具有旋转传动和改善的电性质的微电子机械陀螺仪的制作方法

专利名称：具有旋转传动和改善的电性质的微电子机械陀螺仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微电子机械(microelectromechanical)结构，尤其是一种双轴 或三轴陀螺仪，其具有旋转驱动运动(rotary driving movement)和改善的电特性，特别是 在角速度检测的灵敏度方面。
背景技术：
众所周知，微机械加工技术能够制造半导体材料层中的微电子机械结构或系统 (MEMS)，该半导体材料沉积(例如，多晶硅层)或生长(例如，外延层)在牺牲层上，该牺牲 层通过化学蚀刻移除。由这种技术获得的惯性传感器、加速计和陀螺仪在例如汽车领域、在惯性导航领 域、或者在便携设备领域越来越成功。尤其是，本领域技术人员公知的是用MEMS技术获得的由半导体材料制成的集成 陀螺仪。这些陀螺仪基于相对加速度定理操作，利用了科里奥利(Coriolis)加速度。当 对以线性速度运动的移动物质施加角速度时，该移动物质“感受”到表观力(apparent force)，这就是“科里奥利力”，其导致了在与该线性速度的方向和施加该角速度所围绕的 轴相垂直的方向上发生移动物质的位移。通过弹簧支撑该移动物质，弹簧使得能够在表观 力的方向上发生移动物质的位移。基于Hooke法则，该位移与该表观力成比例，从该移动物 质的位移能够检测科里奥利力以及产生该力的角速度的值。例如，通过在谐振条件下确定 由移动电极的运动所产生的电容的变化，来以电容方法来检测该移动物质的位移，所述移 动电极相对于移动物质固定，并与固定电极成叉指状(combfingered)。由本申请的申请人提交的已公开的欧洲专利申请EP A-1832841以及美国专利申 请US2009/0064780和US2009/0100930，公开了一种具有旋转驱动运动的集成微电子机械 传感器，其对围绕相应检测轴的俯仰(Pitch)、翻滚(roll)和偏转(yaw)的角速度敏感。这种微电子机械传感器具有单个驱动块，其在单个中心点锚定(anchor)到衬底， 并被激励围绕通过该中心点并垂直于该驱动块的平面的轴进行转动。该驱动块的旋转运动 使其能够在该块的平面获得彼此垂直的两个驱动速度分量。在该驱动块中设置通孔，并在 该通孔中设置相应的传感块；该传感块封装在该驱动块的全部范围内，相对于衬底悬起来， 并且通过柔性元件与所述驱动块连接。每个传感块都相对于驱动块在其转动期间固定，并 且还具有根据外应力(external stress)，特别是作用于该传感器的科里奥利力，而运动的 自由度。该柔性元件，由于其特别的配置，能够分别响应于沿垂直于传感器平面的方向作用 的科里奥利加速度以及沿属于该平面方向作用的科里奥利加速度，使该传感块执行围绕属 于该传感器平面的轴的旋转检测运动，或是可选的沿着属于该传感器平面的轴执行进行检 测的线性运动。在任何情况下，该检测运动都与该驱动块的激励(actuation)运动基本去 耦(decouple)。这种微电子机械结构，除紧凑(只要看到在单个驱动块的全部范围内封装 了多个传感块)之外，还能够获得小的结构变化，单轴、双轴、或三轴陀螺仪(和/或根据实 施的电连接可以是加速计)，同时确保驱动动力学与检测动力学极好的去耦。
图1示出根据前述专利申请的教导，由1表示的三轴微电子机械陀螺仪的示例性 实施例。在芯片(die)2中制造陀螺仪1，其包括由半导体材料(例如，硅)制成的衬底2a， 以及在内部限定开口区域2c的框架2b;该开口区域2c位于该衬底2a上面，并且设计成容 纳陀螺仪1的检测结构(在下文详细描述)。该开口区域2c具有由第一水平轴χ和第二水 平轴y限定的水平面(下文中的传感器平面xy)内的大体正方形或长方形配置，并相对于 芯片2固定。框架2b的侧边，基本上平行于水平轴x、y。接触垫2d(称为“芯片垫”)沿着 框架2b的侧边，例如，沿着第一水平轴χ，对齐排列。以一种未图示的方法，该芯片垫2d能 够从陀螺仪1的检测结构的外侧实现电接触。该芯片垫2d具有对称轴，在这种情况下，与 第二水平轴y —致(与他们的对齐方向垂直)，并且在第二水平轴y的相对侧数量相等并镜 像设置。特别是，该第一和第二水平轴χ、y与陀螺仪1的第一检测轴和第二检测轴相对应 (更准确的，与俯仰(Pitch)轴和翻滚(roll)轴相对应)，围绕着这些轴检测对应的俯仰和 翻滚角速度和。具体的，陀螺仪1具有驱动结构，容纳在开口区域2c中并包括驱动块 3和驱动组件4。该驱动块3具有径向对称的大体圆形几何形状，具有基本上的平面配置，该平面 配置主要在传感器平面xy内延伸，在平行于垂直轴ζ的方向上相对于主要延伸尺寸可忽 略，垂直轴ζ与第一和第二水平轴χ、y形成一组三个垂直轴，其相对于芯片2固定。例如， 驱动块3在传感器平面xy内具有基本环形的形状，并且在中心限定空间(empty space) 6, 该中心0与整个结构的对称中心和重心相一致。驱动块3通过设置在与中心0相对应的区域内的第一锚具(anchorage) 7a锚定到 衬底2a，并通过第一弹性锚定元件8a与第一锚具7a连接。在该实例中，该第一弹性锚定元 件(anchorage element) 8a从中心0出发(depart)，形成平行于该第一和第二水平轴x，y 的十字。该驱动块3通过设置在相同驱动块3外侧的另外的锚具7b锚定到衬底2a，并通过 另外的弹性锚定元件8b与锚具7b连接。例如，该另外的弹性锚定元件8b为折叠型，具有 四个，并沿着该第一和第二水平轴X，y成对对齐设置；因此，在驱动块3的相对于空间6的 相对侧，中心在中心0的十字的端部，成对设置另外的锚具7b。该第一和另外的弹性锚定元 件8a、8b能够使驱动块3围绕通过中心0的激励轴进行旋转运动，该激励轴平行于垂直轴 ζ并垂直于传感器平面xy。该驱动块3具有第一对第一通孔9a、9b，沿第一水平轴x(俯仰轴)在直径方向 (diametric direction)对齐(align)，并相对于空间6设置在相对侧；以及第二对第一通 孔9c、9d，沿第二水平轴y (翻滚轴)在直径方向对齐，并相对于空间6设置在相对侧。尤其 是，第一通孔9a-9d的每一个在传感器平面xy内都具有环形径向扇形(radial sector)形 状，具有弧形内侧和外侧以及径向延伸的横侧边(lateral side)。另外，第一对通孔9a_9b 相对于第二水平轴1对称，第二对通孔9c-9d相对于第一水平轴χ对称。而且，驱动块3具 有一对第二通孔26a、26b，在平面图中基本为矩形形状，在径向方向对齐(在图1的实例中， 在相对于第一水平轴χ或第二水平轴1倾斜45°的方向)，并且主要在相同径向方向上延 伸。驱动组件4具有多个从动臂10，从驱动块3在径向方向向外延伸并且以相等的角距离分离设置，并且驱动组件4具有多个第一和第二驱动臂12a、12b，它们在相应从动臂10 的相对侧并平行于相应从动臂10延伸。每个从动臂10带有多个第一电极13，它们垂直于 相同的从动臂延伸并位于该从动臂的任一侧。另外，每个第一和第二驱动臂12a、12b带有 相应的第二电极14a、14b，它们朝相应从动臂10延伸并且与相应的第一电极13成叉指状。 该第一驱动臂12a都设置在相应从动臂10的一侧并在同侧，并且都被偏置到一个相同的第 一电压。同样的，该第二驱动臂12b都设置在相应从动臂10的相对侧，并且都被偏置到一个 相同的第二电压。驱动电路(未示出)连接到该第二电极14a、14b，以施加第一和第二电压 并通过电极相互和交替的吸引确定驱动块3以给定振动频率围绕激励轴的振动旋转运动。该陀螺仪1进一步包括第一对加速度传感器，该传感器具有平行于垂直轴ζ的轴， 以及尤其具有第一对第一传感块16a、16b，它们设置在相应第一通孔9a、9b内，以便于在传 感器平面xy内完全封装并包含在驱动块3的全部范围内。该第一传感块16a、16b的每一 个具有与相应通孔相对应的形状，并且最终在平面图中，具有大体径向环形扇形形状。具体 的，该第一传感块16a、16b的每一个具有更宽的第一部分17，以及更窄的第二部分18 (沿第 一水平轴X)，这些部分通过连接部分19连接，连接部分19比第一和第二部分17、18更短 (在平行于第二水平轴y的方向)，并最终重心G位于相应的第一部分17内。更具体的，该 第一部分17具有弧形且凸出的外侧，以及径向延伸的横侧边，该第二部分18具有弧形且凹 进的外侧以及径向延伸的横侧边，并沿着第一部分17的横侧边对齐。第一传感块16a、16b 的每一个由一对第一弹性支撑元件20支撑，第一弹性支撑元件20平行于第二水平轴y从 连接部分19向驱动块3延伸并与之连接。该第一弹性支撑元件20在凹槽21中延伸，凹槽 21设置在相应的第一传感块16a、16b的相对侧，距离重心G —定距离。该第一弹性支撑元 件20形成扭转弹簧，其对于驱动块3的转动为刚性(以便于该第一传感块16a、16b跟随驱 动块3的激励动作)，并且另外，使得第一传感块能够围绕平行于第二水平轴y并属于传感 器平面xy的旋转轴旋转，并由此，它们的运动离开传感器平面xy (替代的，对该驱动块3不 允许的运动)。该陀螺仪1进一步包括第二对加速度传感器，该传感器具有平行于垂直轴ζ的轴， 并且尤其具有第二对第一传感块16c、16d，它们容纳在通孔9c、9d内，并且被驱动块3完全 封装并包含。该第一传感块16c、16d由第一传感块16a、16b相对于中心0旋转90°得至丨」， 并且最终，相应的弹性支撑元件20平行于第一水平轴χ延伸，并能够离开传感器平面xy，围 绕平行于第一水平轴χ的旋转轴旋转。一对第一和第二传感电极22、23设置在每个第一和第二传感块16a_16d的第一和 第二部分17、18的下面。该第一和第二传感电极22、23由形成在衬底2a上的多晶硅区域 构成，并具有大体为梯形的形状，且其尺寸基本与第二部分18的相对应。该第一和第二传 感电极22、23通过空隙(air gap)分别与第一和第二部分17、18分离，并由此与第一和第 二部分17、18—起，形成了相应的传感电容器。该第一和第二传感电极22、23通过连接垫 2d连接到陀螺仪1的读取电路(read circuit)(未示出)。该陀螺仪1进一步包括容纳在第二通孔26a、26b内的一对第二传感块25a、25b。 该第二传感块25a、25b大体为矩形形状，其侧边平行于第二通孔26a、26b的相应侧边，并相 对于衬底2a悬起来，通过第二弹性支撑元件28连接到驱动块3。例如，该第二弹性支撑元 件28在径向方向从设置在大约第二传感块的次边中心的点出发。尤其是，该第二弹性支撑元件28关于驱动块3的激励动作为刚性的(以这种方式，第二传感块25a、25b跟随驱动块 3的旋转运动)，并且能够使相应的第二传感块在前述的径向方向进行线性运动。另外，该 第二传感块25a、25b具有延长部(prolongation) 29，例如，从设置在大约相应主边中心的 点开始，在垂直于径向方向的方向延伸。这些延长部29形成具有平面的传感电容器，并且 传感电容具有与锚定到衬底上的固定电极平行的面，该固定电极被设置成面对并平行于该 延长部29。例如，从每个第二传感块25a、25b的每个主边出发的相应延长部29，面对并设 置在两个固定电极之间。以与上述相似的方法，设置在相对于中心0径向更向外的位置的 固定电极定义为“第一传感电极22”，设置在径向更向内的位置的固定电极定义为“第二传 感电极23”。在使用中，该陀螺仪1能够作为三轴陀螺仪来操作，并且能够检测围绕第一水平 轴X的俯仰角速度、围绕第二水平轴y的翻滚角速度以及围绕垂直轴Z的偏转角速度 Ωζ ο参见图2，该驱动块3和第一传感块16a_16d围绕激励轴的旋转运动可以用驱动速 度矢量(^0)表示，其与描述其路径的圆周相切。尤其是，围绕第一水平轴X或第二水平轴y 的角速度为j^、Av的转动，产生了作用在整个结构上的科里奥利力(由戶e表示)，其与角 速度 ,、^和驱动速度之间的矢量积。成比例，并且由此方向沿垂直轴ζ。由此，在作为 单个刚性体的整个结构上，能够识别(identify)科里奥利力的分布，科里奥利力的值随与 中心0的距离的增加而增加。在相应的重心G处作用在第一传感块16a-16d上的科里奥利 力&的合力导致了第一传感块的旋转，第一传感块围绕平行于第一水平轴χ或第二水平轴 y并且通过第一弹性支撑元件20的轴运动，离开传感器平面xy。这个运动是第一弹性支撑 元件20的扭转所允许的。代替的，第一和另外的弹性锚定元件8a、8b的配置，非常近似地， 抑制驱动块3离开传感器平面xy的运动，以这种方法，使得传感块的检测动作能够相对于 激励动作有效地去耦。第一传感块16a-16d离开传感器平面xy的位移导致了传感电容器 的微分电容变化，其值与角速度 Λ、办成比例，其能够以实际上已知的方式，通过根据微 分方案操作的合适的读取电路来确定。尤其是，由于读取方案是微分的，成对的第一传感块16a_16d的配置能够自动排 除沿着垂直轴ζ的线性伪加速度(spurious acceleration)。另外，围绕第一水平轴χ的旋 转没有被第二对第一传感块16c、16d感觉到，使得科里奥利力戶。合力为零(因为角速度 和相应驱动速度&之间的矢量积为零)。同样，因为相似的原因，围绕第二水平轴y的旋转 没有被第一对第一传感块16a、16b感觉到，使得两个检测轴不被影响并且基本去耦。参见图3，要被检测的角速度，围绕垂直轴ζ作用，在设置在径向方向上的第二 传感块25a、25b上产生了科里奥利力& (因此定向为作用在相同块上的离心力)，导致了第 二传感块的位移以及相应传感电容器的电容变化。该电容变化的值与角速度Gz成比例，从 而能够以实际上已知的方式，通过根据微分方案操作的合适的读取电路来确定。有利的是，第一传感块16a_16d的特别构造使得陀螺仪1的灵敏度增加(相比于 相同的第一传感块采用其他几何形状)。尤其是，相应的重心G位于离第一弹性支撑元件 20(以及相应的离开传感器平面xy旋转的轴)一定距离处，该距离比任何矩形块相同的重心的都长，该矩形块内接(inscribe)在驱动块3的一个相同的扇形内并由沿着相同旋转轴 延伸的弹性支撑元件支撑。结果，能够获得更高的扭矩，并由此获得离开传感器平面xy的 更大的旋转运动，并且以这种方法，获得更高灵敏度的传感器。另外，存在另外的弹性锚定元件8b，位于驱动块3的外侧，使得与离开传感器平面 xy的运动有关的驱动块3的刚度增加，并且由此使得驱动运动与检测运动之间去耦的增 加。即使上述陀螺仪代表了其它已知类型的陀螺仪的一种相当可观的改进，本申请人 发现，在制造工艺简化、尺寸减小、关于电特性的效率、以及抗干扰性方面，这并不都是最优 的。

发明内容
本发明的目的是进一步改进微电子机械陀螺仪的结构，尤其关于对外应力的灵敏 度和对干扰的鲁棒性。最终，一种微电子机械结构，其特征在于包括芯片，包括衬底和框架，框架在其内限定检测区域并具有沿第一水平轴延伸的第 一侧边；驱动块，通过弹性锚定元件锚定到所述衬底，设置在所述检测区域中，并被设计成 在平面内旋转，进行围绕垂直轴的激励运动；第一对和第二对第一传感块，通过相应弹性支撑元件悬在所述驱动块内并与所述 驱动块耦合，以在所述激励运动中相对于所述驱动块固定并响应于第一角速度执行离开所 述平面的旋转检测运动；所述第一对第一传感块和所述第二对第一传感块在相应方向上对齐，相对于所述 第一水平轴具有相反符号的非零倾斜。


为了更好的理解本发明，现在通过非限定性的例子，并结合所附附图来说明优选 实施例，其中图1示出一种公知的微电子机械陀螺仪的顶视图；图2和3分别示出在存在科里奥利力的情况下，图1的陀螺仪的部分的截面图和 顶视图；图4显示了根据本发明第一实施例的微电子机械陀螺仪的顶视图；图5显示了该微电子机械陀螺仪的第二实施例的顶视图；图6显示了进一步变形的实施例的微电子机械陀螺仪的一部分，与公知的传感器 的相应部分之间的对比；以及图7显示了设置有本发明的微电子机械陀螺仪的电子装置的简化框图。
具体实施例方式下文将详细说明，本发明的一个方面构思是提供一种微电子机械陀螺仪，其传感 块设置使得能够增加传感器的灵敏度，同时总体上能够改进其电学性能。如图4所示，这里相同的附图标记用来指示与其他的已经在图1中描述的元件相似的元件，标记30所指示的微电子机械陀螺仪与图1的陀螺仪1的不同，主要是由于由 16a’ -16d’指示的第一传感块的不同设置以及由于由25a’，25b’指示的第二传感块的不同设置。更具体的，第一对第一传感块16a’、16b’在第一直径方向X1上对齐，该第一直径 方向相对于芯片2的第一水平轴χ倾斜了倾角α (以逆时针方向)，其值优选是45°。同 样的，第二对第一传感块16c’、16d’在第二直径方向X2上对齐，该第二直径方向X2与第一 直径方向X1基本垂直，并且相对于第一水平轴Χ倾斜了相同的倾角α (在这种情况中是以 相反方向，即顺时针)。因此，第一传感块16a’ -16d’在相应的直径方向上对齐，该直径方 向相对于施加俯仰角速度Ojc和翻滚角速度所围绕的俯仰轴和翻滚轴倾斜，此外，它们相 对于芯片2的边倾斜(并且相对于水平轴X，y倾斜)。另外，相对于芯片垫2d的对称轴(与第二水平轴y —致)，第一对第一传感块 16a，、16b，与相应的第二对传感块16d，、16c，对称。第二传感块25a’ -25b‘设置在由第一传感块16a’ _16d’留下的可用自由空间中， 而且，例如沿着第二水平轴y对齐(如图4所示)。因此注意到，与图1的相同块的设置相 比，图4的第一和第二传感块的设置由围绕中心0逆时针旋转倾角α得到。本发明的申请人已经发现了前述的第一和第二传感块16a，-16d，、25a，-25b‘的 设置，能够获得一系列的优点，尤其是相应的第一和第二传感电极22、23朝向芯片垫2d的 连接简化了。尤其是，在一种实际上公知的方法中(在此不做详细说明)，在电子读取接口 (electronic read interface)中的第一处理通道和到连接垫2d的相应电连接，与第一对 第一传感块16a’ -16b’相关联，而与此同时，在相同的电子读取接口，不同的第二处理通道 和到相应连接垫2d的相应电连接，与第二对第一传感块16c’-16d’相关联。本发明的申请 人已经发现，在图1所示的公知的设置里，相对于芯片2的连接垫2d，第一传感块16a-16d 的位置明显缺乏均勻性(与相同的连接垫2d的相应电连接也是这样)。实际上，相对于连 接垫2d的对称轴，这两对第一传感块16a-16d是以一种不对称的方式相互定位的，因此，需 要两个处理通道电连接的不同设计。因此，与两个检测轴(俯仰和翻滚)有关的读取性能 可能会不同，并且可能必须由电子读取接口(因而它会更复杂)补偿。代替的，图4描述的相对于连接垫2d的第一传感块16a’ _16d’的设置，使得可能 实现两个处理通道到连接垫2d的电连接基本对称(实际上，相对于连接垫2d的对称轴，这 两对第一传感块以完全对称的方式设置)。电连接的对称性，以一种实际上公知的方式，在 电特性的均勻性方面(例如，在活性电容(activecapacitance)和寄生电容或者漏泄电流 方面)和生产过程引起的参数扩散的鲁棒性(robustness)方面，能够获得相当多的优点。有利地，所述设置能够增加与第二传感块25a’ -25b‘相关的电连接的对称性，因 此，会引起相应的读取电路的电特性的均勻性的增加。特别是，第二传感块25a’-25b’的设 置保证了相对于连接垫2d的对称轴的总体结构的基本对称，因此，进一步简化电连接的设 计。图5示出了陀螺仪30的变形实施例，它与图4所示的陀螺仪的不同在于，第二传 感块25a’ -25b’沿着第一水平轴χ而不是沿着第二水平轴y对齐。在这种情况下，以前的 同样的考虑仍然适用。尤其是，这种配置能够直观地进一步增加检测结构相对于芯片垫2d的对称轴的对称性。本发明的申请人已经发现，前述的第一和第二传感块16a，-16d，、25a，-25b‘的设 置，也会允许最优地开发陀螺仪中可用于角速度检测的空间。可用于提供检测结构的区域，与由芯片2的框架2b限定的开口区域2c —致，实际 上通常具有正方形的形状(如图4和图6所示)或者矩形的形状。第一传感块16a’-16d’ 的设置在相对于框架2b的边和相对于水平轴x、y倾斜的方向，能够使第一传感块的敏感度 最大化并增加其大小，为检测利用离激励旋转轴更大的距离处的区域。更具体地，如图6所示，其以一种简化的方式表示第一传感块(例如，第一传感块 16a’ )和陀螺仪30的可用区域(开口区域2c)，在这种情况下，第一传感块16a’ _16d’的 构造能够改变以使径向可用空间的利用得到改善，直到趋近框架2b的内部边缘。以一种未 示出的方式，在这种情况下在容纳传感块的全部范围内，驱动块3的构造也改变了。尤其是，实线表示第一传感块16a’的变形实施例，在这种情况下它具有朝框架2b 的内边缘延伸的大体的长菱形(rhomboidal)形状，并且它的重心G位于离第一弹性支撑元 件20的臂be’处。在相同的图6中，纯粹为了便于在不同的解决分案之间进行比较，传统 类型的第一传感块(例如，图1所示的第一传感块16b)用虚线表示，它具有前述的径向扇 形的形状。传统类型的第一传感块16b，其重心G位于离第一弹性支撑元件20的臂be处。 示出的这两个第一传感块位于一个相同的径向距离d处，即在相应第一弹性支撑元件20和 中心0之间径向距离d。这个对照关系强调了这样一个事实，传统传感块的臂be具有比新配置中可获得 的臂be’的值明显更小的值。特别是，第一传感块16a’ -16d’的重心G’离中心0的距离的
增加能够增加由相同的第一传感块感受到的驱动速度& (假设驱动块3的旋转角相同)，
而且因此，也能够增加科里奥利力Fe’，假定这个力与驱动速度Pa成正比。此外，既然科里
奥利力Fe’施加在更大的臂be’，那么得到的扭矩的值增加了。此外，这个配置允许具有用于传感电极22，23更大的表面。总体上，这样就很清 楚，进行恰当的设计选择，这个配置能够极大增加检测灵敏度。本发明的申请人也发现，前述的第一和第二传感块16a，-16d，，25a，-25b，的设置， 能够使用电子读取接口的适当配置，获得陀螺仪30的灵敏度进一步的增加。具体地，图4和5所示的陀螺仪30具有检测轴在传感器平面xy内的特性(与第 一传感块16a’ -16d’所对齐的第一和第二直径方向χι、χ2 —致)，该检测轴相对于俯仰角速 度^^和翻滚角速度Gy所围绕的水平轴χ和y倾斜了角α。代替地，构思芯片2的组件在封装或板级别(level)旋转相应的角α，这会明显 地能够根据俯仰和翻滚的原始方向(即，水平轴χ和y)重新定位检测轴，本发明的更进一 步的方面是构思在电子读取接口级别合适地组合来自第一传感块16a’ -16d’的检测信号。 特别地，组合检测信号，从而从与第一传感块16a’ -16d’的位移相关联的电容变化，重新获 得与原始俯仰和翻滚方向(即，水平轴χ和y)对应的电压输出。具体地，有一个例子，要检测的围绕第一水平轴χ或第二水平轴y的角速度具有单 位值，这个例子可以简单考虑为Ωχ =1° /s ;Ωγ = 1° /s
并且每一对第一传感块16a’ _16d’都有单位灵敏度s
, mVη mV直观地，在传统配置的例子中(比如，图1所示的构造的例子，第一传感块16a_16d 沿着水平轴X、y对齐)，下面的电压值会在电子读取接口的输出获得Vout, x = ImV ；Vout, y = ImV在这里，V。ut,x是对应于沿着第一水平轴χ对齐的第一对第一传感块16a_16b的输 出电压，Vout, y是对应于沿着第二水平轴y对齐的第二对第一传感块16c-16d的输出电压 (在传统方案中)。尤其，正如之前说明的，围绕水平轴x、y之一的角速度(俯仰或者翻滚的)确定单 对第一传感块16a-16d(尤其关于相同水平轴对齐的一对)的电容失衡。代替的，在图4或图5所示的新配置中，围绕水平轴x、y之一的角速度(俯仰或翻 滚的)确定两对第一传感块16a’ -16b’和16c’ _16d’的电容失衡，这样它们对于沿着直径 方向X1和X2的俯仰和翻滚角速度分量敏感，这些分量对于这两对都具有非零值。给定相同 的几何形状和离第一传感块16a’ -16d’的中心0距离，在这种情况下能够得到下面的水平 轴x、y的总输出电压Vout(X =Vout(Xl +Vout(X2 =-^mV+-^mV=λ/2 ItiV
1 1 _Voutiy =Voutrxl +Voutfx2+-J^mV=^mV在这里，Vout,χ1和V。ut,x2是与分别在第一和第二直径方向Xl、X2上对齐的第一对和 第二对第一传感块16a’ -16d’分别对应的输出电压。因此，尽管关于给定角速度的单个第一传感块的电容失衡，相对于传统配置的相 应失衡，小了因子1/λ/ ，能够(通过特地配置的读取接口)总计关于相同角速度所有四个第 一传感块的贡献，并且能够实现使陀螺仪30的敏感度总的增加因子^。图7示出电子装置40，它包括之前说明的微电子机械陀螺仪30。电子装置40能 够有利地用于多种电子系统，比如惯性导航系统、自动系统、或便携式系统，例如PDA(个 人数字助理)；便携计算机；手机(cellphone)；数字音频播放器；照相机或可携式摄像机； 或能够处理、存储、传输和接收信号和信息的其他系统。电子装置40还包括驱动电路41、工作时耦合到用于给予驱动块3旋转驱动运动 的驱动组件4，并且向微电子机械结构提供偏置信号(以一种实际上已知的方式，这里不详 细展开说明)；读取电路42、工作时耦合到第一和第二传感块的传感电极22、23，用于检测 相同传感块位移量并且从而确定作用于结构的角速度；以及电子控制单元44，例如微处理 器类型的，与读取接口 42连接并且设计来基于例如检测和确定的角速度监督(supervise) 电子装置40的整体操作。特别地，读取电路42包括之前提到的电子读取接口，其设计为恰 当地组合与单独的第一传感块对应的输出信号，以如前所述增加检测灵敏度。从之前的说明可清楚的了解到本发明的微电子机械陀螺仪的优点。无论怎样，再次强调传感块的配置使得能够对可用于检测的区域的利用最优化， 并能够增加传感器的灵敏度并且改善电特性的均勻性和系统对干扰的鲁棒性。更概括地，这个配置允许改善微电子机械陀螺仪的特性和电学性能。最后，清楚的是对于这里已经描述和说明的事物能够进行的调整和改变，不会脱 离所附权利要求所限定的本发明的范围。特别地，很明显的是第一传感块的新配置能够有利地用于只是双轴的陀螺仪，即， 对偏转角速度不敏感(并且因此没有第二传感块25a’ -25b’ )。对于具体的设计要求，角α的值可能会不同于之前描述的值，并且可以是比如在 40°和50°之间。两对第一传感块16a’-16d’相对于第一水平轴χ的倾角也可能不同，在 任何情况下这两对第一传感块相对于第一水平轴χ都相反倾斜，但是在这种情况下相对于 第二水平轴y不再对称。此外，这两个直径方向X1和X2可以彼此不垂直。另外，芯片垫2d能够在不同的方向延伸，比如沿着第二水平轴y。以一种实际上公 知的方式，能够利用一种不同于电容技术的技术，比如通过检测磁力，决定传感块的位移。另外，能够以一种不同的方式，比如通过平行板电极或通过磁激励，产生用于使旋 转运动的驱动块振动的扭矩。更概括地，很明显陀螺仪的一些结构元件的配置可以不同。比如，驱动块3可以具 有不同于圆形的形状，例如总体上闭合的多边形形状，同样地，芯片2的框架2b的形状也可 以不同。可选择地，能够构思一种驱动块3的第一弹性锚定元件的不同设置(其必须在任何 情况下都能够执行驱动块与检测动作的去耦)或者第二弹性支撑元件28的不同设置(其 必须在任何情况下能实现第二类型的传感块的径向运动)。此外，能够构思与第一和第二类 型的传感块相关联的传感电极的不同配置。
权利要求
一种集成的微电子机械结构(30)，其特征在于包括芯片(2)，包括衬底(2a)和框架(2b)，框架(2b)在其内限定检测区域(2c)并具有沿第一水平轴(x)延伸的第一侧边；驱动块(3)，通过弹性锚定元件(8a，8b)锚定到所述衬底(2)，设置在所述检测区域(2c)中，并被设计成在平面(xy)内旋转，进行围绕垂直轴(z)的激励运动；第一对(16a’、16b’)和第二对(16c’、16d’)第一传感块，通过相应弹性支撑元件(20)悬在所述驱动块(3)内并与所述驱动块(3)耦合，以在所述激励运动中相对于所述驱动块(3)固定，并响应于第一角速度()执行离开所述平面(xy)的旋转检测运动；所述第一对(16a’、16b’)第一传感块和所述第二对(16c’、16d’)第一传感块在相应方向(x1，x2)上对齐，所述方向(x1，x2)相对于所述第一水平轴具有相反符号的非零倾斜。F2009102584730C00011.tif
2.根据权利要求1的所述结构，其中所述第一对(16a’、16b’)第一传感块在第一方向 (X1)对齐，所述第一方向(X1)相对于所述第一水平轴(X)倾斜一定角度(α )，并且所述第 二对(16c’、16d’ )第一传感块在第二方向(X2)对齐，所述第二方向(X2)相对于所述第一 水平轴(X)在相对侧倾斜同样的角度(α)。
3.根据权利要求2的所述结构，其中所述角度(α)的值基本上等于45°，并且所述第 一方向(X1)和所述第二方向(X2)彼此基本垂直。
4.根据权利要求1的所述结构，进一步包括多个芯片垫(2d)，其以相对于第二水平轴 (y)对称的方式沿着所述框架(2b)的第一侧边延伸；其中，所述第一对(16a’、16b’ )第一 传感块的每一个，相对于所述第二水平轴(y)，与所述第二对(16c’、16d’)第一传感块的相 应的一个对称设置。
5.根据权利要求4的所述结构，其中传感电极(22，23)与所述第一对(16a’、16b’)和 所述第二对(16c’、16d’ )第一传感块的每一个相关联，设计为形成传感电容器，以及在所 述相应传感电极(22，23)和相应的一个所述芯片垫(2d)之间的电连接；其中，与所述第一 对(16a’、16b’)第一传感块相关联的电连接，相对于所述第二水平轴(y)，和与所述第二对 (16c’、16d’ )第一传感块相关联的相应电连接，对称设置。
6.根据权利要求1的所述结构，其中，所述框架(2b)具有沿着第二水平轴(y)延伸的 第二侧边，其与所述第一侧边限定出边界；其中，所述第一对和第二对中的至少一个第一传 感块(16a’)的形状是，沿着在所述第一方向(X1)和所述第二方向(X2)之间的相应的一个 方向延伸至直到接近所述边界。
7.根据权利要求6的所述结构，其中，所述至少一个第一传感块(16a’)具有沿着所述 第一方向(X1)和所述第二方向(X2)之间的所述相应的一个方向伸长的大体长菱形形状。
8.根据权利要求1的所述结构，其中，使用时，围绕所述第一水平轴(χ)施加所述第一角速度()，所述第一水平轴U)与所述结构(30)的第一检测轴一致。χy
9.根据权利要求8的所述结构，是双轴类型的，其中，所述第一对(16a’、16b’)和第二 对(16c’、16d’ )第一传感块也设计成，响应于使用时围绕第二水平轴(y)施加的第二角速度()，执行离开所述平面(xy)的所述旋转检测运动，所述第二水平轴(y)与所述第一水平轴(χ)垂直并与所述结构(30)的第二检测轴一致。
10.根据权利要求9的所述结构，是三轴类型的，还包括一对第二传感块(25a’、25b’)， 其通过相应弹性支撑元件(28)悬在所述驱动块(3)内并与所述驱动块(3)耦合，以在所述 激励运动中相对于所述驱动块(3)固定并响应于使用时围绕所述垂直轴(ζ)施加的另外的 角速度(Ciz )在所述平面(xy)内执行线性检测运动；其中所述第二传感块(25a’，25b’ )沿着在所述第一水平轴(χ)和所述第二水平轴(y)之间的一个对齐。
11.根据权利要求1的所述结构，其中，所述框架(2b)具有大体上的正方形或长方形形 状，第一侧边与所述第一水平轴(χ)平行，第二侧边与第二水平轴(y)平行，所述第二水平 轴(y)与所述第一水平轴(χ)垂直。
12.根据权利要求1的所述结构，其中，所述驱动块(3)在中心限定出空间(6)，并通 过在所述空间(6)内延伸的第一弹性锚定元件(8a)，在设置在所述空间(6)的中心(0)的 第一锚具(7a)处，锚定到所述衬底(2)，并且通过另外的弹性锚定元件(8b)，在设置在所述 驱动块⑶外侧的另外的锚具(7b)处，锚定到所述衬底(2)；其中，配置所述弹性支撑元件 (6)和所述第一(8a)和另外的(8b)弹性锚定元件，使得所述驱动块(3)在离开所述平面 (xy)的所述旋转检测运动中，与所述第一传感块(16a’ -16d’ )去耦。
13.根据权利要求1的所述结构，其中所述第一传感块(16a’-16d’)具有这样的构造， 所述构造的重心(G’ )位于离开所述平面(xy)的所述旋转检测运动的旋转轴一定距离处， 该距离大于具有矩形形状的任意传感块的重心(G)的相应距离，所述任意传感块内接在所 述驱动块(3)内并由相应弹性支撑元件支撑，以围绕所述旋转轴旋转。
14.一种电子装置(40)，包括根据权利要求1的集成的微电子机械结构(30)，以及读取 级(42)，所述读取级(42)工作时耦合到所述结构(30)。
15.根据权利要求14的所述装置，其中，所述读取级(42)连接到所述芯片垫(2d)，以 接收来自每个所述第一传感块(16a’-16d’)的电信号，并配置成组合所述电信号并产生第 一电输出量和第二电输出量(V。ut,x，V。ut,y)，它们分别是围绕所述第一水平轴(χ)施加的第一角速度(Gx )和围绕第二水平轴(y)施加的第二角速度( )的函数，所述第二水平轴(y)垂直于所述第一水平轴(χ)。
全文摘要
本发明涉及具有旋转传动和改善的电性质的微电子机械陀螺仪，其具有芯片(2)，具有衬底(2)和框架(2b)，其内限定检测区域(2c)并具有沿第一水平轴(x)延伸的第一侧边；驱动块(3)，锚定到衬底(2)，设置在检测区域(2c)中，并设计成在平面(xy)内旋转，进行围绕垂直轴(z)的激励运动；第一对(16a’、16b’)和第二对(16c’、16d’)第一传感块，通过弹性支撑元件(20)悬在驱动块(3)内，以在激励运动中相对于驱动块(3)固定并响应第一角速度()执行离开平面(xy)的旋转检测运动；第一对(16a’、16b’)和第二对(16c’、16d’)第一传感块在方向(x1，x2)上对齐，相对于第一水平轴(x)具有相反符号的非零倾斜。
文档编号G01C19/02GK101920927SQ20091025847
公开日2010年12月22日 申请日期2009年11月26日 优先权日2008年11月26日
发明者G·卡扎尼加, L·科罗纳托, S·泽比尼 申请人:意法半导体股份有限公司