TW201623920A - 微機械陀螺儀結構 - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種微機電陀螺儀結構及一種用於製造一微機電陀螺儀結構之方法，該微機電陀螺儀結構包含一測震質量塊及一彈簧結構，該彈簧結構藉由一懸置結構將該測震質量塊懸置至一主體元件。該彈簧結構允許圍繞與該測震質量塊之平面對準之一主軸線的一主振盪運動，及一次振盪運動，在該次振盪運動中，該測震質量塊之至少部分在垂直於該主振盪運動之方向的一第二方向上移動。該彈簧結構在該懸置結構之兩側處附接至該測震質量塊，且該彈簧結構係處於圍繞與該主振盪運動共同之該主軸線的扭轉運動中。該陀螺儀之該結構藉由在該測震質量塊之頂面上蝕刻一補償溝槽而實現該測震質量塊之一正交誤差的機械補償。

Description

微機械陀螺儀結構

本發明係關於量測設備，且尤其係關於如獨立申請專利範圍第1項之前言部分中所定義的陀螺儀結構，及如獨立申請專利範圍第11項之前言部分中所定義的用於製造陀螺儀結構之方法。本發明進一步係關於經改良之陀螺儀結構，且更特定言之係關於實現陀螺儀中之正交誤差補償的結構，及用於製造陀螺儀結構之經改良方法，此方法實現機械正交誤差補償在陀螺儀中的使用。

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微型化機械及機電系統。因為MEMS設備係藉由用以產生積體電路之一些或類似工具來產生，所以微機器及微電子設備甚至可被製造於同一片矽上。

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，微電子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。後者可藉由被稱為陀螺儀之角速率感測器量測。在MEMS陀螺儀中，柯氏效應係用以量測角速率。當質量塊在一方向上移動(被稱 作主運動)且旋轉角速度得以施加時，質量塊由於柯氏力而在正交方向上經受一力。藉由柯氏力所引起之總實體位移可接著自(例如)電容式、壓電式或壓阻式感測結構讀取。歸因於柯氏效應之位移亦可被稱作感測模式。主運動可或者被稱作主模式或驅動模式。

在MEMS陀螺儀中，機械振盪用作主運動。當振盪陀螺儀經受正交於主運動之方向的角運動時，產生起伏之柯氏力。此產生亦被稱為感測模式之次振盪，該次振盪正交於主運動且正交於角運動之軸線且係在主振盪的頻率下進行。此經耦合振盪之振幅可用作角速率之量測手段，亦即，角速率為角速度的絕對值。

在理想陀螺儀中，驅動模式移動及感測模式移動係完全正交的，使得在無柯氏力之情況下，不會激發感測模式。然而，在MEMS陀螺儀之實際執行中，設備不必為最佳的或相當對稱的。在許多狀況下，此係藉由製造過程中之非理想特徵引起。在實例中，一些經蝕刻壁可能並非完全垂直的而是可能變為成角度的，或材料層厚度可稍微變化。接著，驅動模式可能並非與主軸線完全對準。在主共振器之移動中的此種類之非預期方向分量被稱為正交誤差。

正交誤差在實例中可藉由實體修整共振器元件來補償。此類型之補償通常用於壓電式陀螺儀。補償亦可包含電氣調諧，從而有效地調諧平行板電容器中之電彈簧力。此類型之補償通常用於矽陀螺儀中。此外，正交誤差之效應可經由陀螺儀之設計，尤其藉由彈簧之設計來減輕。專利US 8,104,343呈現補償溝槽之使用，該等補償溝槽蝕刻至彈簧結構中以減輕由非理想性所引起之不合需要的耦合。不同的補償方法可單獨地使用，或 以適合於特定實施之組合而使用。

美國專利申請公開案US2006/0156814呈現角速度之微機械感測器，該感測器具有各自經配置以用於允許兩個垂直振盪運動中之一者的兩對彈簧，及連接該等對彈簧之框架結構。

本發明之目標為提供一種方法及裝置，以便改良MEMS陀螺儀設備之效能。本發明之目標係藉由根據申請專利範圍第1項之特徵部分的裝置達成。本發明之目標係藉由根據申請專利範圍第11項之特徵部分的方法進一步達成。

本發明之較佳實施方式在附屬申請專利範圍中得以揭示。

根據本發明之第一態樣，存在一種微機電陀螺儀結構，其包含一測震質量塊及一主彈簧結構，該主彈簧結構藉由一懸置結構將該測震質量塊懸置至一主體元件。該主彈簧結構允許一主振盪運動及一次振盪，在該主振盪運動中，該測震質量塊之至少部分圍繞與該測震質量塊之平面對準的一主軸線在一第一方向上旋轉振盪，在該次振盪中，該測震質量塊之至少部分在垂直於該第一方向的一第二方向上移動。該主彈簧結構在該懸置結構之相對側上附接至該測震質量塊，且該主彈簧結構經建構以用於圍繞與該主振盪運動共同之該主軸線的扭轉運動。

根據本發明之第二態樣，該測震質量塊之一正交誤差係藉由該測震質量塊之面上的至少一補償溝槽以機械方式補償，該面遠離該主體元件。該至少一補償溝槽位於距該主彈簧結構之任一末端一預定義距離處。

根據本發明之第三態樣，該至少一補償溝槽形成為與該主軸 線正交的伸長四邊形形狀。

根據本發明之第四態樣，該至少一補償溝槽在該主軸線之相對側處遠離該主軸線延伸預定義距離，其中該等預定義距離本質上彼此相等或其中該等預定義距離彼此不同。

根據本發明之第五態樣，該測震質量塊內之該補償溝槽的深度定義為該主彈簧結構之厚度的部分。

根據本發明之第六態樣，該補償溝槽之一深度本質上為該主彈簧結構之該厚度的一半。

根據本發明之第七態樣，該補償溝槽之一深度在該主軸線之不同側上為不同的。

根據本發明之第八態樣，該正交誤差係使用至少一電氣正交補償結構進一步以電氣方式補償，該至少一電氣正交補償結構置放於該測震質量塊遠離該測震質量塊之該主軸線的末端附近。

根據本發明之第九態樣，該陀螺儀設備包含附接至一共同主體元件之至少兩個微機電陀螺儀結構，該至少兩個陀螺儀結構具有一共同主軸線。

根據本發明之第十態樣，該主彈簧結構為雙端的，且該主彈簧結構之部分在該懸置結構之該等相對側上直接附接至該懸置結構。

根據另一態樣，提供一種製造一微機電陀螺儀結構之方法。該結構包含一測震質量塊及一主彈簧結構，該主彈簧結構藉由一懸置結構將該測震質量塊懸置至一主體元件以允許一主振盪運動，其中該測震質量塊之至少部分圍繞與該測震質量塊之平面對準的一主軸線在一第一方向上 旋轉振盪。該結構亦允許一次振盪，其中該測震質量塊之至少部分在垂直於該第一方向的一第二方向上移動。該製造方法包含產生在該懸置結構之相對側上附接至該測震質量塊的該主彈簧結構，且該主彈簧結構經建構以用於圍繞與該主振盪運動共同之該主軸線的扭轉運動。

根據另一態樣，該方法進一步包含產生用於以機械方式補償該測震質量塊之一正交誤差的至少一補償溝槽。該補償溝槽係在該測震質量塊暴露於主要處理步驟且遠離該主體元件的面上。

根據另一態樣，該方法進一步包含產生位於距該主彈簧結構之任一末端一預定義距離處的該至少一補償溝槽。

根據又一態樣，該補償溝槽形成為與該主振盪運動之該主軸線正交的伸長四邊形形狀。

根據另一態樣，該補償溝槽在該主軸線之相對側處遠離該主軸線延伸預定義距離，其中該等預定義距離本質上彼此相等或其中該等預定義距離彼此不同。

根據另一態樣，該測震質量塊內之該補償溝槽的深度定義為該主彈簧結構之厚度的部分。

根據另一態樣，該補償溝槽之該深度為該主彈簧結構之該厚度的一半。

根據另一態樣，該補償溝槽之該深度在該主軸線之不同側上為不同的。

根據另一態樣，該補償溝槽係藉由一製程產生，該製程僅在該測震質量塊遠離該主體元件之面上執行。

根據另一態樣，該方法進一步包含該補償溝槽之蝕刻，該蝕刻包含與該測震質量塊結構及/或該主彈簧結構及/或一感測梳狀結構及/或一電氣補償結構之蝕刻的至少一共同蝕刻相位。

根據另一態樣，提供一種用於製造一微機械陀螺儀之方法，該方法包含根據前述態樣產生至少兩個微機電陀螺儀結構，其中該等陀螺儀結構附接至同一主體元件且具有一共同主軸線。

本發明之實施方式係基於使用雙端主彈簧之理念。雙端一詞意味，主彈簧包含在懸置結構之相對側上附接至懸置結構之兩個部分。此配置具有優點在於，其藉由在主測震元件之頂面上具有正交誤差補償溝槽而獨立於正交誤差之方向實現正交誤差的機械補償。頂面被理解為包含執行MEMS陀螺儀設備之主要製造過程步驟(諸如，蝕刻)之側上的結構之最上層，亦即，設備矽遠離支撐結構(諸如，處置晶圓或蓋晶圓)之面。

藉由引入允許針對測震質量塊之主移動及次移動兩者的雙端主彈簧，微機械陀螺儀之移動部分的數目可減小，此情形亦因為簡單的結構較不可能經受不合需要之寄生振盪模式而為有利的。

藉由機械補償所達成之正交誤差補償可藉由引入電氣正交誤差補償來進一步補充。

在下文中，將參看所附圖式更詳細地描述本發明之實施方式，在該等圖式中圖1描述陀螺儀結構。

圖2a描述陀螺儀結構之主運動。

圖2b描述陀螺儀結構之偵測運動。

圖3描述緊挨著主彈簧之末端蝕刻的機械正交補償溝槽。

圖4a、圖4b及圖4c呈現陀螺儀結構沿著主軸線之橫截面。

圖5a及圖5b提供補償溝槽之有效設計參數的示意性呈現。

圖6描述陀螺儀結構之製造過程。

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

在下文中，將藉由可實施本發明之各種實施方式的設備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方式而相關的元件。

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展示例示性陀螺儀結構。陀螺儀結構包括第一測震質量塊100及第二測震質量塊102。測震質量塊一詞在此處指代可懸置至基座以提供慣性移動之質量塊主體。第一測震質量塊100及第二測震質量塊102可具有平面形式。此意味，測震質量塊100、102之體積的至少部分在兩個維度(長度、寬度)上沿著平面延伸且在其中形成平面表面。在容限內，測震質量塊100、102之平面表面可被視為含有連接其上之任何兩個點的所 有直線。然而，應理解，該表面可包括在測震質量塊上圖案化之微小突出部，或圖案化至測震質量塊中的凹座。質量塊平面106形成參考平面，該參考平面係藉由懸置在初始設計位置處之測震質量塊100、102的平面表面在無附加外力作用於測震質量塊100、102時形成。類似地，單一平面表面之質量塊(100或102)的平面在無附加外力作用於質量塊時為處於初始設計位置之質量塊的參考平面。應理解，在不同之條件下且在陀螺儀之操作期間，測震質量塊同樣地可稍後移動及/或變形出質量塊平面106。

陀螺儀結構亦包括用於懸置第一測震質量塊100之第一主彈簧結構104，及用於將第二測震質量塊102懸置至陀螺儀之主體元件的第二主彈簧結構112。主體元件可(例如)藉由下伏處置晶圓或陀螺儀晶粒之覆蓋蓋晶圓提供。應注意，對結構晶圓、處置晶圓及蓋晶圓之劃分為概念性的。針對熟習此項技術者而言，清楚的是(例如)，處置晶圓及結構晶圓可自分層式矽-絕緣體-矽基板單獨地或組合地圖案化。第一主彈簧結構104及第二主彈簧結構112可經建構以相應地將第一測震質量塊100及第二測震質量塊102懸置至平行位置，使得第一測震質量塊100及第二測震質量塊102之平面表面形成質量塊平面106。

如圖1中所示，第一主彈簧結構104之元件有利地圖案化至第一測震質量塊100及第二測震質量塊102的體積中。第一主彈簧結構104可包含第一懸置結構108，或可在第一測震質量塊之平面內附接至第一懸置結構108。類似地，第二測震質量塊102可包含第二懸置結構110，或可藉由第二主彈簧結構112在第二測震質量塊之平面內附接至第二懸置結構110。儘管主彈簧結構104、112表現為包含在各別懸置結構108、110之相 對側上的兩個部分，但主彈簧104、112中之每一者應理解為包含多個結構部分的單一組合式元件。第一主彈簧結構104被理解為與第一測震質量塊100之平面對準，且第二主彈簧結構112將與第二測震質量塊的平面對準。藉由雙端一詞指示，主彈簧結構104、112配置於各別懸置結構108、110之兩個相對側上，使得測震質量塊100、102中之每一者在位於各別懸置結構108、110之相對側上的至少兩個附接點中附接至各別主彈簧結構104、112，且懸置結構108、110中之每一者在位於懸置結構之相對側上的至少兩個附接點中附接至主彈簧結構104、112中的各別一者。在懸置結構之每一側上在主彈簧結構104、112與各別懸置結構108、110之間的附接點之數目可根據主彈簧設計而變化。

在當前實例中，主彈簧結構104、112在懸置結構之兩側上附接至兩個不同位置上的各別懸置結構108、110，且主彈簧結構104、112在各別懸置結構108、110之兩側上附接至一位置處的各別測震質量塊100、102。在主軸線120上之多個位置處將主彈簧結構104、112附接至各別測震質量塊100、102及/或附接至各別懸置結構108、110促進平衡良好的旋轉運動。或者，可選擇多個附接位置，在該狀況下，可在主軸線120之相對側上對稱地選擇主彈簧104、112的附接位置。

除了根據本發明之機械正交補償元件之外，陀螺儀結構亦可另外包括一或多個電氣正交補償元件190。此等電氣正交補償元件之實例對於熟習此項技術者而言係已知的。電氣正交補償元件可用以補償在已施加根據本發明之機械正交補償之後剩餘的正交誤差，或該兩者可用以彼此補充。在圖1之例示性陀螺儀結構中，測震質量塊100、102中之每一者具有 在質量塊平面之方向上筆直地延伸的平面形式，且主振盪為測震質量塊圍繞共同主軸線120之旋轉振盪，換言之，測震質量塊100之主軸線及測震質量塊102之主軸線與共同主軸線120對準。共同主軸線120平行於測震質量塊100、102中之每一者的兩個相對側，且將其劃分為兩個部分。為了使對測震質量塊100、102之補償力最大化，電氣補償元件190可配置至測震質量塊100、102的末端部分。在測震質量塊之一末端中，距主軸線之距離為最大的，此情形相應地引起主運動之最大振幅且進而引起對補償力的最大控制。測震質量塊與電氣補償元件之間的電容可經調整以補償正交誤差。當平面外主運動並非旋轉振盪時，補償元件之位置在此態樣中並非相關的。

感測器結構亦包括激勵設備或激勵構件，該等激勵設備或激勵構件經建構以驅動第一測震質量塊100及第二測震質量塊102圍繞共同主軸線120振盪。此共同主軸線120與質量塊平面106對準。第一激勵構件可包括經建構以與第一測震質量塊100一起移動之第一質量塊電極130，及經建構以與第二測震質量塊102一起移動的第二質量塊電極132。電極130、132可與蓋或基板中之(多個)電極以電氣方式相互作用，且由於此，電氣相互作用誘發其各別測震質量塊100、102圍繞共同主軸線120進行旋轉振盪。測震質量塊之相對末端相對於共同主軸線120以蹺蹺板移動類型移動。主彈簧104、112可本質上與此共同主軸線120對準，從而意味至少主彈簧104、112允許彈簧圍繞主軸線120進行扭轉運動的部分可與此共同主軸線120對準。激勵電極之數目可根據感測器之設計而變化。針對每一測震質量塊需要至少一激勵電極。

在實例中，第一激勵係藉由一電極引起，其中測震質量塊自 身由導電材料形成且與蓋內部之定子電極130、132(圖1中所示之導體的凸起)相互作用。應理解，能夠對測震質量塊產生指定的平面外導向之激勵力的其他位置及其他激勵結構可在範疇內得以應用。舉例而言，第一質量塊電極可經建構以與第一測震質量塊100一起移動，且第二質量塊電極可經建構以與第二測震質量塊102一起移動。電極可經建構以與附接至蓋或基板之(多個)電極以電氣方式相互作用，且由於此，電氣相互作用誘發其各別測震質量塊100、102圍繞共同主軸線120進行旋轉振盪。又，壓電激勵可得以應用。其他對應結構為熟習此項技術者熟知的，且將不在本文中進行詳細論述。

為感測模式偵測之目的，陀螺儀結構含有置放於測震質量塊之側上的感測梳狀結構160至163。在所呈現實施方式中，感測梳形成雙差動梳配置。熟習此項技術者已知用於感測梳之配置，且該配置可在不脫離本發明之範疇的情況下自此例示性圖中所呈現之設計變化。

儘管認為彈簧結構104及112以及懸置結構108及110處於主軸線120上，但應注意，彈簧結構及/或懸置結構通常為可圍繞主軸線在所有三個維度上延伸到機械結構。當在所選擇之凸起中，彈簧及/或懸置結構之重量中心或重力中心在藉由製造過程準確度所允許之距離內處於主軸線上時，亦即，當重量中心或重力中心意欲在所選擇之凸起中處於主軸線上時，可認為彈簧及/或懸置結構與主軸線對準。此凸起可較佳地處於測震質量塊平面106中。

圖2a描述例示性簡化陀螺儀元件之主運動。沿著主軸線220之側所置放的數個驅動元件(未圖示)引起測震質量塊200、202圍繞主軸 線220進行擺動運動。驅動元件之數目及形狀可根據實施而變化。每一測震質量塊200、202具有引起主移動之至少一驅動元件。擺動移動係藉由沿著主移動之主軸線220置放且與主軸線220對準的主彈簧204及210實現。此移動亦可被稱作主振盪移動或主振盪運動。儘管測震質量塊處於主運動中，但雙端主彈簧204及210中之每一者的移動可被視為扭轉運動。為了促進此主運動，主彈簧204及210經建構至少用於扭轉運動。彈簧中之每一者藉由施加至其之扭力而經受圍繞其與主要軸線220共同的縱向軸線之扭轉，該扭力係藉由移動測震質量塊而施加，同時附接至彈簧之懸置結構係處於固定位置。可至少部分地形成為扭力桿之彈簧在與外部扭力相反的方向上施加力。此力與彈簧扭轉之量/角度成比例。應注意，例示性圖2a中所呈現之移動已為說明性目的而誇示，且測震質量塊之實際移動可為較小的。虛線兩端箭頭進一步說明測震質量塊之末端在主振盪運動期間的振盪運動。在當前實例中，存在兩個測震質量塊200、202，且此等兩個測震質量塊在主移動期間的相對運動係處於實質上反相中。

圖2b描述例示性簡化陀螺儀元件之偵測運動。當角速度在主運動中施加至陀螺儀元件時，主質量塊受柯氏力影響，該柯氏力迫使質量塊在不同於主運動的方向上移動。在此狀況下，此次移動或感測模式移動係在測震質量塊平面中被引起而作為圍繞位於偵測軸線208及212處的測震質量塊之懸置結構的反相角振盪，從而將測震質量塊附接至感測器元件之支撐主體。亦可將此移動稱作次振盪移動或次振盪運動。其亦可被稱為，測震質量塊200、202中之每一者具有圍繞其自己之感測軸線208、212的感測移動，感測軸線208、212在各別懸置結構處與質量塊平面交叉，其中感 測軸線垂直於質量塊平面，如關於圖1更詳細地描述。感測軸線方向亦可被視為平行於設備中之z軸線的方向，換言之設備之平面外方向。圍繞感測軸線之此旋轉運動可藉由置放於測震質量塊之相對側上的雙差動梳260來偵測。

第一主彈簧204亦實現第一測震質量塊200圍繞第一偵測軸線208之旋轉振盪，第一偵測軸線208與第一測震質量塊200之平面交叉且垂直於質量塊平面。相應地，第二主彈簧210亦實現第二測震質量塊202圍繞垂直於質量塊平面之第二偵測軸線212的旋轉振盪。在梁型彈簧(beam-formed spring)之例示性狀況下，梁彈簧經歷平面內彎曲且進而促進各別測震質量塊的平面內旋轉振盪。因此，主彈簧經建構以既用於扭轉運動亦用於彎曲運動。第一偵測軸線208及第二偵測軸線212彼此分離非零距離。有利地，偵測軸線208、212關於測震質量塊200、202之間的中心線226對稱地定位。在例示性設置中，偵測軸線208、212係沿著主運動之主軸線220定位。

儘管測震質量塊處於反相之次振盪中，但其表現為在結構之一末端中遠離彼此移動且在結構之另一末端中朝向彼此移動。此偵測運動藉由測震質量塊之頂部及底部上的虛線箭頭進一步說明，從而指示在旋轉次振盪之一相位中的移動方向。在其他相位中，方向將與所展示之方向相反。應注意，移動，尤其是測震質量塊200、202及差動梳260之移動已為說明性目的在此圖中誇示，且實際移動可為較小的。

圖3描述靠近主彈簧(304、310)之末端蝕刻的機械正交補償溝槽350之置放的俯視圖。溝槽應理解為形成於材料面上之長且窄的凹 陷。關於置放補償溝槽之方式存在若干替代，此取決於主運動中之正交誤差的方向。每一溝槽經設計以補償特定測震質量塊之正交誤差。儘管陀螺儀相較於陀螺儀所建置於之晶圓而言為相當小的設備，但製造過程通常在特定陀螺儀設備之兩個測震質量塊中產生類非理想性，且因此溝槽可置放至同一側，亦即，如圖3a及圖3b中所示相應地置放至每一彈簧的右側或左側。或者，對測震質量塊中之僅一者產生僅單一補償溝槽，而其他質量塊可無補償溝槽。此替代之實例展示於圖3e中。此外，兩個測震質量塊可具有置放於每一彈簧元件之不同側上的補償溝槽，在實例中，在內側上，如圖3d中所示朝向陀螺儀設備之幾何對稱線、遠離感測梳狀結構且在兩個彈簧之間，或在外側上，如在圖3c中朝向感測梳狀結構、遠離陀螺儀設備之幾何對稱線。補償溝槽可為類伸長四邊形形狀之溝槽。在不脫離本發明之範疇的情況下，溝槽之轉角或末端可藉由設計或歸因於製造步驟而為尖銳的或圓化的，且壁在實例中可歸因於製造過程之非理想特徵而為傾斜的。較佳地，補償溝槽350置放於與測震質量塊之平面中的主運動之主軸線正交的測震質量塊中，且處於距主彈簧(304、310)附接至該測震質量塊之所選擇末端預定義距離處。補償溝槽350可沿著測震質量塊之面延伸至主運動之主軸線的兩個相對側，該面遠離支撐主體結構。此外，補償溝槽350可在主軸線之兩個相對側上遠離主軸線延伸相等的長距離，或其可在主軸線之每一相對側上遠離主軸線延伸不同距離。此外，儘管圖中未展示，但多個補償溝槽可接近彈簧之同一末端彼此緊挨地產生於單一測震質量塊中。

圖4a、圖4b及圖4c呈現陀螺儀元件沿著主軸線之橫截面。 懸置結構401附接至支撐結構400。彈簧元件402將懸置結構連接至測震質量塊404，從而使測震質量塊404能夠相對於懸置結構401移動。圍繞彈簧元件402之預期旋轉主移動在與主軸線之方向正交的平面中發生。主要旋轉運動之預期方向可藉由角速度向量ω呈現。主旋轉運動在橫截面之平面中的凸起亦可藉由點線兩端箭頭415描述。主運動發生所圍繞之主旋轉運動主軸線420的方向得以水平地展示。應注意，圖4a至圖4c中之結構僅用於說明性目的，且並未按比例繪製。

圖4a呈現藉由單端彈簧進行正交誤差之校正的實例。單端彈簧一詞指代一配置，在該配置中，彈簧402如所說明僅在懸置結構之一側上附接至懸置結構401且附接至測震質量塊404。歸因於製造過程中之非理想容量，測震質量塊404之擺動運動亦可具有非預期正交誤差，即自來自主移動之預期方向傾斜的移動。此係藉由箭頭410描述，從而指示不合需要之正交誤差的方向，且角速度向量為ω'。在實際系統中，未補償設備之正交誤差可具有明顯大於藉由柯氏力所引起之感測模式移動之振幅的振幅。儘管此移動具有與柯氏力之90度相位差，使得誤差可甚至藉由經感測訊號之稍後訊號處理來校正，但正交誤差之存在通常引起對於用於放大自感測結構所接收之訊號的動態範圍要求之不合理要求。因此，補償陀螺儀設備內之正交誤差為有利的。在所呈現類型之陀螺儀結構中，正交誤差410之主要部分可藉由在測震質量塊中製造補償溝槽405以機械方式補償。方向藉由替代角速度向量ω'及/或雙端箭頭410指示之正交誤差，如圖4a)中所示，且其在相較於預期驅動模式之方向時可進一步描述為具有負角的正交誤差，或描述為以自預期主移動之逆時針角度發生的移動，可藉由將補償 溝槽405置放於測震質量塊遠離陀螺儀設備之支撐結構的側上而得到補償。在具有形成基座之支撐結構的例示性結構中，補償溝槽亦可被指示為處於陀螺儀測震質量塊之「頂側」上。應注意，箭頭之方向僅為說明性的，且根據此模式之正交誤差410的確切方向在相較於主移動之方向時可具有介於0度至-90度之間的任何角度。此外，正交誤差可具有沿著又一移動軸線的額外旋轉移動分量。此處為簡單性而使用自預期主移動之偏差的單一簡單角度。

圖4b呈現藉由單端彈簧進行正交誤差之校正的另一實例。在此狀況下，具有如藉由角速度向量ω"或藉由雙端箭頭411所述之例示性方向的遠離主軸線之非預期正交誤差，如圖4b)中所示，且其如相較於預期驅動模式之方向亦可被描述為具有正角的正交誤差，或以自主移動之預期方向的順時針角度發生的移動，藉由角速度向量ω或藉由雙端箭頭411所指示。以機械方式補償正交誤差現要求將補償溝槽405置放於測震質量塊404朝向陀螺儀設備之[基座]的側上。在設備之支撐主體展示為「向下」的此實例中，可將此描述為陀螺儀測震質量塊之「底」或「支撐」側。然而，自製造觀點而言，此解決方案為有問題的。補償溝槽形成應自測震質量塊404之底側發生。舉例而言，達成此之一可能性為在陀螺儀元件附接至支撐結構400之前進行補償溝槽蝕刻，此係因為蝕刻製程要求可蝕刻圖案之表面的可見性。另外，此誘發針對稍後處理步驟之上覆的更嚴格要求。應注意，箭頭之方向僅為說明性的，且根據此模式之正交誤差411的確切方向在相較於主移動之方向時可具有介於0度至90度之間的任何角度，且正交誤差可甚至含有在第三旋轉方向上的分量。此處為簡單性目的將不合需要 之移動的單一方向用作實例。

圖4c呈現根據本發明之正交誤差的補償。現使用雙端主彈簧結構。藉由雙端主彈簧，測震質量塊支撐於懸置結構之兩個相對側上，且彈簧及測震質量塊之附接點可置放於沿著主軸線的任何點中。例示性主彈簧結構402之兩個部分直接連接於測震質量塊與懸置結構之間，使得懸置結構有效地位於主彈簧之兩個部分之間。當正交誤差將藉由補償溝槽以機械方式補償時，此現可藉由在測震質量塊之單一面上產生補償溝槽而得以實施，並不取決於將要補償之正交誤差的方向。在例示性狀況下，在陀螺儀設備之支撐結構置放於底部的情況下，補償溝槽可在測震質量塊遠離支撐主體元件之側上產生於設備的頂面上。設備之此頂面暴露於製造過程步驟，諸如置放光阻及蝕刻或沈積層或材料，甚至在設備已附接至主體元件之後亦如此。在正交誤差具有藉由自預期主移動逆時針之角速度向量ω'所述的負角之狀況下，補償溝槽405a以與藉由單端主彈簧402類似之方式在距主彈簧402之末端預定義距離處緊挨著或接近主彈簧402的適當末端產生。當正交誤差具有藉由自預期主移動順時針之角速度向量ω"所述的正角時，補償溝槽405b在距主彈簧402預定義距離處緊挨著或接近主彈簧402的相對末端產生。應注意，補償溝槽405a及405b之兩個所呈現置放主要地彼此交替，此係因為補償溝槽通常針對給定的正交誤差角度對於一個測震質量塊404僅需要處於主彈簧402之一側上。此交替特性係藉由虛線480來強調，從而指示圖像之兩個側可與不同實施方式相關。此外，應注意，替代於產生單一補償溝槽，在不脫離本發明之範疇的情況下，根據設計偏好，兩個或兩個以上補償溝槽靠近特定主彈簧之一末端置放的設計可適用。在 例示性替代實施中，支撐結構可置放於設備之頂部或設備可以任何角度轉動，而不脫離本發明之範疇。

補償溝槽較佳地藉由蝕刻製程來製造。在實例中，可使用DRIE蝕刻。在例示性陀螺儀設備中，補償溝槽之此蝕刻可有利地自主測震質量塊之頂側，換言之，在測震質量塊背離主體元件的面上，與其他結構之蝕刻同時進行，該等結構諸如測震質量塊結構及/或彈簧結構及/或感測梳狀結構及/或電氣補償結構。此如相較於下者藉由簡化製造過程而產生益處：在單端主彈簧如先前技術中般得以使用的情況下，用於在測震質量塊之底側上，換言之，在測震質量塊面向主體元件的面上間或地產生補償溝槽的需要。

圖5a及圖5b提供補償溝槽之有效設計參數的示意性呈現。補償溝槽可為伸長的線狀凹陷，其置放為相對地接近彈簧之末端。存在設計補償溝槽之若干設計參數，該等參數各自可對主運動之方向具有朝向預期主移動方向的校正效應，從而減小正交誤差之量。應注意，圖5a及圖5b僅用於說明性目的，且並未按比例繪製。

圖5a呈現說明旋轉運動之部分。懸置結構501藉由彈簧502連接至設備之主要測震質量塊504。主要測震質量塊504之僅一部分得以展示，且歸因於圖之說明性本質，結構可能未必按比例繪製。

對正交校正之量有影響的最有效且因此最重要的參數為溝槽距主彈簧之末端的距離530。如相較於彈簧之厚度，另一稍不重要之參數為補償溝槽在測震質量塊內的深度540。該深度在製造過程期間得以調整，且其在補償溝槽之深度為主彈簧之厚度的一半時為最有效的。或者，亦可 針對補償溝槽選擇另一深度540，在實例中為彈簧之厚度的三分之一。在又一實施方式中，補償溝槽之深度可沿著溝槽之長度變化：其在一些位置可為較深的且在其他位置為較淺的。在實例中，溝槽可在主軸線之一側上具有一深度，且在主軸線之另一側上具有另一深度。應注意，儘管在此說明中粗略地類似，但彈簧502及測震質量塊504之相對厚度可變化。儘管測震質量塊504可具有與彈簧502之高度局部地或完全地不同的高度，但補償溝槽之深度較佳地基於彈簧502之厚度來定義，此係因為對於校正之需要主要地源於彈簧軸線之傾斜。

圖5b例示具有正交補償溝槽505之主彈簧結構502的俯視圖。懸置結構501藉由雙端彈簧502連接至設備之主要測震質量塊504。溝槽距主彈簧之末端的距離530亦在此說明中得以呈現。大小，在實例中補償溝槽之長度550及寬度560為對藉由補償溝槽所引起的正交補償之量具有效應的其他參數。然而，此等參數之效應如相較於上文所提及之距離530及深度540參數為較弱的。通常，長度550及寬度560參數係基於可製造性而非針對正交補償之量來選擇。應理解，儘管可指定諸如溝槽之深度、寬度或長度的特定量測值，但此等量測值在不脫離範疇之情況下可在製造公差內在實際MEMS產品中變化。

儘管圖5b展示在旋轉運動之主軸線520之每一側上遠離該軸線延伸近似相等距離的補償溝槽，但亦可使該溝槽相對於主軸線520非對稱，使得溝槽在每一側上自該軸線延伸不同距離。

圖6描述用於陀螺儀結構之例示性製造過程的主要製程階段。通常，大量設備同時製造於矽圓盤上。儘管矽圓盤在直徑上為相對大 的，但蝕刻製程可產生非理想性，諸如溝槽壁相對於圓盤之法線的傾斜。由於此傾斜為正交誤差之一個起因，因此壁之傾斜產生以已知方式散佈於圓盤之上的正交誤差，且因此誤差可使用預定義補償結構來補償，該等補償結構可已在陀螺儀之製造過程期間產生。

在所呈現解決方案中，補償正交誤差之正交補償溝槽經設計至測震質量塊。溝槽可使用與陀螺儀結構相同之製造過程來產生，且其可共用一或多個製造步驟。製造步驟之此共用針對製造時間及成本兩者之節約以及在產品之品質及產品製程的有效增益方面為有益的，此係因為藉由製程所引起之可能誤差的一些來源可減少或甚至消除。

在例示性的基於DRIE之蝕刻製程中，陀螺儀設備產生於可被稱作「設備矽」之矽圓盤/矽晶圓上。首先，在製程601中將設備矽附接至主體元件。

設備矽可在製造過程之早期階段中附接至支撐主體元件，使得更穩固之主體元件可在針對在設備矽上形成陀螺儀結構而執行製造步驟的同時支撐薄的設備矽。主體元件及設備矽可經附接，使得支撐結構之位置針對在製造下之設備及針對最終產品為相同的。主體元件亦可具有圖案，亦即，用於提供針對陀螺儀元件移動所需之自由空間的空腔或盆狀物。主體元件及設備矽可(例如)藉由熔融接合兩個矽晶圓或藉由在主體元件上生長多晶矽或磊晶矽而彼此附接。較佳地，設備矽在設備矽經圖案化之前附接至主體元件。

接著在製程602中處理設備矽以用於形成陀螺儀元件及補償溝槽，其中陀螺儀元件及補償溝槽之產生較佳地共用至少一共同製造步 驟，諸如敷設光阻圖案及/或蝕刻。在溝槽應產生於設備矽之底側上的狀況下，諸如蝕刻之製造過程步驟可能接著需要執行於設備矽之底側上，此情形將需要若干額外製程步驟，至少圖案化及蝕刻。就底側而言，指代設備矽面向主體結構之側。此進一步圖案化製程可能更難以相對於稍後自設備矽之相對(頂)側產生的結構精確地定位，使得補償溝槽或在設備矽下產生之任何其他結構的位置可變為定位不良的，且並未恰當地滿足其預期目的。儘管將使設備晶圓下之圖案與頂部圖案化分開，但對溝槽之位置的控制關於測震主體、懸置結構及彈簧結構的位置將為更難的。因此，在實例中經由使用用於界定補償溝槽及其他設備結構以用於蝕刻製程的共同抗蝕劑層而使機械補償溝槽能夠與其他結構元件同時產生之設備結構為重大改良。

補償溝槽可在主要陀螺儀蝕刻完成之前、期間或之後形成至測震質量塊，亦即，當設備矽形成至陀螺儀元件中時，該等陀螺儀元件為包含一或多個測震質量塊、框架、彈簧、諸如亦即錨定器之支撐結構及/或偵測梳的陀螺儀元件。單一或多級蝕刻可用於補償溝槽形成。當設備中需要不同深度之經蝕刻圖案時，多級蝕刻可為有益的。在實例中，兩級蝕刻製程為此目的允許產生或形成具有合適尺寸之補償溝槽。儘管已主要使用DRIE蝕刻製程作為實例，但任何其他合適的製造方法可用於產生或形成補償溝槽，如熟習此項技術者已知的。此替代製程之實例為表面微機械加工，其中薄膜經圖案化於基板晶圓之頂部。

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。本發明及其實施方式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 (22)

1. 一種微機電陀螺儀結構，其包含一測震質量塊；及一主彈簧結構，其藉由一懸置結構將該測震質量塊懸置至一主體元件，該主彈簧結構允許一主振盪運動及一次振盪，在該主振盪運動中，該測震質量塊之至少部分圍繞與該測震質量塊之平面對準的一主軸線在一第一方向上旋轉振盪，在該次振盪中，該測震質量塊之至少部分在垂直於該第一方向的一第二方向上移動，其特徵在於該主彈簧結構在該懸置結構之相對側上附接至該測震質量塊，且該主彈簧結構經建構以用於圍繞與該主振盪運動共同之該主軸線的扭轉運動。
2. 如申請專利範圍第1項之微機電陀螺儀結構，其特徵在於該測震質量塊之一正交誤差係藉由該測震質量塊之面上的至少一補償溝槽以機械方式補償，該面遠離該主體元件，其中該至少一補償溝槽位於距該主彈簧結構之任一末端一預定義距離處。
3. 如申請專利範圍第2項之微機電陀螺儀結構，其特徵在於該至少一補償溝槽形成為與該主軸線正交的伸長四邊形形狀。
4. 如申請專利範圍第2或3項中任一項之微機電陀螺儀結構，其特徵在於該至少一補償溝槽在該主軸線之相對側處遠離該主軸線而延伸預定義距離，且其中該等預定義距離本質上彼此相等或其中該等預定義距離彼此不同。
5. 如申請專利範圍第2至4項中任一項之微機電陀螺儀結構，其特徵 在於該測震質量塊內之該補償溝槽的深度係定義為該主彈簧結構之厚度的部分。
6. 如申請專利範圍第2或5項中任一項之微機電陀螺儀結構，其特徵在於該補償溝槽之一深度本質上為該主彈簧結構之一厚度的一半。
7. 如申請專利範圍第2或5項中任一項之微機電陀螺儀結構，其特徵在於該補償溝槽之一深度在該主軸線之不同側上為不同的。
8. 如申請專利範圍第2至7項中任一項之微機電陀螺儀結構，其特徵在於該正交誤差係使用至少一電氣正交補償結構進一步以電氣方式補償，該至少一電氣正交補償結構置放於該測震質量塊遠離該測震質量塊之該主軸線的末端附近。
9. 一種包含如申請專利範圍第1至8項中任一項之至少兩個微機電陀螺儀結構的微機電陀螺儀，該至少兩個微機電陀螺儀結構附接至一共同主體元件，該至少兩個陀螺儀結構具有一共同主軸線。
10. 如申請專利範圍第1至9項中任一項之微機電陀螺儀結構，其特徵在於該主彈簧結構為雙端的，且該主彈簧結構之部分在該懸置結構之該等相對側上直接附接至該懸置結構。
11. 一種製造一微機電陀螺儀結構之方法，該結構包含一測震質量塊及一主彈簧結構，該主彈簧結構藉由一懸置結構將該測震質量塊懸置至一主體元件以允許一主振盪運動及一次振盪，在該主振盪運動中，該測震質量塊之至少部分圍繞與該測震質量塊之平面對準的一主軸線在一第一方向上旋轉振盪，在該次振盪中，該測震質量塊之至少部分在垂直於該第一方向的一第二方向上移動， 其特徵在於該製造方法包含：產生在該懸置結構之相對側上附接至該測震質量塊的該主彈簧結構，其中該主彈簧結構經建構以用於圍繞與該主振盪運動共同之該主軸線的扭轉運動。
12. 如申請專利範圍第11項之用於製造一微機電陀螺儀結構之方法，其特徵在於該方法進一步包含產生用於以機械方式補償該測震質量塊之一正交誤差的至少一補償溝槽，其中該補償溝槽係在該測震質量塊暴露於主要處理步驟且遠離該主體元件的面上。
13. 如申請專利範圍第12項之用於製造一微機電陀螺儀結構之方法，其特徵在於該方法進一步包含產生位於距該主彈簧結構之任一末端一預定義距離處的該至少一補償溝槽。
14. 如申請專利範圍第12至13項中任一項之用於製造一微機電陀螺儀結構之方法，其特徵在於該補償溝槽係形成為與該主振盪運動之該主軸線正交的伸長四邊形形狀。
15. 如申請專利範圍第12至14項中任一項之用於製造一微機電陀螺儀結構之方法，其特徵在於該補償溝槽在該主軸線之相對側處遠離該主軸線而延伸預定義距離，其中該等預定義距離本質上彼此相等或其中該等預定義距離彼此不同。
16. 如申請專利範圍第12至15項中任一項之用於製造一微機電陀螺儀結構之方法，其特徵在於該測震質量塊內之該補償溝槽的深度定義為該主彈簧結構之一厚度的部分。
17. 如申請專利範圍第12至16項中任一項之用於製造一微機電陀螺儀結構之方法，其特徵在於該補償溝槽之該深度本質上為該主彈簧結構之一 厚度的一半。
18. 如申請專利範圍第12至16項中任一項之用於製造一微機電陀螺儀結構之方法，其特徵在於該補償溝槽之一深度在該主軸線之不同側上為不同的。
19. 如申請專利範圍第12至18項中任一項之用於製造一微機電陀螺儀結構之方法，其特徵在於該補償溝槽係藉由一製程產生，該製程僅在該測震質量塊遠離該主體元件之面上執行。
20. 如申請專利範圍第12至18項中任一項之用於製造一微機電陀螺儀結構之方法，其特徵在於該方法進一步包含該補償溝槽之蝕刻，該蝕刻包含與該測震質量塊結構及/或該主彈簧結構及/或一感測梳狀結構及/或一電氣補償結構之蝕刻的至少一共同蝕刻相位。
21. 如申請專利範圍第11至20項中任一項之用於製造一微機械陀螺儀結構之方法，其中該產生步驟包含藉由蝕刻及表面微機械加工中之至少一者形成該等結構。
22. 一種用於製造一微機械陀螺儀之方法，其特徵在於該方法包含根據如申請專利範圍第11至21項之方法中的任一者產生至少兩個微機電陀螺儀結構，其中該等陀螺儀結構附接至同一主體元件且具有一共同主軸線。