CN101553734A - 容性体声波盘状陀螺仪 - Google Patents

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CN101553734A CNA2006800544502A CN200680054450A CN101553734A CN 101553734 A CN101553734 A CN 101553734A CN A2006800544502 A CNA2006800544502 A CN A2006800544502A CN 200680054450 A CN200680054450 A CN 200680054450A CN 101553734 A CN101553734 A CN 101553734A
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Abstract

本发明公开了一种在(100)和(111)硅基底上实现的容性体声波x，y以及z轴陀螺仪。示例的陀螺仪包括处理基底，由所述处理基底支撑的体声波谐振器元件，以及围绕所述谐振器元件且与所述谐振器元件分开非常小的容性间隙的多个电极。所述电极能够激励和检测谐振器中的至少两个简并的体声波谐振模。本发明的优点包括：减小的尺寸；较高的Q，这改善了噪声和偏置稳定性；较大的带宽以及改善的抗冲击性。此外，能够在大气压或接近大气压下保持高的Q，这降低了陀螺仪的晶片级封装的成本和复杂性。

Description

容性体声波盘状陀螺仪
技术领域
陀螺仪是用于测量旋转速度或角度的传感器。微机械陀螺仪构成微型传感器市场中增长最快的部分之一。这些装置的应用领域从汽车很快扩展到航天、消费者应用以及个人导航系统。在汽车领域中具有许多应用，其中包括短距离导航、防滑系统和安全系统、侧滑检测、下一代安全气囊和防锁死制动系统。消费者电子设备应用包括在数字照相机中的图像稳定性、手持装置的灵巧的用户界面、游戏装置以及惯性点击装置。一些应用需要单轴陀螺仪(Z轴)，而一些应用需要多轴旋转检测(关于X以及Y和/或Z轴)。
微型陀螺仪可用于导航。惯性导航是借助于由安装在物体上的加速度计和陀螺仪提供的测量来确定该物体的空间位置的过程。用于短距离导航的惯性测量单元(IMU)是飞机、无人驾驶飞行器、GPS增强导航和个人航向参考中的重要部件。IMU一般使用3个加速度计和沿着其相应的正交检测轴放置的3个陀螺仪，用于收集关于物体的方向和航向的信息。由此，加速度和转速可被解释用于产生物体的精确的空间位置。IMU是独立的，在没有全球定位系统(GPS)辅助的惯性导航的情况下可进行对航空器/物体的精确的短期导航。
现有技术中的微机械振动陀螺仪以低频工作(ω0＝3-30kHz)，并依赖于增加的质量(M)和激励幅值(qdrive)，以减少底噪以及改善偏置稳定性。如果在1-10mTorr的真空下工作，这种装置可以达到约50000的品质因数(Q)值，该值主要受到它们挠曲部分中的热弹性阻尼的限制。已知振动陀螺仪的基本机械布朗(Brownian)噪声由下式给出：
Ω z ( Brownian ) ∝ 1 q drive 4 k B T ω 0 M Q Effect - Sense
其中qdrive是驱动幅值，ω0，M，和Qeffect-sense分别是自然频率、质量和检测模下的有效品质因数；kB是波尔兹曼常数，T是绝对温度。
现有技术中的微机械陀螺仪在其扰曲模下以相当低的频率工作(5-30kHz)，且在高度真空下具有小于50000的Q值，这造成在质量受限的情况下具有高的噪声级。期望减少振动陀螺仪的噪声级而不必增加质量和驱动幅值，这在低功率和小尺寸下是难于实现的。如这里将要说明的，通过(1)使谐振频率增加2到3个数量级(到2-8MHz)，以及(2)通过利用体声波模大大增加Q，容性体声波陀螺仪可以完成这个任务，其中，所述体声波模与扰曲模相比经受小得多的热弹性阻尼。在这些陀螺仪中，体声波模的非常高的Q将转变成优良的偏置稳定性。以高频工作可以使陀螺仪的频率带宽增加几个数量级，这使传感器的响应时间减少并放松了模匹配要求。增加陀螺仪的谐振频率的另一个优点是使得装置的刚度增加若干数量级，这转变成装置的高得多的抗冲击性(100kG的容许量)。此外，装置的大的刚性使其较少受空气阻尼的影响，这可以通过不再需要高真空的封装而简化封装以及降低制造成本。
有关陀螺仪的美国专利包括：授予Putty等人的名称为“Microstructure for vibratory gyroscope”的美国专利5,450,751；授予Jiang的名称为“Spring for a resonance ring of an angular ratesensor”的美国专利6,128,954；授予Lynch的名称为“HemisphericalResonator Gyroscope”的美国专利3,719,074；授予Koning的名称为“Vibrating cylinder gyroscope and method”的美国专利4,793,195；授予Geen的名称为“Six degree of freedom micromachinedmicrosensors”的美国专利6,848,304；以及授予Geen的名称为“Micro-machined multi sensor providing 1-axis of accelerationsensing and 2-axes of angular rate sensing”的美国专利6,837,108。
附图说明
通过参看下面结合附图进行的本发明的详细说明，可以更容易地理解本发明的各个特征和优点，附图中相同的标号表示相同的结构元件，其中：
图1示出示例的体声波陀螺仪；
图2a，2b示出ANSYS仿真数据，用于说明示例的容性体声波陀螺仪的二次的和一次的椭圆模；
图3为示例的800微米直径的体声波陀螺仪的一部分的扫描电子显微镜(SEM)的图；
图4a，4b示出示例的800微米直径的体声波陀螺仪的不匹配的和匹配的二次椭圆模的频率响应；
图5为示出被简化为在(100)硅基底中实现800微米直径的体声波陀螺仪的例子的测量的灵敏度结果的图；
图6示出被简化为在(111)硅基底中实现1200微米直径的体声波陀螺仪的例子的一次椭圆模的频率响应；
图7为示出被简化为在(111)硅基底中实现1200微米直径的体声波陀螺仪的例子的测量的灵敏度结果的图；
图8为被简化为在(111)硅基底中实现1200微米直径的体声波盘状陀螺仪的例子的一次椭圆模的阿伦方差平方根曲线的图；
图9a，9b示出示例的800微米直径的单晶硅盘状陀螺仪的平面外简并模(degenerate mode)的ANSYS仿真结果；以及
图10-17表示示例的体声波陀螺仪的制造。
具体实施方式
参见附图，其中公开了高频(MHz范围)Z轴和XY轴基于科里奥利效应的容性体声波陀螺仪设备10或陀螺仪10。如图1所示，陀螺仪10包括处理基底11，其可以是绝缘体上硅(SOI)结构的基底11。谐振器元件12(谐振盘12或谐振盘状结构12)由处理基底(handle substrate)11的绝缘(隐埋氧化物)层1ib支撑。多个电极13围绕谐振器元件12且与所述谐振器元件12分开非常小的容性间隙14。电极13可以激励并检测谐振器元件12中的至少两个简并的体声波谐振模。谐振器元件12一般是盘状谐振器元件12，其可以是圆形的或多边形的。谐振器元件12可以是实心的或带孔的。谐振器元件12不必由压电材料制成。实际上，优先的选择是非压电材料，例如单晶硅或多晶硅。也可以使用其它的半导体、压电或金属材料制造谐振器元件，例如碳化硅、钻石、纳米晶体钻石、氮化镓、氮化铝或石英。图3是具有带孔的谐振器元件12的示例的800微米直径的容性体声波陀螺仪10的一部分的扫描电子显微镜(SEM)图。多个电极13通常包括驱动电极13a、检测电极13b和静电调谐电极13c。其余的电极13可被用于使所述简并的体声波模与这些电极的中心对准(即消除正交误差)。
更具体地，披露了示例的800微米和1200微米直径的中心支撑的单晶硅(SCS)带孔的盘状陀螺仪10。示例的800微米直径的盘状陀螺仪10被实现在50微米厚的(100)单晶硅(SCS)基底上，并被配置为以高阶椭圆模工作。所述1200微米直径盘状陀螺仪10被制成在35微米厚的(111)SCS基底上，并被配置用于以一次椭圆模工作。在两种情况下，(100)SCS和(111)SCS基底都是SOI基底11的顶层(器件层)。包括容性间隙14的高长宽比的沟槽14是利用在本领域中被称为HARPSS的组合的多晶硅和单晶硅显微机械加工工艺来实现的，从而在厚的SOI基底11(30-50微米)上实现具有非常小的容性间隙14(180-250纳米)的容性盘状陀螺仪10。原型体声波陀螺仪10显示出超过100,000的超高品质因数。
示例的体声波陀螺仪10可以在单晶硅盘状结构上被实现。这种盘状结构可以具有实心的或带孔的结构(图3)。如果使用带孔的盘12，则在(100)SCS基底中以及在(111)SCS基底中分别每30度和45度重复对称的释放孔15，以便使所述两个简并模之间的谐振频率间隔最小化。实心的容性体声波盘状陀螺仪10在其中心由一个或多个悬置的多晶硅迹线16从顶部支撑。带孔的容性体声波盘状陀螺仪10可以由SOI基底11的隐埋氧化物11b在底部支撑。此外，在盘表面上的悬浮的多晶硅迹线16向盘12提供DC偏置。为了容性地激励和平衡高阶平面外椭圆模，例如12个多晶硅电极13以30度的间隔在盘12的顶部上方延伸。在延伸的多晶硅电极13和谐振盘12之间的容性间隙14的尺寸与垂直的容性间隙的尺寸相同(一般为200纳米)。
在SCS盘状结构中可利用相同谐振频率的两个平面外简并模。这两个平面外简并模关于盘12的中心对称，但是在平面内周向偏离30度。在平面内每30度设置顶部电极13，以检测和感知平面外简并模。当驱动图9A中的一个平面外简并模，使得其反节点对准滚动轴(X轴)时，一旦施加滚动转动(围绕X轴的转动)，则能量从第一平面外简并模(图9a)传递到第二平面外简并模(图9b)。因而，可以在位于第二简并模的反节点(例如图9b的D线)的电极13处测量由该滚动转动引起的输出信号。因为第一简并模(图9a，B线)沿着俯仰转动轴处于其零位移(节点)，则不存在由于俯仰转动(围绕Y轴)引起的从第一平面外简并模(图9a)到第二平面外简并模(图9b)的能量传递。结果，如果同时施加俯仰和滚动转动，则原型技术可以提供用于分离滚动转动和俯仰转动的解决方案。当驱动一个平面外简并模(图9b)使得其反节点对准俯仰轴(y轴)时，这个过程可被用于测量俯仰转动，而其它的平面外简并模(图9a)被用于测量输出信号。
可以使用一种版本的HARPSS处理在30-50微米厚的SOI晶片11上制造中心支撑的SCS盘状陀螺仪10。对于使用体声波模的陀螺仪10，与当前可得到的振动微陀螺仪相比，通常受电噪声限制的最小可检测转速可被改善几个数量级。
高频体声波陀螺仪10的优点在于：由于谐振频率增加了2-3个数量级(到2-10MHz)而造成的机械(布朗)底噪的降低(3-4个数量级)，以及通过利用与扰曲模相比经受较少热弹性阻尼的体声波模而造成的Q的显著增加。高频容性体声波陀螺仪10的其它优点在于其具有：减小的尺寸；较高的Q，这改善噪声性能和偏置稳定性；较大的带宽(BW＝f/Q＞25Hz)，以及改善的抗冲击能力。此外，在大气压或接近大气压下维持高的Q，这简化了陀螺仪10的封装因而降低了制造成本。陀螺仪10能够以平面内高阶简并的谐振模工作，所述谐振模在谐振频率方面不同于平面外简并模。结果，陀螺仪10可被用于在不同的工作谐振频率下测量偏航转动以及滚动转动和俯仰转动。最后，这种设计对于体声波盘状陀螺仪10的厚度改变不敏感，这又带来机械可制造性方面的优点。容性体声波盘状陀螺仪12中的一个非常独特的特征是，与传统的振动陀螺仪相比，它们是静止的装置，这是因为由于其非常小的容性间隙(大约200纳米)，其振动幅值小于20纳米。
容性体声波盘状陀螺仪10在MHz频率范围内工作，并且是振动幅值小于20纳米的静止装置，且在中度真空下(且甚至在大气压下)达到非常高的品质因数Q，这大大简化了其晶片级的封装。此外，它们非常低的DC工作电压(Vp＜5V)和AC启动电压(160mV)简化了使用标准的CMOS工艺的接口电路设计和实现。此外，与低频模匹配的装置相比，在高频下操作振动陀螺仪10使频率带宽增加几个数量级，这减少了传感器的响应时间，并放松了模匹配的要求。
如图1示意地所示，示例的基于科里奥利效应的体声波陀螺仪10包括中心支撑的盘状结构12(谐振元件12)，具有容性耦合的驱动电极13a、检测电极13b和控制电极13c。容性SCS体声波盘状陀螺仪10被设计用于以一次或二次简并的椭圆模进行工作。
图2a、2b示出示例的体声波陀螺仪10的椭圆模的ANSYS仿真。由于(100)单晶硅的各向异性特性，只有空间分开30度的(100)SCS盘的二次椭圆模具有相同的频率(图2a)。在(111)SCS盘状陀螺仪10中，盘状谐振器12的一次椭圆模(其空间分开45度)具有相同的频率(图2b)。结果，电极13周向地围绕盘状谐振器12被隔开30度(对于(100)SCS)或45度(对于(111)SCS)，以便使检测和驱动转换最大化。为了从前侧释放盘状陀螺仪10，向所述盘状结构添加释放孔。在(100)硅盘中每隔30度(或者在(111)硅盘中45度)对称地重复释放孔15，以便使两个简并的椭圆模之间的任何可能的频率分离最小化。
在设计任何振动陀螺仪时，一个主要设计参数是角度增益。角度增益被定义为振动图案角的滞后对转动角的比率，其取决于传感器结构和谐振模工作。在盘状陀螺仪10中，针对实心的盘状结构导出角度增益，在盘状陀螺仪10中，一次椭圆模的角度增益(0.45)是二次椭圆模的角度增益(0.24)的1.8倍。虽然由于较大的角度增益，(111)硅盘状陀螺仪10的灵敏度比(100)硅盘中的类似装置高，但是(100)硅基底11和(111)单晶硅相比在CMOS兼容性和供应可靠性方面具有优势。
原型陀螺仪10被使用HARPSS工艺制造在厚的SOI晶片11或者基底11(30-50微米厚)上。图10-17示出了一种示例的制造处理流程。在图10中，图案化在SOI基底11(底层11a，绝缘层(隐埋氧化物)11b，器件层11c)上的2微米厚的牺牲氧化物掩模21。刻蚀深的沟槽22穿过器件层11c(图11)，以便限定谐振SCS结构。在图12中，沉积牺牲LPCVD氧化物薄层23，其构成容性间隙14，并随后用LPCVD多晶硅24填充沟槽22。接着，刻蚀表面上的LPCVD多晶硅，并使该表面上的牺牲氧化物23图案化(图13)，以及沉积LPCVD多晶硅层24并对该LPCVD多晶硅层24进行掺杂和退火(图14)。在对表面上的多晶硅进行图案化(图15)以限定焊垫(pad)之后，移除沟槽22内部的多晶硅以及器件层11c的若干部分(图16)以限定电极13。然后在氟化氢(HF)中对所述装置进行释放。SOI基底11的隐埋氧化物层11b可被用于在底部支撑盘状谐振器12，这要求对HF释放进行仔细的定时。在表面上的多晶硅迹线16(图3)被用于向盘状谐振器12提供DC偏置。此外，每个多晶硅电极13在硅结构12上部分地伸出，以阻隔平面外的冲击。此外，延伸的多晶硅电极13可用作X-Y轴陀螺仪10中的平面内电极，用于激励和检测平面外简并模。如图17所示，在需要极高性能的情况下，沉积并图案化PECVD氧化物27，以及沉积导电材料28(例如铝)，以便真空密封陀螺仪10。这种处理可与由M.W.Judy在以下文章中讨论的模拟器件的SOIMEMS处理兼容：“Evolution of Integrated Inertial MEMS Technology”，Solid-StateSensors，Actuators and Microsystems Workshop，Hilton Head Island，South Carolina，June 2004，pp.27-32，并可通过增加一些CMOS制造前和后的步骤与CMOS电子装置集成。
对示例的(100)硅以及(111)硅盘状陀螺仪10进行测试。在驱动电极13a处施加正弦驱动信号，并在检测电极13处监测输出信号。检测电极13的位置沿周向自驱动电极13偏离30度(对于(100)硅盘状陀螺仪)以及45度(对于(111)硅盘状陀螺仪10)。现在讨论示例的(100)盘状陀螺仪10的测量结果。在5.9MHz观测到示例的800微米直径(100)盘状陀螺仪10的高阶椭圆模，具有300Hz的频率分离(图4)。图4示出对于这种装置在1毫托的真空下测量的高阶椭圆模的为125000和100000的Q。对于这种装置，在10托的真空下，相应的Q值仍然很高(100,000和74,000)。
通过对围绕盘状陀螺仪的调谐电极13c施加适当的调谐电压，可以使在这种带孔装置的驱动模和检测模之间的290Hz的小的初始频率分离得到匹配。这种装置的匹配模品质因数被记录为12000。通过施加10V的DC调谐电压实现了模匹配。在5.88MHz的频率下测量体声波盘状陀螺仪10的大约490Hz的大的带宽(BW)，所述频率是低频模匹配陀螺仪的100倍。
在不同的角速度下测量了示例的陀螺仪的输出电压。800微米直径(100)SCS盘状陀螺仪10的测量的速度灵敏度是0.19mV/°/sec，如图5所示，其是由M.F.Zaman等人在如下文章中报告的低频多晶硅星形陀螺仪的17倍：“The Resonating Star Gyroscope”，Proceedings IEEEconference on MEMS，Jan.2005，pp.355-358。
现在讨论(111)硅盘状陀螺仪10的测量结果。在不施加任何调谐电压的情况下，1200微米直径盘状陀螺仪10的一次椭圆模被观察到分离小于100Hz。(111)盘状陀螺仪的Qeffective-sense在1毫托和1托的真空下分别是66000和58000(图6)。
图7中示出示例的1200微米直径(111)SCS盘的速度灵敏性响应。具有分立电子装置的1200微米直径(111)体声波盘状陀螺仪10的测量的速度灵敏度是0.94mV/°/sec，这表明与(100)盘状陀螺仪(0.2mV/°/sec)相比具有较高的速度灵敏度。这是预料之中的，原因是在(111)盘12中的两个椭圆模的较大的角度增益和较小的频率分离。
现在讨论偏置漂移估计。陀螺仪比例系数稳定性和偏置漂移是陀螺仪中的基本的性能参数。比例系数稳定性直接受Qeffective-sense随时间的稳定性的影响。观察到，在固定的室温和压力下，在24小时的时间间隔测量的Qeffective-sense保持恒定。对该装置的零速度输出(ZRO)进行采样。使用收集的ZRO数据进行阿伦方差分析，以表征与分立电子装置接口的匹配模装置的长期稳定性。示例的1200微米直径(111)硅盘状陀螺仪10的Allan方差平方根(root Allan variance)曲线示于图8。陀螺仪10的测量的偏置不稳定性是5.4°/小时(具有小于100Hz的模分离)。如果需要，可以调谐这两个谐振模，并通过向盘周围的调谐电极13施加小的DC电压(＜10V)使这两个谐振模对准，这转换成装置的较高的灵敏度以及改善的偏置稳定性。
示例的1200微米直径振动体声波(111)硅陀螺仪10的设计规范总结于表1中。在原型设计中，最小可检测转速受限于主要由于高的工作频率引起的电子噪声。这个问题可以通过进一步增加间隙的长宽比(AR＞250)以及使用非常低的噪声放大器来解决( V n < 100 nV / Hz )。
表1：1200微米直径(111)SCS盘状陀螺仪的规范总结
至此说明了体声波陀螺仪。应当理解，上述的实施例仅仅是代表上述原理的应用的许多特定实施例中的一些说明性的实施例。显然，不脱离本发明的范围，本领域技术人员能够容易地设计出大量的其它结构。

Claims (26)

1.一种陀螺仪设备，包括：
体声波谐振器元件；以及
多个电极，所述电极能够激励和检测所述体声波谐振器元件中的至少两个简并的体声波谐振模。
2.如权利要求1所述的设备，还包括支撑所述体声波谐振器元件的处理基底。
3.如权利要求1所述的设备，其中所述体声波谐振器是具有大约1MHz或更高的谐振频率的盘状结构。
4.如权利要求1所述的设备，其检测围绕与所述基底的平面垂直的轴线的转动的速度或角度。
5.如权利要求1所述的设备，其检测围绕所述基底的平面内的至少一条轴线的转动的速度或角度。
6.如权利要求1所述的设备，其中所述谐振器元件由非压电材料制成。
7.如权利要求1所述的设备，其中一个或多个体声波谐振器元件以及一组或多组电极被集成在单个基底上，用于检测围绕3个正交轴线的转动的速度或角度。
8.一种陀螺仪设备，包括：
体声波谐振器元件；以及
围绕所述谐振器元件且与所述谐振器元件分开非常小的容性间隙的多个电极，所述电极能够激励和检测所述谐振器中的至少两个简并的体声波谐振模。
9.如权利要求8所述的设备，还包括支撑所述体声波谐振器元件的处理基底。
10.如权利要求8所述的设备，其中所述容性间隙是在约200纳米或更小。
11.如权利要求8所述的设备，其检测围绕与所述基底的平面垂直的轴线的转动的速度或角度。
12.如权利要求8所述的设备，其检测围绕所述基底的平面内的至少一条轴线的转动的速度或角度。
13.如权利要求8所述的设备，还包括直流和交流电压源，用于所述设备的激励和调谐。
14.如权利要求8所述的设备，其中所述谐振器元件是由多晶硅或单晶硅制成的盘状结构。
15.如权利要求8所述的设备，其中所述谐振器具有至少为1MHz的体声波谐振频率。
16.如权利要求8所述的设备，还包括支持电子装置，用于谐振器元件的激励、读出和调谐。
17.如权利要求8所述的设备，其中一个或多个体声波谐振器元件以及一组或多组电极被集成在单个基底上，用于检测围绕3个正交轴线的转动的速度或角度。
18.一种陀螺仪设备，包括：
处理基底；
由所述处理基底支撑的盘状谐振器元件；
围绕所述盘状谐振器元件且与所述盘状谐振器元件分开非常小的容性间隙的多个电极，所述电极能够激励和检测所述盘状谐振器中的至少两个简并的体声波谐振模；以及
支持电子装置，用于所述盘状谐振器的激励、读出和调谐。
19.如权利要求18所述的设备，其中所述容性间隙约为200纳米或更小。
20.如权利要求18所述的设备，其中所述盘状谐振器具有至少为1MHz的体声波谐振频率。
21.如权利要求18所述的设备，其中所述盘状谐振器在其中心由处理基底支撑。
22.如权利要求18所述的设备，其中所述盘状谐振器在其中心与支撑元件自对准。
23.如权利要求18所述的设备，其中所述盘状谐振器是带孔的。
24.如权利要求18所述的设备，其检测围绕与所述基底的平面垂直的轴线的转动的速度或角度。
25.如权利要求18所述的设备，其检测围绕所述基底的平面内的至少一条轴线的转动的速度或角度。
26.如权利要求18所述的设备，其中一个或多个谐振器元件以及一组或多组电极以及支持电子装置被集成在单个基底上，以形成集成的惯性测量单元。
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