CN101663586A - 制作具有垂直集成电子产品及晶片规模气密封装的x-y轴双质量块调谐叉陀螺仪的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于测量X－Y传感器平面中角速度的X及Y分量的双轴传感器。所述双轴传感器包含用于测量角速度的所述X分量的第一子传感器及用于测量角速度的所述Y分量的第二子传感器。所述第一子传感器及所述第二子传感器含纳于所述双轴传感器内的单个气密密封内。

Description

制作具有垂直集成电子产品及晶片规模气密封装的X-Y轴双质量块调谐叉陀螺仪的方法

技术领域

本发明涉及角速度传感器，且更特定来说涉及具有两个振荡检测质量块的平面内角速度传感器。

背景技术

常常使用惯性传感器来执行对角速度的感测。广泛地说，惯性角速度传感器通过驱动所述传感器进行第一运动并测量所述传感器的第二运动来起作用，所述第二运动响应于所述第一运动及待感测的角速度两者。

常常由致动器驱动传感器内的质量块(通常称作检测质量块)使其振荡。传感器的旋转向振荡质量块传递科里奥利(Coriolis)力，所述科里奥利(Coriolis)力与角速度(或旋转速率)成比例且取决于角速度向量相对于所述检测质量块的速度向量的定向。所述科里奥利(Coriolis)力、所述角速度向量及所述质量速度向量相互垂直。例如，在绕Y轴旋转的传感器内沿X方向移动的检测质量块会经受Z方向上的科里奥利(Coriolis)力。类似地，在绕Z轴旋转的传感器内沿X方向移动的检测质量块会经受Y方向上的科里奥利(Coriolis)力。最后，在绕X轴旋转的传感器内沿X方向移动的检测质量块不会经受科里奥利(Coriolis)力。传递给检测质量块的科里奥利(Coriolis)力通常是通过测量传感器内响应于所述科里奥利(Coriolis)力的运动而间接感测到的。

最近，微机械加工技术(也称作MEMS技术)的发展已导致各种MEMS角速度惯性传感器的发展。MEMS技术主要是一种平面技术，其中适用于驱动平面内运动的MEMS致动器往往与适用于驱动平面外运动的MEMS致动器显著地不同。类似地，适用于测量响应于科里奥利(Coriolis)力的平面内运动的MEMS传感器往往与适用于测量响应于科里奥利(Coriolis)力的平面外运动的MEMS传感器显著地不同。这些不同既是结构上的不同也是性能上的不同。

为检测由上述质量速度、角速度及科里奥利(Coriolis)力的相互垂直而引起的平面内角速度分量，平面内MEMS角速度传感器必须驱动平面外运动或感测平面外运动。相反，为检测平面外角速度分量，平面外MEMS角速度传感器可驱动并感测两个垂直的平面内运动。由于MEMS技术的平面性质，平面内MEMS传感器与平面外MEMS传感器往往显著地不同。

某些已知的平面内MEMS角速度传感器具有两个经驱动以进行振荡的检测质量块。例如，卡代尔莱(Cardarelli)的美国专利第6,481,283号教示了一种平面内MEMS传感器。在卡代尔莱(Cardarelli)的坐标中，装置平面为YZ平面。在第一实施例中，卡代尔莱(Cardarelli)教示了沿+/-Y方向(即，平面内)颤动的两个质量块。绕Z轴的角速度导致所述两个质量块上的X方向上的科里奥利(Coriolis)力。所述两个质量块附装到可绕Z轴旋转的常平架以使质量块上X方向上的力向所述常平架提供Z方向上的扭矩。使所述两个质量块颤动以具有相反方向的速度，因此所述两个科里奥利(Coriolis)力向绕Z轴的常平架提供净扭矩。感测常平架绕Z轴的运动。

在第二实施例中，卡代尔莱(Cardarelli)教示了沿+/-X方向(即，平面外)颤动的两个质量块。绕Z轴的角速度导致所述两个质量块上Y方向上的科里奥利(Coriolis)力。所述两个质量块附装到可绕Z轴旋转的常平架以使质量块上Y方向上的力向常平架提供Z方向上的扭矩。使所述两个质量块颤动以具有相反方向的速度，因此所述两个科里奥利(Coriolis)力向绕Z轴的常平架提供净扭矩。感测常平架绕Z轴的运动。

具有两个经驱动以进行振荡的检测质量块的另一已知平面内MEMS角速度传感器教示于麦考尔(McCall)等人的美国专利第6,508,122号中。麦考尔(McCall)等人教示了一种具有横向设置于装置平面中并沿此平面方向相对于彼此异相颤动的两个不相互连接的质量块的平面内MEMS传感器。为明确起见，令装置平面为XY平面，且令所述颤动为沿X方向。由于Z方向上的科里奥利(Coriolis)力，当使传感器绕Y轴旋转时质量块沿Z方向振荡。感测所述质量块Z方向上的振荡。

卡代尔莱(Cardarelli)与麦考尔(McCall)等人的方法的动机都来源于抑制来自角速度测量的“共模”干扰的愿望。例如，在受到与待感测的科里奥利(Coriolis)力相同方向上的线性加速度影响时，具有单个检测质量块的角速度传感器可记录不正确的读数。如果有两个质量块，则响应于科里奥利(Coriolis)力但通常不响应于与科里奥利(Coriolis)力相同方向上的线性加速度的各种布置是可能的，其中包含上文提到的布置。通常，这种布置取决于驱动所述两个质量块使其速度总是相等且相反。任何背离相等及相反速度的情况都是不利的，因为这一背离减小了对科里奥利(Coriolis)力的所期望响应且增大了对线性加速度的不期望响应。

然而，在实践中并不是直接地驱动具有相等及相反速度的两个质量块。例如，两个名义上相同且同样安装的质量块在实践中可不同，因此以相同的致动驱使这两个质量块提供不相等且相反的速度。致动器在有效性上往往也不同，因此即使两个质量块相同且同样安装，连接到所述两个质量块的致动器的变化也可提供不相等且相反的质量速度。类似地，连接到致动器的电路可不相同，等等。因此，已知的两质量块平面内角速度传感器通常尚未完全实现两质量块配置所预示的共模抑制。

目的及优点

本发明的一个目标是提供因机械地抑制两个质量块沿相反方向移动而具有改善的测量精确度的平面内角速度传感器，以此改良共模抑制。

本发明的另一目标是提供因感测及驱动电子产品的垂直集成而具有降低的成本的角速度传感器。

本发明的又一目标是提供具有低成本气密封装的角速度传感器。

本发明的再一目标是提供因使用提供具有增大的行程距离的较大检测质量块的体MEMS技术而具有改善的性能的角速度传感器。

本发明的另一目标是提供通过使用具有附装到质量块的杆臂的扭矩安装及静电驱动板以增大质量块行程距离而具有改善的性能及降低的成本的角速度传感器。

本发明的又一目标是提供具有集成到同一装置电路小片上的X轴角速度传感器及Y轴角速度传感器的低成本双轴平面内陀螺仪模块。

发明内容

一般来说，在一个方面中，本说明书描述了用于测量X-Y传感器平面中的角速度的X及Y分量的双轴传感器。所述双轴传感器包含用于测量角速度的X分量的第一子传感器及用于测量角速度的Y分量的第二子传感器。用于测量角速度的X分量的所述第一子传感器及用于测量角速度的Y分量的所述第二子传感器含纳于所述双轴传感器内的单个气密密封内。

特定的实施方案可包含以下特征中的一个或一个以上。第一子传感器及第二子传感器可由所述单个气密密封内的势垒密封分隔开。所述势垒密封可减小第一子传感器与第二子传感器之间的声耦合。所述势垒密封可包含形成于其中的一个或一个以上沟道以准许单个气密密封内的第一子传感器与第二子传感器两者上的压力均衡。可使用体硅制造来制造所述双轴传感器。第一子传感器及第二子传感器可含纳于所述双轴传感器的矩形空腔内。所述双轴传感器可进一步包含形成于所述矩形空腔上方的隔膜。所述双轴传感器可进一步包含一个或一个以上支柱来支撑空腔中的隔膜。

所述双轴传感器可进一步包含一个或一个以上支柱来支持与所述双轴传感器相关联的参考晶片的晶片级集成，其中所述参考晶片形成单个气密密封的下部部分。所述一个或一个以上支柱可在制造与第一子传感器及第二子传感器相关联的机械元件期间提供对隔膜的临时支撑。所述双轴传感器可进一步包含感测模式频率的应力隔离特征。所述应力隔离特征可包含一个或一个以上梁。所述双轴传感器可进一步包含用于在制造所述双轴传感器期间保持稳健性的应力隔离特征。双轴传感器的传感模式频率可小于所述双轴传感器的驱动模式频率。所述双轴传感器可进一步包含一框架来限定与第一子传感器及第二子传感器相关联的机械元件的运动，所述框架包含一个或一个以上连接片或凹槽。

所述第一子传感器可包含：第一感测子组合件；第一致动器，其用于以一驱动频率驱动所述第一感测子组合件的第一部分使其振荡；及第一变换器，其用于感测所述第一感测子组合件的第二部分响应于角速度的X分量的运动。所述第二子传感器可包含：第二感测子组合件；第二致动器，其用于以一驱动频率驱动所述第二感测子组合件的第一部分使其振荡；及第二变换器，其用于感测所述第二感测子组合件的第二部分响应于角速度的Y分量的运动。第一及第二连杆可经设计以使得在存在不期望的Z轴运动时由双轴传感器内的连接片及凹槽限定横向运动。所述第一及第二连杆可包含一个或一个以上梁。可间接地感测与双轴传感器相关联的第一、第二、第三及第四质量块的驱动运动。可间接地驱使所述第一、第二、第三及第四质量块。

所述双轴传感器可进一步包含一个或一个以上分裂式电极来间接地驱使第一、第二、第三及第四质量块。一个或一个以上分裂式电极可位于与双轴传感器相关联的边缘板上。所述双轴传感器可进一步包含设置在第一及第二框架上以有差别地感测第一及第二框架的运动的一个或一个以上电极。所述双轴传感器可操作以驱动Z轴运动来以自测试模式感测与双轴陀螺仪相关联的谐振。所述双轴传感器可进一步包含一个或一个以上屏蔽以用屏蔽将与第一子传感器及第二子传感器相关联的一个或一个以上机械元件与电磁干扰(EMI)隔开。第一子传感器及第二子传感器可以分隔开多于500Hz的频率来操作。所述双轴传感器可进一步包含一个或一个以上致动器以在用于测量与双轴传感器相关联的感测模式频率的自测试操作模式期间驱使双轴传感器的框架的旋转。所述一个或一个以上致动器中的每一者均可为静电致动器。所述静电致动器中的一个或一个以上静电致动器可利用平行板电极配置或梳指状电极配置。

附图说明

图1示意性地显示根据本发明一个实施例的陀螺仪晶片的平面图。

图2示意性地显示本发明实施例的剖视图，其中包含图1的陀螺仪晶片沿线I的剖视图。

图3示例性地显示用于显示优选挠性件配置的细节的平面图。

图4示意性地显示图3的挠性件配置沿线II的剖视图。

图5示意性地显示适于用于本发明的两电极配置。

图6示意性地显示图1的陀螺仪晶片的一部分的放大图。

图7a、7b、7c、7d、7e及7f示意性地显示制作根据本发明实施例的冠状晶片的处理步骤。

图8a、8b、8c及8d示意性地显示制作根据本发明实施例的冠状晶片与陀螺仪晶片的组合件的处理步骤。

图9a及9b示意性地显示制作根据本发明实施例的参考晶片的处理步骤。

图10a及10b示意性地显示制作根据本发明实施例的冠状晶片、陀螺仪晶片与参考晶片的组合件的处理步骤。

图11a及11b示意性地显示在操作中图2的配置如何移动。

图12示意性地显示位于根据本发明实施例的参考晶片上的电极布置。

图13示意性地显示本发明的双轴实施例。

图14a及图14b示意性地显示具有四个检测质量块的本发明实施例。

图15示意性地显示具有矩形框架的本发明实施例。

图16a及16b示意性地显示同样适于实践本发明的两个其它挠性件配置(除图1的配置之外)。

图17示意性地显示本发明的双轴实施例。

图18a及18b分别图解说明根据本发明一个实施例包含支柱的陀螺仪晶片的剖视图及平面图。

图19示意性地显示根据本发明一个实施例的陀螺仪晶片的平面图。

图20图解说明图19的陀螺仪的一部分的放大图。

图21示意性地图解说明帮助限定根据一个实施例的陀螺仪的机械元件的运动的干扰。

图22图解说明用于感测根据本发明一个实施例的质量块的运动的边缘板及电极的平面图。

图23图解说明用于感测根据本发明一个实施例的质量块的运动的边缘板及电极的平面图。

图24图解说明随时间产生于边缘板上的扭力的图式。

具体实施方式

图1示意性地显示根据本发明一个实施例的陀螺仪晶片20的平面图。在图1的实施例中，图上指示的各种元件优选地由单个硅晶片制造而成。首先考虑陀螺仪晶片20的机械配置，然后考虑其操作。最后将论述陀螺仪晶片20的制造。

机械配置

在图1的实施例中，中心板28通过扭转铰链28A附装到框架34，从而准许中心板28绕图1上的X轴旋转。铰链28A也可向板28提供恢复扭矩，所述恢复扭矩可将板28的位置恢复到X-Y平面中的标称位置。检测质量块22通过铰链58附装到中心板28，且检测质量块24通过铰链56附装到中心板28。中心板28、检测质量块22与检测质量块24的子组合件一起构成连杆，以使检测质量块22及24必要地沿Z轴上的相反方向移动。

优选地，可将额外元件如下并入到所述连杆中：将第一边缘板26通过铰链60附装到检测质量块22，且通过扭转铰链26A附装到框架34；及将第二边缘板30通过铰链54附装到检测质量块24，且通过扭转铰链30A附装到框架34。扭转铰链26A及30A分别准许板26及30绕图1上的X轴旋转，且还可分别向板26及30提供恢复扭矩，所述恢复扭矩可将板26及30的位置恢复到其在X-Y平面中的标称位置。

框架34通过多个挠性件32附装到基座36。挠性件32经布置以在其绕Z轴旋转到不同于其标称位置的位置时向框架34提供恢复扭矩。图1显示绕框架34的圆周对称设置的四个挠性件32。虽然提供对框架34的良好机械支撑的对称挠性件配置(例如图1的配置)是优选的，但本发明不需要这一挠性件配置。

可使用设置在框架34与基座36之间且连接到这二者的电容性传感器来感测框架34相对于基座36的旋转。或者，可使用设置在框架34与基座36之间且连接到这二者的静电致动器来驱动框架34使其绕Z轴进行角振荡。所属技术领域中已知用于这种电容性传感器及静电致动器的各种配置，且在许多情况下，特定的电极配置可提供其中任一功能。

在图5上，将适于感测及/或驱动框架34相对于基座36的相对角运动的两个例示性电极配置示意性地图解说明为38A、38B及38C以及40A、40B及40C。这些或类似的电极配置可优选地绕框架34的圆周对称设置。实践本发明并不需要任何特定的电极配置。

图1上的框架34内的元件(即，包含质量块22及24，以及板26、28及30的优选连杆)仅通过铰链26A、28A及30A附装到框架34。在框架34与质量块22及24之间有一间隙。除了在这些铰链的附装点处之外，框架34与板26、28及30之间也有一间隙。这些间隙足够大以准许所述连杆穿过其设计范围移动而不与框架34发生碰撞。图1上没有显示这些间隙。

图2示意性地显示本发明实施例的剖视图。此剖视图包含图1的陀螺仪晶片20沿线I的剖视图。图1的陀螺仪晶片20优选地附加到冠状晶片42且附加到参考晶片44，以使陀螺仪晶片20如图2所示夹在冠状晶片42与参考晶片44之间。在此配置中，冠状晶片42与参考晶片44一起保护陀螺仪晶片20不受周围环境影响，由此增大传感器的可靠性及稳固性。此外，可制作陀螺仪晶片20与晶片42及44之间的接合以提供陀螺仪晶片20的关键元件(例如移动质量块22及24)与周围环境之间的密闭势垒。

结合图2、11a及11b可最好地理解包含质量块22及24以及板26、28及30的连杆的运动。图2上的点26B、28B及30B分别与扭转铰链26A、28A及30A对准，因此板26、28及30可分别绕点26B、28B及30B在图2的平面(Y-Z平面)中旋转。此连杆的各组件通过挠性铰链54、56、58及60连接在一起，所述铰链可约束相邻组件的相对平移，但允许相邻组件在Y-Z平面中的相对旋转。

因此，当质量块22沿图2上的+Z方向移动(即，在图2上向上移动)时，板28绕点28B顺时针方向旋转且质量块24一定沿-Z方向运动，而板26及30逆时针方向旋转，如图11b所示。同样，当质量块22沿-Z方向移动时，板28逆时针方向旋转，且质量块24沿+Z方向移动，而板26及30顺时针方向旋转，如图11a所示。换句话说，由质量块22、质量块24及板26、28及30形成的连杆确保质量块22及24必要地沿Z轴上的相反方向移动。如上所述，在框架34与板26之间且在框架34与板30之间有间隙，这在图2上可显而易见。

冠状晶片42及参考晶片44附装到陀螺仪晶片20的基座36，且不与陀螺仪晶片20的任何其它组件发生接触，如图2所示。由于挠性件32及框架34不与冠状晶片42或与参考晶片44发生接触，因而这些晶片不会干扰框架34绕Z轴的旋转。在图2上将参考晶片44与基座36之间的连接示意性地指示为46。连接46既是参考晶片44与基座36之间的机械连接，也是参考晶片44与基座36之间的电连接。以此方式将参考晶片44上的电路连接到陀螺仪晶片20上的感测/驱动构件，例如图5上的电极38A、38B、38C或电极40A、40B、40C。

电极48A及48B定位于板30下面的参考晶片44上。电极48A及48B定位于板30的旋转轴(图2上指示为点30B)的任一侧上。类似地，电极50A及50B定位于板28下面，且电极52A及52B定位于板26下面。

图3示意性地显示图1上的挠性件32的优选配置的更详细平面图。在图3的配置中，挠性件32包括弹簧32′及基座挠性安装件66。如图3上所指示，弹簧32′到安装件66的附装点凹陷到安装件66中，对于框架34也是类型情况，以减小从安装件66到弹簧32′及从框架34到弹簧32′表面应力的耦合。

基座挠性安装件66被基座隔离沟槽41A环绕，基座隔离沟槽41A用于将挠性件32与基座36内的应力机械地隔离。这种应力可由于封装及/或接合工艺、热膨胀等而由冠状晶片42及参考晶片44传到基座36。图3上还显示基座连接片62，其与框架凹槽64啮合。如图3上示意性地指示，框架凹槽64略大于基座连接片62的宽度，因此框架34可在基座连接片62与框架凹槽64的壁发生碰撞之前仅在某一选定范围内相对于基座36旋转。选择此选定范围以确保挠性件32不会因选定范围内的运动而损坏。以此方式，连接片62与凹槽64的组合提供对挠性件32的保护。

在图4的剖视图中显示了挠性件32的优选配置的进一步细节，图4的剖视图包含图3沿线II的剖视图。线II与弹簧32′直接相邻，但不穿过弹簧32′，这是在图4中未将弹簧32′显示为剖面的原因。在一个实施例中，基座挠性安装件66附加到冠状晶片42且经由连接46B连接到参考晶片44。以此方式，挠性件32连接到冠状晶片42及参考晶片44并与基座36隔离。这样是有利的，因为冠状晶片42及参考晶片44通常比基座36厚许多(陀螺仪晶片20的典型厚度仅为50微米)，且因此为锚定挠性件32提供更强的机械刚性。图4上还显示参考隔离沟槽41C及冠状隔离沟槽41B。参考隔离沟槽41C用于将挠性件32与参考晶片44顶部表面(即，接合到基座36的参考晶片44的表面)中可能存在的应力隔离。类似地，冠状隔离沟槽41B用于将挠性件32与冠状晶片42的底部表面(即，接合到基座36的冠状晶片42的表面)中可能存在的应力隔离。虽然图3及图4的挠性件配置(其中挠性件32包括弹簧32′及基座安装件66)是优选的，但其对于实践本发明来说不是必要的。

图6示意性地显示陀螺仪晶片20的一部分的放大平面图，其更详细地显示扭转铰链26A及挠性铰链60的优选配置。如图6上显示，板26通过扭转铰链26A附装到框架34。如此配置扭转铰链26A以使板26可绕连接扭转铰链26A的中心的轴旋转。如图6上显示，板26中形成狭槽以增大扭转铰链26A的长度。这是为减小扭转铰链26A上所需的应变以容纳板26的既定旋转而完成的。

板26由挠性铰链60连接到质量块22。如此配置挠性铰链60以使板22可相对于质量块26而倾斜(反之亦然)。如图6上显示，为减小挠性铰链60上所需的应变以容纳质量块22相对于板26的既定倾斜，在质量块22中形成狭槽以增大挠性铰链60的长度。

挠性铰链58、56及54的配置优选地类似于图6上所示挠性铰链60的配置。同样，扭转铰链28A及30A的配置优选地类似于图6上所示扭转铰链26A的配置。图6中所示铰链配置属于本发明优选实施例。实践本发明不需要任何特定的铰链配置。

图19示意性地显示根据本发明一个实施例的陀螺仪晶片20的平面图。图19示意性地描绘了附装到挠性件32的梁隔离挠性件80。梁隔离挠性件80减小了从施加在基座36上的应力耦合平面应变的。这些应力作用于挠性件32且导致基础感测模式频率的移位。梁隔离挠性件80(最少包括一个梁)提供附装到挠性件32的机械系统中的顺应性，从而消除施加于挠性件32上的应力。多个梁可经设计以用于适当的应力耦合减小。

图19还示意性地描绘附装到扭转铰链28A以协助制造根据一个实施例的陀螺仪的制造挠性件81。位于中心的扭转铰链28A通过到质量块22的连杆来支撑中心板28。在适于制造陀螺仪晶片20的一系列步骤期间，可将应力施加在陀螺仪晶片20或其若干部分上。这些应力可集中在特定位置中。将制造挠性件81附装到中心扭转铰链28A上可改善铰链28A在整个制造顺序中的稳健性和整体性。一种例示性制造步骤是形成陀螺仪晶片20的机械元件的深度反应离子蚀刻(DRIE)。所述DRIE工艺施加热诱发应力且往往将所述应力集中在形成挠性件的区域中。

如图19中所示，根据一个实施例，其中铰链58′及60′剖分为两个单独的铰链。在此实施例中，通过提供更多防止不需要的运动(例如绕Y轴的旋转)的稳定性来改善对连杆及质量块中的移动的协调。另外，虽然将挠性件32描绘为单个梁，但也可使用供应与单个梁相同的顺应性的多个梁来提供防止不需要的运动的额外稳定性。

图20是进一步图解说明本发明特征的图19的陀螺仪晶片的一部分的放大图。以下提供图20所图解说明的一列名称

26A    扭转铰链

28A    扭转铰链

32     弹簧

38A    电极

38B    用于电容性地感测位移变化的电极

38C    用于与38B有差别地感测位移变化的电极

39基座层中可处于不同于电极38B、38C及38A的电位的结构，其中所有电极连接质量块22、24、连杆及框架

58′分裂式挠性件

60′分裂式挠性件

62′框架上的连接片

64′基座上的狭槽/凹槽(注意与62及64的基座互补)

80  界定框架谐振模式的挠性件的应力隔离

81  用于轴向抑制挠性件以使梁从制造期间的原位热处理松弛的应力隔离

82  以谐振模式致动框架的结构

83  驱动组合件中的连接片

84  驱动组合件中的凹槽

图20中显示的框架连接片62′与基座凹槽64′啮合。在一个实施例中，基座凹槽64′大于框架连接片62′的宽度以使框架34在框架连接片62′与基座凹槽64′的壁碰撞之前仅在某一选定范围内相对于基座36而旋转。选择此选定的运动范围以确保挠性件32不会因选定范围内的运动而破坏。以此方式，连接片62′与凹槽64′的组合提供对挠性件32的保护。

图20中显示的铰链连接片83与质量块凹槽84啮合。在一个实施例中，质量块凹槽84大于铰链连接片83的宽度以使质量块32在铰链连接片83与质量块凹槽84的壁碰撞之前仅在某一选定范围内平移。选择此选定范围以确保挠性件26A、28A、58′及60′不会因选定范围内的运动而破坏。以此方式，连接片83与凹槽84的组合提供对挠性件26A、28A、58′及60′的保护。类似地，铰链连接片83可具有凹槽的形式且质量凹槽84具有连接片的形式。以此方式，连接片与凹槽提供对挠性件26A、28A、58′及60′的类似保护。

当存在震动的情况期间可见的极大加速度时，机械结构的承受能力是相当重要的。连接片62′及83连同凹槽64′及84通过选择各种各样的允许运动来保护容易破坏的结构。可由向所述结构的质量块施加惯性力的平面内及平面外加速度来诱发这些运动。在存在Z加速度时，主要的惯性力作用于实质质量块22及24。连杆及铰链54、58、60及扭转铰链26A、28A及30A经设计以使所引起的质量块的运动由于Z加速度而不完全地沿Z方向。质量块22及24经设计以绕Z轴旋转且沿Y方向平移。通过针对陀螺仪晶片的厚度及质量块绕X轴的旋转来选择陀螺仪结构之间适当的间隙大小，可限定由Z加速度诱发的运动。图21示意性地图解说明帮助限定运动并保护陀螺仪晶片20的机械元件的干扰。

操作

图1及图2的实施例具有两种操作模式。在第一及优选操作模式中，驱动质量块22及24使其振荡且感测框架34的运动以测量Y方向上的角速度。在第二操作模式中，驱动框架34使其振荡且感测质量块22及24的运动以测量Y方向上的角速度。将依次考虑这两种方法。

第一优选操作模式包含用于驱动连杆使其振荡的致动器。在图1及图2的实施例中，由图2的电极48A、48B、50A、50B、52A及52B来提供静电致动器。电极48A、48B、50A、50B、52A及52B经由静电相互作用与板30、28及26相互作用，其中力随着电极与对应板之间的电位差增大而增大。板26、28及30通常保持在相同电位处，可将此电位看作电位的零参考而不失其一般性。

电极48A、48B、50A、50B、52A及52B优选地为分裂式电极，如图2上所示。其主要原因是，板与电极之间的静电相互作用往往为引力(而不是斥力)，因此提供沿任一方向的扭矩都需要旋转轴任一侧上的电极元件，如图2上所示。在制造中优选地将电极48A、48B、50A、50B、52A及52B与对应的板(分别为30、28及26)之间的间隙精确地控制为预定的间隙高度d，以尽可能地减小获得板的既定旋转所需的电压，而仍提供致动器驱使板移动所用的充足空隙。优选地以协作方式电驱动电极48A、48B、50A、50B、52A及52B以激发由质量块22及24与板26、28及30形成的连杆的振荡模式，其中质量块22及24沿Z方向(即，平面外方向)大致彼此异相地振荡。图11a及11b上示意性地显示了响应于此振荡模式的连杆运动。

同样优选地，板26可包含向质量块22延伸的杆臂、板30可包含向质量块24延伸的杆臂，且板28可包含向质量块22及质量块24两者延伸的杆臂，上述所有均如图1上所示。由于存在从板26、28及30延伸的杆臂，挠性铰链(54、56、58、60)与板旋转轴(26B、28B、30B)之间的距离增大，从而增大了通过板的既定旋转而提供的质量块22及24的位移。这一增大的位移对改善陀螺仪性能及/或对以较低成本提供期望的性能水平来说是非常合乎需要的。为容纳质量块22及24的增加的行程，分别在质量块22及24下面形成凹陷45及47。冠状晶片42也经配置以允许充足的空间来容纳陀螺仪晶片20的所有移动部分，且还可包含凹陷(未显示)。

当使陀螺仪晶片面性20以角速度Ω_y绕Y轴旋转时，质量块22及24经受陀螺仪晶片20的参考框架中振荡的X方向上的科里奥利(Coriolis)力。由于质量块22与24沿Z轴的相反方向移动，所以这两个质量块上的科里奥利(Coriolis)力沿X轴方向相反。质量块22及24上的科里奥利(Coriolis)力向框架34诱发绕Z轴的振荡扭矩，从而使框架34开始角振荡。由于框架34的角振荡的振幅取决于Ω_y(理想地与Ω_y成比例)，所以测量此振幅提供对角速度Ω_y的测量。

为改善陀螺仪灵敏性，可优选地充分利用陀螺仪结构的机械谐振。因此，可优选地以等于或约等于基础连杆谐振模式频率的频率驱动含有质量块22及24的连杆。优选地，所述基础连杆谐振模式(即，具有最低频率的机械模式)将对应于图11a及图11b中所示质量块22及24的反相振荡。可在设计所述连杆及其支撑挠性件期间确保此对应。通过以连杆自然频率或接近连杆自然频率来选择驱动频率，由既定致动力提供的连杆的运动增大。

也可优选地确保基础框架谐振模式响应于框架34绕Z轴的刚性主体角振荡，这可通过适当地设计框架34及挠性件32来完成。此外，框架基础频率可优选地大于连杆基础频率。这可确保驱动频率在频率上比框架34的任何其它谐振模式更接近于框架34的基础模式，以此最小化对可干扰陀螺仪操作的框架34的高阶机械模式的激励。

在此实施例中，使用变换器来感测框架34的角振荡振幅。优选地，所述变换器为设置在框架34与基座36之间并连接到这两者的电容性传感器。图5上显示这一电容性传感器的两个适当电极配置。图5上显示为38A、38B及38C的配置称作树状配置，而图5上显示为40A、40B及40C的配置称作径向配置。对于矩形配置来说，所述变换器可沿图20中所示空腔边缘90的圆周而定位。

在所述树状配置中，电极38A附装到框架34并随其移动，而电极38B及38C两者附装到基座36且不随框架34移动。由一个电极38A、一个电极38B及一个电极38C组成的“单元局部电池”可视需要在框架34与基座36之间的区域中重复。图5上显示两个这种“单元局部电池”。参照图20，图中显示多个“单元局部电池”38A、38B及38C。在一个实施例中，包含质量块22、24、弹簧32、框架34及电极38A的所有可移动结构均以机械方式连接且由体硅形成。此整个元件群组共享同一电位。因此，电位屏蔽39A及39B(如图20中所示)可定位在屏蔽敏感电极38B及38C的区中。屏蔽39A保护电极38B及38C免受电磁干扰(EMI)。大致等于所有可移动结构的电位的电位可最小化可以不合需要的方式作用于可移动结构的静电力。类似地，可将由平面结构组成的屏蔽图案化于参考晶片44及冠状晶片42两者上以防止电磁及静电干扰。

再次参照图5，所有电极38A彼此电连接，所有电极38A彼此电连接，且所有电极38C彼此电连接。由此形成两个电容：电极38A与38B之间的电容器AB，及电极38A与38C之间的电容器AC。其中电极38B没有连接到电极38C的这一布置称作分裂式指状配置。由于框架34的运动改变电容器AB及AC的电容，所以使用电路测量这些电容提供对框架34的运动的感测。电极38A由绕垂直于表面的轴旋转地设置的框架34组成。在“单元局部电池”中，38B与38C的紧密相邻可最小化其中不相等的寄生电容可影响到检测的区。限界局部差分对的区小于陀螺仪晶片20的厚度的区。此电路可优选地位于参考晶片44上。

类似地，在径向配置中，电极40A附装到框架34且随之移动，而电极40B及40C附装到基座36且不随框架34移动。同样，形成两个电容器，且使用电路(优选地位于参考晶片44上)测量这些电容提供对框架34的运动的感测。

参照图20，显示可用于在自测试操作模式期间驱使框架34旋转的结构82。此能力允许针对特性化及质量保证测量来测量感测模式频率。已知电信号的应用可向环状物引入经计算扭矩，从而导致所述环状物绕垂直于基座的轴旋转地发生位移。此位移模拟从由于角速度而受科里奥利(Coriolis)力作用的质量块产生的矩扭所导致的旋转。所述环状物的运动(或位移)用于对校准一个或一个以上传感器的感测模式频率的特征描述。在一个实施例中，使用一个或一个以上致动器以在自测试操作模式期间使指状物发生位移。所述致动器可以是根据上文结合图5论述的配置而配置的静电致动器。例如，所述静电致动器可利用梳指状(或分裂指状)电极配置，或平行板电极配置。

在第二操作模式中，框架34受驱动而绕Z轴进行角振荡，从而使得质量块22及24沿X轴进行反相振荡。当使陀螺仪晶片以角速度20Ω_y绕Y轴旋转时，框架34的振荡在质量块22及24上诱发振荡的Z方向上的科里奥利(Coriolis)力，从而使包含质量块22及24的连杆开始振荡。由于连杆振荡的振幅取决于Ω_y(理想地与Ω_y成比例)，所以测量此振幅提供对角速度Ω_y的测量。

由于此第二操作模式类似于第一优选操作模式，所以以上论述可适用于如下不同：

1)第二操作模式包含用于驱动框架34使其进行角振荡的致动器。连接到框架34及基座36的静电致动器是用于驱动框架34使其进行角振荡的一个适当构件。这一静电致动器可具有各种电极配置，其中包含图5的配置。

2)在第二操作模式中，可优选地以其基础谐振频率或接近其基础谐振频率驱动框架，且连杆基础频率可优选地大于框架基础频率。

3)第二操作模式包含用于感测连杆的振荡的变换器。连接到连杆的电容性传感器是适当的变换器。图2上的电极48A、48B、50A、50B、52A及52B提供这一电容性传感器。通过测量电极52A与板26之间的电容及测量电极52B与板26之间的电容来感测板26在电极52A及52B上方的运动。以类似的方式感测板28及30的运动。

在这两种操作模式中，根据本发明实施例的角速度传感器有利地减小由传感器可经受的任何线性加速度诱发的误差。在第一操作模式中，所感测的运动是框架34的角速度振荡，且传感器的线性加速度往往不会诱发这一运动。在第二操作模式中，所感测的运动是质量块22及24的反相振荡，且此处所感测的运动同样不是线性加速度往往会诱发的运动。例如，Z方向上的线性加速度往往会诱发质量块22及24的同相(而不是反相)振荡。

制造

在优选实施例中，使用微机械加工技术(也称作MEMS技术)来制造具有上文论述的结构及操作的角旋转传感器(或陀螺仪)。已知两种形式的MEMS技术：体MEMS及表面MEMS。体MEMS技术是本发明优选的，因为体MEMS检测质量块(即，质量块22及24)可具有比表面MEMS检测质量块更大的质量且可具有更大范围的运动。图7a-d、8a-d、9a、b及10a、b示意性地显示适于制造本发明实施例的例示性制造顺序。

图7a-d示意性地显示适于制造冠状晶片42的一序列步骤。在图7a上，冠状晶片42是使用背面对准标记72来图案化的。可使用反应离子蚀刻(RIE)来制作对准标记72。在从图7a到图7b过程中，清洗背向对准标记72的冠状晶片42的表面，且然后将其热氧化以产生氧化物层70。氧化物层70优选地约为0.5微米厚，且可通过在含水的周围环境下将冠状晶片42加热到较高温度(例如，大于1000C)而制成。在从图7b到图7c的过程中，以平版印刷的方式图案化氧化物层70，如图7c上示意性地显示。在从图7c到图7d的过程中，蚀刻掉不受氧化物层70保护的冠状晶片42的材料以达到约100微米的深度。深度RIE(DRIE)是适于此步骤的蚀刻方法。一般来说，可以各种技术(其中包含(例如)使用电浆的反应离子蚀刻或通过湿化学蚀刻)来蚀刻不受氧化物层70保护的材料。用于高体积低成本制造的优选方法是成批工艺，例如湿化学蚀刻。在所述工艺中的此点处，冠状晶片42具有图2中所示的配置。在蚀刻之后，清洗冠状晶片42以准备进行熔融接合。适当的清洗步骤包含高温(例如，＞300C)灰化步骤及过氧化硫浸洗。所采用的清洗方法必须使经图案化氧化物层70保持完整无缺。

图7e-f图解说明使用湿化学制品的硅冠状晶片上的硅蚀刻特性。图7e图解说明硅冠状晶片的平面图。图7f图解说明图7e的硅冠状晶片沿线A-A的剖视图。优先的蚀刻沿某些结晶平面进行。所述硅冠状晶片中大致矩形的开口使硅冠状晶片的制造可具有低成本高产量。在一个实施例中，硅冠状晶片中的凹陷(或开口)提供两种功能。首先，凹陷的存在界定了允许独立的子组合件移动到何处。其次，凹陷的深度容纳陀螺仪的检测质量块的运动。例如EDP、KOH及TMAH的湿化学制品是采用特有的晶体相关蚀刻的常见蚀刻剂。在一个实施例中，平行于及垂直于具有晶体名称<100>的硅冠状晶片的平坦边缘的边缘将呈现良好控制的边缘，其中从所述边缘发射出一锥形边缘。

图8a-d示意性地显示适于制造陀螺仪晶片20的一序列处理步骤。陀螺仪晶片20优选地为初始低总厚度变化(TTV)晶片。使用过氧化硫浸洗清洗陀螺仪晶片20且然后将其熔融接合到冠状晶片42上的经图案化氧化物层70，如图8a上所示。在图7-10的处理顺序中，将冠状晶片42接合到陀螺仪晶片20比将参考晶片44接合到陀螺仪晶片20在更早的处理阶段中进行。因此，相对较高温度的接合工艺对于将冠状晶片42接合到陀螺仪晶片20来说是优选的，其包含但不限于：共熔金属接合、玻璃接合、焊料接合、金共熔接合、Si到SiO₂熔融接合及Si到Si熔融接合。在图8a到图8b过程中，将陀螺仪晶片20从通常的约500微米厚度薄化到约40微米厚度。常规的研磨及抛光是适用于执行此薄化步骤的方法。可均匀地完成陀螺仪晶片20的薄化，或可完成所述薄化以使陀螺仪晶片20上将变为质量块22及24的区域比陀螺仪晶片20的其它部分更厚。这一增大的厚度是有利的，因为其增加了质量块22及24的质量。

在一个实施例中，如图8b中所示，质量块22及24及其它陀螺仪结构组件(其中包含挠性件32、板26、28、30及框架34)悬挂在隔膜区域73中的基座36上。参照图18a及18b，其分别显示陀螺仪晶片的剖视图及平面图。具体来说，图18a图解说明图18b的陀螺仪晶片沿线C-C的剖视图。

如图18a中所示，根据一个实施例，支柱75位于隔膜区域73中。大致矩形的凹陷(硅冠状晶片的)内的支柱75改善了对陀螺仪晶片20的薄化工艺的均匀性。所述薄化工艺可包括研磨及抛光，其可在薄化工艺期间向隔膜区域73施加垂直的力。因此，由于隔膜区域73没有被支撑，可产生跨越隔膜区域73的不合需要的厚度变化。如图18b中所示，在一个实施例中，为改善跨越如质量块22及24的关键区的均匀性，使用可释放支柱77来支撑如质量块22及24的结构。支柱75、77的制造可在冠状晶片42中形成凹陷27期间进行。支柱75、77可由氧化物层70所保护的凹陷27内的区来实现。所述支柱在薄化工艺期间及陀螺仪晶片20、参考晶片44与冠状晶片42的最终装配期间提供机械支撑。支柱75、77也可充当基座挠性安装件66，基座挠性安装件66可位于凹陷27内部中及位于凹陷27的圆周边缘上的基座上。在一个实施方案中，包含支柱78以支持与双轴传感器相关联的参考晶片的晶片级集成，其中所述参考晶片形成所述双轴传感器内的单个气密密封的下部部分。此外，所述双轴传感器可进一步包含支柱79，支柱79在所述双轴传感器的空腔内提供基座或锚定件，所述框架(例如，框架34)悬挂在所述基座或锚定件上。

再次参照图8b，在薄化陀螺仪晶片20之后，通过平版印刷图案化然后进行蚀刻来形成图8b上显示的支座71。KOH蚀刻适于此步骤。支座71的目的是精确地确定致动器电极(例如电极48A、B、50A、B、52A、B)距离对应的板(即，分别为板30、28及26)之间的垂直间距d。

在从图8b到图8c过程中，在陀螺仪晶片20上沉积经图案化层46′。优选地，经图案化层46′为Ge层，沉积所述层且然后将其图案化(例如，通过平版印刷然后进行蚀刻)。优选地，经图案化层46′也界定框架34与基座36之间的电极，所述电极可以是图5中所示类型。或者，可在独立于沉积经图案化层46′的处理步骤中形成框架34与基座36之间的电极。

在图8c到图8d过程中，通过蚀刻穿透陀螺仪晶片20形成陀螺仪晶片20的机械元件。可以光刻方式形成待蚀刻的图案。A2微米线宽度及2微米间隔适于终止于氧化物层70上的此蚀刻。采用绝缘体上硅(SOI)反底脚增进的深层RIE是适于此步骤的蚀刻方法。可优选地以适于形成高纵横比特征的蚀刻工艺来执行此蚀刻。在已执行图8d的蚀刻之后，图1-4及图6上显示的陀螺仪晶片20的所有机械元件均已形成。这些元件包含质量块22及24、板26、28及30、挠性件32、框架34及铰链26A、28A、30A、54、56、58及60。为简明起见，图8d仅显示板28及质量块22及24。

图9a-b示意性地显示适于制造参考晶片44的一序列处理步骤。在图9a上，参考晶片44的有源区示意性地指示为74。有源区74包含将与陀螺仪晶片20发生电接触的区域，以及用于驱动陀螺仪晶片20的电路及用于感测陀螺仪晶片20所提供的输出信号的电路。这种电路优选地为习用硅CMOS电路。在优选实施例中，在习用的CMOS工艺中所沉积的最后金属层为适于用作接合金属的金属层。此上部金属层也界定电极48A、B、50A、B及52A、B(图9b上仅显示电极50A、B)及接合垫76，如图9a上示意性地显示。在从图9a到图9b过程中，在参考晶片44中形成凹陷45及47。优选地以DRIE将凹陷45及47制造成约100微米的深度。

图10a-b示意性地显示适于陀螺仪晶片20、参考晶片44及冠状晶片42的最终装配的一序列处理步骤。在图10a上，显示参考晶片44经由陀螺仪晶片20上的经图案化层46′与参考晶片44上的接合垫76之间的经对准金属到金属接合附装到陀螺仪晶片20。在图7-10的处理顺序中，将参考晶片44接合到陀螺仪晶片20比将冠状晶片42接合到陀螺仪晶片20在更晚的处理阶段中进行。因此，对将参考晶片44接合到陀螺仪晶片20来说，相对较低温度的接合工艺是优选的，其包含但不限于：共熔金属接合、铝-锗接合、焊料接合、铟-金接合及聚合物接合。

图10a上的板28与电极50A及50B之间的间距d是由支座71及经图案化层46′的结合厚度来确定的，且可通过选择支座71的高度来精确地控制(或预定)。其它电极(例如，电极48A、B及电极52A、B)与其对应的板(例如，分别为板30及26)之间的间距也是以相同方式确定的，且通常相同的预定距离d将所有板与其对应电极分隔开。虽然图7-10的处理顺序显示排他性地形成于陀螺仪晶片20上的支座71，但也可能在参考晶片44上或在陀螺仪晶片20及参考晶片44两者上排他性地形成支座以界定板与电极之间的间距。在从图10a到图10b的过程中，将材料从冠状晶片42蚀刻掉以允许从上方形成有源区74。可使用DRIE来完成此蚀刻。通过允许从上方形成有源区74，可便利到图10b的角速度传感器的电连接。

参考晶片44优选地经由可密闭制成的金属到金属接合附装到陀螺仪晶片20。同样，陀螺仪晶片20可优选地通过也可密闭制成的熔融接合附装到冠状晶片42。因此，由参考晶片44、陀螺仪晶片20与冠状晶片42组成的整个组合件可提供陀螺仪元件(例如质量块22及24)与周围环境之间的密闭势垒。

为满足陀螺仪不同市场的某些性能规格，在某些情况下可在所述密闭势垒所提供的封闭空间内有利地提供减小的压力(例如，约1mTorr，其大致小于大气压)。以此方式，合乎需要地减小了对因空气(或其它气体)填充所述封闭空间而导致的质量块22及24的运动的阻力。或者，可在质量块22及24中(且在所述连杆的其它移动部分中)提供孔以减小运动的空气阻力。在其它情况下，在气密空间内提供大于大气压的压力将是合乎需要的。

对图7a-d、8a-d、9a-b及10a-b的此论述提供对适于制造本发明优选实施例的处理步骤的例示性顺序的示意性概述。因此，上文论述的单个步骤对实践本发明来说都不是必要的。此外，可使用上文未提及的但在半导体处理技术中熟知的替代方法来执行上文所述大多数步骤。更一般来说，整个详细说明通常以实例而不是限定的方式。在下文中简要地描述了本发明实施例的进一步实例。

图12是位于根据本发明一个实施例的参考晶片上的电极的布置的示意性顶视图。在视图图12中未显示质量块22及24以及板26、28及30，因此可看到所述连杆的这些元件下面的电极。在图12的配置中，电极48A、B、50A、B及52A、B分别用于如上所述驱动板30、28及26。另外，图12的配置提供用于感测质量块的运动或更一般来说感测所述连杆的运动的电极51A及51B。电路中电极的布置将允许电极48A及52B感测连杆的运动。驱动感测电极51A、B的功能是由可感测边缘板26及30的旋转运动的48A及52B执行的。类似地，电极52A及48B可配置在感测连杆的运动的电路中。电极51A及51B提供的信号可有利地由驱动连杆致动器的电路使用。例如，以此方式感测连杆的运动可允许驱动电路精确地以其基础机械谐振频率驱动所述连杆。

图22图解说明根据本发明一个实施例的边缘板26及用于感测边缘板26的运动的分裂式电极52C及52D的平面图。可优选地如图22中所示重新配置所述感测电极。与图12中所示配置相比，感测电极52B已被重新配置成两个(分裂式)电极52C及52D。显示边缘板26相对于电极52C、D的位置而定位。在此实施例中，以提供对倾斜边缘板26的有差别地感测的方式来放置感测电极52C及52D。选择所述两个分裂式电极52C及52D的相对大小以抑制来自框架(未显示)的倾斜运动。因此，电极感测中产生的信号完全通过板的倾斜而产生。然后将此信息并入到反馈环路中以控制质量块22及24的振荡的振幅。

再次参照图12，电极52A及48B可经配置以通过驱动外部板26及30来驱使所述连杆。图23显示其中电极52C-F已取代图12的电极52A的实施例。电极52C与52D可电连接在一起。类似地，电极对52E与52F连接在一起。分裂式驱动的目标是获得边缘板26上随时间而恒定的扭矩。当测量旋转速率诱发的科里奥利(Coriolis)力时，在驱动频率下观察不到此平均恒定扭矩随时间的任何效应。图24显示图解说明在形成电极对52C、D及52E、F的两个异相输入的边缘板26上产生的恒定扭矩的图式。

图13示意性地显示根据本发明实施例的集成双轴陀螺仪的顶视图。在图13的配置中，Y轴子传感器20Y及X轴子传感器20X优选地制造于单个硅芯片21上。子传感器20X及20Y优选地为结合图1及图2描述的传感器，且图13的配置有利地使用集成角速度传感器提供双轴感测。与两个非集成单轴传感器相比，这种集成大大地降低了成本。在一个实施例中，以单独的频率操作X轴子传感器20X及Y轴子传感器20Y。在此实施例中，所有的基础频率(4)均分隔开多于500Hz。每一轴速率传感器具有两个基础频率-驱动质量块模式及框架感测模式。双轴陀螺仪包括两个紧密相邻的速率传感器。通过以不同频率操作，串扰得以减轻。另外，双轴陀螺仪可由单个气密密封环状物23密封。单个气密密封环状物23可通过上文所述的制造技术形成。

图17图解说明根据本发明实施例的集成双轴陀螺仪1700的另一实施例。在图17的配置中，Y轴子传感器20Y与X轴子传感器20X由单个气密密封环状物23所提供的气密密封封闭空间内的势垒密封1702分隔开。势垒密封1702减小了从一个谐振感测元件到另一谐振感测元件的声耦合，即，势垒密封1702减小了Y轴子传感器20Y与X轴子传感器20X之间的声耦合。因此，双轴陀螺仪可改善角速度的测量准确性。在一个实施例中，在势垒密封1702内形成沟道25A、25B以准许Y轴子传感器20Y与X轴子传感器20X上的压力均衡。

图14a及图14b示意性地显示提供对不期望的运动的进一步共模抑制的本发明实施例的顶视图。图14a及图14b的配置包含两个框架：框架34A及框架34B。以与质量块22及24定位于图1上的框架34内大体相同的方式，质量块22A及24A定位于框架34A内，且质量块22B及24B定位于框架34B内。图14a及图14b上的质量块22A、B及24A、B经驱动以进行振荡，使得质量块24A与22B同相。质量块22A与24A经连接以异相移动，质量块22B与24B也是如此。

框架34A与34B通过挠性件32彼此连接，且通过多个挠性件32连接到基座36′。图14a及图14b上显示的挠性件配置是例示性的，且可以其它挠性件配置来实践本发明。框架34A通过挠性件32连接到框架34B往往会约束框架34A及34B相对于框架34A及34B的异相旋转的同相旋转，因为框架34A及34B的同相旋转比相同幅度的异相旋转使挠性件32伸长更多。

当使图14a的传感器绕图14a上的Y轴旋转(或使图14b的传感器绕图14b上的Y轴旋转)时，传递到框架34A及34B的Z方向上的扭矩是异相的。其原因是框架34A与34B内的两个连杆正相对于彼此异相移动。相反，图14a及图14b的传感器绕Z轴的角加速度导致框架34A与34B同相旋转。因此，图14a及图14b的传感器可抑制因绕Z轴的角加速度而产生的虚假信号，这是图1的实施例不提供的能力。可如上所述感测(例如，使用电容性传感器)图14a及图14b上的框架34A及34B的旋转。

此外，图14a及图14b的实施例在所驱动连杆中具有零净线性及角动量，而图1的实施例在所驱动连杆中具有零净线性动量及非零净角动量。由于振动到传感器封装的转移在所驱动连杆具有零净线性或角动量时往往会减少，图14a及图14b的实施例可提供与图1的实施例相比减小的封包振动。减小的振动可导致减小的测量误差，例如偏压误差及积分误差。

为最大化图14a及图14b的实施例所提供的Z方向上的角加速度的共模抑制的好处，框架34A及34B可优选地具有大致相同的形状，且框架34A及34B内的连杆可优选地具有大致相同的配置及定向。此对称程度提供响应于Y方向上角速度的大致相等及相反的运动，从而最大化对不响应于Y方向上角速度的运动(例如，因Z方向上的角加速度而发生的运动)的抑制。

图15示意性地显示本发明的替代实施例，其中框架34及基座36是矩形的而不是圆形的。在图15上的框架34内，质量块22及24通过板26、28及30连接在一起，类似于图1的实施例。同样如在图1的实施例中，包含质量块22及24以及板26、28及30的连杆优选地由静电致动器(图15上未显示)驱动而进行振荡。图15的实施例绕Y轴的旋转将在质量块22及24上诱发X方向上的科里奥利(Coriolis)力。框架34通过多个挠性件32连接到基座36，从而准许框架34相对于基座36移动。响应于传感器绕Y轴的角速度，质量块22及24上X方向上的科里奥利(Coriolis)力往往会导致框架34沿X方向相对于基座36移动。框架34与基座36之间的相对运动优选地由图15上示意性地显示的电容性传感器100来感测。

图15上框架34及挠性件32的配置约束框架34的整体旋转且感测框架34响应于Y方向上的角速度在X方向上的变形。也可采用图15上的框架34及挠性件32的替代配置，所述配置约束了X方向上的变形(例如，通过使框架34更坚硬)且感测框架34的旋转。

图16a及图16b显示框架34与基座36之间的挠性件的替代配置的实例。图16a显示相对于图1上显示的挠性件32的布置旋转了45度的挠性件32的布置。图16b显示对称地设置在框架34与基座36之间的三个挠性件32的布置。当然，可以框架34与基座36之间可准许框架34响应于待感测角速度而相对于基座36移动的任何挠性件布置来实践本发明。

在上文对本发明实施例的详细说明中，揭示了一种用于驱动所述连杆使其振荡的致动器，所述致动器为静电致动器。用于驱动所述连杆使其振荡的替代致动器包含但不限于：电磁致动器、压电致动器及热致动器。同样在上述说明中，揭示了一种用于感测框架34的角振荡的变换器，所述变换器为电容性传感器。用于感测框架34的角振荡的变换器包含但不限于：电磁传感器、压阻传感器及压电传感器。

在上文对本发明实施例的详细说明中，揭示了一种用于驱动框架34使其进行角振荡的致动器，所述致动器为静电致动器。用于驱动框架34使其振荡的替代致动器包含但不限于：电磁致动器、压电致动器及热致动器。同样在上述说明中，揭示了一种用于感测所述连杆的振荡的变换器，所述变换器为电容性传感器。用于感测所述连杆的振荡的替代变换器包含但不限于：电磁传感器、压阻传感器及压电传感器。

Claims (27)

1、一种用于测量X-Y传感器平面中角速度的X及Y分量的双轴传感器，所述双轴传感器包括：

第一子传感器，其用于测量角速度的所述X分量；及

第二子传感器，其用于测量角速度的所述Y分量，

其中用于测量角速度的所述X分量的所述第一子传感器及用于测量角速度的所述Y分量的所述第二子传感器含纳于所述双轴传感器内的单个气密密封内。

2、如权利要求1所述的双轴传感器，其中所述第一子传感器与所述第二子传感器由所述单个气密密封内的势垒密封分隔开，所述势垒密封用于减小所述第一子传感器与所述第二子传感器之间的声耦合。

3、如权利要求2所述的双轴传感器，其中所述势垒密封包含形成于其中的一个或一个以上沟道以准许所述单个气密密封内的所述第一子传感器与所述第二子传感器两者上的压力均衡。

4、如权利要求1所述的双轴传感器，其中所述双轴传感器是使用体硅制造而制造的。

5、如权利要求1所述的双轴传感器，其中所述第一子传感器及所述第二子传感器含纳于所述双轴传感器的矩形空腔内，所述双轴传感器进一步包含形成于所述矩形空腔上方的隔膜。

6、如权利要求5所述的双轴传感器，其进一步包括一个或一个以上支柱以支撑所述空腔中的所述隔膜。

7、如权利要求6所述的双轴传感器，其进一步包括一个或一个以上支柱以在所述空腔内提供锚定件，所述双轴传感器的框架悬挂在所述锚定件上。

8、如权利要求6所述的双轴传感器，其进一步包括一个或一个以上支柱以支持与所述双轴传感器相关联的参考晶片的晶片级集成，所述参考晶片形成所述单个气密密封的下部部分。

9、如权利要求6所述的双轴传感器，其中所述支柱在制造与所述第一子传感器及所述第二子传感器相关联的机械元件期间提供对所述隔膜的临时支撑。

10、如权利要求1所述的双轴传感器，其进一步包括用于感测模式频率的应力隔离特征。

11、如权利要求10所述的双轴传感器，其中所述应力隔离特征由一个或一个以上梁组成。

12、如权利要求1所述的双轴传感器，其进一步包括用于制造所述双轴传感器期间的稳健性的应力隔离特征。

13、如权利要求1所述的双轴传感器，其中所述双轴传感器的感测模式频率小于所述双轴传感器的驱动模式频率。

14、如权利要求1所述的双轴传感器，其进一步包括框架，所述框架包含一个或一个以上连接片或凹槽以限制与所述第一子传感器及所述第二子传感器相关联的机械元件的运动。

15、如权利要求1所述的双轴传感器，其中：

所述第一子传感器包括：

a)第一感测子组合件，其包括：

i)平行于所述X-Y传感器平面的大致平面第一框架；

ii)设置在所述X-Y传感器平面中的第一质量块；

iii)相对于所述第一质量块横向地设置在所述X-Y平面中的第二质量块；及

iv)在所述第一框架内且连接到所述第一框架的第一连杆，其中所述第一连杆连接到所述第一质量块并连接到所述第二质量块，且其中所述第一连杆抑制所述第一及第二质量块垂直于所述X-Y传感器平面沿相反方向移动。

b)第一致动器，其用于将所述第一感测子组合件的第一部分驱动为以驱动频率振荡；及

c)第一变换器，其用于感测所述第一感测子组合件的第二部分响应于角速度的所述X分量的运动；且

所述第二子传感器包括：

a)第二感测子组合件，其包括：

i)平行于所述X-Y传感器平面的大致平面第二框架；

ii)设置在所述X-Y传感器平面中的第三质量块；

iii)相对于所述第三质量块横向地设置在所述X-Y传感器平面中的第四质量块；及

iv)在所述第二框架内且连接到所述第二框架的第二连杆，其中所述第二连杆连接到所述第三质量块并连接到所述第四质量块，且其中所述第二连杆抑制所述第三及第四质量块垂直于所述X-Y传感器平面沿相反方向移动；

b)第二致动器，其用于将所述第二感测子组合件的第一部分驱动为以驱动频率振荡；及

c)第二变换器，其用于感测所述第二感测子组合件的第二部分响应于角速度的所述Y分量的运动。

16、如权利要求15所述的双轴传感器，其中所述第一及第二连杆经设计以便在存在不期望的Z轴运动时，由所述双轴传感器内的连接片及凹槽来限制横向运动。

17、如权利要求15所述的双轴传感器，其中所述第一及第二连杆包括一个或一个以上梁。

18、如权利要求15所述的双轴传感器，其中所述第一、第二、第三及第四质量块的驱动运动是间接感测的。

19、如权利要求15所述的双轴传感器，其中所述第一、第二、第三及第四质量块是间接驱使的。

20、如权利要求19所述的双轴传感器，其进一步包括一个或一个以上分裂式电极以间接驱使所述第一、第二、第三及第四质量块。

21、如权利要求20所述的双轴传感器，其中所述一个或一个以上分裂式电极位于与所述双轴传感器相关联的边缘板上。

22、如权利要求15所述的双轴传感器，其进一步包括设置在所述第一及第二框架上的一个或一个以上电极以有差别地感测所述第一及第二框架的运动。

23、如权利要求1所述的双轴传感器，其进一步包括一个或一个以上致动器以在用于测量与所述双轴传感器相关联的感测模式频率的自测试操作模式期间驱使所述双轴传感器的框架旋转。

24、如权利要求23所述的双轴传感器，其中所述一个或一个以上致动器中的每一者均为静电致动器。

25、如权利要求24所述的双轴传感器，其中所述静电致动器中的一个或一个以上静电致动器利用平行板电极配置或梳指状电极配置。

26、如权利要求1所述的双轴传感器，其进一步包括一个或一个以上屏蔽以屏蔽与所述第一子传感器及所述第二子传感器相关联的一个或一个以上机械元件免受电磁干扰(EMI)。

27、如权利要求1所述的双轴传感器，其中所述第一子传感器与所述第二子传感器以分隔开多于500Hz的频率操作。

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