具有解耦驱动系统的mems传感器的制造方法
【专利说明】具有解耦驱动系统的MEMS传感器
相关申请的交叉引用
[0001]本申请要求2014年5月21日提交的标题为“具有解耦驱动系统的MEMS传感器(MEMS SENSOR WITH DECOUPLED DRIVE SYSTEM) ”的美国临时专利申请号 62/001，474 在 35USC 119(e)下的权益，是2013年9月30日提交的标题为“包括导向质量系统的微机械加工的陀螺仪(MICROMACHINED GYROSCOPE INCLUDING A ⑶IDED MASS SYSTEM) ” 的美国专利申请号14/041，810 (IVS-212/5290P)的部分继续申请，并且是2014年8月28日提交的标题为“包括导向质量系统的微机械加工的陀螺仪(MICROMACHINED GYROSCOPE INCLUDINGA GUIDED MASS SYSTEM) ” 的美国专利申请号 14/472，143 (IVS-147/5007C)的部分继续申请，该申请是2011年9月16日提交的标题为“包括导向质量系统的微机械加工的陀螺仪(MICROMACHINED GYROSCOPE INCLUDING A GUIDED MASS SYSTEM) ” 的美国专利申请号13/235，296 (IVS-147/5007P)的继续申请并要求其优先权，所有这些专利申请通过引用以其全部内容结合于此。
发明领域
[0002]本发明总体上涉及角速度传感器并且更具体地涉及包括导向质量系统的角速度传感器。
背景
[0003]角速度的感测经常利用振动速率陀螺仪进行。振动速率陀螺仪通过驱动传感器进入第一运动和测量传感器的第二运动而广泛地起作用，传感器响应于第一运动和有待被感测的角速度两者。
[0004]相应地，期望的是提供克服上述问题的系统和方法。本发明解决了这种需要。 概述
[0005]披露了一种角速率传感器。在第一方面，该角速率传感器包括基板和锚定到该基板的旋转结构。该角速率传感器还包括销定到该基板的驱动质量和親合该驱动质量和该旋转结构的元件。该角速率传感器还包括致动器，该致动器用于驱动该驱动质量进入沿着与该基板共面的第一轴的振动并且用于驱动该旋转结构进入围绕与该基板垂直的第二轴的旋转振动；第一换能器，用于在感测模式中响应于科里奥利力感测该旋转结构的运动；以及第二换能器，用于在驱动模式期间感测该传感器的运动。
[0006]在第二方面，该角速率传感器包括基板和与该基板平行并且通过至少第一多个柔性元件锚定到该基板的第一剪切质量和第二剪切质量。该角速率传感器进一步包括与该基板平行并且通过至少第二多个柔性元件锚定到该基板的驱动质量。
附图简要描述
[0007]图1A展示了根据本发明的单轴陀螺仪的第一实施例。
[0008]图1B展示了根据本发明的单轴陀螺仪的第二实施例。
[0009]图1C是图1B的陀螺仪的简单框图。
[0010]图1D展示了图1B的陀螺仪的传递函数Xdf/Fd和Xs/Fd的波迪图。
[0011]图2展示了根据本发明的单轴陀螺仪的第三实施例。
[0012]图3展示了根据本发明的单轴陀螺仪配置的第四实施例。
[0013]图4展示了根据本发明的单轴陀螺仪的第五实施例。
[0014]图5展示了根据本发明的单轴陀螺仪的第六实施例。
[0015]图6展示了根据本发明的单轴陀螺仪的第七实施例。
[0016]图7展示了根据本发明的单轴剪切模式陀螺仪。
[0017]图8展示了根据本发明的三轴陀螺仪的第一实施例。
[0018]图9展示了根据本发明的三轴陀螺仪的第二实施例。
详细描述
[0019]本发明总体上涉及角速度传感器并且更具体地涉及包括导向质量系统的角速度传感器。以下描述是为了使本领域普通技术人员能够制造和使用本发明而提出的，并且是在专利申请及其要求的背景下提供的。对优选实施例的不同修改和在此描述的通用原理及特征对本领域的技术人员将是非常明显的。因此，本发明不旨在受限于所示出的实施例而是旨在符合与在此描述的原理和特征相一致的最广泛的范围。
[0020]图1A展示了根据本发明的单轴陀螺仪10a的第一实施例。单轴陀螺仪被布置在与基板101平行的X-Y平面中，并且包括驱动系统110、感测系统159a和耦合元件131。驱动系统110包括驱动质量130、静电致动器109、两个驱动弹簧105a-b、锚定件120和两个驱动感测电极106a-b。驱动弹簧105a-b和锚定件120充当用于驱动质量的悬置系统。感测系统159a包括旋转检测质量150a、枢轴弹簧115、锚定件140和两个电容性感测电极151a和151b。最终，驱动系统110和感测系统159a通过耦合弹簧131耦合。在实施例中，当驱动质量130平面外旋转时，悬置系统比耦合弹簧131更有刚度。
[0021]驱动质量130通过弹簧元件105a_b和锚定件120耦合到基板。在单轴陀螺仪10a的驱动操作中，静电力通过静电致动器109施加到驱动质量130，并且在Y方向中的驱动质量130的运动由被称作驱动感测电极的静电换能器106a和106b检测。所检测到的驱动运动能够被传递到有待用于在闭环操作中控制驱动质量130的机械振幅的电路。
[0022]虽然将贯穿本说明书描述静电致动器和换能器，本领域的技术人员认识到可以利用各种致动器用于此功能并且该利用将在本发明的精神和范围内。例如，这些致动器或换能器可以是压电的、热的或电磁的等。
[0023]驱动质量130在Y方向中被静电致动器109在特定的频率处驱动，该频率被称为驱动频率。当驱动质量130在Y方向中被驱动时，围绕Z轴的力矩和Y方向力通过耦合弹簧131被施加到旋转检测质量150a。如果枢轴弹簧115在Y方向中是非常有刚度的，旋转检测质量150a由于所施加的力矩围绕平行于Z轴的轴旋转。驱动质量130和旋转检测质量150a的所描述的运动被称为驱动运动。
[0024]当陀螺仪10a受到在基板101的平面中并且与X方向正交的Y方向中围绕滚动输入轴的角速度将导致科里奥利力在Z方向中的旋转检测质量150a上起作用。科里奥利力导致旋转检测质量150a平面外围绕与X方向平行的滚动感测轴旋转。旋转检测质量150a的旋转振幅与围绕滚动输入轴的角速度以及还有旋转检测质量150a的机械驱动振幅成比例。放置在旋转检测质量150a下的基板101上的电容感测电极151a和151b用于检测围绕滚动感测轴的旋转检测质量150a的旋转。此旋转提供了围绕滚动输入轴的角速度的测量。虽然给出电容性电极151a和151b作为换能器以检测围绕滚动感测轴的旋转检测质量150a的旋转，在本发明中可以利用各种类型的换能器。例如，电容性电极151a_b也可以是压电的或光的等，并且其使用将在本发明的精神和范围内。
[0025]如在图1A和图1B中给出的，驱动质量130从旋转检测质量150a分离并且静电致动器109附接到驱动质量130。这个方法的益处是消除静电致动器109在旋转检测质量150a上的非理想状态的影响。静电致动器的非理想状态可以归因于制造不完美，如在深反应离子蚀刻期间的侧壁角度或归因于环境效应的内在应力。
[0026]作为示例，由非理想的静电致动器产生的静电力可以不仅在平面内也可以在平面夕卜，平面外的非理想的力会导致不想要的平面外的运动和围绕其灵敏轴的旋转检测质量150a的旋转。围绕其灵敏轴的旋转检测质量150a的不想要的旋转将导致能够被电容性感测电极151a_b检测的错误的运动，其结果是导致角速度测量中的错误。
[0027]从另一方面来说，在图1A和图1B中，驱动质量130通过在Z方向中非常有刚度的弹簧105a-b耦合到锚定件120。其结果是，由于致动器109的非理想的平面外静电力的驱动质量130的运动被最小化。结果是，非理想的力不被传递到检测质量150a，并且减少了测量错误。
[0028]在图1A中，耦合弹簧131用于将驱动质量130的线性Y方向运动传递到检测质量150a的旋转，能够使得在Y方向非常有刚度，但是作为用于围绕Z轴或扭力弹簧旋转的枢轴。在实施例1OOa中，将弯曲件用作耦合弹簧131可以是满足那些顺应条件的选项。
[0029]如果耦合弹簧131在Y方向中被做得非常有刚度，但是充当围绕Z轴旋转的枢轴，整个单轴陀螺仪10a将充当在驱动运动中的单自由度(DOF)机械系统。驱动质量130的Y方向运动被转换到检测质量150a围绕平行于Z方向的轴的平面内旋转。检测质量150的旋转量取决于耦合弹簧的长度与相对于检测质量旋转中心的检测质量150a的旋转半径的比例。Y方向运动取决于该比例或者被放大或者被衰减。此外，驱动感测电极106a-b能够在不影响闭环驱动操作的情况下被放置在驱动质量130上。
[0030]图1B展示了根据本发明的单轴陀螺仪的第二实施例。在图1B展示的实施例中，耦合弹簧131在Y方向中是顺应的并且能够被设计为使得单轴陀螺仪10b用作在驱动运动中的二 DOF系统。在那个配置中，感测系统159b能够被设计为驱动质量130的减震器。其结果是，在驱