对于正交误差和微机械加工不准确性具有降低的敏感性的惯性传感器制造技术

本发明专利技术涉及对于正交误差和微机械加工不准确性具有降低的敏感性的惯性传感器。对于正交误差和微机械加工不准确性的敏感性降低的惯性传感器包括结合用于感测围绕器件平面中的两条正交轴线，即敏感性轴线的旋转的、两个被专门地配置的单一轴线陀螺仪的陀螺仪，其中每一个单一轴线陀螺仪均包括具有被叉子相互连接的两个被以旋转方式颤动的梭子的共振器并且每一个梭子均被配置为沿着垂直于敏感性轴线的倾斜轴线向面外倾斜，并且包括沿着垂直于倾斜轴线，即平行于敏感性轴线的轴线定位的相应的科里奥利感测电极。该两个单一轴线陀螺仪可以被例如将叉子和/或梭子相互连接的一个或者多个同相或者反相耦合件相互连接。

【技术实现步骤摘要】
对于正交误差和微机械加工不准确性具有降低的敏感性的惯性传感器本申请是申请日为2010年7月27日，申请号为201080041359.3，专利技术名称为“对于正交误差和微机械加工不准确性具有降低的敏感性的惯性传感器”的专利技术专利申请的分案申请。
本专利技术涉及微机械加工的惯性传感器，并且更加具体地涉及对于正交误差和微机械加工不准确性，诸如用于支撑共振器梭子(shuttle)的柔性件的侧壁角度非对称性，具有降低的敏感性的惯性传感器。
技术介绍
微机械加工(MEMS)陀螺仪作为有用的商品已经变得成熟。一般而言，MEMS陀螺仪结合两个高性能MEMS器件，具体地在驱动轴线中的自调谐共振器和在感测轴线中的微型加速度传感器。陀螺仪性能除了别的以外对于诸如制造公差、封装误差、驱动、线性加速度和温度是非常敏感的。角速率感测陀螺仪的基本操作原理是熟知的并且在现有技术(例如，可在http://www.analog.com/library/analogDialogue/archives/37-03/gyro.html中获得的Geen,J.等人的NewiMEMSAngular-Rate-SensingGyroscope,AnalogDevices,Inc.,AnalogDialog37-03(2003)，通过引用其整体合并于此)中进行了描述。具有离散的块(mass)的振动感测角速率陀螺仪的原理早已被确立(见例如，Lyman，美国专利2309853和Lyman，美国专利2513340，其每一个通过引用其整体合并于此)。一般而言，振动速率陀螺仪通过振荡检测块(在这里还被称作“梭子”或者“共振器”)来工作。振荡是利用以共振频率施加到弹簧-块-阻尼系统的周期力而产生的。在共振下操作允许振荡幅度相对于所施加的力而言是大的。当陀螺仪旋转时，沿着垂直于被驱动的振荡和旋转这两者的方向在振荡中的检测块上产生科里奥利(Coriolis)加速度。科里奥利加速度的量值与振荡中的检测块的速率和旋转速率这两者成比例。能够通过感测检测块的偏转来测量所形成的科里奥利加速度。用于感测检测块的这种偏转的电和机械结构通常被称作加速度计。关于微机械加工的陀螺仪而言更加引起麻烦的制造误差之一是在柔性件的蚀刻期间产生的侧壁角度的非对称性。这趋向于交叉耦合面内(X-Y轴线)和面外(Z轴线)运动。例如，在美国专利No.5635640、5869760、6837107、6505511、6122961和6877374中描述的类型的X-Y陀螺仪中，这种非对称性能够导致所谓的“正交”干扰信号，即科里奥利加速度计与共振器移位同相的运动，所述专利的每一个通过引用其整体合并于此。在典型的生产工艺中，这个交叉耦合一般地是大约1％。非常的生产措施能够将其降低为0.1％，但是在关于高蚀刻速度(并且因此低成本)而被优化的工艺中它能够高达5％。相反，低成本消费者级陀螺仪的全标度信号通常仅仅是0.001％，并且所要求的分辨率可能是1,000倍到10,000倍地小于全标度。因此，干扰信号是比较大的并且对于陀螺仪电子设备提出了几乎不可能的动态范围要求。如在其它公开中描述地，能够通过静态修整和使用适当电极的伺服而使得正交信号无效。然而，由于伴随高速大规模生产的公差，修整的稳定性要求和伺服的动态范围仍然是非常困难的电子设备约束。带有面内(即围绕Z轴线)角振动的对称结构产生科里奥利诱发的面外倾斜(即，围绕X-Y轴线)。一般而言，由具有不良侧壁的柔性件产生的面外倾斜围绕垂直于柔性件的长尺寸的轴线。
技术实现思路
根据本专利技术的一个方面，提供一种MEMS陀螺仪，该MEMS陀螺仪包括：被配置成感测围绕器件平面中的第一轴线(例如，x轴线)旋转的第一共振器，该第一共振器包括被多个第一悬挂柔性件悬挂并且被第一叉子(fork)相互连接的第一对梭子，该多个第一悬挂柔性件被配置为允许第一对梭子在器件平面中被以旋转地方式颤动并且围绕垂直于第一轴线的相应的倾斜轴线(例如，轴线y1和y2)向面外倾斜；被配置成感测围绕器件平面中垂直于第一轴线的第二轴线(例如，y轴线)旋转的第二共振器，该第二共振器包括被多个第二悬挂柔性件悬挂并且被第二叉子相互连接的第二对梭子，该多个第二悬挂柔性件被配置为允许第二对梭子在器件平面中被以旋转地方式颤动并且围绕垂直于第二轴线的倾斜轴线(例如，轴线x2)向面外倾斜；在第一对梭子下面并且沿着平行于第一轴线的轴线(例如，轴线x1)定位以感测第一对梭子围绕它们各自的倾斜轴线(例如，轴线y1和y2)的倾斜的第一组科里奥利感测电极；和在第二对梭子下面并且沿着第一共振器倾斜轴线(例如，轴线y1和y2)定位以感测第二对梭子围绕它们的倾斜轴线(例如，轴线x2)的倾斜的第二组科里奥利感测电极。在各种替代实施例中，第一和第二共振器可以相互同相地操作或者可以相互反相地操作。悬挂柔性件可以包括至少一个细长构件和至少一个较短构件，并且每一个梭子的悬挂柔性件均可以被布置为使得细长构件平行于梭子的倾斜轴线。每一个梭子均可以在它的外周边内例如被两个悬挂柔性件和中心锚悬挂。或者，每一个梭子均可以在它的外周边外侧例如被四个悬挂柔性件悬挂。第一和第二叉子可以是基本相同的或者可以被不同地配置(例如，第一叉子可以是闭环叉子并且第二叉子可以是分裂叉子)。第一和第二共振器可以被一个或者多个耦合件机械耦合(例如，经由叉子或者经由相邻梭子)从而共振器以锁相方式操作。例如，共振器可以相互同相地操作，并且耦合件可以是同相耦合件，诸如细长杆，该细长杆不顺从于器件平面中的弯曲从而耦合沿着它的长度的平移并且顺从于面外的弯曲从而每一个共振器的倾斜运动并不有效地耦合到其它的之中(例如，悬挂柔性件围绕倾斜轴线的扭转刚度与杆耦合件和叉子的角刚度的比率在大约100到1000之间)。或者，共振器可以相互反相地操作，并且耦合件可以是反相耦合件。该陀螺仪还可以包括：被配置成以旋转方式颤动梭子的多个驱动器、被配置成感测梭子的旋转颤动运动的多个速度感测电极、在梭子下面的多个同相调节电极，和/或在梭子下面的多个正交调节电极。根据本专利技术的另一个方面，提供一种MEMS陀螺仪，该MEMS陀螺仪包括：被配置成感测围绕器件平面中的敏感性轴线旋转的共振器梭子，和被配置为允许梭子在器件平面中被以旋转方式颤动并且围绕垂直于敏感性轴线的倾斜轴线向面外倾斜的一组悬挂柔性件，其中悬挂柔性件包括至少一个细长构件和至少一个较短构件，并且其中悬挂柔性件被布置为使得细长构件平行于倾斜轴线。该陀螺仪还可以包括在梭子下面并且沿着垂直于倾斜轴线的轴线定位以感测梭子围绕倾斜轴线的倾斜的一组科里奥利感测电极。根据本专利技术的另一个方面，提供一种MEMS陀螺仪，该MEMS陀螺仪包括被配置成在器件平面中共振并且感测围绕器件平面中的第一轴线的旋转的第一共振器；被配置成在器件平面中共振并且感测在器件平面中围绕垂直于第一轴线的第二轴线的旋转的第二共振器；和将第一和第二共振器相互连接的至少一个耦合件，该至少一个耦合件被配置为锁定第一和第二共振器的共振并且基本上防止每一个共振器的面外运动转移到另一个共振器。每一个共振器均可以包括被叉子相互连接的两个梭子，并且该至少一个耦合件可以将叉子相互连接。或者，每一个共振器均可以包括被叉子相互连接的两个梭子，并且本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种MEMS陀螺仪，包括：第一共振器，所述第一共振器被配置成在器件平面中共振并且感测围绕所述器件平面中的第一轴线的旋转；第二共振器，所述第二共振器被配置成在所述器件平面中共振并且感测在所述器件平面中围绕垂直于所述第一轴线的第二轴线的旋转；和将所述第一和第二共振器相互连接的至少一个耦合件，所述至少一个耦合件被配置为锁定所述第一和第二共振器的共振并且防止每一个共振器的面外运动转移到另一个共振器。

【技术特征摘要】
2009.08.04 US 12/535,4771.一种MEMS陀螺仪，包括：第一共振器，所述第一共振器被配置成在器件平面中共振并且感测围绕所述器件平面中的第一轴线的旋转；第二共振器，所述第二共振器被配置成在所述器件平面中共振并且感测在所述器件平面中围绕垂直于所述第一轴线的第二轴线的旋转；和将所述第一和第二共振器相互连接的至少一个耦合件，所述至少一个耦合件被配置为锁定所述第一和第二共振器的共振并且防止每一个共振器的面外运动转移到另一个共振器。2.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪，其中每一个共振器均包括被叉子相互连接的两个梭子，并且其中所述至少一个耦合...

【专利技术属性】
技术研发人员：邝锦波，约翰·A·吉恩，
申请(专利权)人：美国亚德诺半导体公司，
类型：发明
国别省市：美国;US