模式匹配型单一质量块双轴陀螺仪制造技术

本申请公开了模式匹配型单一质量块双轴陀螺仪，其包括共振体构件；以及藉由侧向电容性介电间隙及垂直电容性介电间隙各自耦接于该共振体构件的多个电极；其中，该多个电极之一的该侧向电容性介电间隙的宽度实质小于该多个电极的另一的该垂直电容性介电间隙的宽度。

【技术实现步骤摘要】
【专利说明】 本申请是中国专利申请号为201180066994. 1，专利技术名称为"模式匹配型单一质量 块双轴陀螺仪及制造方法"，申请日为2011年12月5日的进入中国的PCT专利申请的分案 申请。
本揭露有关于双轴陀螺仪，以及更明确地关于模式匹配型（mode-matched)单一 质量块（proof-mass)双轴陀螺仪。
技术介绍
三轴陀螺仪在如行动电话、个人导航辅助器、智能型使用者接口以及游戏控制器 等需要多维动作辨识以供精确定位的手持式装置的使用日益增加。大多数最先进的振动性 陀螺仪对于各轴的速率测量使用分离式质量块。对于各轴的速率测量具有分离式质量块使 得振动性陀螺仪的尺寸及质量增加。虽然为了减少振动性陀螺仪的尺寸及质量已做了努 力，对于使振动性陀螺仪更小以及更轻仍有持续性的需求。 因此，对于不需各轴的速率测量都要有分离式质量块的振动性陀螺仪解决方案是 有需求的。
技术实现思路
本揭露针对高频单一质量块双轴陀螺仪的设计、制造、以及特征化。所揭露在本 文普遍称为环形陀螺仪（annulusgyroscope)的中空碟型（hollow-disk)倾斜暨滚动式 (pitch-and-roll)陀螺仪在出现于大约900kHz结合环形结构（annulusstructure)的面 内（in-plane)及面外（out-of-plane)共振模式的模式匹配型条件下操作。双轴陀螺仪具 有致能面内及面外共振模式的静电频率调谐（electrostaticfrequencytuning)用以在 上覆硅绝缘体（SOI)晶圆或单晶硅（SCS)之类的基底的厚度及侧向尺寸变异之类的制程不 理想的情况下达到模式匹配（亦即，〇Hz裂频（frequencysplit))的控制电极。根据具体实 施例，本装置可分别展示127yV/deg/sec及214yV/deg/sec的x及y轴速率敏感度（rate sensitivity)。针对面内驱动及面外感测共振模式可在真空中观测到大约10,000的高品 质因子（Q)。本装置使用高深宽比结合多暨单晶娃微加工（highaspect-ratiocombined poly-andsingle-crystalsiliconmicromachining，HARPSS)制程的改良版予以实现，藉 以在与摆碟式陀螺仪（yawdiskgyroscope)整合时致能单芯片三轴式实现。 根据本揭露的一态样，单一质量块双轴陀螺仪设备包含共振体构件、至少一第一 电极以及至少一第二电极。根据具体实施例，共振体构件具有上表面以及侧表面。共振体 构件的上表面藉由第一垂直电容性气隙与第一电极分离以及共振体构件的侧表面藉由第 一侧向电容性气隙与第一电极分离。第一垂直电容性气隙实质大于第一侧向电容性气隙。 另外，共振体构件的上表面藉由第二垂直电容性气隙与第二电极分离以及共振体构件的侧 表面藉由第二侧向电容性气隙与第二电极分离。第二垂直电容性气隙实质小于第二侧向电 容性气隙。第一垂直电容性气隙以及第二侧向电容性气隙可为大约5微米（ym)。第一侧 向电容性气隙可为大约200奈米（nm)，以及第二垂直电容性气隙可为大约300奈米。 根据另一态样，制造单一质量块双轴陀螺仪设备的方法包含形成具有上表面及侧 表面的共振体构件。侧部电极（sideelectrode)藉由实质小于第一垂直电容性气隙的第 一侧向电容性气隙与共振体构件的侧表面分离。上部电极（topelectrode)藉由实质小于 第二侧向电容性气隙的第二垂直电容性气隙而形成与共振体构件的上表面分离。 根据另一态样，单一质量块、双轴陀螺仪设备包含共振体构件以及各藉由各自的 侧向电容性气隙及垂直电容性气隙电容性耦接于共振体构件的第一与第二电极。第一电极 的侧向电容性气隙之一的宽度小于第一电极的垂直电容性气隙之一的宽度。类似地，第二 电极的垂直电容性气隙之一的宽度小于第二电极的侧向电容性气隙之一的宽度。第一与第 二电极可藉由在之间引入隔离层而界定于相同位置。 根据又一态样，单一质量块双轴陀螺仪设备包含共振体构件以及各藉由侧向电容 性气隙及垂直电容性气隙电容性耦接于共振体构件的多个电极。【附图说明】 本揭露引用附图予以描述性表示并且说明，其中： 图1描述根据本揭露各种具体实施例的单一质量块、双轴陀螺仪的透视图； 图2A描述根据本揭露各种具体实施例的面内驱动共振模式的ANSYS仿真模型； 图2B描述根据本揭露各种具体实施例的面外x轴感测共振模式的ANSYS仿真模 型； 图2C描述根据本揭露各种具体实施例的面外y轴感测共振模式的ANSYS仿真模 型； 图3A描述根据本揭露具体实施例与图4D中所示共振器结构分离的侧部电极的放 大图； 图3B描述根据本揭露具体实施例与图4D中所示共振器结构分离的上部电极的放 大图； 图4A至4D为根据本揭露具体实施例制造双轴环形陀螺仪的制程的视觉表示； 图5为根据本揭露各种具体实施例描述如第3A与3B图以及第4A至4D图中所示 制造双轴环形陀螺仪的制程的流程图； 图6为根据本揭露各种具体实施例表示具有释放孔（releasehole)以及选择性 界定电极区的双轴陀螺仪的俯视透视图的SEM(扫描式电子显微镜）影像； 图7A为根据本揭露各种具体实施例的双轴陀螺仪的振动质量块（vibrating mass)及上部电极的剖面； 图7B为根据本揭露各种具体实施例的双轴陀螺仪的振动质量块（vibrating mass)及侧部电极的剖面； 图8为根据本揭露各种具体实施例对于双轴环形陀螺仪的厚度及侧向尺寸变异 的ANSYS仿真结果的图形表示； 图9为根据本揭露各种具体实施例对于双轴环形陀螺仪的所测量的感测模式可 调谐性的结果的图形表示； 图10为根据本揭露各种具体实施例对于双轴环形陀螺仪的所测量的驱动模式可 调谐性的结果的图形表示； 图11为根据本揭露各种具体实施例对于出自具有振动共振器的给定面内及面外 运动（motion)的侧部电极及上部电极的所测量的显著信号强度差异的结果的图形表示； 图12为根据本揭露各种具体实施例描述Q因子与压力之间关系的所测量结果的 图形表示；分别如图12所示针对驱动模式、x轴模式、以及y轴模式7. 2%、16. 5%、以及 15. 12%的因子变化； 图13A至13B根据本揭露各种具体实施例表示描述双轴陀螺仪的所测量的速率敏 感度的曲线图； 图14根据本揭露各种具体实施例表示描述艾伦方差（Allanvariance)测量的曲 线图； 图15A至15G描述各种示例性共振模式的ANSYS仿真模型，其中图15A、15B、15C、 和15D分别为n = 2、3、4、和5的面外模式，以及图15E、15F、和15G分别为m = 2、3、和4的 面内模式。【具体实施方式】 本文技术针对用于例如x轴及y轴的同时双轴倾斜与滚动速率感测的单一质量 块双轴陀螺仪装置的设计、制造、以及特征化。陀螺仪以一般高于现有陀螺仪一至三阶 (order)强度的频率操作。装置的高操作频率及高品质因子将布朗噪声底（Browniannoise floor)降至小于其低频对等部分（counterpart)的数当前第1页1 2 3 4 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单一质量块双轴陀螺仪设备，其包含：共振体构件；以及藉由侧向电容性介电间隙及垂直电容性介电间隙各自耦接于该共振体构件的多个电极；其中，该多个电极之一的该侧向电容性介电间隙的宽度实质小于该多个电极的另一的该垂直电容性介电间隙的宽度。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：F·阿亚兹，成王庆，M·F·扎曼，
申请(专利权)人：佐治亚科技研究公司，
类型：发明
国别省市：美国;US