CN102506841B - 半环形谐振器陀螺仪 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半环形谐振器陀螺仪，具体地，一个示例性实施例涉及具有基底的振动结构陀螺仪，该基底具有上表面。该振动结构陀螺仪还可以包括具有半环形形状的谐振器，该谐振器包括杆部和环绕于杆部的外唇缘，该杆部附接到基底的上表面，并且该外唇缘定位成与该上表面分开以允许该谐振器振动。

Description

半环形谐振器陀螺仪
相关申请的交叉引用
本申请要求2010年5月30提交的美国临时申请61/349,876的优先权，该申请所公开的内容通过引用并入本文中。
背景技术
振动结构陀螺仪通过感测诸如谐振腔的振动结构的振动变化来检测旋转。通常，通过一些机构引起谐振器的振动。振动的谐振器的旋转可以引起振动的改变(例如角度、速度)。这些改变可以被检测并且用于确定谐振器的旋转。振动结构陀螺仪通常包括压电式、半球形、音叉、以及轮式陀螺仪。
半球形类型的振动结构陀螺仪可以包括谐振器，该谐振器具有附接到杆部(stem)的半球壳。该谐振器的杆部安装在一结构上，并且该谐振器可以绕杆部振动。这类的陀螺仪可以通过使用传统的高精度机加工技术来制作。通常希望采用微机加工技术来制作此类陀螺仪，从而允许同时成批生产多个陀螺仪。
在一些例子中，半球壳的均匀性可以影响利用该半球壳的振动来进行旋转检测的准确性。此外，杆部在半球壳上的位置(例如，如果杆部是偏心的)也可以影响陀螺仪的准确性。因此，半球形陀螺仪的制作精度是重要的而又难以实现的因素。
发明内容
一个示例性实施例涉及具有基底的振动结构陀螺仪，该基底具有上表面。该振动结构陀螺仪还可以包括具有半环形形状的谐振器，该谐振器包括杆部和环绕于杆部的外唇缘，该杆部附接到附接到基底的上表面并且外唇缘定位成与上表面分开以允许谐振器振动。
附图说明
请理解，附图说明仅仅是对示例性实施例的描述并且因此不应该认为对保护范围进行了限制，将通过利用附图来另外具体且详细地描述所述示例性实施例，附图中：
图1A是根据一个实施例的用于振动结构陀螺仪的半环形谐振器的透视图；
图1B是图1A的半环形谐振器的另一透视图；
图1C是图1A的半环形谐振器的顶视图；
图2是根据一个实施例的半环形谐振器陀螺仪的剖面侧视图；
图3A是根据一个实施例的半环形谐振器的振动模式的图示；
图3B是根据一个实施例的半环形谐振器的振动模式的进动的图示；
图4A-4M是根据一个实施例的半环形谐振器陀螺仪的制作过程中的不同阶段的剖面侧视图；
图5是根据图4A-4M的过程制作的半环形谐振器陀螺仪的剖面侧视图；并且
根据惯例，所描述的各种特征不按比例绘制，而是绘制成强调与示例性实施例有关的特定特征。
具体实施方式
在接下来的详细描述中，参照构成本文一部分的附图，并且在附图中通过说明的方式示出了特定的示例性实施例。可以理解的是可以采用其它实施例并且可以做出逻辑的、机械的以及有关电的改变。此外，附图和说明书所给出的方法并不解释为对各自独立步骤完成顺序的限制。因此，接下来的详细描述不具有限制的意义。
图1A、1B和1C示出了用于根据一个实施例的振动结构陀螺仪的具有半环形形状的谐振器100。该谐振器100具有外表面110和相应的内表面112，该内表面112遵循外表面110的轮廓。谐振器100可以在其中心部分向内凸起以形成具有孔116的中心杆部114。该杆部114可以为谐振器100提供与基础结构进行附接的点。谐振器100的外唇缘118环绕杆部114。如图1B所示，谐振器100的半环形形状导致了外表面110的中心部分的向内凹陷120。如图1A所示，该向内凹陷120形成了杆部114。
在一个例子中，谐振器100可以由如二氧化硅(例如，无定形的SiO2)的玻璃材料组成。在另一些例子中，半环形谐振器100可以由另外的具有低的热膨胀系数(CTE)的玻璃材料组成。低的CTE可以帮助降低谐振器100的热弹性阻尼。热弹性阻尼可以限定谐振器100的品质因素Q的基础极限。当压缩的以及拉伸的应力导致谐振器100的材料内部产生加热以及冷却时，可能出现热弹性阻尼。这可以导致在谐振器100的厚度上产生温度梯度。所导致的热流可以耗散谐振器100的机械能。热弹性阻尼率可与CTE的平方成正比；因此在一些例子中，利用具有低CTE的材料来构造谐振器100是有利的。在一些例子中，几个百分点的二氧化钛(无定形的TiO2)可被包括在形成谐振腔100的二氧化硅材料中以降低CTE。当二氧化钛含量约为7％时，就可以得到接近零的CTE。在其他例子中，谐振器100可以由其它提供高的机械品质因素的材料组成，例如硅，金刚石等。
半环形形状使得谐振器100能够具有优良的振动特性，同时还使得谐振器100能够被精确地制作在微机电系统(MEMS)级的芯片中。值得指出的是，半环形形状可以被制作成关于它的中心对称轴具有高对称度。
在一个实施例中，谐振器100的杆部114在半环形的中心部分中整体成形。由于杆部114和谐振器100是在同一(些)步骤中形成的，这使得杆部114能够相对于外唇缘118高精确度地对准。由于杆部114是谐振器100的一个整体部分，这还使得谐振器100能够具有增加的强度。值得指出的是，谐振器100的增加的精确度和强度部分地归因于如下事实，即杆部114和谐振器100并不是在各自独立的步骤中制作出来并随后连接在一起的。相对于接下来描述的图4A-4M，给出关于制作工艺的另外的细节。
在一个示例性实施例中，杆部114可以具有约10-400微米的外径，而外唇缘118可以具有约0.5-4mm(例如，约2mm)的直径。谐振器100可以具有约3-30微米的材料厚度。
虽然图1A、1B以及1C中所示的半环形谐振器100具有特定的高度、直径、曲率半径、杆部宽度以及孔尺寸，应当理解的是，该谐振器100的这些部分的其它尺寸也可以被使用。此外，在一些例子中，杆部114可以是实心的并且因此可以不包括孔116。
图2是其内具有谐振器100的半环形谐振器陀螺仪200的截面侧视图。在该例子中，陀螺仪200是MEMS级的陀螺仪。因此，通过使用半导体制作工艺，陀螺仪200可以被制作在单晶片上。陀螺仪200可以包括具有上工作表面212的基底210。谐振器100的杆部114可以附接到基底210的上工作表面212。谐振器100的外唇缘118与表面212分开使得谐振器100可以绕杆部114自由地振动。
基底210可以在上工作表面212中限定环形腔214。基底210的锚柱216可以延伸穿过环形腔214的中心部分。在一例子中，另外的半导体导体部件可以被制作在基底210的上工作表面212上。谐振器100的杆部114可以附接到锚柱216。基底210可以包括硅晶片、砷化镓晶片、二氧化硅、碳化硅、玻璃陶瓷(例如，Zerodur即由SchottAG制造的零膨胀玻璃陶瓷)，或者其它材料。
图3A和图3B示出了半环形谐振器100的振动模式的上轮廓视图。如图所示，谐振器100可以谐振于n＝2的四极模式。在图3A中，半环形谐振器100的外唇缘118被示出具有瞬时的沿x轴的向外移位以及沿y轴的向内移位。在稍后的半个振动周期中，移位可以是沿y轴向外和沿x轴向内。在图3B中示出了n＝2的四极振动模式的定向的进动。该模式被示出由于外部施加的旋转Ω而旋转角度θ。该旋转向量是沿z轴(从纸平面向外)的。角度θ随时间而增加，也就是说，该模式绕z轴进动。
图4A-4M示出了半环形谐振器陀螺仪200的示例性制作工艺中的不同阶段。制作工艺可从基底210(例如，硅晶片)开始。
图4A示出了对上工作表面212进行图案形成和蚀刻(例如，使用光掩模)形成环形腔214和锚柱216后的基底210。在一个例子中，通过蚀刻形成环形腔214可以包括深反应离子蚀刻(DRIE)。可以在用以形成环形腔214的相同图案形成和蚀刻步骤期间(例如，使用相同光掩模)来形成锚柱216。因此，和锚柱216一样，通过使用相同图案形成和蚀刻阶段就可以形成环形腔214的外尺寸。这使得锚柱216的定位精确度(例如，相对于外尺寸的对准)能够与掩模曝光工艺的定位精确度一样好。也就是说，定位精确度并不取决于图案形成步骤的对准精确度(例如，一个图案形成步骤试图将一特征与另一图案形成步骤产生的特征对准)。
在一个例子中，可以用小于0.05微米的点尺寸/容差来进行掩模曝光。在传统的半球形谐振器中，类似的对准可能通过光刻对准、晶片结合(bonding)或者一些具有1到2微米量级的对准容差的其它工艺来完成，与本发明的半环形谐振器相比差了20-40倍。在一个实施例中，锚柱216的直径可以约为200微米。
在一例子中，为了获得期望的如下描述的半环形泡，可以确定环形腔214的深度。假设具有理想的气体行为，则环形腔214的深度可以通过来计算，其中r是环形管的半径，PB和TB分别是玻璃晶片310(见图4B)结合到基底210时的气体压力和气体温度，并且PA和TA分别是如下图4C所示的晶片被退火时的气体压力和气体温度。
在一些例子中，图案形成和蚀刻还可以在基底210上形成其它特征。另外，在一些例子中，基底210可以适当地导电。因此，可以使用重度掺杂的硅晶片，或者可在对环形腔214进行蚀刻后将掺杂剂扩散进表面212(未示出)中。
图4B示出了在基底210上的泡层310。在一例子中，泡层310最初可以包括玻璃晶片。该玻璃晶片可以阳极地结合到基底210的已形成图案和已被蚀刻的表面212。玻璃晶片由例如CorningPyrex、CorningEagleXG、SchottBorofloat或者HoyaSD2的材料组成。可以通过研磨和抛光使该玻璃晶片变薄到期望的厚度(例如，约10-100微米)。在一例子中，该玻璃晶片可以在结合到基底210后被削薄；然而，在另外的例子中，该玻璃晶片可以在结合到基底210之前被削薄。在另一个例子中，玻璃晶片可以通过蚀刻进行削薄。在玻璃晶片结合到基底210之后，该玻璃晶片可以被蚀刻以在锚柱216之上形成孔312。在一个例子中，孔312可以具有锥形边，在更接近于锚柱216处其更小。
将在后面描述的该工艺的接下来的步骤示出了在玻璃晶片中泡向外膨胀。为了使玻璃晶片膨胀，具有特定压力的气体可以被置于环形腔214中。在一例子中，所使用的气体的压力取决于玻璃晶片的特性、在气体膨胀前后环形腔214内的温度等。为了获得期望的环形腔214内的压力和组成，在阳极结合期间容纳基底210的腔室可被填充有期望压力和组成的气体。可以使用典型的0.2到1个大气压下的不同的气体，例如，可以使用氮、氩、空气等。在任何情况下，气体的密度应当使得当膨胀时在玻璃晶片中“吹起”气泡并使得该气泡达到期望的尺寸且停止膨胀。
图4C示出了在泡层310内形成的半环形泡314。在一例子中，该半环形泡314关于锚柱216基本对称。可以通过加热基底210和泡层310超过泡层310的软化点来形成该泡314。例如，对于派勒克斯耐热玻璃，基底210和泡层310可以被加热到约850摄氏度；对于EagleXG或者SD2玻璃，可以被加热到约975摄氏度；或者对于熔融石英，可以被加热到约1700摄氏度。
随着温度上升，腔内的压力将超过外部压力，导致环形腔214内的气体膨胀并且在环形腔214上的被软化的玻璃中形成泡314。表面张力可以帮助形成具有基本恒定的曲率半径的泡314，使得该泡314关于锚柱216对称。可以控制温度来控制气体的膨胀以及所得到的泡314的尺寸。一旦泡314达到期望的尺寸，则可通过快到足以使泡不会在硬化前坍塌的速度降低温度使得泡314被允许得以硬化。冷却速度可取决于玻璃的厚度、环形腔的容量、泡314的尺寸等。一旦硬化，半环形泡314就可以变成谐振器100的剩余部分的模板。
由于作为环形腔214中的气体加热的结果而自然地形成泡314的半环形形状，泡314可以高精度地形成。由于泡314是半环形谐振器100的模板，以高精度形成泡314还导致高精度的谐振器100。此外，由于谐振器100的杆部114和外唇缘118都是使用泡314来形成的，杆部114相对于外唇缘118的对准是基于泡314的精度的。如上面所提及的，泡314的精度是环形腔214和锚柱216的自然结果。因此，谐振器100的精度(包括杆部114相对于外唇缘118的对准)基于环形腔214和锚柱216的成形所能具有的精度。如上面所提及的，由于环形腔214和锚柱216是通过相同的图案形成和蚀刻步骤形成的，环形腔214和锚柱216的精度可以相当高(例如，具有小于0.05微米的容差)。因此，谐振器100可以高精度地形成。
图4D示出了沉积于泡层310上的第一导电层320。然后，第一导电层320可以被形成图案以形成多个电极。在一例子中，多个电极可以从泡层310的外边缘延伸朝向泡314的顶部。多个电极可形成导电层320的多个延伸部分。多个电极可以被用来驱动和平衡谐振器100。在一个例子中，第一导电层320可以由多晶硅(“polysilicon”)组成并且多个电极可以完全通过多晶硅进行离子注入并随后快速退火而得到。
在另一个例子中，第一导电层320可以由其它的材料组成，这些材料包括金、镍铬铁合金、铬、铟锡氧化物(ITO)、掺杂二氧化钛硅酸盐玻璃等。虽然图4D示出了主要位于半环形泡314外部的多个电极，但在其它例子中，多个电极可以被形成于泡314的其它位置，也可以形成于不同于泡314的结构(未表示)上。
图4E示出了沉积于第一导电层320上的牺牲层324。该牺牲层324可以被形成图案和蚀刻以形成孔326。类似于泡层310，牺牲层324中的孔326可以在锚柱216之上形成。在一例子中，孔326可以具有锥形边，在更接近于锚柱216处其更小。
牺牲层324的图案形成和蚀刻还可以用来形成接触点(未表示)和其它特征(例如，在场324内)。在一些例子中，可以以例如电子束光刻的投影式光刻或者步进式光刻来实施图案形成。
在一例子中，牺牲层324可以由多晶硅组成(例如，当第一导电层320由不同于多晶硅的材料组成时)。在其他的例子中，牺牲层324可以由快速蚀刻玻璃或者几种可选择的蚀刻金属中的一种组成，其中蚀刻金属可以例如是钛(Ti)、钼(Mo)、铬(Cr)等。然而在另一些例子中，牺牲层324可以由氮化硅(Si3N4)、钼合金(Moly)、气凝胶、聚酰亚胺或者聚对二甲苯组成。在另外一些例子中，牺牲层324可以由多层材料层组成。例如，如果第一导电层320由多晶硅组成，则牺牲层324的第一层可以由金属(Ti、Mo、Cr等)组成，其上还有一层更厚的多晶硅。
在一例子中，低压化学气相沉积(LPCVD)被用来形成牺牲层324。在另外的例子中，等离子体增强化学气相沉积(PECVD)可被用于形成牺牲层324。此外，多次沉积可被用来形成更厚的牺牲层324。沉积条件可以不同从而在牺牲层324中给出平衡的应力。在一例子中，牺牲层324可以具有约5-20微米的厚度。
图4F示出了沉积于牺牲层324上的第二导电层330。然后，第二导电层330可以被形成图案以形成谐振器100的内表面112的一个或多个电极。在一例子中，为了减少电极材料对谐振器的热弹性阻尼的影响，可以使所述一个或多个电极相对于谐振层334是薄的(例如，小于200埃)。
在一例子中，第二导电层330可以由多晶硅组成。在另外的例子中，第二导电层330可以由其它材料组成，这些材料包括金、镍铬铁合金、铬、铟锡氧化物(ITO)、掺杂的二氧化钛硅酸盐玻璃等。
图4G示出了沉积于第二导电层330上的谐振层334。在一个例子中，谐振层334可以由如二氧化硅(例如，无定形的SiO2)的玻璃材料组成。在另外的例子中，谐振层334可以由另外的具有低的热膨胀系数(CTE)的玻璃材料组成。低的CTE可以帮助降低所得到的谐振器的热弹性阻尼。在一些例子中，几个百分点的二氧化钛(无定形的TiO2)可被包括在谐振层334的二氧化硅材料中以降低CTE。当二氧化钛含量约为7％时，就可以得到接近零的CTE。在另外一些例子中，谐振层334可以由提供高的机械品质因素的其它材料组成，例如硅、金刚石等。
在一个例子中，谐振层334可以具有约10微米的厚度。在一些例子中，谐振层334可以具有可变的厚度，使得为了坚固性，所得到的谐振器在外唇缘118处更薄并且在其余的位置处更厚。在一例子中，标准的沉积技术可以被用来形成谐振层334，例如化学气相沉积(CVD)、低压CVD(LPCVD)、大气压力CVD(APCVD)、热氧化、溅射、原硅酸四乙酯(TEOS)加退火、PECVD加退火以及低温氧化物(LTO)。
在一个例子中，氧化物溅射淀积速度可以约为每分钟70埃，而溅射靶表面可以令例如硅的一个组分被耗尽。而且，基底210可以被加热到合适的温度(例如，400℃)、使得谐振层334形成无定形玻璃涂层。在一例子中，谐振器可以被设计成在穿过锚柱216的孔处向锚柱216传递极少的应力。例如，半环形谐振器的杆部114的半径(例如，宽度)可以形成为大于锚柱216中的孔的半径。
图4H示出了谐振层334被形成图案和蚀刻以产生杆部114中的孔116。在一例子中，如图4I所示，杆部114中的孔116可以被用来使得第三导电层338联接到第二导电层330。孔116可以形成有锥形边，其中，在更接近于锚柱216处该孔116的直径更小。
图4I示出了沉积于谐振层334上的第三导电层338。然后，第三导电层338可以被形成图案以形成谐振器100的外表面110的一个或多个电极。在一例子中，在谐振器100的外表面110形成连续电极。因此，对于连续电极，图案形成可能只用于邻近于半环形泡314的场342内以形成接触点、导线等。在一例子中，为了减少电极材料对谐振器100的热弹性阻尼的影响，可以使一个或多个电极相对于谐振层334是薄的(例如，小于200埃)。
第三导电层338可以由多晶硅组成并且一个或多个电极可以通过离子注入并随后快速退火而形成。在其它的例子中，第三导电层338可以由其它的材料组成，这些材料包括金、镍铬铁合金、铬、ITO、掺杂的二氧化钛硅酸盐玻璃等。在一例子中，第三导电层可以包括通过CVD沉积的钨膜以产生用于谐振器430上的导体的均匀金属膜。通过CVD沉积的钨还可以形成用于牺牲层的蚀刻剂的阻挡层(如关于图4K所描述的)。
在一例子中，还可形成一个或多个垫层(未表示)以便引线结合。标准的材料和技术可以被用于形成垫层。
图4J示出了位于谐振层334之上的光阻材料层340。可对光阻材料层340进行图案形成，以便除去不位于半环形泡314之上的光阻材料层340。换句话说，在进行图案形成和蚀刻之后，光阻材料层340的剩余部分可以覆盖谐振层334的将会产生谐振器100的部分。
在一例子中，可使用多级光阻材料。例如，第一光阻材料层340-1可以通过例如喷射光阻材料的小液滴的雾而被沉积，其中第一光阻材料层340-1是薄的并且在泡314的整个表面之上具有相对均匀的厚度。该第一光阻材料层340-1可以被曝光并被显影以去除位于与基底210的表面212大致平行的区域中的抗蚀剂。也就是说，对第一光阻材料层340-1进行曝光和显影可以去除某些区域的光阻材料层340-1，这些区域可以是例如半环形泡314的顶部和邻近于半环形泡314的平场342。然而，曝光可以被限制成使得位于半环形泡314的斜坡上的光阻材料层340-1可以保留足够的厚度。在一例子中，曝光可以被控制成使得光阻材料层340-1覆盖底部边缘(例如，外唇缘118将要形成的地方)并且在泡314和平场342之间的边界处齐整地终止。
该工艺可以被用来限定谐振器100的外唇缘118。该过程可以使得能够对外唇缘118的限定进行严密控制，这是因为光阻材料边缘自动地与谐振器100的即将产生的外唇缘118对准，通过利用泡314的曲率去除光阻材料在场342上的部分但留下光阻材料在泡314上的部分，在泡314的表面与表面212大致垂直的地方。
一旦第一光阻材料层340-1被曝光，第二光阻材料层340-2可被印刷于第一光阻材料层340-1之上。在一例子中，第二光阻材料层340-2可以相对粗略地对准，只要光阻材料层340-2覆盖了泡314的绝大部分且没有覆盖第一光阻材料层340-1的边缘344。也就是说，所得到的谐振器100的外唇缘118可以主要通过第一光阻材料层340-1而不是第二光阻材料层340-2限定。
在图4K中，可以使用定向蚀刻来蚀刻第三导电层338、谐振层334以及第二导电层330。在一例子中，离子铣削可以被用于蚀刻。在另一个例子中，可以使用反应性离子蚀刻。定向蚀刻结合光阻材料层340的被限定的边缘344可以在第三导电层338、谐振层334以及第二导电层330内产生切口，该切口与所得到的谐振器100的外唇缘118对准。
在图4L中，牺牲层324可以被曝光和蚀刻掉。例如，如果牺牲层324是多晶硅，则可以使用诸如乙二胺邻苯二酚(EDP)液体蚀刻剂或者诸如XeF2的气态蚀刻剂。在一些例子中，气态蚀刻是所希望的，因为气态蚀刻剂可以减少“静摩擦力”问题，所述“静摩擦力”问题产生于在顺应式结构周围使用液体。然而，还存在其它用于减少静摩擦力的技术(例如，自组装的单层、冷冻干燥等)，当使用液体蚀刻剂时，这些技术可以被使用。
在一例子中，如果牺牲层324包括多个不同的层，则可以首先对更厚的多晶硅进行蚀刻，并利用金属来防止下面的多晶硅电极受到蚀刻。然后该金属被去除，使第一导电层320的电极暴露。合适的牺牲性蚀刻剂可以包括用于Si3N4的热磷酸、用于钼的H2O2、用于多晶硅的XeF2、用于聚酰亚胺的氧等离子体以及用于气凝胶的缓冲氧化蚀刻(BOE)。在一例子中，蚀刻剂的选择可以允许对牺牲层的蚀刻在约1毫米半径的半环形上为几个微米厚而不触碰到设备层。
在图4M上，光阻材料层340被去除。在一例子中，可以使用液体溶剂来去除光阻材料层340。在另一个例子中，可以使用干燥技术(例如，氧等离子体灰化)来去除光阻材料层340。
虽然上面描述了一种示例性制造工艺，但应当理解的是，可以在制造半环形谐振器陀螺仪时使用其它替代的工艺。例如，在另一个例子中，谐振器100可以被附接到位于锚柱216之上的泡层310来代替将半环形谐振器100直接附接到锚柱216。也就是说，泡层310可以不具有在其中被蚀刻出的孔312。在泡层310中不具有孔312的情况下，谐振器100可以附接到泡层310而非锚柱216。
在另一个例子中，半环形谐振器可以形成为具有延伸至基底的腔中的向内的泡。例如，具有半环形形状的腔可以在基底内被形成。该腔可以形成谐振器的半环形模板。各向同性的硅蚀刻剂可以被用来为半环形腔产生倾斜侧壁。一旦形成了半环形腔，则谐振层可以在真空中被结合到基底，使得真空在半环形腔中被形成。然后，该基底和泡层可在增压室内被加热，使得在谐振层中形成的泡膨胀进入环形腔中。迫使泡进入环形腔可以为半环形谐振器形成更坚固的锚柱。然后，电极可以被形成于环形腔的侧壁上。制造工艺中的其它步骤可以类似于关于图4A-4M所描述的内容。
在另一个例子中，谐振层可以被置于基底上并且泡可以直接地形成于谐振层中。例如，作为谐振器使用的如CorningULE玻璃的低CTE玻璃可以直接地结合于基底。然后，向内或向外的泡可以直接在低CTE玻璃中形成。在一些例子中，低CTE玻璃的软化点可以高于硅的熔点，因此替代的具有更高熔化温度的起始基底可以与相应的替代蚀刻技术一起使用。用于替代基底的示例性基底材料包括SiC、钨(W)以及Ti。
在一例子中，可以通过下列工艺将泡直接形成在谐振层之中。基底(例如，由SiC、钨以及Ti组成)可以被蚀刻(例如，使用DRIE)来形成环形腔和锚柱。谐振层(例如，SiO2)可以被结合到基底。该谐振层可以被削薄以获得期望的谐振器厚度。该基底和谐振层可以然后被加热到谐振层的软化点从而在谐振层之中形成泡。在一些例子中，加热可以是感应加热和/或增量激光加热，例如CO2激光束被引导通过炉管的开口端。位于基底上的已形成图案的牺牲层(例如，Si3N4和/或钼)可以被用来释放谐振器的外唇缘。在一些例子中，谐振器的外唇缘可以利用激光或者通过黑体辐射来加热以在外唇缘处产生更厚的壁。
图5示出了根据图4A-4M的工艺制作的半环形谐振器陀螺仪400的截面侧视图。该陀螺仪400可以包括例如硅晶片的基底410，该基底410限定环形腔412。基底410上的锚柱414可以延伸穿过环形腔412的中心部分。例如由硼硅酸玻璃组成的泡层416可以附接到基底410的上表面。泡层416可以包括位于环形腔412之上的半环形泡418。由例如多晶硅组成的、包括多个电极的第一导电层420可以被置放于玻璃层416之上。垫层422可以被置放于导电层420的场部分(fieldportion)。
半环形谐振器430可以被置放于半环形泡418以及环形腔412之上。在一例子中，该谐振器430可以由玻璃材料组成，在内表面和外表面上具有薄导电层436和438。该谐振器430可在其中心部分中包括杆部432，该杆部432附接到基底410的锚柱414。该杆部432可以包括阶梯结构433，该阶梯结构433作为牺牲层和/或泡层416中的孔的结果而形成。谐振器430的外唇缘434可以定位成与导电层420稍微地分开，使得谐振器430被允许绕杆部414自由地振动。
包括多个电极的第二导电层436位于谐振器430的内表面(例如，内表面112)上。位于外表面(例如，外表面118)上的第三导电层438可以是连续的。
在替代性实施例中，电极可以由形成于谐振器430的外唇缘434上的梳状指(例如，在谐振器430的外唇缘上的突出物)代替。这些梳状指可以通过对横向邻近于谐振器430的外唇缘434的平场上的光阻材料(例如光阻材料340-1)形成图案而获得。然后，谐振层可以被蚀刻而形成梳状物，并且这些梳状物可以被涂覆有第三导电层438。
虽然电极可以被用来感测谐振器430的振动，在其他例子中，光学传感器可以被用来感测谐振器430的振动。因此，在一个例子中，陀螺仪400的驱动和传感器可以分别是电的和光学的。在另一个例子中，驱动和传感器可以都是光学的。
在另一个实施例中，用于驱动谐振器430和感测振动的多个电极(例如，从导电层420形成)可以被放置于半环形谐振器30的外部。例如，多个电极可以被放置于一个或多个另外的泡上，这些泡形成在横向邻近于谐振器430的基底410上。
在另一个实施例中，多个电极可以被放置于谐振器430上的电极支撑结构(未示出)上。在这个情况中，谐振器430的内表面(例如，内表面112)上的第二导电层436可以是连续的并且外表面(例如，外表面118)上的第三导电层438可以包括多个电极。此外，一个或多个孔可以在电极支撑结构中形成以便使得蚀刻剂能够快速地通过，用于对谐振器430和电极支撑结构之间的牺牲层进行蚀刻。谐振器430的杆部434上的电接触点可以机械地将谐振器430连接到电极支撑结构。该电极支撑结构可以由掺杂二氧化钛硅酸盐玻璃组成从而减少热膨胀失配。
在陀螺仪400的示例性操作中，半环形谐振器430可以被驱动从而基于被提供给导电层420的第一多个电极的电信号进行谐振。被提供给这些电极的电信号可以引起谐振器430的内表面上的第二多个电极436的运动。在一例子中，如图3A所示，这可以引起在谐振器430内的n＝2的四极模式的谐振。当陀螺仪400旋转时，n＝2的四极振动模式的定向关于半环形的对称轴线(即，锚柱414的中心轴线)进动。进动角是所施加的旋转的总角度(integratedangle)的测量值。该进动可以基于第二多个电极436和导电层420的第一多个电极之间的电性能的变化而被感测。基于这些被感测到的电性能的变化，信息可通过垫422从陀螺仪提供给其它电气部件。然后，其它的电气部件能够基于该信息确定陀螺仪的旋转。在另一个例子中，通过测量由n＝2的四极模式的振动运动引起的时变的光束障碍，模式的进动可以被光学地感测到。在另一个例子中，陀螺仪400可以操作于力再平衡模式，其中，再平衡电压被施加到电极以产生谐振器430上的力，当陀螺仪400旋转时，该力阻止n＝2的四极模式的进动。在这个例子中，再平衡电压是所施加的旋转速度的测量值。
根据这里所描述的例子，半环形谐振器可以被足够精确地制作出来以用于高性能陀螺仪。在一些例子中，半环形谐振器的大部分振动都发生在谐振器外唇缘附近。速率积分振动陀螺仪的性能的测量值是角增益因子，该角增益因子被定义为被测量的振动模式图样相对于旋转谐振器的旋转角度除以外部施加的旋转角度。在一例子中，相比传统半球形谐振器陀螺仪的约是0.3的角增益因子，该半环形谐振器陀螺仪的角增益因子可以约为0.58。因此，由于信噪比约是传统半球形谐振器陀螺仪的两(2)倍，该半环形谐振器可以减少误差源。
此外，谐振器的杆部可以高精度对准。也就是说，可以获得高的方位角对称度(例如，杆部相对于外唇缘的定位)。在一个例子中，相比传统半球形谐振器，所述谐振器上的杆部可以定位得精确约20倍。该增加的精度使得谐振器具有更好的对称性，这可以改进性能。此外，半环形谐振器允许在晶片上进行较便宜的批量制造。
任何这里讨论的示例的半环形陀螺仪都可以被合并入电子装置中用以从其获得旋转感测信息。例如，电子装置可以包括联接到一个或多个处理装置的半环形陀螺仪，所述一个或多个处理装置联接到一个或多个存储装置。所述一个或多个存储装置可以包括指令，当这些指令被一个或多个处理装置执行时，可以使得一个或多个处理装置执行一个或多个动作。在一个例子中，所述一个或多个处理装置可以包括微处理器、微控制器、数字信号处理器、现场可编程门阵列(FPGA)等。所述一个或多个存储装置可以包括任何合适的处理器可读介质，用于存储处理器可读指令或者数据结构。
处理器可读介质可以实施为任何可被通用或专用计算机或处理器或者任何可编程逻辑装置访问的可获得的介质。适当的处理器可读介质可以包括有形介质以及传送介质，其中有形介质例如是存储或内存介质，传送介质例如是通过如网络和/或无线链路这样的通信媒质进行传输的电信号、电磁信号或者数字信号。
存储或内存介质可以包括磁介质或光介质，例如传统的硬盘、压缩盘-只读存储器(CD-ROM)、如随机存取存储器(RAM)(包括但不限于，同步动态随机存取存储器(SDRAM)，双数据率(DDR)RAM，RAMBUS动态RAM(RDRAM)，静态RAM(SRAM)等)的易失性介质或非易失性介质、只读存储器(ROM)、电擦写可编程ROM(EEPROM)以及闪存等。
在一个例子中，指令可以使一个或多个处理装置接收来自半环形陀螺仪的信息并且使用该信息用于惯性测量目的。
示例性实施例
例1包括一种振动结构陀螺仪，其包括：具有上表面的基底；以及具有半环形形状的谐振器，所述谐振器包括杆部和环绕于所述杆部的外唇缘，所述杆部附接到所述基底的上表面并且所述外唇缘定位成与所述上表面分开以允许所述谐振器振动。
例2包括用于测量惯性变化的电子装置，所述电子装置包括：一个或多个处理装置；一个或多个存储装置，其联接到所述一个或多个处理装置并且具有在其上的指令，所述指令配置成用于使所述一个或多个处理装置计算惯性测量值；以及陀螺仪，其联接到所述一个或多个处理装置并且配置成向所述一个或多个处理装置提供旋转信息，所述陀螺仪包括：具有上表面的基底；以及具有半环形形状的谐振器，所述谐振器包括杆部和环绕于所述杆部的外唇缘，所述杆部附接到所述基底的上表面并且所述外唇缘定位成与所述上表面分开以允许所述谐振器振动。
在例3中，例1和例2中任一个的振动结构陀螺仪可以任选地包括：其中，所述基底的上表面限定了环形腔以及锚柱，所述锚柱延伸穿过所述环形腔的中心部分，并且其中，所述谐振器的杆部附接到所述锚柱。
在例4中，例1-3中任一个的振动结构陀螺仪可以任选地包括：设置于所述环形腔和所述谐振器之间的泡层，其中，所述泡层包括在所述环形腔之上的半环形泡；以及设置于所述泡层的外表面上的第一多个电极。
在例5中，例1-4中任一个的振动结构陀螺仪可以任选地包括：设置于所述谐振器的内表面上的第二多个电极。
在例6中，例1-5中任一个的振动结构陀螺仪可以任选地包括：设置于所述谐振器的外表面上的连续的电极层。
在例7中，例1-6中任一个的振动结构陀螺仪可以任选地包括：其中，所述第一多个电极、所述第二多个电极和/或所述连续的电极层包括多晶硅。
在例8中，例5和例7中任一个的振动结构陀螺仪可以任选地包括：其中，所述第二多个电极和所述连续的电极层的厚度小于约200埃。
在例9中，例4-8中任一个的振动结构陀螺仪可以任选地包括：其中，所述泡层包括玻璃材料。
在例10中，例1-9中任一个的振动结构陀螺仪可以任选地包括：其中，所述谐振器包括具有低热膨胀系数的玻璃材料。
例11包括一种制造振动结构陀螺仪的方法，所述方法包括：在基底的第一表面上形成环形腔，所述环形腔限定位于所述环形腔的中心部分中的锚柱；在所述基底的第一表面之上以及在所述环形腔之上形成泡层；加热所述基底和所述泡层以在所述环形腔之上的所述泡层内形成半环形泡；将牺牲层沉积于所述泡层的所述半环形泡之上；在所述牺牲层内形成孔，所述孔置于所述环形腔内的所述锚柱之上；将谐振层沉积于所述牺牲层上；以及去除所述泡层和所述谐振层之间的所述牺牲层。
在例12中，例11的方法可以任选地包括：在沉积所述牺牲层之前，将第一导电层沉积于所述泡层内的所述半环形泡之上；对所述第一导电层进行蚀刻以形成多个电极；将第二导电层沉积于所述牺牲层之上；以及对所述第二导电层进行蚀刻以形成电极层。
在例13中，例12的方法可以任选地包括：将第三导电层沉积于所述谐振层之上。
在例14中，例11-13中任一个的方法可以任选地包括：将第一光阻材料层沉积于所述谐振层之上；对所述光阻材料层进行曝光和显影以去除所述第一光阻材料层的平行于所述基底的第一表面的部分；以及将第二光阻材料层印刷于所述谐振层的对应于所述半环形泡的部分之上，其中，所述第一光阻材料层的对应于谐振器外唇缘的边缘被剩下没有被所述第二光阻材料层覆盖。
在例15中，例14的方法可以任选地包括：使用定向蚀刻在垂直于所述基底的第一表面的方向上对所述谐振层进行蚀刻。
在例16中，例15的方法可以任选地包括：其中，对所述谐振层进行蚀刻包括使用气态蚀刻剂进行蚀刻。
在例17中，例11-16中任一个的方法可以任选地包括：在沉积所述牺牲层之前在所述锚柱之上的所述泡层内蚀刻出孔。
在例18中，例17的方法可以任选地包括：其中，在所述泡层内蚀刻出孔包括形成所述孔的锥形边，所述孔的直径在更接近于锚柱处更小。
在例19中，例11-18中任一个的方法可以任选地包括：在加热所述基底和所述泡层前，将所述泡层削薄到约10微米到100微米范围内的厚度。
在例20中，例11-19中任一个的方法可以任选地包括：其中，形成所述环形腔和所述锚柱包括使用同样的光掩膜对所述环形腔和所述锚柱进行蚀刻。
虽然已经在本文中示出和描述了特定的实施例，但是本领域普通技术人员可以理解的是，预测为实现相同目的的任何布置都可以是所示特定实施例的替代。因此明显的是，本发明意图仅受权利要求及其等同物的限制。

Claims (10)

1.一种振动结构陀螺仪，包括：
具有上表面的基底；以及
具有半环形形状的谐振器，所述谐振器包括杆部和环绕于所述杆部的外唇缘，所述杆部由所述谐振器的外表面的中心部分中的向内凹陷形成，所述杆部附接到所述基底的上表面并且所述外唇缘定位成与所述上表面分开以允许所述谐振器振动。
2.根据权利要求1所述的振动结构陀螺仪，其中，所述基底的上表面限定了环形腔以及锚柱，所述锚柱延伸穿过所述环形腔的中心部分，并且其中，所述谐振器的杆部附接到所述锚柱。
3.根据权利要求2所述的振动结构陀螺仪，进一步包括：
设置于所述环形腔和所述谐振器之间的泡层，其中，所述泡层包括在所述环形腔之上的半环形泡。
4.根据权利要求3所述的振动结构陀螺仪，进一步包括：
设置于所述泡层的外表面上的第一多个电极；
设置于所述谐振器的内表面上的第二多个电极；以及
设置于所述谐振器的外表面上的连续的电极层。
5.根据权利要求4所述的振动结构陀螺仪，其中，所述第一多个电极、所述第二多个电极和所述连续的电极层包括多晶硅。
6.根据权利要求4或5所述的振动结构陀螺仪，其中，所述第二多个电极和所述连续的电极层的每个的厚度小于200埃。
7.根据权利要求3-5中任一项所述的振动结构陀螺仪，其中，所述泡层包括玻璃材料，并且其中，所述谐振器包括具有低热膨胀系数的玻璃材料。
8.一种制造振动结构陀螺仪的方法，所述方法包括：
在基底的第一表面上形成环形腔，所述环形腔限定位于所述环形腔的中心部分中的锚柱；
在所述基底的第一表面之上以及在所述环形腔之上形成泡层；
加热所述基底和所述泡层以在所述环形腔之上的所述泡层内形成半环形泡，其中，所述半环形泡包括所述泡层的外表面的中心部分中的向内凹陷；
将牺牲层沉积于所述泡层的所述半环形泡之上；
在所述牺牲层内形成孔，所述孔置于所述环形腔内的所述锚柱之上；
将谐振层沉积于所述牺牲层上；以及
去除所述泡层和所述谐振层之间的所述牺牲层。
9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：
在沉积所述牺牲层之前，将第一导电层沉积于所述泡层内的所述半环形泡之上；
对所述第一导电层进行蚀刻以形成多个电极；
将第二导电层沉积于所述牺牲层之上；
对所述第二导电层进行蚀刻以形成电极层；以及
将第三导电层沉积于所述谐振层之上；
将第一光阻材料层沉积于所述谐振层之上；
对所述光阻材料层进行曝光和显影以去除所述第一光阻材料层的平行于所述基底的第一表面的部分；
将第二光阻材料层印刷于所述谐振层的对应于所述半环形泡的部分之上，其中，所述第一光阻材料层的对应于谐振器外唇缘的边缘没有被所述第二光阻材料层覆盖；以及
使用定向蚀刻在垂直于所述基底的第一表面的方向上对所述谐振层进行蚀刻。
10.根据权利要求8和9中任一项所述的方法，其中，形成所述环形腔和所述锚柱包括使用同样的光掩膜对所述环形腔和所述锚柱进行蚀刻。
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