增强抑制加速度噪声的微机电陀螺仪制造技术

本发明专利技术涉及增强抑制加速度噪声的微机电陀螺仪。一种一体式微机电结构(30；30’；30”)具有：驱动质量块(3)，通过弹性锚固元件(8a、8b)与基体(2a)锚固，并设计为在平面(xy)内由驱动运动致动；以及第一敏感质量块(15a；15a’)和第二敏感质量块(15b；15b’)，悬浮在所述驱动质量块(3)内并通过各个弹性支撑元件(18)与其联接，从而在所述驱动运动中与所述驱动质量块固定并响应于角速度执行各自的检测运动。尤其，第一敏感质量块(15a；15a’)和第二敏感质量块(15b；15b’)通过弹性联接元件(32a，32b)连接在一起，从而构造成将它们的振动模式耦合在一起。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种微机电结构，尤其涉及一种对偏航角加速度敏感的陀螺仪，该微机电结构具有增强的机械特性，在抑制加速度噪声方面尤为如此。
技术介绍
我们都知道，显微机械加工技术可以在半导体材料层中制造微机电结构或系统(MEMS)，半导体材料层淀积在(例如，多晶硅层)或者生长在(例如，外延层)牺牲层上，该牺牲层通过化学刻蚀的方法被去除。采用这种技术构造的惯性传感器、加速度计以及陀螺仪例如在汽车领域、惯性导航或便携式装置的部件中取得了逐步的成功。尤其，本领域技术人员熟知的是采用MEMS技术构造的由半导体材料制成的一体式陀螺仪。这些陀螺仪利用科里奥利(Coriolis)加速度基于相对加速度定理而工作。当向以线速度运动的移动质量块施加角速度时，移动质量块“感觉”到一个明显的力，称之为“科里奥利力”，该力决定移动质量块在与该线速度的方向垂直且与施加角速度所围绕的轴线垂直的方向上的位移。移动质量块由能够使其在该明显的力的方向上发生位移的弹簧支撑。基于虎克定律(Hooke’s law)，该位移与该明显的力成比例，因此，从移动质量块的位移有可能检测科里奥利力以及产生该力的角速度值。例如，可以通过在共振条件下确定由移动电极的运动引起的电容变化来电容性地检测移动质量块的位移，该移动电极相对于移动质量块固定，并且为具有固定电极的梳指。由本申请人申请的欧洲专利申请EP-A-1832841以及美国专利申请US2009/0064780和US2009/0100930披露了一种具有旋转驱动运动并对偏航角速度敏感的微机电一体式传感器。该微机电传感器包括一个单个驱动质量块，与基体锚固并由旋转运动致动。通孔提供在该驱动质量块内，相应的敏感质量块设在该通孔内；敏感质量块封装在驱动质量块的总尺寸内，并相对基体悬浮，并通过弹性元件与驱动质量块连接。在旋转运动期间，每个敏感质量块相对于驱动质量块固定，并且具有更大的运动自由度，该运动自由度随作用在该传感器上的外应力(特别是科里奥利力)而变。由于弹性元件特定的结构，它们可以使敏感质量块响应于科里奥利加速度而在属于传感器平面的径向方向上执行检测的线性运动。这种检测运动基本上与驱动质量块的致动运动是解耦的。微机电结构，除了紧凑(关于设想单个驱动质量块在其总尺寸内封装多个敏感质量块)外，还可以通过微小的结构更改而获得单轴陀螺仪、双轴陀螺仪或者三轴陀螺仪(根据实施的电连接，和/或可能是加速度计)，同时保证与来自检测动态的驱动动态的极好的解耦性。图1表示的是根据前述专利申请中所包含教导的用1表示的单轴微机电陀螺仪的示例性实施例。陀螺仪1提供在冲模(die)2中，该冲模2包括框架2b和由半导体材料(例如硅)制成的基体2a；框架2b在其内限定有开口区域2c，其重叠在基体2a上并被设计为封装陀-->螺仪1的检测结构(正如下面详细描述的)。在由第一水平轴线x和第二水平轴线y定义的水平平面内(在下文中，指传感器平面xy)，开口区域2c具有大体正方形或者矩形结构，该第一水平轴线x和第二水平轴线y相对于该冲模2是固定的；框架2b具有与水平轴线x、y基本平行的边。冲模垫(die pad)2d沿着框架2b的一边布置，例如沿着第一水平轴线x排列。以一种未示出的方式，冲模垫2d可以使得陀螺仪1的检测结构与外部电接触。陀螺仪1包括驱动结构，其封装在开口区域2c内并由驱动质量块3和驱动组件4构成。驱动质量块3例如具有径向对称的大体圆形构造，该构造基本为平面结构，在传感器平面xy上具有主尺寸，在与竖直轴线z平行的方向上具有相对于主尺寸的可忽略尺寸，竖直轴线z与第一和第二水平轴线x、y一起构成相对于冲模2固定的一组三个正交轴线。驱动质量块3以中空空间6为中心设置，空间6的中心O与整个结构的质心以及对称中心相重合。驱动质量块3通过设置在中心O的第一锚固点7a与基体2a锚固，它通过第一弹性锚固元件8a与第一锚固点7a连接。驱动质量块3可以通过设置在同一驱动质量块3外部的另外的锚固点(未示出)与基体2a锚固，该驱动质量块通过例如折叠形的另外的弹性锚固元件(未示出)与另外的锚固点连接。第一和另外的弹性锚固元件可以使驱动质量块3围绕穿过中心O的平行于竖直轴线z并垂直于传感器平面xy的致动轴线进行以驱动角速度的旋转运动。驱动质量块3具有一对通孔9a、9b，所述通孔例如沿着第二水平轴线y在径向方向排列，并且设置在相对于中空空间6的相对侧；通孔9a、9b在平面视图上具有基本矩形的形状，在横向于径向的方向上具有主尺寸。驱动组件4包括多个从动臂10和多个第一和第二驱动臂12a、12b，所述从动臂10在径向上从驱动质量块3向外延伸并以等角距离间隔配置，所述第一和第二驱动臂与各个从动臂10平行并且在其相对侧延伸。每个从动臂10具有多个第一电极13，所述第一电极在同一从动臂10的两侧并垂直于同一从动臂10延伸。并且，第一和第二驱动臂12a、12b的每一个具有各自的第二电极14a、14b，其向各自的从动臂10延伸，并与相应的第一电极13梳齿连接。第一驱动臂12a全部设置在各个从动臂10的一侧，并全部以第一电压偏置；类似地，第二驱动臂12b都设置在各个从动臂10的相对侧，并且都以第二电压偏置。驱动电路(未示出)连接至第二电极14a、14b，以施加第一和第二电压并通过电极的相互交替吸引来确定驱动质量块3绕驱动轴线以给定振荡频率和驱动角速度的振荡旋转运动。陀螺仪1进一步包括一对加速度传感器，其轴线平行于前述径向方向，具体为一对封装在通孔9a、9b内的敏感质量块15a、15b；敏感质量块15a、15b例如具有大体矩形形状，其边与通孔9a、9b的相应侧平行，并相对于基体2a悬浮，并通过弹性支撑元件18连接至驱动质量块3。弹性支撑元件18例如在径向上从每个敏感质量块的相对的主侧面伸出。具体地，弹性支撑元件18相对于驱动质量块3的致动运动是刚性的(以这种方式，使得敏感质量块15a、15b将跟随驱动质量块3进行旋转运动)，并且还可以使各个敏感质量块在前述的径向方向上进行线性运动。并且，移动电极20与第二敏感质量块15a、15b连接，例如在垂直于该径向的方向上从各个较小边延伸；移动电极20与平的平行板构成敏感电容器，-->平的平行板具有锚固至驱动质量块3的各个第一和第二固定电极22a、22b。具体地，每个移动电极20与各个第一固定电极22a(例如，相对于中心O在径向更靠里边的那个)构成第一敏感电容器C1，以及与第二固定电极22b(例如，相对于中心O在径向上更靠外面的那个)构成第二敏感电容器C2。在使用中，陀螺仪1能够检测绕竖直轴线z作用的(偏航)角速度具体地，该将要被检测的角速度在以径向方向定向的敏感质量块15a、15b上产生科里奥利力(因此，定向为作用在相同质量块上的向心力)，该力引起敏感质量块的位移以及相应敏感电容器C1、C2的电容变化。电容变化的值与角速度成比例，因此，其可以通过按照差分方案运行的读数电路用本身已知的方式确定。具体地，在固定电极22a、22b与移动电极20之间提供适当的连接，使得以差分方式放大与第一和第二敏感电容器C1、C2的变化相关的电量之间的差。具体地，在由于偏航角加速度作用在结构上而导致科里奥利力存在的情况下，敏感质量块15a、15b在径本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种一体式微机电结构(30；30’；30”)，包括：-驱动质量块(3)，通过弹性锚固元件(8a；8b)锚固于基体(2a)，并被设计为在平面(xy)内由驱动运动致动；以及-第一敏感质量块(15a；15a’)和第二敏感质量块(15b；15b’)，悬浮在所述驱动质量块(3)内并通过各个弹性支撑元件(18)联接到所述驱动质量块，从而在所述驱动运动中固定于所述驱动质量块并响应于角速度执行各自的检测运动，其特征在于，所述第一敏感质量块(15a；15a’)和第二敏感质量块(15b；15b’)通过弹性联接元件(32a；32b)连接在一起，所述弹性联接元件构造成耦合所述第一敏感质量块和第二敏感质量块的振动模式。

【技术特征摘要】
2008.12.23 IT TO2008A0009811.一种一体式微机电结构(30；30’；30”)，包括：-驱动质量块(3)，通过弹性锚固元件(8a；8b)锚固于基体(2a)，并被设计为在平面(xy)内由驱动运动致动；以及-第一敏感质量块(15a；15a’)和第二敏感质量块(15b；15b’)，悬浮在所述驱动质量块(3)内并通过各个弹性支撑元件(18)联接到所述驱动质量块，从而在所述驱动运动中固定于所述驱动质量块并响应于角速度执行各自的检测运动，其特征在于，所述第一敏感质量块(15a；15a’)和第二敏感质量块(15b；15b’)通过弹性联接元件(32a；32b)连接在一起，所述弹性联接元件构造成耦合所述第一敏感质量块和第二敏感质量块的振动模式。2.根据权利要求1的结构，其中所述驱动质量块(3)由所述平面(xy)内的旋转运动所致动，所述第一敏感质量块(15a；15a’)和第二敏感质量块(15b；15b’)被设计为响应于所述角速度在所述平面(xy)内执行各自的线性检测运动；所述第一敏感质量块(15a；15a’)和第二敏感质量块(15b；15b’)的检测运动相对于彼此反相并且在径向方向进行。3.根据权利要求1的结构，其中各个弹性联接元件(32a；32b)与所述第一敏感质量块(15a；15a’)和第二敏感质量块(15b；15b’)中的每一个相关，所述第一敏感质量块(15a；15a’)和第二敏感质量块(15b；15b’)的弹性联接元件(32a；32b)通过插入实质上可忽略质量的连接体(35)而连接在一起。4.根据权利要求3的结构，包括连接在所述连接体(35)和所述驱动质量块(3)之间的另外的弹性支撑元件(36)。5.根据权利要求4的结构，其中所述驱动质量块(3)在其内限定通孔(34)；所述第一敏感质量块(15a；15a’)和第二敏感质量块(15b；15b’)、所述弹性联接元件(32a，32b)、所述另外的弹性支撑元件(36)以及所述连接体(15)布置在所述通孔(34)内。6.根据权利要求1的结构，其中所述弹性联接元件(32a，32b)构造成使得成组的所述第一敏感质量块(15a，15a’)和第二敏感质量块(15b，15b’)具有两种振动模式，一种是同相的，另一种是反相的，所述两种振动模式具有彼此不同的频率。7.根据权利要求1的结构，其中所述驱动质量块(3)由所述平面(xy)内的旋转运动所致动，移动电极(20’)固定连接至所述第一敏感质量块(15a；15a’)和第二敏感质量块(15b；15b’)的每一个，固定电极(22a’，22b’)面对所述移动电极(20’)以构成敏感电容器(C1，C2)；其中所述移动电极(20’)和所述固定电极(22a’，22b’)中的至少一个互相面对的表面具有公共的定形轮廓。8.根据权利要求7的结构，其中所述定形轮廓构造成使得：由于相对于所述驱动运动固定的所述第一敏感质量块(15a；15a’)和第二敏感质量块(15b...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·卡札尼加，L·科罗纳托，G·卡卡特拉，
申请(专利权)人：意法半导体股份有限公司，
类型：发明
国别省市：意大利;IT