具有改進(jìn)的正交補(bǔ)償?shù)耐勇輧x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，尤其涉及由獨立權(quán)利要求的前序部分限定的陀螺儀結(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現(xiàn)智能的機(jī)器。
[0003]MEMS結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于迅速地且精確地檢測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非常小的角位移。運(yùn)動具有六個自由度:三個正交方向上的平移和圍繞三個正交軸的旋轉(zhuǎn)。后三個可以由角速率傳感器(也被稱為陀螺儀)測量。MEMS陀螺儀使用科里奧利效應(yīng)(Cor1lis Effect)來測量角速率。當(dāng)質(zhì)量塊(mass)沿一個方向移動并且施加了旋轉(zhuǎn)角速度時，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。當(dāng)振蕩的陀螺儀經(jīng)受與主運(yùn)動的方向正交的角運(yùn)動時，產(chǎn)生波動的科里奧利力。這產(chǎn)生了與主運(yùn)動正交且與角運(yùn)動的軸正交的、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)計的基本挑戰(zhàn)在于，科里奧利力非常小，因此，生成的信號與陀螺儀中存在的其他電信號相比往往是很小的。對振動的寄生諧振和敏感性困擾許多MEMS陀螺儀設(shè)計。
[0006]陀螺儀設(shè)計中的一個挑戰(zhàn)是正交誤差運(yùn)動。在理想的陀螺儀結(jié)構(gòu)中，主振蕩和副振蕩是完全正交的。然而，在實際的裝置中存在缺陷，從而導(dǎo)致震動質(zhì)量塊的主模式移位直接耦合至陀螺儀的副模式。這種直接耦合被稱為正交誤差。角運(yùn)動信號與正交信號之間的相位差是90度，這意味著，基本上，可以用相敏解調(diào)消除正交誤差。然而，與角運(yùn)動信號相比，正交信號可以是非常大的，并且因此可能引起對于相位解調(diào)的讀出電子裝置或相位精度的不合理的動態(tài)范圍需求。
[0007]解決該誤差源的一種已知方法是在生成正交信號之前除去傳感器結(jié)構(gòu)處的誤差信號的靜電式正交抵消。為此，可以對震動質(zhì)量塊施加與主振蕩完全同相并且與副振蕩平行的靜電力。圖1示出了美國專利公布5，992，233中介紹的用于靜電式正交抑制的現(xiàn)有技術(shù)配置。圖1示出了震動檢驗質(zhì)量塊(seismic proof mass)，其中，兩個指部從該震動檢驗質(zhì)量塊的相對側(cè)突出。每個突出的指部被靜止電極的左指部和右指部圍繞，并且在每對指部中的左指部與右指部之間施加有小電壓差。在右指部與對應(yīng)的左指部之間可以施加相反的電壓電勢以使得該電壓差產(chǎn)生抵消正交誤差的平衡力。
[0008]然而，該原理不可應(yīng)用于震動質(zhì)量塊的主模式振蕩沿平面外方向的陀螺儀結(jié)構(gòu)。MEMS裝置通常是分層結(jié)構(gòu)，在該分層結(jié)構(gòu)中，陀螺儀結(jié)構(gòu)被懸掛于底層本體元件或包覆本體元件。容易理解的是，制造相關(guān)技術(shù)的圍繞靜止電極配置來以溫度穩(wěn)健的方式提供必要的補(bǔ)償電壓差會具有挑戰(zhàn)性，或者甚至是不可能的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于設(shè)計下述陀螺儀結(jié)構(gòu)，該陀螺儀結(jié)構(gòu)允許對具有在平面外方向上被激勵的一個或多個平面質(zhì)量塊的陀螺儀結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的正交補(bǔ)償。本發(fā)明的目的是通過根據(jù)獨立權(quán)利要求的特征部分所述的陀螺儀結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的。
[0010]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)包括震動質(zhì)量塊、至少一個本體元件以及使震動質(zhì)量塊懸掛于本體元件的彈簧結(jié)構(gòu)件。在主振蕩中，震動質(zhì)量塊的至少一部分在第一方向上振蕩，而在副振蕩中，震動質(zhì)量塊的至少一部分在與第一方向垂直的第二方向上移動。震動質(zhì)量塊包括沿第二方向并且沿第三方向以平面的方式延伸的表面平面。第一導(dǎo)體被布置成與震動質(zhì)量塊一起移動，并且第一導(dǎo)體包括在震動質(zhì)量塊上沿第一方向和第三方向延伸的第一表面，其中，第三方向與第一方向和第二方向垂直。第二導(dǎo)體附接至本體元件并且包括沿第一方向和第三方向延伸并且與第一表面相鄰的第二表面。電壓元件被布置成在第一表面與第二表面之間產(chǎn)生電勢差并且由此引發(fā)第二方向上的靜電力，該靜電力是通過震動質(zhì)量塊的主振蕩來調(diào)制的。
[0011]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。在從屬權(quán)利要求中公開本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
[0012]本發(fā)明基于在振蕩的震動質(zhì)量塊的側(cè)面設(shè)置平面表面以及在靜止電極的側(cè)面設(shè)置對應(yīng)的平行表面，并且將這些表面彼此相鄰地放置。然后，在這些板之間產(chǎn)生靜電力，以使得在主運(yùn)動期間，兩個表面的重疊面積改變，并且根據(jù)該改變來調(diào)制靜電力。靜電力消除了在主振蕩期間的不希望的平面內(nèi)運(yùn)動，并且震動質(zhì)量塊的振蕩變得與期望的平面外運(yùn)動準(zhǔn)確地一致。
[0013]通過下述實施例更詳細(xì)地討論本發(fā)明的其他優(yōu)點。
【附圖說明】
[0014]在下文中，將參照附圖、結(jié)合優(yōu)選實施例對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)地描述，在附圖中
[0015]圖1圖示了用于靜電式正交抑制的現(xiàn)有技術(shù)配置；
[0016]圖2A和圖2B示出了示例性微機(jī)電陀螺儀結(jié)構(gòu)；
[0017]圖3A和圖3B圖示了在與圖2B的結(jié)構(gòu)一起使用期間的電力調(diào)制；
[0018]圖4提供了示例性正交補(bǔ)償元件的俯視圖；
[0019]圖5A和圖5B圖示了不同梳狀結(jié)構(gòu)的兩個示例；
[0020]圖6圖示了用于陀螺儀結(jié)構(gòu)的另一梳狀配置；
[0021]圖7圖示了圖4的補(bǔ)償元件的立體側(cè)視圖；
[0022]圖8示出了陀螺儀結(jié)構(gòu)具有兩個震動質(zhì)量塊的實施例。
【具體實施方式】
[0023]下面的實施例是示例性的。雖然說明書可能參考“一個”(“an”或“one”)或“一些”實施例，但是這并不一定意味著每個這樣的提及針對相同的(一個或多個)實施例，或者特征僅適用于單個實施例。可以組合不同實施例的單一特征以提供另外的實施例。
[0024]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)中可以實現(xiàn)本發(fā)明的各種實施例。僅詳細(xì)描述了與說明實施例相關(guān)的元件。可以在本文中不具體描述本領(lǐng)域的技術(shù)人員通常已知的陀螺儀結(jié)構(gòu)的各種實現(xiàn)方式。
[0025]本發(fā)明可應(yīng)用于包括被配置成經(jīng)受平面外主運(yùn)動的至少一個震動質(zhì)量塊的任何陀螺儀結(jié)構(gòu)。圖2A和圖2B圖示了在本發(fā)明的說明書中應(yīng)用的基本概念和方向。圖2A和圖2B示出了包括震動質(zhì)量塊200和本體元件202的示例性微機(jī)電陀螺儀結(jié)構(gòu)。術(shù)語“震動質(zhì)量塊”在這里指的是下述質(zhì)量體，該質(zhì)量體可以懸掛于另一結(jié)構(gòu)以響應(yīng)于作用于質(zhì)量體的力而提供慣性運(yùn)動。陀螺儀結(jié)構(gòu)還包括彈簧結(jié)構(gòu)件204，該彈簧結(jié)構(gòu)件204用于將震動質(zhì)量塊200懸掛在陀螺儀的本體元件2 O 2上。本體元件可以例如由陀螺儀芯片(d i e)的底層處理晶片(handle wafer)或包覆蓋晶片(cap wafer)來提供。應(yīng)當(dāng)注意的是，對結(jié)構(gòu)晶片、處理晶片以及蓋晶片的劃分是概念上的。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯而易見的是，例如，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。震動質(zhì)量塊可以懸掛于一個或多個本體元件。
[0026]彈簧結(jié)構(gòu)件204被配置成以其使得震動質(zhì)量塊200能夠經(jīng)受平面外主振蕩的方式懸掛震動質(zhì)量塊200，在該平面外主振蕩中，震動質(zhì)量塊200的至少一部分沿第一方向I移動離開本體元件。平面外運(yùn)動可以包括震動質(zhì)量塊的旋轉(zhuǎn)振蕩，在該旋轉(zhuǎn)振蕩中，平面式震動質(zhì)量塊的相對端以蹺板式運(yùn)動的方式離開本體部且朝向該本體部扭轉(zhuǎn)。另一方面，平面外運(yùn)動可以包括震動質(zhì)量塊的線性振蕩，在該線性振蕩中，平面式震動質(zhì)量塊離開本體部且朝向該本體部線性地振動。平面外運(yùn)動還可以包括震動質(zhì)量塊的屈曲(buckling)，其中，平面式震動質(zhì)量塊在兩個平行軸之間彎曲以使得震動質(zhì)量塊的遠(yuǎn)端向一個方向移動，同時在平行軸之間震動質(zhì)量塊的近端部分向另一方向移動。
[0027]在震動質(zhì)量塊的平面外振蕩中，震動質(zhì)量塊的至少一部分移動離開本體部中的懸掛平面206。本體元件202的層可以被認(rèn)為是懸掛平面206，并且在主振蕩中，震動質(zhì)量塊的至少某一部分的速度V在本文中使用下劃線作為矢量符號)具有與懸掛平面206垂直的分量。圖2A圖示了彈簧結(jié)構(gòu)使震動質(zhì)