經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 513556 8827pif.doc/008 A7 ________B7_____ 五、發明説明（丨） 發明領域 本發明係關於一種適用於陀螺測速式（gyr〇metric ) 或陀螺式（gyroscopic)之慣性感應器（inertial sensor)中 的機械共振器（mechanical resonator)，尤其關於一種具 有一體平面（monolithic planar)振動結構之機械共振器，其 中一體平面振動結構係藉由適當材質的基材製成，該材質 可由一般化學蝕刻'雷射蝕刻等其他常用以形成微細構造 之技術製成。 發明背景 習<知已知上述平面機械共振器之製造方法。如FR-A-2 685 964所述，習知技術可製作一種對一含於其平面之軸 敏感的共振器。如FR-A-2 741 151所述，習知技術亦可製 作一種對二相垂直且含於其平面之軸敏感的共振器。 如ΕΡ-λ〇 461 761所述，習知技術亦可製作一種具有 依旋轉式環狀或正方形之封閉輪廓延伸之振動結構的機械 共振器，其爲對其平面垂直軸敏感。然而，這種習知共振 器對頻率具有非等向性，故此其應用限於陀螺測速模式之 運作，並不適於陀螺模式運作。然而，現今之需求爲一種 一體平面對垂直軸敏感而且可用於陀螺模式運作之機械共 振器。 GB-A-2 318 184揭露一種一體平面對三相垂直軸敏感 之共振器，其有二軸X及Υ含於共振器之平面，而第三軸 Ζ爲對其平面垂直。然而，這種裝置具有微小敏感度，故 目前技術仍未硏發出一種一體平面、對三相垂直之軸敏 4 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X29*7公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
-、#J 513556 8827pif.doc/008 … _ B7___ 五、發明説明（1 ) 感、且具有如於陀螺感應器中能易處理訊號的共振器。具 體而言，習知製作此種對三參考軸敏感裝置之技術係藉由 多個共振器組合，各共振器爲對一或二軸敏感，且以恰當 空間位置排列。然而，就習知技術而言，這種無法避免之 組合方式係造成妨礙之缺點，提高製造成本。 、對一些使用者而言，緊迫的需求爲一種一體、對三垂 直軸敏感、g具有低製造成本之感應器，其可適用於一次 使用（如引^砲彈或飛彈之配件），且可藉以較小組合空 間設裝於有_制的環境中（如引導砲彈之彈頭）。 發明槪述 有鑑於此，本發明主要目的爲一種改良結構，其可符 合各種實施之需求，並維持一體平面式構造，此種一體平 面式構造之好處在於所製成之裝置較小且製程較簡單，藉 由低製造成本可達到精確幾何形狀之系列生產、甚至大系 列生產。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 ------if — (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明基於當製作適於陀螺模式運作之慣性感應器 時，需要具備具有等向性之共振器，尤其對頻率及陀螺耦 合的等向性。一般而言，無論所實施之振動型態的階數k ’ 頻率非等向性及陀螺耦合非等向性的原因爲共振器之幾何 缺陷及/或共振器之懸吊缺陷（共振器係由一組相連接且 大約複雜之懸吊桿固定，藉以限制往外流失之能量’卻可 造成結構剛度增加及干擾用於陀螺模式運作之變形型態） 及/或材質缺陷（用以製作平面微細構造之材質一般爲結 晶材質，而結晶材質之天性爲非等向性）。 5 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS) A4说格（210X297公釐） 513556 8827pif.doc/008 A7 B7 五、發明説明（λ ) 如上所述，頻率非等向性Af可分解成幾何非等向性 Afg、懸吊非等向性Afs、及材質非等向性Afm如下： Δί = Afg + Afs + Afm 只要每一項△& 、Afs 、及Afm均等於Ο，則賴率 非等向性Af爲〇。若Δ。、Afs、及Afm之代數加法馬 0,即兩非0項之代數加法爲〇而第三項爲（X例如Afg + Af :=〇，其中户矣0 、Afs々〇、及Afm =： 〇)，或三非〇項 (Afg # 〇 、Ms # 〇、及Afm # 〇)之代數加法爲〇，則頻 率非等向性亦 同樣，陀螺耦合Δα可分解成幾何非等向性Δα§、戀 吊非等向性Aas、及材質非等向性Aam如下： △a = Aag + Aas + Aam 只要每一項Δα§ 、Aas 、及Aocm均等於〇，則陀 螺耦合Δα爲0。若Mg、Afs、及Δ4之代數加法爲〇, 其中至少某一些項非0,則陀螺耦合Δα亦爲〇。 本發明以上述之限制提供一種適於陀螺測速模式蓮作 及陀螺模式運作之感應器（原理上非等向性爲0 : = 〇， 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 f請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁} 即 Afg = Afs = Δ。= 〇 或 Afg + Ms + Afm = 〇 ;及Δα =： 〇， 及 Aocg = Δα8 = Aocm = 0 或 Aag + Aots + Aocm = 〇) 爲達到上述的目的，本發明提供一種具有一體平面振 動結構之機械共振器，其結構依據一封閉輪廓延伸，而該 輪廓之敏感軸對該結構之平面實質上垂直，其中該共振器 依據本發明所排列之特徵在於該平面結構爲具有4k頂點 之凸狀規則多邊形狀（P〇1M〇nal regular convex)，並且該 6 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210x297公廣） 513556 A7 B7 8827pif.doc/〇〇8 五、發明説明（i ) 平面結構係藉由η實質上徑向延伸並對稱排列之懸吊桿吊 在一·固定基座上，其中k爲共振器在振動時之振動型知的 (請先閲讀背面之注意事項存填寫本頁) 階數。 根據本發明一第一實施例’具有4k頂點之凸狀規則 多邊形振動結構係具有多個相同並藉由π/21ί角度間隔重複 之圖案，藉此該多邊形振動結構具有幾何等方向性（△&二 0，Aag = 〇):。 -故此，藉由本發明之配置，對振動型態之階數k可構 成一繞著橫同軸（軸Z)完全不變之振動結構··對振動型 態之階數·]<，具有W2k角度間隔及4k頂點之凸狀規則多邊 形狀係不變。上述之共振器對階數k-Ι及k+Ι係無幾何[缺 陷，使得該結構自然平衡’並且對外界振動干擾無敏感° 因此，若k = 2 ’則該多邊形狀爲規則八邊形狀’其構成 一對繞著橫向中央軸（軸z)的旋轉敏感、幾何上平衡及 具幾何等方向性、且如環狀共振器運轉之平面結構。 故，可形成一爲具有其變形含於共振器平面之新型平 面共振器，其敏感軸如此對封閉輪廓之結構爲垂直。 經濟部中央標隼局員工消費合作社印製 就材質非等向性而言，若共振器之材質自然具有等方 向性，則頻率及陀螺耦合非等向性爲〇。然而，除對於一 些特別用以測試之振動型態的階數k外，常用於這領域之 結晶材質（如矽及石英）均爲非等向性，其由於結晶材質 的特性如由化學蝕刻加工的可能性、內部損失小因而品質 參數高等特性而致。其中，該些特別用以測試之振動型態 的階數k係分別與對其具有等方向性之結晶材質的對稱性 7 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） 513556 A7 B7 8827pif.doc/〇〇8 五、發明説明（L ) 及切片之剖面角度有關。 在這些情況下，依據本發明之另一較佳實施例，該共 振平面結構對振動型態階數2 (k = 2)係八邊形狀，並且 必須藉由一種如石英具有三方晶系之結晶材質製成，其中 該結晶材質具有依OXY平面之剖面，藉此振動結構對階 數k = 2具有材質等方向性。 同樣，题於振動型態之階數3 (k = 3)，共振平面結 構係十ZL邊形狀，並且必須藉由一種如砂具有立方晶系之 結-晶材質製成，其中結晶材質具有含0Z軸、0X軸或〇γ 軸之剖面，藉此振動結構對階數k = 3具有材質等方向性。 根據本發明另一較佳實施例，所具備之懸吊桿數目爲 n=4k並由Tr/2k角度間隔，藉此振動結構具有懸吊等方向 性（Afs = 〇，= 〇)。 根據本發明之另一較佳實施例，若共振器係依據本發 明所排列而如上述同時具有幾何等方向性（Afg = 0, Δα, =0)、材質等方向性（Afm = 0，△、= 0)、及懸吊等 方向性（Afs = 〇，Aas = 0)等，則該共振器對頻率及耦 合參數爲完全等方向性，因此不僅適於陀螺測速模式而且 陀螺模式運作。因此，上述之共振器可滿足使用者的一些 需求。 然而，爲補償材質所產生之非等向性，也可以對共振 器採用適當幾何（幾何非等向性）及/或懸吊（懸吊非等 向性）之局部改變，使得自行所加入之非等向性（幾何及 /或懸吊非等向性）可補償結晶材質的自然非等向性。故 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項存填寫本頁) 訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 513556 8827pif.doc/008 A7 B7 五、發明説明（t ) 此，依據本發明之一實施例，具有4k頂點之多邊形振動 結構係由結晶材質製成，其中該結晶材質之結構爲非三方 晶系若k = 2或非立方晶系若k = 3，原理上該材質如此具 有材質非等向性（Afm # 〇，Aam # 0)。於是，該多邊形振 動結構可至少幾何上局部改變及/或懸吊方式局部改變， 使得該多邊形振動結構分別具有幾何非等向性（Mg * 〇, △ag # 0)及/或懸吊非等向性（Afs # 0，Aocs々〇)，用以 \補償材質非等向性，使該多邊形振動結構具有頻率等方向 性（Af = 〇>及耦合等方向性（Δα = 0)，並且適於陀螺 '測速模式或陀螺模式運作。 舉例而言，爲使本發明之共振器具有等方向性，其中 該共振器由矽製成且以階數k = 2操作，可附加四個相同 且平均分佈之質量塊（mass)及/或改變懸吊桿之僵硬度 (stiffness) 〇 同樣地，爲使得本發明由石英製成且以階數k = 3操 作之共振器具有等方向性，可附加六個相同且平均分佈之 質量塊及/或改變懸吊桿之僵硬度。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 此外，也可選擇懸吊桿數目與上述（η = 4)不同（較 小）以得到懸吊之等方向性，此選擇之原因例如爲可用空 間不足以容納η = 4懸吊桿（若k = 2，則η = 8懸吊桿； 若k = 3，則n zr 12懸吊桿），如現今已硏發之微小陀螺 裝置。 由上所述，根據本發明之另一較佳實施例，懸吊桿之 數目η < 4k，且懸吊桿係由2π/η角度間隔，其中η符合 本紙張尺度適用中國國家標牟（CNS ) Α4規格（210X297公釐） 513556 8827pif.doc/008 八, B7_ ___ 五、發明説明（9 ) nSk - 2或n2k + 2、n矣pk (p爲整數），故多邊形 振動結構原理上係具有懸吊非等向性（Afs#〇，Δα8々0)。 於是，該多邊形振動結構經過排列以具備多個局部幾何缺 陷，其中該些幾何缺陷由π/k角度互相間隔以得到質量 缺陷之階數2k，藉以產生幾何非等向性（Afg#〇, 適於補償因懸吊桿之數目不足而造成之懸吊非等向性；藉 此該多邊形振動結構具有頻率等方向性（Δί == 〇)及耦合 一等方向性（Αά = 〇)，並且適於陀螺測速模式或陀螺模式 運作，故此可;滿足使用者之需求。 値得注意是若n = pk，則共振器係具有懸吊非等向 性，而同時爲自然地平衡之。 在這情況下，若局部幾何缺陷（例如由於加入質量塊 所致）係至少置於懸吊桿與振動結構之連接或裝入部分， 則上述補償更有效。 若共振器係由上述之一些方式排列，而且具有至少幾 何非等向性（Afg々〇, Aag々0)，或至少材質非等向性（Δ。 *〇’Δα，〇)，或至少懸吊非等向性（△，〆〇, Δα，〇)， 經濟部中央標準局員工消費合作社印袋 -------If - (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 則此共振器對頻率及/或耦合參數具有不完整等方向性， 其僅適於陀螺測速模式而並不適於陀螺模式之運作。 無論上述中所選擇之方式，就振動結構之懸吊而言， 可讓基座包圍平面振動結構且懸吊桿之位置於振動結構 外；或者基座爲一與振動結構實質上同中心之中央核心， 而懸吊桿之位置於振動結構內。然而，在懸吊桿之數目等 於或接近4k之情況下，當階數k提高使得懸吊桿所佔用 10 本紙張尺度適用中國國家;^ ( CNS ) A4祕（2l〇x297公廣) - 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 513556 A7 8827pif.doc/008 β? 五、發明説明（么） 之空間更大時，懸吊桿之剛性(rigidity)最佳化的可能性變 /J、，其中剛性最佳化係指在稍微不平衡情況下可獲得與連 接點機械去耦的程度。上述的情況在中央核心及懸吊桿位 於具有封閉輪廓之振動結構內尤其明顯。就此觀點而言， 尤其對具有中央核心之共振器’更佳支持振動型態中之小 階數，如k = 2，以使得4k小。 除上述藉由本發明之一體平面式、且對橫向軸（2軸） ~敏感之機械共振器所得到之優點外，另一優點在於功能上 —丄哥以:結合上述之共振器與一種平面式、對含於振動結構之 平面裡一軸（X或Y軸）或二軸（x，γ)敏感之共振器， 以得到一種一體平面對二軸（X，Z或Y，Z)或三軸（X， Y，Z)敏感之共振器。尤其，可將根據上段敘述所排列之 機械共振器結合一種具有多個共振樑之機械共振器’其中 該些共振樑係藉由一與具有封閉輪廓之振動結構實質上同 中心的中央核心支撐，且從該中央核心實質上於封閉輪廓 之振動結構平面裡徑向延伸，其如FR-A-2 741 150所述之 具有共振樑的共振器。藉此，陀螺測速模式或陀螺模式之 裝置中的振動元件實質上完全位於同一平面（故可由一體 平面製成）並適於偵測一施加於基座之旋轉速度Ω的Ωχ、 Ωγ、ΩΖ等三部分，其中Ωχ及Qy部分係藉由共振樑偵測， 而Ωζ部分由具有封閉輪廓之振動結構偵測。 故此，藉由本發明之排列方式並以適當選擇共振器之 參數，可以構成一種能對三相垂直軸提供測量功能之一體 平面共振器，其中含於共振器平面之軸（X，Υ)係限於陀 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、1Τ· 本紙張尺度適用中國國家榡準（CNS ) Α4現格（210Χ297公釐） 513556 8827pif.doc/008 A7 B7 經濟部中央標準局貝工消費合作社印褽 五、發明説明) 螺測速模式運作，而由垂直軸ζ可取得陀螺模式運作。如 此，可滿足使用者的些其他需求。 一般而言，本發明之一體平面共振器可倂入於一種實 用上具有更廣泛範圍並整合具有多個不同種類之平面式感 應器的一體平面結構，該些感應器不僅爲陀螺測速模式及 /或陀螺模式感應器，而且還包括壓力、溫度感應器等等。 尤其，本發明可製成一種一體平面式整合結構能對三垂直 軸提供加速計偵測功能及對三垂直軸提供陀螺模式偵測功 '能—其中如此製成之結構係組成一平面式、一體慣性整合 之核心的主要部分。 凰式簡單說明 爲讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明 顯易懂，下文特舉許多較佳實施例，並配合所附圖式，做 詳細說明如下： * 第1Α至1C圖係分別繪示根據本發明三個不同實施 例之一種具有多邊形封閉輪廓、對幾何等方向性、且外懸 吊之共振器的意示圖； 第2Α至2Β圖係分別繪示根據本發明兩個不同實施 例之一種具有多邊形封閉輪廓、對幾何等方向性、且外懸 吊之共振器的意示圖； 第3Α至3F圖係繪示根據本發明不同實施例之一種具 有多邊形封閉輪廓、對懸吊等方向性、或由外界手法補償 其對懸吊非等向性之共振器的意示圖； 第4Α及4Β圖係繪示根據本發明兩種於具有多邊形 -- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -訂- 本紙張尺度適用中國國家榡準（CNs ) a4規格（210X297公釐〉 513556 8827pif.doc/008 A7 B7 經濟部中央標準局貝工消費合作社印褽 五、發明説明（丨° ) 封閉輪廓之共振器中加入額外質量塊之方式的意示圖； 第5A至5C係繪示依據本發明三個實施例之一種具 有多邊形封閉輪廓、且對材質具有等方向性或由補償方式 得到等方向性之共振器的意示圖； 第6A至6B圖係繪示根據本發明兩個實施例之一種 平面並對三:垂直軸敏感之共振器的意示圖；及 第7圖係繪示一種一體平面、對X、Y、及Z軸陀螺 加速計、並倂入一根據本發明對橫向軸Z敏感之加速計共 二振7器之慣性感應器的俯視圖。 > 圖號說明 振動結構 懸吊桿 頂點 中央核心 基座 突起 樑 裝入點 基材 15、16 : 感應器 1 2 3 4 5 6 7 9 8 10 ·· 1 卜 12、13、14 較佳實施例之詳細說明 如上所述，注意，無論所使用之振動型態之階數k， 一般可將機械共振器之頻率及耦合非等向性分解成三項如 下： 13 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS ) A4規格（210X297公釐） 513556 A7 B7 8827pif.doc/008 五、發明説明（（\ ) △f = Afg + Afs + Mm 及 Δα =： Aag + Δα, + Aam 其中m、g、s係分別指示爲缺陷原因的共振器材質、 幾何、及懸吊。故爲得到非等向性Af及Δα等於〇，只要 上述兩個關係中每一項均爲〇或Afg + Afs + Afm及4〇1 = Aag + Aas + Aam之代數加法爲〇。 _ 此外，，命於機械平衡條件，對於階數k而言，已確立 階數k-Ι及k+Ι之缺陷對橫向激發(transverse excitation)會 產生敏感度，而階數k之缺陷對軸向角度加速會產生敏感 度。然而，在一般操作環境下，可忽略由軸向角度加速所 產生之誤差，此係由於這些角度加速對直線加速小而且由 共振器之小尺寸加權該角度加速。因此，在這些情況下， 可忽略階數k之缺陷。 本發明之共振器係針對上述之基礎而設計，其係根據 下述之實施例針對共振器幾何、懸吊、及材質（及其剖面） 選擇依序敘述。 根據本發明所製成之一種具有一體平面、依據一封閉 輪廓延伸、並具有敏感軸實質上對其平面垂直之振動結構 的共振器’係使得該平面結構爲具有4k頂點之凸狀規則 多邊形狀（k爲共振器在振動時之振動型態之階數）並藉 由η個實質上徑向延伸且對稱排列之懸吊桿吊在一固定基 座上。 就共振器之幾何而言’共振器之總體幾何等方向性（即 幾何非等方向性爲〇 : = 0，Δαέ = 0)係藉由該具有4k 本紙張尺度適用中國國家榡準（CNS ) Α4規格（21〇χ297公羡） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂· 經濟部中央標準局貝工消費合作社印裝 經濟部中央標準局員工消費合作社印策 513556 8827pif.doc/008 A/ B7 五、發明説明（Π ) 頂點之多邊形、繞著對其平面垂直之橫向中央軸（Z軸） 完全不變、且其中具有同一圖案以TT/2k角度間隔重複之平 面振動結構而致。如上述之機械共振器係無缺陷對階數Ι^-ΐ 、 k+Ι 、 及 k 。 舉例而言，一般使用於階數2 (k = 2)振動型態的機 械共振器，’若其爲平面規則八邊形狀，則共振器係具有幾 何等方向性並對繞著橫向中央軸（Z軸）之旋轉敏感。這 種共振器係儀據環狀式共振器運轉，而一般皆知環狀式共 振器本質上具有幾何等方向性。 同樣，一般使用於階數3 (k = 3)振動型態之機械共 振器，若其爲規則十二邊形狀，則共振器係具有幾何等方 向性。 然而，習知具有正方形之共振器係無法具有爲0之幾 何非等方向性，因此不能達到本發明之需求。 因此，本發明硏發出一種具有變形含於共振器平面之 新穎平面機械共振器，其爲凸狀規則多邊形、並具有4k 頂點（k 2 2)之機械共振器，其中敏感軸係對共振器之平 面垂直。 就機械共振器之懸吊而言，所要之懸吊必須有充分彈 性以過濾在共振器不平衡時（其原因例如爲加工不精準） 傳到共振器安裝點之振動。然而，此裝置也不能有過度彈 性以避免共振型態之頻率過度低，因而會由感應器操作環 境激勵。 爲達到上述之需求，最自然作法係使用懸吊桿數目 --------f! (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS〉A4規格（210X 297公釐〉 513556 8827pif.doc Ό08 Α7 Β7 五、發明説明（0 ) n=4k。這些懸吊桿係完全相同、藉由π/π角度間隔均勻分 佈、一邊連接至共振器、另一邊連接至一固定裝置點，該 固定裝置點連到一基座或一外殼體。若其爲連接至外殼 體’則固定裝置點可位於共振器之中央部分（中央樞接或 中央核心）而懸吊桿爲在共振器之封閉輪廓內延伸，或著 固疋裝置點位於共振器外（例如包圍共振器之基座）而懸 吊桿爲在共_器之封閉輪廓外延伸。 ， - '無論所逢擇之排列方式，懸吊桿大體上係涇向延伸， 其精確形狀脫離直線半徑並可爲複雜狀態以綜合上述之過 濾振動特性及僵硬度。熟習此項藝技者知道各種狀態以達 到此需求。 在本發明之共振器爲具有4k頂點及4k懸吊桿之凸狀 規則多邊形狀時，固定點係位於殘留振動足夠小的地方， 即頂點或該多邊形結構之側邊中心。 經濟部中央標隼局貝工消費合作社印製 --------f , (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -訂 上述之結構係對階數k-1、k+1、及k無缺陷。爲更淸 楚說明本發明之特徵，第1A圖係繪示根據本發明一實施 例之機械共振器，其包含具有凸狀規則八邊形狀（k=2) 之振動結構1，及位於內面並延伸於振動結構1之頂點3 與中央核心（或樞接）4間之八懸吊桿2。爲使得懸吊具 有所要之彈性，懸吊桿2雖然大體上沿徑向、呈Z狀延伸。 請參照第1B圖，具有八邊形振動結構1之共振器係 藉由八支內懸吊桿2懸吊，其中懸吊桿2係沿爲徑向幾乎 直線延伸，卻具有稍微曲彎以避免僵硬度過高（爲基座振 動之機械過濾效果）。 本紙張尺度適用中國國家榡準（CNS ) A4規格（2】〇Χ297公釐） 513556 8827pif.doc/008 五、發明説明（丨：） 請參照第1A圖’共振器中的Z狀懸吊桿，其提供較 高彈性，可具有剖面較第1B圖所示之懸吊桿大，而第1B 圖中之懸吊桿必須細以避免使爲外架之振動結構1僵硬。 此觀點係特別重要以製作用以將共振器上之橫向激發及偵 測電極與訊號處理之電子裝置連接的導電路徑。然而，如 果懸吊桿之數目爲4k(爲較高的數目），則振動型態之階 數提高時，這些懸吊桿佔用之空間必然更大。因此，最佳 化懸吊桿僵硬之可能性較小。就此觀點而言，可選擇支持 — 振:動型態之小階數，例如階數2，藉以使得4k之乘積，即 懸吊桿之數目小。 當然，如上所述’懸吊桿2可非連接至多邊形結構之 頂點，如第1A及1B所示’而連接至如第1C圖所示之側 邊中心例子。 此外，懸吊桿可位於多邊形結構外，如第2A及2B 圖所示，介於多邊形振動結構1及包圍振動結構1之基座 5之間，其中基座5可爲圓形（如第2A圖所示，懸吊桿2 例如與振動結構1之頂點連接）或多邊形（如第2B圖所 示’懸吊桿可分別連接兩個同中心多邊形輪廓之中心）。 經濟部中夬標準局貝工消費合作社印策 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 最後就機械共振器之材質而言，若頻率及陀螺耦合之 非等向性爲0，則所使用之材質自然具有等方向性。然而’ 石夕及石英具有具有非等向性結晶，而這兩種材質很適合化 學蝕刻之微細加工，如一般微電子之製程，此係造成很大 的問題。另外，該些結晶材質具有其他許多優點，例如內 損失（internal loss)小、因而品質參數(Quality coefficient)高， 17 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) a4規格（210X297公釐） 513556 8827pif.doc/008 A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（|< ) 尤其石英因其壓電特性而可以有激勵及偵測共振型態° 因此，不能因爲材質非等向性爲0而排除這種結晶材 質之用途。 然而，對於共振器而言，除了上述之環形或具有4k 頂點凸狀規則多邊形之的幾何形狀以外，尙可尋找其他方 式降低材質之非等向性，甚至使非等向性爲爲〇 ° 一種作法係在適當選擇結晶剖面之條件下可結合所使 用之型態階數k與材質之對稱性。如此，可觀察到這些幾 何係對階數2;及爲石英之材質及對階數3及爲矽之材質具 有等。方向性：此特性乃由這些材質所具有之剛性矩陣的特 別結構所致。一般就材質而言，若該材質具有三方晶系結 構（例如石英），其中該材質之剖面位於OXY平面，則 具有4k頂點之凸狀規則多邊形共振器係對階數2之型態 (八邊形共振器）自然具有頻率及耦合參數之等方向性。 若該材質具有立方晶系結構（例如矽），其中材質之剖面 包含0X軸、或0Y軸、或0Z軸，則對階數3之型態（十 二邊形共振器）也具有頻率及耦合參數之等方向性。由於 階數2之實施例較不複雜，故以石英製成之凸狀規則八邊 形狀結構爲其應用，因爲其本質上具有等方向性（Afm = 〇， △am = 〇 ) 〇 更佳地，可構成一同時綜合上述三種排列方式之結 構，其如此具有幾何等方向性（Afg = 〇，Δα§ = 0)、及懸 吊等方向性（Afs zz 〇，Aas = 0)、及材質等方向性（Afm二0， = 〇 )。如此原理上完全具有等方向性（Af zz 0，Δα =： 〇 )， (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 •10, 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 513556 8827pif.doc/008 A7 _B7_ 五、發明説明（卜） 該結構適於陀螺模式及陀螺測速模式運作。 然而，得到三種幾何、懸吊、及材質等方向性之結果 有時無法達到。在此情況下，爲補償其中一種非等向性， 可估計自行加入另一種非等方向性，由其效果補償上述之 第一種非等方向性。在此情況下，若該結構係對第三種類 具有等方向性，則該結構具有整體等方向性。舉例而言， 若該結構具有懸吊非等向性（Afs # 0，Aas # 0 )，可自行 - 加入幾-何非等方向性（Afg々〇，Aag * 0)，使得Afs + Afg = -0及厶心十Aag = (ί;若該結構另外具有材質等方向性（Afm = 〇，△、= 0)，則可得到Δί = 〇，Aa = 〇，故該結構係具有 等方向性而適於陀螺模式運作。 以下之敘述將提出一些特別實施例。 爲解決設置所需要之懸吊桿數目以得到懸吊等方向性 的困難-尤其在設置內懸吊桿、缺乏可用空間的情況下-， 可尋找具有懸吊桿之數目小於4k的其他作法。然而，若 選擇不當階數，則懸吊桿會增加一缺陷。若該缺陷之階數 爲k的整數倍，則會不利地變成一頻率非等向性之缺陷。 若該缺陷之階數等於k+Ι，則會不利地變成機械隔離之缺 陷。 當懸吊桿之數目η小於4k (n<4k)並由2π/η角度間 隔，則可能增加階數η之僵硬度缺陷。由此，可接受之條 件爲 n^k-2 及 n^k+2 ’ 其中 n#pk、p 爲整數（peN)，或 n=pk。 在後者的狀況下，藉由自行加入一階數2k之質量缺陷， 可容易補償所發生之頻率非等向性··藉由每隔π/k附加相 19 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 513556 A7 B7 8827pif.doc/008 五、發明説明（η ) C請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁j 同的質量塊m ’與頻率同質之量，（k/m)因而封閉輪廓 將維持不變’其中最大的質量塊置於懸吊桿與共振器間之 埋裝部分。亦可考慮藉由爲階數k之質量缺陷（物質之去 除）補償。然而共振器對依據其敏感軸之角度加速的敏感 度因此提高，故不能選擇此種作法。 舉例而言，若所使用之型態爲階數1或5，具有三支 相同且每隔120°分佈之懸吊桿的裝置具有頻率等方向性且 不使共_振器失去平衡。然而，對於階數3 (k=3)之型態、 十二邊形.結構之裝置的運作而言，爲了維持等方向性，必 須將三個質量塊m加在懸吊桿2與振動結構1之埋裝部 分、及於兩個相連續之埋裝部分的半距離處另外加上三個 質量塊m，其中每個質量塊的間隔爲π/3(如第3A圖所示）。 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 同樣，若所使用之型態爲階數6，則具有四支相同並 每隔90。分佈之懸吊桿的裝置係具有頻率等方向性且不使 共振器失去平衡。然而，對於階數2 (八邊形結構）的情 況裡，必須將四個質量塊m加於懸吊桿埋裝之部分（如第 3B圖所示）。對於k=4 (具有16邊之多邊形結構）的情 況裡，必須加上另外四個質量塊m，其中該些質量塊m偏 移埋裝部分45° (如第3F圖所示）。 舉例而言，若所使用之型態爲階數4 ’具有六支相同 並每隔60。分佈之懸吊桿的裝置係具有頻率等方向性且不 使共振器失去平衡。然而，對於階數2型態（八邊形結構） 的情況裡，每隔90。必須加上四個質量塊m (如第3C圖所 示）；對階數3型態（十二邊形結構）運作，在懸吊桿埋 20 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS ) A4規格（210X 297公釐） 513556 A7 B7 8827pif.doc/008 五、發明説明（〖I ) 裝部分的每隔60。必須加上六個質量塊m (如第3D圖所 示）。 假設懸吊桿之數目η小於4k而懸吊桿間所形成之角 度與2π/η不同，則所加入之缺陷係爲具有所有諧波如1、 2、3等等之僵硬缺陷。在此狀況下，必須依據每一狀況所 使用之型態階數硏究出解決方法。於是，對於k = 2 (八 邊形結構），一種作法係藉由以45。-135°排列懸吊桿而產 生諧波爲2及4。之僵硬缺陷，其中此兩缺陷對頻率非等向 二性:相消_ (如第3E圖所示）。對於k = 4 (未示）的情況， 二也可以使用同樣四支懸吊桿之狀態。 具體而言，可藉由使該封閉多邊形結構多一突起6附 加的質量塊，其中突起6可爲徑向突起（如第4A圖所示）、 或軸向突起或階梯突起視徑向或軸向之可用空間而定。突 起之製成可相容於共振器製程，而不影響例如化學蝕刻、 雷射蝕刻等過程。 綜上所述，三或四支懸吊桿之懸吊係具有等方向性並 遵守結構之機械平衡，如此可利應用於具有4k頂點之凸 狀規則多邊形的共振器。尤其，階數2之型態適於四支懸 吊桿之懸吊，而階數3之型態適於三支懸吊桿之懸吊，如 第3A圖所示之構造。 同樣，可藉由自行加入一幾何及/或懸吊非等向性’ 得到材質非等向性之補償。舉例而言，可局部改變多邊形 共振器及/或懸吊桿之形狀（後者的排列爲由上敘述關於 懸吊提示），使得幾何及/或懸吊之非等向性能補償材質 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS ) A4規格（210X 297公釐） 513556 A7 B7 8827pif.doc/008 五、發明説明（β) 非等向性。 換言之，具有4k頂點之多邊形振動結構係由結晶材 質製成，其材質具有非三方晶系結構若k = 2或非立方晶 系結構若k = 3，因而該多邊形振動結構原理上具有材質 非等向性（Afm々〇，Aocm * 0)。於是，該多邊形振動結構 經過排列，獲得至少幾何上之局部改變及/或懸吊之局部 改變，使得該多邊形振動結構分別具有幾何非等向性（Afg * 0，Aag矣0)及/或懸吊非等向性（Afs矣〇，矣0)， ,用以補償材質之非等向性，藉此該多邊形振動結構具有頻 -率等方向性（M = 〇)及耦合等方向性（Aa = 0)，並且 適於陀螺測速模式或陀螺模式運作。 舉例而言，藉由如上所述加上四個相同的質量塊及/ 或改變懸吊桿的僵硬度，可使得由矽製成、具有本發明之 幾何形狀並以階數2運作之共振器具有等方向性。同樣’ 藉由如上所述加上六個相同的質量塊及/或改變懸吊桿的 僵硬度，可操作由石英製成、符合本發明之幾何形狀並以 階數3運作之共振器。 第5A至5C圖係繪示如上述根據本發明的一些實施 例。 在第5A圖中，操作於型態階數2 (八邊形結構）上 之振動結構1係由石英製成，並且由四支大約Z狀、且於 中央核心4與四個側邊中心延伸之懸吊桿2構成懸吊，其 中四個側邊爲二二反向及鄰近位置，藉此提供階數2及4 之僵硬非等向性，以補償懸吊桿之數目不足。 22 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) - 經濟部中央標率局員工消费合作社印装 本紙張尺度適用中國國家榡準（CNS ) A4規格（21〇χ297公釐） 經濟部中央標率局貝工消費合作社印褽 513556 8827pif.doc/008 A 7 ____B7 ____ 五、發明説明（>) 在第5B圖中，具有爲同一排列方式之同懸吊桿2的 同一振動結構1係由矽製成並以型態階數2 (八邊形結構） 操作。爲了補償材質非等向性，係加上四個由90。互相間 隔之質量塊m，藉以加入一階數4之質量非等向性，其中 胃個質量塊m係置於兩支反相懸吊桿（在八邊形狀之對應 側邊中心）之埋裝部分，而另外兩個質量塊m則爲於與上 述側邊垂直之兩側邊的對應中心。 -在第5C圖中，十二邊形（k = 3)共振器僅有三支Z 狀懸吊桿2，其埋裝於每四個側邊中之一，並且在每兩個 側邊中之一的中心加上六個平均分佈之質量塊m，其中之 Η個質量塊係置於懸吊桿之埋裝部份。共振器也可以由矽 或石央製成。若該共振器爲由砂製成，則質量塊m所加入 之質量非等向性可補償懸吊非等向性（懸吊桿不足）若該 共振器爲由石英製成，則補償懸吊及材質非等向性。 藉由上述之排列方式，可設計一多邊形平面共振器， 其雖然具有至少幾何非等向性、或懸吊非等向性、或材質 非等向性，但是可由補償方式得到等方向性= 0，Δα = 0)。此等共振器一樣可以適於陀螺模式及陀螺測速模式 運作’如同上述本質上具有等方向性之共振器。因此，可 滿足使用者對一種對一橫向軸（〇Ζ)敏感之平面陀螺裝置 的需求。 本發明之平面共振器本身即有對敏感軸橫向之平面結 構之優點，可結合該共振器與一或其他多個具有敏感軸位 於同該平面之振動結構，而以同一基材製成一體平面、對 23 I紙張尺度適用中國國( CNS ) Α4現格（210X297公釐） "~~' (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁)
513556 8827pif.doc/〇〇8 A 7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（r\ ) 三軸互相垂直敏感之裝置。 根據本發明之一特別有利的實施例，對橫向軸敏感之 平面共振器更包括多個共振樑7，其藉由一與本發明之多 邊形振動結構1實質上同中心之中央核心8支載（在第6Α 圖中’該多邊形振動結構爲，根據第5C圖所示之排列方 式’具有三支Ζ狀懸吊桿2、及六個補償質量塊m之十二 邊形狀）。 • 六條共振樑7均自中央核心8徑向伸展並實質上位於 多邊形振動結構1之平面裡。就十二邊形振動結構1之固 定而言，最適合利用三支以120。互相間隔之懸吊桿2的固 -定方式，可使得該些懸吊桿插入於該些共振樑7之間、並 連接至中央核心8。以階數3操作之型態的振動結構1 一 樣都可由矽或石英製成，然而，矽材質之優點係不會有頻 率非等向性。 上述之整體結構係將每一懸吊桿2上之裝入點9固定 於一固定基座。 FR-A-2 741 151係揭露一種具有六條徑向伸展、並連 接至一外界多邊形固定基座之振動結構，其構成一平面、 對含於其結構平面之二相垂直軸（X，Y)敏感的機械共振 藉由本發明之排列，可製成一種一體平面機械共振 器，其適於偵測施加於支撐共振器之基座之旋轉速度Ω的 Ωχ、Ωγ、及qz等三部份，其中Ωχ及Ωγ部份係由共振樑 偵測而Ωζ部份由具有環狀或多邊形之封閉輪廓的振動結 24 -------If — (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 本紙張尺度適用中國國家標率（CNS ) Α4規格（210Χ297公廣） 513556 A7 B7 8827pif.doc/008 五、發明説明) 構偵測。因此，該共振器係對三互相垂直軸X、γ及Ζ適 於陀螺測速模式或陀螺模式運作。 n —ϋ an— in m ϋϋ I -an— (請先聞讀背面之注意事項存填寫本頁) 第6Β圖係繪示根據本發明另一實施例之一種具有三 敏感軸之平面共振器’其適於階數2 (k = 2)之型態運作。 根據本發明之排列’具有封閉輪廓之振動結構1爲八邊形 狀。懸吊係藉由四支設置懸吊桿2於振動結構1與爲星狀 之共振樑7結構之中央核心8間而致。對於小可用空間而 •言，懸吊桿2之較小數目係有利以容許降低用以維持並偵 測八邊形結構之振動的電極數目。然而，星狀共振樑7之 結構係藉由四支懸吊桿懸吊，因此不能保持第6A圖之實 施例的第三次（ternary)對稱。 爲保持本發明等方向性之原則，最好作法係將星狀結 構之兩條對立樑7置於外多邊形結構中之多個對懸吊桿間 的二等分線上(bisector)。因此，星狀樑與多邊形結構之懸 吊桿之最小角度爲22.5°。藉由使懸吊桿依Z狀伸展，可 將其連接至兩條樑間之二等分線上，此並不會干擾結構之 平衡。由於其對階數k = 2具有頻率等方向性，所以使用 之材質最佳爲石英。 經濟部中央標隼局貝工消費合作社印製 爲固定整個結構在支撐基座上，最好將四個裝入點9 置於懸吊桿2上，以在多邊形振動結構之中央固定方式與 星狀共振樑7之內結構連接至架末端的固定方式間取得最 佳的平衡。 如此，可得到一對三測量軸X、Y、及Z敏感之結構’ 其中位於胞狀平面裡的軸限於陀螺模式運作而垂直軸提供 25 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS ) Α4说格（210Χ297公釐） 513556 A7 B7 8827pif.doc/008 五、發明説明（β) 陀螺模式運作。 當然，本發明之共振器的應用範圍係不限於製成單一 對三垂直軸敏感之感應器’反而本發明之平面共振器允許 於同一結晶基材（其例如可爲砂或石英）上綜合複數個具 有不同物理量値(quantity)之感應器，其中物理量値不僅爲 依據軸X、Y、及Z之角度變化’也包括加速、溫度’壓 力、等等。這些感應器都可由同一一體結晶平面基材製成， 因此可藉由低成本之一般化學蝕刻、雷射鈾刻方法等等製 成佔極小空間之微小裝置。 尤其，可製成--體平面式陀螺加速計（gyro- accelerometric )之慣性感應器’其在同一平板之平面表面 上組合複數個對X、Y、及Z軸陀螺模式之感應器及複數 個對X、Y、及Z軸加速計模式之感應器。第7圖係繪示 此排列方式之槪示圖。基材1〇係爲適當結晶材質，例如 一般所用之矽或石英基材’可倂入本發明所製成之一對Z 軸敏感之平面共振器及一對X及Y軸（即於共振器之平面 裡）敏感之平面共振器，其中該對X及Y軸敏感之平面共 振器例如FR-A-2 741 151所揭露。更佳，此二共振器可如 上述針對第6A及6B圖之敘述結合成一對X、γ、及Z軸 陀螺模式運作之平面單元感應器11。 與上述之陀螺單元感應器11係結合一對X及Y軸敏 感之平面加速計感應器或兩個分別對X及γ軸敏感之加速 計感應器，同時也具備一對橫向軸Z敏感之平面加速計感 應器。熟悉此藝技者知道上述平面加速計感應器。 26 本紙張尺度顧中國國家標率（CNS ) ( 21GX297公董)~ ~ ---------#--- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) - 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 513556 8827pif.doc/008 … B7 五、發明説明（外） 舉例而言，可實施三個具有單方向敏感度之感應器， 其中該三感應器係由120。角度互相間隔，其中之一感應器 12爲對X軸敏感而另外兩個感應器13、14爲對X、Y軸 敏感。利用微分學及此三感應器所提供之訊號，可得到加 速之γχ及丫¥部分。適當感應器例如包括FR 00 10675所述 之種類。 同樣，藉由兩個感應器15、16之微分學處理，可知 道加速部份γζ，其中感應器15、16例如包括FR-A-2 685 964 所述之種類。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 27 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ 297公釐）