改進(jìn)的陀螺儀結(jié)構(gòu)和陀螺儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微機(jī)電裝置，具體涉及在獨(dú)立權(quán)利要求的前序部分中限定的陀螺儀結(jié)構(gòu)和陀螺儀。
【背景技術(shù)】
[0002]微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical Systems)或MEMS可以被定義為其中至少一些元件具有機(jī)械功能的小型化機(jī)械和機(jī)電系統(tǒng)。由于利用用于創(chuàng)建集成電路的相同工具來創(chuàng)建MEMS裝置，因此可以在相同的硅片上制造微機(jī)械元件和微電子元件以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的
目.0
[0003]MEMS結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于迅速地且精確地檢測(cè)物理性能的非常小的變化。例如，微機(jī)電陀螺儀可以應(yīng)用于迅速地且精確地檢測(cè)非常小的角位移。運(yùn)動(dòng)具有六個(gè)自由度:三個(gè)正交方向上的平移和圍繞三個(gè)正交軸的旋轉(zhuǎn)。后三個(gè)可以由角速率傳感器(也稱為陀螺儀)測(cè)量。MEMS陀螺儀使用科里奧利效應(yīng)(Cor1lis Effect)來測(cè)量角速率。當(dāng)質(zhì)量塊(mass)沿一個(gè)方向移動(dòng)并且施加了旋轉(zhuǎn)角速度時(shí)，質(zhì)量塊由于科里奧利力(Cor1lis force)而經(jīng)受正交方向上的力。然后，可以從例如電容式、壓電式或壓阻式感測(cè)結(jié)構(gòu)讀取由科里奧利力引起的最后所得到的物理位移。
[0004]由于缺少適當(dāng)?shù)闹С?，在MEMS陀螺儀中，主運(yùn)動(dòng)通常不像在常規(guī)陀螺儀中那樣為連續(xù)旋轉(zhuǎn)。替代地，機(jī)械振蕩可以用作主運(yùn)動(dòng)。當(dāng)振蕩的陀螺儀經(jīng)受與主運(yùn)動(dòng)的方向正交的角運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生波動(dòng)的科里奧利力。這產(chǎn)生了與主運(yùn)動(dòng)正交且與角運(yùn)動(dòng)的軸正交的、并且處于主振蕩的頻率下的副振蕩(secondary oscillat1n)。這種親合振蕩的振幅可以用作角速率的度量。
[0005]陀螺儀是非常復(fù)雜的慣性MEMS傳感器。陀螺儀設(shè)計(jì)的基本挑戰(zhàn)在于，科里奧利力非常小，因此，生成的信號(hào)與陀螺儀中存在的其他電信號(hào)相比往往是很小的。對(duì)振動(dòng)的假信號(hào)響應(yīng)和敏感性困擾許多MEMS陀螺儀設(shè)計(jì)。
[0006]在先進(jìn)的現(xiàn)有技術(shù)MEMS陀螺儀設(shè)計(jì)中，外部施加的角速度被配置成引起兩個(gè)平行定位的平面震動(dòng)質(zhì)量塊(seismic mass)繞共同旋轉(zhuǎn)軸的反相運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)可以用放置在震動(dòng)質(zhì)量塊的平面上方的電極來檢測(cè)。對(duì)于特定現(xiàn)有技術(shù)配置的明確的振蕩方向，主模式振蕩和檢測(cè)模式振蕩有效地保持分開。使得提供了對(duì)外部沖擊高度不敏感的穩(wěn)固的傳感器結(jié)構(gòu)。
[0007]通常固定至襯底或固定至功能層的罩或蓋包圍MEMS陀螺儀結(jié)構(gòu)，從而形成保護(hù)MEMS陀螺儀免受外部條件影響的殼體。然而，MEMS的挑戰(zhàn)在于提供不對(duì)結(jié)構(gòu)的可移動(dòng)部分的移動(dòng)進(jìn)行限制的環(huán)境保護(hù)。例如，在以上現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)中，震動(dòng)質(zhì)量塊和激勵(lì)結(jié)構(gòu)在封入處理晶片(handle wafer)與蓋晶片(cap wafer)之間的結(jié)構(gòu)晶片中。傳統(tǒng)的加速計(jì)和陀螺儀由于其不與外部世界機(jī)械接觸而已經(jīng)被認(rèn)為是最簡單的MEMS封裝件之一。然而，在以上現(xiàn)有技術(shù)的陀螺儀結(jié)構(gòu)中，已經(jīng)將感測(cè)電極以圖案的形式形成至蓋晶片。由于不能使用傳統(tǒng)的環(huán)氧注塑工藝，這使得該結(jié)構(gòu)更易受與設(shè)計(jì)尺寸的偏差的影響，并且增加了傳感器封裝的復(fù)雜性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)下述陀螺儀結(jié)構(gòu)，該陀螺儀結(jié)構(gòu)提供了已實(shí)現(xiàn)的、改進(jìn)水平的對(duì)外部沖擊的精確性和不敏感性但對(duì)與設(shè)計(jì)的尺寸的偏差不太敏感。本發(fā)明的目的是采用根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求的特征部分所述的陀螺儀結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的。
[0009]權(quán)利要求限定了微機(jī)電陀螺儀結(jié)構(gòu)，該微機(jī)電陀螺儀結(jié)構(gòu)包括平面式第一震動(dòng)質(zhì)量塊、平面式第二震動(dòng)質(zhì)量塊以及用于將第一震動(dòng)質(zhì)量塊和第二震動(dòng)質(zhì)量塊在另一本體元件上懸掛于平行位置的第一彈簧結(jié)構(gòu)件，其中，第一震動(dòng)質(zhì)量塊的平面和第二震動(dòng)質(zhì)量塊的平面形成參考質(zhì)量塊平面。微機(jī)電陀螺儀結(jié)構(gòu)還包括激勵(lì)裝置和檢測(cè)裝置。第一彈簧結(jié)構(gòu)件包括在第一震動(dòng)質(zhì)量塊的平面內(nèi)的第一錨定點(diǎn)和附接至第一錨定點(diǎn)和第一震動(dòng)質(zhì)量塊的第一彈簧組件，該第一錨定點(diǎn)用于將第一震動(dòng)質(zhì)量塊附接至另一本體元件，該第一彈簧組件使得第一震動(dòng)質(zhì)量塊能夠繞質(zhì)量塊平面內(nèi)的第一激勵(lì)軸旋轉(zhuǎn)振蕩。第一彈簧結(jié)構(gòu)件包括第二錨定點(diǎn)和第二彈簧組件，該第二錨定點(diǎn)位于第二震動(dòng)質(zhì)量塊的平面內(nèi)以將第二震動(dòng)質(zhì)量塊附接至另一本體元件，該第二彈簧組件附接至第二錨定點(diǎn)和第二震動(dòng)質(zhì)量塊，其中，該第二彈簧組件使得第二震動(dòng)質(zhì)量塊能夠繞質(zhì)量塊平面內(nèi)的第二激勵(lì)軸旋轉(zhuǎn)振蕩。第一激勵(lì)軸和第二激勵(lì)軸對(duì)準(zhǔn)成共同主軸。
[0010]第一彈簧組件還使得第一震動(dòng)質(zhì)量塊能夠繞與質(zhì)量塊平面垂直的第一檢測(cè)軸旋轉(zhuǎn)振蕩，并且第二彈簧組件還使得第二震動(dòng)質(zhì)量塊能夠繞與質(zhì)量塊平面垂直的第二檢測(cè)軸旋轉(zhuǎn)振蕩。第一檢測(cè)軸和第二檢測(cè)軸間隔了非零距離。
[0011]激勵(lì)裝置被配置成驅(qū)動(dòng)第一震動(dòng)質(zhì)量塊和第二震動(dòng)質(zhì)量塊繞共同主軸振蕩。檢測(cè)裝置被配置成檢測(cè)第一震動(dòng)質(zhì)量塊繞第一檢測(cè)軸的旋轉(zhuǎn)振蕩以及第二震動(dòng)質(zhì)量塊繞第二檢測(cè)軸的旋轉(zhuǎn)振蕩。
[0012]檢測(cè)裝置包括具有平面內(nèi)檢測(cè)梳的至少一個(gè)檢測(cè)器元件，該平面內(nèi)檢測(cè)梳包括定子梳和轉(zhuǎn)子梳。檢測(cè)裝置還包括第二彈簧結(jié)構(gòu)件，該第二彈簧結(jié)構(gòu)件用于將第一震動(dòng)質(zhì)量塊的旋轉(zhuǎn)振蕩或第二震動(dòng)質(zhì)量塊的旋轉(zhuǎn)振蕩轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫鎯?nèi)檢測(cè)梳在質(zhì)量塊平面內(nèi)沿與共同主軸平行的方向的線性振蕩。
[0013]權(quán)利要求還限定了包括微機(jī)電陀螺儀結(jié)構(gòu)的陀螺儀。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例在從屬權(quán)利要求中公開。
[0014]本發(fā)明基于應(yīng)用兩個(gè)平面式震動(dòng)質(zhì)量塊的主運(yùn)動(dòng)模式和輔助運(yùn)動(dòng)模式的新組合。在主運(yùn)動(dòng)中，震動(dòng)質(zhì)量塊被激勵(lì)為繞共同主軸進(jìn)行反相旋轉(zhuǎn)振蕩。每個(gè)震動(dòng)質(zhì)量塊的輔助運(yùn)動(dòng)包括繞與由震動(dòng)質(zhì)量塊形成的平面垂直的檢測(cè)軸的平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)振蕩。兩個(gè)震動(dòng)質(zhì)量塊的檢測(cè)軸因此平行但間隔了一定距離。震動(dòng)質(zhì)量塊的平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)被轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^電容性梳狀結(jié)構(gòu)檢測(cè)的線性振蕩，電容性梳狀結(jié)構(gòu)的操作對(duì)由封裝工藝或由對(duì)封裝的環(huán)境改變所引起的變形不太敏感。感測(cè)模式的線性振蕩實(shí)現(xiàn)了更高的信號(hào)電平以及使得更容易實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)。
[0015]通過下述實(shí)施例更詳細(xì)地討論本發(fā)明的另外的優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0016]在下文中，將參照附圖、結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)地描述，在附圖中
[0017]圖1示出了陀螺儀結(jié)構(gòu)的實(shí)施例；以及
[0018]圖2示出了包括陀螺儀結(jié)構(gòu)的陀螺儀的元件。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面的實(shí)施例是示例性的。雖然說明書可提及“一個(gè)”(“an”或“one”)或“一些”實(shí)施例，但是這并不一定意味著每個(gè)這樣的提及針對(duì)相同的(一個(gè)或多個(gè))實(shí)施例，或者特征僅適用于單個(gè)實(shí)施例?？梢越M合不同實(shí)施例的單一特征以提供另外的實(shí)施例。
[0020]在下文中，將以裝置架構(gòu)為簡單示例來描述本發(fā)明的特征，在該裝置架構(gòu)中可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的各種實(shí)施例。僅詳細(xì)描述了與說明實(shí)施例相關(guān)的元件?？稍诒疚闹胁痪唧w描述本領(lǐng)域的技術(shù)人員通常已知的陀螺儀結(jié)構(gòu)的各種實(shí)現(xiàn)方式。
[0021 ]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的陀螺儀結(jié)構(gòu)的實(shí)施例，該陀螺儀結(jié)構(gòu)具有MEMS陀螺儀的結(jié)構(gòu)晶片的元件。陀螺儀結(jié)構(gòu)包括第一震動(dòng)質(zhì)量塊100和第二震動(dòng)質(zhì)量塊102。術(shù)語“震動(dòng)質(zhì)量塊”在這里指的是可以懸掛于基部以提供慣性運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量體。第一震動(dòng)質(zhì)量塊100和第二震動(dòng)質(zhì)量塊102可以具有平面形狀。這意味著震動(dòng)質(zhì)量塊100、102的體積的至少一部分沿著二維(長度、寬度)的平面延伸并且在其中形成平面表面。在容差范圍內(nèi)，震動(dòng)質(zhì)量塊100、102的平面表面可以被認(rèn)為包括將平面表面上的任意兩點(diǎn)連接的所有直線。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，該表面可以包括以圖案的形式形成在震動(dòng)質(zhì)量塊上的較小突出部或者以圖案的形式形成在震動(dòng)質(zhì)量塊中的凹部。
[0022]陀螺儀結(jié)構(gòu)還包括第一彈簧結(jié)構(gòu)件104，該第一彈簧結(jié)構(gòu)件104用于第一震動(dòng)質(zhì)量塊100和第二震動(dòng)質(zhì)量塊102懸掛于陀螺儀的另一本體元件。另一本體元件可以例如陀螺儀芯片(die)的底層處理晶片或包覆蓋晶片來提供。應(yīng)當(dāng)注意的是，對(duì)結(jié)構(gòu)晶片、處理晶片以及蓋晶片的劃分是概念上的。例如，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯而易見的是，處理晶片和結(jié)構(gòu)晶片可以分離地或與分層的硅-絕緣體-硅襯底組合而以圖案的形式形成。第一彈簧結(jié)構(gòu)件104可以被構(gòu)造