CN110998231A - 高品质因数mems硅生命之花式振动陀螺仪 - Google Patents

高品质因数mems硅生命之花式振动陀螺仪 Download PDF

Info

Publication number
CN110998231A
CN110998231A CN201880049876.1A CN201880049876A CN110998231A CN 110998231 A CN110998231 A CN 110998231A CN 201880049876 A CN201880049876 A CN 201880049876A CN 110998231 A CN110998231 A CN 110998231A
Authority
CN
China
Prior art keywords
stiffening ring
resonator
anchor
springs
bending
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201880049876.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110998231B (zh
Inventor
黄莲欣
洛根·D·索伦森
拉维夫·佩拉西亚
阮勋
大卫·T·常
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
HRL Laboratories LLC
Original Assignee
HRL Laboratories LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by HRL Laboratories LLC filed Critical HRL Laboratories LLC
Publication of CN110998231A publication Critical patent/CN110998231A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110998231B publication Critical patent/CN110998231B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H3/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators
    • H03H3/007—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks
    • H03H3/0072—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks of microelectro-mechanical resonators or networks
    • H03H3/0076—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks of microelectro-mechanical resonators or networks for obtaining desired frequency or temperature coefficients
    • H03H3/0077—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks of microelectro-mechanical resonators or networks for obtaining desired frequency or temperature coefficients by tuning of resonance frequency
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5705—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using masses driven in reciprocating rotary motion about an axis
    • G01C19/5712—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using masses driven in reciprocating rotary motion about an axis the devices involving a micromechanical structure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/567—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using the phase shift of a vibration node or antinode
    • G01C19/5677—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using the phase shift of a vibration node or antinode of essentially two-dimensional vibrators, e.g. ring-shaped vibrators
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/567—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using the phase shift of a vibration node or antinode
    • G01C19/5677—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using the phase shift of a vibration node or antinode of essentially two-dimensional vibrators, e.g. ring-shaped vibrators
    • G01C19/5684—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using the phase shift of a vibration node or antinode of essentially two-dimensional vibrators, e.g. ring-shaped vibrators the devices involving a micromechanical structure
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H3/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators
    • H03H3/007—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks
    • H03H3/0072—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks of microelectro-mechanical resonators or networks
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/24—Constructional features of resonators of material which is not piezoelectric, electrostrictive, or magnetostrictive
    • H03H9/2405—Constructional features of resonators of material which is not piezoelectric, electrostrictive, or magnetostrictive of microelectro-mechanical resonators
    • H03H9/2431—Ring resonators
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02—Details
    • H03H9/02244—Details of microelectro-mechanical resonators
    • H03H2009/02283—Vibrating means
    • H03H2009/0233—Vibrating means comprising perforations
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02—Details
    • H03H9/02244—Details of microelectro-mechanical resonators
    • H03H9/02433—Means for compensation or elimination of undesired effects
    • H03H2009/0244—Anchor loss

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Gyroscopes (AREA)
  • Micromachines (AREA)

Abstract

一种谐振器包括：锚件；位于谐振器的外周界上的外加劲环；以及位于锚件与外加劲环之间的多个弯曲弹簧。

Description

高品质因数MEMS硅生命之花式振动陀螺仪
【相关申请的交叉引用】
本申请涉及并要求2017年8月8日提交的美国临时专利申请62/542,744的优先权权益，该临时专利申请通过引用合并于此，如同在此给出全文。
【关于联邦资金的声明】
无
【技术领域】
本公开涉及谐振器和陀螺仪，具体涉及振动陀螺仪。
【背景技术】
现有技术的振动陀螺仪包括硅圆盘谐振器陀螺仪(DRG)，并且在2005年9月20日授权的美国专利No.6,944,931B2和2006年5月9日授权的美国专利No.7,040,163B2中描述了示例的现有技术的硅DRG，上述申请通过引用合并于此。这些现有技术的硅DRG可以具有大约14kHz的谐振频率和大约80000的Q因数。DRG对振动、冲击以及温度敏感。而且由于其固有频率，硅DRG在恶劣的振动和热条件下无法良好地运行。为了减少这些振动、冲击以及温度影响，现有技术的DRG需要不期望的尺寸、重量以及体积来提供一些缓解。
需要一种改进的振动陀螺仪，该振动陀螺仪具有有吸引力的CSWaP(成本尺寸重量和功率)、更高的谐振频率以及更高的Q因数，并且对振动、冲击以及温度不那么敏感。本公开的实施方式符合这些和其他需求。
【发明内容】
在此处公开的第一实施例中，谐振器包括：锚件；位于谐振器的外周界上的外加劲环；以及位于锚件与外加劲环之间的多个弯曲弹簧。
在一方面中，外加劲环具有第一直径，并且锚件与外加劲环同心并具有小于第一直径的第二直径。
在另一方面中，谐振器还包括与外加劲环同心的至少一个内加劲环，其中，多个弯曲弹簧联接到至少一个内加劲环，并且其中，外加劲环具有比内加劲环的第二直径大的第一直径。
在又一方面中，多个弯曲弹簧包括：第一组弹簧，该第一组弹簧在锚件和外加劲环之间各自具有顺时针曲率；和第二组弯曲弹簧，该第二组弯曲弹簧在锚件与外加劲环之间各自具有逆时针曲率。
在又一方面中，多个弯曲弹簧包括：第一组弯曲弹簧，该第一组弯曲弹簧在锚件与外加劲环之间各自具有凸曲率；和第二组弯曲弹簧，该第二组弯曲弹簧在锚件与外加劲环之间各自具有凹曲率，并且多个弯曲弹簧布置在锚件与外加劲环之间，使得具有凸曲率的相应弹簧与具有凹曲率的相应弹簧相交于内加劲环上的相同位置处。
在另一方面中，外加劲环的直径范围为从1毫米到20毫米，锚件的直径范围为从0.1毫米到10毫米，外加劲环的宽度范围为从1微米到500微米，多个弹簧的宽度范围为从1微米到500微米，并且谐振器的厚度范围为从10微米到500微米。
在另一方面中，外加劲环的纵横比范围为从1：500到50：1，其中，纵横比是外加劲环的宽度与厚度之比，多个弯曲弹簧的纵横比范围为从1∶500到50∶1，其中，纵横比是弹簧的宽度与厚度之比。
在另一方面中，多个弯曲弹簧绕中心轴线具有N重(N fold)对称的旋转对称性，其中，N为正整数。
在另一方面中，谐振器包括各自与外加劲环同心的多个内加劲环，其中，在每个相邻的内加劲环之间、或在外加劲环与和外加劲环相邻的相应内加劲环之间、或在锚件与和锚件相邻的相应内加劲环之间的节距是相同的。
在另一方面中，谐振器包括位于谐振器的外周界之外的多个电极，其中，多个电极不与外加劲环物理接触，并且其中，在每个电极与外加劲环之间存在间隙。
在另一方面中，间隙填充有气体或真空。
在另一方面中，谐振器包括多个内电极，其中，每个内电极位于弯曲弹簧和另一弯曲弹簧和至少一个内加劲环之间、或者弯曲弹簧和另一弯曲弹簧和锚件之间、或者弯曲弹簧和另一弯曲弹簧和外加劲环之间，其中，多个内电极不与弯曲弹簧、内加劲环、锚件或外加劲环物理接触，并且其中，每个内电极与相邻的弯曲弹簧、至少一个内加劲环、锚件以及外加劲环之间存在间隙。
在另一方面中，谐振器的热弹性阻尼限制品质因数(QTED)大于150000。
在另一方面中，谐振器的谐振频率大于30kHz。
在另一方面中，谐振器包括绝缘体上硅(SOI)。
在另一方面中，谐振器包括硅、石英或SiC。
在另一方面中，谐振器的热弹性阻尼限制品质因数(QTED)和谐振频率随着弯曲弹簧的宽度的增加而增加。
在另一方面中，外加劲环的宽度大于每个弯曲弹簧的宽度。
在另一方面中，多个弯曲弹簧包括联接到外加劲环并指向锚件的多个凸弹簧。
在另一方面中，多个弯曲弹簧包括联接到锚件并指向外加劲环的多个凸弹簧。
在本文公开的另一实施例中，谐振器包括：锚件；位于谐振器的外周界上的外加劲环；以及被组织为生命之花图案的多个弯曲弹簧。
在一个方面中，生命之花图案由形成叶形的轮廓的重叠弯曲弹簧构成，其中，所形成的叶形的轮廓包括但不限于线性、椭圆形、卵形、卵圆形、三角形、心形、长方形、长菱形、倒卵形、倒披针形、圆形、披针形、肾形、匙形轮廓或其组合，其中，所形成的叶形的轮廓对称且绕锚件对称布置，其中，生命之花图案绕中心轴线具有N重对称的旋转对称性，其中，N是正整数。
在本文公开的另一实施例中，一种提供谐振器的方法包括以下：提供包括绝缘体的绝缘体上硅(SOI)晶片，在绝缘体的一侧上具有背面硅，并且在绝缘体的另一侧上具有正面硅；在正面硅上图案化正面对齐目标；在正面硅上沉积并图案化正面金属；使用深反应离子刻蚀对正面硅进行图案化，以露出绝缘体并形成锚件、在谐振器的外周界上的外加劲环、以及联接在锚件与外加劲环之间的多个弯曲弹簧；通过使用刻蚀剂去除绝缘体的一部分，以从背面硅底切并释放谐振器的谐振部分；以及使谐振器的锚件部分仍附接到背面硅。图案化可以为刻蚀或沉积的形式。
在一方面中，方法还包括：在背面硅上图案化背面对齐目标；以及在背面硅上沉积并图案化背面金属，以便附接到封装。图案化可以为刻蚀或沉积的形式。
在另一方面中，在正面硅上沉积并图案化正面金属包括沉积金属以便电连接至电极和电连接至锚件。
在另一方面中，绝缘体是二氧化硅(SiO2)，并且刻蚀剂是氢氟酸(HF)。
在另一方面中，外加劲环具有第一直径，并且锚件与外加劲环同心并具有小于第一直径的第二直径。
在另一方面中，使用深反应离子刻蚀图案化正面硅包括：图案化来形成与外加劲环同心的至少一个内加劲环，其中，多个弯曲弹簧联接到至少一个内加劲环，并且其中，外加劲环具有比内加劲环的第二直径大的第一直径。其中，图案化可以为刻蚀或沉积的形式。
在另一方面中，多个弯曲弹簧包括：第一组弹簧，该第一组弹簧在锚件和外加劲环之间各自具有顺时针曲率；和第二组弯曲弹簧，该第二组弯曲弹簧在锚件与外加劲环之间各自具有逆时针曲率。
在另一方面中，多个弯曲弹簧包括：第一组弯曲弹簧，该第一组弯曲弹簧在锚件与外加劲环之间各自具有凸曲率；和第二组弯曲弹簧，该第二组弯曲弹簧在锚件与外加加劲环之间各自具有凹曲率，并且多个弯曲弹簧布置在锚件与外加劲环之间，使得具有凸曲率的相应弹簧与具有凹曲率的相应弹簧相交于内加劲环上的相同位置处。
在另一方面中，外加劲环的直径范围为从1毫米到20毫米，锚件的直径范围为从0.1毫米到10毫米，外加劲环的宽度范围为从1微米到500微米，并且谐振器的厚度范围为从10微米到500微米。
在另一方面中，多个弯曲弹簧绕中心轴线具有N重对称的旋转对称性，其中，N为正整数。
在另一方面中，方法还包括：图案化多个内加劲环，该多个内加劲环各自与外加劲环同心，其中，在每个相邻的内加劲环之间、或在外加劲环与和外加劲环相邻的相应内加劲环之间、或在锚件与和锚件相邻的相应内加劲环之间的节距是相同的。图案化可以为刻蚀或沉积的形式。
在另一方面中，方法还包括：在谐振器的外周界之外形成多个电极，其中，多个电极不与外加劲环物理接触，并且其中，在每个电极与外加劲环之间存在间隙。
在另一方面中，间隙填充有气体或真空。
在另一方面中，方法还包括：形成多个内电极，其中，每个内电极位于弯曲弹簧和另一弯曲弹簧和至少一个内加劲环之间、或者弯曲弹簧和另一弯曲弹簧和锚件之间、或者弯曲弹簧和另一弯曲弹簧和外加劲环之间，其中，多个内电极不与弯曲弹簧、内加劲环、锚件或外加劲环物理接触，并且其中，每个内电极与相邻的弯曲弹簧、至少一个内加劲环、锚件以及外加劲环之间存在间隙。
在另一方面中，外加劲环的宽度大于每个弯曲弹簧的宽度。
在另一方面中，多个弯曲弹簧包括联接到外加劲环并指向锚件的多个凸弹簧。
在另一方面中，多个弯曲弹簧包括联接到锚件并指向外加劲环的多个凸弹簧。
在本文公开的另一实施例中，一种提供谐振器的方法包括：提供包括绝缘体的晶片，在绝缘体的一侧上具有背面晶片，并且在绝缘体的另一侧上具有正面晶片；在正面晶片上沉积并图案化正面金属；对正面晶片进行图案化，以露出绝缘体并形成锚件、位于谐振器的外周界上的外加劲环、以及在锚件与外加劲环之间的多个弯曲弹簧；去除绝缘体的一部分，以从背面晶片释放谐振器的谐振部分；以及使谐振器的锚件部分仍附接到背面晶片。
在一个方面中，正面晶片包括Si、石英或SiC，而背面晶片包括Si、石英或SiC。
这些和其他特征以及优点将从下面的详细描述和附图变得更显而易见。在附图和说明书中，附图标记指示各种特征，同样的附图标记贯穿附图和说明书这两者指代同样的特征。
【附图说明】
图1A和图1B分别示出了根据本公开的生命之花式振动陀螺仪(FVG)谐振器设计的顶视图和倾斜视图；
图2示出了根据本公开的具有加劲件的另一FVG谐振器设计，这些加劲件具有均匀的节距或从一个加劲件到另一个加劲件均匀增大的直径；
图3A示出了根据本公开的具有外围电极的FVG谐振器，并且图3B示出了图3A的一部分的展开图；
图4A示出了根据本公开的具有外围电极和内电极这两者的FVG谐振器，并且图4B示出了图4A的一部分的展开图；
图5A、图5B、图5C以及图5D示出了根据本公开的用于制造生命之花式振动陀螺仪(FVG)谐振器的工艺流程；
图6示出了与现有技术的圆盘谐振器陀螺仪(DRG)相比，根据本公开的生命之花式振动陀螺仪(FVG)的受热弹性阻尼(QTED)限制的品质因数和谐振频率的曲线图；
图7A示出了根据本公开的没有任何内加劲件的FVG谐振器，图7B示出了具有日照式(Sun Burst)设计的FVG谐振器，图7C示出了具有反日照式设计的FVG谐振器，并且图7D、图7E以及图7F示出了对应于图7A、图7B以及图7C且具有更宽的外环的FVG谐振器设计；
图8示出了根据本公开的具有不同环宽度(RW)的FVG谐振器设计的QTED对频率的曲线图；以及
图9示出了根据本公开的FVG谐振器设计，该设计例示了顺时针和逆时针弹簧。
【具体实施方式】
在以下描述中，阐述了大量具体细节，以清楚地描述此处公开的各种具体实施方式。然而，本领域技术人员将理解，可以在没有下面讨论的所有具体细节的情况下实践当前要求保护的发明。在其他情况下，未描述众所周知的特征，以免使本发明模糊不清。
本公开描述了一种高Q(品质因数)微机电系统(MEMS)硅生命之花式振动陀螺仪(FVG)谐振器。在下文中，对FVG的引用包括FVG谐振器。
由于其对称性，FVG结构具有一族频率匹配的{cos/sin}(N*θ)振动模态，其中，θ是绕装置周界的圆周方向，并且N是模态编号。N＝1、N＝2、N＝3、N＝4等是用于陀螺仪应用的感兴趣模态编号，并且N＝2是用于陀螺仪应用的典型模态。这些类型的模态对于对称科里奥利(Coriolis)振动陀螺仪是理想的，因为科里奥利效应可以在旋转期间在频率匹配的N模态对之间高效地传递能量，这提供了一种感测旋转的手段。进一步地，FVG结构的对称性意味着除了N＝1模态以外，振动模态的质心保持在结构的中心，并且它们固有地拒绝加速度。这是重要的，因为期望感测旋转，而不是感测诸如加速度的其他效果。
FVG谐振器设计允许其结构在不扭曲的情况下变形，以减小应变引起的热梯度，这产生高的热弹性阻尼限制的品质因数(QTED)。FVG的QTED可能大于150000。如果FVG谐振器包括交联的FVG弹簧，则与现有技术的圆盘谐振器陀螺仪(DRG)相比，在减小质量的同时提高了FVG的有效劲度。凭借交联的FVG弹簧，可以实现大于30kHz的高N＝2模态谐振频率，该频率是类似QTED硅陀螺仪结构(诸如圆盘谐振器陀螺仪(DRG))的典型振动频率的两倍以上。更高的谐振频率允许陀螺仪在不受在许多应用中遭遇的、通常小于10kHz的典型振动环境影响的情况下运行。另外，与现有技术相比，厚度为350μm(微米)或更大的FVG可能具有降低的加速度灵敏度，在任意加速度方向上高达50000Gs。与现有技术的硅陀螺仪设计相比，FVG设计由于更低的质量而具有更高的静电频率调谐范围，这具有消除由于制造缺陷、振动以及热效应引起的频率分裂的益处。另外，对于FVG，可以借助动态电气手段而不是静态机械调整来实现频率调谐范围。进一步地，通过增加整个结构的环宽度，FVG设计可以具有高绝热QTED，因为大于100μm的更宽环宽度具有大于100kHz的谐振频率。FVG在之前认为不可能的频率范围内提供了高Q硅振动陀螺仪和谐振器结构。
本公开的一个目的是使得能够设计高Q微机电系统(MEMS)硅科里奥利振动陀螺仪(CVG)。现有技术的CVG包括具有约14kHz的谐振频率和约80000的Q因数的硅圆盘谐振器陀螺仪(DRG)。由于其约14kHz的固有谐振频率，Si-DRG在恶劣的振动和热条件下无法良好地运行。FVG谐振频率的下限接近35kHz，是典型DRG振动频率的两倍以上，因此FVG性能不受典型振动的影响。现有技术的DRG需要振动和热隔离机制来实现相同的偏置稳定性。而且，FVG可以具有155000的Q因数，该因数是由现有技术的DRG获得的Q因数的2至2.5倍。FVG的Q因数的上限可以仅受热弹性耗散(TED)限制。本公开的FVG对振动和冲击显著地更不敏感，并且它们的调谐能力意味着它们可以被调谐为适应任意温度引起的漂移。
MEMS生命之花式振动陀螺仪(FVG)由于其例如如图1A和图1B所示的几何结构而如此称呼。FVG具有高热弹性阻尼品质因数(QTED)和高锚件品质因数(Qanchor)、低加速度灵敏度、高频率调谐范围以及比典型谐振频率仅为大约10至15kHz的现有技术DRG更高的谐振频率。
生命之花式振动陀螺仪(FVG)由于弯曲弹簧以几何生命之花图案形成而这样称呼。图案由形成常见叶形的轮廓的重叠弯曲弹簧产生。常见叶形包括但不限于线性、椭圆形、卵形、卵圆形、三角形、心形、长方形、长菱形、倒卵形、倒披针形、圆形、披针形、肾形、匙形或其组合。叶形必须对称且绕锚件对称地布置。多个弯曲弹簧的径向平衡提供绕中心轴线的具有N重对称的旋转对称性，其中，N为正整数。
图1A所示的FVG谐振器10具有锚件12、弹簧14以及加劲环16。锚件12是处于陀螺仪10中心的实心圆柱体。硅FVG谐振器设计可以具有8mm的外径和2mm的锚件直径，但外径和锚件可以具有其他规格。在图1A中，示出了包括外周界17的6组加劲环16，每个环都具有10μm的环宽度和350μm的厚度以及1:35的纵横比，其中，纵横比是宽度与厚度比。加劲环16的厚度最佳被理解为FVG的顶部18与FVG的底部20之间的距离，如图1B中的倾斜视图所示，并且还如图5D所示。包括弹簧14的FVG 10的厚度可以与加劲环16的厚度相同。环宽度是加劲环16的与厚度维度正交的维度。弹簧14连接到锚件12，并且连接到包括外周界17上的加劲环16在内的每个加劲环16。弹簧14是弯曲的。在图1A和图1B的FVG中，有十六对弹簧14。每对弹簧14，诸如一对弹簧22和24，为圆形形式，该圆由于弹簧14与锚件12的相交而使其圆周没有完全闭合。每对弹簧14包括具有凸曲率的弹簧22和具有凹曲率的弹簧24。另选地，FVG可以被描述为具有多对弹簧，诸如图1A中所示的一对弹簧22和23，它们分别具有顺时针曲率102和逆时针曲率100，如图9所示。在图4A、图4B、图7A以及图7D中的每对这种弹簧也可以被描述为：具有顺时针曲率102的弹簧102，其遵循在锚件处开始并沿顺时针方向朝向外环17弯曲的路径；以及具有逆时针曲率100的弹簧100，其遵循在锚件处开始并沿逆时针方向朝向外环17弯曲的路径，如图9所示。
如果内加劲环16被包括在外周界17上的加劲环(外加劲环)与锚件12之间，那么弯曲弹簧14被布置在锚件12与外加劲环17之间，使得具有凸曲率的相应弹簧14与具有凹曲率的相应弹簧14以及相应的内加劲环16相交于相应的内加劲环16上的相同位置。
弹簧对14的数量可以是任意数量，并且弹簧对14之间的间隔可以与图1A和1B所示的间隔不同。图1A和图1B所示的弹簧14具有绕中心轴线的旋转对称性，具有8倍的N重对称，其中，N为正整数。弹簧14的纵横比范围可以为从1：500到50：1，其中，纵横比是宽度与厚度比。
FVG的外周界17的直径范围可以为从1到20毫米(mm)，锚件12的直径范围可以从0.1到10mm，加劲环16的宽度范围可以为从1到500微米(μm)，并且与加劲环16的厚度相同的装置厚度范围可以为从10到500μm。加劲环16的纵横比可以为从1：500到50：1，其中，纵横比是宽度与厚度比。加劲环16的数量可以是1至20。在仅一个加劲环16的情况下，加劲环16将优选在FVG谐振器10的外周界17上。FVG的旋转对称性可以是任意正整数(例如1、2、3等)。
加劲环16彼此同心并且与锚件12同心。加劲环16可以被定位为使得加劲环16在一个弹簧14与另一个弹簧14相交的位置处与弹簧14相交，以使弹簧加劲。弹簧加劲件或加劲环16对于低频(<50kHz)的陀螺仪性能很重要，因为加劲环16仅以少量的质量增量来增加陀螺仪结构的劲度，这导致高谐振频率和高频调谐范围。加劲环16的数量增加可以减少锚件和TED损失。优选地，每个加劲件的位置被选择为使得热损耗的任意额外交叉最小化。
FVG谐振器设计使得所有弹簧14和加劲件16无缝接合，这与现有技术的DRG不同，DRG可能具有“狗骨式”形状作为环之间的连接器，如2009年9月1日授权的美国专利No.7,581,443的图1A所示。现有技术的DRG狗骨式连接器防止DRG的环自由变形为N2椭圆形模态形状。因此，现有技术的DRG环在谐振期间扭曲，并且DRG环的扭曲产生热点和冷点，这导致DRG结构中的热损耗。FVG弹簧14设计消除了该问题。
如图2所示，弹簧14的曲率可以变化，因此在同心的加劲环16之间具有均匀的节距30，这在径向上均匀地分布质量。而且，通过修改弹簧14的曲率，可以减少锚件12与FVG谐振结构之间的联接，使得在锚件12附近，由弹簧14的交叉形成的曲边三角形是更宽的角度，而不是窄角。
图3A和图3A的一部分的展开图图3B示出了具有外围电极34的FVG谐振器。外围电极34连接到金属触点35，并且不与FVG外径或外加劲件16物理接触。间隙36存在于FVG与外围电极34之间，并且可以填充有诸如空气的气体，或者间隙36可以是真空。电极组间隙37在外围电极34与接地电极38之间，并且可以填充有诸如空气的气体，或者电极组间隙37可以是真空。电极组间隙37的尺寸可以大于或等于间隙36。
图4A和图4A的一部分的展开图图4B示出了具有外围电极34和内电极40这两者的FVG谐振器。类似于图3A和图3B的描述，外围电极34连接到金属触点35，并且不与FVG外径或外加劲件16物理接触，并且间隙36存在于FVG与外围电极34之间，并且可以填充有诸如空气的气体，或者间隙36可以是真空。电极组间隙37在外围电极34与接地电极38之间，并且可以填充有诸如空气的气体，或者电极组间隙37可以是真空。电极组间隙37的尺寸可以大于或等于间隙36。内电极40在弹簧14与加劲环16之间的空间中。间隙42在每个内电极40与任意相邻的弹簧14或加劲环16之间。间隙42可以填充有诸如空气的气体，或者间隙42可以是真空。
图5A、图5B、图5C和图5D中示出了FVG谐振器的制造过程。图5A、图5B、图5C和图5D示出了绝缘体上硅(SOI)构造的制造示例；然而，可以使用石英或SiC而不是硅。而且，所示的SiO2和Au可以分别是任意合适的绝缘体或金属。还应理解，刻蚀步骤可以更广泛地称为图案化。
首先，如图5A所示，通过对晶片的背面上的硅(Si)54图案化形成背面对齐目标50，该晶片可以是绝缘体上硅(SOI)晶片。SOI晶片具有用作处理的背面硅54和正面Si 60。正面Si 54和背面Si 60都在绝缘体56上。然后，可以对背面金属52进行图案化和沉积。背面金属52用于芯片附接至无引线芯片载体(LCC)封装。
然后，如图5B所示，在SOI晶片的正面上的Si 60中刻蚀正面对齐目标62。接着，对正面金属进行图案化和沉积电接触件35，电接触件35中的一些联接到外围电极34。
然后，如图5C所示，通过正面Si 60的深反应离子刻蚀(DRIE)并暴露可以是二氧化硅(SiO2)的埋置绝缘体56来形成FVG谐振器10。
接着，如图5D所示，通过使用氢氟(HF)酸底切去除埋置绝缘体56的一部分66，以从Si处理层54释放FVG结构10。另一部分68被使得在谐振器结构10与SOI晶片的背面Si 54之间原封不动，以提供机械支撑。
使用FVG谐振器的生命之花式振动陀螺仪在品质因数QTED和Qanchor方面具有比现有技术DRG更佳的陀螺仪性能，并且具有更小的加速度灵敏度。FVG不仅具有更佳的性能，还具有更高的N＝2模态谐振频率，这允许在恶劣的振动环境中运行。
图6示出了FVG谐振器在35kHz的频率下可以实现155000(1.55E5)的品质因数(Q)，如三角形70所示。FVG谐振器在N＝2模态谐振频率方面比现有技术的DRG高2.5倍，并且在热弹性阻尼质量(QTED)方面是现有技术的2.0倍。三角形70标记了FVG设计的QTED，该设计具有以下几何规格：10μm的加劲环宽度、8mm的外径、2mm的锚件直径以及5个加劲环16，如图1A和图1B所示。图6中的圆圈表示现有技术的DRG设计，黑色圆圈72标记迄今为止最佳的现有技术的DRG设计。与现有技术的DRG相比，FVG设计使得高Q硅MEMS陀螺仪能够在大于20kHz的频率下运行，而不会危害包括振动不灵敏度和电频率调谐范围在内的其他性能方面。
图7A至图7F示出了其他FVG变体。图7A示出了除了外环16之外没有任何加劲件16的FVG。图7B示出了在外环16与锚件12之间具有所谓的日照式弹簧14图案的FVG，并且图7C示出了在外环16与锚件12之间具有所谓的反日照式弹簧114图案的FVG。图7B的日照式弹簧图案具有指向锚件12的凸弹簧，而图7C的反日照式弹簧图案具有从锚件12向外指的凸弹簧。图7D、图7E以及图7F分别示出了与图7A、图7B以及图7C相同的FVG设计，除了在图7D、图7E以及图7F中的外周界17上的外环16相对于弹簧14的宽度具有更宽的环宽度。在图7A、图7B以及图7C中，外环16和弹簧14具有相同的宽度。
如图7A所示，没有内加劲件的FVG具有曲边菱形形状的单元。如图7B和图7C所示，日照式设计和反日照式设计具有像纸扇一样的曲边三角形形状的单元。如图7B和图7E所示，对于日照式设计，每个单元的圆顶部分指向谐振器结构的中心，但如图7C和图7F所示，对于反日照式设计，每个单元的圆顶部分从谐振器结构的中心向外指。
环宽度、加劲环数、曲率半径以及内外径是了解与MEMS陀螺仪的品质因数、加速度灵敏度以及频率可调谐性的关系的关键设计参数。
图8示出了用于各种环和弹簧宽度的FVG设计的QTED对频率的曲线图。对于图8中的结果，弹簧和外加劲环都被构造为具有相同的厚度，并且都从10μm增大到400μm。基于具有热弹性阻尼的COMSOL模拟，图8示出了可以通过增加弹簧14的宽度，例如增加到300μm，而无需除了外部环16之外添加任何加劲件，来对于FVG实现高绝热QTED。如图8所示，与如三角形82所示的具有宽度为300μm的弹簧14的FVG相比，如三角形80所示的具有宽度为400μm的弹簧14的FVG具有更高的QTED和谐振频率。而且，与如三角形82所示的具有宽度为10μm的弹簧的FVG相比，如三角形84所示的具有宽度为300μm的弹簧14的FVG具有更高的QTED和谐振频率。还示出了现有技术的圆盘谐振器陀螺仪(DRG)的QTED和谐振频率，如黑点86所示，其具有比由FVG设计实现的QTED和谐振频率低得多的QTED和谐振频率。
现在已经根据专利法规的要求描述了本发明，本领域技术人员将理解如何对本发明进行改变和修改以满足其特定要求或条件。这种改变和修改可以在不脱离如此处公开的本发明的范围和精神的情况下进行。
为了例示和公开，根据法律的要求，呈现了示例性和优选实施例的前述详细描述。不旨在穷尽也不将本发明限于所述的精确形式，而是仅使得本领域其他技术人员能够理解本发明如何适合于特定的用途或实施方案。修改例和变型例的可能性对于本领域技术人员将是明显的。示例性实施方式的描述不旨在限制，这些实施方式可以已包括公差、特征维数、特定操作条件、工程规范等，并且可以在实施方案之间变化或随着现有技术的变化而变化，并且不应从其暗示任何限制。申请人已经关于当前技术水平做出了本公开，但是还预期进展，并且未来的改编可以考虑这些进展，即根据当时的当前技术水平。如果适用，则预期本发明的范围由书面权利要求以及等同物来限定。对单数形式的权利要求元件的参照不旨在意指“一个且仅一个”，除非明确这样陈述。而且，不管本公开中的元件、部件、方法或工艺步骤是否在权利要求中明确列举，该元件、部件或步骤都不旨在专用于公众。此处的权利要求元件都不在35U.S.C.第112章第六段的规定下解释，除非使用短语“用于…的装置”明确叙述该元件，并且此处的方法或工艺步骤均不在这些规定下进行解释，除非步骤使用短语“包括步骤……”明确叙述。
本文描述的所有的元件、部分和步骤都是优选包括的。应当理解，这些元件、部分和步骤中的任意一个或一些可由其他元件、部件或步骤替代或一起删除，这对本领域技术人员来说是显而易见的。
广义上来说，本文公开至少以下内容：包括锚件的谐振器，在所述谐振器的外周界上的外加劲环，以及所述锚件与所述外加劲环之间的多个弯曲弹簧。
构思：
本文还公开了至少以下构思：
构思1.一种谐振器，包括：
锚件；
位于所述谐振器的外周界上的外加劲环；以及
位于所述锚件与所述外加劲环之间的多个弯曲弹簧。
构思2.根据构思1所述的谐振器，其中，
所述外加劲环具有第一直径；并且
所述锚件与所述外加劲环同心并具有小于所述第一直径的第二直径。
构思3.根据构思1或2所述的谐振器，还包括：
与所述外加劲环同心的至少一个内加劲环；
其中，所述多个弯曲弹簧联接到所述至少一个内加劲环；并且
其中，所述外加劲环具有比所述内加劲环的第二直径大的第一直径。
构思4.根据构思1、2或3所述的谐振器，其中，
所述多个弯曲弹簧绕中心轴线具有N重对称的旋转对称性，其中，N为正整数。
构思5.根据构思1、2、3或4所述的谐振器，还包括：
各自与所述外加劲环同心的多个内加劲环；
其中，在每个相邻的内加劲环之间、或在所述外加劲环与和所述外加劲环相邻的相应内加劲环之间、或在所述锚件与和所述锚件相邻的相应的内加劲环之间的节距是相同的。
构思6.根据构思1、2、3、4或5所述的谐振器，还包括：
位于所述谐振器的所述外周界之外的多个电极；
其中，所述多个电极不与所述外加劲环物理接触；并且
其中，在每个电极与所述外加劲环之间存在间隙。
构思7.根据构思3所述的谐振器，还包括：
多个内电极；
其中，每个内电极位于弯曲弹簧和另一弯曲弹簧和所述至少一个内加劲环之间、或者弯曲弹簧和另一弯曲弹簧和所述锚件之间、或者弯曲弹簧和另一弯曲弹簧和所述外加劲环之间；
其中，所述多个内电极不与所述弯曲弹簧、所述内加劲环、所述锚件或所述外加劲环物理接触；并且
其中，每个内电极与相邻的弯曲弹簧、所述至少一个内加劲环、所述锚件以及所述外加劲环之间存在间隙。
构思8.根据构思1、2、3、4、5、6或7所述的谐振器，其中，
所述外加劲环的纵横比范围为从1：500到50：1；并且
所述多个弯曲弹簧中的每个所述弯曲弹簧的纵横比范围为从1∶500到50∶1。
构思9.根据构思1、2、3、4、5、6、7或8所述的谐振器，其中，
所述多个弯曲弹簧包括联接到所述外加劲环并指向所述锚件的多个凸弹簧。
构思10.根据构思1、2、3、4、5、6、7或8所述的谐振器，其中，
所述多个弯曲弹簧包括联接到所述锚件并指向所述外加劲环的多个凸弹簧。
构思11.一种谐振器，包括：
锚件；
位于所述谐振器的外周界上的外加劲环；以及
在所述锚件与所述外加劲环之间被配置为生命之花图案的多个弯曲弹簧。
构思12.根据构思11所述的谐振器，其中，
所述生命之花图案通过重叠所述多个弯曲弹簧以形成叶形的轮廓来配置；
其中，所形成的叶形的轮廓包括线性、椭圆形、卵形、卵圆形、三角形、心形、长方形、长菱形、倒卵形、倒披针形、圆形、披针形、肾形或匙形轮廓或其组合；
其中，所形成的叶形的轮廓对称且绕所述锚件对称布置；并且
其中，所述生命之花图案具有绕中心轴线具有N重对称的旋转对称性，其中，N是正整数。
构思13.根据构思11或12所述的谐振器，其中，
所述外加劲环具有第一直径，并且
所述锚件与所述外加劲环同心并具有小于所述第一直径的第二直径。
构思14.根据构思11、12或13所述的谐振器，还包括：
与所述外加劲环同心的至少一个内加劲环；
其中，所述多个弯曲弹簧联接到至少一个内加劲环；并且
其中，所述外加劲环具有比所述内加劲环的第二直径大的第一直径。
构思15.根据构思11、12、13或14所述的谐振器，还包括：
各自与所述外加劲环同心多个内加劲环；
其中，在每个相邻的内加劲环之间、或者在所述外加劲环与和所述外加劲环相邻的相应内加劲环之间、或在所述锚件与和所述锚件相邻的相应的内加劲环之间的节距是相同的。
构思16.根据构思11、12、13、14或15所述的谐振器，还包括：
位于所述谐振器的外周界之外的多个电极；
其中，所述多个电极不与所述外加劲环物理接触；并且
其中，在每个电极与所述外加劲环之间存在间隙。
构思17.根据构思11、12、13、14、15或16所述的谐振器，还包括：
多个内电极；
其中，每个内电极位于弯曲弹簧和另一弯曲弹簧和所述至少一个内加劲环之间、或者弯曲弹簧和另一弯曲弹簧和所述锚件之间、或者弯曲弹簧和另一弯曲弹簧和所述外加劲环之间；
其中，所述多个内电极不与所述弯曲弹簧、所述内加劲环、所述锚件或所述外加劲环物理接触；并且
其中，每个内电极与相邻的弯曲弹簧、所述至少一个内加劲环、所述锚件以及所述外加劲环之间存在间隙。
构思18.一种提供谐振器的方法，包括：
提供包括绝缘体的晶片，在所述绝缘体的一侧上具有背面晶片，并且在所述绝缘体的另一侧上具有正面晶片；
在所述正面晶片上沉积并图案化正面金属；
对所述正面晶片进行图案化，以露出所述绝缘体并形成锚件、在所述谐振器的外周界上的外加劲环、以及在所述锚件与所述外加劲环之间的多个弯曲弹簧；
去除所述绝缘体的一部分，以从所述背面晶片释放所述谐振器的谐振部分；以及
使所述谐振器的锚件部分仍附接到所述背面晶片。
构思19.根据构思18所述的方法，还包括：
在所述背面晶片上图案化背面对齐目标；以及
在所述背面晶片上沉积并图案化背面金属，以便附接到封装。
构思20.根据构思18或19所述的方法，其中，在所述正面晶片上沉积并图案化正面金属包括：
沉积金属以便电接触至电极和电接触至所述锚件。
构思21.根据构思18、19或20所述的方法，
其中，所述绝缘体是二氧化硅SiO2。
构思22.根据构思18、19、20或21所述的方法，其中，
所述外加劲环具有第一直径，并且
所述锚件与所述外加劲环同心并具有小于所述第一直径的第二直径。
构思23.根据构思18、19、20、21或22所述的方法，其中，图案化所述正面晶片还包括：
图案化来形成与所述外加劲环同心的至少一个内加劲环；
其中，所述多个弯曲弹簧联接到所述至少一个内加劲环；并且
其中，所述外加劲环具有比所述内加劲环的第二直径大的第一直径。
构思24.根据构思18、19、20、21、22或23所述的方法，其中，
所述多个弯曲弹簧包括：第一组弹簧，该第一组弹簧在所述锚件和所述外加劲环之间各自具有顺时针曲率；和第二组弯曲弹簧，该第二组弯曲弹簧在所述锚件与所述外加劲环之间各自具有逆时针曲率。
构思25.根据构思18、19、20、21、22、23或24所述的方法，其中，
所述多个弯曲弹簧绕中心轴线具有N重对称的旋转对称性，其中，N为正整数。
构思26.根据构思18、19、20、21、22、23、24或25所述的方法，还包括：
图案化多个内加劲环，所述多个内加劲环各自与所述外加劲环同心；
其中，在每个相邻的内加劲环之间、或在所述外加劲环与和所述外加劲环相邻的相应内加劲环之间、或在所述锚件与和所述锚件相邻的相应内加劲环之间的节距是相同的。
构思27.根据构思18、19、20、21、22、23、24、25或26所述的方法，还包括：
在所述谐振器的外周界之外形成多个电极；
其中，所述多个电极不与所述外加劲环物理接触；并且
其中，在每个电极与所述外加劲环之间存在间隙。
构思28.根据构思21所述的方法，还包括：
形成多个内电极；
其中，每个内电极位于弯曲弹簧和另一弯曲弹簧和所述至少一个内加劲环之间、或者弯曲弹簧和另一弯曲弹簧和所述锚件之间、或者弯曲弹簧和另一弯曲弹簧和所述外加劲环之间；
其中，所述多个内电极不与所述弯曲弹簧、所述内加劲环、所述锚件或所述外加劲环物理接触；并且
其中，每个内电极与相邻的弯曲弹簧、所述至少一个内加劲环、所述锚件以及所述外加劲环之间存在间隙。
构思29.根据构思18、19、20、21、22、23、24、25、26、27或28所述的方法，其中，
所述多个弯曲弹簧包括联接到所述外加劲环并指向所述锚件的多个凸弹簧。
构思30.根据构思18、19、20、21、22、23、24、25、26、27或28所述的方法，其中，
所述多个弯曲弹簧包括联接到所述锚件并指向所述外加劲环的多个凸弹簧。
构思31.根据构思18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29或30所述的方法，其中，
所述正面晶片包括Si、石英或SiC；并且
所述背面晶片包括Si、石英或SiC。

Claims (31)

1.一种谐振器，包括：
锚件；
位于所述谐振器的外周界上的外加劲环；以及
位于所述锚件与所述外加劲环之间的多个弯曲弹簧。
2.根据权利要求1所述的谐振器，其中，
所述外加劲环具有第一直径；并且
所述锚件与所述外加劲环同心并具有小于所述第一直径的第二直径。
3.根据权利要求1所述的谐振器，还包括：
与所述外加劲环同心的至少一个内加劲环；
其中，所述多个弯曲弹簧联接到所述至少一个内加劲环；并且
其中，所述外加劲环具有比所述内加劲环的第二直径大的第一直径。
4.根据权利要求1所述的谐振器，其中，
所述多个弯曲弹簧绕中心轴线具有N重对称的旋转对称性，其中，N为正整数。
5.根据权利要求1所述的谐振器，还包括：
各自与所述外加劲环同心的多个内加劲环；
其中，在每个相邻的内加劲环之间、或在所述外加劲环与和所述外加劲环相邻的相应内加劲环之间、或在所述锚件与和所述锚件相邻的相应内加劲环之间的节距是相同的。
6.根据权利要求1所述的谐振器，还包括：
位于所述谐振器的外周界之外的多个电极；
其中，所述多个电极不与所述外加劲环物理接触；并且
其中，在每个电极与所述外加劲环之间存在间隙。
7.根据权利要求3所述的谐振器，还包括：
多个内电极；
其中，每个内电极位于弯曲弹簧和另一弯曲弹簧和所述至少一个内加劲环之间、或者弯曲弹簧和另一弯曲弹簧和所述锚件之间、或者弯曲弹簧和另一弯曲弹簧和所述外加劲环之间；
其中，所述多个内电极不与所述弯曲弹簧、所述内加劲环、所述锚件或所述外加劲环物理接触；并且
其中，每个内电极与相邻的弯曲弹簧、所述至少一个内加劲环、所述锚件以及所述外加劲环之间存在间隙。
8.根据权利要求1所述的谐振器，其中，
所述外加劲环的纵横比范围为从1：500到50：1；并且
所述多个弯曲弹簧中的每个弯曲弹簧的纵横比范围为从1∶500到50∶1。
9.根据权利要求1所述的谐振器，其中，
所述多个弯曲弹簧包括联接到所述外加劲环并指向所述锚件的多个凸弹簧。
10.根据权利要求1所述的谐振器，其中，
所述多个弯曲弹簧包括联接到所述锚件并指向所述外加劲环的多个凸弹簧。
11.一种谐振器，包括：
锚件；
位于所述谐振器的外周界上的外加劲环；以及
在所述锚件与所述外加劲环之间被配置为生命之花图案的多个弯曲弹簧。
12.根据权利要求11所述的谐振器，其中，
所述生命之花图案通过重叠所述多个弯曲弹簧以形成叶形的轮廓来配置；
其中，所形成的叶形的轮廓包括线性、椭圆形、卵形、卵圆形、三角形、心形、长方形、长菱形、倒卵形、倒披针形、圆形、披针形、肾形或匙形轮廓或其组合；
其中，所形成的叶形的轮廓对称且绕所述锚件对称布置；并且
其中，所述生命之花图案具有绕中心轴线具有N重对称的旋转对称性，其中，N是正整数。
13.根据权利要求11所述的谐振器，其中，
所述外加劲环具有第一直径，并且
所述锚件与所述外加劲环同心并具有小于所述第一直径的第二直径。
14.根据权利要求11所述的谐振器，还包括：
与所述外加劲环同心的至少一个内加劲环；
其中，所述多个弯曲弹簧联接到至少一个内加劲环；并且
其中，所述外加劲环具有比所述内加劲环的第二直径大的第一直径。
15.根据权利要求11所述的谐振器，还包括：
各自与所述外加劲环同心的多个内加劲环；
其中，在每个相邻的内加劲环之间、或者在所述外加劲环与和所述外加劲环相邻的相应内加劲环之间、或在所述锚件与和所述锚件相邻的相应内加劲环之间的节距是相同的。
16.根据权利要求11所述的谐振器，还包括：
位于所述谐振器的外周界之外的多个电极；
其中，所述多个电极不与所述外加劲环物理接触；并且
其中，在每个电极与所述外加劲环之间存在间隙。
17.根据权利要求11所述的谐振器，还包括：
多个内电极；
其中，每个内电极位于弯曲弹簧和另一弯曲弹簧和所述至少一个内加劲环之间、或者弯曲弹簧和另一弯曲弹簧和所述锚件之间、或者弯曲弹簧和另一弯曲弹簧和所述外加劲环之间；
其中，所述多个内电极不与所述弯曲弹簧、所述内加劲环、所述锚件或所述外加劲环物理接触；并且
其中，每个内电极与相邻的弯曲弹簧、所述至少一个内加劲环、所述锚件以及所述外加劲环之间存在间隙。
18.一种提供谐振器的方法，包括：
提供包括绝缘体的晶片，在所述绝缘体的一侧上具有背面晶片，并且在所述绝缘体的另一侧上具有正面晶片；
在所述正面晶片上沉积并图案化正面金属；
对所述正面晶片进行图案化，以露出所述绝缘体并形成锚件、在所述谐振器的外周界上的外加劲环、以及在所述锚件与所述外加劲环之间的多个弯曲弹簧；
去除所述绝缘体的一部分，以从所述背面晶片释放所述谐振器的谐振部分；以及
使所述谐振器的锚件部分仍附接到所述背面晶片。
19.根据权利要求16所述的方法，还包括：
在所述背面晶片上图案化背面对齐目标；以及
在所述背面晶片上沉积并图案化背面金属，以便附接到封装。
20.根据权利要求16所述的方法，其中，在所述正面晶片上沉积并图案化正面金属包括：
沉积金属以便电接触至电极和电接触至所述锚件。
21.根据权利要求16所述的方法，
其中，所述绝缘体是二氧化硅SiO2。
22.根据权利要求16所述的方法，其中，
所述外加劲环具有第一直径，并且
所述锚件与所述外加劲环同心并具有小于所述第一直径的第二直径。
23.根据权利要求16所述的方法，其中，图案化所述正面晶片还包括：
图案化来形成与所述外加劲环同心的至少一个内加劲环；
其中，所述多个弯曲弹簧联接到所述至少一个内加劲环；并且
其中，所述外加劲环具有比所述内加劲环的第二直径大的第一直径。
24.根据权利要求16所述的方法，其中，
所述多个弯曲弹簧包括：第一组弹簧，该第一组弹簧在所述锚件和所述外加劲环之间各自具有顺时针曲率；和第二组弯曲弹簧，该第二组弯曲弹簧在所述锚件与所述外加劲环之间各自具有逆时针曲率。
25.根据权利要求16所述的方法，其中，
所述多个弯曲弹簧绕中心轴线具有N重对称的旋转对称性，其中，N为正整数。
26.根据权利要求16所述的方法，还包括：
图案化多个内加劲环，所述多个内加劲环各自与所述外加劲环同心；
其中，在每个相邻的内加劲环之间、或在所述外加劲环与和所述外加劲环相邻的相应内加劲环之间、或在所述锚件与和所述锚件相邻的相应内加劲环之间的节距是相同的。
27.根据权利要求16所述的方法，还包括：
在所述谐振器的外周界之外形成多个电极；
其中，所述多个电极不与所述外加劲环物理接触；并且
其中，在每个电极与所述外加劲环之间存在间隙。
28.根据权利要求21所述的方法，还包括：
形成多个内电极；
其中，每个内电极位于弯曲弹簧和另一弯曲弹簧和所述至少一个内加劲环之间、或者弯曲弹簧和另一弯曲弹簧和所述锚件之间、或者弯曲弹簧和另一弯曲弹簧和所述外加劲环之间；
其中，所述多个内电极不与所述弯曲弹簧、所述内加劲环、所述锚件或所述外加劲环物理接触；并且
其中，每个内电极与相邻的弯曲弹簧、所述至少一个内加劲环、所述锚件以及所述外加劲环之间存在间隙。
29.根据权利要求16所述的方法，其中，
所述多个弯曲弹簧包括联接到所述外加劲环并指向所述锚件的多个凸弹簧。
30.根据权利要求16所述的方法，其中，
所述多个弯曲弹簧包括联接到所述锚件并指向所述外加劲环的多个凸弹簧。
31.根据权利要求16所述的方法，其中，
所述正面晶片包括Si、石英或SiC；并且
所述背面晶片包括Si、石英或SiC。
CN201880049876.1A 2017-08-08 2018-06-07 高品质因数mems硅生命之花式振动陀螺仪 Active CN110998231B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201762542744P 2017-08-08 2017-08-08
US62/542,744 2017-08-08
PCT/US2018/036564 WO2019032177A1 (en) 2017-08-08 2018-06-07 VIBRATION GYROSCOPE WITH HIGH QUALITY FACTOR, SILICON-LIKE, FOR MICRO-ELECTROMECHANICAL SYSTEM (MEMS),

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110998231A true CN110998231A (zh) 2020-04-10
CN110998231B CN110998231B (zh) 2023-11-10

Family

ID=65272649

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201880049876.1A Active CN110998231B (zh) 2017-08-08 2018-06-07 高品质因数mems硅生命之花式振动陀螺仪

Country Status (4)

Country Link
US (2) US10655964B2 (zh)
EP (1) EP3665437B1 (zh)
CN (1) CN110998231B (zh)
WO (1) WO2019032177A1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022007102A1 (zh) * 2020-07-09 2022-01-13 瑞声声学科技(深圳)有限公司 陀螺仪

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019032177A1 (en) 2017-08-08 2019-02-14 Hrl Laboratories, Llc VIBRATION GYROSCOPE WITH HIGH QUALITY FACTOR, SILICON-LIKE, FOR MICRO-ELECTROMECHANICAL SYSTEM (MEMS),
US11299981B2 (en) 2017-12-04 2022-04-12 Hrl Laboratories, Llc Continuous trajectory calculation for directional drilling
WO2020145202A1 (en) * 2019-01-08 2020-07-16 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Sensing device
WO2021134685A1 (zh) * 2019-12-31 2021-07-08 瑞声声学科技(深圳)有限公司 一种mems陀螺仪
JP7389767B2 (ja) * 2021-02-26 2023-11-30 株式会社東芝 センサ及び電子装置
GB2610209A (en) * 2021-08-26 2023-03-01 Cambridge Entpr Ltd Inertial sensor and method
DE102022114406A1 (de) 2022-06-08 2023-12-14 Northrop Grumman Litef Gmbh Mikroelektromechanische Kopplungsvorrichtung

Citations (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6089090A (en) * 1996-10-15 2000-07-18 Ngk Insulators, Ltd. Vibration gyro sensor
CN1387696A (zh) * 1999-11-02 2002-12-25 Eta草图制造公司 包括集成微机械式环形谐振器的时基
CN102089620A (zh) * 2008-07-12 2011-06-08 大西洋惯性系统有限公司 振动结构陀螺仪的或者涉及振动结构陀螺仪的改进
CN103363978A (zh) * 2006-03-27 2013-10-23 佐治亚科技研究公司 陀螺仪设备和制造微机电陀螺仪的方法
CN104132658A (zh) * 2013-04-30 2014-11-05 大西洋惯性系统有限公司 Mems传感器
CN104165624A (zh) * 2014-07-25 2014-11-26 中国人民解放军国防科学技术大学 一种基于侧壁压电驱动的环形振动陀螺及其驱动和检测方法
CN104976995A (zh) * 2015-08-07 2015-10-14 中国人民解放军国防科学技术大学 变谐振环壁厚的嵌套环式mems振动陀螺
CN104990546A (zh) * 2015-08-07 2015-10-21 中国人民解放军国防科学技术大学 蜂巢状盘形振动陀螺
CN104995484A (zh) * 2013-02-04 2015-10-21 富士胶片株式会社 角速度传感器及其制造方法
CN105043369A (zh) * 2015-05-29 2015-11-11 上海交通大学 一种外缘固定式激光加工压电驱动多环陀螺及其制备方法
CN105180913A (zh) * 2014-05-16 2015-12-23 霍尼韦尔国际公司 质量负载科里奥利振动陀螺仪
CN105371832A (zh) * 2015-11-19 2016-03-02 上海交通大学 一种圆盘多环内双梁孤立圆环谐振陀螺及其制备方法
CN105486297A (zh) * 2015-11-19 2016-04-13 上海交通大学 一种圆盘多环内s形柔性梁谐振陀螺及其制备方法
CN106289214A (zh) * 2016-10-21 2017-01-04 中北大学 一种抗高冲击s形弹性梁mems环形振动陀螺谐振子结构
CN106289215A (zh) * 2016-10-21 2017-01-04 中北大学 一种全对称u形梁mems环形振动陀螺谐振子结构
WO2017115282A1 (en) * 2015-12-28 2017-07-06 Masdar Institute Of Science And Technology System, apparatus, and method of fabricating low-power mems vibrating ring gyroscope

Family Cites Families (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5450751A (en) * 1993-05-04 1995-09-19 General Motors Corporation Microstructure for vibratory gyroscope
GB2318184B (en) * 1996-10-08 2000-07-05 British Aerospace A rate sensor
US5831162A (en) * 1997-01-21 1998-11-03 Delco Electronics Corporation Silicon micromachined motion sensor and method of making
GB2335273B (en) * 1998-03-14 2002-02-27 British Aerospace A two axis gyroscope
US6151964A (en) * 1998-05-25 2000-11-28 Citizen Watch Co., Ltd. Angular velocity sensing device
US6128954A (en) * 1998-12-18 2000-10-10 Delco Electronics Corporation Spring for a resonance ring of an angular rate sensor
WO2000068640A2 (en) * 1999-04-21 2000-11-16 The Regents Of The University Of California Micro-machined angle-measuring gyroscope
US6534396B1 (en) * 2000-10-10 2003-03-18 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Patterned conductor layer pasivation method with dimensionally stabilized planarization
FR2821422B1 (fr) * 2001-02-23 2003-05-23 Sagem Resonateur mecanique planaire sensible selon un axe perpendiculaire a son plan
US6701788B2 (en) * 2001-07-31 2004-03-09 Kelsey-Hayes Company Multiple output inertial sensing device
GB0122252D0 (en) * 2001-09-14 2001-11-07 Bae Systems Plc Vibratory gyroscopic rate sensor
GB0206510D0 (en) * 2002-03-20 2002-05-01 Qinetiq Ltd Micro-Electromechanical systems
US7040163B2 (en) * 2002-08-12 2006-05-09 The Boeing Company Isolated planar gyroscope with internal radial sensing and actuation
US6944931B2 (en) 2002-08-12 2005-09-20 The Boeing Company Method of producing an integral resonator sensor and case
US7581443B2 (en) 2005-07-20 2009-09-01 The Boeing Company Disc resonator gyroscopes
US7493814B2 (en) * 2006-12-22 2009-02-24 The Boeing Company Vibratory gyroscope with parasitic mode damping
US8056413B2 (en) * 2007-09-11 2011-11-15 Evigia Systems, Inc. Sensor and sensing method utilizing symmetrical differential readout
US20100058861A1 (en) 2008-09-11 2010-03-11 Analog Devices, Inc. Piezoelectric Transducers and Inertial Sensors using Piezoelectric Transducers
US8011246B2 (en) * 2008-09-22 2011-09-06 Northrop Grumman Guidance And Electronics Company, Inc. Apparatus and method for self-calibration of coriolis vibratory gyroscope
KR101075515B1 (ko) * 2009-03-13 2011-10-21 국방과학연구소 Ｍｅｍｓ 링 자이로스코프 및 그의 진동축 정렬 방법
EP2573516B1 (en) * 2011-09-21 2013-11-20 Tronics Microsystems S.A. A micro-electromechanical gyro device
US9599471B2 (en) * 2013-11-14 2017-03-21 Analog Devices, Inc. Dual use of a ring structure as gyroscope and accelerometer
US9866200B2 (en) * 2014-10-22 2018-01-09 Microchip Technology Incorporated Multiple coil spring MEMS resonator
WO2019032177A1 (en) 2017-08-08 2019-02-14 Hrl Laboratories, Llc VIBRATION GYROSCOPE WITH HIGH QUALITY FACTOR, SILICON-LIKE, FOR MICRO-ELECTROMECHANICAL SYSTEM (MEMS),

Patent Citations (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6089090A (en) * 1996-10-15 2000-07-18 Ngk Insulators, Ltd. Vibration gyro sensor
CN1387696A (zh) * 1999-11-02 2002-12-25 Eta草图制造公司 包括集成微机械式环形谐振器的时基
CN103363978A (zh) * 2006-03-27 2013-10-23 佐治亚科技研究公司 陀螺仪设备和制造微机电陀螺仪的方法
CN102089620A (zh) * 2008-07-12 2011-06-08 大西洋惯性系统有限公司 振动结构陀螺仪的或者涉及振动结构陀螺仪的改进
CN104995484A (zh) * 2013-02-04 2015-10-21 富士胶片株式会社 角速度传感器及其制造方法
CN104132658A (zh) * 2013-04-30 2014-11-05 大西洋惯性系统有限公司 Mems传感器
CN105180913A (zh) * 2014-05-16 2015-12-23 霍尼韦尔国际公司 质量负载科里奥利振动陀螺仪
CN104165624A (zh) * 2014-07-25 2014-11-26 中国人民解放军国防科学技术大学 一种基于侧壁压电驱动的环形振动陀螺及其驱动和检测方法
CN105043369A (zh) * 2015-05-29 2015-11-11 上海交通大学 一种外缘固定式激光加工压电驱动多环陀螺及其制备方法
CN104976995A (zh) * 2015-08-07 2015-10-14 中国人民解放军国防科学技术大学 变谐振环壁厚的嵌套环式mems振动陀螺
CN104990546A (zh) * 2015-08-07 2015-10-21 中国人民解放军国防科学技术大学 蜂巢状盘形振动陀螺
CN105371832A (zh) * 2015-11-19 2016-03-02 上海交通大学 一种圆盘多环内双梁孤立圆环谐振陀螺及其制备方法
CN105486297A (zh) * 2015-11-19 2016-04-13 上海交通大学 一种圆盘多环内s形柔性梁谐振陀螺及其制备方法
WO2017115282A1 (en) * 2015-12-28 2017-07-06 Masdar Institute Of Science And Technology System, apparatus, and method of fabricating low-power mems vibrating ring gyroscope
CN106289214A (zh) * 2016-10-21 2017-01-04 中北大学 一种抗高冲击s形弹性梁mems环形振动陀螺谐振子结构
CN106289215A (zh) * 2016-10-21 2017-01-04 中北大学 一种全对称u形梁mems环形振动陀螺谐振子结构

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022007102A1 (zh) * 2020-07-09 2022-01-13 瑞声声学科技(深圳)有限公司 陀螺仪

Also Published As

Publication number Publication date
EP3665437B1 (en) 2023-05-03
US10655964B2 (en) 2020-05-19
US20200256676A1 (en) 2020-08-13
EP3665437A1 (en) 2020-06-17
US11561095B2 (en) 2023-01-24
CN110998231B (zh) 2023-11-10
US20190049247A1 (en) 2019-02-14
WO2019032177A1 (en) 2019-02-14
EP3665437A4 (en) 2021-06-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110998231B (zh) 高品质因数mems硅生命之花式振动陀螺仪
EP0824702B1 (en) Gimballed vibrating wheel gyroscope having strain relief features
US9448069B2 (en) Microelectromechanical bulk acoustic wave devices and methods
CN102449434B (zh) 陀螺仪封装组件
JP2012042452A (ja) 半ドーナツ形共振器ジャイロスコープ
US6662656B2 (en) Gyroscopic sensor
CN104931031A (zh) 一种外缘固定式静电驱动多环陀螺及其制备方法
US11277112B2 (en) Micro-electro-mechanical device with reduced temperature sensitivity and manufacturing method thereof
CN111156982A (zh) Mems陀螺仪
KR20190015992A (ko) 각속도 센서들
US20160327390A1 (en) Method and apparatus for decoupling environmental and modal dependencies in inertial measurement devices
CN111051814B (zh) 用于振动陀螺仪的高品质因数mems硅铰链和槽型切口谐振器
US11725941B2 (en) Sensing device
US11614328B2 (en) Sensing device
JP2005345245A (ja) 容量型力学量センサ及びその製造方法
CN117190993A (zh) 一种类环形mems陀螺仪及其制作方法
JP2024508435A (ja) 平面構造を有する振動ジャイロメータ
KR101459797B1 (ko) 회전형 자이로스코프 및 그 제조방법

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant