CN103221778A - 具有单驱动的微机械单片式三轴陀螺仪 - Google Patents

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Abstract

除其它情况之外，本申请讨论了帽晶片和通孔晶片，所述帽晶片和所述通孔晶片被配置为封装在装置层的x-y面上形成的单质量块三轴陀螺仪。所述单质量块三轴陀螺仪可包括：主质量块部件、中心悬置系统以及驱动电极，其中，所述主质量块部件悬置于单中心支架上，且所述主质量块部件包括向外朝所述三轴陀螺仪传感器的边缘延伸的放射状部分；所述中心悬置系统被配置为将所述三轴陀螺仪悬置于所述单中心支架上；且所述驱动电极包括移动部分和固定部分，所述移动部分连接到所述放射状部分上，其中，所述驱动电极和所述中心悬置系统被配置为使所述三轴陀螺仪关于垂直于所述x-y面的z轴以驱动频率振动。

Description

具有单驱动的微机械单片式三轴陀螺仪
优先权要求
本申请要求发明人Acar于2010年9月18日递交的美国临时专利申请号为No.61/384,245且名称为“具有单驱动的微机械单片式三轴陀螺仪”的专利文件(代理人案号2921.100PRV)以及发明人Acar于2010年9月18日递交的美国临时专利申请号为No.61/384,246且名称为“具有单质量块的微机械三轴加速计”的专利文件(代理人案号2921.101PRV)的优先权，在此每一专利文件均作为本发明的参考内容。
另外，本申请与Acar等发明人于2010年8月3日递交的美国专利中请号为No.12/849,742且名称为“微机械的惯性传感器装置”的专利文件以及Marx等发明人于2010年8月3日递交的美国专利申请号为No.12/849,787且名称为“微机械装置及其制造方法”的专利文件相关联，在此每一专利文件均作为本发明的参考内容。
技术领域
本发明大体上涉及惯性传感器装置，尤其涉及微机械惯性传感器装置。
背景技术
几种单轴或多轴的微机械陀螺仪结构已集成在系统中以形成三轴陀螺仪组。然而，对于特定的应用，由分立的传感器组成的这种陀螺仪组的尺寸会过大且成本也会过高。即使多个单轴或多轴陀螺仪能够装配在单片微机电系统(MEMS)芯片上，也还是需要每个传感器都有其各自的驱动电子器件和传感电子器件。
而且，在消费者/移动、自动化以及航空航天/国防应用中，对三轴加速度检测的需求正在不断增加。许多单轴或多轴的微机械加速计结构已将分立的质量块用于每个加速度轴。在模具中加入多个传感器或多个质量块会增加集成的三轴加速计传感器的尺寸且提高其成本。
发明内容
除其它情况之外，本发明讨论了帽晶片和通孔晶片，所述帽晶片和通孔晶片被配置为对位于装置层的x-y面上的单质量块三轴陀螺仪进行封装。该单质量块三轴陀螺仪可包括主质量块部件、中心悬置系统和驱动电极。其中，所述主质量块部件悬置于单中心支架上，且所述主质量块部件包括向外朝所述三轴陀螺仪传感器边缘延伸的放射状部分，所述中心悬置系统被配置为在所述单中心支架上悬置所述三轴陀螺仪，所述驱动电极包括移动部分和固定部分，所述移动部分连接到所述放射状部分上，其中所述驱动电极和所述中心悬置系统被配置为使所述三轴陀螺仪围绕z轴(其垂直于x-y平面)以驱动频率振动。
此概述意在提供本专利申请主题的概述。并不旨在提供本发明专用的或全面的说明。具体实施方式的包含用于提供有关本专利申请的更多信息。
附图说明
在附图(其不一定按比例绘制)中，相同的附图标记可在不同的视图中描述相似的部件。具有不同字母后缀的相似附图标记可表示同类部件的不同例子。附图以示例而非限制的方式大体示出了本文中所论述的各个实施例。
图1大体示出了三自由度(3-DOF)惯性测量单元(惯性测量单元)的横断面示意图；
图2大体示出了三轴陀螺仪的一个实施例；
图3大体示出了三轴陀螺仪在驱动动作中的一个实施例；
图4大体示出了三轴陀螺仪的一个实施例，所述三轴陀螺仪包括在传感动作中响应于围绕x轴旋转的单质量块；
图5大体示出了三轴陀螺仪的一个实施例，所述三轴陀螺仪包括在传感动作中响应于围绕y轴旋转的单质量块；
图6大体示出了三轴陀螺仪的一个实施例，所述三轴陀螺仪包括在传感动作期间响应于围绕z轴旋转的单质量块；
图7和图8大体示出了三轴陀螺仪的实施例，所述三轴陀螺仪包括分别在反相运动和同相运动中的z轴陀螺仪耦合柔性轴承；
图9大体示出了三轴加速计的一个实施例；
图10大体示出了三轴加速计在传感模式中响应于x轴加速度的一个实施例；
图11大体示出了三轴加速计在传感模式中响应于y轴加速度的一个实施例；
图12大体示出了三轴加速计在传感模式中响应于z轴加速度的一个实施例；
图13大体示出了包含通孔晶片电极安置的系统的一个实施例；
图14大体示出了包含单质量块的三轴加速计的一个实施例的侧视图；
图15大体示出了3+3自由度(3+3DOF)惯性测量单元(IMU)的一个实施例；
图16大体示出了关于支架固定的所述中心悬置的一个实施例；
图17大体示出了所述中心悬置的一部分在驱动动作中的一个实施例。
具体实施方式
除其它情况之外，本发明者认识到一种微机械单片式三轴陀螺仪，其被配置为将响应模式对每个轴进行有效地解耦以减小跨轴灵敏度的同时，利用中心固定的单质量块来检测围绕所有三轴的角速率。
在一个实施例中，本申请公开的所述唯一的质量块和柔性轴承结构可允许通过单驱动模式振动(对于所有轴仅需一个驱动控制环路)进行三轴角速率检测。因此，与使用三个分立的驱动环路的现有多轴陀螺仪相比，本申请中公开的三轴陀螺仪中控制电子器件的复杂性及成本显著降低。
此外，除其它情况之外，本发明者认识到一种微机械三轴加速计，其被配置为将响应模式对每个轴进行有效地解耦以减小跨轴灵敏度的同时，利用中心固定的单质量块来检测沿所有三轴的加速度。
在一个实施例中，本申请公开的所述唯一的质量块和柔性轴承结构可允许通过中心固定的单质量块进行三轴加速度检测。因此，与对每个加速度轴使用分立质量块的现有多轴加速计相比，本申请中公开的三轴加速计中微电子机械系统(MEMS)传感元件的总体模具尺寸及总成本显著降低。
装置结构
图1大体示出了三自由度(3-DOF)惯性测量单元(IMU)100的横断面示意图，如三自由度陀螺仪或三自由度微机械加速计，所述三自由度惯性测量单元100由芯片级封装而成，所述芯片级封装包括帽晶片101、包含微机械结构(如微机械三自由度惯性测量单元)的装置层105和通孔晶片103。在一个实施例中，装置层105可夹在帽晶片101和通孔晶片103之间，且装置层105和帽晶片101之间的腔体可在真空下被晶圆级封装。
在一个实施例中，帽晶片101可粘合到装置层105上，例如使用金属粘合剂102。金属粘合剂102可包括热熔粘合剂(例如非高温热熔粘合剂)以使得吸气剂能够保持长期的真空状态，且使得防摩擦涂层能够防止在低重力加速度的加速度传感器中出现的摩擦。在一个实施例中，在装置层105工作期间，金属粘合剂102能够在帽晶片101和装置层105之间产生热应力。在一个实施例中，能够在装置层105上增加一个或多个特性，以使装置层105中的所述微机械结构隔离于热应力(如形成于微机械结构周围的一个或多个应力降低槽)。在一个实施例中，通孔晶片103可粘合到装置层105上，如热熔粘合(例如硅-硅热熔粘结等)，以消除通孔晶片103和装置层105之间的热应力。
在一个实施例中，利用一个或多个硅通孔(TSVs)(如通过介电材料109与通孔晶片103相隔离的第一硅通孔108)，通孔晶片103可包括一个或多个独立区域(例如，第一独立区域107)，所述独立区域隔离于通孔晶片103的一个或多个其他区域，硅通孔。在某些实施例中，所述一个或多个独立区域可用作电极，以感应或驱动所述三轴惯性传感器的面外工作模式，且所述一个或多个硅通孔可被配置为提供由所述装置层105到系统100外的电连接。此外，通孔晶片103可包括诸如第一触点110的一个或多个触点，所述一个或多个触点使用绝缘体层104选择性地隔离于通孔晶片103的一个或多个部分，且被配置为将通孔晶片103的一个或多个独立区域或硅通孔之间的电连接提供给一个或多个外部元件，例如使用冲击、丝焊或一个或多个其他电连接提供给专用集成电路(ASIC)晶片。
在一个实施例中，装置层105中的所述三自由度陀螺仪或微机械加速计能够通过将装置层105粘合到通孔晶片103的凸出部分(如支架106)进而支撑或固定在通孔晶片103上。在一个实施例中，支架106可大体上设置于通孔晶片103的中心，且装置层105可热熔粘合在支架106上，这样可消除与金属疲劳相关的问题。
陀螺仪装置结构
图2大体示出了三轴陀螺仪200的一个实施例，例如三轴陀螺仪200位于三自由度惯性测量单元100的装置层105的单一面上。在一个实施例中，三轴陀螺仪200的结构可关于如图2所示x轴和y轴对称，其中z轴概念性地从图中延伸出来。图2作为三轴陀螺仪200一个部分的结构及特征的参考。但在某些实施例中，这样的参考及说明能够适用于三轴陀螺仪200中未标记的类似部分。
在一个实施例中，三轴陀螺仪200可包括提供三轴陀螺仪工作模式的单质量块设计，其中所述三轴陀螺仪工作模式在三自由度惯性测量单元100的装置层105中给出，如图1的实施例中所示。
在一个实施例中，所述单质量块能够利用单中心支架(如支架106)和中心悬架111悬置从所述单质量块的中心悬置。其中，中心悬架111包括中心对称的柔性轴承(flexures)，如在Acar等人于2011年9月16日递交的PCT专利申请序号为US2011052006且题目为“用于共振微机械装置减小正交的柔性轴承”的相关专利文件中公开的柔性轴承，这里将该专利文件作为本发明的参考内容。中心悬架111可使得单质量块关于x轴、y轴及z轴进行扭转地振动，且提供了三个陀螺仪工作模式，包括：
(1)围绕z轴的扭转的面内驱动动作(如图3所示)；
(2)围绕x轴的扭转的面外y轴陀螺仪传感动作(如图4所示)；以及
(3)围绕y轴的扭转的面外x轴陀螺仪传感动作(如图5所示)。
此外，所述单质量块设计可由多个部件组成，例如包括主质量块部件115和关于y轴对称的x轴质量块部件116。在一个实施例中，驱动电极123可设置于沿主质量块部件115的y轴处。通过与中心悬架111结合，驱动电极123可被配置以提供围绕z轴的扭转的面内驱动动作，这就允许围绕x轴和y轴角运动的检测。
在一个实施例中，x轴质量块部件116可通过z轴陀螺仪柔性轴承120连接到主质量块部件115上。在一个实施例中，z轴陀螺仪柔性轴承120可使得x轴质量块部件116在x方向进行作为z轴陀螺仪传感动作的反相线性振动。
此外，三轴惯性传感器200可包括z轴陀螺仪传感电极127，所述z轴陀螺仪传感电极127被配置为检测x轴质量块部件116沿x轴的反相面内运动。
在一个实施例中，驱动电极123和z轴陀螺仪传感电极127中的每一个可包括连接到一个或多个质量块部件上的移动棘爪，其中，所述一个或多个质量块部件通过各自的支架(如支架124、128)与固定在适当位置(如固定在通孔晶片103)的一组固定棘爪相互交错。
陀螺仪工作模式
图3大体示出了三轴陀螺仪300在驱动动作中的一个实施例。在一个实施例中，驱动电极123可包括连接到主质量块部件115上的一组移动棘爪，所述主质量块部件115通过第一驱动支架124(如通孔晶片103的凸起的电隔离部分)与固定在适当位置的一组固定棘爪相互交错。在一个实施例中，所述固定棘爪可被配置为通过第一驱动支架124接收能量，且驱动电极123上相互交错的移动棘爪和固定棘爪之间的相互作用可被配置为向单质量块提供关于z轴的角向力。
在图3的一个实施例中，驱动电极123被驱动以使单质量块围绕z轴旋转，与此同时，中心悬架111为固定的支架106提供回复力矩，使得所述单质量块关于z轴以驱动频率进行扭转地面内振动，其中所述驱动频率取决于驱动电极123上的能量。在某些实施例中，能够利用驱动电极123检测单质量块的驱动动作。
X轴速率响应
图4大体示出了三轴陀螺仪400的一个实施例，所述三轴陀螺仪400包括在传感动作中响应于围绕x轴旋转的单质量块，所述单质量块包括主质量块部件115、x轴质量块部件116以及中心悬架111。
在围绕x轴的角速率及图3的实施例中所述的三轴陀螺仪400的驱动动作同时出现的情况下，在x轴质量块部件116上会引起沿z轴方向相反的科氏力，这是由于速度向量沿y轴的方向是相反的。这样，通过弯曲中心悬架111，可使单质量块围绕y轴扭转地振动。传感响应可通过面外x轴陀螺仪传感电极(如在通孔晶片103中的传感电极)并通过x轴质量块部件116与通孔晶片103的电容性耦合来检测。
Y轴速率响应
图5大体示出了三轴陀螺仪500的一个实施例，所述三轴陀螺仪500包括在传感动作中响应于围绕y轴旋转的单质量块，所述单质量块包括主质量块部件115、x轴质量块部件116以及中心悬架111。
在关于y轴的角速率及图3的实施例中所述的三轴陀螺仪400的驱动动作同时出现的情况下，在主质量块部件115会引起沿z轴方向相反的科氏力，这是由于速度向量沿x轴的方向是相反的。这样，通过弯曲中心悬架111，可使单质量块围绕x轴扭转地振动。传感响应可通过面外y轴陀螺仪传感电极(如在通孔晶片103中的传感电极)且通过主质量块部件115与通孔晶片103的电容性耦合来检测。
Z轴速率响应
图6大体示出了三轴陀螺仪600的一个实施例，所述三轴陀螺仪600包括在传感动作期间响应于围绕z轴旋转的单质量块，所述单质量块包括主质量块部件115、x轴质量块部件116、中心悬架、z轴柔性轴承120以及z轴陀螺仪耦合柔性轴承121。
在关于y轴的角速率及图3的实施例中所述的三轴陀螺仪400的驱动动作同时出现的情况下，在x轴质量块部件116会引起沿x轴相反方向的科氏力，这是由于速度向量沿y轴的方向是相反的。这样，通过在x方向弯曲z轴柔性轴承120可使x轴质量块部件116沿x轴相反方向线性地振动。此外，z轴陀螺仪耦合柔性轴承121可用于提供x轴质量块部件116的线性反相共振模式，该线性反相共振模式直接由反相的科氏力驱动。传感响应可通过面内平行板传感电极(如位于装置层105中的z轴陀螺仪传感电极127)来检测。
图7和图8大体示出了包含分别在反相和同相运动中的z轴陀螺仪耦合柔性轴承121的三轴陀螺仪700的实施例。为了改善x轴加速度带来的三轴陀螺仪700的振动抑制，z轴陀螺仪耦合柔性轴承121被配置为抑制x轴质量块部件116的同相运动。
在反相运动期间，将两个x轴质量块部件116连接到z轴陀螺仪耦合柔性轴承121上的连梁在相同方向上施加外力，且连梁承受较低刚度的自然弯曲。
相反，在同相运动期间，z轴陀螺仪耦合柔性轴承121的连梁在相反方向上施加力，迫使所述连梁进行较高刚度的扭转运动。这样，提高了同相运动刚度和共振频率，提供了更好的振动抑制。
加速计装置结构
图9大体示出了三轴加速计900的一个实施例，如在三自由度惯性测量单元100中装置层105的单一面上的三轴加速计。在一个实施例中，三轴加速计900可包括单质量块设计，提供如图1的实施例所示的三自由度惯性测量单元100的装置层105中模式化的三轴加速计工作模式。
在一个实施例中，所述单质量块可通过一系列的柔性轴承及框架从其中心悬置在单中心支架上(如支架106)，所述一系列的柔性轴承及框架旨在对响应模式进行解耦并降低跨轴灵敏度。在一个实施例中，三轴加速计900可包括x轴柔性轴承133，x轴柔性轴承133被配置为将支架106连接到x轴框架135上并使得x轴框架135能够响应于沿x轴的加速度而偏斜。而且，所述装置可包括y轴柔性轴承134和z轴柔性轴承137，其中y轴柔性轴承134被配置为将x轴框架135连接到y轴框架上136并使得y轴框架136能够响应于沿y轴的加速度进而相对于x轴框架135偏斜；z轴柔性轴承137被配置为将y轴框架136连接到质量块138的其余部分上。z轴柔性轴承137兼起扭转铰链的作用，使得所述质量块关于穿过所述梁柱中心的轴面外扭转地偏斜。
此外，三轴加速计900可包括x轴加速计传感电极125或y轴加速计传感电极131，其中x轴加速计传感电极125被配置为检测x轴框架135的同相面内x轴运动，y轴加速计传感电极131被配置为检测y轴框架136的同相面内y轴运动。在一个实施例中，x轴加速计传感电极125和y轴加速计传感电极131中的每一个可包括连接到一个或多个框架部分上的移动棘爪，其中一个或多个框架部分通过各自的支架(如支架126、132)与固定在适当位置(如固定在通孔晶片103)的一组固定棘爪相互交错。
X轴加速计响应
图10大体示出了三轴加速计1000在传感运动中响应于x轴加速度的一个实施例。所述三轴加速计包括单质量块、支架106、x轴柔性轴承133及x轴框架135。
在存在沿x轴加速度的情况下，所述质量块、y轴框架136和x轴框架135会相对于支架106一致地移动。所引起的运动可通过设置于所述质量块对立一侧的x轴加速计传感电极125来检测，并且允许偏斜的差分测量。在不同实施例中，可使用不同的检测方法，如电容式(变间距式电容器或变面积式电容器)检测方法、压电式检测方法、压阻式检测方法、磁性检测方法或温度检测方法。
Y轴加速计响应
图11大体示出了三轴加速计1100在传感模式中响应于y轴加速度的一个实施例。所述三轴加速计包括单质量块、支架106、y轴柔性轴承134及y轴框架136。
在存在沿y轴加速度的情况下，将y轴框架136连接到x轴框架135上的y轴柔性轴承134出现偏斜且使得y轴框架136能够沿y轴与所述质量块进行一致地移动，与此同时，所述x轴框架保持静止。所引起的运动可通过设置于所述质量块对立一侧的y轴加速计传感电极131来检测，并且允许偏斜的差分测量。在不同实施例中，可使用不同的检测方法，如电容式(变间距式电容器或变面积式电容器)检测方法、压电式检测方法、压阻式检测方法、磁性检测方法或温度检测方法。
Z轴加速计响应
图12大体示出了三轴加速计1200在传感运动中响应于z轴加速度的一个实施例。所述三轴加速计包括单质量块138、支架和z轴柔性轴承137。
在图12的实施例中，z轴柔性轴承137的设置使得穿过所述梁柱中心的轴偏离于质量块138的中心。这样，导致质量不平衡，以致所述质量块中距离支点较远的部分产生的惯性力矩比距离支点较近的部分更大，使得质量块138容易受到z轴加速度的影响，进而关于轴线面外扭转地偏斜。x轴柔性轴承和y轴柔性轴承133、134被设计为具有高面外刚度。相应地，x轴柔性轴承和y轴柔性轴承133、134在z轴加速度时保持静止。
图13大体示出了包含通孔晶片电极分布的系统1300的一个实施例。在一个实施例中，z轴加速计电极140可设置在装置层105下面的通孔晶片103上。扭转响应允许通过仅一层的面外电极对偏斜进行差分测量。在一个实施例中，可使用不同的检测方法，如电容式(变间距式电容器或变面积式电容器)检测方法、压电式检测方法、压阻式检测方法、磁性检测方法或温度检测方法。
图14大体示出了三轴加速计1400的一个示例的侧视图，其中三轴加速计1400包含单质量块、说明性的“支点”及z轴加速计电极140。
3+3自由度
图15大体示出了3+3自由度(3+3DOF)惯性测量单元(IMU)200(如三轴陀螺仪和三轴加速计)的一个实施例，例如3+3自由度惯性测量单元200位于惯性测量单元中装置层105的单一面上。在一个实施例中，3+3自由度可包括在同一晶片上的三轴陀螺仪1505和三轴加速计1510。
在一个实施例中，三轴陀螺仪1505和三轴加速计1510的每一个具有各自的质量块，但在封装时，所涉及的器件会共用封盖(诸如芯片级封装)，因此三轴陀螺仪1505和三轴加速计1510位于同一腔体中。而且，由于所述器件在同一时间且由相同材料制作，因此该发明很大程度上降低了工艺偏差的风险，减少了对传感器分别校正的需要，减少了校准问题，且能够比分别将器件结合起来得到更为紧密的排布。
此外，存在与产生的器件密封相关联的空间节省。例如，若需要100um的封条宽度，共用帽晶片及减小所述器件之间的间距使得所涉及的器件的总体尺寸得以缩减。而分别封装，封条宽度所需的空间可加倍。
在一个实施例中，当封条宽度为100um时，模具尺寸可减小至2.48×1.8mm。
驱动频率与检测频率
在一个实施例中，驱动模式和三个陀螺仪传感模式可设置在20kHz范围内。对于开环操作，驱动模式可通过模式间隔(如100Hz到500Hz)区分于传感模式，所述模式间隔可决定陀螺仪的机械灵敏度。为了提高灵敏度，在实际应用的振动规格允许的条件下可降低陀螺仪操作共振频率。若执行闭环传感操作，可减小模式间隔以进一步提高机械灵敏度。
正交误差的减小
图16大体示出了关于支架106固定的所述中心悬架111的一个实施例，所述中心悬架111包括对称的“C形梁柱”(C-beams)，所述C形梁柱被配置为局部上消除正交误差。微机械陀螺仪的正交误差的主要来源为深反应离子刻蚀(DRIE)侧壁角度误差，所述DRIE侧壁角度误差导致刻蚀断面偏离于直侧壁。如果侧壁具有角度误差，则当斜轴沿梁柱长度时面内驱动动作还会导致面外运动。因此，当偏斜的柔性梁柱设置于所述驱动模式的对立一侧时，所致的面外偏移引起正交误差。
图17大体示出了所述中心悬架111的一部分在驱动动作中的一个实施例。所述中心悬架111使用位于支架106每一侧的对称“C形梁柱”。由每个在一侧的C形梁柱导致的面外运动被与其对称的部分抵消。这样，在每个梁柱上引起的正交误差可在局部上被消除。
补充注释及实施例
在实施例1中，惯性测量系统包括装置层、粘合到所述装置层的第一面上的帽晶片和通粘合到所述装置层的第二面上的孔晶片，所述装置层包括在x-y面中形成的单质量块三轴陀螺仪，所述单质量块三轴陀螺仪包括主质量块部件、中心悬置系统和驱动电极，其中，所述主质量块部件悬置于单中心支架上，且所述主质量块部件包括向外朝所述三轴陀螺仪传感器的边缘延伸的放射状部分，所述中心悬置系统被配置为在所述单中心支架上悬置所述三轴陀螺仪，所述驱动电极包括移动部分和固定部分，所述移动部分连接到所述放射状部分上，其中，所述驱动电极和所述中心悬置系统被配置为使所述三轴陀螺仪围绕z轴(垂直于x-y面)以驱动频率振动；其中，所述帽晶片和所述通孔晶片被配置为封装所述单质量块三轴陀螺仪。
在实施例2中，实施例1可选地包括对称的x轴质量块部件，所述x轴质量块部件被配置为响应于z轴角运动而沿x轴反相移动。
在实施例3中，实施例1至2中的任何一个或多个实施例可选地包括z轴陀螺仪耦合柔性轴承，所述z轴陀螺仪耦合柔性轴承被配置为将所述x轴质量块部件相连接，且抵抗所述x轴质量块部件之间的同相运动。
在实施例4中，实施例1至3中的任何一个或多个实施例可选地包括所述装置层的面外电极，所述面外电极被配置为检测x轴角旋转和y轴角旋转。
在实施例5中，实施例1至4中一个或多个实施例的所述面外电极可选地设置在所述通孔晶片上。
在实施例6中，实施例1至5中一个或多个实施例的所述驱动电极可选地包括与多个固定棘爪相互交错的多个移动棘爪，其中，所述固定棘爪固定在所述通孔晶片上。
在实施例7中，实施例1至6中一个或多个实施例的所述装置层可选地包括与所述三轴陀螺仪相邻地形成在x-y面上的三轴加速计，其中，所述帽晶片和所述通孔晶片被配置为将所述三轴加速计和所述三轴陀螺仪封装在同一腔体中。
在实施例8中，实施例1至7中一个或多个实施例的所述装置层可选地包括位于x-y面的单质量块三轴加速计，所述单质量块三轴加速计悬置于单中心支架上，且所述单质量块三轴加速计包括单独的x轴柔性轴承、y轴柔性轴承和z轴柔性轴承，其中，所述x轴柔性轴承和所述y轴柔性轴承关于所述单中心支架对称，且所述z轴柔性轴承关于所述单中心支架不对称。
在实施例9中，实施例1至8中一个或多个实施例的所述帽晶片和所述通孔晶片可选地被配置将所述三轴加速计和所述三轴陀螺仪封装在同一腔体中。
在实施例10中，实施例1至9中一个或多个实施例的所述三轴加速计可选地包括面内x轴加速计传感电极和面内y轴加速计传感电极。
在实施例11中，实施例1至10中一个或多个实施例的所述面内x轴加速计传感电极和所述面内y轴加速计传感电极可选地关于所述单中心支架对称。
在实施例12中，实施例1至11中一个或多个实施例的所述三轴加速计可选地包括面外z轴加速计传感电极。
在实施例13中，实施例1至12中一个或多个实施例的所述三轴加速计可选地呈矩形，且沿y轴的长度大于沿x轴或z轴的长度。
在实施例14中，实施例1至13中一个或多个实施例的所述x轴柔性轴承、y轴柔性轴承和z轴柔性轴承可选地具有高面外刚度。
在实施例15中，实施例1至14中一个或多个实施例的所述单质量块可选地包括对面内x轴加速计传感电极、面内y轴加速计传感电极、x轴柔性轴承、y轴柔性轴承、和z轴柔性轴承加以包围的外部。
在实施例16中，微机械单片式惯性传感器装置包括在装置层的x-y面上形成的单质量块三轴陀螺仪，所述单质量块三轴陀螺仪包括主质量块部件、中心悬置系统和驱动电极，所述主质量块部件悬置于单中心支架上，且所述主质量块部件包括向外朝所述三轴陀螺仪的边缘延伸的放射状部分；所述中心悬置系统被配置为在所述单中心支架上悬置所述三轴陀螺仪；所述驱动电极包括移动部分和固定部分，所述移动部分连接到所述放射状部分上，其中，所述驱动电极和所述中心悬置系统被配置为使所述三轴陀螺仪关于z轴(垂直于x-y面)以驱动频率振动。
在实施例17中，实施例1至16中的一个或多个实施例可选地包括对称的x轴质量块部件，所述对称的x轴质量块部件被配置为响应于z轴角运动而沿x轴反相移动。
在实施例18中，实施例1至17中的一个或多个实施例可选地包括单质量块三轴加速计，所述单质量块三轴加速计与所述三轴陀螺仪相邻地形成在所述装置层的x-y面上且悬置于单中心支架上，所述单质量块三轴加速计包括分立的的x轴柔性轴承、y轴柔性轴承和z轴柔性轴承，其中，所述x轴柔性轴承和所述y轴柔性轴承关于所述单中心支架对称，且所述z轴柔性轴承关于所述单中心支架不对称。
在实施例19中，实施例1至18中一个或多个实施例的所述三轴加速计可选地包括面内x轴加速计传感电极、面内y轴加速计传感电极及面外z轴加速计传感电极，其中面内x轴加速计传感电极和面内y轴加速计传感电极关于所述单中心支架对称。
在实施例20中，实施例1至19中的一个或多个实施例可选地包括粘合到所述装置层上的第一面的帽晶片和粘合到所述装置层的第二面上的通孔晶片，其中，所述帽晶片和所述通孔晶片被配置为将所述三轴陀螺仪和所述三轴加速计封装在同一腔体中。
在实施例21中，系统或装置可包括或可选地与实施例1至20中任何一个或多个实施例的任何部分或任何部分的组合相结合，以包括机器可读介体或用于执行实施例1至20中任何一种或多种所述功能的方法，其中，所述机器可读介体包括指令，当由机器执行时，所述指令使得所述机器执行实施例1至20中任何一个或多个所述功能。
上述具体实施方式包括对附图的参考，附图形成具体实施方式的一部分。附图以举例说明的方式示出了本发明能够用以实践的具体实施例。于此，这些实施例也称为“示例”。本申请所涉及到的所有出版物、专利以及专利文件全部作为本发明的参考内容，尽管它们是分别加以参考的。如果本申请与参考文件之间存在使用差别，则参考文件的使用应视为本申请使用的补充；若二者之间存在不可调和的差异，则以本申请的使用为准。
在本中请中，与专利文件通常使用的一样，术语“一”或“某一”表示包括一个或两个以上，不同于“至少一个”或“一个或更多”的其它例子或用法。在本申请中，除非另外指明，否则使用术语“或”指无排他性的或者是，“A或B”包括：“A但不是B”、“B但不是A”以及“A和B”。在所附的权利要求中，术语“包含”和“在其中”等同于各个术语“包括”和“其中”的通俗英语而使用。而且，在下述权利要求中，术语“包含”和“包括”是开放性的，即，包括除了权利要求中这样的术语之后所列出的那些要素以外的要素的系统、装置、物品或步骤，依然视为落在该项权利要求的范围之内。而且，在下述权利要求中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅仅用作标识，并非对其对象有数量要求。
以上实施方式旨在解释说明而非限制。在其它实施例中，以上实施方式的示例(或其一个或多个方面)可以相互结合使用。例如，本领域普通技术人员通过回顾以上实施方式可以使用其他实施例。
摘要被提供以符合37C.F.R.§1.72(b)，从而使得读者能够快速确定技术发明的类型。应当理解的是，该摘要将不用于解释或限制权利要求的范围或意义。而且，在以上的具体实施方式中，各种特征可组合在一起以简化本发明。这不应理解为未要求的公开特征对任何权利要求来说是必不可少的。相反，创造性的主题可以以比特定公开实施例的所有特征更少的特征而存在。因而，下述的权利要求以每个权利要求作为单独实施例的方式并入具体实施方式中。本发明的范围应当参照所附的权利要求以及与这些权利要求的所属相当的整个范围来确定。

Claims (20)

1.一种惯性测量系统，包括装置层、粘合到所述装置层的第一面上的帽晶片、和粘合到所述装置层的第二面上的通孔晶片，其中，
所述装置层包括在x-y面中形成的单质量块三轴陀螺仪，所述单质量块三轴陀螺仪包括：
主质量块部件，悬置在单中心支架上，且所述主质量块部件包括向外朝所述三轴陀螺仪传感器的边缘延伸的放射状部分；
中心悬置系统，被配置为在所述单中心支架上悬置所述三轴陀螺仪；和
驱动电极，包括移动部分和固定部分，所述移动部分连接到所述放射状部分上，其中，所述驱动电极和所述中心悬置系统被配置为使所述三轴陀螺仪围绕垂直于x-y面的z轴以驱动频率振动；
其中，所述帽晶片和所述通孔晶片被配置为封装所述单质量块三轴陀螺仪。
2.根据权利要求1所述的系统，包括对称的x轴质量块部件，所述x轴质量块部件被配置为响应于z轴角运动而沿x轴反相移动。
3.根据权利要求2所述的系统，包括z轴陀螺仪耦合柔性轴承，所述z轴陀螺仪耦合柔性轴承被配置为将所述x轴质量块部件相连接，且抵抗所述x轴质量块部件之间的同相运动。
4.根据权利要求1所述的系统，包括所述装置层的面外电极，所述面外电极被配置为检测x轴角旋转和y轴角旋转。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述面外电极设置在所述通孔晶片上。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述驱动电极包括与多个固定棘爪相互交错的多个移动棘爪，其中，所述固定棘爪固定在所述通孔晶片上。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述装置层包括与所述三轴陀螺仪相邻地形成在x-y面上的三轴加速计；以及
其中，所述帽晶片和所述通孔晶片被配置为将所述三轴加速计和所述三轴陀螺仪封装在同一腔体中。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述装置层包括在x-y面中形成的单质量块三轴加速计，所述单质量块三轴加速计悬置于单中心支架上，且所述单质量块三轴加速计包括单独的x轴柔性轴承、y轴柔性轴承和z轴柔性轴承；
其中，所述x轴柔性轴承和所述y轴柔性轴承关于所述单中心支架对称，且所述z轴柔性轴承关于所述单中心支架不对称。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述帽晶片和所述通孔晶片被配置为将所述三轴加速计和所述三轴陀螺仪封装在同一腔体中。
10.根据权利要求8所述的系统，其中，所述三轴加速计包括面内x轴加速计传感电极和面内y轴加速计传感电极。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述面内x轴加速计传感电极和所述面内y轴加速计传感电极关于所述单中心支架对称。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述三轴加速计包括面外z轴加速计传感电极。
13.根据权利要求8所述的系统，其中，所述三轴加速计呈矩形且沿y轴的长度大于沿x轴或z轴的长度。
14.根据权利要求8所述的系统，其中，所述x轴柔性轴承、y轴柔性轴承和z轴柔性轴承具有高面外刚度。
15.根据权利要求8所述的系统，其中，所述单质量块包括对面内x轴加速计传感电极、面内y轴加速计传感电极、x轴柔性轴承、y轴柔性轴承、和z轴柔性轴承加以包围的外部。
16.一种微机械单片式惯性传感器装置，包括，在装置层的x-y面上形成的单质量块三轴陀螺仪，所述单质量块三轴陀螺仪包括：
主质量块部件，悬置于单中心支架上，所述主质量块部件包括向外朝所述三轴陀螺仪的边缘延伸的放射状部分；
中心悬置系统，被配置为在所述单中心支架上悬置所述三轴陀螺仪；以及
驱动电极，包括移动部分和固定部分，所述移动部分连接到所述放射状部分上，其中，所述驱动电极和所述中心悬置系统被配置为使所述三轴陀螺仪围绕垂直于x-y面的z轴以驱动频率振动。
17.根据权利要求16所述的装置，包括对称的x轴质量块部件，所述对称的x轴质量块部件被配置为响应于z轴角运动而沿x轴反相移动。
18.根据权利要求16所述的装置，包括：
单质量块三轴加速计，与所述三轴陀螺仪相邻地形成在所述装置层的x-y面上，且悬置于所述单中心支架上，所述单质量块三轴加速计包括分立的x轴柔性轴承、y轴柔性轴承和z轴柔性轴承；且
其中，所述x轴柔性轴承和所述y轴柔性轴承关于所述单中心支架对称，且所述z轴柔性轴承关于所述单中心支架不对称。
19.根据权利要求18所述的装置，其中，所述三轴加速计包括：
面内x轴加速计传感电极和面内y轴加速计传感电极，所述面内x轴加速计传感电极和所述面内y轴加速计传感电极关于所述单中心支架对称；以及
面外z轴加速计传感电极。
20.根据权利要求19所述的装置，包括：
帽晶片，粘合到所述装置层的第一面上；以及
通孔晶片，粘合到所述装置层的第二面上，其中，所述帽晶片和所述通孔晶片被配置为将所述三轴陀螺仪和所述三轴加速计封装在同一腔体中。
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