CN117948955A - 具有沿竖直轴线的角速度检测的微机电陀螺仪 - Google Patents
具有沿竖直轴线的角速度检测的微机电陀螺仪 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117948955A CN117948955A CN202311420098.1A CN202311420098A CN117948955A CN 117948955 A CN117948955 A CN 117948955A CN 202311420098 A CN202311420098 A CN 202311420098A CN 117948955 A CN117948955 A CN 117948955A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- stator
- horizontal axis
- substrate
- bridge element
- electrode
- 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.)
- Pending
Links
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 67
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 65
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims abstract description 8
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 15
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 15
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 15
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 6
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 3
- 238000004873 anchoring Methods 0.000 abstract description 26
- 230000008859 change Effects 0.000 description 10
- 230000006870 function Effects 0.000 description 6
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 5
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 4
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 4
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 description 3
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 2
- 101100011794 Caenorhabditis elegans epi-1 gene Proteins 0.000 description 1
- 230000005483 Hooke's law Effects 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000001413 cellular effect Effects 0.000 description 1
- 239000003086 colorant Substances 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 238000005538 encapsulation Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000006353 environmental stress Effects 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 230000006355 external stress Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000010295 mobile communication Methods 0.000 description 1
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 1
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- 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
- G01C19/5642—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using vibrating bars or beams
- G01C19/5656—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using vibrating bars or beams the devices involving a micromechanical structure
-
- 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
- G01C19/5642—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using vibrating bars or beams
- G01C19/5649—Signal processing
-
- 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
- G01C19/5642—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using vibrating bars or beams
- G01C19/5663—Manufacturing; Trimming; Mounting; Housings
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Gyroscopes (AREA)
Abstract
本公开涉及具有沿竖直轴线的角速度检测的微机电陀螺仪。微机电陀螺仪具有检测结构，该检测结构具有可移动结构，该可移动结构悬置在衬底上方，以便根据围绕竖直轴线的角速度来执行沿第一水平轴线的感测移动。该可移动结构具有至少一个驱动质量块，该驱动质量块在内部限定窗口，该窗口在锚定区域处通过弹性锚定元件弹性地耦合到转子锚；至少一个桥元件，该桥元件是刚性的并且由导电材料制成，悬臂式悬置并且在该窗口内沿着该第一水平轴线延伸，弹性地耦合到该驱动质量块上；可移动电极，由具有沿着第二水平轴线的延伸部的桥元件整体地承载。
Description
技术领域
本公开涉及一种(MEMS-微机电传感器-类型的)微机电陀螺仪，其具有沿竖直轴线(z轴线)的角速度检测，具有改善的性能，特别是具有关于应力或外部刺激的改善的稳定性，所述应力或外部刺激构成关于要检测的量(角速度)的扰动。
背景技术
MEMS陀螺仪是已知的，其检测结构包括至少一个可移动质量块，也被定义为“转子质量块”(不必意味着旋转移动)，该可移动质量块被布置为悬置在衬底上方，并具有在静止状态下平行于同一衬底的水平面和顶面的主延伸平面。
当以某一角速度的旋转施加到以线性速度驱动的MEMS陀螺仪的可移动质量时，可移动质量感测称为科里奥利(Coriolis)力的表观力(apparent force)，该表观力确定其在与线性驱动速度的方向和与上述旋转发生所围绕的轴线两者垂直的方向上的位移。可移动质量由允许其在表观力的方向上移动的弹性元件支撑。根据胡克定律，位移与该表观力成比例，因此表示科里奥利力和要检测的角速度值。
特别地，在沿着竖直轴线z具有检测能力的陀螺仪的情况下，沿着水平面的第一轴线实施线性驱动，并且围绕与同一水平面正交的竖直轴线(z轴线)检测角速度，从而沿着水平面的第二水平轴线(与第一水平轴线正交)发生由于科里奥利效应引起的可移动质量的位移。
以电容方式检测可移动质量的位移，在谐振条件下确定由可移动质量相对于固定感测电极(所谓的“定子电极”)的移动引起的电容变化，所述固定感测电极与可移动质量或与同一可移动质量集成的可移动电极形成电容耦合，且所得检测电容器具有作为待检测量的函数的可变电容。
可移动块(以及，如果有的话，相关的可移动电极)通过弹性元件耦合到相应的转子固定器(与衬底集成)，所述弹性元件适当地配置为允许驱动和角速度检测移动。
定子电极又通过各自的定子锚以固定的方式整体地耦合到衬底，定子锚彼此不同并且相对于转子锚分开。
特别地，在检测结构中，上述转子和定子锚具有双重功能，即朝向衬底的机械锚定以及用于偏置相应的定子电极和可移动质量(以及相关联的可移动电极)以及用于检测电容变化信号的电耦合。
以已知的方式，MEMS陀螺仪的检测结构通常与相关联的ASIC(专用集成电路)电子电路一起容纳在封装内，所述ASIC代表其朝向外部环境的机械和电接口，例如朝向其中使用相同MEMS陀螺仪的电子器件的机械和电接口。
影响MEMS陀螺仪(以及通常具有电容型检测结构的MEMS传感器)的问题是由于当应力和变形发生时可能出现测量误差，特别是当温度和/或环境条件变化时或由于机械应力，由于与封装的相互作用而在检测结构中引起的测量误差。
例如，由于不同的热膨胀系数和不同的组成材料的杨氏模量的不同值，MEMS传感器的封装随着温度变化而经受变形，导致检测结构的衬底的相应变形；由于材料的老化，或例如在将封装焊接在印刷电路上期间由外部环境引起的特定应力，或由于形成同一封装的材料对湿气的吸收，可能发生类似的变形。
如图1中示意性示出的，在存在衬底2的变形的情况下，例如由于与温度梯度相关联的热应力，可能发生同一衬底2的顶表面2a的变形(或弯曲)(图1以强调的方式示出了这种变形，出于说明清楚的原因)；相对于初始静止状态，即在没有待检测的角速度的情况下，这种变形可能引起(entail)定子锚(在此由3a和3b表示)(作为示例，它们中的两个在上述图1中示出)和转子锚(在此由4表示)之间的相互距离的变化。
因此，在静止状态下，对于在相同的可移动质量和定子电极之间形成的检测电容器，会发生不希望的电容变化，从而导致MEMS陀螺仪的所谓零速率水平(ZRL)的变化。该变化也可作为温度的函数变化，或者通常作为能够引起相同衬底变形的所有外部效应的函数变化。
因此，本质上，在静止状态下，由MEMS陀螺仪提供的输出信号发生变化(所谓的“漂移”)，例如上述ZRL电平以及角速度检测中的结果误差。
还修改了MEMS陀螺仪的所谓比例因子(SF)，即，所提供的输出与由同一MEMS陀螺仪检测到的角速度之间的比率。
总体上，所描述的现象确定了在同一MEMS陀螺仪的寿命期间由MEMS陀螺仪提供的检测输出的不稳定性，该检测输出在下文中表示为Ωout，检测输出由MEMS陀螺仪的寿命期间的输入角速度的函数提供，输入角速度表示为Ωin，该函数可以表示为：
Ωxut＝SF·Ωin+ZRL。
为了克服这个缺点，已经提出了各种解决方案，一些提供检测结构的机械优化，另一些提供电子补偿；然而，已知的解决方案并不完全令人满意，通常具有复杂的结构和/或需要高能量消耗，并不总是与其中使用MEMS陀螺仪的便携式或可佩戴的应用兼容。
发明内容
本公开至少部分地针对先前突出提出的问题，以便提供一种MEMS陀螺仪，该MEMS陀螺仪相对于外部刺激(例如热变化，机械或环境应力或其他各种外部刺激)具有改善的稳定性以及其电特性的减小的漂移。
附图说明
为了更好地理解本公开，现在仅通过非限制性示例并参考附图来描述其优选实施例，其中：
图1是在存在对应衬底的变形的情况下MEMS陀螺仪的检测结构的一部分的示意性表示；
图2A是根据本解决方案的第一实施例的MEMS陀螺仪的检测结构的示意性平面图；
图2B是沿着剖面线II-II截取的图2A的检测结构的示意性截面图；
图3是另一个实施例中的检测结构的示意性平面图；
图4是图3的检测结构的公共锚定区域的示意性截面图；
图5是根据本解决方案的另一个实施例的MEMS陀螺仪的检测结构的更详细的平面图；以及
图6是其中可以使用MEMS陀螺仪的电子设备的示意性框图。
具体实施方式
如将在下面详细描述的，本解决方案的一个方面设想形成具有沿着竖直轴线z的检测电容的MEMS陀螺仪的检测结构，使得可移动质量块(转子)和固定电极(定子)在共同的锚定区域处机械地耦合到衬底(整体地耦合到同一衬底)，该共同的锚定区域在水平面中彼此紧密接近地具有减小的延伸，该固定电极电容性地耦合到可移动质量块以限定至少一个检测电容器；以这种方式，由衬底中的封装引起的可能变形以基本相等的方式冲击在可移动质量(和相关的可移动电极)和定子电极上，使得检测对变形有效地不敏感，从而避免由相同的MEMS陀螺仪提供的静止输出信号的修改(和所谓的ZRL电平的漂移)。
根据本解决方案的一个方面，检测结构包括彼此独立的导电材料(特别是外延硅)的两个叠加的结构层，其被适当地处理(例如，通过沟槽蚀刻和牺牲层的去除)以限定检测结构的结构元件，结构元件至少部分地彼此叠加。
如将在下面详细描述的，在底部结构层(插置在衬底和顶部结构层之间)中，限定了定子结构的电极和相同电极朝向公共锚定区域的连接，特别是用于在相同锚定区域处将定子电极整体地机械耦合到衬底。在顶部结构层中，限定了转子结构，特别是限定了相同转子结构的桥元件，该桥元件被配置为悬置在定子电极上方(在相同的定子电极上方经过)并且承载相应的可移动电极，使得相同的可移动电极以所谓的“完全双差分”电容耦合架构(即，其中相同的转子电极耦合到被设定为给定偏置电压的第一组定子电极，使得它们的移动引起第一电容变化；以及第二组定子电极，所述第二组定子电极被设置为相同的偏置电压，使得它们的移动引起第二电容变化，所述第二电容变化与所述第一电容变化相等且相对)。
通过上述叠加的结构层形成检测结构可以例如通过在同一申请人名下的EP3912953A1中详细描述的制造工艺来执行。
总之，该工艺提供了在例如单晶硅的衬底上生长第一厚外延层，该外延层叠加在电介质材料的第一牺牲层上，然后通过化学蚀刻(例如，通过氢氟酸蒸气)将其部分去除。第一牺牲层具有开口，在该开口处限定用于上述第一外延层的衬底的锚定区域。
第一外延层是第一结构层，其中例如通过硅的干化学蚀刻形成第一沟槽(空的，或随后填充有介电材料)，其限定检测结构的结构元件或相同结构元件的底部部分(即，更靠近衬底)；在第一牺牲层下面，在到上述第一外延层的衬底的锚定区处形成导电区(限定焊盘和电互连)，以便允许上述结构元件的电偏置。
随后，制造工艺设想在第一外延层上形成由介电材料制成的第二牺牲层，并且限定相同的第二牺牲层以用于形成由开口相互隔开的牺牲区。
然后在第一外延层上和牺牲区上形成例如具有比第一外延层更小厚度的第二外延层；第二外延层在前述开口处与第一外延层直接接触，并且是第二结构层，其中通过形成第二沟槽部分地限定检测结构的结构元件或相同结构元件的顶部部分(即，远离衬底)。
然后，该工艺设想再次通过化学蚀刻(例如通过氢氟酸蒸气)部分或完全去除牺牲区域，以便至少部分地释放检测结构的结构元件。
在蚀刻之后，第二外延层的区域可以是：与第一外延层的下层区域直接(机械和电)接触并且可能与下层衬底接触；通过空区(间隙)与下面的第一外延层隔开，以便悬置在同一第一外延层上方；或通过蚀刻第二牺牲层而保留的介电区域耦合到(且电绝缘于)同一第一外延层。
参考图2A的平面图和图2B的对应截面图，现在将参考微机电(MEMS)陀螺仪的检测结构10来描述本解决方案的第一实施例，该检测结构用于检测围绕与同一检测结构10的主延伸部的水平面xy正交的竖直轴线z的角速度Ωz。
详细地，检测结构10包括可移动(或转子)结构12，该可移动(或转子)结构12被布置为悬置在具有顶表面13a的衬底13上方，该衬底具有顶表面13a并且例如是半导体材料的(特别是硅)；在静止时，可移动结构12具有在水平面xy中的主延伸部，并且平行于衬底13的顶面13a布置。
该可移动结构12包括驱动质量块14，该驱动质量块具有基本上框架形状，在该示例中在水平面xy中总体上是矩形的，在内部限定了窗口16；相同的可移动结构12还包括桥元件18，该桥元件18是刚性的并且由例如外延硅(或合适的金属)的导电材料制成，该桥元件18在窗口16内延伸，相对于衬底13悬臂式悬置，在该示例中，该桥元件18在水平面xy中具有基本上矩形的形状，具有沿第一水平轴线x的主延伸部。
特别地，驱动质量块14通过弹性锚定元件21(这里示意性地示出)在锚定区域A处通过转子锚20’弹性地耦合到转子锚定结构20，转子锚定结构20与衬底13一体，弹性锚定元件21配置为屈服于驱动质量块14沿水平面xy的第二水平轴线y(与第一水平轴线x正交)的驱动移动，并且替代地相对于沿其他方向(特别是沿第一水平轴线x)的移动是刚性的。
上述桥元件18通过具有折叠构造的弹性耦合元件22弹性地耦合到驱动质量块14，该弹性耦合元件22配置为使得桥元件18在沿第二水平轴线y的驱动移动期间与驱动质量块14成一体，并且还使得在存在围绕竖直轴线z的待检测量(角速度或加速度)的情况下允许同一桥元件18沿第一水平轴线x的感测移动。桥元件18的这种感测移动与前述驱动质量块14的驱动移动解耦且独立。
详细地，桥元件18相对于第二水平轴线y布置在窗口16的中心，并且在其沿着第一水平轴线x的第一纵向端部处弹性地耦合到驱动质量块14的框架。
上述转子锚定结构20相对于第二水平轴线y的方向以一定的间隔距离沿第一水平轴线x(与上述第一端部相对)布置在窗口16的中央，与同一桥元件18的第二纵向端部隔开一定的距离。
驱动质量块14的框架通过叠加上述第一和第二结构层形成，在图2A、图2B中由L1和L2表示，因此具有第一厚度，而桥元件18形成在单独的第二结构层L2中(相对于衬底13的顶表面13a布置在更大距离处)，因此具有小于上述第一厚度的第二厚度。
检测结构10的可移动结构12还包括可移动(转子)电极23，该可移动(转子)电极23由窗口16内的桥元件18整体承载，并具有沿第二水平轴线y的延伸部，在该示例中，该延伸部在水平面xy中为大致矩形形状(并且相对于第一水平轴线x对称布置)。
在可能的实施方式中，这些可移动电极23通过叠加上述第一和第二结构层L1和L2而形成。
检测结构10还包括第一定子元件和所述第二定子元件24，25，它们布置在窗口16内，在相对于第一水平轴线x和相对于桥元件18的相对侧上，在衬底13上方的悬置结构中。
上述第一定子元件和所述第二定子元件24，25在其一端通过相应的第一定子锚和所述第二定子锚26，27(耦合到同一衬底13的顶表面13a)一体地耦合到衬底13。
根据本方案的一个方面，这些第一定子锚26和第二定子锚27被布置在前述锚定区域A处，紧邻转子锚20’(具体地，在通过制造工艺例如通过用于限定前述第一结构层L1和第二结构层L2而执行的光刻蚀刻工艺而可能的最小距离处)。例如，基于设计需要，上述距离可以从数分之一微米到数微米之间变化，而上述锚定区域A可以在水平面xy中具有包括在数十与数百平方微米之间的延伸。
更详细地，第一定子元件和所述第二定子元件24，25中的每一个包括第一部分，该第一部分具有沿着第一水平轴线x的纵向延伸；以及第二部分，其布置在锚定区域A附近，沿第二水平轴线y延伸，并将前述第一部分耦合至相应的第一或第二定子锚26，27。
根据本解决方案的一个方面，第一定子元件和所述第二定子元件24，25的上述第一部分分别承载第一，第二定子电极28，29，所述第一，第二定子电极28，29具有沿着第二水平轴线y的纵向延伸部(在该示例中，在水平面xy中具有基本上矩形的形状)，与上述可移动电极22呈交指型构造，以便限定上述完全双差分架构。
具体地，第一定子电极28被布置为在相对于第一水平轴线x的第一侧上面对相应的可移动电极23；第二定子电极29在相对于第一水平轴线x的第二侧以相同的相对间隔距离面向相同的可移动电极23布置(以便在静止时限定相同的电容耦合)。在该示例中，可移动电极23插置在相应的第一定子电极28和相应的第二定子电极29之间。
特别地，上述第一和第二定子电极28，29形成在唯一的第一结构层L1中，以便布置在桥元件18下方，与同一桥元件18相距一定的分隔距离(间隙)。换言之，桥元件18在上述第一和第二定子电极28，29以及相同的可移动电极23上方纵向延伸，在其纵向延伸方向上(在沿着第一水平轴线x的示例中)经过它们。
在操作期间，可移动结构12的驱动质量块14在第二水平轴线y的方向上被致动(通过驱动电极结构，为了简单起见在此未示出)，使得桥元件18由于科里奥利力并且在有待围绕竖直轴线z检测的角速度的存在下执行在第一水平轴线x的方向上的感测移动。
该感测移动引起检测电容器的电容变化，该检测电容器由同一桥元件18承载的可移动电极23与第一和第二定子电极28，29之间的完全双差分配置中的电容耦合形成。
要强调的是，可移动电极23的偏置是通过前述导电材料的桥元件18来执行的，该桥元件18又通过弹性耦合元件22，驱动质量块14和弹性锚定元件21(也是导电材料的)与转子锚20’(以及相关联的电耦合元件，例如形成在衬底13上的连接焊盘或轨道，这里未示出)电连接。
类似地，定子电极28，29分别通过第一定子元件(第二定子元件24，25)和第一定子锚(第二定子锚26，27)以不同的电势被电偏置。
有利地，将转子和定子结构锚定在相同的锚定区域A处确保了定子电极28，29与可移动电极23之间的静止距离在操作条件变化时基本不变，从而导致零速率水平(ZRL)和比例因子(SF)的稳定性增加。
如图3所示，另一个实施例可以使MEMS陀螺仪的检测结构10具有相对于第二水平轴线y(除了第一水平轴线x之外)居中的对称构造，其中两个半部相对于平行于同一第二水平轴线y的中轴线M镜像对称并且居中地横穿转子锚20’。
在这种情况下，这里由10a和10b表示的每个半部(附图标记'a'和'b'用于标识两个半部10a，10b中的相应结构元件)以与先前所讨论的类似的方式形成，其中存在前述转子锚20，其对于两个半部10a，10b的驱动质量14a，14b是唯一的。
在操作期间，两个半部10a，10b的前述驱动质量块14a，14b在平行于第二水平轴线y的相对方向上被致动(例如以交替的往复移动)；因此，在存在待检测的角速度的情况下，两个半部10a，10b的桥元件18a，18b以相应的方式在第一水平轴线x的方向上移动。
图4示出了关于检测结构10的公共锚定区域A的示意性截面图，参考前述图3的实施例。
特别地，两个半部10a，10b的转子锚20’与定子锚26a，27a和26b，27b之间的紧密相互接近被加下划线，导致在静止时在可移动电极23a，23b与面对的定子电极28a，29a和28b，29b之间的间隙(由g表示)中没有变化。
图5更详细地示出了图3的检测结构的可能实现。
特别地，强调的是，在该图5中，结构元件用不同的颜色表示，取决于它们是否形成为：单独的第一结构层L1(这里也由Epi1表示)；单独的第二结构层L2(这里也由Epi2表示)；在两个结构层L1和L2中。衬底13上的锚(Anc)也被突出显示。
特别地，该图5还示出了驱动电极结构的存在，其整体由35a，35b表示，布置在驱动质量14a，14b的框架内，特别是在平行于第二水平轴线y的相应侧，布置在距转子锚20’和距中轴线M更大距离处。
这些驱动电极结构35a，35b包括由前述驱动质量块14a，14b的框架承载的可移动驱动电极36a，36b，以及与前述可移动驱动电极36a，36b交错的固定驱动电极37a，37b(与衬底13集成)。
在前述图5所示的实施例中，每个半部10a，10b的弹性锚定元件21a，21b各自包括：第一臂38a，38b沿第一水平轴线x纵向延伸，第二臂39a，39b沿第二水平轴线y纵向延伸。
特别地，在每个半部10a，10b中，第一臂38a，38b在相关联的驱动质量块14a，14b的框架与相应的第二臂39a，39b之间在平行于第二水平轴线y的前述侧面处延伸并且被放置在距转子锚20'更大距离处；第二臂39a，39b在相应的第一臂38a，38b和转子锚定结构20之间沿第二水平轴线y在同一转子锚定结构20的相对侧上延伸。
此外，在图5所示的实施例中，两个半部10a，10b的定子锚26a，27a，26b，27b布置(在该示例中沿第二水平轴线y对齐)在转子锚20的结构中横向形成的凹部40处，从而彼此更接近且更接近于转子锚20’。
图5的检测结构10的操作并不偏离上面已经说明和讨论的，特别是参考图3。
参考图6，现在描述电子器件41，其中可以使用微机电陀螺仪42。
除了上述检测结构10之外，微机电陀螺仪42还包括ASIC电路43，该ASIC电路43提供相关的读取接口(并且可以形成在其中形成检测结构10的相同管芯中，或者形成在仍然可以容纳在相同封装中的不同管芯中)。
电子器件41例如是便携式移动通信器件，例如蜂窝电话，PDA(个人数字助理)，便携式计算机，但也可以是能够进行语音记录的数字音频播放器，照相机，视频游戏控制器等；电子器件41通常能够处理，存储和/或发送和接收信号和信息。
电子器件41包括：微处理器(CPU)44，其接收由检测结构10检测的信号；以及输入/输出接口45，其例如布置有键盘和显示器，耦合到微处理器44。此外，电子器件41可以包括可操作地耦合到微处理器44的内部存储器48。
根据本解决方案的微机电陀螺仪的优点从以上描述中变得清楚。
在任何情况下，再次强调的是，本解决方案实质上允许消除MEMS陀螺仪42的检测结构10的电性能的漂移，电性能的漂移是由于在存在外部应力和激励的情况下衬底13的变形，例如由于温度变化或机械应力，例如由焊接到印刷电路或由不同性质的原因(例如老化或湿气吸收)引起的。
因此，检测结构10是极其稳定的，而与相应封装中的组件的操作条件无关。特别地，上述零速率电平(ZRL)和比例因子(SF)的稳定性很高。
此外，假定检测机构没有被修改，以及感测电极相对于惯性质量的形状和布置基本上没有被修改，则一般检测性能(例如在灵敏度方面)相对于传统解决方案没有变化。
最后，清楚的是，在不脱离如所附权利要求所限定的本公开的范围的情况下，可以对本文所描述和示出的内容进行修改和变化。
特别地，很明显，微机电陀螺仪42的检测结构10可以在水平面xy中旋转(90°)，在这种情况下，驱动移动可以沿着第一水平轴线x发生，而感测移动可以沿着第二水平轴线y发生(在这种情况下，桥元件18沿着相同的第二水平轴线y定向)。
此外，检测结构10的各方面可以改变，而不需要对所提出的解决方案进行实质性修改。例如，可以在驱动质量块14的框架或同一桥元件18的水平面xy中提供不同的形状。
一种微机电陀螺仪(42)，提供有检测结构(10)，所述检测结构(10)具有衬底(13)，所述衬底(13)具有平行于水平面(xy)的顶表面(13a)，所述可移动结构(12)悬置在所述衬底(13)上方，并且被配置为在存在沿着与所述第一水平轴线(x)正交的所述水平面的第二水平轴线(y)的驱动移动的情况下，作为围绕与所述水平面(xy)正交的竖直轴线(z)的角速度(Ωz)的函数来执行沿着所述水平面的第一水平轴线(x)的感测移动；其中所述可移动结构(12)可以概括为包括至少一个驱动质量块(14)，至少一个驱动质量块(14)在内部限定窗口(16)并且通过弹性锚定元件(21)弹性地耦合到转子锚(20’)，所述转子锚(20’)在锚定区域(A)处与衬底(13)成一体；至少一个桥元件(18)，该桥元件是刚性的并且由导电材料制成，相对于该衬底(13)悬臂式悬置并且在该窗口(16)内延伸，弹性地耦合到该驱动质量块(14)；以及可移动电极(23)，在所述窗口(16)内由所述桥元件(18)整体承载；其中所述检测结构(10)进一步包括定子电极(28，29)，所述定子电极(28，29)以与所述可移动电极(23)交错的配置布置在所述窗口(16)中，所述定子电极(28，29)布置在所述桥元件(18)下方，与所述桥元件(18)相距一定的间隔距离，所述桥元件(18)在所述定子电极(28a，28b)上方纵向延伸。
所述检测结构(10)可以包括第一定子元件和所述第二定子元件(24，25)，该第一定子元件和所述第二定子元件被布置在该窗口(16)内，在相对于该桥元件(18)的相对侧上，处于该衬底(13)上方的悬置构造中并且通过对应的第一定子锚和所述第二定子锚(26，27)一体地耦合到该衬底(13)上；所述第一定子元件和所述第二定子元件(24，25)分别承载所述定子电极(28，29)的第一，第二电极。
所述第一定子元件和所述第二定子元件(24，25)中的每一个定子元件可以包括分别承载所述第一，第二定子电极(28，29)的第一部分；以及一个第二部分，该第二部分被布置在该锚定区域(A)处，该第二部分相应地将所述第一部分耦合到对应的第一，第二定子锚(26，27)。
所述第一定子锚和所述第二定子锚(26，27)可布置在所述锚定区域(A)处，靠近转子锚(20’)。
所述定子锚(26，27)可布置在转子锚定结构(20)中横向形成的凹部(40)处，以便彼此接近并接近所述转子锚(20’)。
所述第一定子电极(28)可以被布置为在相对于该第一水平轴线(x)的第一侧上面向对应的可移动电极(23)；并且在不存在所述角速度(Ωz)的情况下、第二定子电极(29)可以被布置为在相对于所述第一水平轴线的第二侧上以相同的静止相对间隔距离面向所述可移动电极。
所述锚定区域(A)可以在所述第二水平轴线(y)的方向上相对于所述窗口(16)居中地布置。
所述桥元件(18)可以在第二水平轴线(y)的方向上被布置在该窗口(16)中心并且可以在其沿着该第一水平轴线(x)的第一纵向端部处弹性地耦合到该驱动质量块(14)；所述转子锚(20’)可以沿第一水平轴线(x)与所述桥元件(18)的与所述第一端部相对的第二纵向端部间隔一定距离布置。
该陀螺仪可以包括第一和第二结构层(L1，L2)，这些结构层彼此重叠并且被布置在所述衬底(13)上方；其中所述桥元件(18)可以形成在所述第二结构层(L2)中，所述第二结构层(L2)相对于所述衬底(13)的所述前表面(13a)以更大的距离布置；并且所述定子电极(28，29)可以形成在所述第一结构层(L1)中，相对于衬底(13)的所述前表面(13a)以更小的距离布置。
所述驱动质量块(14)和所述可移动电极(23)可以形成在所述第一和第二结构层(L1，L2)二者中。
所述第一和第二结构层(L1，L2)可以是布置在所述衬底(13)的顶表面(13a)上的外延硅层。
所述桥元件(18)可以通过弹性耦合元件(22)弹性地耦合到该驱动质量块(14)，该弹性耦合元件被配置为使得该桥元件(18)在沿着该第二水平轴线(y)的对应驱动移动过程中与该驱动质量块(14)成一体，并且还使得在围绕该竖直轴线(z)存在所述角速度(Ωz)的情况下允许该同一桥元件(18)沿着该第一水平轴线(x)的感测移动。
桥元件(18)的感测移动可以相对于所述驱动质量块(14)的驱动移动解耦和独立。
所述定子电极(28，29)可以以完全双差分配置耦合到所述可移动电极(23)。
所述检测结构(10)可以具有相对于所述第一水平轴线(x)和第二水平轴线(y)中心对称的构造，其中两个半部(10a，10b)相对于平行于所述第二水平轴线(y)的中轴线(M)镜像对称并且在中心横穿所述转子锚(20’)，这两个半部中的每一个具有相应的驱动质量(14a，14b)和相应的桥元件(18a，18b)；其中，这两个半部(10a，10b)的对应的驱动质量块(14a，14b)可以被配置为在与该第二水平轴线(y)平行的方向上在相对的方向上被致动，以引起对应的桥元件(18a，18b)的对应的感测移动。
电子设备(41)可以被概括为包括微机电陀螺仪(42)和耦合到微机电陀螺仪(42)并被配置为接收指示所述角速度(Ωz)的检测信号的处理单元(44)。
上述各种实施例可以组合以提供另外的实施例。如果需要，可以修改实施例的各方面以采用各种专利，申请和出版物的概念来提供另外的实施例。
根据上述详细描述，可以对实施例进行这些和其它改变。通常，在下面的权利要求中，所使用的术语不应该被解释为将权利要求限制到在说明书和权利要求中公开的特定实施例，而是应该被解释为包括所有可能的实施例以及这些权利要求被授权的等同物的全部范围。因此，权利要求不受本公开的限制。
Claims (19)
1.一种微机电陀螺仪，包括：
检测结构，具有衬底，所述衬底具有平行于水平面的顶表面；以及
可移动结构，悬置在所述衬底上方并且被配置为在存在沿着所述水平面的第二水平轴线的驱动移动的情况下、作为围绕正交于所述水平面的竖直轴线的角速度的函数、沿着所述水平面的第一水平轴线执行感测移动，所述第二水平轴线正交于所述第一水平轴线，所述可移动结构包括：
至少一个驱动质量块，所述至少一个驱动质量块在内部限定窗口并且通过弹性锚定元件弹性地耦合到转子锚，所述转子锚在锚定区域处与所述衬底成一体；
至少一个桥元件，该桥元件是刚性的并且由导电材料制成，相对于所述衬底悬臂式悬置并且在所述窗口内延伸，弹性地耦合到所述驱动质量块；以及
可移动电极，在所述窗口中由所述桥元件整体地承载；
其中所述检测结构进一步包括定子电极，所述定子电极以与所述可移动电极交错的构造被布置在所述窗口中，所述定子电极被布置在所述桥元件下方与所述桥元件相距一定的间隔距离，所述桥元件在所述定子电极上方纵向地延伸。
2.根据权利要求1所述的陀螺仪，其中所述检测结构包括第一定子元件和第二定子元件，所述第一定子元件和所述第二定子元件布置在所述窗口内，在相对于所述桥元件的相对侧上，以悬置构造处于所述衬底上方，并且通过相应的第一定子锚和第二定子锚整体地耦合到所述衬底；所述第一定子元件和所述第二定子元件分别承载所述定子电极的第一电极和第二电极。
3.根据权利要求2所述的陀螺仪，其中所述第一定子元件和所述第二定子元件中的每个定子元件包括第一部分和第二部分，所述第一部分相应地承载所述第一定子电极和所述第二定子电极；并且所述第二部分被布置在所述锚定区域处，所述第二部分相应地将所述第一部分耦合到相应的第一定子锚和第二定子锚。
4.根据权利要求2所述的陀螺仪，其中，所述第一定子锚和所述第二定子锚被布置在所述转子锚附近的所述锚定区域处。
5.根据权利要求4所述的陀螺仪，其中所述定子锚被布置在所述转子锚定结构中横向形成的凹槽处，以便彼此靠近并且靠近所述转子锚。
6.根据权利要求2所述的陀螺仪，其中所述第一定子电极被布置为在相对于所述第一水平轴线的第一侧上面向相应的所述可移动电极；并且所述第二定子电极被布置为在不存在所述角速度的情况下、在相对于所述第一水平轴线的第二侧上以相同的静止相对间隔距离面向所述可移动电极。
7.根据权利要求1所述的陀螺仪，其中所述锚定区域在所述第二水平轴线的方向上相对于所述窗口被布置在中心。
8.根据权利要求7所述的陀螺仪，其中所述桥元件相对于所述第二水平轴线被布置在所述窗口的中心，并且在所述驱动质量块的沿所述第一水平轴线的第一纵向端部处弹性地耦合到所述驱动质量块；并且其中所述转子锚被布置为沿着所述第一水平轴线与所述桥元件的与所述第一末端部分相对的第二纵向末端部分相距一定间隔距离。
9.根据权利要求1所述的陀螺仪，包括第一结构层和第二结构层，所述第一结构层和所述第二结构层彼此叠置并且布置在所述衬底上方；其中所述桥元件被形成在所述第二结构层中，相对于所述衬底的前表面以更大的距离被布置；并且所述定子电极被形成在所述第一结构层中，相对于所述衬底的所述前表面以更小的距离被布置。
10.根据权利要求9所述的陀螺仪，其中所述驱动质量块和所述可移动电极被形成在所述第一结构层和所述第二结构层二者中。
11.根据权利要求9所述的陀螺仪，其中所述第一结构层和所述第二结构层是布置在所述衬底的所述顶表面上的外延硅层。
12.一种器件，包括：
微机电陀螺仪，其包括：
衬底；
可移动结构，悬置在所述衬底上方，所述可移动结构包括：
转子锚；
至少一个驱动质量块，所述至少一个驱动质量块具有窗口并且耦合到所述转子锚；
至少一个桥元件，所述至少一个桥元件相对于所述衬底悬臂式悬置并且在所述窗口内延伸；以及
可移动电极，在所述窗口内的所述桥元件上；
检测结构，在具有顶表面的衬底上，所述检测结构包括：
定子电极，在所述窗口中与所述可移动电极交错配置，所述定子电极在所述桥元件下方，与所述桥元件相隔一定距离，所述桥元件在所述定子电极上方纵向延伸。
13.根据权利要求12所述的器件，其中所述桥元件通过弹性耦合元件被弹性地耦合到所述驱动质量块。
14.根据权利要求13所述的陀螺仪，其中所述桥元件被配置为在沿着第二水平轴线的对应驱动移动期间使所述桥元件与所述驱动质量块成一体，并且在存在围绕竖直轴线的角速度的情况下，还允许相同桥元件沿着第一水平轴线的感测移动，所述桥元件的所述感测移动相对于所述驱动质量块的所述驱动移动被解耦且独立。
15.根据权利要求12所述的陀螺仪，其中所述定子电极以完全双差分配置被耦合到所述可移动电极。
16.根据权利要求12所述的陀螺仪，其中所述检测结构具有相对于第一水平轴线和第二水平轴线中心对称的构造，其中两个半部相对于平行于所述第二水平轴线的中轴线镜像对称并且在中心横穿所述转子锚，所述两个半部中的每个半部具有相应的驱动质量块和相应的桥元件；其中所述两个半部的相应的所述驱动质量块被配置为在与所述第二水平轴线平行的方向上在相对的方向上被致动，以引起相应的所述桥元件的对应的感测移动。
17.一种电子器件，包括：
微机电陀螺仪，其包括：
检测结构，具有衬底，所述衬底具有平行于水平面的顶表面；以及
可移动结构，悬置在所述衬底上方并且被配置为在存在沿着所述水平面的第二水平轴线的驱动移动的情况下、作为围绕正交于所述水平面的竖直轴线的角速度的函数、沿着所述水平面的第一水平轴线执行感测移动，所述第二水平轴线正交于所述第一水平轴线，所述可移动结构包括：
至少一个驱动质量块，所述至少一个驱动质量块在内部限定窗口并且通过弹性锚定元件弹性地耦合到转子锚，所述转子锚在锚定区域处与所述衬底成一体；
至少一个桥元件，所述桥元件是刚性的并且由导电材料制成，相对于所述衬底悬臂式悬置并且在所述窗口内延伸，弹性地耦合到所述驱动质量块上；以及
可移动电极，在所述窗口内由所述桥元件整体地承载；
其中所述检测结构进一步包括定子电极，所述定子电极与所述可移动电极以交错式构造布置在所述窗口中，所述定子电极被布置在所述桥元件下方，与所述桥元件相距一定的间隔距离，所述桥元件在所述定子电极上方纵向延伸；以及
处理单元，所述处理单元被耦合到所述微机电陀螺仪并且被配置为接收指示所述角速度的检测信号。
18.根据权利要求17所述的电子器件，其中所述检测结构包括第一定子元件和第二定子元件，所述第一定子元件和第二定子元件被布置在所述窗口内，在相对于所述桥元件的相对侧上，以悬置构造处于所述衬底上方，并且通过相应的第一定子锚和第二定子锚一体地耦合到所述衬底；所述第一定子元件和所述第二定子元件分别承载所述定子电极的第一电极和第二电极。
19.根据权利要求18所述的电子器件，其中所述第一定子元件和所述第二定子元件中的每个定子元件包括第一部分和第二部分，所述第一部分分别承载所述第一定子电极和所述第二定子电极；并且所述第二部分被布置在所述锚定区域处，所述第二部分分别将所述第一部分耦合到相应的第一定子锚和第二定子锚。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| IT102022000022377 | 2022-10-31 | ||
| US18/490,392 | 2023-10-19 | ||
| US18/490,392 US20240142235A1 (en) | 2022-10-31 | 2023-10-19 | Microelectromechanical gyroscope with detection of angular velocity along a vertical axis |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117948955A true CN117948955A (zh) | 2024-04-30 |
Family
ID=90804451
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311420098.1A Pending CN117948955A (zh) | 2022-10-31 | 2023-10-30 | 具有沿竖直轴线的角速度检测的微机电陀螺仪 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117948955A (zh) |
-
2023
- 2023-10-30 CN CN202311420098.1A patent/CN117948955A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11808574B2 (en) | Micromechanical detection structure of a MEMS multi-axis gyroscope, with reduced drifts of corresponding electrical parameters | |
| CN110058051B (zh) | 具有减少漂移功能的z轴微机电检测结构 | |
| US8434364B2 (en) | Microelectromechanical Z-axis detection structure with low thermal drifts | |
| US10274512B2 (en) | Microelectromechanical sensor device with reduced stress sensitivity | |
| US20220041429A1 (en) | Microelectromechanical sensor device with improved stability to stress | |
| CN221100798U (zh) | 微机电传感器设备 | |
| US20230160921A1 (en) | Z-axis microelectromechanical sensor device with improved stress insensitivity | |
| JP2001349732A (ja) | マイクロマシンデバイスおよび角加速度センサおよび加速度センサ | |
| JP3449130B2 (ja) | 力学量センサおよびそれを用いた集積回路 | |
| CN117948955A (zh) | 具有沿竖直轴线的角速度检测的微机电陀螺仪 | |
| US20240142235A1 (en) | Microelectromechanical gyroscope with detection of angular velocity along a vertical axis | |
| CN219869736U (zh) | 微机电陀螺仪以及微机电器件 | |
| EP4212824A1 (en) | Microelectromechanical gyroscope with out-of-plane detection movement having improved electrical characteristics | |
| JP2006153481A (ja) | 力学量センサ | |
| CN219065508U (zh) | 谐振加速度计、用于其的检测结构以及电子装置 |
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 |