CN102947674B - 用于角速率传感器的mems结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于角速率传感器的微机电系统（MEMS）结构，该结构位于由多个结构化硅部分形成的第一和第二硅-绝缘体复合晶片之间，结构化硅部分通过绝缘体材料彼此电绝缘，该结构包括：被构造形成传感系统和框架的单晶硅衬底，传感系统与框架完全分离并被框架围绕，框架位于第一和第二复合晶片的啮合表面之间，使得传感系统被密封在由第一和第二复合晶片以及框架限定的腔内，传感系统包括：具有前表面和后表面的两个敏感质量块；两个驱动梁，每个驱动梁具有连接到敏感质量块的第一端和通过设置在硅衬底上的固定基座连接到第一和第二复合晶片的第二端；以及布置成直接连接在这两个敏感质量块之间，并使这两个敏感质量块的主运动同步的弯曲弹簧，敏感质量块中的每个被布置成具有绕着实质上垂直于硅衬底的平面的轴的第一旋转自由度，且敏感质量块和驱动梁被布置成具有绕着实质上与驱动梁的纵轴重合的轴的第二旋转自由度；和用于产生并探测由这两个敏感质量块的在第一旋转自由度中反相的主振荡组成的主运动的装置；以及探测由这两个敏感质量块的在第二旋转自由度中反相的次级振荡组成的次级运动的装置，产生并探测主运动的装置和探测次级运动的装置设置被在第一和第二敏感质量块中的每个的前表面和后表面上，其中传感系统被布置成使得当设备受到绕着实质上在硅衬底的平面中且垂直于梁的纵轴的第三轴的角速度时，引起敏感质量块的次级振荡的科里奥利力产生。

Description

用于角速率传感器的MEMS结构

技术领域

本发明涉及用于测量角速度的装置。更具体地，本发明涉及用于具有双面实施手段的角速率传感器的完全对称的微机电系统（MEMS）结构，以提供高精度和高稳定性。

背景技术

存在对用于各种电子测量系统的高精度和高稳定性的角速率传感器的相当大的需要。现有的角速率传感器包括振动角速度仪或陀螺仪（gyros），其使用振动构件例如音叉，并用金属、石英和硅构造和测试。基于石英和硅的陀螺仪是优选的，优于基于金属的陀螺仪，因为它们可被小型化，并能在大生产运行中通过批量制造被相对便宜地制造。

音叉型陀螺仪需要具有至少两个正交的自由度的布置。在这样的设备中，相应于第一自由度的某个已知的主运动必须在传感器中产生并维持。在垂直于主运动的方向上影响传感器的外部角速度在相应于第二自由度的方向上引起振荡科里奥利力。所引起的科里奥利力与外部角速度和主运动的振幅成比例。产生并维持具有大振幅的主振荡因此是有利的，该主振荡最好是由在真空中密封并展示高品质因数的结构来实现。

这样的音叉型陀螺仪可被制造成在各种动态平衡模式的布置中振荡，这使这样的设备对振动和线性加速不敏感。它们可被构造有开环、闭合反馈或两者的组合。

一些现有的设备使用元件的静电激发，并接着以电容方式探测由科里奥利力所引起的运动。由于硅的显著的机电特征，通常使用硅晶片、绝缘体上硅晶片或多晶硅来制造这些设备。

通常，在基于硅的陀螺仪中，静电激发被成直角应用于衬底表面。然而，使用例如在US-B-7325451和US-B-7454971中公开的这样的布置的现有微机械陀螺仪，虽然制造起来相对容易，但展示较低的陀螺仪比例因子。

可通过使用倾向于在实质上平行于衬底的平面的方向上弯曲的梁来处理这个问题，因而允许具有大振荡振幅的主运动，例如使用在EP-A-1467179中教导的非对称梁。

此外，很多现有布置中都有一个局限，存在不均匀特征和固有应力，该不均匀特征和固有应力能够引起对外部机械和热负载的非预期的敏感或引起不可预测的特征漂移。这个问题以前通过应力释放结构、基座或梁系统的使用或通过材料的谨慎选择来处理。例如，EP-A-1096260公开了以基座构件的使用为特征的微机械设备，而US-B-7454971公开了以基座和应力释放梁的使用为特征的几种布置。

根据现有技术的振动陀螺仪的布置的另一局限是存在无补偿正交信号。

发明内容

本发明的目的是提供具有提高的精度和稳定性的角速率传感器，其实现角速度的可靠和有效的测量，特别是在紧凑振荡设备解决方案中，且其与现有技术解决方案相比，对机械和热干扰明显较不敏感。

根据本发明，提供了用于角速率传感器的微机电系统（MEMS）结构，该结构位于由多个结构化硅部分形成的第一和第二硅-绝缘体复合晶片之间，结构化硅部分通过绝缘体材料彼此电绝缘，该结构包括：构造形成传感系统和框架的单晶硅衬底，传感系统与框架完全分离并被框架围绕，框架位于第一和第二复合晶片的啮合表面之间，使得传感系统密封在由第一和第二复合晶片以及框架限定的腔内，传感系统包括：具有前表面和后表面的两个敏感质量块；两个驱动梁，每个驱动梁具有连接到敏感质量块的第一端和通过设置在硅衬底上的固定基座连接到第一和第二复合晶片的第二端；以及布置成直接连接在这两个敏感质量块之间并使这两个敏感质量块的主运动同步的弯曲弹簧，敏感质量块中的每个布置成具有绕着实质上垂直于硅衬底的平面的轴的第一旋转自由度，且敏感质量块和驱动梁被布置成具有绕着实质上与驱动梁的纵轴重合的轴的第二旋转自由度；用于产生并探测主运动的装置，所述主运动由这两个敏感质量块的在第一旋转自由度中的反相的主振荡组成；以及用于探测次级运动的装置，所述次级运动的装置由这两个敏感质量块的在第二旋转自由度中的反相的次级振荡组成的，用于产生并探测主运动的装置和用于探测次级运动的装置设置在第一和第二敏感质量块中的每个的前表面和后表面上，其中传感系统被布置成使得当设备受到绕着实质上在硅衬底的平面中且垂直于梁的纵轴的第三轴的角速度时，产生科里奥利力，所述科里奥利力引起敏感质量块的次级振荡。

本发明提供了用于具有双面激发和探测的角速率传感器的结构，其与现有布置比较时，可通过适当地位于敏感质量块的相对的平面表面上的几个补偿电极的使用，实现明显提高的准确度和稳定性，并因此处理不均匀特征和无补偿正交信号的问题。

在本发明中，专用的电极对用于匹配主振荡和次级振荡的频率，以便实现目标精度。通过在“调节”电极和敏感质量块之间施加可调谐的连续电压，并结合在相关的电子电路中执行的适当算法，来实现频率匹配。

优选地，第一硅-绝缘体复合晶片的啮合表面与第二硅-绝缘体复合晶片的啮合表面匹配或成镜像。

优选地，敏感质量块、基座以及探测主运动和次级运动的装置对称地布置在垂直轴周围。

优选地，敏感质量块和驱动梁具有实质上相同的厚度，且敏感质量块的主对称轴实质上与驱动梁的对称轴重合。

优选地，敏感质量块具有相同的几何形状。

优选地，驱动梁和弯曲弹簧具有相同的横截面。

优选地，敏感质量块的对称轴实质上与第三轴重合。

优选地，驱动梁中的每个的横截面展示几何非对称性，使得主振荡可由实质上垂直于硅衬底的平面的激发力发起。

可选地，驱动梁中的每个的横截面展示完全的对称性，使得主振荡可由实质上平行于硅衬底的平面的激发力发起。

优选地，以电容方式使用位于每个敏感质量块之上和之下的至少两个固定的“激发”电极，产生并探测主振荡，而以电容方式使用位于每个敏感质量块之上和之下的至少两个固定的“激发”电极，探测次级振荡。

优选地，角速率传感器还包括用于使用频率调节来调节振荡的频率的装置，该频率调节通过以电容方式使用位于每个敏感质量块之上和之下的至少两个固定的“调节”电极来实现。

优选地，角速率传感器还包括用于补偿寄生正交振荡的装置，正交补偿通过以电容方式使用位于每个敏感质量块之上和之下的至少四个固定的“补偿”电极来实现。

优选地，相同类型的电极相对于敏感质量块和驱动梁的对称轴被对称地布置。

优选地，通过在敏感质量块的前表面和后表面上设置凹槽来实现电容器的间隙。

根据本发明，每个硅-绝缘体复合晶片包括由绝缘体材料分离的单晶硅部分。单晶硅部分形成电容器的固定电极和与可移动的块电接触的屏蔽或反射电极（screeningelectrodes），绝缘体材料提供电极之间的电绝缘。绝缘体材料可以是例如玻璃或二氧化硅。

该结构理想地设置有在覆盖复合晶片的电极和硅衬底的元件之间的内部电接触部。这些内部电接触部被方便地容纳于在硅衬底的任一表面上制造的凹槽中，并一般包括压在一起的至少两个金属层，例如但不限于Al/Al、Ti/Al、热压缩键合金属系统或低共熔键合金属系统。该结构还设置有用于与电极形成外部电接触部的装置。

优选地，该结构还包括应力释放装置，例如硅弹簧。应力释放装置可被连接在设备的至少两个相对侧上，或插在弯曲弹簧的每端和相邻的敏感质量块之间，或插在每个敏感质量块和其相邻的驱动梁之间。

优选地，根据本发明的结构还包括帮助在密封的腔内保持高真空的吸气剂材料。

优选地，使用根据本发明的结构，阻挡部被设置在敏感质量块上，并被布置成面向第一和第二复合晶片的电极。

优选地，框架和传感系统都由单晶硅衬底形成。

有利地，第一和第二复合晶片具有完全对称的结构。

根据本发明的装置可用于平台稳定、定位、导向和导航。

附图说明

现在将参考附图提供本发明的例子，在附图中：

图1示出根据本发明的MEMS结构的顶视图；

图2A和2B示出包括根据本发明的MEMS结构的角速率传感器的两个相互垂直的横截面视图；

图3示出不对称梁的横截面视图；

图4示出矩形梁的横截面视图；

图5示出在主（激发）运动中的角度率传感器的可移动块；

图6示出在次级（探测）运动中的角度率传感器的可移动块；

图7示出在角速率传感器上的电极的顶视图；

图8示出在角速率传感器的可替换布置上的电极的顶视图；

图9示出其中采用了应力释放弹簧的角速率传感器的第一例子；

图10示出其中采用了应力释放弹簧的角速率传感器的第二例子；以及

图11示出其中采用了应力释放弹簧的角速率传感器的第三例子。

具体实施方式

参考图1，根据本发明的角速率传感器包括由支撑梁6、7、8连接的两个敏感质量块4、5，优选上述两个敏感质量块是相同的。梁和块具有实质上相等的厚度，并优选地通过在单晶硅衬底1中的高纵横比微机械加工来制造。梁6、7、8的几何结构在本例中被选择成，使得梁倾向于在实质上平行于衬底1的平面的方向上弯曲。

块4、5被连接到两个支撑梁6、7，其充当驱动梁。这些驱动梁6、7又通过位于硅衬底1的中心以及硅衬底1的前表面和后表面上的至少两个基座9、10、11、12而被依次连接到两个复合晶片2、3。两个块4、5通过弯曲弹簧8彼此相连，所述弯曲弹簧8位于中心，用于使块4、5的主运动机械地同步。

参考图2A，由硅块4、5和梁6、7、8形成的结构被密封在两个覆盖硅-绝缘体复合晶片2、3之间。硅框架13（优选地也由衬底1提供）夹在复合晶片2、3之间，以围绕包含在其中的结构。框架13和基座9、10、11、12通过适当的键合技术被连接到复合晶片2、3，这些技术例如但不限于阳极、低共熔、热压缩、等离子体激活的键合或直接键合。因此，覆盖复合晶片2和3连同框架13一起限定密封的腔31，框架13围绕可移动结构，同时不与它们中的任一个直接连接。

复合晶片2和3（理想地）包含被绝缘插入件14彼此分离的硅部分15、16的完全对称的图案，其中复合晶片2、3具有匹配的啮合表面。换句话说，第一复合晶片2具有与第二复合晶片3的啮合表面成镜像的啮合表面。硅部分15、16形成电极，其可通过设置于在硅衬底1中形成的凹槽25、26中的内部电接触部21、22被电连接到块4、5。内部接触部21、22优选地由压在一起的两个金属层（例如Al/Al、Ti/Al、热压缩键合金属系统或低共熔键合金属系统）形成。绝缘插入件14提供在硅电极15、16之间的电绝缘。接触垫29、30设置在复合晶片2、3中的硅部分15、16的外表面上，用于外部电连接。

绝缘插入件14优选地由硼硅酸盐玻璃实现，硼硅酸盐玻璃结合阳极键合，作为密封技术，具有密封存在于硅-绝缘体复合晶片2、3内部的硅-玻璃界面的能力。阳极键合因此是优选的密封技术，虽然当然可使用其它适当的密封技术。可替换地，绝缘插入件14可由硅氧化物或其它绝缘体材料实现。

参考图2B，可看到，块4、5具有在硅衬底1的相对的前表面和后表面上形成的相应凹槽27、28，凹槽用作电容间隙。硅阻挡部23、24沿着硅衬底1被设置在凹槽27、28内的专用位置处，用于防止粘附（stiction）和意外的电短路。

块4、5和梁6、7、8被布置，以提供绕着轴17、18的第一旋转自由度和绕着轴19的第二旋转自由度，例如如图1中所示，轴17、18实质上在敏感质量块4、5的质量中心处垂直于衬底1的平面，例如如图1中所示，轴19实质上与梁6、7、8的纵轴重合。这个布置因此使该部件能够作为角速率传感器工作。

驱动梁6、7的尺寸被设置，使得平面内弯曲模式的谐振频率实质上与扭转模式的谐振频率匹配。此后，平面内弯曲模式将被称为“主”或“激发”模式，而扭转模式将被称为“次级”或“探测”模式。

梁6、7、8都具有实质上相同的且优选地非对称的横截面几何形状，如图3所示。然而，也可使用如图4所示的矩形横截面。

参考图3，非对称梁6、7、8的中性轴32与法向轴17、18形成非零锐角α。梁6、7、8倾向于在实质上平行于衬底1的平面的方向上弯曲，使得主振荡可由实质上垂直于衬底1的平面的激发力发起。对于每个特定的应用，可优化较窄的部分33相对于梁6、7、8的边缘的位置。

参考图4，在本发明的可替换实施方式中，由于具有对称的横截面，梁6、7、8的中性轴32实质上与法向轴17、18重合，梁6、7、8因此倾向于在实质上平行于衬底1的平面的方向上弯曲，使得主振荡可由实质上平行于衬底1的平面的静电激发力发起。

施加到块4、5的静电激发使它们在实质上平行于衬底1的平面的相反的相位上振动，这导致块4、5在绕着位于衬底1的平面中并垂直于梁6、7的轴20旋转时，经历相对大的陀螺仪力矩。对预期的运动，静电激发通常在谐振频率处出现。电容探测方案用于准确地量化由陀螺仪力矩引起的旋转。

图5示出在主（激发）运动中的根据本发明的角速率传感器的块4、5，块4、5分别绕着激发轴17、18振荡。角速率传感器被激发，使得主运动是两个敏感质量块4、5绕着激发轴17、18的反相振荡。

图6示出在绕着探测轴19振荡的次级（探测）运动中的根据本发明的角速率传感器的块4、5。在沿着传感轴20定向的外部角速度Ω存在的情况下，块4、5的反相主运动将产生绕着探测轴19的相反定向的科里奥利扭矩。

由外部角速度引起的振荡的振幅与外部角速度Ω和主振荡的振幅直接成正比。可通过位于块4、5之上和之下的电极，以电容方式探测由外部角速度引起的振荡的振幅，所述电极是顶部和底部复合晶片2、3的硅部分15、16。

图7示出在根据本发明的角速率传感器的例子中的多个电极34、35、36、37，其中梁6、7、8展示非对称横截面。在这种情况下，在垂直于衬底1的平面的方向上通过紧凑电极施加激发。

图8示出在根据本发明的角速率传感器的例子中的多个电极34、35、36、37，其中梁6、7、8展示矩形横截面。在这个布置中，在平行于衬底1的平面的方向上通过交叉指形电极施加激发。

激发电极34（其中至少两对被限定在顶部复合晶片2的硅结构15中，且至少两对被限定在底部复合晶片3的硅部分16中）用于在绕着驱动轴17、18的反相振荡中静电地驱动块4、5。方便地，非常相同的激发电极34用于通过电子闭合反馈回路监控并控制振荡振幅。

探测电极35（其中至少两对被限定在顶部复合晶片2的硅结构15中，且至少两对被限定在底部复合晶片3的硅结构16中）用于探测并控制块4、5绕着探测轴19的反相振荡。有利地，次级运动的控制通过电子闭合反馈回路来实现。

调节电极36（其中至少两对被限定在顶部复合晶片2的硅结构15中，且至少两对被限定在底部复合晶片3的硅结构16中）用于使激发和探测振荡的频率匹配，以便实现目标精度。通过在调节电极36和块4、5之间施加可调谐的连续电压来实现频率匹配。

补偿电极37（其中至少四对被限定在顶部复合晶片2的硅结构15中，且至少四对被限定在底部复合晶片3的硅结构16中）用于补偿正交偏置，以便实现目标偏置稳定性。通过在补偿电极37和块4、5之间施加可调谐的连续电压来抵消正交偏置。

在本发明的示例性布置中，结合驱动和传感模式的封闭回路控制，用于激发、探测、频率调节和正交补偿的电极34、35、36、37以绕着垂直轴的实质上对称的模式被布置在敏感质量块的两个侧面上。这个完全对称的双面布置提供了振荡音叉陀螺仪的线性度、准确度、噪声和稳定性的最佳性能。

在本发明的另一例子中，为了将外部起源的机械和热负载的负效应尽可能最小化，应力释放装置（例如弹簧38）被设置在设备的至少两个相对的横向侧上，如图9所示。

在本发明的另一例子中，为了将外部起源的机械和热负载的负效应尽可能最小化，应力释放弹簧39被设置在设备的连接梁8的端部处，如图10所示。

在本发明的另一例子中，为了将外部起源的机械和热负载的负效应尽可能最小化，应力释放弹簧被设置在每个驱动梁6、7的至少一端处，如图11所示。

在本发明的另一例子中，为了将外部起源的机械和热负载的负效应尽可能最小化，应力释放部件（例如弹簧）被设置为前面列出的实施方式的组合。

根据本发明的角速率传感器的结构具有减小的和有效的空间使用、简单、以及对外部机械和热负载的非常低的敏感的优点。

除了上面描述的结构以外，有很多实现两个所需的自由度的其它方式，其根据本发明并在本发明的范围内允许角速率的测量。但是，这样的可替换结构尺寸更大、更复杂且在技术上有挑战性。

本发明的角速率传感器的高稳定性特征是结合晶体材料的选择，通过设计的完全平面内的特性和横截面对称性来实现的。

Claims (17)

1.一种用于角速率传感器的微机电系统MEMS结构，所述微机电系统MEMS结构位于由多个结构化硅部分形成的第一硅-绝缘体复合晶片和第二硅-绝缘体复合晶片之间，所述结构化硅部分通过绝缘体材料彼此电绝缘，所述微机电系统MEMS结构包括：

被构造形成传感系统和框架的单晶硅衬底，所述传感系统与所述框架完全分离，并被所述框架围绕，所述框架位于所述第一硅-绝缘体复合晶片的啮合表面和所述第二硅-绝缘体复合晶片的啮合表面之间，使得所述传感系统被密封在由所述第一硅-绝缘体复合晶片和所述第二硅-绝缘体复合晶片以及所述框架限定的腔内，所述传感系统包括：

具有前表面和后表面的两个敏感质量块；

两个驱动梁，每个所述驱动梁具有连接到所述敏感质量块的第一端和通过设置在所述硅衬底上的固定基座连接到所述第一硅-绝缘体复合晶片和所述第二硅-绝缘体复合晶片的第二端；以及

被布置成直接连接在所述两个敏感质量块之间，并使所述两个敏感质量块的主运动同步的弯曲弹簧，

所述敏感质量块中的每个被布置成具有绕着实质上垂直于所述硅衬底的平面的轴的第一旋转自由度，以及

所述敏感质量块和所述驱动梁被布置成具有绕着实质上与所述驱动梁的纵轴重合的轴的第二旋转自由度；

用于产生并探测主运动的装置，所述主运动由所述两个敏感质量块的在第一旋转自由度中的反相的主振荡组成；以及

用于探测次级运动的装置，所述次级运动由所述两个敏感质量块的在第二旋转自由度中的反相的次级振荡组成，

所述用于产生并探测主运动的装置和所述用于探测次级运动的装置被设置在第一敏感质量块和第二敏感质量块中的每个的前表面和后表面上；

其中所述传感系统被布置，使得当设备受到绕着实质上在所述硅衬底的平面中且垂直于所述驱动梁的所述纵轴的第三轴的角速度时，产生科里奥利力，所述科里奥利力引起所述敏感质量块的次级振荡。

2.如权利要求1所述的微机电系统MEMS结构，其中所述第一硅-绝缘体复合晶片的所述啮合表面与所述第二硅-绝缘体复合晶片的所述啮合表面成镜像或匹配。

3.如权利要求1所述的微机电系统MEMS结构，其中所述敏感质量块、所述基座以及用于产生并探测主运动的装置和所述用于探测次级运动的装置被对称地布置在垂直轴周围。

4.如权利要求1-3中任一项所述的微机电系统MEMS结构，其中

所述用于产生并探测主运动的装置涉及以电容方式使用位于每个所述敏感质量块之上和之下的至少两个固定电极；以及

所述用于探测次级运动的装置涉及以电容方式使用位于每个所述敏感质量块之上和之下的至少两个固定电极。

5.如权利要求1-3中任一项所述的微机电系统MEMS结构，还包括用于调节所述振荡的频率的装置，以电容方式使用位于每个所述敏感质量块之上和之下的至少两个固定电极来实现所述调节。

6.如权利要求1-3中任一项所述的微机电系统MEMS结构，还包括用于补偿寄生正交振荡的装置，以电容方式使用位于每个所述敏感质量块之上和之下的至少四个固定电极来实现所述补偿。

7.如权利要求1-3中任一项所述的微机电系统MEMS结构，还包括在每个所述敏感质量块的所述前表面和所述后表面上的凹槽，以提供电容间隙。

8.如权利要求1-3中任一项所述的微机电系统MEMS结构，其中所述驱动梁展示横截面几何非对称性，使得所述主运动能够由实质上垂直于所述敏感质量块的所述前表面和所述后表面的激发力发起。

9.如权利要求1-3中任一项所述的微机电系统MEMS结构，其中所述驱动梁展示完全的横截面对称性，使得所述主运动能够由实质上平行于所述敏感质量块的所述前表面和所述后表面的激发力发起。

10.如权利要求1-3中任一项所述的微机电系统MEMS结构，其中所述敏感质量块和所述驱动梁具有实质上相同的厚度，且所述敏感质量块的对称轴实质上与所述第三轴重合。

11.如权利要求1-3中任一项所述的微机电系统MEMS结构，还包括布置在所述框架的至少两个相对侧上的应力释放装置。

12.如权利要求1-3中任一项所述的微机电系统MEMS结构，还包括插在所述弯曲弹簧的每端和相邻的所述敏感质量块之间的应力释放装置。

13.如权利要求1-3中任一项所述的微机电系统MEMS结构，还包括分别插在每个所述敏感质量块和相邻的所述驱动梁之间的应力释放装置。

14.如权利要求1-3中任一项所述的微机电系统MEMS结构，其中所述驱动梁和所述弯曲弹簧具有实质上相同的横截面。

15.如权利要求1-3中任一项所述的微机电系统MEMS结构，其中所述敏感质量块具有实质上相同的几何形状。

16.如权利要求1-3中任一项所述的微机电系统MEMS结构，还包括帮助在密封的腔内保持高真空的吸气剂材料。

17.如权利要求1-3中任一项所述的微机电系统MEMS结构，还包括设置在所述敏感质量块上的硅阻挡部。