改进的陀螺仪结构和陀螺仪的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微机电装置，具体涉及在独立权利要求的前序部分中限定的陀螺仪结构和陀螺仪。
【背景技术】
[0002]微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems)或MEMS可以被定义为其中至少一些元件具有机械功能的小型化机械和机电系统。由于利用用于创建集成电路的相同工具来创建MEMS装置，因此可以在相同的硅片上制造微机械元件和微电子元件以实现先进的
目.0
[0003]MEMS结构可以应用于迅速地且精确地检测物理性能的非常小的变化。例如，微机电陀螺仪可以应用于迅速地且精确地检测非常小的角位移。运动具有六个自由度:三个正交方向上的平移和围绕三个正交轴的旋转。后三个可以由角速率传感器(也称为陀螺仪)测量。MEMS陀螺仪使用科里奥利效应(Cor1lis Effect)来测量角速率。当质量块(mass)沿一个方向移动并且施加了旋转角速度时，质量块由于科里奥利力(Cor1lis force)而经受正交方向上的力。然后，可以从例如电容式、压电式或压阻式感测结构读取由科里奥利力引起的最后所得到的物理位移。
[0004]由于缺少适当的支承，在MEMS陀螺仪中，主运动通常不像在常规陀螺仪中那样为连续旋转。替代地，机械振荡可以用作主运动。当振荡的陀螺仪经受与主运动的方向正交的角运动时，产生波动的科里奥利力。这产生了与主运动正交且与角运动的轴正交的、并且处于主振荡的频率下的副振荡(secondary oscillat1n)。这种親合振荡的振幅可以用作角速率的度量。
[0005]陀螺仪是非常复杂的惯性MEMS传感器。陀螺仪设计的基本挑战在于，科里奥利力非常小，因此，生成的信号与陀螺仪中存在的其他电信号相比往往是很小的。对振动的假信号响应和敏感性困扰许多MEMS陀螺仪设计。
[0006]在先进的现有技术MEMS陀螺仪设计中，外部施加的角速度被配置成引起两个平行定位的平面震动质量块(seismic mass)绕共同旋转轴的反相运动。这种运动可以用放置在震动质量块的平面上方的电极来检测。对于特定现有技术配置的明确的振荡方向，主模式振荡和检测模式振荡有效地保持分开。使得提供了对外部冲击高度不敏感的稳固的传感器结构。
[0007]通常固定至衬底或固定至功能层的罩或盖包围MEMS陀螺仪结构，从而形成保护MEMS陀螺仪免受外部条件影响的壳体。然而，MEMS的挑战在于提供不对结构的可移动部分的移动进行限制的环境保护。例如，在以上现有技术的结构中，震动质量块和激励结构在封入处理晶片(handle wafer)与盖晶片(cap wafer)之间的结构晶片中。传统的加速计和陀螺仪由于其不与外部世界机械接触而已经被认为是最简单的MEMS封装件之一。然而，在以上现有技术的陀螺仪结构中，已经将感测电极以图案的形式形成至盖晶片。由于不能使用传统的环氧注塑工艺，这使得该结构更易受与设计尺寸的偏差的影响，并且增加了传感器封装的复杂性。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于设计下述陀螺仪结构，该陀螺仪结构提供了已实现的、改进水平的对外部冲击的精确性和不敏感性但对与设计的尺寸的偏差不太敏感。本发明的目的是采用根据独立权利要求的特征部分所述的陀螺仪结构来实现的。
[0009]权利要求限定了微机电陀螺仪结构，该微机电陀螺仪结构包括平面式第一震动质量块、平面式第二震动质量块以及用于将第一震动质量块和第二震动质量块在另一本体元件上悬挂于平行位置的第一弹簧结构件，其中，第一震动质量块的平面和第二震动质量块的平面形成参考质量块平面。微机电陀螺仪结构还包括激励装置和检测装置。第一弹簧结构件包括在第一震动质量块的平面内的第一锚定点和附接至第一锚定点和第一震动质量块的第一弹簧组件，该第一锚定点用于将第一震动质量块附接至另一本体元件，该第一弹簧组件使得第一震动质量块能够绕质量块平面内的第一激励轴旋转振荡。第一弹簧结构件包括第二锚定点和第二弹簧组件，该第二锚定点位于第二震动质量块的平面内以将第二震动质量块附接至另一本体元件，该第二弹簧组件附接至第二锚定点和第二震动质量块，其中，该第二弹簧组件使得第二震动质量块能够绕质量块平面内的第二激励轴旋转振荡。第一激励轴和第二激励轴对准成共同主轴。
[0010]第一弹簧组件还使得第一震动质量块能够绕与质量块平面垂直的第一检测轴旋转振荡，并且第二弹簧组件还使得第二震动质量块能够绕与质量块平面垂直的第二检测轴旋转振荡。第一检测轴和第二检测轴间隔了非零距离。
[0011]激励装置被配置成驱动第一震动质量块和第二震动质量块绕共同主轴振荡。检测装置被配置成检测第一震动质量块绕第一检测轴的旋转振荡以及第二震动质量块绕第二检测轴的旋转振荡。
[0012]检测装置包括具有平面内检测梳的至少一个检测器元件，该平面内检测梳包括定子梳和转子梳。检测装置还包括第二弹簧结构件，该第二弹簧结构件用于将第一震动质量块的旋转振荡或第二震动质量块的旋转振荡转变为平面内检测梳在质量块平面内沿与共同主轴平行的方向的线性振荡。
[0013]权利要求还限定了包括微机电陀螺仪结构的陀螺仪。本发明的优选实施例在从属权利要求中公开。
[0014]本发明基于应用两个平面式震动质量块的主运动模式和辅助运动模式的新组合。在主运动中，震动质量块被激励为绕共同主轴进行反相旋转振荡。每个震动质量块的辅助运动包括绕与由震动质量块形成的平面垂直的检测轴的平面内旋转振荡。两个震动质量块的检测轴因此平行但间隔了一定距离。震动质量块的平面内旋转运动被转变为通过电容性梳状结构检测的线性振荡，电容性梳状结构的操作对由封装工艺或由对封装的环境改变所引起的变形不太敏感。感测模式的线性振荡实现了更高的信号电平以及使得更容易实现该系统。
[0015]通过下述实施例更详细地讨论本发明的另外的优点。
【附图说明】
[0016]在下文中，将参照附图、结合优选实施例对本发明进行更详细地描述，在附图中
[0017]图1示出了陀螺仪结构的实施例；以及
[0018]图2示出了包括陀螺仪结构的陀螺仪的元件。
【具体实施方式】
[0019]下面的实施例是示例性的。虽然说明书可提及“一个”(“an”或“one”)或“一些”实施例，但是这并不一定意味着每个这样的提及针对相同的(一个或多个)实施例，或者特征仅适用于单个实施例。可以组合不同实施例的单一特征以提供另外的实施例。
[0020]在下文中，将以装置架构为简单示例来描述本发明的特征，在该装置架构中可以实现本发明的各种实施例。仅详细描述了与说明实施例相关的元件。可在本文中不具体描述本领域的技术人员通常已知的陀螺仪结构的各种实现方式。
[0021 ]图1示出了根据本发明的陀螺仪结构的实施例，该陀螺仪结构具有MEMS陀螺仪的结构晶片的元件。陀螺仪结构包括第一震动质量块100和第二震动质量块102。术语“震动质量块”在这里指的是可以悬挂于基部以提供惯性运动的质量体。第一震动质量块100和第二震动质量块102可以具有平面形状。这意味着震动质量块100、102的体积的至少一部分沿着二维(长度、宽度)的平面延伸并且在其中形成平面表面。在容差范围内，震动质量块100、102的平面表面可以被认为包括将平面表面上的任意两点连接的所有直线。然而，应当理解的是，该表面可以包括以图案的形式形成在震动质量块上的较小突出部或者以图案的形式形成在震动质量块中的凹部。
[0022]陀螺仪结构还包括第一弹簧结构件104，该第一弹簧结构件104用于第一震动质量块100和第二震动质量块102悬挂于陀螺仪的另一本体元件。另一本体元件可以例如陀螺仪芯片(die)的底层处理晶片或包覆盖晶片来提供。应当注意的是，对结构晶片、处理晶片以及盖晶片的划分是概念上的。例如，对于本领域技术人员而言显而易见的是，处理晶片和结构晶片可以分离地或与分层的硅-绝缘体-硅衬底组合而以图案的形式形成。第一弹簧结构件104可以被构造