多轴微电子惯性感测器的制造方法
【专利摘要】一种谐振器微电子惯性感测器，优选微机电系统(MEMS)感测器(例如陀螺仪)，用于检测一个以上轴的线性加速度和旋转速率，其包括：*密封质量块系统(21.1、...、21.4)，柔性地悬挂在衬底上方，用于进行绕中心轴线(24)的面内旋转振动，*驱动电极系统(D1、...、D4)，用于驱动密封质量块系统(21.1、...、21.4)进行所述面内旋转振动，以及*感测电极系统(S1、...、S4)，连接到密封质量块系统(21.1、...、21.4)，用于检测一个以上轴的线性加速或旋转速率。所述密封质量块系统(21.1,...,21.4)具有彼此柔性耦合(25.1a、25.1b)的两个以上密封质量块元件。每个密封质量块元件(21.1、21.2)直接并柔性地连接(23.1、25.1a、25.1b)到衬底(32)上的锚定结构(22)。密封质量块元件(21.1、...、21.4)优选布置在相对于中心轴线(24)的内、外径(R1、R2)之间的环形构造中。
【专利说明】多轴微电子惯性感测器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于检测沿一个以上轴的线性加速度和旋转速率的共振器微电子惯性感测器，优选为微机电系统(MEMS)感测器(例如，陀螺仪)，其包括:
[0002]a)密封质量块系统，柔性地悬挂在衬底上方，用于进行绕中心轴的面内旋转振动，
[0003]b)其中，密封质量块系统具有彼此柔性耦合的两个以上密封质量块元件，
[0004]c)驱动电极系统，用于驱动密封质量块系统进行面内旋转振动，
[0005]d)感测电极系统，连接到密封质量块系统，用于检测多轴线性加速和旋转速率。
[0006]本发明还涉及一种使用这样装置来检测线性加速和旋转速率的方法。
【背景技术】
[0007]自从十九世纪九十年代初就已经知道检测多轴加速或旋转速率的概念(US5,065，628，Fraunhofer Gesellschaft)。WO 03/104823 (Conti TemicMicroelectronic)中已经示出这样多轴感测器的示例,其中，每个检测轴具有用于形成感测器的几个单独质量块。
[0008]根据更先进的技术，单个活动质量块用于检测沿一个以上轴的加速度(例如，EPO 547 742 BI，Motorola)。存在几种最新的感测器设计，其中，两个质量块通过活动框架连接。这在下述现有技术中已经陈述:
[0009]?例如 WO 2009/091966 (Custom Sensors & Technologies)公开一种微机械加速仪，其具有安装在一个以上解耦框架或输送装置(shuttle)上的一个以上密封质量块，使得密封质量块可以在限制沿第二(X)轴线移动的情况下响应于第一(Y)轴线上的加速度而沿第一轴线移动。可以响应于第二轴线上的加速度而绕垂直于第一和第二轴线的第三(Z)轴线进行扭转运动。
[0010].EP 2 113 744 Al (Panasonic)示出另一个多轴加速感测器，其具有可以各自运动并悬挂在活动框架内的四个活动质量块。此设计意欲最小化芯片区域。
[0011].US 2007/0034007 (Cenk Acar)公开几个不同的感测器设计，其对空间上的所有三个方向的加速反应。可以具有一个或两个密封质量块，该密封质量块可以中心支撑或周边支撑。
[0012].US 2011/030473 (Cenk Acar)公开一种用于检测6个自由度(三个独立加速和三个独立旋转)的感测器。密封质量块(活动质量块)由四个部件构成，即:y轴密封质量块部分，其具有两个刚性连接的翼部；框架，其由y轴密封质量块部分支撑并围绕y轴密封质量块部分；以及最后的两个X轴密封质量块部分，其由框架支撑并且布置在框架内I轴密封质量块部分的下方。
[0013].WO 2010/108773 (Sensordynamics AG)公开一种用于检测三个轴 x、y、z 上的旋转速率的微陀螺仪。几个质量块被驱动绕共同z轴进行切向震荡。一些质量块(倾斜板)绕X轴倾斜，一些质量块绕y轴倾斜，并且至少一个质量块(z质量块)可沿径向移动。倾斜x-y-板通过弹簧附接到锚定部。z质量块布置在结构边界(outskirt)处的框架内。Z-质量块通过弹簧连接到框架并且框架通过另外弹簧连接到框架锚定部。另外，倾斜x-y-板通过同步弹簧连接到Z-质量块的框架。Z-质量块插入在倾斜χ-y-板之间。
[0014]*US 2004/0211257 (Analog Devices)示出微机械多重感测器，其在单个感测器装置中提供1-轴的加速度感测和2-轴的角速率感测。并排锚定两个圆形质量块并将其悬挂在衬底之上的多个弯曲部被构造成限制质量块基本仅仅绕其各自中心轴线以旋转方式进行运动。提供叉构件，以耦合两个圆形质量块，以允许相对的反相运动并且阻止相运动。
[0015]现有技术提出的MEMS设计并非完全令人满意的。例如，US 2011/0340473的密封质量块具有非常复杂的结构。另外，X和y方向的灵敏性不相同，使得必须差别对待检测信号。另外，没有很大的空间用于驱动电极，该驱动电极放置在径线上并且在X轴和I轴密封质量块部分之间。
【发明内容】
[0016]本发明的目的在于提供一种用于多轴加速度和旋转检测的微机电系统(MEMS)装置。更具体而言，本发明的目的在于提供一种可容易控制的密封质量块系统的几何设计，使得电极设计简单明了并且感测器信号处理不涉及复杂的补偿算法。其另一个目的在于提供一种可以在小芯片区域实现的紧凑设计。
[0017]根据本发明，上述目的通过用于检测于多于一个轴的线性加速度和旋转速率的谐振器微电子陀螺仪来实现，其包括:
[0018]a)密封质量块(proof-mass)系统，柔性地悬挂在衬底上方，用于绕中心轴线进行面内旋转震动，
[0019]b)其中，密封质量块系统具有彼此柔性耦合的多于两个密封质量块元件，
[0020]c)驱动电极系统，用于驱动密封质量块系统进行面内旋转振动，
[0021]d)感测电极系统，连接到密封质量块系统，用于感测多于一个轴的线性加速度或旋转速率，
[0022]e)其中，每个密封质量块元件直接并柔性地连接到衬底上的锚定结构。
[0023]所有密封质量块元件绕(共同)中心轴线同步旋转。中心轴线沿Z向(B卩，与MEMS装置的衬底面正交)取向。一旦存在待测的外部加速度或旋转，质量块可以改变其运动。此改变取决于(线性)加速度或旋转速率的方向。由于密封质量块元件的柔性耦合，此元件可以改变其彼此相对的位置。但是，这并非必须意味着，质量块可以进行任何运动。密封质量块系统内的耦合可以使得元件停留在相同共同几何面中，即使密封质量块系统所限定的面(由于外部加速度或旋转的影响)相对于衬底面倾斜。
[0024]感测电极系统包括几个(即多于两个)电极。为了检测面外运动，密封质量块元件的正面(即，平行于衬底面)上具有感测电极层。它们与布置在衬底中或装置的盖晶片中的密封质量块元件下方或上方的电极配合。为了检测面内运动，具有另外的感测电极，诸如交叉电极(即梳状电极结构)。检测多少和哪个自由度取决于电极的位置和类型。线性加速度和旋转速率可以同时检测。但是，该装置仅检测线性加速度或仅检测旋转速率，这并不排除在本发明的范围中。换而言之，在总的六个自由度、即三个线性加速度和三个旋转速率中，根据本发明的装置检测这些六个自由度中的多于一个，并且设计感测电极系统能够检测期望(多于一个)的自由度。
[0025]每个密封质量块元件直接并柔性地连接到衬底上所设置的锚定结构。这就是说，没有不检测加速度或旋转、但仅仅耦合系统的密封质量块元件的运动密封质量块框架。因为密封质量块元件直接连接到锚定结构，提供直接和柔性连接的悬挂系统可以具有简单设计，并且在密封质量块元件之间不引入不期望的依赖性。
[0026]本发明优选由微机电系统(MEMS)陀螺仪实现。运动质量块由夹在两个衬底之间的MEMS层制成。
[0027]环形密封质量块系统:
[0028]根据优选实施例，密封质量块元件布置在相对于中心轴线的内、外径之间的环形构造中。每个元件可以具有环形的扇区形状，并且与相邻密封质量块元件被间隙分开。所有密封质量块元件一起限定密封质量块系统的构造。
[0029]密封质量块系统的区域还可以使用非圆形的形状，例如，矩形、六边形、八边形或其他规则的多边形形状。因为密封质量块系统绕中心轴线进行振动运动，不用说，密封质量块系统的整个形状必须具有规则形状。不规则会妨碍基本振动运动。
[0030]优选地，密封质量块的环形构造上闭合的。就是说，仅密封质量块元件具有环形结构，而非电极。电极布置在环形结构的内径内侧或环形结构的外径的外侧。
[0031]密封质量块元件优选占有360°环形结构的至少80%。就是说，在具有四个环扇区的结构中，单个密封质量块元件的扇区角至少为72°。更优选地，元件占有整个环形区域的至少90%。即，单个密封质量块元件的扇区角至少为81°。
[0032]根据本发明的具体实施例，所有密封质量块元件相对于系统的对称中心点具有相同的运动自由。即，每个密封质量块元件可以绕从系统中心延伸穿过各个密封质量块元件的中轴线的径向轴线倾斜。
[0033]更优选地，所有密封质量块元件具有相同的形状并且布置在距离系统中心相同的径向距离处。
[0034]这是与WO 2010/108773 Al (Sensordynamics AG)的系统重要的不同之处。根据WO 2010/108773 Al，z轴检测通过单独的密封质量块来实现，该密封质量块的形状和径向方位与X轴和I轴检测质量块的形状和径向方位不同。
[0035]锚定结构:
[0036]可选地，密封质量块元件附接到的锚定结构形成一件式锚定元件。此共同锚定件一般是从下面衬底的表面竖立的柱。密封质量块元件可以由从中心柱沿面内延伸到密封质量块元件的梁或臂支撑在衬底上方。这样优选设计的优点在于，锚定结构非常紧凑并且密封质量块元件可以从锚定件以相当大的半径进行振动。相应地，待测的外部加速度或旋转的影响倾向于较大。
[0037]锚定结构也可以由多个(例如更小的)柱、而不是一个(一般较大的)共用柱形成。因此，每个密封质量块元件可以具有其自己的锚定元件。
[0038]锚定结构不需要必须处于装置的中心。装置的中心由环形密封质量块系统的内径内的区域所限定。还可以使用比密封质量块元件更远离中心轴线的锚定结构。因此，如果密封质量块系统是环形结构，锚定结构可以放置在环外侧，即在半径比环形区域的外径更大之处。
[0039]从US 2007/0034007的图1和图4或EP O 547 742 BI的图6中已知布置在活动质量块周边外侧的锚定结构的示例。US 2007/0034007的图3和图5示出布置在密封质量块结构的周边内侧的锚定结构(即四个柱)的示例。这些几何原理还可以用于放置本发明的锚定元件。
[0040]启动装置:
[0041]活动质量块的振动由启动电极来产生。它们具有梳状结构。梳状的指状件可以平行于线性加速度运动的方向取向。这样的电极结构在现有技术中是公知的。例如，本发明沿圆周取向的启动电极可以具有如US 5,025, 346 (Univ.0f California)的图5、6、10中所示的结构。
[0042]如果该实施例具有圆环形密封质量块系统，启动电极优选布置在密封质量块系统的内径内。还可以将启动电极布置在密封质量块系统的外周边处。此外，如果密封质量块系统不是闭环，启动电极也可以布置在密封质量块系统的径向范围中，即某种程度上被密封质量块元件所覆盖的环形区域。说明书开头部分所引用的现有技术(例如，US 2011/030473Al)示出启动电极布置在相邻密封质量块元件之间的间隙中的另外可行实施例。这样的结构也可以用于本发明。虽然可以将启动电极放置在相邻质量块之间的间隙中，此布置(对于给定半径)减小了质量块和感测电极的表面。
[0043]通常，每个密封质量块元件有具其自己的驱动电极。但是，可能存在这样的情况，不是每个密封质量块元件都需要其自己的驱动电极。
[0044]驱动电极的位置:
[0045]在本发明优选实施例中，驱动电极系统布置在环形构造的内径内的径向区域中。具体而言，驱动电极系统布置在共用锚定件和密封质量块系统之间所限定的环形区域中。环形密封质量块系统的半径越大，科式效应就越大。结果，密封质量块系统的空的(free)中心很适于驱动电极。
[0046]在可选实施例中，驱动电极放置在密封质量块系统的外周边之外。(与US2011/0030473中所示的实施例相比)也可以在密封质量块系统的区域内提供用于驱动电极的自由空间。
[0047]四个密封质量块元件:
[0048]最优选地，使用由相对于中心轴线旋转对称布置的四个密封质量块元件构成的密封质量块系统。彼此相对布置的两个密封质量块元件用于检测第一面内轴向的加速度，(也是彼此相对布置的)另外两个密封质量块元件用于检测第二面内轴向的加速度。同时，(也是彼此相对布置)两个密封质量块元件可以用于检测第一面内轴向的旋转，剩余两个密封质量块元件可以用于检测第二面内轴向的旋转。除此之外，第三轴向(z向)的线性加速度和旋转速率可以使用全部四个密封质量块元件来检测。
[0049]一般而言，密封质量块元件的数量取决于感测器要检测的多少个自由度。上述具有四个密封质量块元件的实施例被设计成检测六个自由度，即三个线性加速度和三个旋转速率。还存在可以使用四个以上密封质量块元件的方案。此外，并不排除本发明的基本特征(即每个密封质量块元件直接并柔性连接到衬底上的锚定结构)对于仅具有三个密封质量块元件的密封质量块系统可以有利的。
[0050]本发明更优选的方面是采用完全相同形式的密封质量块元件。就是说，它们具有(在俯视图中)相同的形状和相同的质量。另外，密封质量块元件都以相同(完全相同)方式悬挂。这两种可选设计选项的组合得到尤其容易控制并且一方面对于所有面内加速度产生相同信号强度而另一方面对于所有面内旋转速率产生相同信号强度的结构。(线性和旋转加速运动的信号强度不相同。)
[0051]弹性元件:
[0052]优选地，密封质量块元件通过弹性元件成对耦合，该弹性元件允许所述密封质量块元件单独的面内运动但是其为所述密封质量块元件提供面外运动的坚硬耦合。由于此类型密封质量块元件的弹性机械耦合，密封质量块系统例如在χ-y面中可以扩展和缩小。这对于检测z轴的旋转速率是有利的。原则上，弹性元件允许密封质量块元件的任何相对面内运动。
[0053]两个相邻的密封质量块可以通过两个柔性元件成对耦合，一个柔性元件位于密封质量块的内端部，另一个柔性元件位于所述密封质量块的外端部。
[0054]弹性元件的z向横截面大于X向或y向横截面。如果z向的尺寸例如至少是X向尺寸的两倍，元件在z向足够坚硬，使得密封质量块系统本身保持平直，即使当存在面外运动时。
[0055]支撑元件:
[0056]密封质量块系统通过悬挂系统的支撑元件悬挂在衬底上方。这些元件可以是直梁或弯梁。“弯”是指梁遵循背离直线的折线或圆线。设计支撑元件以允许密封质量块元件绕中心轴线进行振动旋转。另外，它们允许整个密封质量块系统进行面外震荡。因此，支撑元件沿其纵向轴的横向方向是柔性的。
[0057]在优选实施例中，相邻密封质量块元件之间具有间隙，并且悬挂元件在此间隙中延伸。例如，如果具有四个密封质量块元件，则具有四个间隙分开密封质量块元件。间隙通常沿径向方向从中心轴线延伸，并且，在每个间隙中，具有优选为直梁的悬挂元件。其优点在于，密封质量块元件可以在两侧(内侧和外侧)支撑。
[0058]间隙的形状也可以具有与直槽的形状不同。例如，间隙的轮廓可以是锥形或曲线形。
[0059]耦合:
[0060]本发明的可选特征是，弹性元件耦合到悬挂元件。弹性元件可以沿相对于悬挂元件的横向方向取向，并且可以如臂一样延伸到悬挂元件的两侧。在此优选实施例中，每个密封质量块元件和锚定结构的直接连接通过悬挂元件和弹性元件的组合来实现，悬挂元件的一端固定到锚定结构，弹性元件连接到密封质量块元件和各自的悬挂元件。即，柔性元件可以是悬挂系统的一部分。
[0061]例如，每对相邻密封质量块元件通过两个弹性耦合元件连接，每个弹性耦合元件安装在布置于两个密封质量块元件之间的悬挂元件上。
[0062]弹性耦合元件也可以与悬挂元件分开。
[0063]弹性元件的形状:
[0064]弹性元件可以具有括号形状。就是说，弹性元件的两端部并不指向截然相反的方向。更进一步而言，端部所指向的方向包括角β，+180° >β>-180°。优选地，角β在+60° >β>_60°范围中。简单的括号可包括直的基干部分和从基干部分以90°延伸的两个直臂部分，使得角β =0°。
[0065]优选地，弹性元件布置在密封质量块元件的环形构造的内径内侧或外径外侧。就是说，弹性元件不在相邻密封质量块元件之间的间隙中。
[0066]旋转对称性:
[0067]在大部分的方案中，密封质量块元件由具有旋转对称的悬挂系统柔性地支撑。此优点在于，密封质量块元件的面内响应是一致的。更优选地，旋转对称是四重的(fourfold)。
[0068]悬挂系统的镜像型对称也是可行的。应当指出，本发明的基本原理不仅仅局限于具有特定对称的悬挂系统。具体而言，与对称性设计相比，可以具有不有害于正常检测加速度和旋转速率的较小几何偏差。
[0069]感测电极:
[0070]本装置配备有感测电极系统。该系统通常包括至少一个(但优选为四个)交叉电极结构，其附接到密封质量块系统，用于检测z轴旋转速率和面内加速度(其都导致密封质量块系统的具体面内运动)。
[0071]另外，在每个密封质量块元件上，可以具有至少两个感测电极，用于检测面内旋转速率和z轴加速度(其都导致密封质量块系统的具体面外运动)。整个密封质量块系统的感测电极优选呈现旋转对称性。
[0072]方法:
[0073]本发明的另一个目的在于提供一种基于本发明的谐振器微电子陀螺仪检测多于一个轴的线性加速度和旋转速率的方法。首先，该方法包括将频率为Fd的驱动信号施加到驱动电极，使得密封质量块系统围绕中心轴线进行振动运动。为了检测线性加速度(AX、AY、AZ)和旋转速率(GX、GY、GZ)，进行如下步骤中的一个或多个步骤:
[0074]a)通过确定来自彼此相对的密封质量块元件的感测电极信号之间的差来检测面内轴线方向的旋转速率GX:
[0075]GX = ({S2} + {S3}) - ({S6} + {S7})
[0076]其中:
[0077]{S2}和{S3}是来自第一密封质量块兀件上的两个电极的电信号，
[0078]{S6}和{S7}是来自与第一密封质量块元件相对布置的第二密封质量块元件上的两个电极的电信号。
[0079]b)通过确定来自彼此相对的密封质量块元件的感测电极信号之间的差来(以类似步骤a的方式进行)检测面内轴线方向的旋转速率GY(与GX正交):
[0080]GY = ({SI} + {S8}) - ({S4} + {S5})
[0081]其中:
[0082]{SI}和{S8}是来自第三密封质量块兀件上的两个电极的电信号，
[0083]{S4}和{S5}是来自与第三密封质量块元件相对布置的第四密封质量块元件上的两个电极的电信号。
[0084]c)通过确定来自彼此相对的密封质量块元件的调制感测电极信号之间的差来检测与面内轴线正交的面外轴线的旋转速率GZ:
[0085]GZ = ({S*12} - {S*10}) + ({S*9} _ {S*l 1})
[0086]其中:
[0087]{S*12}和{S*10}是来自彼此相对布置的第一和第二密封质量块元件上的两个面内检测电极的电信号，
[0088]{S*9}和{S*ll}是来自彼此相对布置的第三和第四密封质量块元件上的两个面内检测电极的电信号。
[0089]d)通过确定来自彼此相对的密封质量块元件的调制感测电极信号的和来检测面内轴线方向的加速度AX:
[0090]AX= ({S*9} + {S*11})
[0091]其中:
[0092]{S*9}和{S*ll}是来自彼此相对布置的第一和第二密封质量块元件上的两个面内检测电极的(从振动频率Fd调制的)电信号。
[0093]e)通过确定来自彼此相对的密封质量块元件的调制感测电极信号之间的和来(以类似步骤D的方式进行)检测面内轴线方向的加速度AY(与AX正交):
[0094]AY = ({S*10} + {S*12})
[0095]其中:
[0096]{S*10}和{S*12}是来自彼此相对布置的第一和第二密封质量块元件上的两个面内检测电极的(从振动频率Fd调制的)电信号。
[0097]f)通过确定来自所有密封质量块元件的感测电极信号的和来检测与面内轴线正交的面外轴线的加速度AZ:
[0098]AZ = {SI} + {S2} + {S3} + {S4} + {S5} + {S6} + {S7} + {S8}
[0099]其中:
[0100]{S1}-{S8}是来自密封质量块元件上的电极的电信号。
[0101]在附图中示出本发明另外的优选特征，并且在下面的实施方式中进行详细解释。
【专利附图】
【附图说明】
[0102]附图进一步阐明本发明并且用于结合详细的实施方式来解释优选的实施例。
[0103]图1示出本发明装置的示意性俯视图；
[0104]图2示出具有环状密封质量块系统的感测器的示意图；
[0105]图3a、3b示出弹性元件的示意性俯视图；
[0106]图4示出图解由于X-方向的旋转速率所引起的位移的示意性剖视图；
[0107]图5示出图解由于Z-方向的旋转速率所引起的位移的示意性剖视图；
[0108]图6示出图解由于X-方向的线性加速度所引起的位移的示意性剖视图；
[0109]图7示出图解由于Z-方向的线性加速度所引起的位移的示意性剖视图；
[0110]图8示出图2的实施例的一种变化形式；
[0111]图9示出本发明的另一个实施例。
[0112]一般而言，相似的附图标记表示相同的部件。
【具体实施方式】
[0113]图1是用于图解基本原理以及可以用于本发明范围中的功能元件的第一实施例的非常粗糙的几何图。
[0114]具有四个密封质量块元件1.1.....1.4，其可以具有几乎方形的形状。四个密封质量块元件1.1.....1.4 一起限定密封质量块系统。每一个密封质量块元件1.1.....1.4直接连接到锚定结构。在本实施例中，锚定结构包括接近密封质量块系统中心放置的四个锚定柱2.1、...、2.4。锚定柱2.1、...、2.4从(密封质量块元件1.1、...、1.4下方的)衬底上升到密封质量块系统的水平。每个密封质量块元件1.1.....1.4通过悬挂元件3.1.....3.4连接到其锚定元件2.1.....2.4。根据图1的实施例，悬挂元件可以是从密封质量块系统的中心轴线4沿径向方向延伸的直梁。
[0115]图1示出x-y面(所谓的“面内”)，而z轴(面外)与密封质量块系统的面正交。
悬挂元件3.1.....3.4相对于其纵向方向和面内的横向上具有柔性，使得密封质量块元件
1.1.....1.4可以在其被驱动系统启动时围绕中心轴线4进行振动旋转运动。驱动系统在图1中没有示出。例如，通过四个交叉的电极结构可以实现，电极结构的一部分在合适位置附接到密封质量块元件1.1.....1.4中的一个并且其他部分固定到衬底。
[0116]密封质量块元件1.1、...、1.4通过弹性元件5.1、...、5.4成对耦合。如图1所示，弹性元件5.1耦合两个密封质量块元件1.1和1.2。其布置在相邻密封质量块元件1.1
和1.2之间形成的间隙8.1中。弹性元件5.1.....5.4可以是具有几个直部并在直部之间具有回转部的梁。弹性应仅仅在x-y面中是弹性的，而不是在z方向(面外)上是弹性的。这可以通过选择面内方向相对较小而面外方向相对较大(例如，至少大两倍或至少大三倍)的横截面来实现。
[0117]在每个密封质量块元件1.1.....1.4上，，具有用于检测各自密封质量块元件的面外运动的电极层6.1、...、6.4。此外，还有用于四个密封质量块元件1.1、...、1.4中每一个的交叉电极系统7.1、...、7.4。每个交叉电极系统7.1、...、7.4被构造为确定χ-y面内一个方向上的线性运动。如图1所示，电极系统7.1.....7.4可以设置在密封质量块系统周边外侧的区域中。
[0118]虽然图1示出每个间隙中具有一个弹性耦合元件，但是在每个间隙中可以具有两个以上平行的弹性元件，用于更好地耦合两个相邻的密封质量块元件。
[0119]应当注意，图1是真正几何设计的简化图。
[0120]图2示出具有环形密封质量块系统的优选实施例。具有四个密封质量块元件
21.1.....21.4，其一起形成环形结构。环形区域的内径是R1，外径是R2。密封质量块元件21.1、...,21.4由四个窄的间隙28.1、...、28.4分开。每个间隙28.1、...、28.4沿周向方向的宽度可以是一个密封质量块元件21.1、...,21.4的宽度的1/10以下。如图2所示，所有密封质量块元件21.1.....21.4具有相同的形状并且布置在距离系统中心相同的径向距离处。
[0121]具有圆柱形状的锚定柱22位于环形结构的中心处，并且与和z轴完全相同的几何中心轴线24共轴。四个直的悬挂元件23.1.....23.4固定到锚定柱22，并且相对于中心轴线24沿径向向外延伸。它们将感测器的圆形区域分割成四个相等的90°扇区。
[0122]每个密封质量块元件21.1.....21.4在其正面上具有两个感测电极S8/S1、S2/
S3、S4/S5、S6/S7。每个密封质量块元件21.1的两个感测电极S8、S1中的每个覆盖密封质量块元件21.1的正面约一半。感测电极S1.....S8可以具有45°环形扇区的形状。
[0123]在Rl内的圆形区域中，具有四个交叉感测电极S9、...、S12，每个密封质量块元件具有一个感测电极。每个交叉感测电极S9.....S12可以占有约45°环形扇区或更少的区域。第一和第三交叉感测电极S9和SI I具有电极指状件，该电极指状件(至少大致)沿y轴方向取向，使得密封质量块元件21.2和21.4沿X轴方向的运动产生电容的变动以及相应的电信号。第二和第四交叉感测电极SlO和S12相对于第一和第三交叉感测电极S9和Sll成90°取向。因此，交叉感测电极SlO和S12的电极指状件沿X轴方向取向，使得密封质量块元件21.3和21.1沿y轴方向的运动产生电容的变动以及相应的信号。
[0124]图2的驱动电极系统具有四个驱动电极Dl、...、D4，其放置在半径Rl的区域内，并且连接到密封质量块元件21.1、...,21.4。根据本实施例，驱动电极Dl、...、D4并排布置到感测电极系统S9.....S12并占有与交叉感测电极相同大小的区域。交叉感测电极
S9、...、S12和驱动电极Dl、...、D4使用相互不同大小和形状的区域，这也是可以的。
[0125]悬挂元件23.1.....23.4延伸到半径比密封质量块系统的外径R2大的位置处。每个悬挂元件23.1、...、23.4具有内部23.1a和外部23.lb。内部23.1a从锚定柱22延伸到约环形密封质量结构的内径Rl处，并且不仅在面内方向上而且在面外方向上都具有弹性。在图2中，内部23.1a在半径R前(S卩，内侧)马上终止。外部23.1b是从内部23.1a的端部延伸到悬挂元件的外端部的部分。外部23.1b的弹性可以比内部23.1a小。
[0126]具有附接到悬挂元件23.1的两个弹性元件25.la、25.lb。它们具有括号的形状(图3a、3b)。内弹性元件25.1a的第一臂附接到第一密封质量块元件21.1，第二臂附接到第二密封质量块元件21.3。第一和第二臂相对于中心轴线24沿径向方向取向。如图2所示，第一弹性元件25.1a位于半径Rl所限定的圆形区域内。弹性元件25.la、25.1b与密封质量块元件的附接点可以在间隙28.1的边界线上(或接近边界线)。从图2中还可以清楚地看出，相邻密封质量块在其内端部处(在半径Rl处)和其外端部处(半径R2处)耦合。
[0127]图3a、3b更详细示出图2中的弹性元件25.la、25.lb。它们基本由基干部分30.1、
30.2和两个臂31.1、...,31.4构成。在本实施例中，弹性臂25.la、25.1b的所有部分都是直梁部分。两个臂31.1.....31.4形成在基干部分30.1,30.2的两个端部处并且几乎相对于基干部分30.1,30.2的取向横向延伸。因此，弹性元件25.1a和25.1b具有C形状。
[0128]在不同情况下，基干部分30.1,30.2的中部附接到悬挂元件的外部23.lb。基干部分30.1,30.2与悬挂部分23.1相交的点彼此之间的距离大于内径rl和外径r2之间的差。根据本实施例，距离L如下:
[0129]L = (R2-R1)+L (外括号的臂)+L(内括号的臂)
[0130]“L(内括号的臂)”表示臂31.1和31.2的长度，“L(外括号的臂)”是臂31.3和31.4的长度。
[0131]两个臂31.1和31.2可以角β (a) >0相对于彼此倾斜。当从中心轴线24观察时，该角可以对应于基干部分30.1的视线角。这就是说，臂31.1和31.2可以沿从中心轴线24延伸的径向线延伸，并且他们彼此背向倾斜。两个臂31.3和31.4也可以角β (b)〈0相对于彼此倾斜。角的负号表示，臂31.3、31.4彼此相向倾斜。
[0132]基干部分30.1和30.2与臂31.1、...、31.4在χ-y面中具有弹性，但在z向中相对坚硬。因此,密封质量块元件21.1、21.2可以朝向中心轴线24或背离中心轴线24产生位移，甚至于彼此朝向或背向产生位移。但是，由于在z向上的坚硬，密封质量块元件不能独立地沿z向倾斜。这就是说，密封质量块元件21.1,21.2具有较强的面外运动的机械耦人口 O
[0133]弹性元件25.la、25.1b可以一起形成有作为MEMS层中的集成部件的悬挂元件23.1。它们与密封质量块元件(沿z向)具有相同的厚度。x-y方向的弹性主要由俯视图(图3a、3b)中的几何形状所确定。此时，应当指出，基干部分30.1、30.2可以比间隙28.1的宽度更长，因为弹性元件定位于间隙28.1的外侧以及由密封质量块系统所覆盖的环形区域的外侧。
[0134]根据本发明，每个密封质量块元件21.1、...,21.4直接并柔性地连接到衬底上的锚定结构。现在将针对图2、3a、3b中所示的密封质量块元件21.1、21.2来解释此情况。密封质量块元件21.1的内侧(即，元件在半径Rl处的边缘)通过括号形弹性元件25.1a的第一半部连接到悬挂元件23.1并且悬挂元件23.1附接到中心锚定柱22。相邻密封质量块元件21.2的内侧通过同一个括号形弹性元件25.1的第二半部连接到悬挂元件23.1。在本发明中，虽然第一密封质量块元件21.1和锚定柱22之间一方面的连接以及第二密封质量块21.2和(共用)锚定柱22之间的连接是“直接”的，但是这两个连接彼此之间不是独立的。因此，很显然，密封质量块元件可以彼此独立地或相互依赖地连接到锚定结构。但是，没有密封质量块元件仅仅连接到其它密封质量块元件，而不直接连接到锚定结构。
[0135]图4-6图示取决于加速/旋转的类型和方向而产生的位移。阴影区域示出相对于静止位置的位移。应当理解，感测器装置可以同时经历复合的线性加速和旋转。结果，不同方向的位移叠加。图2中所示的装置可以检测所有的6个自由度(三个线性和三个旋转)。
[0136]在感测器装置的运行过程中，密封质量块系统通过经由四个驱动电极结构D1-D4以驱动频率Fd进行的同步启动保持围绕中心轴线24的旋转振动。一方面，选择驱动频率Fd,使得其与感测频率Fsx、Fsy、Fsz不同。另一方面，面内运动的感测频率Fsx = Fsy是完全相同的，但与面外运动的感测频率Fsz不同。
[0137]图4示出x-z面的横截面。(y-ζ面的横截面看起来一样。)密封质量块元件21.1、
21.4支撑在例如衬底32上方50-150微米的距离处，并且包封在衬底32和盖晶片33之间所限定的空腔。沿X向取向的旋转速率GX产生密封质量块元件21.1和21.3相对于y向的摆动运动，如图4所示。此面外运动由感测电极S2/S3和S6/S7检测:
[0138]GX = ({S2} + {S3}) - ({S6} + {S7})
[0139]其中，
[0140]{S2}和{S3}是来自密封质量块元件21.2的正面上的两个感测电极的电信号，
[0141]{S6}和{S7}是来自密封质量块元件21.4的正面上的两个感测电极的电信号。
[0142]图5示出与图4相同的横截面。当z向的旋转速率影响(impact)感测器时,所有密封质量块兀件21.1、...>21.4在径向方向同时产生位移。换而言之，环形密封质量块结构沿径向移动。这通过感测电极S9-S12感测。
[0143]GZ= ({S*12}-{S*10}) + ({S*9}_{S*11})
[0144]其中:
[0145]{S*12}和{S*10}是分别来自相对的密封质量块元件21.1和21.3的两个面内交叉的感测电极S12和SlO的调制电信号，
[0146]{S*9}和{S*ll}是分别来自相反的密封质量块元件21.2和21.4的两个面内交叉的感测电极S9和Sll的调制电信号。
[0147]图6示出与图4相同的横截面。当X向的加速度影响感测器时，所有密封质量块元件21.1、...、21.4在X向上同时产生位移。这通过感测电极SlO和S12感测:
[0148]AX = ({S*9} + {S*11})
[0149]其中:
[0150]{S*9}和{S*ll}是分别来自彼此相对布置的密封质量块元件21.3和21.1的两个面内交叉的感测电极SlO和12的调制电信号。
[0151]图7最后示出z向的线性加速度的影响。所有密封质量块元件21.1.....21.4沿
z向同时产生位移。这通过感测电极S1-S8感测:
[0152]AZ = {SI} + {S2} + {S3} + {S4} + {S5} + {S6} + {S7} + {S8}
[0153]其中:
[0154]{S1}-{S8}是来自密封质量块元件21.1.....21.4的正面上的感测电极S1-S8的电信号。
[0155]使用图2中所示的设计的多轴MEMS装置可以另外包括以下电路:
[0156]闭环控制电路，生成输入到驱动电极D1-D4的驱动信号；
[0157]两个独立检测电路，评估X向和y向的旋转速率(GX、GY)所影响的电极信号；
[0158]四个解调电路(例如，具有用于消除驱动频率Fd的低通滤波器)，用于处理
S9-S12的信号；
[0159]一个电路，检测z向旋转速率(GZ)；
[0160]三个检测电路(具有消除驱动频率Fd的低通滤波器)，检测三个线性加速度(AX、AY,AZ)。
[0161]如GYRO型MEMS装置一样，还可以具有补偿电路、转换器、基准电压生成器等。
[0162]根据优选实施例，以如此方式设计密封质量块和悬挂系统，使得检测频率远在环境频率之上。这就是说，驱动电极所产生的旋转振动的振幅足够高，使得待检测的最大科式(Corlois)加速度(旋转速率)的振幅量级与待检测的最大线性加速度的振幅量级相同。
[0163]MEMS装置的设计可以基于以下公式:
[0164]Gcor = 2R2 θ ω Ω max
[0165]Gtang = R2 θ ω2
[0166]Gcent = R2 θ 2 ω2
[0167]其中:
[0168]Gcor =科式加速度
[0169]Gtan =密封质量块系统的外周边(R2)处的切向加速度
[0170]Gcent =离心加速度
[0171]R2 =密封质量块系统的外径
[0172]Θ =驱动电极所产生的旋转振动的角振幅
[0173]ω = 2 31 Fd =角驱动速度(Fd =驱动频率)
[0174]Qmax =待测的最大角速度。
[0175]科式加速度Gcor和最大线性加速度Gmax具有相同的振幅量级(即，它们差别不超过10倍)，这是期望的。一组参数的示例是:
[0176]R2 = 3mm
[0177]θ = 3mrd
[0178]ω = 60000rd/s—>F ?1KHz
[0179]200 彡 θ ω 彡 1000rd/s。
[0180]本发明不仅仅局限于优选实施例的详细描述。
[0181]环形密封质量块系统的外径可以在l_3mm的范围内，例如，R2 = 1.5mm,内径可以在0.3-0.8mm的范围内，例如Rl = 0.5mm。驱动电极D1-D4和感测电极S9-S12的内径可以是0.25mm。一般而言,密封质量块系统的所有面内尺寸通常在0.2_6mm范围内。
[0182]感测电极S1-S8的尺寸优选小于各个密封质量块元件21.1.....21.4的正面区域。这避免了驱动频率运动对检测信号的影响。
[0183]图8示出图2所示实施例的振动。在图8中，闭环结构与图2中所示的相似。其由四个完全相同的、通过弹性元件25.la、25.1b成对连接的密封质量块元件21.1、...,21.4构成。弹性元件25.la、25.1b可以具有U形括号的形状。密封质量块元件21.1、21.2的内径处的弹性元件25.1a可以通过梁23.1b连接到密封质量块元件21.1,21.2的外径处的弹性元件25.lb。根据图8，用于柔性悬挂密封质量块元件21.1.....21.4的径向悬挂元件在其内端部附接到锚定部22，并且其外端部通过柔性括号26.1.....26.4连接到各自的密封质量块元件。即，图8中的密封质量块元件在内径Rl内、但在不与密封质量块元件之间的间隙28.1.....28.4成直线的位置连接到径向悬挂梁。柔性括号26.1.....26.4沿径向提供足够的弹性。在图2中，径向悬挂梁与间隙28.1.....28.4成直线，并且密封质量块元件经由弹性元件25.1a,25.1b连接。
[0184]图9示出图2所示实施例的进一步改进。环形构造由四个密封质量块元件
41.1、...、41.4和四个中间径向元件42.1、...、42.4构成。每个径向元件42.1布置在两个密封质量块元件41.1、41.2之间。中间径向元件42.1分别通过内外其他柔性元件45.lc、45.1d和45.1a,45.1b连接到相邻密封质量块元件41.1、41.2。中间径向元件42.1、...、
42.4通过径向梁43.1、...、43.4悬挂，径向梁43.1、...、43.4在周向上是柔性的并且连接到中心锚定部44。
[0185]除了将驱动电极Dl.....D4和感测电极D9.....D12放置在锚定部和环形密封质量块系统之间的环形自由区域，它们也可以放置在密封质量块系统周边外侧(即，超过R2的区域中)。
[0186]本发明也可以应用到密封质量块系统悬挂在周边而非中心的装置。使用组合的周边和中心悬挂也是可行的。
[0187]弹性元件25.la、25.1b可以具有不同形状。它们例如可以是半圆形或它们可以具有用于提高柔性的蜿蜒或波状线部分。
[0188]虽然悬挂元件可以具有恒定横截面的直梁形式，它们也可以如此设计，使得内、夕卜部23.la、23.1b在χ-y面中具有不同的弹性。悬挂元件的横截面从一端到另一端可以变化。具体而言，悬挂元件的外部23.1b可以具有基于到中心轴线24的距离而改变的横截面。这对于改变或调节感测频率FSX、FSy、FSZ、Fd的值可以是有利的。除了在俯视图中示出的直线外，悬挂元件也可以具有S形或弧形线。
[0189]在图2中，感测电极S1-S8覆盖密封质量块元件21.1、...、21.4的整个正面。但是，感测电极也可以更小，例如提供用于独立正交补偿电极的一些区域，驱动信号所影响的与振幅成比例信号输入到该正交补偿电极。
[0190]在装置的活动和/或固定部件上提供止动器元件(阻尼器)的已知技术也可以用于本发明的装置。该止动器确保电极在装置受到震动影响时不进行接触。
[0191]总的来说，本发明提供一种可以用于检测多个自由度的加速度和旋转速率的谐振器微电子惯性感测器。
【权利要求】
1.一种谐振器微电子惯性感测器，优选微机电系统(MEMS)陀螺仪，用于检测多于一个轴的线性加速度和旋转速率，其包括: a)密封质量块系统(21.1.....21.4)，柔性地悬挂在衬底(32)上方，用于绕中心轴线(24)进行面内旋转振动， b)其中，所述密封质量块系统(21.1,...,21.4)具有彼此柔性地耦合(25.la、25.1b)的多于两个密封质量块兀件， c)驱动电极系统(Dl.....D4)，用于驱动所述密封质量块系统(21.1.....21.4)进行所述面内旋转振动， d)感测电极系统(S1.....S4)，连接到所述密封质量块系统(21.1.....21.4)，用于检测多于一个轴的线性加速度和旋转速率， 其特征在于， e)每个密封质量块元件(21.1,21.2)直接并柔性地连接(23.1, 25.1a, 25.1b)到所述衬底(32)上的锚定结构(22)。
2.根据权利要求1所述的谐振器微电子惯性感测器，其特征在于，所述密封质量块元件(21.1、...,21.4)布置在相对于所述中心轴线(24)的内、外径(R1、R2)之间的环形构造中。
3.根据权利要求2所述的谐振器微电子惯性感测器，其特征在于，所述密封质量块元件(21.1.....21.4)的所述环形构造是闭环。
4.根据权利要求2或3所述的谐振器微电子惯性感测器，其特征在于，所述环形构造的所有密封质量块元件(21.1.....21.4)相对于所述惯性感测器的对称中心点具有相同的运动自由度。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的谐振器微电子惯性感测器，其特征在于，所有密封质量块元件(21.1.....21.4)具有相同的形状并且布置在距离所述系统的中心相同的径向距离处。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的谐振器微电子惯性感测器，其特征在于，所述密封质量块元件连接到的所述锚定结构(22)形成一件式锚定元件。
7.根据权利要求2-6中任一项所述的谐振器微电子惯性感测器，其特征在于，驱动电极系统(Dl.....D4)布置在所述环形构造的所述内径(Rl)内的径向区域中。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的谐振器微电子惯性感测器，其特征在于，所述密封质量块系统(21.1.....21.4)具有相对于所述中心轴线(24)旋转对称布置的四个密封质量块元件。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的谐振器微电子惯性感测器，其特征在于，所述密封质量块元件(21.1、...>21.4)通过弹性元件(25.la、25.1b)成对稱合,所述弹性元件(25.la、25.1b)允许所述密封质量块元件(21.1.....21.4)单独的面内运动，但是其为所述密封质量块元件(21.1.....21.4)提供面外运动的坚硬耦合。
10.根据权利要求9所述的谐振器微电子惯性感测器，其特征在于，两个相邻的密封质量块通过两个柔性元件成对耦合，一个柔性元件位于所述密封质量块的内端部处，另一个柔性元件位于所述密封质量块的外端部处。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的谐振器微电子惯性感测器，其特征在于，相邻的密封质量块元件(21.1.....21.4)之间按具有间隙(28.1.....28.4)，并且用于支撑所述密封质量块元件(21.1、...、21.4)的径向取向悬挂元件(23.1、...、23.4)布置在所述间隙中。
12.根据权利要求9-11中任一项所述的谐振器微电子惯性感测器，其特征在于，所述弹性元件(25.la、25.1b)耦合到所述悬挂元件(23.1)。
13.根据权利要求9-12中任一项所述的谐振器微电子惯性感测器，其特征在于，所述弹性元件(25.la、25.1b)具有括号形状，并且布置在所述密封质量块元件(21.1.....21.4)的所述环形构造的所述内径(Rl)内侧或所述外径(R2)外侧。
14.根据权利要求1-13中任一项所述的谐振器微电子惯性感测器，其特征在于，所述密封质量块元件(21.1.....21.4)由具有旋转对称性的悬挂系统所柔性地支撑。
15.根据权利要求1-14中任一项所述的谐振器微电子惯性感测器，其特征在于，所述感测电极系统包括交叉电极结构(S9.....S12)，其附接到所述密封质量块系统(21.1.....21.4)，用于检测z轴旋转速率和面内加速度。
16.根据权利要求1-15中任一项所述的谐振器微电子惯性感测器，其特征在于，在每个密封质量块元件(21.1、...>21.4)上，具有至少两个感测电极(S8/S1、S2/S3、S4/S5、S6/S7)，用于检测面内旋转速率和z轴加速度。
17.一种基于谐振器微电子惯性感测器、优选微机电系统(MEMS)感测器检测多于一个轴的线性加速度和旋转速率的方法，所述谐振器微电子惯性感测器包括: a)密封质量块系统，柔性地悬挂在衬底上方，用于绕中心轴线进行面内旋转振动， b)其中，所述密封质量块系统具有彼此柔性耦合的多于两个密封质量块元件， c)驱动电极系统，用于驱动所述密封质量块系统进行所述面内旋转振动， d)感测电极系统，连接到所述密封质量块系统，用于检测多于一个轴的线性加速度或旋转速率， e)其中，每个密封质量块元件直接并柔性地连接到所述衬底上的锚定结构， 其中，所述方法包括将频率为Fd的驱动信号施加到所述驱动电极以及进行至少一个、优选至少三个和优选为所有以下检测步骤: f)通过确定来自彼此相对的所述密封质量块元件的感测电极信号之间的差来检测面内轴线方向的旋转速率GX:
GX = ({S2} + {S3}) - ({S6} + {S7}) 其中: {S2}和{S3}是来自第一密封质量块兀件上的两个电极的电信号， {S6}和{S7}是来自与所述第一密封质量块元件相对布置的第二密封质量块元件上的两个电极的电信号； g)通过确定来自彼此相对的所述密封质量块元件的所述感测电极信号之间的差来检测面内轴线方向的旋转速率GY:
GY = ({S1} + {S8})-({S4} + {S5}) 其中: {SI}和{S8}是来自第一密封质量块兀件上的两个电极的电信号， {S4}和{S5}是来自与所述第一密封质量块元件相对布置的第二密封质量块元件上的两个电极的电信号； h)通过确定来自彼此相对的所述密封质量块元件的调制感测电极信号之间的差来检测与面内轴线正交的面外轴线的旋转速率GZ:
GZ = ({S*12}-{S*10}) + ({S*9}-{S*11}) 其中: {S*12}和{S*10}是来自彼此相对布置的第一和第二密封质量块元件上的两个面内检测电极的电信号， {S*9}和{S*ll}是来自彼此相对布置的第三和第四密封质量块元件上的两个面内检测电极的电信号， i)通过确定来自彼此相对的所述密封质量块元件的所述调制感测电极信号的和来检测面内轴线方向的加速度AX:
AX = ({S*9}+{S*11}) 其中: {S*9}和{S*ll}是来自彼此相对布置的第一和第二密封质量块元件上的两个面内检测电极的(从振动频率Fd调制的)电信号； j)通过确定来自彼此相对的所述密封质量块元件的所述调制感测电极信号的和来检测面内轴线方向的加速度AY (与AX正交):
AY = ({S*10}+{S*12}) 其中: {S*10}和{S*12}是来自彼此相对布置的第一和第二密封质量块元件上的两个面内检测电极的(从振动频率Fd调制的)电信号； k)通过确定来自所有密封质量块元件的所述感测电极信号的和来检测与面内轴线正交的面外轴线的加速度AZ:
AZ = {SI} + {S2} + {S3} + {S4} + {S5} + {S6} + {S7} + {S8} 其中: {S1}-{S8}是来自所述密封质量块元件上的所述电极的电信号。
【文档编号】G01P15/14GK104136886SQ201280070092
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2012年12月20日 优先权日:2011年12月22日
【发明者】雅克·勒克莱克 申请人:特罗尼克斯微系统有限公司