TW201546419A - 改良陀螺儀結構及陀螺儀裝置 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種用於偵測圍繞一角運動軸線之角運動的微機電陀螺儀結構。一驅動元件經懸置用於在一驅動軸線之一方向上的一維運動，且一感測本體攜載一或多個感測轉子電極且運用一第一定向彈簧結構而耦接至該驅動元件，該第一定向彈簧結構強制該感測本體隨著該驅動元件而移動且在一感測軸線之一方向上具有一較佳運動方向。該驅動元件包括：一致動本體及一驅動框架，其中該第一彈簧結構將該感測本體定向地耦接至該驅動框架；以及一第二定向彈簧結構，其將該驅動框架耦接至該致動本體且在該感測軸線之該方向上具有一較佳運動方向。

Description

改良陀螺儀結構及陀螺儀裝置

本發明係關於微機電裝置(microelectromechanical device)，且特別地係關於如在獨立申請專利範圍之導言中定義的一種微機電陀螺儀結構及一種陀螺儀裝置。

可應用微機電結構以快速地且準確地偵測實體性質之極小改變。舉例而言，可應用微機電陀螺儀以快速地且準確地偵測極小角位移。運動具有六個自由度：在三個正交方向上之平移，及圍繞三個正交軸線之旋轉。後三者可由亦被稱為陀螺儀之角速率感測器量測。微機電陀螺儀使用科氏效應(Coriolis Effect)以量測角速率。當質量塊(mass)正在一個方向上移動且應用旋轉角速度時，質量塊由於科氏力而經歷在正交方向上之力。可接著自(例如)電容性、壓電性或壓阻性感測結構讀取由科氏力造成之所得實體位移。

在MEMS陀螺儀中，歸因於缺乏適當的軸承，主要運動典型地不與在習知陀螺儀中一樣為連續旋轉。取而代之，可將機械振盪用作主要運動。當振盪陀螺儀經受正交於主要運動之方向的角運動時，引起波盪科氏力。此情形產生正交於主要運動及正交於角運動之軸線且處於主要振盪之頻率的次要振盪。可將此耦合振盪之振幅用作角速率之量度。

陀螺儀為極複雜的慣性MEMS感測器。陀螺儀設計之基本挑戰為：科氏力極小，且因此，與陀螺儀中存在之其他電信號相比較，所產生之信號傾向於很小。陀螺儀結構層之設計典型地經最佳化以提供在至少一個態樣上(例如，在慣性質量塊之大小、組件表面積之使用、結構之複雜性及對環境條件改變(尤其是對溫度改變)之脆弱性上)之優點。然而，同時，此等優點中之至少一者典型地受到損害。

本發明之目標係提供一種結構上最佳化陀螺儀設計，其中最小化外部條件改變之效應。

申請專利範圍定義一種用於偵測圍繞一角運動軸線之角運動的微機電陀螺儀結構。該結構包括一驅動元件，該驅動元件經懸置用於在一驅動軸線之一方向上的一維運動，其中該驅動軸線正交於該角運動軸線。該結構亦包括一感測本體，該感測本體攜載一或多個感測轉子電極且運用一第一定向彈簧結構而耦接至該驅動元件，該第一定向彈簧結構強制該感測本體隨著該驅動元件而移動且在一感測軸線之一方向上具有一較佳運動方向，其中該感測軸線正交於該角運動軸線及該驅動軸線。該驅動元件包括：一致動本體及一驅動框架，其中該第一彈簧結構將該感測本體定向地耦接至該驅動框架；以及一第二定向彈簧結構，其將該驅動框架耦接至該致動本體且在該感測軸線之該方向上具有一較佳運動方向。該致動本體攜載一或多個驅動電極且運用一第三定向彈簧結構而耦接至一或多個第一錨點，該第三定向彈簧結構在該驅動軸線之該方向上具有一較佳運動方向。該驅動元件運用一第四彈簧結構而耦接至一或多個第二錨點，該第四 彈簧結構在該驅動軸線之該方向上具有一較佳運動方向。

運用以下具體實例來更詳細地論述本發明之另外優點。

在以下內容中，將參看所附圖式而結合較佳具體實例來更詳細地描述本發明，在圖式中：圖1展示MEMS陀螺儀裝置之平面結構層之部分的俯視圖；圖2說明由感測本體攜載之感測電極；圖3說明驅動元件之驅動電極；圖4說明包括兩個層元件之層結構之部分；圖5說明層結構之層元件；圖6說明具有兩個層元件之層結構；圖7說明包括層結構之陀螺儀。

以下具體實例係例示性的。雖然本說明書可參考「一」、「一個」或「一些」具體實例，但此情形未必意謂每一此類參考是針對同一(相同)具體實例，或特徵僅應用於單一具體實例。不同具體實例之單一特徵可經組合以提供另外具體實例。

在以下內容中，將運用可實施本發明之各種具體實例的裝置架構之簡單實例來描述本發明之特徵。僅詳細地描述對於說明具體實例而有關之元件。本文中可不特定地描述通常為熟習此項技術者所知的陀螺儀結構之各種實施方案。

圖1描述陀螺儀結構之一些基本元件。圖1展示MEMS陀 螺儀裝置之平面結構層之部分的俯視圖。可藉由將結構圖案化或蝕刻於基板晶圓、絕緣體上矽晶圓或空腔絕緣體上矽晶圓上或將結構圖案化或蝕刻至基板晶圓、絕緣體上矽晶圓或空腔絕緣體上矽晶圓中而製造MEMS結構層。MEMS結構之製造方法為熟習此項技術者所熟知，且在此處將不予以更詳細地闡明。結構層被展示為包括感測本體100。術語感測本體100在此處指代包括震動質量塊元件之結構元件，該震動質量塊元件係由一或多個彈簧結構懸置以在結構層之平面中在兩個垂直方向X、Y上提供慣性移動。 方向X在此處表示平面內主要運動之方向，且方向Y表示陀螺儀之次要運動的平面內方向。主要運動在此處指代由一或多個機電傳感器誘發之振動運動。次要運動在此處指代由所施加之角運動引起之科氏力誘發的振動運動。感測本體之所得實體位移可運用由感測本體100攜載之感測轉子電極予以電容性地讀取。

圖2說明用於由感測本體100攜載之感測轉子電極200的例示性結構。所攜載之感測轉子電極200在此處指代導電元件，其剛性地耦接至感測本體或整合至感測本體中，使得導電元件按照感測本體之任何運動而移動。一或多個轉子感測電極200形成被致使與定子電相互作用之轉子。定子係由一或多個錨定感測定子電極202提供。在圖2之組態中，感測轉子電極200及感測定子電極202經調適以形成單獨梳框架。感測轉子梳204與感測定子梳206交錯，使得鄰近於感測轉子指之梳指屬於感測定子梳206，且鄰近於感測定子指之梳指屬於感測轉子梳204。在主要運動中，感測轉子梳204在結構層之平面中在X方向上來回移動。在次要運動中，當經受圍繞正交於X及Y方向之平面外軸線Z(圖中未示)的所施加之角運 動時，感測轉子梳204在Y方向上且在結構層之平面中來回移動。應注意，圖2之組態僅係例示性的。取決於陀螺儀結構之總體最佳化，可運用不同類型之所攜載之電極及電極梳(線性、平行板或混合式)來感測振動運動。

返回至圖1，感測本體100耦接至驅動元件102。驅動元件102在此處指代攜載驅動電極之結構元件，該驅動元件可經由該等驅動電極而被致動為主要運動。圖3說明用於驅動元件之驅動電極300的例示性結構。又在圖3之組態中，所攜載之驅動轉子電極300及驅動定子電極302經調適以形成梳框架，其中驅動轉子梳304與驅動定子梳306交錯，使得鄰近於驅動轉子指之梳指屬於驅動定子梳306，且鄰近於驅動定子指之梳指屬於驅動轉子梳304。又，圖3之組態僅係例示性的。取決於陀螺儀結構之總體最佳化，可運用不同類型之所攜載之電極及電極梳(線性、平行板或混合式)來誘發振動主要運動。

返回至圖1，驅動元件102運用第一定向彈簧結構104而耦接至感測本體。定向彈簧結構在此處指代一或多個彈簧之組合，該一或多個彈簧單獨地或組合地提供較佳運動方向，亦即，在一個方向上偏轉(具有低彈簧常數)，且在其他方向上具剛性(具有顯著較高彈簧常數)。定向彈簧在偏轉方向上之彈簧常數對在其他方向上之彈簧常數的比率為至少1：10，典型地為大約1：100至1：10000。感測本體100與驅動元件102之間的第一定向彈簧結構104經調適以在Y方向上偏轉，且在其他方向(包括主要運動之X方向)上具剛性。因此，第一定向彈簧結構104強制感測本體100在X方向上隨著驅動元件102之經致動主要運動而移動，且允許感測本體在Y方向上藉由科氏力而移動。驅動元件102之懸置亦為定向的，且因 此僅允許在結構層之平面中之在X方向上的一維運動。

應容易理解，圖1之結構的設計極好，此係因為該設計在緊湊表面積中且以簡單懸置配置提供針對科氏力之大慣性質量塊。然而，在微機電陀螺儀中，尺寸極小；組件之大小的範圍可為自數十微米至幾毫米。此情形向該設計強加許多挑戰。舉例而言，變化之操作溫度的熱膨脹可改變層結構之尺寸，且對測定值造成顯著變化。感測器結構及關聯電子器件亦需要包入於封裝中。封裝可包括相比於結構層具有不同熱膨脹係數之結構。此情形傾向於造成溫度相依變形，且從而對量測造成不可預測之誤差。已知的基於框架之結構展示許多不同類型之架構，其中已達成較好模式去耦，但以損害圖1之元件設計之基本優點中的一或多者為代價。

可運用用於差異偵測中的圖1之結構來更詳細地理解溫度相依性。對於差異偵測，結構可被對稱地加倍至層結構中。圖4說明包括圖1之兩個層元件的層結構之部分。第一元件400及第二元件402相對於對稱軸線404對稱地定位，使得感測本體406、408在結構元件之橫向末端中。已偵測到，在此等種類之結構中，重要誤差來源係在溫度相依封裝應力中，該等應力傾向於使感測本體之錨點及驅動框架之錨點朝向對稱軸線404在Y方向上位移。如所論述，圖1之結構為良好設計，此係因為用於感測本體懸置之轉子的錨定可經配置為接近於感測定子錨定，亦即，在Y方向上之方向上的感測本體之轉子之錨定與定子之錨定之間的距離被最小化。起因於溫度變化之結構改變因此對其相互定位具有很小效應。

然而，驅動元件中之致動結構要求大表面積，因此，其不能接近於結構層中之感測元件而定位。當層結構隨著溫度變化而變形時，錨 位置通常相對於對稱軸線對稱地發生相應變化，此情形對量測造成不受控制之溫度相依誤差。舉例而言，在圖3之例示性致動結構中，溫度變化傾向於使驅動定子梳306之指與驅動轉子梳304之指之間的間隙變形而喪失其所設計之對稱形式。此情形在Y方向上誘發可變驅動產生力，且隨後對科氏力偵測誘發漂移。

本發明之具體實例達成圖1之結構層設計的優點，且同時有效地避免溫度變化對運用陀螺儀裝置進行之量測結果的效應。圖5說明層結構之部分，其中應用相同參考編號以指代已經在圖1中描述之元件。感測本體100及驅動元件102之懸置現在被展示為包括耦接至錨點110、112之彈簧結構106、108，其在已封裝陀螺儀裝置中變得剛性地附接至支撐層。 已偵測到，為了裝置之準確可操作性而要求錨點及層元件之特定定位。

驅動元件102現在包括致動本體114及驅動框架116。第一彈簧結構104將感測本體100定向地耦接至驅動框架116。第一彈簧結構104有利地為一維，使得其在Y方向上偏轉且剛性地對抗在其他方向上之運動。歸因於此情形，第一彈簧結構104強制感測本體100隨著驅動框架116之X方向振動而移動，且從而針對感測本體100提供主要運動。第一彈簧結構104在Y方向上之偏轉允許感測本體回應於科氏力而移動，且從而允許偵測所施加之角運動。

驅動框架116運用第二定向彈簧結構118而耦接至致動本體114。有利地，第二定向彈簧結構118為一維，使得其在Y方向上偏轉且剛性地對抗在其他方向上之運動。致動本體114在此處指代結構致動元件之轉子部分，其包括誘發主要振盪所要求之機電傳感器(所謂的驅動馬達)。 因此，在圖5之組態中，致動本體114攜載圖3之一或多個驅動轉子電極300。此外，結構致動元件包括定子部分，其包括驅動定子電極，例如，圖3之驅動定子電極302。

致動本體114運用第三定向彈簧結構106而懸置至第一錨點110。致動本體之運動方向典型地顯然取決於其懸置。在圖5中，一對第一錨點110有利地定位至致動元件114之相對側，且第三彈簧結構108包括兩個定向彈簧，該兩個定向彈簧經取向成使得其偏轉方向對準至在下文中被稱作驅動軸線120之共同軸線。更一般而言，驅動軸線可被視為對應於藉由致動本體之懸置而界定的允許運動方向。經由驅動轉子電極與驅動定子電極之相互作用而施加的激勵因此引起致動本體114之振動振盪，其平行於驅動軸線120之方向。

另一方面，驅動框架116運用第四定向彈簧結構108而耦接至一或多個第二錨點112，第四定向彈簧結構108在驅動軸線120之方向上偏轉且對抗在其他方向上之運動。在圖5中，一對第二錨點112有利地定位至驅動框架116之相對側，且第四彈簧結構108包括兩個定向彈簧，該兩個定向彈簧經取向成使得其偏轉方向對準至平行於驅動軸線120之共同軸線。第二定向彈簧結構118將致動本體114在X方向上之振動振盪中繼至驅動框架116，且第一定向彈簧結構104將驅動框架116在X方向之振動振盪中繼至感測本體100。從而將感測本體誘發為平行於驅動軸線120之方向的主要振動振盪。

如圖5所展示，結構層可包括一個以上第二錨點，第四定向彈簧結構之彈簧耦接至第二錨點。舉例而言，圖5之結構包括具有關聯對 定向彈簧之兩對第二錨點112、130。一對錨點112可在Y方向上有利地接近於感測本體100之定子的錨定結構而定位。在圖5中，感測元件之定子的錨定可被視為實際上在感測元件之橫向末端中(亦即，離對稱軸線404最遠)。關聯對錨點112中之錨點具有對稱形式，且錨點112之橫向邊緣可對準至線132，線132平行於驅動軸線120且與感測元件之橫向側邊緣134重合。由定向彈簧108及錨點112進行之定向懸置可由另一對第二錨點130及關聯定向彈簧136加強，第二錨點130及關聯定向彈簧136在Y方向上較接近於對稱軸線404而定位，如圖5所展示。

圖6說明一另外具體實例，其中層結構包括在兩個層元件400、402之間對準至對稱軸線404之一對第一錨點110，如圖4所描述。在此狀況下，對稱軸線404因此與驅動軸線重合。用於兩個層元件400、402之第三定向彈簧結構106包括具有兩個末端之共同剛性槓桿元件410。槓桿元件410之一個末端耦接至第一層元件400之致動本體114，且槓桿元件410之另一末端耦接至第二層元件402之致動本體420。槓桿元件410係以錨點110為中間而樞轉。

槓桿元件410與第一錨點110之間的耦接經配置以允許槓桿元件410之蹺板型運動，在蹺板型運動中，第一錨點110為支點。因此，當槓桿元件410之一個末端在正X方向上移動時，槓桿元件410之另一末端被強制為在負X方向上移動，且反之亦然。在圖6之例示性組態中，槓桿元件410與第一錨點110之間的耦接包括在槓桿元件內以一距離在對稱軸線404上自第一錨點110延伸至併入連接點422之樑。可在範圍內應用實現此樞轉蹺蹺板型運動之其他耦接類型。

槓桿元件410與致動本體114、420之間的耦接經配置以將致動本體114、420在X方向上之運動相互作用地轉移至槓桿元件410之蹺板型運動，且反之亦然。在圖6之例示性組態中，槓桿元件410與致動本體114之間的耦接包括相互作用地耦接槓桿元件410之末端之弱曲線路徑與致動本體114之線性運動的對角彈簧424。對角彈簧424剛性地中繼由其耦接之元件之運動的X方向分量，但偏轉以消除槓桿元件410之運動的可能Y方向分量。然而，可在範圍內應用實現致動元件與槓桿元件之間的所要相互作用轉移之其他耦接結構。

如圖6所展示，第三彈簧結構有利地在致動本體114、420之兩個側上包括兩個類似元件。槓桿元件之蹺板型運動確保將第一層元件400與第二層元件402耦接為在X方向上進行反相運動。對稱配置抵消由(例如)機械衝擊或振動誘發的在驅動方向(X方向)上之加速。一另外優點為：其使驅動運動及其彈簧常數保持線性。第三彈簧結構自主要運動消除感測方向(Y方向)運動分量，且使致動本體114、420之彈簧常數保持隨著振幅而穩定。

圖7說明包括圖5之層結構702的陀螺儀裝置700之元件。 層結構702可包括於微機電部分中，該微機電部分包括基板支撐件及/或覆蓋頂蓋層。陀螺儀亦可包括電路部分704，其經連接以自微機電部分輸入電信號及將電信號輸出至微機電部分。

微機電裝置可包括於組合式感測器元件中，該組合式感測器元件包括(僅舉幾個例子)：多種感測器元件；有線或行動計算、遊戲或通信裝置；量測裝置；呈現裝置；或車輛功能控制單元。

對於熟習此項技術者顯而易見，隨著技術進步，可以各種方式來實施本發明之基本觀念。本發明及其具體實例因此不限於以上實例，而是其可在申請專利範圍之範圍內變化。

Claims (15)

1. 一種用於偵測圍繞一角運動軸線之角運動的微機電陀螺儀結構，該結構包括：一驅動元件，其經懸置用於在一驅動軸線之一方向上的一維運動，其中該驅動軸線正交於該角運動軸線；一感測本體，其攜載一或多個感測轉子電極且運用一第一定向彈簧結構而耦接至該驅動元件；該第一定向彈簧結構強制該感測本體隨著該驅動元件而移動且在一感測軸線之一方向上具有一較佳運動方向，其中該感測軸線正交於該角運動軸線及該驅動軸線兩者；其特徵在於該驅動元件包括一致動本體及一驅動框架，其中該第一彈簧結構將該感測本體定向地耦接至該驅動框架；該驅動元件包括一第二定向彈簧結構，其將該驅動框架耦接至該致動本體且在該感測軸線之該方向上具有一較佳運動方向；該致動本體攜載一或多個驅動電極且運用一第三定向彈簧結構而耦接至一或多個第一錨點，該第三定向彈簧結構在該驅動軸線之該方向上具有一較佳運動方向；該驅動元件運用一第四彈簧結構而耦接至一或多個第二錨點，該第四彈簧結構在該驅動軸線之該方向上具有一較佳運動方向。
2. 如申請專利範圍第1項之微機電陀螺儀結構，其特徵在於包括一感測定子及一感測轉子之一感測元件，其中該感測轉子包括該感測本體。
3. 如申請專利範圍第2項之微機電陀螺儀結構，其特徵在於該感測定子 包括一定子梳且該感測轉子包括一轉子梳，其中該定子梳及該轉子梳之梳指交錯。
4. 如前述申請專利範圍中任一項之微機電陀螺儀結構，其特徵在於該驅動元件包括一驅動定子及一驅動轉子，其中該驅動轉子包括該致動本體。
5. 如申請專利範圍第4項之微機電陀螺儀結構，其特徵在於該驅動定子包括一定子梳且該驅動轉子包括一轉子梳，其中該定子梳及該轉子梳之梳指交錯。
6. 如前述申請專利範圍中任一項之微機電陀螺儀結構，其特徵在於該等第一錨點包括定位至該致動本體之相對側的一對第一錨點，且該驅動軸線與連接該對第一錨點之一線重合。
7. 如申請專利範圍第6項之微機電陀螺儀結構，其特徵在於該第三彈簧結構包括兩個彈簧，該兩個彈簧經取向成使得其偏轉方向對準至與該驅動軸線重合之一共同軸線。
8. 如申請專利範圍第7項之微機電陀螺儀結構，其特徵在於該等第二錨點包括定位至該感測本體之相對側的一第一對第二錨點；連接該第一對第二錨點之一線平行於該驅動軸線。
9. 如申請專利範圍第8項之微機電陀螺儀結構，其特徵在於該等第二錨點包括定位至該感測本體之相對側的一第二對第二錨點；連接該第二對第二錨點之一線平行於該驅動軸線且定位於該驅動軸線與連接該第一對第二錨點之該線之間。
10. 如前述申請專利範圍第4項至第9項中任一項之微機電陀螺儀結構， 其特徵在於一第一層元件及一第二層元件，其中每一者包含該驅動元件及該感測元件，該第一層元件及該第二層元件相對於一對稱軸線對稱地定位，使得感測本體在該等層元件之橫向末端中。
11. 如申請專利範圍第10項之微機電陀螺儀結構，其特徵在於用於該第一層元件及該第二層元件之該第三定向彈簧結構包括具有兩個末端之至少一個共同剛性槓桿元件；該槓桿元件之一個末端耦接至該第一層元件之該致動本體，且該槓桿元件之另一末端耦接至該第二層元件之該致動本體；該槓桿元件係以一第一錨點為中間而樞轉以進行一蹺板型運動，在該蹺板型運動中，該第一錨點為一支點。
12. 如申請專利範圍第11項之微機電陀螺儀結構，其特徵在於用於該第一層元件及該第二層元件之該第三定向彈簧結構包括兩個共同剛性槓桿元件，每一槓桿元件懸置至與該對稱軸線重合之一單獨第一錨點。
13. 如申請專利範圍第12項之微機電陀螺儀結構，其特徵在於每一槓桿元件運用一樑彈簧而懸置至一錨點，該樑彈簧在該槓桿元件內以一距離沿著該對稱軸線自該第一錨點延伸至一併入連接點。
14. 如申請專利範圍第12項或第13項之微機電陀螺儀結構，其特徵在於每一槓桿元件運用一對角彈簧而耦接至該致動本體，該對角彈簧在該驅動軸線之該方向上相互作用地耦接該槓桿元件之一末端之一弱曲線部分與該致動本體之該線性運動。
15. 一種微機電陀螺儀裝置，其包括一如申請專利範圍第1項至第14項中任一項之微機電陀螺儀結構。