)裝 置開始振蕩。由于聯(lián)動(dòng)裝置的振蕩的振幅依賴于(理想地，與coy成比例)，因而，對該 振幅進(jìn)行測量提供了角速度的測量。由于操作的第二模式與操作的第一優(yōu)選模式相類似，可以應(yīng)用以上的討論而具有 以下區(qū)別1)第二操作模式包括用于將框架34驅(qū)使至角振蕩的致動(dòng)器。與框架34和基底 36連接的靜電致動(dòng)器是一種用于將框架34驅(qū)使至角振蕩的適宜的裝置。該靜電致動(dòng)器可 以具有各種電極結(jié)構(gòu)，包括圖5的結(jié)構(gòu)。2)在第二操作模式中，優(yōu)選以框架的基本共振頻率或接近其基本共振頻率的頻率 驅(qū)動(dòng)框架，并且優(yōu)選聯(lián)動(dòng)裝置的基本頻率大于框架的基本頻率。3)第二操作模式包括用于感測聯(lián)動(dòng)裝置的振蕩的變換器。連接至聯(lián)動(dòng)裝置的電容 性傳感器是適宜的變換器。圖2上的電極48A、48B、50A、50B、52A和52B提供這種電容性傳 感器。通過測量電極52A與板26之間的電容以及測量電極52B與板26之間的電容來感測 電極52A和52B上面的板26的運(yùn)動(dòng)。類似地感測板28和30的運(yùn)動(dòng)。在兩種操作模式中，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的角速度傳感器有利地降低由傳感器 可以經(jīng)受的任何線性加速度所引起的誤差。在第一操作模式中，感測的運(yùn)動(dòng)是框架34的角 振蕩，并且傳感器的線性加速度不傾向于引起該運(yùn)動(dòng)。在第二操作模式中，感測的運(yùn)動(dòng)是質(zhì) 量塊22和24反相振蕩，并且這里所感測的運(yùn)動(dòng)也不是線性加速度傾向于引起的運(yùn)動(dòng)。例 如，線性Z方向的加速度傾向于引起質(zhì)量塊22和24的同相(與反相相反)振蕩。制備在優(yōu)選實(shí)施方式中，利用微機(jī)械加工技術(shù)(也已知為MEMS技術(shù))制備具有上述結(jié) 構(gòu)和操作的角轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器(或陀螺儀)。已知MEMS技術(shù)的兩種形式是體型MEMS和表面 MEMS。由于體型MEMS檢測質(zhì)量塊(即，質(zhì)量塊22和24)相對于表面MEMS檢測質(zhì)量塊可以 具有更大的質(zhì)量塊并且可以具有更大范圍的運(yùn)動(dòng)，因此，體型MEMS更適于本發(fā)明。圖7a-d、 8a-d、9a-d和10a、b示意性示出適于制備本發(fā)明的實(shí)施方式的典型制備序列。圖7a_d示意性示出適于制備罩體晶片42的步驟序列。在圖7a中，罩體晶片42 形成有背部定位標(biāo)記72圖案?？梢允褂梅磻?yīng)離子蝕刻(RIE)制造標(biāo)記72。在由圖7a進(jìn)入 圖7b時(shí)，清潔罩體晶片42遠(yuǎn)離定位標(biāo)記72的表面，然后對該表面進(jìn)行熱氧化以生成氧化 層70。氧化層70優(yōu)選為大約0. 5微米厚，并且可以通過在包含水的周圍環(huán)境中將晶片42’加熱至高溫(例如，高于1000°C )來造氧化層70。在由圖7b進(jìn)入圖7c時(shí)，如圖7c示意性 所示，以平板印制在氧化層70上形成圖案。在由圖7c進(jìn)入圖7d時(shí)，將未由氧化層70保護(hù) 的罩體晶片70的材料蝕刻掉大約100微米的深度。深層RIE(DRIE)是該步驟的適宜的蝕 刻方法。在處理中的該點(diǎn)處，罩體晶片42具有圖2所示的結(jié)構(gòu)。在該蝕刻后，清潔罩體晶 片42以準(zhǔn)備熔結(jié)。適宜的清潔步驟包括高溫(> 300°C )灰步驟和過氧化硫浸漬。采用的 清潔方法必需保持圖案化的氧化層70不受損。圖8a_d示意性示出適于制備陀螺儀晶片20的處理步驟序列。陀螺儀晶片20優(yōu) 選是低總厚度變化(TTV)生產(chǎn)晶片。如圖8a所示，以過氧化硫浸漬清潔陀螺儀晶片20，然 后將其熔結(jié)至罩體晶片42上的圖案化的氧化層70。在圖7-10的處理序列中，罩體晶片42 與陀螺儀晶片20的結(jié)合發(fā)生在比參考晶片44與陀螺儀晶片20的結(jié)合早的處理階段。因 此，對于罩體晶片42與陀螺儀晶片20的結(jié)合優(yōu)選相對地高溫結(jié)合處理，包括但不限于共 晶金屬焊接，玻璃焊接，焊劑焊接、金共晶焊接、Si與SiO2的熔結(jié)以及Si與Si的熔結(jié)。在 由圖8a進(jìn)入圖8b時(shí)，陀螺儀晶片20從通常的大約500微米厚變薄為大約40微米厚。傳 統(tǒng)的研磨和拋光是用于進(jìn)行該變薄步驟的適宜的方法?？梢跃坏剡M(jìn)行陀螺儀晶片20的 變薄，或可以進(jìn)行該變薄使得陀螺儀晶片20的將成為質(zhì)量塊22和24的區(qū)域比陀螺儀晶片 20的其它部分厚。由于增加的厚度增加質(zhì)量塊22和24的質(zhì)量，因此，該增加的厚度是有益 的。在將陀螺儀晶片20變薄之后，通過平面印制以及隨后的蝕刻形成圖8b上所示的分隔 部(standoff) 71。KOH蝕刻適于該步驟。分隔部71的目的是精確地確定諸如圖2上的電 極48A、B、50A、B和52A、B的致動(dòng)器電極與相應(yīng)的板(即，分別為板30,28和26)之間的垂 直間隔d。在由圖8b進(jìn)入圖8c時(shí)，在陀螺儀晶片20上沉積圖案化層46’。優(yōu)選地，圖案化層 46’是被沉積然后圖案化(例如，通過平面印制，然后進(jìn)行蝕刻)的Ge層。優(yōu)選地，圖案化 層46’還定義可以屬于圖5所示的類型的、框架34與基底36之間的電極?？蛇x地，可以在 與圖案化層46’的沉積分開的處理步驟中形成框架34與基底36之間的電極。在由圖8c進(jìn)入圖8d時(shí)，通過蝕刻貫穿陀螺儀晶片20來形成陀螺儀晶片20的機(jī) 械元件?？梢怨饪痰匦纬梢g刻的圖案。2微米線寬和2微米間隔適于該蝕刻，且該蝕刻 停止于氧化層70。具有絕緣體上硅(SOI)抗鉆蝕增進(jìn)的深層R正是該步驟的適宜的蝕刻 方法。該蝕刻優(yōu)選以適于創(chuàng)建大長寬比特征的蝕刻處理來執(zhí)行。在執(zhí)行了圖8d的蝕刻之 后，形成了圖1-4和6所示的、陀螺儀晶片20的全部機(jī)械元件。這些元件包括質(zhì)量塊22和 24、板26,28和30、撓性件32、框架34以及鉸鏈26A、28A、30A、54、56、58和60。簡單起見， 圖8d僅示出了板28以及質(zhì)量塊22和24。圖9a_b示意性示出適于制備參考晶片44的處理步驟序列。在圖9a上，將參考晶 片44的有源區(qū)域示意性表示為74。有源區(qū)域74包括將與陀螺儀晶片20進(jìn)行電接觸的區(qū) 域、以及用于驅(qū)動(dòng)陀螺儀晶片20的電路和用于感測陀螺儀晶片20所提供的輸出信號的電 路。該電路優(yōu)選為傳統(tǒng)的硅CMOS電路。在優(yōu)選實(shí)施方式中，傳統(tǒng)CMOS處理中沉積的金屬 的最后一層是適于用作焊接金屬的金屬層。金屬的這個(gè)頂層還定義圖9a示意性示出的電 極48A、B、50A、B和52A、B(圖9b上僅示出電極50A、B)以及結(jié)合盤76。在由圖9a進(jìn)入圖 9b時(shí)，在參考晶片44上形成凹槽45和47。優(yōu)選以DRIE將凹槽45和47制備為大約100 微米深。
圖lOa-b示意性示出適于陀螺儀晶片20、參考晶片44和罩體晶片42的最終裝配 的處理步驟序列。在圖IOa上，示出通過陀螺儀晶片20上的圖案化層46’與參考晶片44 上的結(jié)合盤76之間的對齊的金屬_金屬焊接，將參考晶片44連接至陀螺儀晶片20。在圖 7-10的處理序列中，參考晶片44與陀螺儀晶片20的結(jié)合發(fā)生在比罩體晶片42與陀螺儀晶 片20的結(jié)合晚的處理階段。因此，對于參考晶片44與陀螺儀晶片20的結(jié)合優(yōu)選相對地低 溫結(jié)合處理，包括但不限于共晶金屬焊接，鋁-鍺焊接，焊劑焊接、銦-金焊接以及聚合物 粘結(jié)。通過分隔部71和圖案化層46’的合并厚度確定圖IOa上的板28與電極50A和 50B之間的間隔d，并且可以通過選擇分隔部71的高度精確地控制(或預(yù)定)該間隔d。還 以相同的方式確定其它電極(例如，電極48A、B和電極52A、B)與它們相應(yīng)的板(例如，分 別為板30和26)之間的間隔，通常地，相同的預(yù)定距離d將所有的板與它們相應(yīng)的電極分 隔開。盡管圖7-10的處理序列示出分隔部71唯一地形成于陀螺儀晶片20上，也能夠在參 考晶片44上唯一地形成分割部，或在陀螺儀晶片20和參考晶片44上均形成分割部以定義 板與電極之間的間隔。在由圖IOa進(jìn)入圖IOb時(shí)，從罩體晶片42蝕刻掉材料以允許從上面 接觸有源區(qū)域74?？梢岳肈RIE進(jìn)行該蝕刻。通過允許從上面接觸有源區(qū)域74有利于到 圖IOb的角速度傳感器的電連接。參考晶片44優(yōu)選通過可以制作為密封的金屬-金屬焊接連接至陀螺儀晶片20。 同樣地，陀螺儀晶片20優(yōu)選通過也可以制作為密封的熔結(jié)連接至罩體晶片42。結(jié)果，參考 晶片44、陀螺儀晶片20和罩體晶片42的整個(gè)組件可以提供陀螺儀元件(諸如質(zhì)量塊22和 24)與周圍的環(huán)境之間的密封屏障。為了滿足陀螺儀的不同市場的一些性能規(guī)格，在一些情況下，在密封屏障所提供 的閉合空間內(nèi)提供降低的氣壓(例如，大約1毫托，其基本小于大氣壓)是有利的。以這種 方式，由于填充該閉合空間的空氣(或其它氣體)所導(dǎo)致的質(zhì)量塊22和24的運(yùn)動(dòng)的阻力 滿意地降低?？蛇x地，可以在質(zhì)量塊22和24(以及聯(lián)動(dòng)裝置的其它運(yùn)動(dòng)部分)中設(shè)置洞以 降低運(yùn)動(dòng)的空氣阻力。在其它情況下，提供大于大氣壓的、密封的閉合空間內(nèi)的氣壓是滿足 需要的。圖7a-d、8a-d、9a-b和10a_b的討論提供適于制備本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式的典型 處理步驟序列的示意性概述。因此，上述的單一步驟不是實(shí)施本發(fā)明必不可少的。此外，上 述大多數(shù)步驟可以使用以上未提及但半導(dǎo)體處理領(lǐng)域熟知的替代方法來執(zhí)行。更一般地， 整個(gè)詳細(xì)說明通常作為例子的方式，而不是限制。以下簡要說明本發(fā)明實(shí)施方式的其它例子。圖12是電極結(jié)構(gòu)的示意俯視圖。在圖12中，未示出質(zhì)量塊22和24以及板26、 28和30，因此，能夠看到聯(lián)動(dòng)裝置的這些元件下面的電極。在圖12的結(jié)構(gòu)中，電極48A、B、 50A、B和52A、B分別用于驅(qū)動(dòng)板30、28和26。另外，圖12的結(jié)構(gòu)提供用于感測質(zhì)量塊的運(yùn) 動(dòng)或更一般的聯(lián)動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)的電極51A、B、C、D?？梢杂沈?qū)動(dòng)聯(lián)動(dòng)裝置致動(dòng)器的電路有利 地使用電極51A、B、C、D所提供的信號。例如，以這種方式感測聯(lián)動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)允許驅(qū)動(dòng)電 路以聯(lián)動(dòng)裝置的基本共振頻率精確地驅(qū)動(dòng)聯(lián)動(dòng)裝置。在本發(fā)明的以上詳細(xì)說明中，公開了作為靜電致動(dòng)器的、用于將聯(lián)動(dòng)裝置驅(qū)使至 振蕩的致動(dòng)器。用于將聯(lián)動(dòng)裝置驅(qū)使至振蕩的替代致動(dòng)器包括但不限于電磁致動(dòng)器、壓電
14致動(dòng)器和熱致動(dòng)器。在以上的說明中，還公開了作為電容性傳感器的、用于感測框架34的 角振蕩的變換器。用于感測框架34的角振蕩的替代變換器包括但不限于電磁傳感器、壓 阻傳感器和壓電傳感器。 盡管根據(jù)示出的實(shí)施方式說明了本發(fā)明，但是，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將易于認(rèn) 識到存在實(shí)施方式的變型并且這些變型將在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。例如，盡管結(jié)合件優(yōu) 選由諸如鋁等導(dǎo)電材料制成，其還可以利用表面增加了導(dǎo)電能力的非導(dǎo)電材料制成，并且 其使用將在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。因此，在不脫離所附權(quán)利要求書的精神和范圍的情況 下，本領(lǐng)域的一個(gè)普通技術(shù)人員可以進(jìn)行許多修改。
權(quán)利要求
一種用于測量傳感器平面內(nèi)的角速度的傳感器，所述傳感器包括a)感測子組件，其包括i)與所述平面平行的基本平面的框架；ii)設(shè)置在所述平面內(nèi)的第一質(zhì)量塊；iii)與所述第一質(zhì)量塊橫向地設(shè)置在所述平面內(nèi)的第二質(zhì)量塊；以及iv)在所述框架內(nèi)且與所述框架連接的聯(lián)動(dòng)裝置，其中，所述聯(lián)動(dòng)裝置與所述第一質(zhì)量塊和所述第二質(zhì)量塊連接，并且其中所述聯(lián)動(dòng)裝置限制所述第一質(zhì)量塊和所述第二質(zhì)量塊在與所述平面垂直的相反方向上移動(dòng)；其中，所述聯(lián)動(dòng)裝置還包括與所述框架連接并且與所述第一質(zhì)量塊和所述第二質(zhì)量塊連接且在所述第一質(zhì)量塊和所述第二質(zhì)量塊之間的中心板，其中，所述中心板關(guān)于中心轉(zhuǎn)動(dòng)軸可轉(zhuǎn)動(dòng)；通過基底的驅(qū)動(dòng)式固定器部分與所述基底連接并且與所述第一質(zhì)量塊連接的第一邊緣板，其中，所述第一邊緣板關(guān)于第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸可轉(zhuǎn)動(dòng)；以及通過所述基底的驅(qū)動(dòng)式固定器部分與所述基底連接并且與所述第二質(zhì)量塊連接的第二邊緣板，其中，所述第二邊緣板關(guān)于第二轉(zhuǎn)動(dòng)軸可轉(zhuǎn)動(dòng)；其中，所述中心轉(zhuǎn)動(dòng)軸、所述第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸和所述第二轉(zhuǎn)動(dòng)軸相互平行且還平行于所述傳感器平面；b)致動(dòng)器，其用于驅(qū)使所述子組件的第一部分以一驅(qū)動(dòng)頻率振蕩；以及c)變換器，其用于感測所述子組件的第二部分響應(yīng)于所述角速度的運(yùn)動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，所述致動(dòng)器選自由靜電致動(dòng)器、電磁致動(dòng)器、 壓電致動(dòng)器和熱致動(dòng)器構(gòu)成的組。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，所述變換器選自由電容性傳感器、電磁傳感 器、壓電傳感器和壓阻傳感器構(gòu)成的組。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，所述子組件的所述第一部分是所述聯(lián)動(dòng)裝置 并且所述子組件的所述第二部分是所述框架。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的傳感器，其中，所述致動(dòng)器包括與所述聯(lián)動(dòng)裝置連接的靜電 致動(dòng)器，并且其中所述變換器包括與所述框架連接的電容性傳感器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，所述子組件的所述第一部分是所述框架并且 所述子組件的所述第二部分是所述聯(lián)動(dòng)裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的傳感器，其中，所述致動(dòng)器包括與所述框架連接的靜電致動(dòng) 器，并且其中，所述變換器包括與所述聯(lián)動(dòng)裝置連接的電容性傳感器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，所述框架的運(yùn)動(dòng)基本上限制至關(guān)于與所述傳 感器平面垂直的軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的傳感器，其中，所述框架基本上是圓形的。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的傳感器，其中，所述框架基本上是矩形的。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，所述第一質(zhì)量塊和所述第二質(zhì)量塊限制至相 對于所述框架僅基本上垂直于所述傳感器平面而移動(dòng)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，所述中心板還包括與所述第一質(zhì)量塊連接的 第一杠桿臂以及與所述第二質(zhì)量塊連接的第二杠桿臂，由此，響應(yīng)于所述中心板的轉(zhuǎn)動(dòng)的、與所述傳感器平面垂直的所述質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)增加。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，所述第一邊緣板還包括與所述第一質(zhì)量塊連 接的杠桿臂，由此，響應(yīng)于所述第一邊緣板的轉(zhuǎn)動(dòng)的、與所述傳感器平面垂直的所述第一質(zhì) 量塊的運(yùn)動(dòng)增加。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，所述第二邊緣板還包括與所述第二質(zhì)量塊連 接的杠桿臂，由此，響應(yīng)于所述第二邊緣板的轉(zhuǎn)動(dòng)的、與所述傳感器平面垂直的所述第二質(zhì) 量塊的運(yùn)動(dòng)增加。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，所述變換器包括與所述基底和所述框架連接 的電容性傳感器，并且其中，所述參考晶片包括與所述電容性傳感器連接并且與所述第一 邊緣電極、所述第二邊緣電極和所述中心分離電極連接的CMOS電子器件，從而獲得所述致 動(dòng)器和所述變換器的晶片級集成。
16.一種用于測量X-Y傳感器平面內(nèi)的角速度的X分量和Y分量的雙軸傳感器，所述雙 軸傳感器包括A)用于測量角速度的X分量的第一子傳感器，所述第一子傳感器包括a)第一感測子組件，其包括i)與所述平面平行的基本平面的第一框架； )設(shè)置在所述平面內(nèi)的第一質(zhì)量塊；iii)與所述第一質(zhì)量塊橫向地設(shè)置在所述平面內(nèi)的第二質(zhì)量塊；以及iv)在所述框架內(nèi)且與所述框架連接的第一聯(lián)動(dòng)裝置，其中，該聯(lián)動(dòng)裝置與所述第一質(zhì) 量塊和所述第二質(zhì)量塊連接，并且其中所述第一聯(lián)動(dòng)裝置限制所述第一質(zhì)量塊和所述第二 質(zhì)量塊在與所述平面垂直的相反方向上移動(dòng)；b)第一致動(dòng)器，其用于驅(qū)使所述第一子組件的第一部分以一驅(qū)動(dòng)頻率振蕩；以及c)第一變換器，其用于感測響應(yīng)于所述角速度的X分量的、所述第一子組件的第二部 分的運(yùn)動(dòng)；其中，所述第一聯(lián)動(dòng)裝置還包括與所述框架連接并且與所述第一質(zhì)量塊和所述第二質(zhì)量塊連接且在所述第一質(zhì)量塊 和所述第二質(zhì)量塊之間的中心板，其中，所述中心板關(guān)于中心轉(zhuǎn)動(dòng)軸可轉(zhuǎn)動(dòng)；通過基底的驅(qū)動(dòng)式固定器部分與所述基底連接并且與所述第一質(zhì)量塊連接的第一邊 緣板，其中，所述第一邊緣板關(guān)于第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸可轉(zhuǎn)動(dòng)；以及通過所述基底的驅(qū)動(dòng)式固定器部分與所述基底連接并且與所述第二質(zhì)量塊連接的第 二邊緣板，其中，所述第二邊緣板關(guān)于第二轉(zhuǎn)動(dòng)軸可轉(zhuǎn)動(dòng)；其中，所述中心轉(zhuǎn)動(dòng)軸、所述第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸和所述第二轉(zhuǎn)動(dòng)軸相互平行且還平行于所述 傳感器平面；以及B)用于測量角速度的Y分量的第二子傳感器，所述第二子傳感器包括 a)第二感測子組件，其包括i)與所述平面平行的基本平面的第二框架； )設(shè)置在所述平面內(nèi)的第三質(zhì)量塊；iii)與所述第三質(zhì)量塊橫向地設(shè)置在所述平面內(nèi)的第四質(zhì)量塊；以及iv)在所述第二框架內(nèi)且與所述第二框架連接的第二聯(lián)動(dòng)裝置，其中，該聯(lián)動(dòng)裝置連接至所述第三質(zhì)量塊和所述第四質(zhì)量塊，并且其中所述第二聯(lián)動(dòng)裝置限制所述第三質(zhì)量塊和 所述第四質(zhì)量塊在與所述平面垂直的相反方向上移動(dòng)；b)第二致動(dòng)器，其用于驅(qū)使所述第二子組件的第一部分以一驅(qū)動(dòng)頻率振蕩；以及c)第二變換器，其用于感測響應(yīng)于所述角速度的Y分量的、所述第二子組件的第二部 分的運(yùn)動(dòng)；其中，所述第二聯(lián)動(dòng)裝置還包括與所述框架連接并且與所述第一質(zhì)量塊和所述第二質(zhì)量塊連接且在所述第一質(zhì)量塊 和所述第二質(zhì)量塊之間的中心板，其中，所述中心板關(guān)于中心轉(zhuǎn)動(dòng)軸可轉(zhuǎn)動(dòng)；通過基底的驅(qū)動(dòng)式固定器部分與所述基底連接并且與所述第一質(zhì)量塊連接的第一邊 緣板，其中，所述第一邊緣板關(guān)于第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸可轉(zhuǎn)動(dòng)；以及通過所述基底的驅(qū)動(dòng)式固定器部分與所述基底連接并且與所述第二質(zhì)量塊連接的第 二邊緣板，其中，所述第二邊緣板關(guān)于第二轉(zhuǎn)動(dòng)軸可轉(zhuǎn)動(dòng)；其中，所述中心轉(zhuǎn)動(dòng)軸、所述第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸和所述第二轉(zhuǎn)動(dòng)軸相互平行且還平行于所述 傳感器平面。
全文摘要
一種具有橫向地設(shè)置在X-Y平面內(nèi)且間接地連接至框架的兩個(gè)質(zhì)量塊的角速度傳感器。通過聯(lián)動(dòng)裝置將這兩個(gè)質(zhì)量塊聯(lián)結(jié)在一起以便它們必定沿Z軸在相反方向上移動(dòng)。可以通過將這兩個(gè)質(zhì)量塊驅(qū)使至Z方向的反相振蕩并測量由此施加至框架的角振蕩振幅來感測關(guān)于Y軸的傳感器角速度。在優(yōu)選實(shí)施方式中，從體型MEMS陀螺儀晶片、罩體晶片和參考晶片制備該角速度傳感器。在另一優(yōu)選實(shí)施方式中，該晶片的組件提供質(zhì)量塊與周圍環(huán)境之間的密封屏障。
文檔編號G01P3/44GK101939653SQ200980104093
公開日2011年1月5日 申請日期2009年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月5日
發(fā)明者亞歷山大·卡斯特羅, 史蒂文·S·納西里, 約瑟夫·西格 申請人:因文森斯公司