CN111051814A - 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 - Google Patents

Abstract

一种谐振结构，该谐振结构包括至少两个同轴环，其中，相邻的同轴环具有相邻的周边，并且通过沿着所述相邻周边规则布置的多个连接结构附接在一起；并且其中，第一环具有：第一环部，该第一环部具有第一径向厚度；和第二环部，该第二环部在第一连接结构附近，具有小于所述第一径向厚度的第二径向厚度。

Description

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

【相关申请的交叉引用】

本介绍要求2017年9月7日提交的美国临时申请No.62/555617的优先权，据此以引证的方式将该申请并入。

【技术领域】

本介绍涉及MEMS圆盘谐振器陀螺仪，具体涉及科里奥利(Coriolis)振动陀螺仪的圆盘谐振器。

【背景技术】

例如美国专利No.7581443中描述了圆盘谐振器陀螺仪。图1例示了用于全石英或全硅谐振器陀螺仪的已知圆盘谐振器10架构的一部分的立体图和立体图的详细片段。谐振器10可以由熔融石英或硅平面圆盘制成，在该圆盘中，可以使用深反应离子蚀刻来将圆盘开槽为支撑在中心支撑件14上的相邻同轴环12的系统；相邻的同轴环12具有相邻的周边13，并且通过沿着所述相邻的周边规则布置的多个连接结构16附接在一起。

已知谐振器10的问题是使用这种谐振器的振动陀螺仪对振动、冲击以及温度敏感。关于已知的振动陀螺仪设计，尤其是具有谐振器(诸如具有多个互连的同心环12的10)的圆盘谐振器陀螺仪，减小环12的宽度显著降低谐振器的刚度，这导致更低的谐振频率，由此提高谐振器的调谐能力(这允许例如适应温度引起的漂移)，但同时也使得谐振器更容易受到环境振动和/或冲击的影响。

需要一种用于圆盘谐振器陀螺仪的谐振器的设计，该谐振器具有改进的调谐能力以及对振动和冲击的低敏感性。

需要一种圆盘谐振器陀螺仪，该陀螺仪能够以与已知谐振器类似的频率操作，同时具有更高的品质因数。

【发明内容】

本介绍涉及诸如用于圆盘谐振器陀螺仪的谐振器或谐振结构，该谐振器或谐振结构具有通过“铰链(hinge)和/或槽型(slot)”连接结构彼此附接的同心环，其中，在连接结构附近减小环的宽度，与具有相同宽度的环但没有“铰链和/或槽”连接结构的已知谐振器相比，这种设计使得谐振器对振动和冲击不那么敏感。

本公开通过以下方式来改进通过接头或连接结构附接在一起的同心环的MEMS陀螺仪：在不降低谐振器的谐振频率的情况下，使环之间的接头与环的剩余部分一样顺应。

本介绍的实施方式包括一种谐振结构，该谐振结构由连接同心环的铰接头设计的旋转对称阵列构成。

根据本介绍的实施方式，铰接头包括半径大于环间间隙宽度的两个圆形切口以及可选地在接头的两侧(接头的内侧和外侧)上的两个槽型切口，如例如图2、图3例示。

根据本介绍的实施方式，铰接头包括在接头中心处的椭圆形或圆形切口，如例如图7a例示。

根据本介绍的实施方式，铰接头包括在接头的两侧(接头的内侧和外侧)处的两个槽型切口，如例如图7b例示。

根据本介绍的实施方式，铰链头具有从接头的一个边缘开始的一个槽型切口，并且所有的槽型切口都面向同一方向，如例如图7c、图7d例示。

根据本介绍的实施方式，两个连续环对的铰接头的槽型切口面向相反的径向方向，如例如图7e例示。

根据本介绍的实施方式，铰接头包括泪珠状的切口，如例如图7f、图7g以及图7h例示。

根据本介绍的实施方式，泪珠形状由具有连续曲率半径的平滑曲线形成。

根据本介绍的实施方式，泪珠形状包括在环之间的铰接头附近的大凸角和远离铰接头的更窄宽度，使得环宽度等于远离接头的期望设计值。

根据本介绍的实施方式，铰链头区域包括由平滑曲线限定的圆形或平滑的槽型切口，如例如图7g例示。

根据本介绍的实施方式，铰链头区域具有延长的圆形或平滑的槽型切口，该切口过渡到恒定宽度的区域，如例如图7h例示。

根据本介绍的实施方式，谐振结构被周边电极包围，如例如图8例示。

根据本介绍的实施方式，谐振结构被制造在SOI晶片上，如例如图6A至图6D例示。

本介绍的实施方式涉及一种具有顶部和底部主表面的MEMS圆盘谐振器；该谐振器具有中心支撑件，并且包括在顶部与底部主表面之间围绕中心支撑件规则布置的第一多个圆周槽；第一多个中的各圆周槽具有：内垂直圆周壁，该内垂直圆周壁遵循具有以中心支撑件的轴线为中心的第一半径的圆弧；外垂直圆周壁，该外垂直圆周壁遵循具有以中心支撑件的轴线为中心的第二半径的圆弧，第二半径大于第一半径；第一垂直圆柱形侧壁，该第一垂直圆柱形侧壁沿着圆弧在内垂直圆周壁的第一端与外垂直圆周壁的第一端之间延伸，该圆弧具有第三半径且具有在具有第四半径的圆上的中心，第三半径大于第二与第一半径之差，并且第四半径等于第二与第一半径之和的一半；以及第二垂直圆柱形侧壁，该第二垂直圆柱形侧壁沿着圆弧在内垂直圆周壁的第二端与外垂直圆周壁的第二端之间延伸，该圆弧具有第三半径且具有在具有第四半径的圆上的中心。

根据本介绍的实施方式，MEMS圆盘谐振器包括在顶部与底部主表面之间围绕中心支撑件规则布置的第二多个圆周槽；第二多个中的各圆周槽具有：内垂直圆周壁，该内垂直圆周壁遵循具有以中心支撑件的轴线为中心的第五半径的圆弧，第五半径大于第三与第四半径之和；外垂直圆周壁，该外垂直圆周壁遵循具有以中心支撑件的轴线为中心的第六半径的圆弧，第六半径大于第五半径；第一垂直圆柱形侧壁，该第一垂直圆柱形侧壁沿着圆弧在内垂直圆周壁的第一端与外垂直圆周壁的第一端之间延伸，该圆弧具有第七半径且具有在具有第八半径的圆上的中心，第七半径大于第六与第五半径之差，并且第八半径等于第六与第五半径之和的一半；以及第二垂直圆柱形侧壁，该第二垂直圆柱形侧壁沿着圆弧在内垂直圆周壁的第二端与外垂直圆周壁的第二端之间延伸，该圆弧具有第七半径且具有在具有第八半径的圆上的中心；其中，第二多个中的相邻圆周槽的第一和第二垂直圆柱形侧壁的中心在垂直平面的各侧上对称布置，该垂直平面包含中心支撑件的轴线和第一多个槽中的圆周槽的中心。

根据本介绍的实施方式，对于每个圆周槽：内垂直圆周壁和外垂直圆周壁中的至少一个包括相对于包含中心支撑件的轴线和圆周槽的中心的垂直平面对称的径向凹部。

本介绍的实施方式涉及一种谐振结构，该谐振结构包括至少两个同轴环，其中，相邻的同轴环具有相邻的周边，并且通过沿着相邻周边规则布置的多个连接结构附接在一起；并且第一环具有：第一环部，该第一环部具有第一径向厚度；和第二环部，该第二环部在第一连接结构附近，具有小于第一径向厚度的第二径向厚度。

根据本介绍的实施方式，至少两个同轴环和多个连接结构由单个平面基板制成。

根据本介绍的实施方式，第二环部向第一连接结构的径向轴线的第一侧成角度地偏移。

根据本介绍的实施方式，第一环具有第三环部，该第三环部具有第二径向厚度，向第一连接结构的径向轴线的第二侧成角度地偏移。

根据本介绍的实施方式，谐振结构包括第二环，该第二环通过第一连接结构同心地附接到第一环，其中，第二环具有第三径向厚度的第四环部，并且具有第五和第六环部，第五和第六环部各自具有小于第三径向厚度的第四径向厚度；第五环部与第二环部径向对齐，并且第六环部与第三环部径向对齐。

根据本介绍的实施方式，第一和第二环的在第二、第三、第五以及第六环部中的周边沿着垂直于环的轴线的平面遵循在以下形状中选择的形状的部分：圆形、椭圆形以及矩形。

根据本介绍的实施方式，第一连接结构的角厚度沿着第一连接结构的径向轴线变化。

根据本介绍的实施方式，第一环部与第一连接结构的径向轴线对齐。

根据本介绍的实施方式，第二环部由第一径向凹部形成，该第一径向凹部从第一环的远离第一连接结构的周边朝向第一连接结构形成。

根据本介绍的实施方式，第一环的在第二环部中的周边沿着垂直于环的轴线的平面遵循在以下形状中选择的形状的部分：圆形、椭圆形以及矩形。

根据本介绍的实施方式，谐振结构包括：第二环，该第二环通过第一连接结构同心地附接到第一环；以及第三和第四同心环，该第三和第四同心环通过与第一连接结构径向对齐的第二连接结构附接在一起；其中，第三环具有第三环部和第四环部，第三环部具有第三径向厚度，第四环部具有小于第三径向厚度的第四径向厚度；第四环部与第二环部径向对齐；第四环部由第二径向凹部形成，该第二径向凹部从第三环的远离第二连接结构的周边朝向第二连接结构形成。

根据本介绍的实施方式，第一和第二环中的一个通过多个规则布置的连接结构附接到第三和第四环中的一个，这些连接结构从附接第一和第二环的连接结构成角度地偏移。

根据本介绍的实施方式，相同数量N的连接结构将各个环附接到相邻的环；并且附接到各个环的内周和外周的连接结构彼此成角度地偏移π/N。

根据本介绍的实施方式，第一和第二径向凹部沿相同的径向方向形成。

根据本介绍的实施方式，第一和第二径向凹部沿相反的径向方向形成。

根据本介绍的实施方式，谐振结构包括：第二环，该第二环通过第一连接结构同心地附接到第一环；其中，第二环具有第三环部和第四环部，第三环部具有第三径向厚度，第四环部具有小于第三径向厚度的第四径向厚度；第四环部与第二环部径向对齐；第四环部由第二径向凹部形成，该第二径向凹部从第二环的远离第一连接结构的周边朝向第一连接结构形成。

根据本介绍的实施方式，第一径向凹部形成到第一连接结构中。

根据本介绍的实施方式，第一径向凹部形成到第二环中，该第二环通过第一连接结构同心地附接到第一环。

根据本介绍的实施方式，第一减小的径向厚度由第一径向凹部形成，该第一径向凹部从第一连接结构的中心朝向第一环的远离第一连接结构的周边形成。

根据本介绍的实施方式，第一连接结构的角厚度沿着第一连接结构的径向轴线变化。

本介绍还涉及一种使用上述任意谐振器的陀螺仪。

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1示出了已知的科里奥利振动陀螺仪(CVG)谐振器的片段的照片、以及CVG谐振器的片段的非常详细的视图。

图2A是根据本介绍的实施方式的谐振器的片段的顶视图。

图2B是根据本介绍的实施方式的谐振器及其细节的顶视图。

图3是图2A例示的谐振器的立视图。

图4示出了如图2A所示的谐振器的模拟品质因数以及已知谐振器的测量品质因数。

图5示出了如图2A所示的谐振器和具有相同环宽度的已知谐振器的模拟品质因数。

图6A至图6D例示了根据本介绍的实施方式的谐振器的制造方法。

图7a至图7i例示了根据本介绍的谐振器的连接结构的各种实施方式。

图8A至图8E例示了根据本介绍的实施方式的具有周边电极的谐振器以及谐振器的各种细节的顶视图。

【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描述的发明。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。

发明人已经进行了具有热弹性阻尼的有限元分析COMSOL模型，得出如下结论：圆盘谐振器陀螺仪的已知圆盘谐振器的能量损失的关键位置处于在谐振器环之间的接头处。

本公开通过以下方式来改进具有通过接头或连接结构附接在一起的同心环的MEMS陀螺仪：在不降低谐振器的谐振频率的情况下，使环之间的接头与环的剩余部分一样顺应。发明人在对已知的圆盘谐振器以及铰链和槽型切口谐振器并排进行了深入而详尽的研究之后，发现铰链(hinge)和槽型切口(slot-cut)谐振器在具有更低成本、重量以及功率的更小封装中满足了长期以来对高性能惯性导航的切身需要。

本介绍的实施方式提供了一种高Q(品质因数)MEMS硅铰链和槽型切口振动陀螺仪/(HSVG)。新颖的特征是独特的铰链和槽型切口振动谐振器设计，该设计允许其结构变形而不扭曲，由此减小应变引起的热梯度，并且导致高热弹性阻尼限制的品质因数(QTED>100000)。根据本介绍的铰链和槽型切口设计使得能够降低环之间的接头/互连的刚度，同时维持更宽的环宽度(15-20μm)，使接头处的热损失区域最小化，以提高热弹性阻尼限制的品质因数(QTED)。

维持更宽的环宽度允许减小表面粗糙度对品质因数和例如两个简并的N＝2模态之间的频率分割这两者的影响。根据本介绍的厚度为350μm(微米)或更大的铰链和槽型切口振动陀螺仪，具有在任何加速度方向上的降低加速度灵敏度(多达50000G)。另选地，通过增加整个结构的环宽度，由于更宽的环宽度(>100μm)将具有>100kHz的频率，因此铰链和槽型切口振动设计可以具有高绝热QTED。因此，除了特定的实施方案之外，所公开的铰链和槽型切口振动设计可以被视为在以前不可能的频率范围内设计高Q硅振动陀螺仪和谐振器结构的方法。

本介绍的实施方式使得能够设计高Q MEMS硅科里奥利振动陀螺仪(CVG)。当前技术水平(SOA)的CVG包括硅圆盘谐振器陀螺仪(DRG)，该DRG表现出约14kHz的谐振频率和超过80000的Q因数。本介绍的实施方式具有类似的谐振频率，但是具有已知的现有技术DRG的QTED>1.5X。

图2A是根据本介绍的实施方式的谐振器20的片段的顶视图，该谐振器包括多个同轴环22，其中，相邻的同轴环22具有相邻的周边24，并且通过沿着相邻的周边24规则布置的多个连接结构26附接在一起。根据本介绍的实施方式，环22各自包括至少一个第一环部22’和至少一个第二环部22”(22”a、22”b、22”c)，第一环部22’具有第一径向厚度(环的大部分的径向厚度)，第二环部22”在各个连接结构26附近，具有减小的径向厚度(小于第一径向厚度的第二径向厚度)，由此形成铰接槽型切口接头。

根据本介绍的实施方式，各个环22包括的第一环部22’的数量与环22包括的附接到其内周和外周24的连接结构26一样多。根据本介绍的实施方式，并且如以下详述的，各个环22可以在环附接到的各个连接结构26的附近包括具有减小的径向厚度的一到三个环部(22”a、22”b、22”c)。

根据本介绍的实施方式，谐振器20的环22通过附接到最内环22的内周24的连接结构26，来连接到具有旋转轴的中心支撑件28的外周27。

根据本介绍的实施方式，同轴环22、连接结构26以及中心支撑件28全部可以通过单个平面晶片(例如，平面硅晶片)的深反应离子蚀刻来形成。

根据本介绍的实施方式，第二环部(22”a)向它最靠近的连接结构26的径向轴线的第一侧成角度地偏移。根据本介绍的实施方式，环22包括第三环部(22”b)，该第三环部具有与第二环部22”a相同的减小的径向厚度，向第二环部22”a最靠近的第一连接结构26的径向轴线的第二侧成角度地偏移。

根据本介绍的实施方式，当谐振器20的第一环22通过连接结构26连接到谐振器20的第二环22(以下为了清楚起见用32引用)时，第二环32具有第四环部32’，该第四环部具有第三径向厚度(环32的大部分的径向厚度)，并且具有第五环部(32”a)和第六环部(32”b)，第五和第六环部各自具有小于第三径向厚度的第四径向厚度；第五环部32”a与第二环部22”a径向对齐，并且第六环部32”b与第三环部22”b径向对齐。根据本介绍的实施方式，所有环22在其大部分长度上具有相同的(未减小的)厚度，并且上述第一和第三径向厚度相等。然后，上述第二和第四径向厚度也可以相等。

如图2A例示，通过连接结构26附接的两个环(22、32)的周边在所述第二环部(22”a)、第三环部(22”b)、第五环部(32”a)以及第六环部(32”b)中，各自沿着垂直于环的轴线的平面(即，图2A中的纸张平面)遵循圆形的一部分，该圆形的直径大于第一环部(22’)与第四环部(32’)之间的距离。注意，根据本介绍的其他实施方式，并且如以下例如在图7中例示的，第二环部(22”a)、第三环部(22”b)、第五环部(32”a)以及第六环部(32”b)可以可选地各自遵循椭圆、矩形或圆形的一部分。

根据本介绍的实施方式，连接结构26的角厚度可以沿着其径向轴线26’变化。在图2A例示的实施方式中，连接结构26的角厚度沿着其径向轴线变化，使得连接结构26的壁遵循与第二环部(22”a)、第三环部(22”b)、第五环部(32”a)以及第六环部(32”b)相同的圆形，由此在两个环22与连接结构26之间的每个接合处形成圆孔形状。

根据本介绍的实施方式，并且如图2A例示，谐振器20的环22(32)可以另外或另选地包括与第一连接结构26的径向轴线26’对齐的、具有减小的径向厚度的另一个环部22”c(32”c)。这种径向厚度减小的另一个环部可以由径向凹部34形成，该径向凹部从环22的远离第一连接结构26的周边朝向第一连接结构26形成。径向凹部34在图2A中被示出为遵循矩形的部分。然而，根据本介绍的其他实施方式，径向凹部34也可以遵循圆形或椭圆形的部分。

如图2A例示，径向凹部34可以具有等于或大于环22的第一(未减小的)径向厚度的径向深度。在这种实施方式中，沿径向凹部34的径向轴线的环的减小的厚度为零(null)厚度；并且连接结构26的角宽度必须总是大于径向凹部34的角宽度。根据本介绍的其他实施方式，并且如例如图4例示，径向凹部34的径向深度也可以小于或等于环22的第一(未减小的)径向厚度。

如图2A例示，根据本介绍的实施方式，谐振器20的环22的内周和外周这两者各自通过数量为N的连接结构26附接到谐振器20的另一部分；并且附接到环22的内周的连接结构26相对于附接到环22的内周的连接结构26成角度地偏移角度π/N。

根据本介绍的实施方式，谐振器20的环22的内周和外周不必通过相同的数量附接到谐振器20的另一部分。虽然如此，但附接到谐振器20的各个环22的各个周边的连接结构26的数量和位置被选择为使得谐振器20示出旋转对称性。

根据本介绍的实施方式的谐振器，诸如图2A例示的谐振器，实现了高热弹性阻尼限制和锚限制的品质因数(QTED和Qanchor)、低加速度灵敏度、高频调谐范围以及与已知的圆盘谐振器陀螺仪类似的频率(～10-15kHz)。根据本介绍的实施方式，中心支撑件28可以耦合到实心圆柱体，以支撑在使用谐振器20的陀螺仪的基板上的谐振器20。根据本介绍的实施方式，谐振器20可以包括70个环22(例示的更少)，最外环22具有8mm的外周直径，中心支撑件的锚外周直径为3.8mm；各个环22的径向宽度通常为20μm(远离连接结构26，在部分22’中)；其中，环22在远离连接结构26处彼此径向相距10μm。根据本介绍的实施方式，在连接结构26的每侧上的、环22的径向宽度减小的部分(部分22”a、22”b)以及连接结构26的边缘各自遵循直径为30μm的圆形的部分，连接结构的最小角宽度为30μm；并且环22以及连接结构26的垂直厚度为350μm。根据实施方式，在中心支撑件与最内环的内周边之间可以存在具有全径向宽度的槽，这与图2、图3所例示的内容相反，图2、图3仅示出了在中心支撑件与最内环的内周边之间的半径向宽度槽。

根据本介绍的实施方式，连接结构26的径向宽度的减小使得谐振器的环与比已知圆盘谐振器中更顺应的连接器接合，由此使得本介绍的环不如具有相同径向环宽度的现有技术的环刚性。发明人已经注意到，由于现有技术的环更刚性，因此与根据本介绍的实施方式的环相比，它们更不易变形为N2椭圆模态形状，这最终导致已知圆盘谐振器的环在谐振期间扭曲。环的扭曲生成热点和冷点，这指示在现有技术的圆盘谐振器结构中的不需要的阻尼和QTED的降低。发明人已经注意到，根据本介绍的实施方式的圆盘谐振器使热点和冷点最小化，因为它们具有更自由变形的环。

根据本介绍的实施方式，改变环之间的距离、径向深度以及环的径向厚度减小的角宽度，允许针对各个环宽度优化性能，这导致针对不同频率操作范围应用的优化几何形状。

换言之，本介绍的实施方式涉及一种谐振结构20，该谐振结构包括多个同心环状的结构22；各个环状结构22包括：多个环段22’，该多个环段具有恒定的径向厚度；和多个连接结构(22”a、22”b、22”c)；各个连接结构将两个相邻的环状结构22的多个环段22’附接在一起；其中，各个连接结构的至少一部分(22”a、22”b、22”c)的减小的径向厚度小于其连接的两个相邻环状结构22的径向厚度之和。

根据本介绍的实施方式，各个连接结构(22”a、22”b、22”c)包括减小的径向厚度的至少两个部分(22”a、22”b)，该两个部分以与连接结构(22”a、22”b、22”c)的中心部分的等角距离对称地布置。

根据本介绍的实施方式，减小的径向厚度的所述至少一部分是连接结构(22”a、22”b、22”c)的中心部分(22”c)。

图2B是根据本介绍的实施方式的谐振器20的顶视图，该谐振器包括多个同轴环22，其中，相邻的同轴环22具有相邻的周边24，并且通过沿着相邻的周边24规则布置的多个连接结构26附接在一起。根据本介绍的实施方式，环22各自包括至少一个第一环部22’和至少一个第二环部22”(22”a、22”b、22”c)，第一环部具有第一径向厚度(环的大部分的径向厚度)，第二环部在各个连接结构附近，具有减小的径向厚度(小于第一径向厚度的第二径向厚度)，由此形成铰接槽型切口接头。根据本介绍的实施方式，并且如图2B例示，环22的具有与部分22’相同的厚度的两个部分22”’将减小厚度部分22”c与减小厚度部分22”a和22”b分离。

图3是图2A所例示的谐振器20的一部分的立体图。

图4包括曲线图，该曲线图例示了使用根据本介绍实施方式的谐振器的陀螺仪(其片段在图4右侧的立体图中看到)在15kHz的频率下可以实现148000(1.48E5)的热弹性阻尼限制的品质因数(QTED)。模拟用于实施方式的QTED数据(圆圈和三角形)。SOA DRG(已知谐振器)测得的Q(黑色圆圈)为80000。图4示出了具有N＝2模态谐振频率的、使用根据本介绍的实施方式的谐振器的陀螺仪的QTED，是具有稍低的N＝2模态谐振频率(14kHz)的现有技术的圆盘谐振器陀螺仪的QTED的1.85倍，并且是具有相同N＝2模态谐振频率的常规圆盘谐振器陀螺仪的3.0倍。在图4中，蓝色三角形标记使用根据本介绍的谐振器的陀螺仪的QTED；并且圆圈表示可能的圆盘谐振器陀螺仪设计，黑色圆圈标记已知的圆盘谐振器陀螺仪设计。图4中的虚线示出了现有技术DRG的性能障碍。

发明人已经表明，与已知的圆盘谐振器陀螺仪相比，使用根据本介绍的实施方式的谐振器的陀螺仪可以在大于15kHz的频率下操作而不会损害包括振动不灵敏性和电频率调谐范围的其他性能方面。

图5例示了两个陀螺仪的QTED：一个陀螺仪使用环如图5例示的连接的已知谐振器(圆圈标记)，并且一个陀螺仪使用根据本介绍的实施方式的谐振器，该谐振器具有相同的环径向宽度(和轴向高度)，但是具有减小的径向宽度，如关于图2A所公开且图5例示的(三角形标记)。该图中的HSVG和DRG谐振器具有相同的环(图2A中的标签22)宽度。可以看出，在没有铰链和槽型切口(径向厚度减小的环部)的情况下，常规DRG具有更高的谐振频率和更低的QTED。

根据本介绍的实施方式的谐振器具有比具有相同环径向宽度的已知谐振器低的N＝2模态谐振频率(因为在根据本介绍的实施方式的谐振器中，两个环之间的连接更顺应)，而根据本介绍的实施方式的谐振器的振动谐振频率优选地高于应用振动频谱(<10kHz；陀螺仪在运行期间将看到的振动频谱频率范围)，如图5所示。图5示出了使用根据本介绍的实施方式的谐振器的陀螺仪的QTED可以是具有相同环宽度的常规圆盘谐振器陀螺仪的QTED的2.3倍。

图6A至图6D例示了包括根据本介绍的实施方式的谐振器的陀螺仪的制造过程。如图6A例示，通过以下方式形成背面对齐靶40：蚀刻基板42，例如，Si(硅)基板，该基板42通过另一Si晶片46的背面上的部分牺牲层44来附接，由此形成SOI晶片47；然后图案化背面金属层48(例如，这允许随后芯(die)附接到无引线芯片载体封装)。

如图6B例示，然后在SOI晶片47正面上的基板(在此为Si)46中蚀刻正面对齐目标50，然后对正面金属层进行图案化，以形成电触点52。

如图6C例示，谐振器结构的环22(例示了两个)和中心支撑件28例如通过以下方式来形成：对基板46(在此为Si)进行深反应离子蚀刻(DRIE)，暴露层44(埋入氧化物)的部分，用于氢氟酸(HF)底切，以释放步骤四中的结构，如图6D所示。

如图6D例示，通过蚀刻掉(例如，使用氢氟酸(HF))维持环22的层44的部分(同时将层44的一部分保持在中心支撑件28下方，以保持谐振器附接到基板42)来完成谐振器。

图7a例示了根据本介绍的实施方式的谐振器的环22的连接结构26的实施方式，其中，环22的减小的径向厚度部分22”由径向凹部60形成，该径向凹部从附接到环22的一周边的连接结构26的中心朝向环22另一周边径向形成。在所例示的实施方式中，径向凹部60形成环之间的连接结构中的椭圆形切口。

图7b例示了根据本介绍的实施方式的谐振器的环22的连接结构26的实施方式，其中，环22的减小的径向厚度部分22”由径向凹部34形成，该径向凹部从环22的远离附接到环的连接结构的周边朝向连接结构26径向形成。

图7c例示了根据本介绍的实施方式的谐振器的环22的连接结构26的实施方式，其中，对于通过连接结构26附接的两个环22，至少第一环22包括由径向凹部62形成的减小的径向厚度部分22”，该径向凹部从第一环22的远离连接结构26的周边朝向附接到连接结构26的第二环22径向地形成到连接结构26中。如图7c例示，径向凹部62可以具有大于第一环22的径向厚度的径向长度(在这种情况下，其减小的厚度的部分22”具有零厚度)，并且可以具有大于第一环22和连接结构26的径向厚度之和的径向长度(在这种情况下，第二环22也具有厚度减小的部分22”)。如图7c例示，在根据本介绍的实施方式的谐振器中，形成在连续的环22对中的径向凹部全部可以沿相同的径向方向(从图7c中的图的右侧的环22的周边开始)形成。

图7d与图7c基本相同，但是具有沿与图7c中的方向相反的方向形成的径向凹部62。

图7e与图7c或图7d基本相同，除了对于由成对的连接结构26附接的环22对的各个对，谐振器包括沿相反方向形成的径向凹部62的对。

图7f例示了根据本公开的实施方式的谐振器的单对环22的一部分，其由连接结构26附接，其中，各个环22在连接结构26的径向轴线的各侧上包括径向厚度减小的两个环部22”a、22”b，这两个环部沿着垂直于环的轴线的平面(即，图2A中的纸的平面)遵循椭圆形的一部分。如图7f例示，连接结构26的角宽度径向地变化，使得由连接结构26附接的环的减小的径向厚度的环部22”a或22”b的周边以及接合这些环部的连接结构26的边缘遵循泪珠形曲线(借此，环22的周边及其到连接结构26的接合处不包括锐角)。

图7g例示了根据本公开的实施方式的谐振器的单对环22的一部分，该部分由连接结构26附接，这类似于图7f所例示的实施方式，但是其中，各个环22包括减小的径向厚度的三个环部22”a、22”b以及22”c。在连接结构26的径向轴线的各个侧上的两个第一环部22”a和22”b与图7f所公开的环部相同。另外，减小的径向厚度的第三环部22”c由径向凹部34形成，该径向凹部从环22的远离连接结构26的周边朝向连接结构26形成。如图7g例示，径向凹部遵循三角函数，使得环周边与凹部之间的接合不包含锐角。

图7h例示了本介绍的实施方式，该实施方式与图7g的实施方式的不同之处在于具有连接结构26和比图7g在角度上更宽的凹部34，其中，凹部34的最深点基本上是平坦的(垂直于连接结构26的径向轴线)。

图7i例示了根据本公开的实施方式的谐振器的环22的一部分，该部分通过连接结构26附接，其中，各个环22包括径向厚度减小的三个环部22”a、22”b以及22”c，这三个环部相对于连接结构26的径向轴线对称地布置，这与例如图2A所例示的实施方式相同，除了连接结构26的角宽度不径向地变化，使得由连接结构26附接的环的径向厚度减小的环部22”a或22”b的周边以及接合这些环部的连接结构26的边缘遵循矩形曲线。

图8A是使用根据本介绍的实施方式的谐振器20的陀螺仪的一部分的顶视图，该谐振器具有同心环22，这些同心环22通过规则地布置在环的周边上的连接结构26附接在一起。图8B示出了图8A的陀螺仪的一部分的放大图，该部分具有：周边电极80(图8B中示出了两个)，该周边电极用于驱动谐振器或感测谐振器的运动；以及周边电极82，该周边电极可以是接地谐振器。图8A至图8E是“负”图，其中，诸如环之间的较暗区域表示白色材料区域之间的空隙或空间。

如表示图8B所示的放大部分的放大图的图8C和图8D例示，附接到同一环22的各个周边的连接结构26径向偏移。图8C示出了谐振器20的最外环22的内周通过第一连接结构26附接到谐振器20的第二最外环22的外周。

如图8C例示，谐振器20的第二最外环22的内周不通过第二连接结构26附接到第三最外环22的外周，该第二连接结构26将与第一连接结构26径向对齐。如图8D例示，谐振器20的第二最外环22的内周通过第二连接结构26附接到第三最外环22的外周，该第二连接结构与第一连接结构26成角度地偏移(偏移角度π/N，其中，各个环通过N个连接结构26连接到下一个环)。

如图8E例示，谐振器20的最内环22可以通过连接结构26连接到中心支撑件28，该连接结构的径向长度与将环22连接在一起的连接结构26相同。

另选地，并且如图2A例示，谐振器20的最内环22可以通过连接结构连接到中心支撑件28，该连接结构的径向长度相对于将环22连接在一起的连接结构26的径向长度减小。如图8例示，中心支撑件28的外周可以包括径向长度减小的区域，这些区域被布置为与最内环22的径向宽度减小的面向内的部分匹配。

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。

Claims (20)

1.一种谐振结构，该谐振结构包括至少两个同轴环，其中，

相邻的同轴环具有相邻的周边，并且通过沿着所述相邻的周边规则布置的多个连接结构附接在一起；并且

第一环具有：第一环部，该第一环部具有第一径向厚度；和第二环部，该第二环部在第一连接结构附近，具有小于所述第一径向厚度的第二径向厚度。

2.根据权利要求1所述的谐振结构，其中，所述至少两个同轴环和所述多个连接结构由单个平面基板制成。

3.根据权利要求1所述的谐振结构，其中，所述第二环部向所述第一连接结构的径向轴线的第一侧成角度地偏移。

4.根据权利要求1所述的谐振结构，其中，所述第一连接结构的角厚度沿着所述第一连接结构的径向轴线变化。

5.根据权利要求1所述的谐振结构，其中，所述第一环部与所述第一连接结构的径向轴线对齐。

6.根据权利要求3所述的谐振结构，其中，所述第二环部由第一径向凹部形成，该第一径向凹部从所述第一环的远离所述第一连接结构的周边朝向所述第一连接结构形成。

7.根据权利要求6所述的谐振结构，其中，所述第一环的在所述第二环部中的周边，沿着垂直于所述环的轴线的平面，遵循在以下形状中选择的形状的部分：

圆形；

椭圆形；以及

矩形。

8.根据权利要求6所述的谐振结构，包括：

第二环，该第二环通过所述第一连接结构同心地附接到所述第一环；以及

第三和第四同心环，该第三和第四同心环通过与所述第一连接结构径向对齐的第二连接结构附接在一起；其中，所述第三环具有第三环部和第四环部，第三环部具有第三径向厚度，第四环部具有小于所述第三径向厚度的第四径向厚度；所述第四环部与所述第二环部径向对齐；

所述第四环部由第二径向凹部形成，该第二径向凹部从所述第三环的远离所述第二连接结构的周边朝向所述第二连接结构形成。

9.根据权利要求8所述的谐振结构，其中，所述第一环和所述第二环中的一个通过多个规则布置的连接结构附接到所述第三环和所述第四环中的一个，所述多个规则布置的连接结构从附接所述第一环和所述第二环的连接结构成角度地偏移。

10.根据权利要求8所述的谐振结构，其中，相同数量N的连接结构将每个环附接到相邻的环；并且其中，附接到每个环的内周和外周的连接结构彼此成角度地偏移π/N。

11.根据权利要求8所述的谐振结构，其中，所述第一径向凹部和所述第二径向凹部沿相同的径向方向形成。

12.根据权利要求8所述的谐振结构，其中，所述第一径向凹部和所述第二径向凹部沿相反的径向方向形成。

13.根据权利要求6所述的谐振结构，包括：

第二环，该第二环通过所述第一连接结构同心地附接到所述第一环；其中，所述第二环具有第三环部和第四环部，所述第三环部具有第三径向厚度，所述第四环部具有小于所述第三径向厚度的第四径向厚度；所述第四环部与所述第二环部径向对齐；

所述第四环部由第二径向凹部形成，该第二径向凹部从所述第二环的远离所述第一连接结构的周边朝向所述第一连接结构形成。

14.根据权利要求6所述的谐振结构，其中，所述第一径向凹部形成到所述第一连接结构中。

15.根据权利要求14所述的谐振结构，其中，所述第一径向凹部形成到第二环中，该第二环通过所述第一连接结构同心地附接到所述第一环。

16.根据权利要求3所述的谐振结构，其中，所述第一减小的径向厚度由第一径向凹部形成，该第一径向凹部从所述第一连接结构的中心朝向所述第一环的远离所述第一连接结构的周边形成。

17.根据权利要求3所述的谐振结构，其中，所述第一连接结构的角厚度沿着所述第一连接结构的径向轴线变化。

18.一种谐振结构，该谐振结构包括多个同心环状结构；每个环状结构包括具有恒定的径向厚度的多个环段；和

多个连接结构；每个连接结构将两个相邻的环状结构的多个环段附接在一起；其中，

每个连接结构的至少一部分具有减小的径向厚度，该减小的径向厚度小于其连接的两个相邻环状结构的径向厚度之和。

19.根据权利要求18所述的谐振结构，其中，每个连接结构包括减小的径向厚度的至少两个部分，所述至少两个部分以离所述连接结构的中心部分相等的角距离对称布置。

20.根据权利要求18所述的谐振结构，其中，所述减小的径向厚度的至少一部分是所述连接结构的中心部分。

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