z轴微机械陀螺仪的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于测量z轴角运动的微机械感测器装置，其包括:
[0002]a)限定衬底平面的衬底，
[0003]b)至少2个振动结构，每一个具有至少一个检测质量块(proof mass),
[0004]c)悬挂结构，用于将两个振动结构悬挂在衬底上方，用于在驱动模式方向(X轴)上和在感测模式方向(y轴)上运动，其中，驱动模式方向和感测模式方向平行于衬底平面，
[0005]d)连接两个振动结构的至少一个耦合结构，
[0006]e)至少一个耦合支撑结构，其将耦合结构连接到至少一个锚结构并使得耦合结构可以旋转摆动运动，旋转摆动运动的旋转轴垂直于衬底平面，
[0007]f)其中，每个振动结构包括至少一个往复运动质量块，其通过感测模式弹簧耦合到所述至少一个检测质量块，所述感测模式弹簧在感测模式方向比在驱动模式方向(X)更柔性，用于激活每个振动结构的振动运动，
[0008]g)用于每个往复运动质量块的至少一个驱动电极结构，用于激活平行于衬底平面的驱动模式运动，
[0009]h)用于每个检测质量块的至少一个感测电极结构，用于检测平行于衬底平面的感测模式运动。
【背景技术】
[0010]用于检测Z轴旋转的微机械感测器装置在现有技术中是众所周知的，并在诸如航行、车辆防滑控制、稳定平台的许多商业和军事应用中使用。
[0011]US 6, 230, 563 (Integrated Micro Instruments)的【背景技术】部分中描述了一种振动角速率陀螺仪的一些基本原理。基于这些原理，US 6，230，563公开了一种旋转角速率感测器，其具有安装在锚定到衬底的悬挂系统中的2个检测质量块。悬挂系统具有2个主要的柔顺模式，其中之一被驱动到振荡。驱动的振荡结合衬底的绕垂直于衬底的轴的旋转导致了沿其它的柔顺模式、感测模式的科里奥利加速度。感测模式设计成响应科里奥利加速度同时抑制对平移加速度的响应。这通过使用连接两个检测质量块的一个或多个刚性杠杆来实现。杠杆使得检测质量块可以响应于科里奥利加速度在相反方向上运动。US6，230，563中提出的装置包括用于消除误差的装置，所述误差称为正交误差，由感测器的实施中的瑕疵导致。正交误差的消除利用静电力消除与驱动模式位置同相的不希望的感测轴运动。
[0012]US 2010/0139399 (Northrop Grumman LITEF)和 US 2010/0116050 (LITEF)公开了一种旋转角速率感测器，包括在设计平面(χ-y)上相对于衬底运动的两个结构。所述两个运动结构由自由浮动梁耦合以形成耦合结构，使得耦合结构具有在设计平面(χ-y)上具有运动结构在第一方向(X)上的反相偏斜的第一振荡模式，作为激发模式。当第一振荡模式被激发并绕旋转角速率感测器的灵敏轴(z)旋转时，耦合结构具有第二振荡模式，其作为由科里奥利加速度激发的检测模式。所述结构具有中心锚，两个移动结构(两个振动框架)连接到所述中心锚以绕z轴旋转。在外围具有额外的锚，用于稳定振动框架。
[0013]US 2010/313657(加利福尼亚大学)公开了一种振动速率z轴陀螺仪，其具有两个或四个分离的振动齿。杠杆式驱动模式机构耦合在齿之间，以便在预定的驱动频率下在结构上推动齿的反相驱动模式的运动。杠杆式驱动模式机构也旨在消除齿的反相驱动模式运动的比预定的驱动频率低的寄生频率模式并且提供齿的驱动-和感测-模式运动的同步。感测模式机构耦合在齿之间，所述齿布置和配置成提供齿的线性耦合、动态平衡的反相感测模式的运动，以使衬底能量耗散最小化并提高感测模式的品质因数和速率敏感系数。
[0014]US 6，718，825 BI (霍尼韦尔)、US 6，837，108 (霍尼韦尔)、US7, 036，373 (霍尼韦尔)公开了一种具有两个检测质量块的振动式z轴陀螺仪，所述检测质量块由横梁(或杠杆)耦合，所述横梁(或杠杆)由允许X轴平移和z轴旋转的挠曲件悬挂。但是，悬挂确实不能允许横梁的y轴平移。输入轴垂直于衬底平面。在US 6,837, 108 BI的图1中，其为输入轴的z轴，标示为平行于衬底平面，而I轴标示为垂直于衬底平面(即垂直于附图的平面)。质量块通过面外运动(即垂直于衬底平面的运动)响应。
[0015]现有技术的反相检测质量块的结构是相对复杂的。例如，在US 2010/313657的质量块之间具有显著数量的质量块和耦合元件的事实的影响在于，系统具有许多振动模式。很难以这样的方式设计整个系统，使得模式到输出模式中的交叉耦合是最小的。
【发明内容】
[0016]本发明的目的在于提供一种用于测量z轴的角运动的微机械感测器装置，其具有紧凑的结构并相对于微扰或干扰模式易于控制。
[0017]本发明的技术方案由权利要求1的特征限定。根据本发明的微机械感测器装置具有为移动部件提供底座的衬底(例如硅晶片的芯片、SOI (=绝缘体上的硅)芯片)。衬底限定了衬底平面，即平行于衬底的表面的几何平面。
[0018]具有至少2个振动结构，每一个具有至少一个检测质量块。每个振动结构可以由一个单一的元件或者由几个元件组成，所述元件例如为质量块、梁、框架或甚至烧曲件和弹簧。而且，具有用于将两个振动结构悬挂在衬底上方的悬挂结构。悬挂结构的几何形状使得振动结构可以在驱动模式方向(X轴)上和在感测模式方向(y轴)上运动，其中，驱动模式方向和感测模式方向平行于衬底平面。(事实上，驱动模式方向和感测模式方向是相互垂直的)。
[0019]本发明的至少一个耦合结构连接所述至少两个振动结构。在本发明的上下文中，耦合结构是一种微机械结构，它具有一定的机械弹性，使得两个振动结构的振动运动弹性地耦合。耦合支撑结构将耦合结构连接到锚结构并使得耦合结构能够进行旋转摆动运动，旋转轴垂直于衬底平面。
[0020]每个振动结构包括至少一个往复运动质量块，其通过感测模式弹簧耦合到所述至少一个检测质量块，所述感测模式弹簧在感测模式方向(y)上比在驱动模式方向(X)上更柔性。每个往复运动质量块通过驱动电极激活。往复运动质量块的振动激活相关的振动结构的振动运动。
[0021]根据本发明，所述至少两个振动结构意在反相振动。因此，所述至少一个耦合结构连接用于反相振动的所述两个振动结构。即，耦合结构具有特定的机械设计，使得固有地支持反相运动，并且振动结构的同相运动转换到不同频率。相比于US 2010/313657的现有技术的耦合，本发明不使用驱动模式杠杆和感测模式杠杆。本发明不需要感测模式往复运动质量块以及任何用于感测模式往复运动质量块的弹簧。根据本发明，在振动结构之间的区域中也没有往复运动质量块。然而，在左和右感测往复运动之间没有耦合的情况下，可以使用锚定到所述衬底的感测往复运动质量块。感测往复运动的主要功能是从感测检测装置去耦合检测质量块。感测往复运动可以与驱动往复运动相似的方式实施，但通过连接到衬底的往复运动感测弹簧旋转90°。这样的感测往复运动的目的是从所述驱动运动去耦合感测检测装置。但是，重要的是要注意，相比于现有技术，本发明不使用这样的用于耦合两个振动结构的感测往复运动。
[0022]本发明的装置具有用于每个往复运动质量块的至少一个驱动电极结构，用于激活平行于衬底平面的驱动模式运动。驱动电极结构定向和设计成激活平面内X方向上的运动。其可以包括叉指电极结构。
[0023]所述微机械装置具有用于每个检测质量块的至少一个感测电极结构，用于检测平行于衬底平面的感测模式运动。感测电极结构定向和设计成检测平面内y方向上的运动。其可以包括叉指电极结构。
[0024]本发明通过往复运动质量块提供了感测模式的耦合。耦合结构可包括杆杆型元件，其由驱动模式(X轴)弹簧连接到每个振动结构的至少一个往复运动质量块。驱动模式弹簧在感测模式方向(y轴)上基本上是刚性的。杠杆型元件可以由位于振动结构之间的锚悬挂，使得杠杆型元件的端部可以相对于锚的位置反相摆动。
[0025]根据本发明的耦合支撑结构设计成也使得耦合结构能够进行在驱动模式方向(X)上平移运动。因此，耦合结构以这样的方式附接到锚，使得它可以绕垂直于衬底平面的轴旋转并且通常位于耦合结构的中心。这导致了两个振动结构的反相感测模式的耦合。同时耦合结构可以在驱动模式方向上运动。这导致了所述两个振动结构在低于正常驱动模式频率的频率下的同相驱动模式耦合。
[0026]本发明的一个具体方面是，耦合支撑结构具有驱动模式方向上的柔性，用于允许在驱动模式方向上的平移运动。
[0027]每个感测电极结构包括附接到衬底的第一电极元件以及附接到检测质量块的第二电极元件，所述两个元件布置成用于产生响应于z轴旋转(即绕垂直于衬底平面的轴旋转)的电信号。
[0028]在本发明的框架内“结构”是指所述装置的用机器制造的微机械部件(即三维元件)。
[0029]优点在于:
[0030]本发明的设计不同于US 2010/313657 Al中所示的设计，因为本发明不需要任何感测模式往复运动质量块。相比于US 2010/313657 Al，本发明的结构也组合感测模式频率和驱动模式频率(各同相和反相)在相同的结构元件中的控制。因此，本发明需要更少的元件，并且在所使用的衬底面积方面更经济。由于本发明不需要感测模式的往复运动质量块，所以在整个装置中具有更少的移动质量块，并且因此具有整个系统的更少振动模式。因此，具有更低的可能性的是，输出振动由系统的不希望的或不可控的微扰模式干扰。
[0031]相比于US 2010/0139399 (Northrop Grumman LITEF)中已知的耦合结构，本发明的耦合结构连接到锚，因此在感测模式方向上不像在驱动模式方向上那样可以自由移动。
[0032]本发明的感测器装置的一个具体方面是，耦合支撑结构设计成从反相驱动模式频率分离同相驱动模式频率，以及从反相感测模式频率分离同相感测模式频率。同相和反相频率的分离使得可以选择性地激活驱动模式的反相振动，以及选择性地检测反相感测模式振动。也降低了在不希望的模式中的能量。
[0033]本发明的另一具体方面是，微机械感测器装置的耦合支撑结构在感测模式方向上的弹簧常数比在驱动模式方向上的其弹簧常数显著更高。因此，当振动结构同相感测模式运动时，耦合结构以某种方式像锚那样运转。在感测模式方向上的弹簧常数优选是驱动模式方向的弹簧常数的至少两倍(最优选至少10倍)。
[0034]在一距离处的连接点:
[0035]本发明的具体实施例的特征在于，所述耦合支撑结构具有至少两个到耦合结构的连接区域，其中所述连接区域通过一距离彼此分离，并且其中所述耦合支撑结构设计成使得所述距离有助于同相感测模式频率和反相感测模式频率之间的频率差。连接区域被限定在耦合结构(例如大的梁状元件)到耦合支撑结构(例如细长的挠曲件的端部)的过渡处。连接区域通常是点状的，即相比于在驱动模式方向上的整个耦合支撑结构的尺寸是小的。
[0036]所提出的结构的优点在于，连接区域的距离的增加(或减少)引起耦合结构绕垂直于衬底平面的轴的旋转的更低(更高)的柔性。换言之，当连接区域彼此接近时，耦合结构绕所述垂直轴的旋转振动与当连接区域彼此更远离时相比更容易激活。
[0037]用于频率分离的几何参数。
[0038]本发明的优选实施例的一个具体方面是，耦合支撑结构设计成如果耦合支撑结构的驱动模式方向上的柔性增加，则产生减小的同相驱动模式频率(反之亦然)。也就是说，耦合支撑结构的优点在于，同相驱动模式频率和反相驱动模式频率的差可以通过修改结构的几何尺寸而容易地改变。几何设计因此以这样的方式设计，使得其定义了所述频率的分离。
[0039]耦合结构的振幅。
[0040]根据本发明的一个具体实施例，耦合支撑结构具有这样的几何设计，使得在驱动模式方向上的平移运动的振幅为在不希望的同相驱动振动模式中的检测质量块的X轴平移运动的至少10%。在驱动模式方向上的平移运动因此不仅仅是耦合结构的整体运动的寄生的副作用。然而，这并不意味着，每当所述装