具有解耦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的mems傳感器的制造方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】具有解耦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的MEMS傳感器
相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0001]本申請(qǐng)要求2014年5月21日提交的標(biāo)題為“具有解耦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的MEMS傳感器(MEMS SENSOR WITH DECOUPLED DRIVE SYSTEM) ”的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?62/001，474 在 35USC 119(e)下的權(quán)益，是2013年9月30日提交的標(biāo)題為“包括導(dǎo)向質(zhì)量系統(tǒng)的微機(jī)械加工的陀螺儀(MICROMACHINED GYROSCOPE INCLUDING A ⑶IDED MASS SYSTEM) ” 的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?4/041，810 (IVS-212/5290P)的部分繼續(xù)申請(qǐng)，并且是2014年8月28日提交的標(biāo)題為“包括導(dǎo)向質(zhì)量系統(tǒng)的微機(jī)械加工的陀螺儀(MICROMACHINED GYROSCOPE INCLUDINGA GUIDED MASS SYSTEM) ” 的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?14/472，143 (IVS-147/5007C)的部分繼續(xù)申請(qǐng)，該申請(qǐng)是2011年9月16日提交的標(biāo)題為“包括導(dǎo)向質(zhì)量系統(tǒng)的微機(jī)械加工的陀螺儀(MICROMACHINED GYROSCOPE INCLUDING A GUIDED MASS SYSTEM) ” 的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?3/235，296 (IVS-147/5007P)的繼續(xù)申請(qǐng)并要求其優(yōu)先權(quán)，所有這些專(zhuān)利申請(qǐng)通過(guò)引用以其全部?jī)?nèi)容結(jié)合于此。
發(fā)明領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明總體上涉及角速度傳感器并且更具體地涉及包括導(dǎo)向質(zhì)量系統(tǒng)的角速度傳感器。
背景
[0003]角速度的感測(cè)經(jīng)常利用振動(dòng)速率陀螺儀進(jìn)行。振動(dòng)速率陀螺儀通過(guò)驅(qū)動(dòng)傳感器進(jìn)入第一運(yùn)動(dòng)和測(cè)量傳感器的第二運(yùn)動(dòng)而廣泛地起作用，傳感器響應(yīng)于第一運(yùn)動(dòng)和有待被感測(cè)的角速度兩者。
[0004]相應(yīng)地，期望的是提供克服上述問(wèn)題的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明解決了這種需要。 概述
[0005]披露了一種角速率傳感器。在第一方面，該角速率傳感器包括基板和錨定到該基板的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。該角速率傳感器還包括銷(xiāo)定到該基板的驅(qū)動(dòng)質(zhì)量和親合該驅(qū)動(dòng)質(zhì)量和該旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的元件。該角速率傳感器還包括致動(dòng)器，該致動(dòng)器用于驅(qū)動(dòng)該驅(qū)動(dòng)質(zhì)量進(jìn)入沿著與該基板共面的第一軸的振動(dòng)并且用于驅(qū)動(dòng)該旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)入圍繞與該基板垂直的第二軸的旋轉(zhuǎn)振動(dòng)；第一換能器，用于在感測(cè)模式中響應(yīng)于科里奧利力感測(cè)該旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)；以及第二換能器，用于在驅(qū)動(dòng)模式期間感測(cè)該傳感器的運(yùn)動(dòng)。
[0006]在第二方面，該角速率傳感器包括基板和與該基板平行并且通過(guò)至少第一多個(gè)柔性元件錨定到該基板的第一剪切質(zhì)量和第二剪切質(zhì)量。該角速率傳感器進(jìn)一步包括與該基板平行并且通過(guò)至少第二多個(gè)柔性元件錨定到該基板的驅(qū)動(dòng)質(zhì)量。
附圖簡(jiǎn)要描述
[0007]圖1A展示了根據(jù)本發(fā)明的單軸陀螺儀的第一實(shí)施例。
[0008]圖1B展示了根據(jù)本發(fā)明的單軸陀螺儀的第二實(shí)施例。
[0009]圖1C是圖1B的陀螺儀的簡(jiǎn)單框圖。
[0010]圖1D展示了圖1B的陀螺儀的傳遞函數(shù)Xdf/Fd和Xs/Fd的波迪圖。
[0011]圖2展示了根據(jù)本發(fā)明的單軸陀螺儀的第三實(shí)施例。
[0012]圖3展示了根據(jù)本發(fā)明的單軸陀螺儀配置的第四實(shí)施例。
[0013]圖4展示了根據(jù)本發(fā)明的單軸陀螺儀的第五實(shí)施例。
[0014]圖5展示了根據(jù)本發(fā)明的單軸陀螺儀的第六實(shí)施例。
[0015]圖6展示了根據(jù)本發(fā)明的單軸陀螺儀的第七實(shí)施例。
[0016]圖7展示了根據(jù)本發(fā)明的單軸剪切模式陀螺儀。
[0017]圖8展示了根據(jù)本發(fā)明的三軸陀螺儀的第一實(shí)施例。
[0018]圖9展示了根據(jù)本發(fā)明的三軸陀螺儀的第二實(shí)施例。
詳細(xì)描述
[0019]本發(fā)明總體上涉及角速度傳感器并且更具體地涉及包括導(dǎo)向質(zhì)量系統(tǒng)的角速度傳感器。以下描述是為了使本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠制造和使用本發(fā)明而提出的，并且是在專(zhuān)利申請(qǐng)及其要求的背景下提供的。對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的不同修改和在此描述的通用原理及特征對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員將是非常明顯的。因此，本發(fā)明不旨在受限于所示出的實(shí)施例而是旨在符合與在此描述的原理和特征相一致的最廣泛的范圍。
[0020]圖1A展示了根據(jù)本發(fā)明的單軸陀螺儀10a的第一實(shí)施例。單軸陀螺儀被布置在與基板101平行的X-Y平面中，并且包括驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)110、感測(cè)系統(tǒng)159a和耦合元件131。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)110包括驅(qū)動(dòng)質(zhì)量130、靜電致動(dòng)器109、兩個(gè)驅(qū)動(dòng)彈簧105a-b、錨定件120和兩個(gè)驅(qū)動(dòng)感測(cè)電極106a-b。驅(qū)動(dòng)彈簧105a-b和錨定件120充當(dāng)用于驅(qū)動(dòng)質(zhì)量的懸置系統(tǒng)。感測(cè)系統(tǒng)159a包括旋轉(zhuǎn)檢測(cè)質(zhì)量150a、樞軸彈簧115、錨定件140和兩個(gè)電容性感測(cè)電極151a和151b。最終，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)110和感測(cè)系統(tǒng)159a通過(guò)耦合彈簧131耦合。在實(shí)施例中，當(dāng)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量130平面外旋轉(zhuǎn)時(shí)，懸置系統(tǒng)比耦合彈簧131更有剛度。
[0021]驅(qū)動(dòng)質(zhì)量130通過(guò)彈簧元件105a_b和錨定件120耦合到基板。在單軸陀螺儀10a的驅(qū)動(dòng)操作中，靜電力通過(guò)靜電致動(dòng)器109施加到驅(qū)動(dòng)質(zhì)量130，并且在Y方向中的驅(qū)動(dòng)質(zhì)量130的運(yùn)動(dòng)由被稱(chēng)作驅(qū)動(dòng)感測(cè)電極的靜電換能器106a和106b檢測(cè)。所檢測(cè)到的驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)能夠被傳遞到有待用于在閉環(huán)操作中控制驅(qū)動(dòng)質(zhì)量130的機(jī)械振幅的電路。
[0022]雖然將貫穿本說(shuō)明書(shū)描述靜電致動(dòng)器和換能器，本領(lǐng)域的技術(shù)人員認(rèn)識(shí)到可以利用各種致動(dòng)器用于此功能并且該利用將在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。例如，這些致動(dòng)器或換能器可以是壓電的、熱的或電磁的等。
[0023]驅(qū)動(dòng)質(zhì)量130在Y方向中被靜電致動(dòng)器109在特定的頻率處驅(qū)動(dòng)，該頻率被稱(chēng)為驅(qū)動(dòng)頻率。當(dāng)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量130在Y方向中被驅(qū)動(dòng)時(shí)，圍繞Z軸的力矩和Y方向力通過(guò)耦合彈簧131被施加到旋轉(zhuǎn)檢測(cè)質(zhì)量150a。如果樞軸彈簧115在Y方向中是非常有剛度的，旋轉(zhuǎn)檢測(cè)質(zhì)量150a由于所施加的力矩圍繞平行于Z軸的軸旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)質(zhì)量130和旋轉(zhuǎn)檢測(cè)質(zhì)量150a的所描述的運(yùn)動(dòng)被稱(chēng)為驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。
[0024]當(dāng)陀螺儀10a受到在基板101的平面中并且與X方向正交的Y方向中圍繞滾動(dòng)輸入軸的角速度將導(dǎo)致科里奧利力在Z方向中的旋轉(zhuǎn)檢測(cè)質(zhì)量150a上起作用?？评飱W利力導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)檢測(cè)質(zhì)量150a平面外圍繞與X方向平行的滾動(dòng)感測(cè)軸旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)檢測(cè)質(zhì)量150a的旋轉(zhuǎn)振幅與圍繞滾動(dòng)輸入軸的角速度以及還有旋轉(zhuǎn)檢測(cè)質(zhì)量150a的機(jī)械驅(qū)動(dòng)振幅成比例。放置在旋轉(zhuǎn)檢測(cè)質(zhì)量150a下的基板101上的電容感測(cè)電極151a和151b用于檢測(cè)圍繞滾動(dòng)感測(cè)軸的旋轉(zhuǎn)檢測(cè)質(zhì)量150a的旋轉(zhuǎn)。此旋轉(zhuǎn)提供了圍繞滾動(dòng)輸入軸的角速度的測(cè)量。雖然給出電容性電極151a和151b作為換能器以檢測(cè)圍繞滾動(dòng)感測(cè)軸的旋轉(zhuǎn)檢測(cè)質(zhì)量150a的旋轉(zhuǎn)，在本發(fā)明中可以利用各種類(lèi)型的換能器。例如，電容性電極151a_b也可以是壓電的或光的等，并且其使用將在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。
[0025]如在圖1A和圖1B中給出的，驅(qū)動(dòng)質(zhì)量130從旋轉(zhuǎn)檢測(cè)質(zhì)量150a分離并且靜電致動(dòng)器109附接到驅(qū)動(dòng)質(zhì)量130。這個(gè)方法的益處是消除靜電致動(dòng)器109在旋轉(zhuǎn)檢測(cè)質(zhì)量150a上的非理想狀態(tài)的影響。靜電致動(dòng)器的非理想狀態(tài)可以歸因于制造不完美，如在深反應(yīng)離子蝕刻期間的側(cè)壁角度或歸因于環(huán)境效應(yīng)的內(nèi)在應(yīng)力。
[0026]作為示例，由非理想的靜電致動(dòng)器產(chǎn)生的靜電力可以不僅在平面內(nèi)也可以在平面夕卜，平面外的非理想的力會(huì)導(dǎo)致不想要的平面外的運(yùn)動(dòng)和圍繞其靈敏軸的旋轉(zhuǎn)檢測(cè)質(zhì)量150a的旋轉(zhuǎn)。圍繞其靈敏軸的旋轉(zhuǎn)檢測(cè)質(zhì)量150a的不想要的旋轉(zhuǎn)將導(dǎo)致能夠被電容性感測(cè)電極151a_b檢測(cè)的錯(cuò)誤的運(yùn)動(dòng)，其結(jié)果是導(dǎo)致角速度測(cè)量中的錯(cuò)誤。
[0027]從另一方面來(lái)說(shuō)，在圖1A和圖1B中，驅(qū)動(dòng)質(zhì)量130通過(guò)在Z方向中非常有剛度的彈簧105a-b耦合到錨定件120。其結(jié)果是，由于致動(dòng)器109的非理想的平面外靜電力的驅(qū)動(dòng)質(zhì)量130的運(yùn)動(dòng)被最小化。結(jié)果是，非理想的力不被傳遞到檢測(cè)質(zhì)量150a，并且減少了測(cè)量錯(cuò)誤。
[0028]在圖1A中，耦合彈簧131用于將驅(qū)動(dòng)質(zhì)量130的線性Y方向運(yùn)動(dòng)傳遞到檢測(cè)質(zhì)量150a的旋轉(zhuǎn)，能夠使得在Y方向非常有剛度，但是作為用于圍繞Z軸或扭力彈簧旋轉(zhuǎn)的樞軸。在實(shí)施例1OOa中，將彎曲件用作耦合彈簧131可以是滿足那些順應(yīng)條件的選項(xiàng)。
[0029]如果耦合彈簧131在Y方向中被做得非常有剛度，但是充當(dāng)圍繞Z軸旋轉(zhuǎn)的樞軸，整個(gè)單軸陀螺儀10a將充當(dāng)在驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)中的單自由度(DOF)機(jī)械系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)質(zhì)量130的Y方向運(yùn)動(dòng)被轉(zhuǎn)換到檢測(cè)質(zhì)量150a圍繞平行于Z方向的軸的平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)。檢測(cè)質(zhì)量150的旋轉(zhuǎn)量取決于耦合彈簧的長(zhǎng)度與相對(duì)于檢測(cè)質(zhì)量旋轉(zhuǎn)中心的檢測(cè)質(zhì)量150a的旋轉(zhuǎn)半徑的比例。Y方向運(yùn)動(dòng)取決于該比例或者被放大或者被衰減。此外，驅(qū)動(dòng)感測(cè)電極106a-b能夠在不影響閉環(huán)驅(qū)動(dòng)操作的情況下被放置在驅(qū)動(dòng)質(zhì)量130上。
[0030]圖1B展示了根據(jù)本發(fā)明的單軸陀螺儀的第二實(shí)施例。在圖1B展示的實(shí)施例中，耦合彈簧131在Y方向中是順應(yīng)的并且能夠被設(shè)計(jì)為使得單軸陀螺儀10b用作在驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)中的二 DOF系統(tǒng)。在那個(gè)配置中，感測(cè)系統(tǒng)159b能夠被設(shè)計(jì)為驅(qū)動(dòng)質(zhì)量130的減震器。其結(jié)果是，在驅(qū)