TW201534866A - 改良的環形陀螺儀結構與陀螺儀 - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種環形陀螺儀結構，其具有偏好2 θ模式且使其頻率低之中央彈簧結構。傾向於耦合至外部機械刺激發之撓曲共振模式明顯地高於2 θ模式。所描述之結構因此相對於外部機械衝擊及振動係極穩固的。

Description

改良的環形陀螺儀結構與陀螺儀

本發明係關於微機電裝置，且尤其係關於如在申請專利範圍獨立項之前言部分中所定義的陀螺儀結構與陀螺儀。

微機電系統(或MEMS)可定義為至少一些元件具有機械功能性之小型化機械及機電系統。因為MEMS裝置係藉由用以產生積體電路之一些工具來產生，所以微機器及微電子設備可被製造於同一片矽上以啟用進階之機器。

MEMS結構可應用於快速地且準確地偵測物理性質之極小改變。舉例而言，微機電陀螺儀可應用於快速地且準確地偵測極小的角位移。運動具有六個自由度：在三個正交方向上之平移及圍繞三條正交軸線之旋轉。後三者可藉由亦被稱為陀螺儀之角速率感測器量測。MEMS陀螺儀使用柯氏效應來量測角速率。當質量塊在一方向上移動且被施加旋轉角速度時，質量塊由於柯氏力的作用，此質量在正交方向上承受一力。藉由柯氏力所引起之合成實體位移可接著自(例如)電容式、壓電式或壓阻式感測結構讀取。

由於缺乏足夠的軸承，在MEMS陀螺儀中，主要運動通常並非如習知陀螺儀中之連續旋轉。反之，機械振盪可作為主要運動。當振 盪陀螺儀經受正交於主要運動之方向的角運動時，產生起伏之柯氏力。此情況產生正交於主要運動及角運動之軸線且在主要振盪之頻率下的次級振盪。此經耦合振盪的振幅可用作角速率的量測手段。

陀螺儀為極複雜的慣性MEMS感測器，且仍具有朝向愈來愈緊密之結構的趨勢。陀螺儀設計之基本挑戰在於柯氏力為極小的，且因此，所產生訊號傾向於相較於陀螺儀中所存在之其他電訊號而言為微小的。對振動之假回應及敏感性造成類似習知音叉結構的許多緊密MEMS陀螺儀設計。

減小對外部振動之敏感性的一種已知方法為包括平面振動共振器之平衡環結構，此平面振動共振器具有環或箍的類似結構，其具有圍繞共同軸線延伸之內或外周邊。平面共振器通常被激發為cos2 θ共振模式，該cos2 θ共振模式存在於作為在45°夾角下之一對退化的振動模式。此等模式中之一者被激發為載波模式。當結構圍繞垂直於環之平面的軸線旋轉時，柯氏力將能量耦合至響應模式中。響應模式之運動的振幅提供所施加旋轉速率的一直接量測。

習知環結構之缺點在於，其通常具有低於兩個操作振動模式之頻率的寄生模式。此等寄生模式容易地耦合至外部衝擊及振動。

本發明之目標係提供對外部衝擊較不敏感的緊密環型陀螺儀結構。本發明之目標係藉由根據申請專利範圍獨立項之特徵部分的陀螺儀結構達成。

申請專利範圍定義一種平面的微機電陀螺儀結構，其包含： 一圓形結構，其圍繞一中心點延伸；一中央彈簧結構，其用於將該圓形結構懸置至圍繞該中心點對稱地定位之四個中央錨定點；及在該圓形結構上之四個中央圓點及在該等中央圓點之間的四個周邊圓點。相鄰的周邊圓點形成一對周邊圓點且相鄰的中央圓點形成一對中央圓點。該中央彈簧結構經建構來將該四個中央錨定點中之每一者連接至該圓形結構上的一對中央圓點。在該中央彈簧結構與該圓形結構之間的該連接經建構來將一對周邊或中央圓點中之一第一圓點的一徑向平面上位移變換為該對周邊或中央圓點中之一第二圓點上的一反向的徑向平面上力。該第一圓點之該徑向平面上位移的方向與該第二圓點上之該徑向平面上力的方向為正交的。

申請專利範圍亦定義一種包括該微機電陀螺儀結構之陀螺儀。本發明之有利實施例揭示於附屬申請專利範圍中。

本發明定義特定中央彈簧結構，其將cos2 θ共振模式(驅動及感測)配置為最低頻率。此情況允許寄生模式之簡單消除。

藉由以下實施例更詳細地論述本發明之其他優點。

在下文中，將參看所附圖式結合較佳實施例更詳細地描述本發明，其中圖1例示陀螺儀結構之實施例；及圖2更詳細地例示示範性中央子結構；圖3例示示範性周邊彈簧子結構；圖4A至圖4C例示適用於陀螺儀結構中之替代性驅動結構；圖5例示藉由陀螺儀結構所進行之振動模擬； 圖6例示陀螺儀之元件。

以下實施例為示範性的。儘管說明書可涉及「一」、「一個」或「一些」實施例，但此未必意味每一此參考為同一(相同的)實施例，或特徵僅適用於單一實施例。不同實施例之單一特徵可組合以提供其他實施例。

在下文中，將藉由可實施本發明之各種實施例的裝置架構之簡單實例描述本發明的特徵。僅詳細地描述了針對例示實施例而相關的元件。熟習此項技術者大體已知的陀螺儀結構之各種實施可能並未特定地描述於本文中。

圖1例示根據本發明之陀螺儀結構100的實施例。在圖1中，當陀螺儀結構懸置至支撐基座但無額外的外部力作用於其時，陀螺儀結構係以初始狀態展示。所示組態包括圍繞中心點104延伸之圓形結構102。陀螺儀結構100可具有平面形式。此意味圓形結構102在兩個維度(長度、寬度)上與一平面對準。圓形結構100為陀螺儀提供地震質量塊(seismic mass)，該地震質量塊可經激發至主要運動且其由柯氏力引起之次級運動可得以偵測。

中央彈簧結構106可用以將圓形結構102懸置至靜態(非振盪)支撐件，通常懸置至MEMS陀螺儀之另一主體元件。若陀螺儀結構為MEMS結構晶圓，則另一主體元件可(例如)藉由下伏處置晶圓或陀螺儀晶粒之覆蓋帽晶圓提供。對於懸置，陀螺儀結構100可包括圍繞中心點104對稱地定位之四個中央錨定點108、110、112、114。錨定點一詞在此處指代 對支撐件之連接藉以或可藉以產生的彈簧結構之區段，常常為極端區段。陀螺儀結構可被視為具有兩個徑向方向，其中每一徑向方向與連接兩個中央錨定點與中心點(110、114、104，或108、112、104)之對角線132或134對準。

中央彈簧結構106可經建構來將四個中央錨定點108、110、112、114中之每一者連接至圓形結構102上的一對中央圓點。對於此情況，中央彈簧結構106可包括四個中央子結構，該等中央子結構中之每一者連接至兩個中央電路點且連接至一個中央錨定點。圖2更詳細地例示連接兩個中央電路點120、122與錨定點112之示範性中央子結構200。

圓點在本文中指代彈簧子結構之元件可附接至的圓形結構120之微小區。接觸可在圓形結構102之內表面及外表面中發生。內表面指代圓形結構102的徑向向內面向中心點104之表面的一部分。外表面指代圓形結構102的徑向向外背離中心點104之表面的一部分。圖1展示連接在圓形結構102之內表面上進行的示範性組態。四個中央圓點116、118、120、122可均勻地分佈於圓形結構102之內表面上，如圖1中所示。兩個相鄰的中央圓點(例如，116及118、118及120、120及122，及122及116)可被視為形成一對中央圓點。

中央子結構可包括在縱向方向上伸長且為剛性之至少三個彈簧202、204、206。伸長在此上下文中意味，在圓形結構之平面中，彈簧之長度維度(平面中之最大維度)多次重合至彈簧的廣度維度(垂直於長度維度)。伸長彈簧在其縱向方向上的剛性對應於彈簧在其長度維度之方向上的硬度。因此，當彈簧在縱向方向上為剛性的時，其回應於在縱向方向 上與在其他方向上相比多施加許多倍之力而抵抗變形。伸長彈簧在其縱向方向上為剛性可由此在其他方向上為可撓的。

三個彈簧中之第一彈簧206在徑向方向上自中央錨定點112延伸至連接點208，其中第一彈簧206連接至中央子結構之第二彈簧202及第三彈簧204。第二彈簧202在連接點208與第一中央圓點120之間延伸，且第三彈簧204在連接點208與第二中央圓點122之間延伸。

彈簧子結構200有利地關於穿過其之對角線132對稱。結果，在連接第一中央圓點120與連接點208之線與藉由對角線132所界定之徑向方向之間的角度等於在連接第二中央圓點122與連接點208之線與徑向方向之間的角度。應注意，在圖2之示範性組態中，第二彈簧202平行於第一中央圓點120之徑向振盪的方向，且第三彈簧204平行於第二中央圓點122之徑向振盪的方向。然而，此對於彈簧子結構而言並非必需的。其他組態在範疇內係可能的；例如，第二彈簧與第三彈簧連接之點可經配置來更接近於中央錨定點，使得第二彈簧及第三彈簧變得不與其連接至之圓點的徑向振盪對準。

如自圖2可見，三個彈簧202、204、206之組合及在第一中央圓點120與第二中央圓點122之間的圓形元件102的弧產生一結構，該結構能夠將第一中央圓點120之徑向平面上位移變換為第二圓點122上的反向的徑向平面上力。因此，當第一中央圓點120向內朝向中心點104移動時，運動產生機械力，該機械力將圓形結構102自第二中央圓點122向外推動遠離中心點104。相應地，當第二中央圓點122向內移動時，運動產生機械力，該機械力將圓形結構102自第一中央圓點120向外推動遠離中心點104。中 央圓點120、122之所得徑向運動振盪且亦正交，使得第一中央圓點120之振盪的方向在圓形結構102之平面中垂直於第二中央圓點122之振盪的方向。

返回至圖1，在圓形結構102之外表面上，可存在四個周邊圓點124、126、128、130。周邊圓點124、126、128、130可均勻地分佈於外表面上，且在中央圓點116、118、120、122之間交錯。兩個相鄰的周邊圓點(例如，124及126、126及128、128及130，及130及124)可被視為形成一對周邊圓點。陀螺儀結構可包括周邊彈簧結構，該周邊彈簧結構包括四個周邊子結構，該等周邊子結構中之每一者包括周邊錨定點140、142、144及146。周邊錨定點140、142、144及146與中央錨定點116、118、120、122可為相互對準的，使得周邊錨定點140、142、144及146中之每一者與微機電陀螺儀結構之對角線132、134中的一者重合。在圖1之組態中，中央錨定點108、112及周邊錨定點140、144與對角線132重合，且中央錨定點110、114及周邊錨定點142、146與對角線134重合。

圖3更詳細地例示包括圖1之周邊錨定點140的示範性周邊彈簧子結構。周邊彈簧子結構300可包括連接周邊錨定點140與圓形結構上之周邊圓點124的第四彈簧302。連接周邊錨定點140與周邊圓點124之線有利地與對角線132的徑向方向R對準。當切向方向T在圓形結構之平面中垂直於徑向方向R時，第四彈簧302有利地經配置來對於周邊圓點在徑向方向上之運動為可撓的且相對於周邊圓點在切向方向上的運動為剛性的。

圖3例示示範性彈簧形式，提供對應的定向功能之其他彈簧 形式可在範疇內得以應用。舉例而言，周邊錨定點140及第四彈簧可在圓形結構內位於對角線132之徑向方向R上。因此，對中央圓點及周邊圓點兩者之接觸可在圓形結構102的內表面上。

為了量測結構之角運動，平面圓形結構可經激發至平面內主要運動以作為移動的地震質量塊來操作。當旋轉角速度得以施加時，在一方向上移動之質量塊由於柯氏力而在正交方向上經歷一力。藉由柯氏力所引起之所得的實體位移(次級振盪)可接著自(例如)電容式、壓電式或壓阻式感測結構讀取。在環結構中，徑向地振盪之差動質量塊可經歷由切向方向上之柯氏效應所引起的力。

因此，陀螺儀結構可包括一或多個驅動結構，該一或多個驅動結構經建構來藉由在圓形結構中誘發徑向平面上位移而激發主要運動。陀螺儀結構亦可包括感測結構，該感測結構經建構來藉由感測圓形結構之徑向平面上位移而偵測次級運動。歸因於結構之組態，驅動及感測方向對應於2 θ模式。此意味，若驅動結構經建構來驅動中央圓點之徑向振盪，則偵測可藉由感測周邊圓點之位移來執行，或反之亦然。

圖4A至圖4C例示適用於圖1之陀螺儀結構中的替代性驅動結構。圖4A例示激發及偵測經電容式地實施之示範性組態。驅動結構400可包括面向圓形結構102之外表面的彎曲電極，且感測結構可包括面向圓形結構102之內表面的另一彎曲電極402。當電壓差施加於圓形結構102與驅動結構400之間時，中央電路點118可經誘發以根據圓形結構102與驅動電極400之間的靜電力來移動。相應地，角運動可經偵測為圓形結構102與感測電極402之間的電容之改變。

圖4B例示驅動結構400及感測結構402藉由包括於圓形結構中之壓電元件來實施的又一替代例。

圖4C例示圍繞圖1之陀螺儀結構之中心點104的放大區段。在此示範性組態中，壓電構件經應用以提供驅動結構400。在所描述之實施例中，中央彈簧子結構之第一彈簧在縱向方向上劃分為壓電材料的兩個電分離部分。該兩個部分係藉由不同圖案類型來展示。在操作中，第一部分410及第二部分412可在反相模式中受驅動。感測結構可藉由圖4A中所述之感測電極電容式地實施，或藉由圖4B中所述之感測元件壓電式地實施。

圖5之表格例示對於根據圖1之陀螺儀結構所進行的模擬。在模擬中，圓形結構102之直徑為3mm，圓形結構102之寬度(沿著圓形結構之平面)為35μm，圓形結構102之厚度為65μm，中央彈簧結構之第一彈簧206的寬度為17μm，中央彈簧結構之第二彈簧202及第三彈簧204的寬度為11μm，且周邊彈簧結構之第四彈簧的寬度為6μm。在表格中，在振盪期間的共振模式得以例示。如可見，元件之所定義組態偏好2 θ模式且使其頻率低。習知環形陀螺儀對應於圓形結構圍繞中心點之旋轉的模式藉由周邊彈簧結構有效地消除。傾向於耦合至外部機械激發之撓曲共振模式明顯地高於2 θ模式。所描述之結構由此相對於外部機械衝擊及振動係極穩固的。

該組態允許亦避免過度的振幅，過度的振幅在高品質因數模式變為藉由機械振動在共振頻率下激發時係可能的。此外，中央彈簧結構可保持為傾斜的且包括極少元件，且因此允許極緊密的元件設計。

圖6例示陀螺儀之元件，該等元件包括第一部分600及第二部分602。第一部分600可包括圖1之陀螺儀結構，且第二部分602可包括連接至來自陀螺儀結構之至少輸入電訊號的電路。如圖6中所示，來自一或多個感測結構之訊號可輸入至電路602，以處理為表示藉由陀螺儀結構所偵測之角運動的輸出訊號。

陀螺儀可包括於組合式感測器元件中，該元件包括各種感測器元件，有線或行動計算、遊戲或通訊裝置，量測裝置，顯現裝置，或運輸工具功能控制單元，僅舉幾個例子。

熟習此項技術者應顯而易見，隨著技術進步，本發明之基本觀念可以各種方式實施。本發明及其實施例因此不限於以上實例，但其可在申請專利範圍之範疇內變化。

Claims (14)

1. 一種平面的微機電陀螺儀結構，其包含：一圓形結構，其圍繞一中心點延伸；一中央彈簧結構，其用於將該圓形結構懸置至圍繞該中心點對稱地定位之四個中央錨定點；在該圓形結構上之四個中央圓點及在該等中央圓點之間的四個周邊圓點，相鄰的周邊圓點形成一對周邊圓點且相鄰的中央圓點形成一對中央圓點；該中央彈簧結構經建構來將該四個中央錨定點中之每一者連接至該圓形結構上的一對中央圓點；在該中央彈簧結構與該圓形結構之間的連接係經建構來將一對周邊或中央圓點中之一第一圓點的一徑向平面上位移變換為該對周邊或中央圓點中之一第二圓點上的一反向的徑向平面上力，該第一圓點之該徑向平面上位移的方向與該第二圓點上之該徑向平面上力的方向為正交的。
2. 如申請專利範圍第1項之微機電陀螺儀結構，其特徵在於該微機電陀螺儀結構具有兩個徑向方向，其中一徑向方向與連接兩個中央錨定點與該中心點之一對角線對準；該中央彈簧結構包括四個中央子結構，其中一中央子結構包括在縱向方向上伸長且為剛性之至少三個彈簧；該三個彈簧中之一第一彈簧在一徑向方向上自一中央錨定點延伸至一連接點，其中其連接至該三個彈簧中之一第二彈簧及一第三彈簧； 該第二彈簧在該連接點與第一中央圓點之間延伸；該第三彈簧在該連接點與第二中央圓點之間延伸。
3. 如申請專利範圍第2項之微機電陀螺儀結構，其特徵在於在連接該第一中央圓點與該連接點之一線與一徑向方向之間的一角度係等於在連接該第二中央圓點與該連接點之一線與該徑向方向之間的一角度。
4. 如前述申請專利範圍中任一項之微機電陀螺儀結構，其特徵在於一周邊彈簧結構，該周邊彈簧結構包括圍繞該中心點對稱地定位之四個周邊錨定點。
5. 如申請專利範圍第4項之微機電陀螺儀結構，其特徵在於該等周邊錨定點及該等中央錨定點經定位以使得該等周邊錨定點中之每一者與該微機電陀螺儀結構之對角線中的一者重合。
6. 如申請專利範圍第4或5項之微機電陀螺儀結構，其特徵在於該周邊彈簧結構包括四個周邊子結構，其中周邊子結構包括連接一周邊錨定點與該圓形結構上之一周邊圓點的一第四彈簧，連接該周邊錨定點與該周邊圓點之一線與一徑向方向對準。
7. 如申請專利範圍第6項之微機電陀螺儀結構，其特徵在於該第四彈簧對於該周邊圓點在該徑向方向上之運動為可撓的且抵制該周邊圓點在一切向方向上的運動，其中該切向方向垂直於該徑向方向。
8. 如前述申請專利範圍第1至7項中任一項之微機電陀螺儀結構，其特徵在於該等中央圓點之徑向平面上位移包括在該圓形結構的圓之一徑向方向上的線性振盪。
9. 如申請專利範圍第8項之微機電陀螺儀結構，其特徵在於一驅動結 構，該驅動結構經建構來誘發該等中央圓點之徑向平面上位移。
10. 如申請專利範圍第9項之微機電陀螺儀結構，其特徵在於一感測結構，該感測結構經建構來偵測該等周邊圓點之徑向平面上位移。
11. 如申請專利範圍第8項之微機電陀螺儀結構，其特徵在於一驅動結構，該驅動結構經建構來誘發該等周邊圓點之徑向平面上位移。
12. 如申請專利範圍第9項之微機電陀螺儀結構，其特徵在於一感測結構，該感測結構經建構來偵測該等中央圓點之徑向平面上位移。
13. 如前述申請專利範圍第9至12項中任一項之微機電陀螺儀結構，其特徵在於該等徑向平面上位移係經壓電式地或電容式地誘發或偵測。
14. 一種包括如申請專利範圍第1至13項中任一項之微機電陀螺儀結構的陀螺儀。