带有正交误差补偿的角速率传感器的制造方法

带有正交误差补偿的角速率传感器的制造方法
【专利摘要】一种角速率传感器包括衬底、柔性地耦合于所述衬底的驱动质量块以及悬浮于所述衬底上并通过柔性的支撑元件柔性地耦合于所述驱动质量块的感测质量块。电极结构机械地耦合于所述驱动质量块但是与所述驱动质量块电隔离并且与所述衬底间隔开，以便不接触所述衬底。所述电极结构被配置为：当传感器受到一角速率时，产生指示所述感测质量块相对于所述电极结构的移动的信号。当角速率传感器经历正交误差时，所述驱动质量块、所述感测质量块和所述电极结构相对于所述感测轴一起移动。由于所述感测质量块和所述电极结构响应于正交误差一起运动，所述感测质量块和所述电极结构之间有很小的相对运动，使得正交误差被大大消除。
【专利说明】带有正交误差补偿的角速率传感器

【技术领域】
[0001]本发明的实施例通常涉及微机电系统(MEMS)器件。更具体地，本发明的实施例涉及带有正交误差补偿的MEMS角速率传感器。

【背景技术】
[0002]近年来，微机电系统(MEMS)技术广受欢迎，因为其提供了一种制作非常小的机械结构并且通过使用传统的批量半导体加工工艺在单个衬底上集成这些结构的方式。MEMS的一个常见应用是传感器器件的设计和制作。MEMS传感器广泛应用于各种应用中，例如汽车、惯性制导系统、家用电器、游戏器件、各种各样器件的保护系统、以及很多其它工业、科学和工程系统。MEMS传感器的一个例子是MEMS角速率传感器。替选地被称为“陀螺仪”、“陀螺测试仪”、“振荡速率陀螺”、“陀螺仪传感器”、或者“角速率传感器”，角速率传感器感测绕着一个或者多个轴的角速度或速率。

【专利附图】

【附图说明】
[0003]结合附图并参阅详细说明书以及权利要求，对本发明会有更完整的理解。其中在附图中类似的参考符号表示相同的元素，以及:
[0004]图1示出了根据一个实施例的角速率传感器的俯视图；
[0005]图2示出了角速率传感器沿着图1中的剖面线2-2的侧视图；
[0006]图3示出了根据另一个实施例的角速率传感器沿着图1中的剖面线2-2的侧视图；
[0007]图4示出了根据另一个实施例的角速率传感器的俯视图；以及
[0008]图5示出了角速率传感器沿着图4中的剖面线5-5的侧视图。

【具体实施方式】
[0009]在振荡角速率传感器中，一个内在问题是被称为正交分量或者正交误差的不期望的干扰信号的存在。由于允许感测质量块绕着不与感测轴正交的轴振荡的制作缺陷，在振荡角速率传感器中发生正交误差。这产生了绕着感测轴的可以与科里奥利加速度混淆并且因此与旋转速率混淆的振荡。不幸的是，正交误差可以导致器件的偏移误差、减小的动态范围、以及增强的噪音。大的正交误差甚至可以造成器件失灵，使得感测质量块接触导电电极，可能导致与冲突有关的损害，例如短路。
[0010]在一些器件中，为了补偿或以其它方式消除正交信号，静电力可以通过与正交误差成反相关系的正交补偿电极得到应用。虽然应用静电力可以抑制正交误差造成的机械运动，但该技术需要相对较大电压、正交补偿电极的较大分配区域、和/或正交误差和静电补偿力之间的精确相位匹配。在其它器件中，取消信号可以被应用于专用集成电路(ASIC)的前端以消除正交信号。这样的技术可以取消大的正交误差，而不用应用静电力。然而，机械正交运动仍存在，并且必须在正交误差信号和取消信号之间做出精确匹配以有效地消除正交误差。
[0011]本发明所公开的实施例包括以角速率传感器形式的微机电系统(MEMS)器件；其中实施正交补偿技术。已经确定当角速率传感器经历正交运动时，驱动质量块和感测质量块响应于该正交运动一起移动。根据本发明所公开的实施例，感测电极被机械地附着于驱动质量块。因此，驱动质量块、感测质量块和感测电极将响应于正交运动一起移动。因为驱动质量块、感测质量块和感测电极一起移动，由于正交误差的电容输出将会明显减小，因此补偿了正交误差。因此，正交误差的补偿在不使用静电力的情况下被实现。
[0012]参照图1和图2，图1示出了根据一个实施例的MEMS角速率传感器20的俯视图，以及图2示出了角速率传感器20沿着图1中的剖面线2-2的侧视图。图2通过各种阴影和/或阴线被说明以更加清晰地区分在角速率传感器20的构造层中产生的不同元件。角速率传感器20的构造层中的不同元件可以通过利用当前或即将来临的沉积、构图、蚀刻等等的表面微加工技术产生。因此，虽然阴影和/或阴线在图示中被利用，但是构造层中不同元件和互连可以由相同的材料形成，例如多晶硅、单晶硅等等。
[0013]角速率传感器20的元件(下面将会讨论)可以被不同地描述为“附着于”、“附加在”、“耦合于”、“固定到”或者“互连到”角速率传感器20的其它元件。然而，应理解术语指MEMS角速率传感器20的特定元件在其通过MEMS制作的构图和刻蚀过程的形成期间发生的直接或间接的物理连接。
[0014]角速率传感器20包括衬底22和悬浮于衬底22的表面26上的驱动质量块24。在一些实施例中，驱动质量块24通过锚32用例如弹簧的柔性的支撑元件30被柔性地附着于衬底22的表面26。角速率传感器20还包括位于延伸穿过驱动质量块24的中央开口内的感测质量块34。感测质量块34通过柔性的支撑元件元30即扭曲部分36被附着于驱动质量块24，使得感测质量块34也悬浮于衬底22上。
[0015]角速率传感器20还包括耦合于驱动质量块28的电极结构。在一些实施例中，电极结构包括第一感测片38和第二感测片40，它们分别耦合于驱动质量块28，使得与衬底22间隔开而不接触衬底22。在一些实施例中，驱动质量块24和感测质量块34覆盖第一和第二感测片38和40，使得第一和第二感测片38和40被放置在衬底22的质量块24和34之间。因此，第一和第二感测片38和40在传感器20的俯视图中是被遮盖的，并且因此在图1中用虚线形式表示。然而，第一感测片38在图2中的角速率传感器20的侧视图中是可见的。
[0016]在一个说明性的实施例中，驱动质量块24包括被定向为平行于衬底22的表面26的旋转轴46被勾划轮廓或隔开的第一区域42和第二区域44。同样，感测质量块34包括被旋转轴46被勾划轮廓或隔开的第三区域48和第四区域50。驱动质量块24的第一区域42和感测质量块34的第三区域48被横向放置在旋转轴46的第一侧52，以及驱动质量块24的第二区域44和感测质量块34的第四区域50被横向放置在旋转轴46的第二侧54。
[0017]在一个实施例中，第一感测片38绕着中央开口 28的周界被固定地附着于(即耦合于)驱动质量块24的第一区域42并且跨越感测质量块34的第三区域48下面的中央开口 28的至少一部分延伸。这种结构配置在图2中最直观。同样，第二感测片40绕着中央开口 28的周界被固定地附着于第二区域44并且跨越感测质量块34的第四区域50下面的中央开口的至少一部分延伸。
[0018]虽然第一和第二感测片38和40被固定地附着于驱动质量块24，第一和第二感测片38和40与驱动质量块24电隔离。该电隔离可以通过沉积、构图和蚀刻的表面微机械加工工艺来实现，使得例如氧化物的非导电材料的绝缘层56被插入感测电极38和40以及驱动质量块24之间。然而，第一和第二感测片38和40可以通过弹簧60被电连接到固定电极58，使得在图1中标示为SMU+和SMU-的感测信号62和64可以从第一和第二感测电极38和40输出。
[0019]参照图2的侧视图，在一些实施例中，衬底22包括从衬底22的表面26向内延伸的腔66。驱动质量块24和感测质量块34悬浮于腔66上，并且第一和第二感测片38和40被分别插入到腔66和驱动以及感测质量块24和34之间。
[0020]用于制作带有腔66的MEMS角速率传感器20的一般工艺流程包括使用蚀刻工艺在衬底22中形成腔66并将第二衬底68粘结到衬底22，其中腔66被插入到其中。在一个实施例中，第二衬底68可以包括相对厚的娃基层70、相对薄的多晶娃层72、和被插入到层70和72之间的绝缘层56。绝缘层56可以包括玻璃、二氧化硅、氮化硅或任何其它兼容材料。在一个实施例中，绝缘层56是氧化层，并且因此将在下文中被称为氧化层56。在粘结之前，相对薄的多晶硅层72可以被适当地构图和蚀刻以形成第一和第二感测电极38和40、电极极板76和弹簧60。在粘结之后，第一和第二感测电极38和40因此被插入在衬底22和第二衬底68的硅基层70之间。
[0021]进一步的工艺步骤可以包括在第二衬底68上执行的制作操作，包括例如蚀刻，并穿过氧化层56和硅基层70的填充操作以形成导电填充通孔78，其形成到电极极板76的电连接。接着，例如深反应离子蚀刻(DRIE)的蚀刻工艺可以被执行以在硅基层70中形成驱动质量块24、中央开口 28、感测质量块34以及柔性的支撑元件30和36。应指出，DRIE可以被用于形成穿延伸过感测质量块34的小开口。这些小开口以延伸穿过感测质量块34的虚线形式被示出。
[0022]例如通过气相蚀刻(VPE)的氧化物时间蚀刻然后可以被执行以移除位于感测质量块34和底层感测电极38以及40之间的一部分氧化物56。方法可以包括将蚀刻剂穿过延伸通过感测质量块34的小开口、以及穿过围绕感测质量块34的中央开口 28。因此，感测质量块34被释放，使得它可以响应于角速率而通过扭曲部分36绕着旋转轴46振荡，如将在下面讨论的。因此，被固定地附着于驱动质量块24的第一和第二感测片38和40可以产生指示感测质量块34响应于相对于感测片38和40的角速率的移动的信号。
[0023]现在结合图1参照图3，图3示出了根据另一个实施例的角速率传感器20沿着图1中的剖面线2-2的侧视图。在图3所示的实施例中，衬底22中没有形成于其中的腔。用于制作在衬底中没有形成腔的MEMS角速率传感器20的一般工艺流程包括用例如氧化物的双面绝缘材料形成衬底22。因此，在图3中，衬底22被适当地形成以包括第一氧化层80和第二氧化层82。在第二衬底84上执行的工艺操作包括氧化物沉积和通孔蚀刻以在硅基层88上形成绝缘氧化层86，多晶硅沉积和在氧化层86上进行构图以形成包括第一和第二感测片38和40、电极盘76、等等所讨论的多晶硅层90。进一步的工艺操作包括氧化物沉积、化学机械平面化和氧化物构图以形成覆盖多晶硅层90的另一个绝缘氧化层92。位于第一和第二感测电极38和40下面的绝缘氧化层92的部分可以被选择性地蚀刻掉。在蚀刻氧化层92之后，第二衬底84然后被粘结到衬底22。在粘结之后，第一和第二感测电极38和40因此被插入在衬底22和第二衬底84的氧化层86之间。
[0024]进一步的工艺步骤可以包括在第二衬底84上执行的制作操作，包括例如蚀刻以及填充操作以形成导电填充通孔78，进行DRIE以在硅基层88中形成驱动质量块24、中央开口 28、感测质量块34以及柔性的支撑元件30和36，以及氧化物时间蚀刻以移除一部分氧化层86和80。通过蚀刻氧化层86、92和80所生成的空间导致驱动质量块24、感测质量块34和感测片38和40被悬浮于衬底22的表面26上。感测质量块34因此被释放，使得它可以响应于角速率而通过扭曲部分36绕着旋转轴46振荡，如将在下面讨论的。
[0025]返回参照图1，为了操作角速率传感器20，与驱动质量块24互通的驱动系统(为了便于说明未显示)使得驱动质量块36在平行于衬底22的表面26内绕着在本发明中被称为驱动轴96的旋转轴进行机械振荡，如通过双向箭头94所表示的。因此，驱动轴96垂直于表面26。在这个例子中，驱动轴96是三维坐标系中的Z轴。由于扭曲部分36对这个运动的高硬度性，感测质量块34与驱动质量块24 —起绕着驱动轴96振荡。振荡驱动运动94可以被保持恒定以维持角速率传感器20的恒定灵敏度。此外或替选地，振荡频率可以被锁定到驱动质量块24的机械共振以减少驱动力。
[0026]一旦感测质量块34进入绕着驱动轴96的振荡运动中，它能够检测角速率,即由角速率传感器20绕着在本发明被称为输入轴的第二旋转轴旋转引起的角速率。在这个例子中，输入轴是三维坐标系中的Y轴98。因此，Y轴98在本发明被称为与角速率传感器20有关的输入轴96。随着角速率传感器20经历绕着输入轴98的角速率，感测质量块34进入绕着在本发明被称为感测轴的第三旋转轴振荡。在这个例子中，感测轴是旋转轴46，其也是三维坐标系中的X轴。因此，旋转轴46在本发明被称为与角速率传感器20有关的感测轴46。具体地,科里奥利加速率绕着垂直于驱动轴96和输入轴98的感测轴46发生。科里奥利加速度导致感测质量块34绕着感测轴46的平面外移动，如实线箭头100所表示的，其中平面外移动100有与传感器20绕着输入轴98的角旋转速率成正比的幅度。
[0027]通常，由于感测质量块34经历了绕着感测轴46的平面外移动100，位置变化通过第一和第二感测片38和40被感测为电容变化，其中由于被固定地附着于驱动质量块24，第一和第二感测片38和40没有经历振荡平面外移动100。在第一和第二感测片38和40感测的电容变化以传统的方式被电处理以获得角速率传感器20绕着输入轴98的角速率。
[0028]应想起驱动质量块24和感测质量块34响应于正交误差绕着感测轴46 —起移动。驱动质量块24和感测质量块34由于正交误差的这种运动通过箭头102表示。如果未被补偿，该正交误差可以产生信号误差分量。然而，因为第一和第二感测片38和40被附着于驱动质量块24，第一和第二感测片38和40由于正交误差响应于运动而与驱动质量块24以及感测质量块34 —起移动。因此，在感测质量块34和第一和第二感测片38和40之间绕着感测轴46没有相对运动或有很小的相对运动，使得没有或有显著减小的信号正交分量被输出。因此，正交误差从感测信号62和64被大大消除，使得实现正交误差补偿。
[0029]为了简化说明，角度率传感器20仅仅被提供有两对导电片(例如，第一和第二感测片38和40)。然而，应了解在替选实施例中，假设感测电极远离底层衬底悬浮并耦合于驱动质量块，附加电极形状、大小和类型可以为特定设计被实施。此外，在替选实施例中，驱动质量块和/或感测质量块可以有所示出的不同形状，例如圆环、圆盘等等。
[0030]参照图4和图5,图4不出了根据另一个实施例的角速率传感器110的俯视图，以及图5示出了角速率传感器110沿着图4中的剖面线5-5的侧视图。角速率传感器110在被配置为测绕着Z轴96的角速率的单轴传感器中例证了正交补偿技术。因此，Z轴96指与角速率传感器110相关的输入轴96。角速率传感器110的各种元件用阴影或阴线被说明以彼此更好的区分开。根据传统制作技术，各种元件可以通过沉积、构图和蚀刻工艺同时形成，因此可能由例如多晶硅的相同材料制成。
[0031]角速率传感器110包括以远离第一驱动质量块112横向放置的第一驱动质量块112和第二驱动质量块114的形式的分开驱动质量块系统。第一和第二驱动质量块112和114通过锚用例如弹簧的柔性的支撑元件116被柔性地附着于衬底119，使得它们悬浮于衬底119的表面123上。此外，第一和第二驱动质量块112和114可以通过柔性的元件120彼此耦合。
[0032]角速率传感器110还包括位于开口 124或凹口部分内并延伸通过第一驱动质量块112的第一感测质量块122和位于开口 128或凹口部分内并延伸通过第二驱动质量块114的第二感测质量块126。第一感测质量块122悬浮于衬底119的表面123上，并通过柔性的支撑元件130被连接到第一驱动质量块112。第二感测质量块126悬浮于衬底119的表面123上，并通过柔性的支撑元件132被连接到第二驱动质量块114。
[0033]角速率传感器110还包括分别耦合于第一和第二驱动质量块112和114并远离衬底119悬浮的电极结构。在一个实施例中，电极结构包括第一感测电极和第二感测电极。在本发明中被称为第一指状电极134(使用向右和向下定向的宽阴影线示出的)的第一感测电极远离衬底119悬浮。在本发明中被称为第二指状电极136(使用向右和向上定向的宽阴影线示出的)的第二感测电极也远离衬底119悬浮。在一个实施例中，第一和第二指状电极134和136中的某些分别被附着于第一驱动质量块112的第一边缘138。第一和第二指状电极134和136的剩余部分分别被附着于第二驱动质量块114的第二边缘140。
[0034]第一感测质量块122包括横向间隔开的指状电极142。一对第一和第二指状电极134和136位于每对间隔开的指状电极142之间。因此，第一和第二指状电极134和136被远离第一感测质量块122的一部分即指状电极142横向放置。类似地，第二感测质量块126包括横向间隔开的指状电极144。一对第一和第二指状电极134和136位于每对间隔开的指状电极144之间。因此，第一和第二指状电极134和136也被远离第二感测质量块126的一部分即指状电极144横向放置。第一和第二指状电极134和136分别的纵向尺寸以及指状电极142和144与在本实施例中为X轴46的驱动轴对齐，即平行。因此，X轴46指与角速率传感器110相关的驱动轴46。
[0035]根据一个实施例，角速率传感器110包括电稱合附着于第一驱动质量块112的第一指状电极134的第一互连146、以及电耦合附着于第一驱动质量块112的第二指状电极136的第二互连148。同样地,角速率传感器110包括电稱合附着于第二驱动质量块114的第一指状电极134的第三互连150、以及电耦合附着于第二驱动质量块114的第二指状电极136的第四互连152。在图4中，互连146、148、150和152被第一和第二驱动质量块112和114遮盖。因此，在图4中，互连146、148、150和152用虚线表示，并且它们分别与第一和第二指状电极134、136的电互连分别用黑色方块表示。然而，在图5的截面侧视图中，第一互连146在第一驱动质量块112下面是可见的并且与第驱动指状134电互连。
[0036]第一指状电极134与第二指状电极136电隔离。同样地，位于第一驱动质量块112下面的第一和第二互连146、148彼此电隔离，以及位于第二驱动质量块114下面的第三和第四互连150、152彼此电隔离。此外，第一和第二指状电极134、136与第一和第二驱动质量块112和114电隔离。该电隔离可以通过沟槽隔离制作技术来完成，其中电绝缘材料154在延伸到第一和第二驱动质量块112、114中的第一和第二指状电极134、136的那些部分周围被沉积通过第一和第二驱动质量块112、114的整个厚度。
[0037]在所不的实施例中，正输出端156 (标不为“SMU+”)通过导电弹簧兀件158与第一指状电极134耦合。同样地，负输出端160(标示为“51^-”)通过导电弹簧元件162与第二指状电极136耦合。因此，第一指状电极134可以被认为是角速率传感器110的正感测极，以及第二指状电极136可以被认为是角速率传感器110的负感测极。
[0038]特别参照图5，衬底119可以被适当地形成以包括第一氧化层164和第二氧化层166。被执行以生成第二衬底168即第二晶片的工艺操作包括氧化物沉积和通孔蚀刻以在硅基层172上形成绝缘氧化层170，多晶硅沉积和在氧化层170上进行构图以形成包括互连146、148、150和152的多晶硅层174等等。进一步的工艺操作包括氧化物沉积、化学机械平面化和氧化物构图以形成覆盖多晶硅层174的另一个绝缘氧化层176。第二衬底168可以然后被粘结到衬底119。在粘结之后，互连146、148、150和152因此被插入在衬底119和第二衬底168的氧化层170之间。
[0039]进一步的工艺步骤可以包括在第二衬底168上执行的制作操作，包括例如蚀刻以及填充操作以形成导电填充通孔178，其最终将底层互连146、148、150和152与它们各自的第一和第二指状电极134和136电耦合，并且进行蚀刻以形成第一和第二驱动质量块112、114、第一和第二感测质量块122、126、第一和第二指状电极134、136以及它们的互连弹簧和锚(上面讨论的)。根据一种沟槽隔离技术，在蚀刻操作期间围绕第一和第二指状电极134,136形成的空间可以然后被绝缘材料154即例如氮化物的电介质填充。氧化物时间蚀刻然后可以被执行以移除一部分氧化层164、176和170。通过蚀刻氧化层164、176和170所生成的空间导致第一和第二驱动质量块112、114、第一和第二感测质量块122、126、第一和第二指状电极134、136以及互连146、148、150和152被悬浮于衬底119的表面123上。
[0040]特别参照图4，为了操作角速率传感器110，与第一和第二驱动质量块112和114互通的驱动系统(为了简化说明未显示)使得驱动质量块112和114在平行于衬底119的表面123进行机械线性振荡，如通过反向指示箭头180所表示的。因此，第一和第二驱动质量块112和114绕着驱动轴46线性振荡。第一和第二驱动质量块112和114适当地被连接到一起和/或以其它方式适当地被驱动以在相反方向即反相绕着驱动轴46移动。由于柔性的支撑元件130对这个运动的高硬度性，第一感测质量块122和第一驱动质量块112绕着驱动轴46 —起线性振荡。同样地，由于柔性的支撑元件132对这个运动的高硬度性，第二感测质量块126和第二驱动质量块114绕着驱动轴46 —起线性振荡。因此，第一和第二驱动质量块112和114相对于彼此在相反方向即反相绕着驱动轴46移动。
[0041]一旦第一和第二感测质量块122和126进入沿着驱动轴46的线性振荡运动中，角速率传感器110可以检测角速率，即由角速率传感器110绕着在本发明被称为输入轴的旋转轴旋转引起的角速率。在这个例子中，输入轴是垂直于衬底119的表面123的Z轴96。因此，Z轴96在本发明被称为与角速率传感器110有关的输入轴96。随着角速率传感器110经历绕着输入轴96的角速率，第一和第二感测质量块122和126进入沿着在本发明被称为感测轴的第三旋转轴线性振荡运动。在这个例子中，感测轴是Y轴98。因此，Y轴98在本发明被称为与角速率传感器110有关的感测轴98。具体地，科里奥利加速率沿着垂直于驱动轴46和输入轴96的感测轴98发生。科里奥利加速度实质上导致第一和第二感测质量块122和126沿着感测轴98的线性运动，如箭头182所表示的，其中感测运动182有与传感器110绕着输入轴96的角旋速率成正比的幅度。
[0042]应该很容易地在图4中注意到，当第一感测质量块122沿着感测轴98相对于第一驱动质量块112振荡时，位于指状电极142和附着于第一驱动质量块112的第一和第二指状电极134和136中的每一个之间的间隙的宽度发生变化。同时，位于指状电极144和附着于第二驱动质量块114的第一和第二指状电极134和136中的每一个之间的间隙的宽度发生变化。因此，由于第一和第二感测质量块122和126经历沿着感测轴98的线性振荡运动，位置变化(即间隙宽度变化)通过第一和第二指状电极134和136被感测为电容变化。在第一和第二电极134和136感测的电容变化以传统的方式被电处理以获得角速率传感器110绕着输入轴96的角速率。
[0043]应想起第一驱动质量块112和第一感测质量块122可以一起响应于正交误差而沿着感测轴48线性振荡。同样地，第二驱动质量块114和第二感测质量块126也一起响应于正交误差而沿着感测轴48线性振荡。驱动质量块112和114以及感测质量块122和126由于正交误差的这种运动通过反向指示箭头184表示。如果未被补偿，该正交误差可以产生信号误差分量。然而，由于第一和第二指状电极134和136被附着于第一和第二驱动质量块112和114，第一和第二指状电极134和136由于正交误差响应于运动184而与驱动质量块112和114以及感测质量块122和126 —起移动。由于它们一起移动，感测质量块112和114和第一和第二指状电极134和136之间响应于正交误差沿着感测轴98没有相对运动或有很小的相对运动，使得没有或有显著减小的信号误差分量被输出。因此，正交误差被从在输出端156和160处检测到的感测信号大大消除，使得实现正交误差补偿。
[0044]本发明所描述的实施例包括以角速率传感器形式的微机电系统(MEMS)器件，其中实现正交补偿技术。在一个实施例中，角速率传感器包括衬底、柔性地耦合于所述衬底的驱动质量块以及悬浮于所述衬底上并通过柔性的支撑元件柔性地耦合于所述驱动质量块的感测质量块。电极结构机械地耦合于所述驱动质量块但是与所述驱动质量块电隔离，并且与所述衬底间隔开。所述电极结构被配置为产生指示所述感测质量块相对于所述电极结构的移动的感测信号。
[0045]根据本发明所公开的实施例，感测电极被机械地附着于驱动质量块，使得驱动质量块、感测质量块和感测电极响应于正交运动而相对于所述感测轴一起移动。由于感测质量块和感测电极一起移动，感测质量块和感测电极之间由于正交误差没有相对运动或有很小的相对运动，使得没有或有显著减小的信号误差分量被输出。因此，由于正交误差的电容输出将被显著减小，从而有效地补偿正交误差。因此，对正交误差的补偿在不使用静电力的情况下被实现。
[0046]虽然本发明的优选实施例被详细说明和描述，很明显对于本领域技术人员来说在不脱离本发明精神及附属权利要求范围的情况下可以做出各种修改。例如，驱动质量块和/或感测质量块可以有不同形状，例如圆环、圆盘、矩形等等。此外，驱动质量块和感测质量块可以被排列成与示出的不同。例如，一个感测质量块可以位于中心，另一个感测质量块可能形成外框架结构，以及驱动质量块可以被插入在两个感测质量块之间。此外，虽然本发明所讨论的实施例是单轴设计，但是相同的技术也可以被应用于多轴设计。根据本发明所描述的实施例，结构上的这种变化将仍包括与驱动质量块相关联的正交补偿电极以及将正交补偿电极耦合于感测电极的反向极性。因此，应该了解示例实施例只是例子，并且不旨在限制本发明的范围、适用性或配置。
【权利要求】
1.一种角速率传感器，包括: 衬底； 柔性地耦合于所述衬底的驱动质量块； 悬浮于所述衬底上并通过柔性的支撑元件柔性地耦合于所述驱动质量块的感测质量块；以及 耦合于所述驱动质量块并且与所述衬底间隔开的电极结构，所述电极结构被配置为产生指示所述感测质量块相对于所述电极结构的移动的感测信号。
2.根据权利要求1所述的角速率传感器，其中:所述驱动质量块和所述电极结构被配置为与相对于驱动轴的振荡运动一起移动；所述柔性的支撑元件使得所述感测质量块能够响应于关于与所述驱动轴和所述感测轴中的每一个垂直的输入轴的角速率而相对于垂直于所述驱动轴的感测轴振荡，其中响应于所述角速率的所述感测质量块的振荡产生所述感测质量块和所述电极结构之间的感测信号；以及 所述驱动质量块、所述感测质量块和所述电极结构响应于正交误差而沿着所述感测轴一起移动以减小所述正交误差对所述感测信号的影响。
3.根据权利要求1所述的角速率传感器，其中所述电极结构不接触所述衬底。
4.根据权利要求1所述的角速率传感器，其中所述电极结构与所述驱动质量块电隔离。
5.根据权利要求1所述的角速率传感器，其中所述电极结构被插入在所述感测质量块和所述衬底的表面之间。
6.根据权利要求1所述的角速率传感器，其中所述衬底包括从所述衬底的表面向内延伸的腔，所述驱动质量块和所述感测质量块悬浮于所述腔上，并且所述电极结构被插入在所述腔和所述驱动以及感测质量块之间。
7.根据权利要求1所述的角速率传感器，其中: 所述驱动质量块包括带有中央开口的框架结构； 所述感测质量块位于所述中央开口内；以及 所述电极结构包括固定地附着于所述驱动质量块并且跨越接近所述感测质量块的所述中央开口的至少一部分延伸的感测片。
8.根据权利要求7所述的角速率传感器，其中: 所述感测片是第一感测片； 所述驱动质量块包括被定向为平行于所述衬底的表面的旋转轴隔开的第一和第二区域； 所述感测质量块包括被所述旋转轴隔开的第三和第四区域，所述第一和第三区域被放置在所述旋转轴的第一侧，以及所述第二和第四区域被放置在所述旋转轴的第二侧； 所述第一感测片耦合于所述驱动质量块的所述第一区域并且跨越所述感测质量块的所述第三区域延伸；以及 所述电极结构还包括耦合于所述驱动质量块的所述第二区域的第二感测片，所述第二感测片跨越所述感测质量块的所述第四区域延伸。
9.根据权利要求1所述的角速率传感器，其中所述电极结构包括固定地附着于所述驱动质量块的第一边沿并且悬浮于所述衬底的表面上的第一指状电极，所述第一指状电极被远离所述感测质量块横向放置。
10.根据权利要求9所述的角速率传感器，其中所述电极结构还包括固定地附着于所述驱动质量块的所述第一边沿并且悬浮于所述衬底的所述表面上的第二指状电极，所述第二指状电极被远离所述感测质量块和所述第一指状电极中的每一个横向放置。
11.根据权利要求10所述的角速率传感器，其中所述第一和第二指状电极彼此电隔离。
12.根据权利要求10所述的角速率传感器，其中所述电极结构还包括: 第三指状电极； 第四指状电极，所述第三和第四指状电极中的每一个固定地附着于所述驱动质量块的所述第一边沿，所述所述第三和第四指状电极中的每一个悬浮于所述电极的所述表面上；将所述第一指状电极与所述第三指状电极电耦合的第一互连；以及将所述第二指状电极与所述第四指状电极电耦合的第二互连，其中所述第一和第三指状电极与所述第二和第四指状电极电隔离。
13.根据权利要求12所述的角速率传感器，其中所述第一和第二互连与所述衬底的所述表面间隔开。
14.一种角速率传感器，包括: 衬底； 柔性地耦合于所述衬底的驱动质量块； 悬浮于所述衬底上并通过柔性的支撑元件柔性地耦合于所述驱动质量块的感测质量块；以及 耦合于所述驱动质量块并且与所述衬底间隔开的电极结构，使得所述电极结构不与所述衬底接触，所述电极结构与所述驱动质量块电隔离，并且所述电极结构被配置为产生指示所述感测质量块相对于所述电极结构的移动的感测信号。
15.根据权利要求14所述的角速率传感器，其中: 所述驱动质量块包括带有中央开口的框架结构； 所述感测质量块位于所述中央开口内；以及 所述电极结构包括固定地附着于所述驱动质量块并且跨越接近所述感测质量块的所述中央开口的至少一部分延伸的感测片。
16.根据权利要求14所述的角速率传感器，其中所述电极结构包括固定地附着于所述驱动质量块的第一边沿并且悬浮于所述衬底的表面上的指状电极，所述指状电极被远离所述感测质量块横向放置。
17.一种角速率传感器，包括: 衬底； 柔性地耦合于所述衬底的驱动质量块； 悬浮于所述衬底上并通过柔性的支撑元件柔性地耦合于所述驱动质量块的感测质量块；以及耦合于所述驱动质量块并且与所述衬底间隔开的电极结构，所述电极结构与所述驱动质量块电隔离，并且所述电极结构被配置为产生指示所述感测质量块相对于所述电极结构的移动的感测信号，其中:所述驱动质量块和所述电极结构被配置为与相对于驱动轴的振荡运动一起移动；所述柔性的支撑元件使得所述感测质量块能够响应于关于与所述驱动轴和所述感测轴中的每一个垂直的输入轴的角速率而相对于垂直于所述驱动轴的感测轴振荡，其中响应于所述角速率的所述感测质量块的振荡产生所述感测质量块和所述电极结构之间的感测信号；以及 所述驱动质量块、所述感测质量块和所述电极结构响应于正交误差沿着所述感测轴一起移动以减小所述正交误差对所述感测信号的影响。
18.根据权利要求17所述的角速率传感器，其中: 所述驱动质量块包括带有中央开口的框架结构，所述驱动质量块包括被定向为平行于所述衬底的表面的旋转轴隔开的第一和第二区域； 所述感测质量块位于所述中央开口内，所述感测质量块包括被所述旋转轴隔开的第三和第四区域，所述第一和第三区域被放置在所述旋转轴的第一侧，以及所述第二和第四区域被放置在所述旋转轴的第二侧；以及 所述电极结构包括第一感测片和第二感测片，所述第一感测片耦合于所述驱动质量块的所述第一区域并且跨越所述感测质量块的所述第三区域延伸，以及所述第二感测片耦合于所述驱动质量块的所述第二区域并且跨越所述感测质量块的所述第四区域延伸。
19.根据权利要求17所述的角速率传感器，其中所述电极结构包括: 固定地附着于所述驱动质量块的第一边沿并且悬浮于所述衬底的表面上的第一指状电极，所述第一指状电极被远离所述感测质量块横向放置；以及 固定地附着于所述驱动质量块的所述第一边沿并且悬浮于所述衬底的所述表面上的第二指状电极，所述第二指状电极被远离所述感测质量块和所述第一指状电极中的每一个横向放置。
20.根据权利要求19所述的角速率传感器，还包括: 第三指状电极； 第四指状电极，所述第三和第四指状电极中的每一个固定地附着于所述驱动质量块的所述第一边沿，所述所述第三和第四指状电极中的每一个悬浮于所述电极的所述表面上；将所述第一指状电极与所述第三指状电极电耦合的第一互连；以及将所述第二指状电极和所述第四指状电极电耦合的第二互连，其中所述第一和第三指状电极与所述第二和第四指状电极电隔离。
【文档编号】G01P21/00GK104237562SQ201410286313
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年6月24日 优先权日:2013年6月24日
【发明者】林毅桢 申请人:飞思卡尔半导体公司