专利名称:具有单质量块的微机械三轴加速计的制作方法
技术领域:
总的来说,本发明涉及惯性传感器装置,具体地说,涉及微机械惯性传感器装置。
背景技术:
几个单轴或多轴的微机械陀螺仪结构已集成在系统中以形成三轴陀螺仪组(cluster)。然而,对于特定的应用,由单独的传感器构成的这种陀螺仪组的尺寸会过大且成本也会过高。即使单轴或多轴陀螺仪能够装配在单个微机电系统(MEMS)芯片上,针对每个传感器还是需要单独的驱动和感应电子器件。
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而且,在消费性/移动、自动化以及航空航天/国防的应用中,对三轴加速度检测的需求正在不断增长。许多单轴或多轴的微机械加速计结构已针对每个加速度轴使用单独的质量块。在管芯上并入多个传感器或多个质量块会增加集成的三轴加速度传感器的尺寸和成本。
发明内容
除其它情况之外,本发明讨论了包括器件层、帽晶片和孔晶片的惯性测量系统,所述器件层包括单质量块三轴加速计,所述帽晶片连接所述器件层的第一表面,所述孔晶片连接所述器件层的第二表面,其中,所述帽晶片和所述孔晶片被配置为封装所述单质量块三轴加速计。单质量块三轴加速计可围绕单中心锚悬吊,且可包括单独的X轴挠曲支承部、I轴挠曲支承部和Z轴挠曲支承部,其中,X轴挠曲支承部和I轴挠曲支承部关于所述单中心锚对称,且z轴挠曲支承部关于所述单中心锚不对称。此概述意在提供本专利申请主题的概述。并不旨在提供本发明专用的或全面的说明。
具体实施方式
的包含用于提供有关本专利申请的更多信息
在附图(其不一定按比例绘制)中,相似的附图标记可在不同的视图中描述相似的部件。具有不同字母后缀的相似附图标记可表示同类部件的不同例子。附图以示例而非限制的方式大体示出了本文中所论述的各个实例。图1大体示出了三自由度(3-D0F)惯性测量单元(MU)的示意性横截面图;图2大体示出了三轴陀螺仪的一个实例;图3大体示出了在驱动运动中的三轴陀螺仪的一个实例;图4大体示出了包括在响应于围绕X轴的旋转进行感应运动期间的单质量块的三轴陀螺仪的一个实例;图5大体示出了包括在响应于围绕7轴的旋转进行感应运动期间的单质量块的三轴陀螺仪的一个实例;
图6大体示出了包括在响应于围绕z轴的旋转进行感应运动期间的单质量块的三轴陀螺仪的一个实例;图7和图8大体示出了包括分别在反相运动和同相运动期间的z轴陀螺仪耦合挠曲支承部的三轴陀螺仪的实例;图9大体示出了三轴加速计的一个实例;图10大体示出了在响应于X轴加速度进行的感应运动中的三轴加速计的一个实例;图11大体示出了在响应于y轴加速度进行的感应运动中的三轴加速计的一个实例;图12大体示出了在响应于z轴加速度进行的感应运动中的三轴加速计的一个实例;图13大体示出了包含孔晶片电极安置的系统的一个实例;图14大体示出了包含单质量块的三轴加速计的一个实例侧视图;图15大体示出了 3+3自由度(3+3D0F)惯性测量单元(MU)的一个实例;图16大体示出了关于锚静止的所述中心悬吊件的一个实例;图17大体示出了在驱动运动中的中心悬吊件的一部分的一个实例。
具体实施例方式除其它情况之外,本发明人认识到一种微机械整体式(monolithic)三轴陀螺仪,其被配置为利用单个中心锚定的质量块来检测关于所有三轴的角速度,同时对每个轴的响应模式进行有效地解耦,以最小化跨轴灵敏度。在一个实例中,本申请公开的唯一质量块分区和挠曲结构可允许使用单驱动模式振荡(对于所有轴仅需一个驱动控制回路)进行三轴角速度检测。因此,与使用三个单独的驱动回路的现有多轴陀螺仪相比,本申请中公开的三轴陀螺仪的控制电子器件的复杂性及成本能够极大地降低。此外,除其它情况之外,本发明人认识到一种微机械三轴加速计,其被配置为利用单个中心锚定的质量块来检测关于所有三轴的加速度,同时对每个轴的响应模式进行有效地解耦,以最小化跨轴灵敏度。在一个实例中,本申请公开的唯一质量块和挠曲结构可允许通过单个中心锚定的质量块进行三轴加速度检测。因此,与针对每个加速度轴使用单独的质量块的现有多轴加速计相比,本申请中公开的三轴加速计的微机电系统(MEMS)感应元件的总体管芯尺寸及总成本能够极大地降低。装置结构图1大体示出了三自由度(3-D0F)惯性测量单元(MU) 100的示意性横截面图,如三自由度陀螺仪或三自由度微机械加速计,所述三自由度IMU 100形成在芯片级封装中,所述芯片级封装包括帽晶片101、包含微机械结构(如微机械三自由度MU)的器件层105和孔晶片103。在一个实例中,器件层105可夹在帽晶片101和孔晶片103之间,且器件层105和帽晶片101之间的腔体可在晶圆级的真空下封装。在一个实例中,帽晶片101可例如使用金属粘合剂102粘合到器件层105粘合剂。金属粘合剂102可包括熔融粘合剂(例如非高温熔融粘合剂)以使得吸气剂能够保持长期的真空状态,且使得防摩擦涂层的涂覆能够防止可能在低重力加速度传感器中发生的摩擦。在一个实例中,在器件层105工作期间,金·属粘合剂102能够在帽晶片101和器件层105之间产生热应力。在某些实例中,能够为器件层105增加一个或多个特征,以使器件层105中的微机械结构与热应力(如减少形成于微机械结构周围的沟槽的一个或多个应力)隔离。在一个实例中,孔晶片103可粘合到器件层105,如熔融粘合(例如硅-硅熔融粘合等),以避免在孔晶片103和器件层105之间的热应力。在一个实例中,孔晶片103可包括一个或多个隔离区域,例如第一隔离区域107,该第一隔离区域107例如利用一个或多个硅通孔(TSV)(例如,第一 TSV 108,其使用介电材料109与孔晶片103隔离开)与孔晶片103的一个或多个其它区域隔离开,如。在某些实例中,所述一个或多个隔离区域可用作电极,以感觉或启动所述六轴惯性传感器的面外工作模式,且所述一个或多个TSV可被配置为提供从器件层105到系统100外部的电连接。此外,孔晶片103可包括诸如第一触点110的一个或多个触点,所述一个或多个触点使用介电层104与孔晶片103的一个或多个部分选择性地隔离开,且所述一个或多个触点被配置为例如使用突起部(bump)、丝焊或一个或多个其他电连接来提供孔晶片103的隔离区域或TSV中的一个或多个到一个或多个外部元件(例如,ASIC晶片)之间的电连接,。在一个实例中,器件层105中的所述三自由度陀螺仪或微机械加速计能够通过将器件层105粘合到孔晶片103的凸出部分(如锚106)来得到支撑或锚定在孔晶片103上。在一个实例中,锚106可大体上设置于孔晶片103的中心,且器件层105可熔融粘合到锚106上,例如以消除与金属疲劳相关的问题。陀螺仪装置结构图2大体示出了三轴陀螺仪200的一个实例,例如形成在三自由度MU 100的器件层105的单一平面上的三轴陀螺仪200。在一个实例中,如图2所示,三轴陀螺仪200的结构可关于X轴和I轴对称,其中z轴在概念上从图中出来。图2提及三轴陀螺仪200 —个部分的结构及特征。但在某些实例中,这样的提及和描述能够适用于三轴陀螺仪200中未标记的类似部分。在一个实例中,三轴陀螺仪200可包括提供三轴陀螺仪工作模式的单质量块设计,其中所述三轴陀螺仪工作模式被定型(pattern)于三自由度MUlOO的器件层105中,如图1的实例中所示。在一个实例中,所述单质量块能够利用单个中心锚(如锚106)和中心悬吊件111悬吊在三轴陀螺仪200的中心。其中,中心悬吊件111包括对称中心的挠曲部(flexures),如在 Acar 等人于 2011 年 9 月 16 日递交的题为“FLEXURE BEARING TO REDUCE QUADRATUREFOR RESONATING MICROMACHINED DEVICES(减小共振微机械设备的转象差的挠曲支承部)”的同时待审PCT专利申请US2011052006中公开的挠曲支承部,该申请的全部内容合并于此作为参考。中心悬吊件111可使得单质量块围绕X轴、y轴及z轴进行扭转振荡,从而提供三个陀螺仪工作模式,包括:(I)围绕z轴面内扭转的驱动运动(例如,如图3所示);(2)围绕X轴面外扭转的y轴陀螺仪感应运动(例如,如图4所示);以及(3)围绕y轴面外扭转的X轴陀螺仪感应运动(例如,如图5所示)。此外,所述单质量块设计可由多个部分组成,例如包括主质量块部分115和关于y轴对称的X轴质量块部分116。在一个实例中,驱动电极123可沿主质量块部分115的y轴设置。驱动电极123与中心悬吊件111的结合可被配置为提供围绕z轴面内扭转的驱动运动,从而允许检测围绕X轴和y轴的角运动。在一个实例中,X轴质量块部分116可利用z轴陀螺仪挠曲支承部120耦合到主质量块部分115。在一个实例中,z轴陀螺仪挠曲支承部120可允许X轴质量块部分116在X方向进行反相线性振荡,以使z轴陀螺仪感应运动。此外,三轴惯性传感器200可包括z轴陀螺仪感应电极127,所述z轴陀螺仪感应电极127被配置为检测X轴质量 块部分116沿X轴的反相面内运动。在一个实例中,驱动电极123和z轴陀螺仪感应电极127中的每一个可包括耦合到一个或多个质量块部分的可移动棘爪,其中,所述一个或多个质量块部分通过各自的锚(如锚124、128)与固定在适当位置(如固定于孔晶片103)的一组静止棘爪相互交错。陀螺仪工作模式图3大体示出了三轴陀螺仪300在驱动运动中的一个实例。在一个实例中,驱动电极123可包括耦合到主质量块部分115的一组可移动棘爪,所述主质量块部分115利用第一驱动锚124(如孔晶片103的凸起的电隔离部分)与固定在适当位置的一组静止棘爪相互交错。在一个实例中,所述静止棘爪可被配置为通过第一驱动锚124接收能量,且驱动电极123的相互交错的可移动棘爪和静止棘爪之间的相互作用可被配置为向单质量块提供关于z轴的角向力。在图3的一个实例中,驱动电极123被驱动为围绕z轴旋转单质量块,与此同时,中心悬吊件111相对于固定的锚106提供回原位力矩,使得所述单质量块围绕Z轴以驱动频率在面内进行扭转振荡,其中所述驱动频率取决于施加于驱动电极123上的能量。在某些实例中,能够通过驱动电极123检测单质量块的驱动运动。X轴谏度响应图4大体示出了包括在响应于围绕X轴的旋转进行的感应运动期间的单质量块的三轴陀螺仪400的一个实例,所述单质量块包括主质量块部分115、X轴质量块部分116以及中心悬吊件111。
在关于X轴的角速度及图3的实例中所述的三轴陀螺仪400的驱动运动同时出现的情况下,在X轴质量块部分116会引起沿Z轴相反方向的科氏力,这是由于速度向量是沿y轴的相反方向的。这样,通过弯曲中心悬吊件111,可使单质量块围绕y轴扭转振荡。感应响应可利用面外X轴陀螺仪感应电极(如形成在孔晶片103中的感应电极)并利用X轴质量块部分116与孔晶片103的电容耦合来检测。Y轴谏度响应图5大体示出了包括在响应于围绕I轴的旋转进行的感应运动期间的单质量块的三轴陀螺仪500的一个实例,所述单质量块包括主质量块部分115、X轴质量块部分116以及中心悬吊件111。在关于y轴的角速度及图3的实例中所述的三轴陀螺仪400的驱动运动同时出现的情况下,在主质量块部分115会引起沿z轴相反方向的科氏力,这是由于速度向量是沿X轴的相反方向的。这样,通过弯曲中心悬吊件111,可使单质量块围绕X轴扭转振荡。感应响应可利用面外y轴陀螺仪感应电极(如形成在孔晶片103中的感应电极)且利用主质量块部分115与孔晶片103的电容耦合来检测。Z轴谏度响应图6大体示出了包括在响应于围绕z轴的旋转进行的感应运动期间的单质量块的三轴陀螺仪600的一个实例,所述单质量块包括主质量块部分115、x轴质量块部分116、中心悬吊件、z轴挠曲支承部120以及z轴陀螺仪耦合挠曲支承部121。在关于z轴的角速度及图3的实例中所述的三轴陀螺仪400的驱动运动同时出现的情况下,在X轴质量块部分116上会引起沿X轴相反方向的科氏力,这是由于速度向量是沿I轴的相反方向的。这样,通 过在X方向上弯曲z轴挠曲支承部120,可使X轴质量块部分116沿X轴相反方向线性地振荡。此外,z轴陀螺仪耦合挠曲支承部121可用于提供X轴质量块部分116的线性反相共振模式,该线性反相共振模式直接由反相的科氏力驱动。感应响应可通过面内平行板感应电极(如形成在器件层105中的z轴陀螺仪感应电极127)来检测。图7和图8大体示出了包含分别在反相和同相运动中的z轴陀螺仪耦合挠曲支承部121的三轴陀螺仪700的实例。为了改善由X轴加速度引起的三轴陀螺仪700的抑荡(vibration rejection),z轴陀螺仪稱合挠曲支承部121被配置为抑制x轴质量块部分116的同相运动。在反相运动期间,将两个X轴质量块部分116连接到z轴陀螺仪耦合挠曲支承部121的连接梁在相同方向上施力,且连接梁承受低刚度的自然弯曲。相反,在同相运动期间,z轴陀螺仪耦合挠曲支承部121的连接梁在连接梁上沿相反方向施力,迫使所述连接梁进行较高刚度的扭转运动。这样,提高了同相运动刚度和共振频率,提供了更好的抑振效果。加速计装置结构图9大体示出了三轴加速计900的一个实例,如形成在3-D0F IMU100的器件层105的单一平面上的三轴加速计。在一个实例中,三轴加速计900可包括单质量块设计,提供(如图1的实例所示的)三自由度MU100的器件层105中定型的三轴加速计工作模式。在一个实例中,所述单质量块可利用一系列的挠曲支承部及框架将其中心悬吊在单中心锚(如锚106),以便对响应模式进行解耦并降低跨轴灵敏度。在一个实例中,三轴加速计900可包括X轴挠曲支承部133,X轴挠曲支承部133被配置为将锚106耦合到x轴框架135并使得X轴框架135能够响应于沿X轴的加速度而偏斜。而且,所述装置可包括I轴挠曲支承部134和z轴挠曲支承部137,其中y轴挠曲支承部134被配置为将x轴框架135耦合到j轴框架136并使得j轴框架136能够响应于沿y轴的加速度进而相对于x轴框架135偏斜;z轴挠曲支承部137被配置为将y轴框架136耦合到质量块138的其余部分。z轴挠曲支承部137用作扭转铰链,使得所述质量块能够围绕穿过所述梁中心的轴扭转偏斜到面外。此外,三轴加速计900可包括X轴加速计感应电极125或y轴加速计感应电极131,其中X轴加速计感应电极125被配置为检测X轴框架135的同相面内X轴运动,y轴加速计感应电极131被配置为检测I轴框架136的同相面内I轴运动。在一个实例中,X轴加速计感应电极125和y轴加速计感应电极131中的每一个可包括稱合到一个或多个框架部分的可移动棘爪,其中一个或多个框架部分利用各自的锚(如锚126、132)与固定在适当位置(如固定在孔晶片103)的一组静止棘爪相互交错。X轴加速计响应
图10大体示出了在响应于X轴加速度的感应运动中的三轴加速计1000的一个实例。所述三轴加速计包括单质量块、锚106、X轴挠曲支承部133及X轴框架135。在存在沿X轴的加速度的情况下,所述质量块、y轴框架136和X轴框架135会相对于锚106—致地移动。所引起的运动可利用位于所述质量块的相反侧的X轴加速计感应电极125来检测,X轴加速计感应电极125能够对偏斜进行差分测量。在不同实例中,可使用不同的检测方法,如电容式(变间距式电容器或变面积式电容器)检测方法、压电式检测方法、压阻式检测方法、磁性检测方法或热检测方法。Y轴加谏计响应图11大体示出了在响应于Y轴加速度的感应运动中的三轴加速计1100的一个实例。所述三轴加速计包括单质量块、锚106、y轴挠曲支承部134及j轴框架136。在存在沿j轴的加速度的情况下,将I轴框架136连接到X轴框架135的y轴挠曲支承部134出现偏斜且使得y轴框架136能够沿y轴与所述质量块进行一致地移动,与此同时,所述X轴框架保持静止。所引起的运动可利用位于所述质量块的相反侧的I轴加速计感应电极131来检测,y轴加速计感应电极131能够对偏斜进行差分测量。在不同实例中,可使用不同的检测方法,如电容式(变间距式电容器或变面积式电容器)检测方法、压电式检测方法、压阻式检测方法、磁性检测方法或热检测方法。Z轴加速计响应图12大体示出了在响应于Z轴加速度的感应运动中的三轴加速计1200的一个实例。所述三轴加速计包括单质量块138、锚和z轴挠曲支承部137。在图12的实例中,X轴挠曲支承部137位于使得穿过所述梁中心的轴偏离于质量块138的中心的位置。这样,导致质量不平衡,以致所述质量块中距离支点线较远的部分产生的惯性力矩比距离枢转线较近的部分大,使得质量块138容易受到z轴加速度的影响,进而围绕支点线扭转偏斜到面外。X轴挠曲支承部和I轴挠曲支承部133、134设计为具有高面外刚度。相应地,X轴挠曲支承部和I轴挠曲支承部133、134在z轴加速度期间保持静止。图13大体示出了包含孔晶片电极安置的系统1300的一个实例。在一个实例中,z轴加速计电极140可设置在器件层105下面的孔晶片103上。扭转响应允许通过仅一层的面外电极对偏斜进行差分测量。在一个实例中,可使用不同的检测方法,如电容式(变间距式电容器或变面积式电容器)检测方法、压电式检测方法、压阻式检测方法、磁性检测方法或热检测方法。图14大体示出了三轴加速计1400的一个示例的侧视图,其中三轴加速计1400包含单质量块、例示性“支点”及z轴加速计电极140。3+3D0F图15大体示出了 3+3自由度(3+3D0F)惯性测量单元(MU) 200 (如三轴陀螺仪和三轴加速计)的一个实例,例如形成在IMU的器件层105的单一平面中的3+3自由度IMU200。在一个实例中,3+3D0F可包括在同一晶片上的三轴陀螺仪1505和三轴加速计1510。在一个实例中,三轴陀螺仪1505和三轴加速计1510的每一个具有单独的质量块,但在封装时,产生的器件(诸如芯片级封装)会共用封盖,因此三轴陀螺仪1505和三轴加速计1510位于同一腔体中。而且,由于所述器件为在相似时间且用相似材料形成,因此该发明很大程度上降低了工艺偏差的风险,减少了对传感器分别校准的需求以及对齐问题,且允许比分别相互接合器件更为紧密的安置。此外,存在与密封产生的器件相关的空间节省。例如,若需要IOOum的密封宽度,在所述器件之间共用帽晶片以及减小所述器件之间的间距使得产生的器件的总体尺寸缩减。而分别封装,密封宽度所需的空间量可加倍。在一个实例中,管芯尺寸可减小至2.48X1.8mm且具有IOOum的密封宽度。驱动频率与检测频率在一个实例中,驱动模式和三个陀螺仪感应模式可设置于20kHz范围内。对于开环操作,驱动模式可通过模式间隔(如IOOHz到500Hz)区分于感应模式,所述模式间隔可决定陀螺仪的机械灵敏度。为了提高灵敏度,在应用的振荡规格允许的条件下可降低陀螺仪操作共振频率。若执行闭环感应操作,可减小模式间隔以进一步提高机械灵敏度。ιΗ交误差的减小图16大体不出了关于锚106静止的所述中心悬吊件111的一个实例,所述中心悬吊件111包括对称的“C形梁”(c-beam),所述C形梁被配置为本地消除正交误差。微机械陀螺仪的正交误差主要源于DRIE侧壁角度误差,所述DRIE侧壁角度误差导致刻蚀轮廓偏离于直侧壁。如果侧壁具有角度误差,则当斜轴沿梁长度时面内驱动运动还会导致面外运动。因此,当偏斜的柔性梁位于所述驱动运动的相反侧时,产生的面外偏移引起正交误差。图17大体示出了在驱动运动中的中心悬吊件111的一部分的一个实例。所述中心悬吊件111使用位于锚106的每一侧上的对称“C形梁”。由每个在一侧上的C形梁导致的面外运动通过与其对称的相似部分而抵消。这样,在每个梁上引起的正交误差可被本地地消除。补充注释及实例在实例I中,惯性测量系统包括器件层、帽晶片和孔晶片,所述器件层包括位于x-y平面的单质量块三 轴加速计,所述单质量块三轴加速计围绕单中心锚悬吊,所述单质量块三轴加速计包括单独的X轴挠曲支承部、y轴挠曲支承部和Z轴挠曲支承部,其中,所述X轴挠曲支承部和所述I轴挠曲支承部关于所述单中心锚对称,且所述z轴挠曲部关于所述单中心锚不对称;所述帽晶片粘合到所述器件层的第一表面;所述孔晶片粘合到所述器件层的第二表面,其中,所述帽晶片和所述孔晶片被配置为封装所述单质量块三轴加速计。在实例2中,实例I中的三轴加速计可选地包括面内X轴加速计感应电极和面内y轴加速计感应电极。在实例3中,实例I至2中任意一个或多个实例的所述面内X轴加速计感应电极和所述面内y轴加速计感应电极可选地关于所述单个中心锚对称。在实例4中,实例I至3中任意一个或多个实例的所述三轴加速计可选地包括面外z轴加速计感应电极。在实例5中,实例I至4中任意一个或多个实例的所述三轴加速计的形状可选地为矩形,且关于I轴的长度大于关于X轴或Z轴的长度。在实例6中,实例I至5中任意一个或多个实例的所述X轴挠曲支承部、所述y轴挠曲支承部和所述z轴挠曲支承部可选地具有高面外刚度。在实例7中,实例I至6中任意一个或多个实例的所述单质量块可选地包括包围面内X轴加速计感应电极、面内I轴加速计感应电极、X轴挠曲支承部、y轴挠曲支承部和Z轴挠曲支承部的外部。在实例8中,实例I至7中任意一个或多个实例的所述三轴加速计可选地包括微机械整体式三轴加速计。在实例9中,实例I至8中任意一个或多个实例的所述器件层可选地包括形成在χ-y平面中的与所述三轴加速计相邻的三轴陀螺仪。
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在实例10中,实例I至9中任意一个或多个实例的所述帽晶片和所述孔晶片可选地被配置为封装所述单质量块三轴加速计和所述三轴陀螺仪。在实例11中,实例I至10中任意一个或多个实例的所述三轴加速计和所述三轴陀螺仪可选地被配置为共用相同的封装腔体。在实例12中,实例I至11中任意一个或多个实例的所述器件层可选地包括形成在x-y平面中的与所述三轴加速计相邻的单质量块三轴陀螺仪,所述单质量块三轴陀螺仪包括:主质量块部分、中心悬吊系统和驱动电极,其中,所述主质量块部分围绕单个中心锚悬吊,且所述主质量块部分包括朝所述三轴陀螺仪传感器的边缘向外延伸的放射状部分,所述中心悬吊系统被配置为由所述单中心锚悬吊所述三轴陀螺仪,所述驱动电极包括可移动部分和静止部分,所述可移动部分耦合到所述放射状部分,其中,所述驱动电极和所述中心悬吊系统被配置为使所述三轴陀螺仪关于垂直于x-y平面的z轴以一驱动频率进行振荡。在实例13中,实例I至12中的任意一个或多个实例可选地包括对称的X轴质量块部分,所述X轴质量块部分被配置为响应于Z轴角运动而沿X轴反相运动。在实例14中,实例I至13中的任意一个或多个实例可选地包括z轴陀螺仪耦合挠曲支承部,所述Z轴陀螺仪耦合挠曲支承部被配置为耦合所述X轴质量块部分且抵抗同相运动。在实例15中,实例I至14中的任意一个或多个实例可选地包括微机械整体式惯性传感器装置,所述微机械整体式惯性传感器装置包括形成在器件层的x-y平面中的围绕单个中心锚悬吊的单质量块三轴加速计,所述单质量块三轴加速计包括单独的X轴挠曲支承部、I轴挠曲支承部和z轴挠曲支承部,其中,所述X轴挠曲支承部和所述 轴挠曲支承部关于所述单个中心锚对称,且所述z轴挠曲部关于所述单个中心锚不对称。在实例16中,实例I至15中任意一个或多个实例的所述三轴加速计可选地包括面内X轴加速计感应电极和面内y轴加速计感应电极。在实例17中,实例I至16中任意一个或多个实例的所述面内X轴加速计感应电极和面内y轴加速计感应电极可选地关于单个中心锚对称。在实例18中,实例I至17中任意一个或多个实例的所述三轴加速计可选地包括面外z轴加速计感应电极。在实例19中,实例I至18中的任意一个或多个实例可选地包括形成在x-y平面中的与所述三轴加速计相邻的单质量块三轴陀螺仪,所述单质量块三轴陀螺仪包括主质量块部分、中心悬吊系统和驱动电极,其中,所述主质量块部分围绕单中心锚悬吊,且所述主质量块部分包括朝所述三轴陀螺仪传感器的边缘向外延伸的放射状部分,所述中心悬吊系统被配置为由所述单个中心锚悬吊所述三轴陀螺仪,所述驱动电极包括可移动部分和静止部分,所述可移动部分耦合到所 述放射状部分,其中,所述驱动电极和所述中心悬吊系统被配置为使所述三轴陀螺仪关于垂直于x-y平面的z轴以一驱动频率进行振荡。在实例20中,实例I至19中的一个或多个实例可选地包括粘合到所述器件层的第一表面的帽晶片和粘合到所述器件层的第二表面的孔晶片,其中,所述帽晶片和所述孔晶片被配置为将所述单质量块三轴陀螺仪和所述单质量块三轴加速计封装在同一腔体中。在实例21中,系统或装置可包括以下主题,或可选地与实例I至20中任意一个或多个实例的任一部分或多个任意部分的组合相结合以包括以下主题,该主题可包括:用于执行实例1-20的功能中的任意一种或多种功能的装置,或包括:当由机器执行时使机器执行实例1-20的功能中的任意一种或多种功能的指令的机器可读介质。上述具体实施方式
包括对附图的参考,附图形成具体实施方式
的一部分。附图以举例说明的方式示出了本发明能够用以实践的具体实施例。于此,这些实施例也称为“示例”。本申请所涉及到的所有出版物、专利以及专利文件全部作为本发明的参考内容,尽管它们是分别加以参考的。如果本申请与参考文件之间存在使用差别,则参考文件的使用应视为本申请使用的补充;若二者之间存在不可调和的差异,则以本申请的使用为准。在本申请中,与专利文件通常使用的一样,术语“一”或“某一”表示包括一个或两个以上,不同于“至少一个”或“一个或更多”的其它例子或用法。在本申请中,除非另外指明,否则使用术语“或”指无排他性的或者是,“A或B”包括:“A但不是B”、“B但不是A”以及“A和B”。在所附的权利要求中,术语“包含”和“在其中”等同于各个术语“包括”和“其中”的通俗英语而使用。而且,在下述权利要求中,术语“包含”和“包括”是开放性的,即,包括除了权利要求中这样的术语之后所列出的那些要素以外的要素的系统、装置、物品或步骤,依然视为落在该项权利要求的范围之内。而且,在下述权利要求中,术语“第一”、“第二”和“第三”等仅仅用作标识,并非对其对象有数量要求。以上实施方式旨在解释说明而非限制。在其它实施例中,以上实施方式的示例(或其一个或多个方面)可以相互结合使用。例如,本领域普通技术人员通过回顾以上实施方式可以使用其他实施例。摘要被提供以符合37C.F.R.§ 1.72(b),从而使得读者能够快速确定技术发明的类型。应当理解的是,该摘要将不用于解释或限制权利要求的范围或意义。而且,在以上的具体实施方式
中,各种特征可组合在一起以简化本发明。这不应理解为未要求的公开特征对任何权利要求来说是必不可少的。相反,创造性的主题可以以比特定公开实施例的所有特征更少的特征而存在。因而,下述的权利要求以每个权利要求作为单独实施例的方式并入具体实施方式
中。本发明的范围应当参照所附的权利要求以及与这些权利要求的所属相当的整个范 围来确定。
权利要求
1.一种惯性测量系统,包括 器件层,包含形成在x-y平面中的单质量块三轴加速计,所述单质量块三轴加速计围绕单个中心锚悬吊,所述单质量块三轴加速计包括单独的X轴挠曲支承部、y轴挠曲支承部和z轴挠曲支承部; 其中,所述X轴挠曲支承部和所述I轴挠曲支承部关于所述单个中心锚对称,所述z轴挠曲部关于所述单个中心锚不对称; 帽晶片,粘合到所述器件层的第一表面;以及 孔晶片,粘合到所述器件层的第二表面,其中,所述帽晶片和所述孔晶片被配置为封装所述单质量块三轴加速计。
2.根据权利要求I所述的系统,其中,所述三轴加速计包括面内X轴加速计感应电极和面内y轴加速计感应电极。
3.根据权利要求2所述的系统,其中,所述面内X轴加速计感应电极和所述面内y轴加速计感应电极关于所述单个中心锚对称。
4.根据权利要求2所述的系统,其中,所述三轴加速计包括面外z轴加速计感应电极。
5.根据权利要求I所述的系统,其中,所述三轴加速计的形状为矩形,且关于I轴的长度大于关于X轴或z轴的长度。
6.根据权利要求I所述的系统,其中,所述X轴挠曲支承部、所述I轴挠曲支承部和所述z轴挠曲支承部具有高面外刚度。
7.根据权利要求I所述的系统,其中,所述单质量块包括包围面内X轴加速计感应电极、面内I轴加速计感应电极、X轴挠曲支承部、I轴挠曲支承部和Z轴挠曲支承部的外部。
8.根据权利要求I所述的系统,其中,所述三轴加速计包括微机械整体式三轴加速计。
9.根据权利要求I所述的系统,其中,所述器件层包括形成在x-y平面中的与所述三轴加速计相邻的三轴陀螺仪。
10.根据权利要求9所述的系统,其中,所述帽晶片和所述孔晶片被配置为封装所述单质量块三轴加速计和所述三轴陀螺仪。
11.根据权利要求10所述的系统,其中,所述三轴加速计和所述三轴陀螺仪被配置为共用相同的封装腔体。
12.根据权利要求I所述的系统,其中,所述器件层包括形成在x-y平面中的与所述三轴加速计相邻的单质量块三轴陀螺仪,所述单质量块三轴陀螺仪包括 主质量块部分,围绕单个中心锚悬吊,所述主质量块部分包括朝所述三轴陀螺仪传感器的边缘向外延伸的放射状部分; 中心悬吊系统,被配置为从所述单个中心锚悬吊所述三轴陀螺仪;以及 驱动电极,包括可移动部分和静止部分,所述可移动部分耦合到所述放射状部分,其中,所述驱动电极和所述中心悬吊系统被配置为使所述三轴陀螺仪关于垂直于x-y平面的z轴以一驱动频率进行振荡。
13.根据权利要求12所述的系统,包括对称的X轴质量块部分,所述X轴质量块部分被配置为响应于Z轴角运动而沿X轴反相运动。
14.根据权利要求12所述的系统,包括z轴陀螺仪耦合挠曲支承部,所述z轴陀螺仪耦合挠曲支承部被配置为耦合所述X轴质量块部分且抵抗同相运动。
15.一种微机械整体式惯性传感器装置,包括 单质量块三轴加速计,形成在器件层的x-y平面中,围绕单个中心锚悬吊,所述单质量块三轴加速计包括单独的X轴挠曲支承部、y轴挠曲支承部和z轴挠曲支承部;并且 其中,所述X轴挠曲支承部和所述I轴挠曲支承部关于所述单个中心锚对称,且所述z轴挠曲部关于所述单个中心锚不对称。
16.根据权利要求15所述的装置,其中,所述三轴加速计包括面内X轴加速计感应电极和面内y轴加速计感应电极。
17.根据权利要求16所述的装置,其中,所述面内X轴加速计感应电极和所述面内y轴加速计感应电极关于所述单个中心锚对称。
18.根据权利要求16所述的装置,其中,所述三轴加速计包括面外z轴加速计感应电极。
19.根据权利要求15所述的装置,包括形成在x-y平面中的与所述三轴加速计相邻的单质量块三轴陀螺仪,所述单质量块三轴陀螺仪包括 主质量块部分,围绕单个中心锚悬吊,所述主质量块部分包括朝所述三轴陀螺仪的边缘向外延伸的放射状部分; 中心悬吊系统,被配置为从所述单个中心锚悬吊所述三轴陀螺仪; 驱动电极,包括可移动部分和静止部分,所述可移动部分耦合到所述放射状部分,其中,所述驱动电极和所述中心悬吊系统被配置为使所述三轴陀螺仪关于垂直于x-y平面的z轴以一驱动频率进行振荡。
20.根据权利要求19所述的装置,包括 帽晶片,粘合到所述器件层的第一表面;以及 孔晶片,粘合到所述器件层的第二表面,其中,所述帽晶片和所述孔晶片被配置为将所述单质量块三轴陀螺仪和所述单质量块三轴加速计封装在同一腔体中。
全文摘要
除其它情况之外,本申请讨论了一种惯性测量系统,包括器件层、帽晶片和孔晶片,其中,所述器件层包括单质量块三轴加速计,所述帽晶片粘合到所述器件层的第一表面,所述孔晶片粘合到所述器件层的第二表面,其中,所述帽晶片和所述孔晶片被配置为封装所述单质量块三轴加速计。所述单质量块三轴加速计可围绕单个中心锚悬吊,且包括单独的x轴挠曲支承部、y轴挠曲支承部和z轴挠曲支承部,其中,所述x轴挠曲支承部和所述y轴挠曲支承部关于所述单个中心锚对称,且所述z轴挠曲支承部关于所述单个中心锚不对称。
文档编号G01C19/5755GK103238075SQ201180054796
公开日2013年8月7日 申请日期2011年9月18日 优先权日2010年9月18日
发明者C·阿卡 申请人:快捷半导体公司