CN105021178B - 模式匹配型单一质量块双轴陀螺仪 - Google Patents

模式匹配型单一质量块双轴陀螺仪 Download PDF

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Abstract

本申请公开了模式匹配型单一质量块双轴陀螺仪，其包括共振体构件；以及藉由侧向电容性介电间隙及垂直电容性介电间隙各自耦接于该共振体构件的多个电极；其中，该多个电极之一的该侧向电容性介电间隙的宽度实质小于该多个电极的另一的该垂直电容性介电间隙的宽度。

Description

模式匹配型单一质量块双轴陀螺仪
本申请是中国专利申请号为201180066994.1，发明名称为“模式匹配型单一质量块双轴陀螺仪及制造方法”，申请日为2011年12月5日的进入中国的PCT专利申请的分案申请。
技术领域
本揭露有关于双轴陀螺仪，以及更明确地关于模式匹配型(mode-matched)单一质量块(proof-mass)双轴陀螺仪。
背景技术
三轴陀螺仪在如行动电话、个人导航辅助器、智能型使用者接口以及游戏控制器等需要多维动作辨识以供精确定位的手持式装置的使用日益增加。大多数最先进的振动性陀螺仪对于各轴的速率测量使用分离式质量块。对于各轴的速率测量具有分离式质量块使得振动性陀螺仪的尺寸及质量增加。虽然为了减少振动性陀螺仪的尺寸及质量已做了努力，对于使振动性陀螺仪更小以及更轻仍有持续性的需求。
因此，对于不需各轴的速率测量都要有分离式质量块的振动性陀螺仪解决方案是有需求的。
发明内容
本揭露针对高频单一质量块双轴陀螺仪的设计、制造、以及特征化。所揭露在本文普遍称为环形陀螺仪(annulus gyroscope)的中空碟型(hollow-disk)倾斜暨滚动式(pitch-and-roll)陀螺仪在出现于大约900kHz结合环形结构(annulus structure)的面内(in-plane)及面外(out-of-plane)共振模式的模式匹配型条件下操作。双轴陀螺仪具有致能面内及面外共振模式的静电频率调谐(electrostatic frequency tuning)用以在上覆硅绝缘体(SOI)晶圆或单晶硅(SCS)之类的基底的厚度及侧向尺寸变异之类的制程不理想的情况下达到模式匹配(亦即，0Hz裂频(frequency split))的控制电极。根据具体实施例，本装置可分别展示127μV/deg/sec及214μV/deg/sec的x及y轴速率敏感度(ratesensitivity)。针对面内驱动及面外感测共振模式可在真空中观测到大约10,000的高品质因子(Q)。本装置使用高深宽比结合多暨单晶硅微加工(high aspect-ratio combinedpoly-and single-crystal silicon micromachining，HARPSS)制程的改良版予以实现，藉以在与摆碟式陀螺仪(yaw disk gyroscope)整合时致能单芯片三轴式实现。
根据本揭露的一态样，单一质量块双轴陀螺仪设备包含共振体构件、至少一第一电极以及至少一第二电极。根据具体实施例，共振体构件具有上表面以及侧表面。共振体构件的上表面藉由第一垂直电容性气隙与第一电极分离以及共振体构件的侧表面藉由第一侧向电容性气隙与第一电极分离。第一垂直电容性气隙实质大于第一侧向电容性气隙。另外，共振体构件的上表面藉由第二垂直电容性气隙与第二电极分离以及共振体构件的侧表面藉由第二侧向电容性气隙与第二电极分离。第二垂直电容性气隙实质小于第二侧向电容性气隙。第一垂直电容性气隙以及第二侧向电容性气隙可为大约5微米(μm)。第一侧向电容性气隙可为大约200奈米(nm)，以及第二垂直电容性气隙可为大约300奈米。
根据另一态样，制造单一质量块双轴陀螺仪设备的方法包含形成具有上表面及侧表面的共振体构件。侧部电极(side electrode)藉由实质小于第一垂直电容性气隙的第一侧向电容性气隙与共振体构件的侧表面分离。上部电极(top electrode)藉由实质小于第二侧向电容性气隙的第二垂直电容性气隙而形成与共振体构件的上表面分离。
根据另一态样，单一质量块、双轴陀螺仪设备包含共振体构件以及各藉由各自的侧向电容性气隙及垂直电容性气隙电容性耦接于共振体构件的第一与第二电极。第一电极的侧向电容性气隙之一的宽度小于第一电极的垂直电容性气隙之一的宽度。类似地，第二电极的垂直电容性气隙之一的宽度小于第二电极的侧向电容性气隙之一的宽度。第一与第二电极可藉由在之间引入隔离层而界定于相同位置。
根据又一态样，单一质量块双轴陀螺仪设备包含共振体构件以及各藉由侧向电容性气隙及垂直电容性气隙电容性耦接于共振体构件的多个电极。
附图说明
本揭露引用附图予以描述性表示并且说明，其中：
图1描述根据本揭露各种具体实施例的单一质量块、双轴陀螺仪的透视图；
图2A描述根据本揭露各种具体实施例的面内驱动共振模式的ANSYS仿真模型；
图2B描述根据本揭露各种具体实施例的面外x轴感测共振模式的ANSYS仿真模型；
图2C描述根据本揭露各种具体实施例的面外y轴感测共振模式的ANSYS仿真模型；
图3A描述根据本揭露具体实施例与图4D中所示共振器结构分离的侧部电极的放大图；
图3B描述根据本揭露具体实施例与图4D中所示共振器结构分离的上部电极的放大图；
图4A至4D为根据本揭露具体实施例制造双轴环形陀螺仪的制程的视觉表示；
图5为根据本揭露各种具体实施例描述如第3A与3B图以及第4A至4D图中所示制造双轴环形陀螺仪的制程的流程图；
图6为根据本揭露各种具体实施例表示具有释放孔(release hole)以及选择性界定电极区的双轴陀螺仪的俯视透视图的SEM(扫描式电子显微镜)影像；
图7A为根据本揭露各种具体实施例的双轴陀螺仪的振动质量块(vibratingmass)及上部电极的剖面；
图7B为根据本揭露各种具体实施例的双轴陀螺仪的振动质量块(vibratingmass)及侧部电极的剖面；
图8为根据本揭露各种具体实施例对于双轴环形陀螺仪的厚度及侧向尺寸变异的ANSYS仿真结果的图形表示；
图9为根据本揭露各种具体实施例对于双轴环形陀螺仪的所测量的感测模式可调谐性的结果的图形表示；
图10为根据本揭露各种具体实施例对于双轴环形陀螺仪的所测量的驱动模式可调谐性的结果的图形表示；
图11为根据本揭露各种具体实施例对于出自具有振动共振器的给定面内及面外运动(motion)的侧部电极及上部电极的所测量的显著信号强度差异的结果的图形表示；
图12为根据本揭露各种具体实施例描述Q因子与压力之间关系的所测量结果的图形表示；分别如图12所示针对驱动模式、x轴模式、以及y轴模式7.2％、16.5％、以及15.12％的因子变化；
图13A至13B根据本揭露各种具体实施例表示描述双轴陀螺仪的所测量的速率敏感度的曲线图；
图14根据本揭露各种具体实施例表示描述艾伦方差(Allan variance)测量的曲线图；
图15A至15G描述各种示例性共振模式的ANSYS仿真模型，其中图15A、15B、15C、和15D分别为n＝2、3、4、和5的面外模式，以及图15E、15F、和15G分别为m＝2、3、和4的面内模式。
具体实施方式
本文技术针对用于例如x轴及y轴的同时双轴倾斜与滚动速率感测的单一质量块双轴陀螺仪装置的设计、制造、以及特征化。陀螺仪以一般高于现有陀螺仪一至三阶(order)强度的频率操作。装置的高操作频率及高品质因子将布朗噪声底(Brownian noisefloor)降至小于其低频对等部分(counterpart)的数个等级强度，使得装置在维持操作频宽接近并且超出100Hz的同时还维持高分辨率。所揭露的装置可针对敏感度提升使用一面内暨二面外共振模式的组合或二面内暨一面外共振模式的组合。这些共振模式以大约相同的频率予以模式匹配。为了在制程变异下实现高制造良率，本揭露的装置可对各共振模式保持宽频率可调谐性。高深宽比结合多暨单晶硅微加工(HARPSS)制程的改良版用于扩大并且增强装置频率可调谐性、改善面内驱动与面外感测共振模式之间的信号隔离、以及最小化馈通至感测电极的正交信号分量(quadrature signal component)的强度。
透过下文应配合图式予以阅读的说明将得以更加完整地理解本揭露。在本说明书中，本揭露各种具体实施例内相称的符号意指类似的组件。在本说明书内，权利要求将利用具体实施例予以解释。熟练的技术人员将容易了解本文所述的方法、设备以及系统只是示例性并且可实施变形而不违背本揭露的精神及范畴。
现在请参阅图1，其根据本揭露的具体实施例描述单一质量块双轴陀螺仪的透视图。如图1所示，单一质量块双轴陀螺仪设备100可包括藉由支撑结构140予以连接至共振体102的中央结构101。在各种具体实施例中，共振体102可藉由其可为束状(beam-shaped)结构的支撑结构140予以悬置(suspended)或支撑(supported)。中央结构101可配置作为支撑锚(support anchor)及用于施加极化偏压的位置。
在某些具体实施例中，中央结构101提供连接垫使极化DC电压藉由正或负DC电压对共振体102施加偏压。虽然共振体102经配置而共振，中央结构101仍可在操作期间未共振。
共振体102可具有围绕中央结构101的环状尺寸。在某些具体实施例中，环状可为圆形或对称于其轴周期性重复的结构。将共振体102连接至中央结构101的支撑结构140可无深宽比的限制。再者，如图1所示，支撑结构140中的穿孔(perforation)视制造程序而定可或不可予以引用。另外，陀螺仪可操作于高于100kHz，可达到10MHz的共振频率，共振频率取决于共振体102的径向尺寸(radial dimension)及厚度。共振体102可再包括大约同数值的面内共振模式及面外共振模式。
共振体102可由硅、多晶硅、金属、压电材料、聚合物、或任何上述组合所形成。在各种具体实施例中，共振体102具有围绕共振体102外围扩张的上表面、下表面、侧表面。在某些具体实施例中，共振体102可为环形或多边形。共振体102可为中空或实心，并且在某些具体实施例中，共振体102可藉由上覆硅绝缘体基底或单晶硅基底的处理层104(handlelayer)所支撑。
为了实现双轴速率敏感度，单一质量块双轴陀螺仪设备100经设计以利用在本文分别称为x轴及y轴模式的一个面内楕圆驱动模式及两个正交面外感测模式。为了感测同时双轴倾斜与滚动速率变化，可利用对齐于x轴与y轴至少其中之一的反节点(anti-node)的至少一个反节点。如此，偶数模式可用于双轴倾斜与滚动速率感测或倾斜与滚动角度感测的驱动模式。因此，如m＝2、4、6、及诸如此类的偶数模式可用作驱动模式。在各种具体实施例中，可利用面内楕圆驱动模式或酒杯(wine glass)模式。另外，驱动模式可为面外模式且感测模式可为面内模式。面内楕圆驱动模式可具有对齐+X、-X、+Y、-Y方向至少其中之一者的四个反节点的倍数。
在各种具体实施例中，Si<100>基底由于其每个90度的周期弹性(periodicelasticity)而受到利用。一面内模式可对齐Si<100>方向以及另一面内模式可对齐于Si<110>方向。这两种模式可彼此相距45度。在各种具体实施例中，对齐Si<100>方向的面内模式可具有低于另一对齐Si<110>方向的模式的频率，从而有助于与其它面外感测模式频率进行模式匹配。另外，对齐于Si<110>方向的另一驱动面内模式也可当作驱动模式。应了解的是，也可使用包括Si<110>基底在内的其它异向性基底。另外，在使用适当的正交误差抵消架构时，也可使用如Si<111>基底之类的等向性基底。
设备100可包括其上置有本装置的底部支挡构件(图未示)以及多个电极。可由电容性耦接于共振体102侧表面依照基底的Si<100>方向安置的内驱电极112(driven-inelectrode)促动设备100。电容性耦接于共振体102的侧表面的外驱电极114经配置以监测面内驱动输出信号。面内驱动模式具有对齐x轴与y轴的反节点。所施加的倾斜与滚动旋转藉由在电容性耦接至共振器102上表面之一或多个感测电极的电容性气隙变化造成面外耦接、产生差动输出电流。电容性间隙可由如空气、环氧树脂、硅氮化物与二氧化硅的化合物、或任何上述组合之类的非导电性材料所构成。对于输出信号的差动感测，包括Ωx -感测电极122、Ωx +感测电极124、Ωy -感测电极132以及Ωy +感测电极134在内的四个感测电极经界定而可迫近于面外模式的反节点上部的区域。反节点可界定为驻波出现位移振幅(amplitudeof displacement)最大处的点。在描述性具体实施例中，面外模式的反节点为模式具有朝向+Z轴或-Z轴处的最大位移的点。当受到(100)硅基底所利用时，经配置用以促动共振体102的驱动电极可依照硅基底的<100>及<100>方向至少之一而置。然而，当本装置是由(111)硅基底所构成时，无法藉由硅晶向(silicon orientation)的异向性来限制促动/侦测方向。
单一质量块双轴陀螺仪设备100可再包括驱动调谐电极116与118、Ωx调谐电极126与128以及Ωy调谐电极136与138。可配置这些调谐电极以推移(shift)模式的频率。在各种具体实施例中，调谐电极列置于面外模式的反节点以便使用静电调谐法调谐模式的频率。一般而言，静电调谐立基于系统「总刚度(total stiffness)」藉由提升「电气刚度(electrical stiffness)」的变化、以及「电气刚度变化」藉由施加DC电压差在从振动模式的反节点施加DC电压时具有最大效应。如此，可将调谐电极列置于相对应共振模式的反节点。
现在请参阅图2A至2C，如图2A所示的面内驱动模式具有对齐x轴与y轴的反节点。根据本揭露的各种具体实施例，图2B描述面外x轴感测共振模式的ANSYS仿真模型以及图2C描述面外y轴感测共振模式的ANSYS模型。所施加的倾斜与滚动旋转造成面外耦接。例如，出自倾斜轴的输入旋转速率使介于Ωx -感测电极122与共振器102之间的垂直电容性气隙以及介于Ωx +感测电极124与共振器102之间的垂直电容性气隙产生变化。随着电容性气隙变化，差动输出电流产生于Ωx -感测电极122与Ωx +感测电极124，而上部Ωy -感测电极132与Ωy +感测电极134则未藉由出自x轴的输入旋转产生输出电流。类似地，出自滚动轴的输入旋转使介于Ωy -感测电极132与共振器102之间以及介于Ωy +感测电极134与共振器102之间的垂直电容性气隙两者产生变化，而Ωx -感测电极122及Ωx +感测电极124则未藉由出自y轴的输入旋转产生输出电流。由于x模式的反节点对齐于y轴模式的节点，反之亦然，故本装置固有地产生小的横轴敏感度(cross-axis sensitivity)。
面内驱动模式及面外感测模式的频率经设计而以特定装置尺寸匹配。然而，为了处理如SOI晶圆之类的基底在厚度与侧向尺寸上的变异还有制造程序瑕疵所造成不可避免的制程变异以及其后续的初始裂频，面内频率调谐电极116、118以及面外频率调谐电极126、128、136、138在制造程序期间予以选择性界定。置于面内驱动模式的反节点的两个驱动调谐电极116、118在面外感测模式频率上以最小效应调谐驱动模式频率。对于面外感测模式调谐，Ωx调谐电极126、128以及Ωy调谐电极136、138可呈90°分离列置以施加平衡型静电力。在各种具体实施例中，频率调谐用于模式匹配或近处模式匹配(near-modematching)。至少一频率调谐电极可藉由于共振体102的面内驱动模式的反节点的次微米(sub-micron)横向(transversal)(或水平)电容性介电间隙与共振体102分离，并且至少一频率调谐电极可藉由于共振体102的面外模式的反节点的次微米垂直电容性介电间隙与共振体102分离。如上所述，频率调谐经设计用以处理侧向/厚度偏差制程变异及/或上述组合情况下的裂频。
为了在模式之间以最小干扰调谐各共振模式，仔细选择垂直电容性气隙及侧向电容性气隙的尺寸。上部x轴速率感测与调谐电极122、124、126、128以及y轴速率感测与调谐电极132、134、136、138相对于共振器102各具有大约300奈米的窄小(narrow)垂直电容性气隙。在各种具体实施例中，垂直电容性气隙的范围可介于50奈米与5微米之间。另外，上部x轴速率感测与调谐电极122、124、126、128以及y轴速率感测与调谐电极132、134、136、138相对于共振体102具有大约5微米的较宽大侧向气隙尺寸。在各种具体实施例中，上部电极处的侧部气隙范围可介于500奈米与50微米之间。
现在请参阅图3A，其表示共振器102以及如内驱电极112、外驱电极114、或驱动模式调谐电极116、118任何一者的示例性侧部驱动模式电极的放大剖面图。侧部电极112藉由大的垂直电容性气隙310与共振器102的上表面104分离并且藉由较小的侧向电容性气隙312与共振器102的侧表面106分离。在各种具体实施例中，垂直电容性气隙310距离共振器102的上表面104大约2微米。在各种具体实施例中，位于侧部电极的垂直电容性气隙的范围介于500奈米与50微米之间。侧向电容性气隙312距离共振器102的侧表面106大约200奈米。在各种具体实施例中，位于侧部电极的侧向电容性气隙的范围介于50奈米与5微米之间。
类似地，图3B描述共振器102以及如上部电极122、124、126、128、132、134、136、138任何一者的示例性上部电极的放大图。上部电极122藉由小的垂直电容性气隙320与共振器102的上表面104分离并且藉由较大的侧向电容性气隙322与共振器102的侧表面106分离。在各种具体实施例中，垂直电容性气隙320距离共振器102的上表面104大约300奈米。在各种具体实施例中，位于上部电极的垂直电容性气隙的范围介于50奈米与5微米之间另外，侧向电容性气隙322距离共振器102的侧表面106大约5微米。在各种具体实施例中，位于上部电极的侧向电容性气隙的范围介于500奈米与50微米之间。
藉由在侧向电容性气隙与相对应垂直电容性气隙之间具有如此显著的电容性气隙尺寸差异，仅可沿着一轴侦测共振器102的移动，从而最小化横轴敏感度。其垂直电容性气隙较侧向电容性气隙小得多的感测调谐电极126、128、136、138藉由利用显著的间隙尺寸差异可以最小干扰将面外模式相关频率调谐至面内模式相关频率。类似地，驱动调谐电极116、118具有较垂直电容性气隙310小得多的侧向电容性气隙312，藉以使驱动调谐电极116、118调谐面内模式相关频率而未对面外模式相关频率造成干扰。
应了解的是，介于上部电极与共振器之间大约300奈米的垂直电容性气隙可使陀螺仪设备100处理大于5V DC的极化电极(Vp)。调谐电极116、118、126、128、136、138的数目、宽度、跨角(spanned angle)以及间隙尺寸经最佳化而达到大于12kHz的可调谐性用于以小于30V DC的电压补偿±0.3微米的厚度变异。另外，感测电极122、124、132、以及134的选择性界定电极配置可降低在面外感测电极所看到的面内驱动模式正交分量。在某些具体实施例中，可利用正交抵消电极降低横轴敏感度用以使感测模式的反节点对齐驱动模式的反节点。由于制造程序变异，面外模式的反节点无法与面内模式的反节点对齐。感测模式与驱动模式相关反节点的失准(misalignment)为横轴敏感度的来源。因此，共振模式可利用正交抵消电极使用正交抵消电极所提供的静电力对齐于适当方向。在各种具体实施例中，可压电性地完成驱动模式激励(excitation)及感测。
目前主要是用传统的HARPSS制程制造硅共振器用以针对静电传导达到非常高的深宽比气隙。在传统的HARPSS制程中，使用DRIE在硅中蚀刻凹槽以界定硅块体声音共振器(silicon bulk acoustic resonator)，而后续热生长的二氧化硅牺牲层则在硅块体声音共振器与驱动/感测多晶硅电极之间界定气隙。
现在请参阅图4A至4D，其根据各种具体实施例表示用于制造双轴环形陀螺仪100的制程的视觉表示。如图4A所示，本制程始于在硅<100>的上覆硅绝缘体基底410上产生并且图样化初始厚度热氧化物层412。上覆硅绝缘体基底410可包括藉由埋藏氧化物层404与第二硅层406分离的第一硅层402。在一具体实施例中，在上覆硅绝缘体基底410中的装置层406的厚度大约为41微米厚。如图4A所示，经由使用热氧化物罩幕412蚀刻第二硅层406，并且沉积第一低压化学气相沉积(LPCVD)牺牲氧化物(SAXOX)层414。在某些具体实施例中，牺牲氧化物的第一层可为大约200奈米厚。
可在硼掺杂并且自表面回蚀(etch back)之后接着沉积第一多晶硅层420。为了简单起见，可利用原位(in-situ)掺杂沉积第一多晶硅层420。如图3B的间隙所示，从应予界定上部电极处的区域蚀刻凹槽回填的(trench-refilled)第一多晶硅层420。
3微米厚的LPCVD氧化物层430予以沉积以回填空凹槽并且予以图样化。如图4C所示，沉积并且图样化300奈米厚的第二LPCVD SACOX层434以产生窄小垂直电容性气隙。可接着沉积、硼掺杂、退火并且图样化第二多晶硅层450以完成结构。如图4D所示，批量(batch)藉由以时间控制(timed control)释放氢氟酸予以完成，留下介于如上部电极122所示的上部电极与共振器102(虚线包围处)之间的垂直电容性气隙以及介于如驱动电极112所示的侧部电极与共振器102之间的侧向电容性气隙。
图5根据本揭露具体实施例描述制造如图3A与3B以及图4A至4D所示单一质量块双轴陀螺仪的制程。程序500始于作业502，其在上覆硅绝缘体(SOI)基底410上图样化热氧化物层412。程序500由作业502进入作业504，其利用热氧化物掩膜蚀刻第二硅层406。程序500由作业504进入作业506，其如图4A所示沉积牺牲氧化物层308。
程序500由作业506进入作业508，其在第二硅层406中界定的凹槽内沉积第一多晶硅层420。程序500由作业508进入作业510，其自未形成侧部电极的表面蚀刻第一多晶硅层420。程序500由作业510进入作业512，其自要界定如电极122、124、126、128、132、134、136及138等上部电极的表面蚀刻第一多晶硅层420。如图4C所示，这包括上部电极相关凹槽以及共振器102任何要藉由垂直电容性气隙320与上部电极分离的表面434。
程序500由作业512进入作业514，其沉积氧化物层430以回填空凹槽与孔洞(hole)。在某些具体实施例中，氧化物层430为3微米厚的LPCVD氧化物层430。程序500由作业514进入作业516，其在共振器102要藉由垂直电容性气隙320与上部电极122之类的上部电极分离的表面104上沉积第二牺牲氧化物层440。程序500由作业516进入作业518，其沉积第二多晶硅层450以形成上部电极122。在某些具体实施例中，可硼掺杂、退火、并且图样化第二多晶硅层450以完成结构。程序500由作业518进入作业520，如图3A与3B所示，其可在时间控制下，将结构曝露于氢氟酸(HF)、或任何其它氧化物移除物质，在上部电极122与共振器102上表面104之间留下较小的垂直电容性气隙320并且在侧部电极112与共振器102的侧表面106之间留下较小的侧向电容气隙。程序500由作业520结束。
现在请参阅图6，其表示具有释放孔以及选择性界定电极区的双轴陀螺仪设备100的SEM影像。如图6所示，共振体102可具有将共振体的内部部位164耦接至其更外围部位166的多个内部弹簧162。图7A为根据本揭露各种具体实施例的双轴陀螺仪的上部电极及振动质量的剖面。图7B为根据本揭露各种具体实施例的双轴陀螺仪的侧部电极及振动质量的剖面。
图8为根据本揭露各种具体实施例对于双轴环形陀螺仪的厚度及侧向变异的ANSYS仿真结果的图形表示。为了预知制程变异下的驱动及感测模式裂频，使用制程偏差模型(process-biased model)实施ANSYS仿真。如图7A至7B所示，面外感测模式与面内驱动模式之间频率差异的仿真显示+2.15kHz/0.1微米的厚度变异以及-5.33kHz/01微米的侧向尺寸变异。即使可藉由提供如绘图800(plot)所示的侧向偏差补偿基底厚度变异，仍期望大的静电调谐机率以改善制造良率。
图9为根据本揭露各种具体实施例对于双轴环形陀螺仪的所测量感测模式可调谐性的结果的图形表示。图9描述绘图900，其表示使用高达15V所施加DC电压的感测模式的所测量频率可调谐性。可藉由对面外模式调谐电极126、128、136、以及138调整所施加DC电压而观测近似4kHz的感测模式频率可调谐性。
图10描述绘图，其表示使用高达30V所施加DC电压的驱动模式的所测量频率可调谐性。可藉由将驱动调谐电极116、118接地并且单纯地提升DC极化电压(VP)而观测近似14.2kHz的驱动模式频率可调谐性。所调谐频率验证(verify)制造程序期间兼容于±0.3微米厚度变异的模式匹配型作业(operation)。面内及面外调谐行为两者呈现具有少量跨模式调谐(cross-mode tuning)的大可调谐性。
如图11所示，随同「几近独立的」大频率可调谐性，选择性界定间隙尺寸在具有振动性共振器102的面内与面外运动的侧部电极与上部电极之间产生显著的信号强度差异。自内驱电极112驱动信号时，从感测电极122、124、132、134观测的信号比从外驱电极114观测的信号小超过10dB。类似地，装置自Ωx +电极124之类感测电极之一促动时，观测自侧部电极112的信号比观测自上部电极122、132、134的信号小超过10dB。
在一具体实施例中，对于驱动、x轴及y轴模式的品质因子在分裂模式条件(split-mode conditions)下分别可为大约9.7k、13k以及10k。如图12所示，真空压力由0.1微Bar变化至1毫Bar，分对对驱动模式、x轴模式、以及y轴模式产生7.2％、16.5％、以及15.12％的Q因子变化。
图13A至13B根据本揭露各种具体实施例描述800微米直径<100>Si述双轴陀螺仪的所测量速率敏感度的曲线图1300A与1300B。x轴及y轴旋转速率的比例因子(scalefactor)分别搭配25.2％及20.1％的横轴敏感度为大约127.4微伏特/度/秒/电极及213.8微伏特/度/秒/电极。可藉由使用正交抵消电极使感测模的反节点对齐于驱动模式的反节点或藉由引进校准技术(calibration technique)降低横轴敏感度。
图14根据本揭露一具体实施例表示描述艾伦方差(Allan variance)测量的曲线图。艾伦方差可分别针对X轴模式及Y轴模式表示大约0.18度/秒及0.30度/秒的偏差漂移(bias drift)。
所呈现的是0.9MHz单一质量块倾斜暨滚动环形陀螺仪。高频装置的设计与制造使用改良式HARPSS制程，其藉由选择性界定垂直与侧向电容性气隙致能大的频率可调谐性并且改善陀螺仪100面内模式与面外模式之间的信号隔离。另外，陀螺仪的品质因子对于范围落在0.1微Bar至1毫Bar内的压力变化较不敏感。这顾及到低成本封装及稳定装置操作。表1总结根据本揭露一示例性环形陀螺仪100的效能参数(performance parameters)。
表1：所测量双轴陀螺仪的效能
共振体102由下文各种操作共振模式间的组合予以操作；m＝n±1，其中m为面内模式的模式数目以及n为面外模式的模式数目。例如，图15F中所示的面内驱动模式具有随着图15A或图15C而利用的能力。另外，图15G所示的面内驱动模式具有随着图15B或图15D而利用的能力。装置可由面内模式所驱动并且由面外模式所感测，反之亦然。
熟悉本技术的人士藉由本揭露应明显知道可针对角速率测量以及随着倾斜暨滚动轴的直接角度读取(全角度模式)操作单一质量块、双轴陀螺仪。另外，陀螺仪可用于同时倾斜暨滚动角速率及角度测量并且能够藉由定位有别于其它模式匹配频率的面外感测频率之一进行单轴倾斜或滚动角速率及角度的测量。
本揭露引用所揭露的具体实施例在上文予以描述性说明。熟悉本技术的人士可对所揭露的具体实施例进行各种改进及变更而不违背附加的权利要求中所界定本揭露的范围。

Claims (4)

1.一种单一质量块双轴陀螺仪设备，其包含：
共振体构件；以及
藉由侧向电容性介电间隙及垂直电容性介电间隙各自耦接于该共振体构件的多个电极；
其中，该多个电极之一的该侧向电容性介电间隙的宽度小于该多个电极的另一的该垂直电容性介电间隙的宽度。
2.根据权利要求1所述的单一质量块双轴陀螺仪设备，其中，该多个电极之一的该侧向电容性介电间隙的宽度小于该多个电极的另一的该侧向电容性介电间隙的宽度。
3.根据权利要求1所述的单一质量块双轴陀螺仪设备，其中，该多个电极之一的该垂直电容性介电间隙的宽度小于该多个电极的另一的该垂直电容性介电间隙的宽度。
4.根据权利要求1所述的单一质量块双轴陀螺仪设备，其中，于该多个电极之一中，该垂直电容性介电间隙具有与该侧向电容性介电间隙的宽度不同的宽度。
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